WANG Hong , SHI Jing - zhuo , XI Dian - Guo ( Harbin Industry University ,Harbin 150001 ,China)
摘 要 :永磁同步电动机传动系统容易控制 ,动态特性 好 ,适用于中小功率的高性能伺服场合 。文章研究了改进的 变参数 PID 的速度控制方法 ,实验证明该方法是一种经典实 用 、性能很好的控制策略 。
其外围电路主要包括六路 PWM 驱动信号加快 速光耦隔离 ,驱动简单可靠 。驱动电路供电电压为 + 15 V ,由开关电源提供四路隔离的 + 15 V 电源 。 电流采样使用串在电机绕组电路中的精密电阻作传 感元件 ,用快速线性光耦隔离以保证控制电源的独 立性 ,信号经差分驱动/ 放大 ,由 DSP 内置的 10 位的 ADC 进行采样 。主电路为避免上电时出现过大的 瞬时电流和电机制动时产生过高的泵升电压 ,设有 软起动电路以及能耗制动时的能量泄放回路 。
微特电机 2004 年第 9 期
永磁同步电动机调速系统
设计分析 Design and analysis
王 宏 ,史敬灼 ,徐殿国
( 哈尔滨工业大学 ,黑龙江哈尔滨 150001)
Speed - adjustment System of Permanent Magnet Synchronous Generator
1 永磁同步电动机控制原理
1. 1 矢量控制的基本原理 1972 年 ,德国 Siemens 公司的 F. Blaschke 提出
了交流电动机的矢量控制原理 。该理论通过矢量旋 转变换和转子磁场定向 ,将定子电流分解为与磁场 方向一致的励磁分量和与磁场方向正交的转矩分 量 ,得到类似直流电机的解耦的数学模型 。使交流 电动机的控制性能得以接近或达到他励直流电动机 的性能 。
图 5～7 为给定 1000 r/ min 速度阶跃响应实验 曲线 。两种 PID 算法调节参数相同 ,由实验波形可 以看出 ,改进的 PID 算法超调量和响应时间要远小 于普通的 PID 算法 ,显著改善了伺服系统性能 。
图 5 普通 PID 的速度响应
的准确跟踪 ,这样才能将电机模型中定子电压方程 省略 ,或仅用小惯性环节代替 ,实现矢量控制 。简化 的驱动系统闭环传函为 :
G( s)
=
JS
KT +
Be-
jωτ
(7)
简化的系统模型如图 4 所示 。在旋转坐标系下设置
快速响应的两个电流调节器 , 对直流量 id 、iq 进行
调节 ,将输出值通过坐标变换变换成静止坐标下的
微特电机 2004 年第 9 期
耦 。由于表贴磁极的电机交直轴电感相等 , 采用 id = 0 ,控制 iq 的转子磁场定向方法可简单的实现最 大转矩控制 。图 3 为驱动系统在旋转坐标系下的数 学模型 。
图 3 永磁同步电动机驱动系统 d 、q 轴模型
电流控制环必须保证定子电流对矢量控制指令
用 TMS320LF240 的硬件功能实现 SVPWM ,节省了计 算时间 。
合成的电压矢量计算公式 :
V ref = TTxVx + TTyVy + TT0V0
(6)
式中 : Vref为参考电压矢量 , Vx 、Vy 为相邻的分矢量 ,
T 是 PWM 周期 , Tx 、Ty 为分矢量的作用时间 。
关键词 :SVPWM ,永磁同步电动机 ,交流调速系统 ,矢量 控制
中图分类号 :TM341 文献标识码 :A 文章编号 :1004 - 7018( 2004) 09 - 0009 - 03 Abstract :The permanent magnet synchrounous drive system is easy to control with good dynamic charateristics. It is useful in media and small power and high performance servo location. The improved speed control method of alterable parameter PID is analyzed here. Test shows it is a practical and classical control strategy with perfo2 mance. Keywords : SVPWM ; permanent magnet synchronous genera2 tor ;AC speed - adjustment system ;vectro control
联结构 。电流环调节周期是 100μs ,速度环调节周 期是 1 ms 。
逆变器的脉
宽调制采用适合
于数字控制的
SVPWM 技术 ,原理 如图 2 所示 。它以 三相正弦波电压 供电时交流电机
图 2 SVPWM 原理示意图
的理想磁通轨迹为基准 ,用逆变器的八种开关模式 产生的实际磁通去逼近基准磁通圆 ,使电机获得幅 值恒定的圆形磁场即正弦磁通 ,从而达到较高的控 制性能 。和 SPWM 方式相比 ,SVPWM 可以获得更小 的电流谐波含量与更大的电源电压利用率 。我们利
设计分析 Design and analysis
uq
=
Riq + L
d iq dt
+
pωL iq +
pωΦf
(3)
Te
=
3 2
pΦf iq
(4)
Te
=
J
dω dt
+
Bω +
Tl
(5)
其中 : ud 、uq 为 d 、q 轴定子电压分量 , id 、iq 为 d 、q
轴定子电流分量 ; R 、L 分别为定子相电阻和相电
主电路采用三相全桥不控整流 ,三相正弦 PWM 逆变器变频的 AC - DC - AC 结构 。逆变部分使用 智能功率模块 IPM ,三菱公司 PM20CSJ060 ,该 IPM 将
10 永磁同步电动机调速系统
微特电机 2004 年第 9 期
六只 IGBT 封装在一起 ,组成三相全桥逆变电路 ,体 积小 ,重量轻 ,并且内部集成有驱动和保护电路 ,具 有过压 、过流等完备的保护功能 。额定参数为 600 V 、20 A ,开关频率可达 20 kHz 。
永磁同步电动机驱动系统经矢量变换后 ,系统
在与转子同步旋转的 d 、q 轴系下可实现电流的解
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线 (磁极轴线) 为 d 轴 (直轴) , 而 q 轴 (交轴) 顺着旋
转方向超前 d 轴 90°电角度 , dq 轴系随同转子以电
角速度 (电角频率) ωr 旋转 。由 abc 变换到 dq 并且
满足功率不变约束的变换公式为 :
id =
iq
2 cosθr cos(θr - 2π3 ) cos(θr - 4π3 ) 3 - sinθr - sin(θr - 2π3 ) - sin(θr - 4π3 )
同步电动机的转矩角 δ( 定子电枢磁势和转子 励磁磁势间的夹角) 随负载变化 , 计算并保持 δ= 90°就可以和无补偿绕组的直流电动机一样 , 基本实 现解耦控制 ,即转子磁场定向的矢量控制 。根据检 测的位置信号控制定子各相绕组电流 , 即可充分保 持其定 、转子磁势正交 。
1. 2 矢量控制中的坐标变换 同步旋转坐标系取转子永磁体基波励磁磁场轴
永磁同步电动机定子三相绕组通入互差 120°的 三相正弦电流 ,在气隙中产生旋转磁场 ;而转子磁极
收稿日期 :2003 - 06 - 09
为稀土永磁体 ,在气隙中产生正弦磁场 ,并且固定于 转子位置 ,因此矢量控制中的同步旋转轴系与转子 旋转轴系重合 ,用 dq 坐标系表示 。定子磁势 Fs 沿 旋转方向超前转子磁势 Fr ,旋转的定子磁势与转子 磁势相互作用 ,吸引转子磁势旋转 ,即驱动转子与之 同步旋转 。
8CB075 型 ,定子绕组为三相星接 ,转子磁极采用新
一代的钕铁硼 (Nd2Fe14B1) 永磁材料 ,表面贴四对磁
极 。具体参数如表 1 所示 。伺服电机后接增量式光
电编码器 ,分辨率为 2000p/ r ,产生 A 、B 、Z 、U 、V 、W
六路差分信号 。
表 1 8CB075 型电机参数表
实际值 。电流调节器采用 PI 调节器 ,以使系统快速
响应 ,消除稳态误差[2] 。
设计分析 Design and analysis
调速范围宽 (设计指标 D = 5000) ,为实现精确定位 要求低速性能好 ,并且伺服系统的负载变化范围大 且变化频繁 ,如果速度控制器采用一组固定的调节 参数 ,当输入给定变化或是系统参数变化时 ,传统的 PID 控制方法就很难得到令人满意的动态响应特性 了 。因此 ,系统中采用了变参数的 PID 控制 。建立 PID 参数的数据库 ,通过检测环节和观测器对速度 和负载变化进行实时观测 ,根据速度给定和负载选 择不同的 PID 调节参数 ,以提高伺服系统的速度控 制性能[3 ] 。
额定电压
200 V 相绕组电阻
1. 2Ω
额定功率 750 W
同步电感 5. 2 mH
额定转速 3000 r/ min 电势系数
0. 344 V
额定转矩 2. 5 N·m 转子惯量 2. 48 g·cm·s2
最大转矩 7. 5 N·m 极对数
4
伺服驱动器采用全数字化结构 ,通过高性能的
硬件支持实现闭环控制的软件化 。其硬件结构如图
对于经过优化设计的隐极式永磁同步伺服电动
机 ,经过 Park 变换后 ,其 d 、q 坐标系下的数学模型 可表示为下列方程式 :