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交流永磁同步伺服电机及其驱动技术.pdf

交流永磁同步伺服电机及其驱动技术

信控科技
2012-01-13 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《交流永磁同步伺服电机及其驱动技术pdf》,可适用于IT/计算机领域

交流永磁同步电机及其驱动交流永磁同步电机及其驱动技术技术、、交流永磁同步电机结构和工作原理交流永磁同步电机结构和工作原理、、交流永磁同步电机交流永磁同步电机磁场定向控制技术磁场定向控制技术、交流永磁同步电机、交流永磁同步电机PWMPWM控制控制、交流永磁同步电机驱动器、交流永磁同步电机驱动器wwwplcworldcnwwwplcworldcn直流伺服电机存在如下缺点:直流伺服电机存在如下缺点:它的电枢绕组在转子上不利于散热它的电枢绕组在转子上不利于散热由于绕组在转子上转子惯量较大不利于高速响由于绕组在转子上转子惯量较大不利于高速响应应电刷和换向器易磨损需要经常维护、限制电机速度、电刷和换向器易磨损需要经常维护、限制电机速度、换向时会产生电火花限制了它的应用环境。换向时会产生电火花限制了它的应用环境。如果能将电刷和换向器去掉再把电枢绕组移到定子如果能将电刷和换向器去掉再把电枢绕组移到定子上就可克服这些缺点。上就可克服这些缺点。交流伺服电机就是这种结构的电机。交流伺服电机就是这种结构的电机。交流伺服电机有两类:交流伺服电机有两类:同步电机同步电机和和感应电机感应电机wwwplcworldcnwwwplcworldcn永磁同步电机(永磁同步电机(PMSMPMSM))((PermanentMagnetSynchronousMotorPermanentMagnetSynchronousMotor))、结构和工作原理、结构和工作原理wwwplcworldcnwwwplcworldcn主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。定子和一般的三相感应电机类似采用三相定子和一般的三相感应电机类似采用三相对称对称绕绕组结构它们的轴线在组结构它们的轴线在空间空间彼此相差彼此相差度。度。转子上贴有磁性体一般有两对以上的磁极。转子上贴有磁性体一般有两对以上的磁极。位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器。。wwwplcworldcnwwwplcworldcn三相异步交流感应电机的工作原理三相异步交流感应电机的工作原理感应电机当其对称三相绕组接通感应电机当其对称三相绕组接通对称三相电源对称三相电源后流过绕组的电流在定转子气隙中建立起旋转后流过绕组的电流在定转子气隙中建立起旋转磁场其转速为磁场其转速为::式中式中ff电源频率电源频率pp定子极对数。定子极对数。即磁场的转速正比于电源频率反比于定子的极即磁场的转速正比于电源频率反比于定子的极对数对数磁场的旋转方向取决于绕组电流的相序。磁场的旋转方向取决于绕组电流的相序。psfnrpmwwwplcworldcnwwwplcworldcn由于电磁感应作用闭合的转子导体内将由于电磁感应作用闭合的转子导体内将产生感应电流。产生感应电流。这个电流产生的磁场和定子绕组产生的旋这个电流产生的磁场和定子绕组产生的旋转磁场相互作用产生电磁转矩从而使转转磁场相互作用产生电磁转矩从而使转子子““跟着跟着””定子磁场旋转起来其转速为定子磁场旋转起来其转速为nn。。nn总是低于总是低于nsns(异步)否则就不会通过切(异步)否则就不会通过切割磁力线的作用在转子中产生感应电流。割磁力线的作用在转子中产生感应电流。wwwplcworldcnwwwplcworldcn永磁同步交流电机永磁同步交流电机的工作原理的工作原理定子转组产生旋转磁场的机理与感应电机是相同定子转组产生旋转磁场的机理与感应电机是相同的。的。其不同点是转子为永磁体且其不同点是转子为永磁体且nn与与nsns相同相同(同步)。(同步)。两个磁场相互作用产生转矩。两个磁场相互作用产生转矩。定子绕组产生的旋转磁场可看作一对旋转磁极吸定子绕组产生的旋转磁场可看作一对旋转磁极吸引转子的磁极随其一起旋转。引转子的磁极随其一起旋转。rpmpsfnnwwwplcworldcnwwwplcworldcn要想实现四象限运行关键是力矩的控制。要想实现四象限运行关键是力矩的控制。在永磁直流电机中在永磁直流电机中T=T=KtIKtI。。II为直流只要改变电流的大为直流只要改变电流的大小就能改变力矩。小就能改变力矩。而交流电机中而交流电机中FsFs是由三相交流电产生的绕组中的电压及是由三相交流电产生的绕组中的电压及电流是交流是时变量转矩的控制要复杂得多。电流是交流是时变量转矩的控制要复杂得多。能否找到一种方法使我们能够象控制直流电机那样控制交能否找到一种方法使我们能够象控制直流电机那样控制交流电机?流电机?世纪世纪年代初发明了矢量控制技术或称磁场定向控制年代初发明了矢量控制技术或称磁场定向控制技术。技术。通过坐标变换把交流电机中交流电流的控制变换成类通过坐标变换把交流电机中交流电流的控制变换成类似于直流电机中直流电流的控制实现了力矩的控制可似于直流电机中直流电流的控制实现了力矩的控制可以获得和直流电机相似的高动态性能从而使交流电机的以获得和直流电机相似的高动态性能从而使交流电机的控制技术取得了突破性的进展。控制技术取得了突破性的进展。sin()rssrTFFwwwplcworldcnwwwplcworldcn、磁场定向控制、磁场定向控制永磁同步电机的定子中装有三相对称绕组永磁同步电机的定子中装有三相对称绕组a,b,ca,b,c它它们在们在空间彼此相差空间彼此相差度度绕组中通以如下三相对绕组中通以如下三相对称电流:称电流:即每个绕组中电流的幅值和相位都是随时间变化即每个绕组中电流的幅值和相位都是随时间变化的且彼此在的且彼此在相位(与时间有关)上相差相位(与时间有关)上相差度度。。mmmIsinIsin()Isin()abcitititabciiiwwwplcworldcnwwwplcworldcn旋转磁场是三相电流共同作用的旋转磁场是三相电流共同作用的结果引入结果引入电流空间矢量电流空间矢量的概念的概念来描述这个作用。来描述这个作用。在电机定子上与轴垂直的剖面上在电机定子上与轴垂直的剖面上建立一静止坐标系(建立一静止坐标系(a,b,ca,b,c))其原其原点在轴心上三相绕组的轴线分点在轴心上三相绕组的轴线分别在此坐标系的别在此坐标系的aabbcc三个坐标三个坐标轴上。轴上。每一相相电流幅值和极性随时间每一相相电流幅值和极性随时间按正弦规律变化。可用空间矢量按正弦规律变化。可用空间矢量描述方向始终在描述方向始终在a,b,ca,b,c坐标系中各坐标系中各相的轴线上。相的轴线上。定义定义合成定子电流矢量合成定子电流矢量为:为:每一相相电流空间矢量幅值和极每一相相电流空间矢量幅值和极性的变化使得合成定子电流矢量性的变化使得合成定子电流矢量形成旋转磁场。形成旋转磁场。jjsabciiieievabciaiaiwwwplcworldcnwwwplcworldcn定义了合成定子电流矢量后则定子绕组的定义了合成定子电流矢量后则定子绕组的总磁势矢量为总磁势矢量为NN定子绕组线圈总匝数定子绕组线圈总匝数要注意要注意合成定子电流合成定子电流仅仅是为了描述方便引仅仅是为了描述方便引入的入的虚拟量虚拟量。。注意区分电流注意区分电流矢量矢量和电工学中分析正弦电路和电工学中分析正弦电路时所用到的时所用到的相量相量。前者反映的是各个量的空。前者反映的是各个量的空间、时间关系而后者描述的仅是时间关间、时间关系而后者描述的仅是时间关系。系。()ssabcFNiNiaiaivvwwwplcworldcnwwwplcworldcn力矩控制力矩控制由电机统一理论电机的力矩由电机统一理论电机的力矩大小可表示为大小可表示为如果能保证如果能保证FrFr与与FsFs相互垂直则因转子磁势相互垂直则因转子磁势FrFr为常为常数且数且则则这与直流电机的力矩表达式是一样的。这与直流电机的力矩表达式是一样的。sin()rssrTFFssFNitsTKiwwwplcworldcnwwwplcworldcn问题可归结为问题可归结为::定子合成电流是一个时变量如何把时变定子合成电流是一个时变量如何把时变量转换为时不变量?量转换为时不变量?如何保证定子磁势与转子磁势相互垂直?如何保证定子磁势与转子磁势相互垂直?定子合成电流仅是一个虚拟的量并不是定子合成电流仅是一个虚拟的量并不是真正的物理量力矩的控制最后还是要落真正的物理量力矩的控制最后还是要落实到三相电流的控制上如何实现这个转实到三相电流的控制上如何实现这个转换?换?wwwplcworldcnwwwplcworldcn为了解决上面提到的这些问题设想建立一个为了解决上面提到的这些问题设想建立一个以电源角频率旋转的以电源角频率旋转的旋转坐标系旋转坐标系((dd、、qq)。)。从静止坐标系(从静止坐标系(a,b,ca,b,c))上看合成定子电流矢上看合成定子电流矢量在空间以电源角频率旋转从而形成旋转磁量在空间以电源角频率旋转从而形成旋转磁场是时变的。场是时变的。从动坐标系(从动坐标系(dd、、qq)上看则合成定子电流矢)上看则合成定子电流矢量是静止的也即从时变量变成了时不变量量是静止的也即从时变量变成了时不变量从交流量变成了直流量。从交流量变成了直流量。磁场定向控制的基本思路磁场定向控制的基本思路wwwplcworldcnwwwplcworldcn通过通过坐标变换坐标变换把合成定子电流矢量从把合成定子电流矢量从静止坐静止坐标系标系变换到变换到旋转坐标系旋转坐标系上。上。在旋转坐标系中计算出实现力矩控制所需要在旋转坐标系中计算出实现力矩控制所需要的定子合成电流的数值的定子合成电流的数值然后将这个电流值再反变换到静止坐标系然后将这个电流值再反变换到静止坐标系中。中。将虚拟的合成电流转换成实际的绕组电流将虚拟的合成电流转换成实际的绕组电流从而实现电机力矩的控制从而实现电机力矩的控制。。坐标变换是通过两次变换实现的坐标变换是通过两次变换实现的wwwplcworldcnwwwplcworldcnClarkeClarke变换变换((a,b,ca,b,c))是复数平面上的三相是复数平面上的三相静止坐标系静止坐标系。。((αα,,ββ))是该平面上的两相是该平面上的两相静止坐标系静止坐标系。。αα轴与轴与aa轴重合轴重合ββ轴与轴与aa轴垂直。轴垂直。定义在(定义在(a,b,ca,b,c))坐标系中的空间电流矢量可通过如下运算变坐标系中的空间电流矢量可通过如下运算变换到坐标系(换到坐标系(αα,,ββ))中:中:si asabciiaiaivcossinajjcossinajj()sabcbciiiijiivwwwplcworldcnwwwplcworldcnabciiiii用矩阵可表示为()sabcbciiiijiivwwwplcworldcnwwwplcworldcnParkPark变换变换定义一个以转速定义一个以转速ωω旋转的直角坐标系旋转的直角坐标系其转角为其转角为θθ==ωωtt在此坐标系中电流矢量是一个静止矢量其分量在此坐标系中电流矢量是一个静止矢量其分量id,id,iqiq也就成也就成了非时变量(直流量)。了非时变量(直流量)。由几何关系可得出空间矢量从由几何关系可得出空间矢量从((αα,,ββ))坐标系到坐标系到((d,qd,q))坐标坐标系的变换关系:系的变换关系:cossinsincosdqiiiiiicossinsincosdqiiiisidiiwwwplcworldcnwwwplcworldcnabciiiii现在得到了从现在得到了从ia,ib,icia,ib,ic到到id,iqid,iq的变换。求逆即是反变的变换。求逆即是反变换。换。式中式中θθ可由传感器测量得到。可由传感器测量得到。cossinsincosdqiiiiwwwplcworldcnwwwplcworldcn在(在(d,qd,q))坐标系中合成定子电流是一个标量可坐标系中合成定子电流是一个标量可表示为:表示为:如果使如果使isis在在qq轴上(即让轴上(即让id=)id=)使转子磁极在使转子磁极在dd轴轴上则上则即定子磁场与转子磁场相互垂直此时电机的力即定子磁场与转子磁场相互垂直此时电机的力矩为矩为在(在(d,qd,q))坐标系中我们可象直流电机那样通过坐标系中我们可象直流电机那样通过控制电流来改变电机的转矩。控制电流来改变电机的转矩。sdqiiisrsin()rssrtqTFFKiwwwplcworldcnwwwplcworldcnId,Id,iqiq并不是真实的物理量电机力矩的控并不是真实的物理量电机力矩的控制最终还是定子绕组电流制最终还是定子绕组电流ia,ib,icia,ib,ic或定子绕组或定子绕组电压电压ua,ub,ucua,ub,uc实现实现因此必须将虚拟量变换回这些真实的物因此必须将虚拟量变换回这些真实的物理量这可通过如上理量这可通过如上clarckclarck、、ParkPark变换的逆变换的逆变换实现。变换实现。wwwplcworldcnwwwplcworldcn磁场定向控制的实现磁场定向控制的实现wwwplcworldcnwwwplcworldcn力矩的控制由力矩回路实现。力矩的控制由力矩回路实现。图中电流传感器测量出定子绕组电流图中电流传感器测量出定子绕组电流ia,ibia,ib作为作为clarkeclarke变换的变换的输入输入icic可由三相电流对称关系可由三相电流对称关系iaibiciaibic==求出。求出。clarkeclarke变换的输出变换的输出iiαα,,iiββ与由编码器测出的转角与由编码器测出的转角ΘΘ作为作为parkpark变换的输入其输出变换的输入其输出idid与与iqiq作为电流反馈量与指令电流作为电流反馈量与指令电流idrefidref及及iqrefiqref比较产生的误差在力矩回路中经比较产生的误差在力矩回路中经PIPI运算后输运算后输出电压值出电压值ud,uqud,uq。。再经逆再经逆parkpark变换将这变换将这ud,uqud,uq变换成坐标系中的电压变换成坐标系中的电压uuαα,u,uββ。。SVPWMSVPWM算法将算法将uuαα,u,uββ转换成逆变器中六个功放管的开关转换成逆变器中六个功放管的开关控制信号以产生三相定子绕组电流。控制信号以产生三相定子绕组电流。速度的控制由速度回路实现。速度的控制由速度回路实现。速度指令(一般是位置回路的输出)与由光电编码器测量速度指令(一般是位置回路的输出)与由光电编码器测量出的电机实际速度相比较误差在速度回路中经出的电机实际速度相比较误差在速度回路中经PIPI运算后运算后作为力矩回路的指令值。作为力矩回路的指令值。wwwplcworldcnwwwplcworldcn实现磁场定向控制的程序流图实现磁场定向控制的程序流图wwwplcworldcnwwwplcworldcn((d,qd,q))坐标系的初始建立坐标系的初始建立rF si 如何使转子磁场在如何使转子磁场在dd轴上使定子磁场在轴上使定子磁场在qq轴上轴上)首先使)首先使idrefidref==iqrefiqref为一常量在电流回路作用下定子为一常量在电流回路作用下定子绕组电流建立的磁场将吸引转子磁极与之对准绕组电流建立的磁场将吸引转子磁极与之对准PI速度、位置检测相逆变器pmsmusPIPark逆变换UqPIUdSVPWMPark逆变换Clark变换nrefnfiqrefidref=θiqidiaibUαUβiαiβwwwplcworldcnwwwplcworldcn)在)在ParkPark变换和逆变换中将变换和逆变换中将θθ增加增加°°即合成定子电流即合成定子电流矢量瞬间旋转矢量瞬间旋转°°而转子磁极在此瞬间仍停留在原来的而转子磁极在此瞬间仍停留在原来的位置这相当于位置这相当于((d,qd,q))坐标系旋转了坐标系旋转了°°))现在电流矢量被移动到现在电流矢量被移动到qq轴上转子磁极仍然在轴上转子磁极仍然在dd轴上即轴上即两个磁极处于正交状态两个磁极处于正交状态)转子趋于与定子磁势对准一旦转子开始旋转)转子趋于与定子磁势对准一旦转子开始旋转DSPDSP根据根据编码器测量出的新的转子位置通过矢量变换算法不断更编码器测量出的新的转子位置通过矢量变换算法不断更新电流矢量以维持两个磁场始终处于正交状态。新电流矢量以维持两个磁场始终处于正交状态。rFsiwwwplcworldcnwwwplcworldcn交流永磁同步电机的交流永磁同步电机的PWMPWM控制控制PMSMPMSM驱动器的主回路一般采用交驱动器的主回路一般采用交直直交的结交的结构。构。wwwplcworldcnwwwplcworldcnIGBTIGBT((InsulatedInsulatedgateBipolarTransistorgateBipolarTransistor))由由MOSFETMOSFET和和GTRGTR复合而成结合二者的优点。复合而成结合二者的优点。功率晶体管的特点功率晶体管的特点电流驱动开关速度较低所需驱电流驱动开关速度较低所需驱动功率大驱动电路复杂。但集电极和发射极间的电压基动功率大驱动电路复杂。但集电极和发射极间的电压基本不随电压升高而变化。本不随电压升高而变化。MOSFETMOSFET的优点的优点电压驱动开关速度快输入阻抗电压驱动开关速度快输入阻抗高热稳定性好所需驱动功率小而且驱动电路简单但高热稳定性好所需驱动功率小而且驱动电路简单但耐压越高源极和漏极间的电阻越大。耐压越高源极和漏极间的电阻越大。wwwplcworldcnwwwplcworldcn交流电机系统也普遍采用交流电机系统也普遍采用PWMPWM的控制技术的控制技术产生绕组电压和电流。产生绕组电压和电流。据统计已见著文献的交流电机据统计已见著文献的交流电机PWMPWM控制控制方法有数十种之多方法有数十种之多研究主要集中在如何实现高效率、低谐研究主要集中在如何实现高效率、低谐波、易实现等方面。波、易实现等方面。常用的方法有三种:常用的方法有三种:正弦波脉宽调制(正弦波脉宽调制(SPWMSPWM))空间矢量脉宽调制(空间矢量脉宽调制(SVPWMSVPWM))电流跟踪控制。电流跟踪控制。wwwplcworldcnwwwplcworldcnSPWMSPWM技术技术((SinusodalSinusodalPulseWidthModulationPulseWidthModulation))用直流电压信号去调制三角波信号得到一个脉冲序列。占空比由直流电压幅值决定。PWMutucuwwwplcworldcnwwwplcworldcn用正弦波信号去调制用正弦波信号去调制三角波信号会得到三角波信号会得到一个占空比按正弦规一个占空比按正弦规律变化的脉冲序列。律变化的脉冲序列。脉冲的频率由三角波脉冲的频率由三角波频率决定脉冲的占频率决定脉冲的占空比由电压幅值决空比由电压幅值决定。定。脉冲序列可能包含各脉冲序列可能包含各次谐波的频谱成份次谐波的频谱成份但其基波由调制波决但其基波由调制波决定定,reftuuPWMurefutuwwwplcworldcnwwwplcworldcnaPWMubPWMucPWMuarefubrefucrefutuwwwplcworldcnwwwplcworldcnaPWMuarefubrefucrefutubPWMuaPWMucPWMuwwwplcworldcnwwwplcworldcnwwwplcworldcnwwwplcworldcnSVPWMSVPWM((SpaceVectorPWMSpaceVectorPWM)技术)技术交流电动机输入三相正弦电流在电动机空间形成交流电动机输入三相正弦电流在电动机空间形成圆形旋转磁场。圆形旋转磁场。SVPWMSVPWM((SpaceVectorPWMSpaceVectorPWM))技术的基本思路技术的基本思路就是把电机和逆变器看做一体就是把电机和逆变器看做一体通过通过控制逆变器控制逆变器功率器件的功率器件的开关模式及导通时间开关模式及导通时间产生产生有效电压有效电压矢量矢量来逼近来逼近圆形磁场轨迹圆形磁场轨迹的一种方法的一种方法。。这种方法利用电压空间矢量直接生成三相这种方法利用电压空间矢量直接生成三相PWMPWM波特别适用于波特别适用于DSPDSP直接计算且方法简便。直接计算且方法简便。可以证明:可以证明:SVPWMSVPWM比一般的比一般的SPWMSPWM直流电压利用直流电压利用率提高率提高。。wwwplcworldcnwwwplcworldcn合成电压空间矢量合成电压空间矢量在电机定子上与轴垂直的剖在电机定子上与轴垂直的剖面上建立一静止坐标系面上建立一静止坐标系OABC,OABC,其原点在轴心上三相绕组其原点在轴心上三相绕组的轴线分别在此坐标系的的轴线分别在此坐标系的A,B,CA,B,C三个坐标轴上。三个坐标轴上。每一相相电压幅值和极性随每一相相电压幅值和极性随时间按正弦规律变化。可用时间按正弦规律变化。可用空间矢量描述方向始终在空间矢量描述方向始终在ABCABC坐标系中各相的轴线坐标系中各相的轴线上。上。定义定义合成定子电压矢量合成定子电压矢量为:为:电压矢量是一个以电源角频电压矢量是一个以电源角频率速度旋转的空间矢量。率速度旋转的空间矢量。CBAsuuuuwwwplcworldcnwwwplcworldcn合成磁链空间矢量合成磁链空间矢量ΨΨ由定子电流和转子磁极产生的由定子电流和转子磁极产生的磁链。磁链。同样可以定义合成磁链空间矢量:同样可以定义合成磁链空间矢量:磁链矢量顶端的运动轨迹为磁链圆。磁链矢量顶端的运动轨迹为磁链圆。sABCΨΨΨΨsmΨejtΨwwwplcworldcnwwwplcworldcn电压矢量和电压矢量和磁链矢量的关系磁链矢量的关系用合成空间矢量表示的定子电压方程式为用合成空间矢量表示的定子电压方程式为当电动机转速不是很低时定子电阻压降在式中所当电动机转速不是很低时定子电阻压降在式中所占的成分很小可忽略不计则定子合成电压与合占的成分很小可忽略不计则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为成磁链空间矢量的近似关系为上式表明当磁链幅值一定时Us的大小与Ψs的变化率成正比其方向则与磁链矢量正交即磁链圆的切线方向。tddssΨutRddssssΨIuwwwplcworldcnwwwplcworldcn当磁链矢量在空间旋转一周时电压矢量也连续当磁链矢量在空间旋转一周时电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动地按磁链圆的切线方向运动弧度其轨迹与磁弧度其轨迹与磁链圆重合。链圆重合。这样电动机旋转磁场的轨迹问题就可这样电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电转化为电压空间矢量的运动轨迹问题压空间矢量的运动轨迹问题。。wwwplcworldcnwwwplcworldcnSVPWMSVPWM是通过是通过VVαα、、VVββ计算出计算出逆变器功率器件逆变器功率器件的导通时间的导通时间从而从而产生有效电压矢量来逼近圆形产生有效电压矢量来逼近圆形磁场轨迹的一种方法磁场轨迹的一种方法。。PI速度、位置检测相逆变器pmsmusPIPark逆变换UqPIUdSVPWMPark逆变换Clark变换nrefnfiqrefidref=θiqidiaibUαUβiαiβwwwplcworldcnwwwplcworldcn逆变器中的电压关系逆变器中的电压关系逆变器上、下桥臂的开关器件在任一时刻导通关断状态正逆变器上、下桥臂的开关器件在任一时刻导通关断状态正好相反所以只用上桥臂的三个功率开关器件来描述逆变好相反所以只用上桥臂的三个功率开关器件来描述逆变器的工作状态就足够了。器的工作状态就足够了。如果把上桥臂功率开关器件的导通状态用如果把上桥臂功率开关器件的导通状态用““””表示关断用表示关断用““””表示上桥臂三个功率开关器件的开关状态共有八种组表示上桥臂三个功率开关器件的开关状态共有八种组合。合。wwwplcworldcnwwwplcworldcnONOAONOBONOCVVZiVVZiVVZiONOAOBOCVVVViii相电压和电压源的关系wwwplcworldcnwwwplcworldcn开关状态下的电压源wwwplcworldcnwwwplcworldcn开关状态下的相电压开关状态下的相电压将开关状态下的电压源表中的值带入相电压表达式可得到开关状态下的相电压值开关状态下的相电压值wwwplcworldcnwwwplcworldcn开关状态下开关状态下VVαα、、VVββ的值的值由由ClarkeClarke变换可得到在变换可得到在((αα,,ββ))坐标系中坐标系中VVαα、、VVββ的值的值。。由由个开关状态得到个开关状态得到((αα,,ββ))坐标系中的坐标系中的个个基本电压空间矢量。基本电压空间矢量。其中两个是空矢量六其中两个是空矢量六个有效矢量。个有效矢量。每个有效矢量的幅值都每个有效矢量的幅值都是是VdcVdcwwwplcworldcnwwwplcworldcn通过上述六个基本有效矢量把整个空间划分成了六个扇区。这样的供电方式只能形成正六边形的旋转磁场这样的供电方式只能形成正六边形的旋转磁场如果想获如果想获得逼近圆形的旋转磁场得逼近圆形的旋转磁场就必须有更多的空间电压矢量。就必须有更多的空间电压矢量。设想将每个扇区在分成若干小区间在每个小区间都用相设想将每个扇区在分成若干小区间在每个小区间都用相邻的基本有效电压矢量以及零矢量的线性时间组合来合成邻的基本有效电压矢量以及零矢量的线性时间组合来合成新的电压矢量新的电压矢量通过改变基本矢量的作用时间保证所合成的电压空间矢通过改变基本矢量的作用时间保证所合成的电压空间矢量的幅值。量的幅值。当小区间足够小时电压空间矢量的轨迹就是一个近似圆当小区间足够小时电压空间矢量的轨迹就是一个近似圆形的正多边形形的正多边形V()V()V()V()V()V()V()V()wwwplcworldcnwwwplcworldcn用线性组合生成新的电压空间矢量用线性组合生成新的电压空间矢量T:T:电压空间矢量电压空间矢量VsVs的作用时间的作用时间TT:基本电压空间矢量:基本电压空间矢量VV的作用时间的作用时间T:T:基本电压空间矢量基本电压空间矢量VV的作用时间的作用时间T:T:零矢量零矢量V()V()或或V()V()作用时间作用时间以第一扇区为例wwwplcworldcnwwwplcworldcn知道了知道了VVαα,V,Vββ的值就求出了生成新的电压矢量所需的的值就求出了生成新的电压矢量所需的基本电压矢量的作用时间。基本电压矢量的作用时间。TT对应于对应于PWMPWM周期。即周期。即每一个每一个TT发出发出PWMPWM电压波形中的一电压波形中的一个脉冲波。个脉冲波。在每个在每个PWMPWM周期都周期都按照上述方法按照上述方法用相邻的基本有效电用相邻的基本有效电压矢量以及零矢量的线性组合来合成新的电压矢量。压矢量以及零矢量的线性组合来合成新的电压矢量。通过改变基本矢量的作用时间保证所合成的电压空间矢通过改变基本矢量的作用时间保证所合成的电压空间矢量的幅值都相等。量的幅值都相等。当当PWMPWM周期足够小时电压空间矢量的轨迹就是一个近周期足够小时电压空间矢量的轨迹就是一个近似圆形的正多边形。似圆形的正多边形。wwwplcworldcnwwwplcworldcnTT与与TTTT未必相等其间隙时间可用零矢量未必相等其间隙时间可用零矢量VV或或VV来来填补。为了减少功率器件的开关次数一般使填补。为了减少功率器件的开关次数一般使VV和和VV各占一半时间因此各占一半时间因此以此类推可计算出其它扇区电压矢量所对应的以此类推可计算出其它扇区电压矢量所对应的基本电压基本电压矢量的作用时间。矢量的作用时间。()TTTttwwwplcworldcnwwwplcworldcn七段式七段式SVPWMSVPWM波形生成方案波形生成方案对每一个对每一个SVPWMSVPWM波的零矢量分割方法以及对相邻波的零矢量分割方法以及对相邻非零矢量选择不同会产生多种非零矢量选择不同会产生多种SVPWMSVPWM波形。波形。根据从一个矢量转换到另一个矢量的过程中只有一根据从一个矢量转换到另一个矢量的过程中只有一个功率元件状态发生变化的原则确定如下七段式个功率元件状态发生变化的原则确定如下七段式生成方案生成方案::电压空间矢量的作用序列电压空间矢量的作用序列由由段零矢量和段零矢量和段相邻的段相邻的两个非零矢量组成两个非零矢量组成段零矢量分别位于段零矢量分别位于PWMPWM波的开始、中间和结尾波的开始、中间和结尾开关顺序为:开关顺序为:作用时间分别为作用时间分别为::wwwplcworldcnwwwplcworldcn上例中上例中VsrefVsref由由VV(),(),VV(),(),VV(),(),VV()()组合而成。即组合而成。即种开关状态。相应的作用时间为种开关状态。相应的作用时间为T,T,T,TT,T,T,T。。按照按照七段式生成方案七段式生成方案可选择:可选择:V(),V(),V(),V(),V(),V(),V()V(),V(),V(),V(),V(),V(),V()。。作用时间为作用时间为T,T,T,T,T,T,T,T,T,T,T,T,TT。。wwwplcworldcnwwwplcworldcnV(),V(),V(),V(),V(),V(),V(),V(),V(),V(),V(),V(),V()V()。。T,T,T,T,T,T,TT,T,T,T,T,T,T。。wwwplcworldcnwwwplcworldcn根据七段式根据七段式SVPWMSVPWM波形生成方案确定的各扇区的波形生成方案确定的各扇区的电压空电压空间矢量的作用序列如上表所示间矢量的作用序列如上表所示正转时扇区的顺序为正转时扇区的顺序为Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ→Ⅵ→ⅠⅠ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ→Ⅵ→Ⅰ反转时扇区的顺序为反转时扇区的顺序为Ⅵ→Ⅴ→Ⅳ→Ⅲ→Ⅱ→Ⅰ→ⅥⅥ→Ⅴ→Ⅳ→Ⅲ→Ⅱ→Ⅰ→Ⅵ。。V()V()V()V()V()V()V()V()wwwplcworldcnwwwplcworldcna)第Ⅰ扇区b)第Ⅱ扇区一个采样周期内的SVPWM波形将PWM、PWM和PWM进行非运算就可以生成PWM、PWM和PWM。wwwplcworldcnwwwplcworldcn、、PMSMPMSM驱动器的硬件结构驱动器的硬件结构不控整流桥三相逆变电路PMSM光耦隔离HALL电流检测光电编码器控制电源上位机RS外部存储器QEPVADC键盘控制DACSCIPWM产生模块ADCINADCINQEPAQEPBINDEX驱动电路SPILED显示驱动器功率因数校正电路故障检测电路EMIFJTAGPWMPWMPWMPWMPWMPWMCPU存储器TMSLFAPDPINT数据观测PLLWDRTIIO仿真器输入滤波器DSPDSP实现:实现:矢量变换矢量变换控制算法控制算法PWMPWM产生产生编码器信号编码器信号处理处理故障诊断故障诊断wwwplcworldcnwwwplcworldcn逆变器主回路逆变器主回路选用智能功率模块选用智能功率模块IPMIPM((IntelligentPowerIntelligentPowerModerModer))DSPDSP输出六路输出六路PWMPWM信号经光耦隔离后驱动信号经光耦隔离后驱动IPMIPM工作工作wwwplcworldcnwwwplcworldcnIPMIPM内部功能内部功能模块集成:模块集成:••六个六个IGBTIGBT••驱动电路驱动电路••保护电路保护电路wwwplcworldcnwwwplcworldcn。。IPMIPM模块内部集成了六个模块内部集成了六个IGBTIGBT作为功率开关元作为功率开关元件同时集成了驱动电路并设计有过电压、件同时集成了驱动电路并设计有过电压、过电流、过热、欠电压等故障检测保护电路。过电流、过热、欠电压等故障检测保护电路。IPMIPM芯片共有芯片共有个引脚包括:六路个引脚包括:六路PWMPWM信号信号输入四组供电电源为六个功率管提供驱动输入四组供电电源为六个功率管提供驱动电压四个故障信号输出直流母线电压输电压四个故障信号输出直流母线电压输入三相电压输出。入三相电压输出。DSPDSP输出的输出的PWMPWM信号在进入信号在进入IPMIPM之前需用高速光之前需用高速光耦进行隔离。耦进行隔离。故障输出端接低速光耦。这些故障信号经逻辑故障输出端接低速光耦。这些故障信号经逻辑电路处理后可直接封锁开关脉冲同时把电路处理后可直接封锁开关脉冲同时把DSPDSP的的引脚拉为低电平触发功率驱动保护中断。引脚拉为低电平触发功率驱动保护中断。IPMIPM需要四路隔离的需要四路隔离的VV供电上三个桥臂各供电上三个桥臂各用一组下三个桥臂共用一组。用一组下三个桥臂共用一组。wwwplcworldcnwwwplcworldcnIPMIPM保护功能保护功能设计有过电流、过热、欠电压等故障检测保护电路。设计有过电流、过热、欠电压等故障检测保护电路。wwwplcworldcnwwwplcworldcnIPMIPM外形外形wwwplcworldcnwwwplcworldcn电流测量及采样电流测量及采样矢量变换要求知道电机定子三相电流实矢量变换要求知道电机定子三相电流实际检测时只要检测其中两相即可另外一际检测时只要检测其中两相即可另外一相可以由计算得出。相可以由计算得出。电流检测可采用霍耳传感器实现。电流检测可采用霍耳传感器实现。霍耳传感器检测的电流经放大电路处理霍耳传感器检测的电流经放大电路处理后送到后送到DSPDSP内部的内部的ADAD转换器变换为数字转换器变换为数字量。量。wwwplcworldcnwwwplcworldcn霍尔效应霍尔效应金属或半导体薄片置于磁场中当有电流流过时在垂直金属或半导体薄片置于磁场中当有电流流过时在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势这种物理现象称为于电流和磁场的方向上将产生电动势这种物理现象称为霍尔效应霍尔效应。。wwwplcworldcnwwwplcworldcn霍尔电流传感器霍尔电流传感器电流电流IpIp流过导体时产生磁场该磁场通过聚磁环聚集感应到流过导体时产生磁场该磁场通过聚磁环聚集感应到霍尔器件上使之有一电压信号输出。霍尔器件上使之有一电压信号输出。控制电流控制电流IcIc由信号处理电路提供。差动放大器的输出比例于电由信号处理电路提供。差动放大器的输出比例于电流流IpIp输出与输入是隔离的。输出与输入是隔离的。wwwplcworldcnwwwplcworldcn电平转换电路电平转换电路电流电流AAAA电压电压VVVVADAD输入输入VVVVVV电平转换电路实现从双极性电流到单极性电压的转换。电平转换电路实现从双极性电流到单极性电压的转换。wwwplcworldcnwwwplcworldcn角度正余弦值的获得角度正余弦值的获得wwwplcworldcnwwwplcworldcnwwwplcworldcnwwwplcworldcn5.一般商用5.一般商用PMSMPMSM驱动器的结构驱动器的结构三种工作模式:位置方式速度方式力矩方式wwwplcworldcnwwwplcworldcn驱动器的三种工作模式交流伺服电机驱动器中一般都包含有位置交流伺服电机驱动器中一般都包含有位置回路速度回路和力矩回路但使用时可回路速度回路和力矩回路但使用时可将驱动器、电机和运动控制器结合起来组将驱动器、电机和运动控制器结合起来组合成不同的工作模式以满足不同的应用合成不同的工作模式以满足不同的应用要求。要求。常见的工作模式有如下三类:常见的工作模式有如下三类:位置方式速度方式力矩方式wwwplcworldcnwwwplcworldcn位置方式这种模式下位置回路、速度回路和力矩回路都在驱动这种模式下位置回路、速度回路和力矩回路都在驱动器中执行。器中执行。驱动器接受运动控制器送来的位置指令信号。驱动器接受运动控制器送来的位置指令信号。以脉冲及方向指令信号形式为例:以脉冲及方向指令信号形式为例:脉冲个数决定了电机的运动位置脉冲个数决定了电机的运动位置脉冲的频率决定了电机的运动速度脉冲的频率决定了电机的运动速度而方向信号电平的高低决定了电机的运动方向而方向信号电平的高低决定了电机的运动

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