永磁同步电机伺服控制器的研究与设计

[4][5][6由于直流伺服系统
控制方式简单，响应速度快，定位精度和跟随精度较高，速度稳定性高，并具有 良好的输出特性，因而直流伺服系统一度处于主导地位。但是，由于直流电机结 构复杂、成本高、故障多、维护困难而影响生产；机械换向器的换向能力限制了 电机的容量、电压和转速，接触式的电流传输方式和电刷产生的火花又限制了直 流电机的使用场合；电枢在转子上造成电机效率低下，转子散热条件差。这些直 流电机固有的缺点限制了直流伺服系统的进一步发展
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重庆大学硕士学位论文
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绪
论
电机，只是在转子上去掉了直流励磁绕组，并在转子上放置永磁体代替转子励磁 绕组产生恒定的转子磁场，从而省去了转子滑环和炭刷装置。根据电机反电势波 形的不同，永磁电机又可分为两类。其中，反电势波形为方波的永磁电机又称无 刷直流电机（ BLDC ） ；而反电势波形为正弦波的永磁电机又称永磁同步电机 （PMSM） 。相应的，无刷直流电机采用方波电流驱动；而永磁同步电机则采用正 弦波电流驱动[3]。现今，永磁同步电机相比无刷直流电机使用更为广泛，本文所研 究的伺服控制系统也是针对永磁同步电机的。
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重庆大学硕士学位论文
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绪
论
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1.1 引言
绪
论
随着科学技术的发展，人类在微电子、计算机、电力电子技术和电机制造等 诸多领域取得了巨大进步，并直接推动了伺服控制技术的飞速发展和广泛应用。 诸如在各种数控设备、工业机器人、大规模集成电路制造、交通运输、载人宇宙 飞船、电动工具以及家用电器等领域的应用都日益广泛[3]。 从上个世纪六十年代起，电伺服系统开始逐渐取代液压伺服系统。但是七十 年代以前的伺服系统大多采用步进电机，虽然控制方式简单，但是控制精度较差
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重庆大学硕士学位论文
英文摘要
ABSTRACT
Traditional direct current motors were adopted widely in servo-control fields for their outstanding mechanical characteristics and simply control ways. But due to their commutators and brushes, the reliability and the applicability of direct current motors are depressed. As a new type, for the commutators and brushes are removed, Permanent Magnet Synchronous Machines(PMSM) have a simpler structure and smaller size than that of direct current motors, and no power loss in rotors when running. So, they can take the place of direct current motors, and can be widely used in many servo-control fields. Researches for control strategies of PMSM are important to adopt them in servo-control systems. The rotor field oriented vector control strategy is generally adopted in many alternating current servo-control systems. The fundamental principle of the strategy is controlling the magnet current and torque current in stator windings separately by using coordinate transforming. So, as well as direct current motors, alternating current motors have a good performance. In this paper, a improved control method for PMSM servo-control system which adopt coupling terms are set up based on the theory of the rotor field oriented vector control strategy and the characteristics of PMSM. By adopting the improved control method, high precision servo-controlling for PMSM is achieved at different rotor speeds by precise controlling the currents and voltages of PMSM. Based on the control theories, a design scheme for Digital Signal Processor (DSP) based PMSM servo controller has been presented. Then the hardware and software designs were complete. By using this controller, rotor position servo-control, speed servo-control and torque control for PMSM have been achieved. The experimental results verified that the studies on PMSM and the control strategy are correct, the theory can be easily put into practice, and the control effects are fine. The studies in this paper offer some elements and practical methods for adopting PMSM in servo-control systems. Key words: Permanent Magnet Synchronous Machine, rotor field oriented vector control, servo-controller
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从八十年代开始，交流伺服技术的长足进步使交流伺服系统开始逐渐取代直 流伺服系统[4]。在电机本体方面，交流电机的转子转动惯量较直流电机小；其容量 与体积之比较直流电机大。但是在控制策略上，采用交流电机的交流伺服系统更 复杂，其伺服控制效果的好坏与采用的控制策略的优劣有较大的关系。对于不同 种类的交流电机须采用不同的控制策略。按电机的类型分类，目前的交流伺服系 统主要包括感应电机交流伺服系统、同步电机交流伺服系统和永磁电机交流伺服 系统三大类。 感应电机成本低、工艺简单、维护方便，其控制方式常采用矢量控制和直接 转矩控制等控制策略，易实现高速运行下的弱磁控制。但是由于转子磁场的位置 常常靠数学模型进行计算得到，误差较大，造成伺服控制的精度不高[3]。使得感应 电机伺服控制系统常常运用于对控制精度要求不高的领域，如皮带传送机构，排 风系统等。 相对于感应电机，同步电机具有功率因数高、转子参数和转子磁场可测、运 行效率高等优点，因而同步电机伺服控制系统的使用也越来越广泛。由于同步电 机的转速是由电枢电流频率和电机极对数共同决定的，故改变电机的电枢电流频 率就可以直接改变电机转速。但是同步电机的转子采用直流励磁，故仍然配备滑 环和炭刷装置，加上需要配备直流励磁电源，加大了运行成本和维护负担。 永磁电机是近几年来发展比较快的一类新型电机，其电机结构上类似于同步
重庆大学 硕士学位论文 永磁同步电机伺服控制器的研究与设计 姓名：毛迅 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：廖勇 20050401
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中文摘要
摘
要
传统直流电机由于具有良好的机械特性和简单的控制方式，在伺服控制领域 曾经得到广泛地应用。但是,机械换向器和电刷的存在,使得其可靠性和适用性大 大降低。永磁同步电机作为一种新型的电机，在结构上去掉了电刷和换向器，运 行可靠性较高；而且结构简单、体积小、运行时转子无损耗。因而可以取代直流 电机广泛地运用于各类伺服系统[1]。 对永磁同步电机控制方式的研究是将其运用于伺服控制系统的关键。基于转 子磁场定向的矢量控制是交流伺服系统中使用较为广泛的一种控制方式。其基本 原理是通过坐标变换，在转子磁场定向的转子轴系上将电机定子的电枢电流分解 为磁场电流和转矩电流并分别控制，使交流电机具有和传统直流电机同样优良的 运行性能[2]。本文以转子磁场定向的矢量控制理论为基础，结合永磁同步电机的结 构特点和高精度的伺服控制要求，提出了带交叉乘积项设计的改进的永磁同步电 机伺服控制系统控制模型，使控制系统能通过对永磁同步电机的电流和电压的准 确控制实现对永磁同步电机在不同转速运行情况下的高精度伺服控制。并以此控 制模型为基础，提出了基于数字信号处理器（DSP）的永磁同步电机伺服控制器设 计方案；完成了伺服控制器的硬件设计、软件设计和系统调试；并使用设计的伺 服控制器实现了对实际永磁同步电机的位置伺服、速度伺服和转矩控制。实验证 明，使用改进的转子磁场定向的矢量控制方式能实现对永磁同步电机的高精度伺 服控制要求，其控制策略理论分析正确、易于具体实现、且实际控制效果较好。 本文所做的研究工作，为将永磁同步电机广泛地运用与各类伺服控制系统提 供了一定的理论参考依据和工程实际方法。 关键词：永磁同步电机，转子磁场定向的矢量控制，伺服控制器