表贴式永磁同步电机伺服系统电流环设计_王恩德

第32卷第33期中国电机工程学报V ol.32 No.33 Nov.25, 2012

82 2012年11月25日Proceedings of the CSEE ©2012 Chin.Soc.for Elec.Eng.

文章编号：0258-8013 (2012) 33-0082-07 中图分类号：TM 351 文献标志码：A 学科分类号：470 40 表贴式永磁同步电机伺服系统电流环设计

王恩德，黄声华

(强电磁工程新技术国家重点实验室(华中科技大学)，湖北省武汉市 430074)

Current Regulator Design for Surface Permanent Magnet Synchronous Motor Servo Systems

WANG Ende, HUANG Shenghua

(State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of

Science and Technology), Wuhan 430074, Hubei Province, China)

ABSTRACT: The current control loop directly affects the current of the surface permanent magnet synchronous motor (SPMSM) and the electromagnetic torque, which makes the static and dynamic performance of the motor deteriorate. The decoupling control cannot be realized with the changes of the motor’s inductance parameters due to saturation effects when the operating condition changes. This paper proposed a decoupling control to improve the dynamic performance, without the inductance value with the perspective of complex vector. As the dead zone, the motor manufacturing process and the magnetic saturation, the servo system current often contains low-order harmonics, such as 5th, 7th, 11th, 13th, which produce torque ripple and affect the motor’s performance. The current regulation with the proportional Integral and proportional resonance based on the synchronous rotating dq coordinate was used for the closed loop control of the low harmonic currents, to improve the system performance. Simulation and experimental results verify the feasibility of the schemes proposed by this paper.

KEY WORDS: surface permanent magnet synchronous motor (SPMSM); synchronous dq coordinate; complex vector; decoupling control; proportion resonance

摘要：电流环直接影响表贴式永磁同步电机(surface permanent magnet synchronous motor，SPMSM)伺服系统的电流波形和电磁转矩，使系统的动、静态性能变差。当系统运行工况变化使得电机电感饱和时，电流环中含有电感参数的解耦项就会失效。从合成矢量的角度出发，提出了一种同步dq旋转坐标系下无需电感参数的电流解耦调节器，实现了无电感参数解耦控制，改善了SPMSM系统的动态性能。另外，由于死区、电机制造工艺、磁场饱和等原因，电机电流中含有影响系统性能的5、7、11、13等低次谐波。提出了同步旋转dq坐标系下比例积分+比例谐振(proportional integral + proportional resonance，PI+PR)的电流复合调节器，对低次电流谐波进行闭环调节，从而显著减小了谐波电流，改善了系统性能。仿真分析和实验结果均验证了该方案的可行性。

关键词：表贴式永磁同步电机；同步旋转dq坐标系；合成矢量；解耦控制；比例谐振

0 引言

表贴式永磁同步电机(surface permanent magnet synchronous motor，SPMSM)的永磁体产生与转子同步旋转的正弦波磁场，通过编码器获得转子位置后就能方便地实现基于转子磁链解耦的矢量控制，达到等同于直流伺服系统的控制精度。SPMSM具有功率密度高、损耗小、电气时间常数小等优点，加之近年来数字控制芯片的快速发展，使得基于SPMSM的数字交流伺服系统广泛应用于数控机床、航空航天等领域[1,2]。

应用场合的多样化和复杂性，也对伺服系统的静、动态控制性能提出了更高的要求。基于SPMSM 的伺服控制系统是一个包含位置环、速度环和电流环的多闭环系统。其中，作为最内环的电流环决定了电流的跟踪性能，直接影响SPMSM的输出转矩，对伺服系统的控制性能起着非常重要的作用。文献[3-4]分析了永磁同步电动机控制的电流环，并设计了调节器参数，其中文献[3]引入微分环节和过调制技术，文献[4]分析了电流环3种控制方法的利弊，并提出适用于工程实践的设计方案。为了简化分析，文献[3-4]均忽略了耦合项，但这样会导致系统的动态性能变差。文献[5]从电流环带宽的角度出发，提出了带宽扩展策略，提高了伺服系统的动态性能，虽然考虑了耦合项，但没有考虑电感变化对解耦控制的影响。文献[6]提出了一种基于合成矢量的无需电感参数的解耦控制策略，取得了较好的控

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2012.33.013