永磁同步电机伺服驱动系统概述

文献综述
——永磁同步电机伺服驱动系统
一.前言
自上世纪八十年代以来，随着微电子技术、电力电子技术、传感器技术、电机制造技术以及先进的控制理论等支撑技术的飞速发展，以交流伺服电动机为控制对象的交流伺服系统逐步取代直流伺服系统，在机电一体化、工业自动化、数控机床、大规模集成电路制造、航空航天、雷达和各种军用武器随动系统等方面得到广泛应用。

以永磁同步电机作为执行电机的数字交流伺服系统在高精度运动控制和驱动领域得到了越来越广泛的应用。

永磁材料的选择对电机的结构和性能影响很大。

目前广泛应用于永磁体主要有铁氧体、稀土钴以及钕铁硼三类永磁材料。

其中钕铁硼是近年来出现的一种新型永磁材料，其矫顽力和剩磁密度都高于其他两类永磁材料，且成本比稀土钴低得多，是目前应用最为广泛的永磁材料。

永磁材料的发展也对永磁同步电机的应用起着至关重要的作用。

二.正文
1. 交流伺服系统的概念及分类
1.1 概念
伺服来自英文单词Servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。

伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。

在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件，在70年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。

控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等。

在交流伺服系统中，电动机的类型有永磁同步交流伺服电机（PMSM）和感应异步交流伺服电机（IM），其中，永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。

普遍应用的永磁伺服电机有两大类：一类称为无刷直流电机（BLDC），另一类称为三相永磁同步电机（PMSM）。

永磁同步电机的特点是用永磁体取代绕线式同步电机转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，因此具有转子转动惯量小、响应速度快、效率高、功率密度高等优点，在要求高性能的伺服领域得到了广泛的应用。

永磁同步电机的定子与绕线式同步电机基本相同，要求输入定子的电流仍然是三相正弦的，所以称为三相永磁同步电机。

而异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率场合得到重视。

1.2 分类
交流伺服系统根据其处理信号的方式不同，可以分为模拟式伺服、数字模拟混合式伺服和
全数字式伺服。

如果按照使用的伺服电动机的种类不同，又可分为两种：一种是用永磁同步
伺服电动机构成的伺服系统；另一种是用鼠笼型异步电动机构成的伺服系统。

二者的不同之处
在于交流永磁同步电机伺服系统中需要采用磁极位置传感器，而感应电动机伺服系统中含有滑
差频率计算部分。

若采用微处理器软件实现伺服控制，可以使永磁同步伺服电动机和鼠笼型异
步伺服电动机使用同一套伺服放大器。

2. 交流永磁同步电机伺服驱动系统国内外发展现状
2.1 交流伺服驱动系统的发展趋势
2.1.1.全数字化
采用新型高速微处理器和专用数字信号处理器(DSP)的伺服控制单元以及现场可编程逻辑门阵列(FPGA)将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的交流伺服系统。

2.2.2.采用新型电力电子半导体器件
目前，伺服控制系统得输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件，主要有大功率晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(MOSFET)等。

这些先进器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的损耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。

尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系统一经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块，称为智能控制功率模块(Intelligent Power Module，IPM)。

这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过电压、过电流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中，其输入逻辑电平与TTL信号完全兼容，与微处理器的输出可以直接接口。

它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。

2.2.
3.集成化、模块化
随着电力电子技术、现代控制技术、电机制造技术以及芯片技术的发展，电动机伺服驱动系统的设计水准得到了同步提高，从而出现了许多新的驱动系统的设计方法，在众多设计方法中，“片上系统”设计最引人瞩目，它不仅使得伺服驱动系统的小型化、主控制电路的低功耗成为可能，而且可以将伺服驱动的控制功能和通信监控功能等集成于一块芯片上。

现场可编程逻辑门阵列芯片(Field-Programmable Gate Array，FPGA)就是以此方法为基础，成为伺服驱动“片上系统”设计最理想的选择。

2.2.4. 智能化
智能化是指伺服控制系统具有故障自动诊断与分析、参数自整定等功能。

控制系统能在线辨识电机参数并根据辨识结果调整控制器参数，当系统出现故障时能够自动判断故障所在并显示。

2.2.5.一体化
一体化是指将电机、控制器以及配套驱动器从设计、制造到运行维护都紧密的联系在一起。

2.2.6.通用化
通用化是指用户可以在不改变硬件电路的前提下通过修改参数方便地实现不同的控制方式，如无速度传感器开环矢量控制、永磁交流伺服电动机控制、恒压频比控制、再生控制等。

3.永磁同步电机伺服驱动系统的研究近况
3.1 永磁同步电机的建模和矢量控制
3.1.1 永磁同步电机的结构和特点
近年来，随着PMSM（Permanent Magnet Synchronous Motor）技术的迅速发展，PMSM 呈现出高精度、小体积等特点。

在结构上，永磁同步电机由定子和转子构成。

定子三相（或多相）对称电枢绕组，嵌放在铁芯齿槽中。

转子用永磁体代替了电励磁，永磁体贴在圆筒形的导磁轭上，导磁轭套在转轴上，这种转子结构的设计既降低了转子转动惯量又省去了励磁线圈、电刷及滑环，又克服了直流伺服电机机械式换向器和电刷带来的限制和损耗。

按照永磁体在转子上的位置不同，永磁同步电机分为凸装式、嵌入式和内埋式三种。

前两种转子结构的永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的表面，提供径向的磁通，转子直径较小，降低了转动惯量。

凸装式转子具有结构简单、制造成本低、转动惯量小等特点，在方波永磁同步电机和恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电机中得到了广泛的应用。

内嵌式转子结构充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，提高电机的功率密度，常被调速永磁同步电机所采用。

而内埋式转子结构不是将永磁体装在转子表面上，而是将其埋装在转子铁心内部，每个永磁体都被铁心所包容。

这种结构机械强度高，磁路气隙小，所以与外装式转子相比，更适用与弱磁运行，故广泛用于要求有异步起动能力或动态性能较高的永磁同步电机。

基于上述结构，永磁同步电机具有以下特点：①气隙密度高；②功率密度高；⑨转矩／惯量比高；④转矩脉动小；⑤调速范围宽；⑥零转速时有控制转矩；⑦高效率、高功率因数；⑧体积小，重量轻，结构紧凑。

正是由于上述优点，永磁同步电机逐渐成为中小功率交流伺服系统中执行电机的主流，并广泛地应用于工业自动化生产的各个领域
3.1.2 永磁同步电机的数学模型
在建立PMSM 的数学模型时，提出下列假设：
（1）永磁材料电导率为零，铁芯磁饱和效应忽略；
（2）气隙磁场是正弦分布。

定子绕组三相对称；
（3）忽略磁滞和涡流的损耗；
（4）转子上没有阻尼绕组；
如图3.1，A,B,C 是定子上的三相线圈绕组，各个线圈结构夹角为120 度。

取d 轴为转子磁
链的方向，在d-q 坐标系中，建立电动机的数学模型。

图3.1 PMSM 结构模型
在静止坐标系中，三相电枢电流瞬时值是i A、i B、i C，电枢电压瞬时值分别为U A、U B、U x，
通过旋转变换可以得到d - q 坐标系中对应的电枢电流瞬时值i d 、i q 和电枢电压瞬时值U d 、U q 。

cos cos(2/3)cos(2/3)2sin sin(2/3)sin(2/3)3A d B q C U U U U U ϕϕπϕπϕϕπϕπ⎡⎤⎡⎤-+⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥-+⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎣⎦
(3-1) cos cos(2/3)cos(2/3)2sin sin(2/3)sin(2/3)3A d B q C I I I I I ϕϕπϕπϕϕπϕπ⎡⎤⎡⎤-+⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥-+⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎣⎦
(3-2) 上式中的φ为转子磁链与A 相绕组之间的电角度。

在d- q 坐标系下，旋转角频率为ωR ,电动机的磁极对数为P n ，定子三相电感等效到d -q 坐标系的电枢电流分量和电枢电感分别为i d 、i q 和L d 、L q ，电压分量和磁链分量分别为U d 、U q 和ψ d 、ψq 。

三相PMSM 具体数学模型可表示如下：
2()3d d a d q r q
q a q d r d d d f q q q m n q d q d U p R i U p R i L i L i T P i i ψψωψψωψψψψω=+-⎧⎪=++⎪⎪=+⎨=⎪⎪⎪=-⎩
(3-3) 上式中R a 为定子绕组内阻；ψ f 是转子磁链，是恒定不变的； p 为微分因子； T m 为输出的电 磁转矩。

3.1.3 永磁同步电机的矢量控制
矢量控制理论为实现交流电机高性能控制开辟了新的方法。

矢量控制的基本思想是将电机定子三相电流矢量等效变换为定子两相坐标下的转矩电流分量和与之成正交关系的励磁电流分量，使其控制模型等效于直流电动机。

两个电流分量彼此独立，可以分别对他们进行调节。

在转矩控制的原理上，交流电动机和直流电机一样，它仍是对电流矢量的相位和频率的控制。

永磁同步电机的电磁转矩基本取决于i d 和i q ，故对转矩的控制最终可归结为对i d 和i q ，的控制。

当系统要求电机输出某特定转矩时，i d 和i q 有多种不同的组合。

按照控制目标的不同，永磁同步电机的矢量控制可以分为i d =0控制、cosφ=l 控制、总磁链恒定控制、最大转矩/电流比控制、最大输出功率控制、转矩线性控制、直接转矩控制等。

3.1.3.1 定子三相绕组的Clark 变换
PMSM 的Clark 变换就是将定子电流/电压从静止三相ABC 坐标系等效变换到两相静止直角坐标系α-β中。

如图3.2所示。

图3.2 三相到两相的变换
N2为两相定子绕组每相的匝数，N3为三相定子绕组每相的匝数。

各相绕组磁动势的空间矢量在相应的坐标轴上，大小为电流和各相有效匝数的乘积。

要满足直角坐标系和三相坐标系中的合成磁动势相等，需要三相绕组和两相绕组在任意一坐标系中的投影相同。

在α-β坐标系中，可以得到如下平衡关系：
2333
3
11
cos60cos60()
22
3
2sin60sin60()
A B C A B C
B C B C
N i Ni Ni Ni N i i i
N i Ni Ni i i
α
β
⎧
=--=--
⎪⎪
⎨
⎪=-=-
⎪⎩
(3-4)
可得到三相静止坐标到两相静止坐标的变换
2/3
11
1
222
333
22
A A
B s s B
C C
i i
i
i C i
i
i i
α
β
⎤⎡⎤⎡⎤
--
⎢⎥
⎡⎤⎢⎥⎢⎥
⎢⎥
==
⎢⎥⎢⎥⎢⎥
-
⎢⎥
⎣⎦⎢⎥⎢⎥
⎣⎦⎣⎦
⎥
⎣⎦
(3-5)
3.1.3.2 定子两相静止绕阻的Park变换
Park变换即两相静止坐标通过变换矩阵等效到两相旋转坐标上。

当绕组匝数完全相同时，在同步旋转M、T坐标系下产生的合成磁动势的速度和大小同在α-β坐标系下相同。

如图3.4所示，给出了坐标系α-β和坐标系M、T的空间关系。

分别求出电流i m，i t在α-β坐标系下的投影：
图3.4 三相静止到两相旋转的变换
cos sin
sin cos
m t
m r
i i i
i i i
α
β
ϕϕ
ϕϕ
=-
⎧
⎨=+
⎩
（3-6）
Park变换为：
2/2
cos sin
sin cos
m m
r s
t t
i i i
C
i i i
α
β
ϕϕ
ϕϕ
-
⎡⎤⎡⎤⎡⎤
⎡⎤
==
⎢⎥⎢⎥⎢⎥
⎢⎥
⎣⎦⎣⎦⎣⎦
⎣⎦
（3-7）
三相定子绕组A、B、C静止绕组经过前面讲述的Clark变换和Park变换后等效变换到两相旋转绕组的变换。

d-q是空间旋转坐标系，两相定子正交坐标系α-β与三相定子坐标系OABC为空间静止坐标，d轴相对于A轴旋转角度为θ，如图3.5所示
图3.5 两相静止到两相旋转的变换
两相静止到两相旋转的变换公式为：
3/20cos cos(120)cos(120)sin 2sin(120)sin(120)3222d A A q B s r B C C i i i i i C i i i i θθθθθθ⎡⎤⎢⎥-+⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥=---+=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦
⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦
（3-8） 3.1.3.3 PMSM 矢量控制模型
忽略谐波饱和电机涡流和磁滞损耗，根据上面介绍的Clark 变换和Park 变换，永磁同步电机数学模型可写成：
000d a n m a d d n f q a q n m
q a m r n f L U R p L L i i p U R p i p i L L L p T J ωψωωωψ⎡⎤⎡⎤-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=---+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦
（3-9） 上式中：d U ，q U 为直、交轴电压，a R 为定子绕组的内阻，L 为直轴和交轴的等效电枢电感，n p 为三相同次同步伺服电机极对数，m ω为电机机械角速度，L T 为负载转矩，J 为电机和负载的总转动惯量，p 为微分算子d dt
，f ψ为转子磁链，忽略粘滞阻尼系数B 。

由式3-9可以看出，PMSM 是一个多变量控制系统，d i 和q i 具有耦合关系。

由于两者存在耦合，d i ，q i ，r ω不能独立调整，这使系统不能线性化控制。

采用d i =0控制，解决了这一难题。

图3.6 定、转子磁动势夹角为直角时情况
如图3.6所示，F 1，F 2分别为定子磁势和转子磁势，ϕ’ 为两磁势之间的夹角。

具体分析如下：经过转子磁链定向以后，转子磁链在T 轴上的投影分量为零。

对于永磁同步电机而言，主磁通是由转子产生的，假设定子合成磁动势刚好作用在T 轴上，也就是说，定子T 轴分量等于定子电流大小，而定子M 轴电流为零，即电流为零，即定子合成电流i=i q ，根据一般电磁转矩方程对永磁同步电机电磁转矩进行分析，转子是永磁体，其磁动势F2大小不变，电磁转矩大小主要由定子磁势F 1和两磁势之
间的夹角 ’ 来决定，此时就等效于一台直流电动机。

3.2 交流伺服电机驱动系统的硬件设计
3.2.1 功率驱动主回路
功率驱动主回路是进行能量转换、驱动伺服电机工作的强电电路。

对于中小功率的永磁同步电机驱动器，功率驱动主回路一般采用交-直-交电压型变换器结构。

3.2.2 信号检测及保护电路
信号检测电路的一方面测量永磁同步电机的转速、转子位置以及三相定子电流等运行参数，作为反馈信息输入到控制器成为控制算法的依据，实现系统的闭环控制；另一方面检测各种故障信号，以便及时发现故障并启动保护电路使系统免受损坏。

3.2.3 故障保护电路
在交流伺服系统中，保护电路十分重要，否则有可能损坏元器件与电路板，甚至造成人员伤害，因此设计较好的系统都有比较完善的保护电路。

3.2.4 控制电路
DSP以其高速计算能力和特殊的硬件结构已经在电机控制领域中取代单片机，成为控制系统的核心。

TMS320LF2407A是TI公司推出的一款电机控制专用DSP，通过把一个高性能的DSP核与众多的外围电路集成到单片的方案，大大简化了控制电路的设计。

40MIPS的处理速度远远超过传统的单片机处理能力，可以满足处理大量数据和复杂算法的要求。

内置的两个事件管理器(EV)包含了很多经过优化的、专门用于电机控制的外围电路；两个独立的双向定时／计数器，可用来产生对称或不对称的PWM波形；8路PWM通道；3个带可编程死区和输出极性的全比较单元；用于空间矢量调制的状态机：16通道A／D转换器；正交编码脉冲(QEP)电路等。

3.3 交流伺服电机驱动系统的软件设计
3.3.1 混合编程
TMS320LF2407A的程序既可用TMS320C2xx专用汇编语言编写，也可采用C语言编写。

采用汇编语言指令编写的程序具有占用存储单元少、执行速度快、可直接对端口操作等优点，但需要对DSP 内部操作比较了解，而且汇编语言编写的程序不直观，移植性差，这些缺点使其不易掌握，编程效率低。

C语言正好相反，易学易用，无需了解DSP底层，它的缺点是代码冗长，运行效率低，即便经过优化，其执行效率也只有汇编程序的60％一80％。

而且C语言编写的源程序经过C编译器后，仍然要转化为汇编语言程序。

3.3.2 数据定标
TMS320LF2407A是一种定点DSP，其数值运算的操作数都是16位的整型数。

但实际运算过程中的数据大多是小数，要使DSP能处理小数就必须由软件设计者确定数据的小数点位于16位中的哪一位，这就是数据定标。

系统软件的核心算法部分采用汇编语言编写，其中会涉及大量定点运算，因此在编程之前，须对参与运算的变量进行数据定标。

3.3.3 变量的标幺值表示法
在电机的数学模型中，各种变量的动态范围相差很大，为了满足所有变量的精度要去，则必须
采用多种Q值格式表示，这将造成程序的混乱，增大程序的开发难度。

为了克服上述问题，对系统的各个变量采用标幺值表示。

一个数值的标幺值等于它的实际值与基值的比值。

当系统处于稳定运行状态时，系统各变量的标幺值均在．1～1之间；当系统处于暂态时，某些变量会超出额定值的倍数(如起动时的瞬时定子电流)，使得标幺值可能会大于1。

通常电机控制中的变量不会超过额定值的4倍，也就是说其标幺值不会大于4。

3.3.4 控制算法
控制算法有常规的PI控制算法，模糊自整定的PI控制算法。

三.总结
本综述以永磁同步电机为对象，主要对近5年国内外对永磁同步电机伺服驱动系统的发展方向以及发展趋势进行了研究。

重点分析了其数学模型，矢量控制原理以及硬件和软件的设计。

认为以后这方面的发展主要可以从以下几个方面进行：
(1).进一步提高速度和位置测量的精确性和快速性，这样可以有效提高系统的稳态精度。

(2)对于位置环的控制策略，本文采用的是比例调节，在一些高精度位置控制场合这种简单的控制方式是无法满足要求的，因此需要进一步研究新型的位置控制策略。

(3)对无位置传感器永磁同步电机伺服系统进行研究可以进一步改善系统的起动性能，而且能够降低系统的成本。

(4)进一步研究高性能的控制策略。