永磁同步电动机伺服系统电流环优化设计

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时间常数 τ v = U dc 1 = 55． 6 μs， = 15． 5 、 将 Kv = β= f Us
设计分析 esign and analysis 1 2 2 2 2 ， ， ， ， 刘 军 敖 然 韩海云 秦海鸿 朱德明 （ 1． 上海电机学院， 上海 200240 ； 2． 南京航空航天大学， 江苏南京 210016 ） 摘 要： 介绍了永磁同步电动机矢量控制原理和伺服系统的硬件结构 。 为构成高性能的伺服系统， 设计了电 流环调节器的形式并选择了合适的参数 。 针对电机电枢反电势使电机在高速时出现电流环性能变差的问题， 在 PWM 调制器中采用过调制技术， 使实际电流能准确快速跟踪给定电流 。实验和仿真结果表明， 所设计的电流环性 能较好， 并且经过补偿后的系统是稳定的 。所采取的过调制技术能有效地抑制反电势的影响， 提高和改善电流环 的性能， 为实现高性能永磁同步伺服系统奠定了基础 。 关键词： 伺服系统； 电流环； 反电势； 过调制 中图分类号： TM351 文献标识码： A 文章编号： 1004 － 7018 （ 2012 ） 06 － 0017 － 03 Optimizing Design of Current Loop for Permanent Magnet Synchronous Servo System Liu Jun1 ， AO Ran2 ， HAN Hai － yun2 ， QIN Hai － hong2 ， ZHU De － ming2 （ 1． Shanghai Dianji University，Shanghai 200240 ， China； 2． Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016 ， China） Abstract ： The control principle of the permanent magnet synchronous motor and the hardware structure of its servo sys tem were presented． The current control loop form and the suitable parameters were discussed to optimize the current loop of permanent magnet synchronous servo system． The over － modulation in PWM modulation was introduced to improve the per formance of current control loop，especially when the speed of motor was high． The experiment and simulation results showed that the reference current was followed exactly and fast by the feedback current． The EMF was restrained by the modulation and the performance of the current loop was improved，which provided a basis for high performance permanent magnet synchronous servo system． Key words： servo system； current loop； back electromotive force（ EMF） ； over modulation 足要求时则会直接影响矢量控制策略的实现 ， 更甚 0引 言 者将导致系统超调失步。电流环性能受以下几个因 素影响， 电流调节器参数设计， 逆变器的传递特性， 永磁同步电动机由电励磁同步电动机发展而 电机反电势以及电机工作时的参数变化等 。 来， 以加装高性能永磁体的转子代替绕线式转子 ， 降 本文针对实际的试验系统， 根据工程设计方法， 低了励磁损耗， 提高了效率和功率密度， 结构简单， 对永磁同步电动机电流环进行研究设计， 对影响电 控制方便， 坚固可靠， 因而永磁同步电动机伺服系统 流环性能的因素进行了分析， 采取相应的技术手段 得到了广泛的 已成为国内外伺服领域的研发热点， 实现了误差补偿， 并进行了实验验证。 应用。近年来， 微机技术高速发展， 电力电子技术不 永 磁 断取得突破， 高性能稀土永磁材料的出现， 以及现代 同 1 永磁同步电动机伺服系统的工作原理及整 步 使得永磁同步电动机伺服系统的 控制理论的发展， 电 体结构 优势不断得到强化， 因而， 对其控制方法进行研究和 动 机 1 ． 1 永磁同步电动机伺服控制原理 优化， 对于进一步提高系统性能至关重要 。 伺 ， 矢量控制的基本思想是通过坐标变换 将定子 1972 年出现的交流电机矢量控制理论， 解决了 服 系 三相电流变换为基于转子坐标的直轴电流 i d 和交 统 定子电流的解耦问题， 将对电机的矢量控制转变为 电 轴电流 i q ， 并对 i d 和 i q 进行单独控制， 实现转矩和 流 对定子电流的控制。因此， 伺服系统的控制性能， 在 环 气隙磁通的独立控制。坐标变换如下： 很大程度上取决于定子电流能否实现对矢量控制指 优 令的快速响应和准确跟踪， 而当电流环性能不能满 cos θ cos（ θ － 2π ） cos（ θ + 2π ） ia 化 设 id 2 3 3 计 = · i b 3 收稿日期： 2012 － 03 － 06 iq － sin θ － sin（ θ － 2π ） － sin（ θ + 2π ） 改稿日期： 2012 － 05 － 03 3 3 ic
2Байду номын сангаас12 年第 40 卷第 6 期
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永磁同步电动机伺服系统电流环优化设计
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基金项目： 上海市教委重点学科（ J51901 ）
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设计分析 2012 年第 40 卷第 6 期 esign and analysis ib 、 i c 分别为电机定子三相电流； θ 为 d 轴轴 再经 DA 转换与电流反馈比 其产生电流给定信号， 式中： i a 、 线和 A 相绕组轴线间的夹角。 较， 对其差值进行 PI 调节后与三角波比较得到控制 矢量控制有多种方式。控制定子绕组中的三相 信号。硬件结构如图 1 所示。 电流， 使其产生的正弦波磁动势和永磁体的基波磁 改变定子电流幅值， 以实现对电磁转矩的 动势正交， 控制， 这就是 i d = 0 控制方式， 又称转子磁场定向控 直轴分量为 制。此时电机电枢电流只有交轴分量， 零， 可以获得最高的转矩电流比。 根据实时检测的 即可以保持 位置信号来控制定子各相绕组的电流， 定子合成磁势和转子磁势正交。 对隐极式的永磁同步电动机， 为简化电机模型， 图 1 伺服系统结构图 做以下假设： ①忽略铁心饱和， ②不计涡流和磁滞损 2 伺服系统电流环的设计和研究 ③不计永磁材料的电导率， 并认为定子绕组中的 耗， 感应电动势是正弦的。 经过矢量变换后， q坐 其 d、 2 ． 1 永磁同步电动机伺服系统电流环的设计 ： 电机的反电势会使电流输出与给定存在偏差。 标系下的电机数学模型如下 di d 但低速时反电势较小， 可通过调节器的控制消除， 因 u d = Ri d + L － pωLi q dt ［2 ］ 此设计时可忽略不计 。电流环传函结构图如图 2 di q K v 是逆变器电压放大倍数， u q = Ri q + L + pωLi d + pωψ f 所示， 其中， 表示逆变器 dt （ 2） 直流侧电压与三角载波电压幅值之比， τ v 是逆变器 3 T e = pψ f i q R s 是电枢绕组电阻， Lq 时间常数， 与开关频率有关， 2 T oi 是反馈滤波时间常 dω 是交轴电感， β 是反馈系数， + Bω + Tl Te = J dt ， G 数 ACR 是电流调节器传递函数。 式中： u d 、 u q 为 d、 q 轴定子电压分量； R 、 L 为定子相 i q 分别为直轴和交轴定子电流分 电阻和相电感； i d 、 量； p 为转子极对数； ω 为转速； T e 、 T l 分别为电磁转 图 2 电流环结构图 矩和负载转矩； ψ f 为转子磁链。 1 ． 2 永磁同步电动机伺服系统的结构 未加校正时的电流环开环传函如下 ： Kv β 包括伺服电 本试验系统由三个功能模块组成， G iob = （ 3） （ τ v S + 1 ） （ L q S + R s ） （ T oi S + 1 ） 机、 主电路、 控制电路。电机参数如表 1 所示。主电 T oi 是小时间常数， 式中： τ v 、 因此可将控制对象等效： 整流电路为三相不控整 路采用 AC － DC － AC 结构， Kv β 流， 逆变电路功率器件采用三菱公司的 IPM（ 智能功 （ 4） G iob = （ L S + R ） ［ （ τ v + T oi ） S + 1］ q s 率模块 ） 7MBP50RA060 。 该模块有较高的集成度， 电流调节器可选用 PI 调节器进行设计： 内部包含 7 个 IGBT 单元， 其中 6 个 IGBT 单元构成 Kp Ki S + 1 永 三相逆变器， 控制信号可以经光耦隔离后直接输入 G ACR = （ 5） 磁 Ki S IPM ， 。 7 到 的驱动引脚 不需要额外的驱动电路 第 同 用 PI 调节器的零点来抵消控制对象的大时间 步 IGBT 个 单元组成泄放回路， 若直流侧电压超过安 电 常数极点， 如下： 动 全设定， 则由控制电路产生保护信号， 驱动该单元导 机 Lq 伺 通， 释放过多电能。 Kp Ki S + 1 = S + 1 （ 6） Rs 服 表 1 永磁同步电动机参数表 系 得到电流环的开环传递函数： 统 380 0． 24 额定电压 / V 转子磁链 / Wb 电 Kv β 3． 8 20 额定电流 / A 直轴电感 / mH 流 G ik = （ 7） K i S［ （ T oi + τ v ） S + 1 ］ ·R s 2． 5 20 环 额定功率 / kW 交轴电感 / mH 优 1． 4 定子电阻 / Ω 最大转速 / （ r·min － 1 ） 6 000 系统要求电流环具有较快的响应速度， 同时超 化 2 极对数 设 ， ： 调又不可过大 因此令 计 为获得良好的动静态性能， 采用模拟电流环加 Kv β （ T + τv ） = 0． 5 （ 8） 。 主控制器 数字速度环的方式实现系统的双环控制 K i R s oi 18 采用 TI 公司的数字信号处理器 TMS320F2407 。 由 设定逆变器开关频率为 f = 18 kHz， 于是逆变器