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iA、iB、iC，电枢电压瞬时值分别为UA 、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id 、iq 和电枢电压瞬时值Ud 、U q。

?UA??Ud?2?cos?cos(??2?/3)cos(??2?/3)???UB? (3-1) ?U?????3?sin?sin(??2?/3)sin(??2?/3)??q???UC???IA??Id?cos?cos(??2?/3)cos(??2?/3)???2???I??sin?sin(??2?/3)sin(??2?/3)??IB? (3-2)

3?????q??IC?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Pn，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：

?Ud?p?d?Raid??q?r?U?p??Ri???qaqdr?q??d?Ldid??f (3-3) ??q?Lqiq???Tm?2Pn(iq?d?iq?d)3?上式中Ra 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id和iq，故对转矩的控制最终可归结为对id和iq，的控制。当系统要求电机输出某特定转矩时，id和iq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id=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