《伺服系统 教学课件 ppt 作者 钱平 第7章 三相永磁同步伺服电动机的控制》由会员分享，可在线阅读，更多相关《伺服系统 教学课件 ppt 作者 钱平 第7章 三相永磁同步伺服电动机的控制（59页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、三相永磁同步伺服 电动机的控制,伺 服 系 统,第 7 章,编写人：葛翔 上海应用技术学院,内容提要,第一节 三相永磁同步伺服电动机及 其数学模型 第二节 三相永磁同步伺服电动机的 控制策略 第三节 速度反馈信号的检测和处理 第四节 伺服电动机转子初始位置的 检测 第五节 交流伺服系统的电子齿轮功能,引 言,近年来，采用数字控制技术，以稀土永磁正弦波伺服电动机（PMSM）为控制对象的全数字交流伺服系统正逐渐取代了以直流伺服电机为控制对象的直流伺服系统和采用模拟控制技术的模拟式交流伺服系统。 数字式交流伺服系统不仅其控制性能是以往的模拟式伺服系统和直流伺服系统所无法比拟的，而且更所具有的一系列新
2、的功能，如电子齿轮功能、自动辩识电动机参数的功能、自动整定调节器控制参数功能、自动诊断故障的功能等等。,引 言,数字式交流伺服系统在数控机床，机器人等领域里已经获得了广泛的应用。数字式交流伺服系统，是制造业实现自动化和信息化的基础构件。 研究数字式交流伺服系统包括研究其速度控制、位置控制以及辅助功能三个方面的问题，本章首先详细介绍数字式交流伺服系统的速度控制，然后介绍“电子齿轮”等辅助功能。,第 7 章,第一节 三相永磁同步伺服电动机及其数学模型,第一节 三相永磁同步伺服电动机及其数学模型,图7-1给出了三相永磁同步伺服电动机的结构模型。A、B、C为定子上的三个线圈绕组，各绕组的位置在空间上差
3、120。将d轴固定在转子磁链r的方向上，建立随转子一同旋转的dq坐标系，便可以确立电动机的数学模型。,第一节 三相永磁同步伺服电动机及其数学模型,对静止坐标系上的电枢电压瞬时值UA、UB、UC和电枢电流瞬时值iA、iB、iC进行旋转变换，可得dq坐标系上电压瞬时值Ud、Uq和电枢电流瞬时值id、iq ： (7-1) 式中， aA相绕组轴线相对d轴的电角度。,第一节 三相永磁同步伺服电动机及其数学模型,三相永磁同步伺服电动机在dq坐标系下的数学模型： 式中：Ud、Uqdq坐标系上的电枢电压分量； id、iq dq坐标系上的电枢电流分量;,第一节 三相永磁同步伺服电动机及其数学模型,Ld、Lq d
4、q坐标系上的等效电枢电感; d、q dq坐标系上的定子磁链分量； R定子绕组的内阻； r dq坐标系的旋转角频率; r永久磁铁对应的转子磁链； p微分算子； Te输出电磁转矩； np三相永磁同步伺服电动机的磁极对数。,第 7 章,第二节 三相永磁同步伺服电动机的控制策略,第二节 三相永磁同步伺服电动机的控制策略,dq坐标系上得到的三相永磁同步伺服电动机的矢量如图7-2所示。,第二节 三相永磁同步伺服电动机的控制策略,在上图中a是电动机定子磁链，0是电动机中总的磁链，显然由于定子磁链的存在，使得总磁链偏离了d轴，这就是电枢反应。电枢反应主要是由定子电流的q轴分量iq引起的，在实际应用中，对永磁同
5、步伺服电动机的电枢反应一般忽略不计。 定子电流的d轴分量id相当于励磁电流。关于对id的控制，在不同的实际应用场合下一般有两种控制策略,第二节 三相永磁同步伺服电动机的控制策略,1.控制id=0以实现最大转矩输出： 目前大多数的交流伺服电动机用于进给驱动，电动机工作于其额定转速以下，属于恒转矩调速方式。在这类应用场合，追求的是在一定的定子电流幅值下能够输出最大的转矩，因此最佳的控制方式是使定子电流与d轴正交，与q轴重合，也就是要保持id=0。在这种控制方式下，从模型上看交流永磁伺服电动机已经相当于直流永磁电动机，其转矩表达式为 ：,第二节 三相永磁同步伺服电动机的控制策略,2.控制id0以达到
6、弱磁升速的目的 从图7-2中可以看出，当id0时，其作用是去磁，抵消转子磁场。 在有些应用场合，希望电动机的转速超过其额定值。在额定转速以上不能靠提高逆变器输出电压的办法来升速，只能靠控制id为负值的办法来实现。由于id的去磁作用，使总的磁场减弱，从而在保持电压不变的情况下实现了弱磁升速。应当指出的是，电动机的相电流有一定的限制，当id负向增加后，必须相应减小iq ，以保持相电流幅值的不变。 在上面介绍的两种控制方式中，id=0的控制方式是最常用的方式，下面主要介绍这种控制方式。,第二节 三相永磁同步伺服电动机的控制策略,图7-3是三相永磁同步电动机交流伺服系统的框图。在这个结构框图中包括了位
7、置环、速度环和电流环，在本章里只分析速度和电流控制的基本原理。 图7-3所示的控制系统采用id=0的控制方式。ST表示速度调节器。在dq坐标系中，速度调节器的输出信号可以作为定子电流q轴分量的给定，为了保证电流产生的定子磁场与电动机的转子磁场相互正交，应当将电动机定子电流的d轴分量调节为零。LQ和LD分别是控制电流q轴分量和d轴分量的调节器。,第二节 三相永磁同步伺服电动机的控制策略,图7-3 三相永磁同步电动机交流伺服系统结构框图,第二节 三相永磁同步伺服电动机的控制策略,这里介绍三种实现数字式空间矢量脉冲宽度调制的方法，第一种是常规的SPWM法；第二种是用软件来实现电压空间矢量脉冲宽度调制
8、的方法；第三种是通过查表的方式，主要由硬件来实现空间电压矢量脉冲宽度调制的方法。分别介绍如下： 1.常规的SPWM方法 在图7-3中表示的就是常规的SPWM方法，根据转子位置信号，将dq坐标系中的电压给定信号Uq和Ud,旋转变换到A、B、C三相坐标系下，形成电压控制信号Ua、Ub、Uc ，以此作为调制信号，对三角载波信号进行调制，就可形成SPWM信号。,第二节 三相永磁同步伺服电动机的控制策略,2用软件实现空间矢量脉冲宽度调制 用软件实现空间电压矢量脉宽调制的方法也是一种通常使用的方法，这种方法的优越性在于其控制精度比较高。 首先确定要求输出的电压空间矢量的幅值和方向角，才能进行SVPWM运算
9、，在异步电动机变频器中，由于是开环控制，只能通过对输出的PWM波形的个数进行累计而获得电压矢量的方向角，电压空间矢量的幅值则用调制比M来表达。在三相永磁交流伺服电动机控制系统中，可以通过闭环的实时计算来获得电压空间矢量的幅值Ur和方向角 ：,第二节 三相永磁同步伺服电动机的控制策略,式中：r转子转角； dq坐标系下的电压矢量方 向角；,第二节 三相永磁同步伺服电动机的控制策略,3基于硬件的数字式空间矢量脉冲宽度调制 近来，大规模可编程逻辑器件（FPGA、EPLD）在交流伺服系统中得到了应用，出现了主要基于硬件逻辑电路的数字式脉宽调制方法，主要介绍这种方法。 伺服系统采用电压型三相逆变器，如图7
10、-4。逆变器输出电压矢量V。根据6个主开关管的不同开关状态,可以得到了6个基本电压矢量V0、V1、 V6、V7，其中V0、V7是零矢量，V1V6是非零矢量，如图7-5所示。 任意角度的电压矢量,可以由以上的基本电压矢量的线性组合而得到。在这里，我们关心的是在以下六个角度上的电压矢量：V12位于30的方向上；V23位于90的方向上；V34位于150的方向上；V45位于210的方向上；V56位于270的方向上；V61位于330的方向上。如图7-5所示。称这6个电压矢量为组合电压矢量。,第二节 三相永磁同步伺服电动机的控制策略,第二节 三相永磁同步伺服电动机的控制策略,V12在扇区I内，介于基本矢量
11、V1和V2之间，由V1和V2线性合成，只要V1和V2的作用时间相等，就可合成在30方向上的矢量V12。对应于电压矢量V12的三相输出电压PWM波形如图7-6所示。,图7-6 对应于电压矢量V12的三相输出 电压PWM波形,第二节 三相永磁同步伺服电动机的控制策略,图5-7采用硬件数字式脉宽调制器的交流伺服系统的结构 图5-7表示采用硬件数字式脉宽调制器的交流伺服系统的结构，ST表示速度调节器。在d-q坐标系中，速度调节器的输出信号作为定子电流q轴分量的给定，定子电流d轴分量的给定为零。LQ和LD分别是控制电流q轴分量和d轴分量的调节器，LQ和LD都是常规的线性PI调节器。,第二节 三相永磁同步
12、伺服电动机的控制策略,图7-7 采用硬件数字式脉宽调制器的交流伺服系统的结构,第二节 三相永磁同步伺服电动机的控制策略,设电压逆变器的输出电压矢量v在d轴和q轴的分量分别是ud和 uq，电流矢量I在d轴和q轴的分量分别是id和iq。有学者根据对永磁同步伺服电机数学模型的分析，以及通过实验的验证，已经得出了下面的重要结论： 当ud 0 时，id增加；当ud 0 时，iq增加；当uq 0时，iq减小。 在系统运行的过程中，在某一时刻，定子电流的两个分量究竟是应该增加还是应该减小，进一步的，应将增加多少或者减小多少，这些信息都包含在电流调节器LQ和LD的输出信号UQ和UD中。因此，我们可以根据UQ和
13、UD来选择逆变器的输出电压矢量V在d轴的分量和q轴的分量。进一步，再根据电机转子的瞬间位置，就可确定逆变器在瞬间的开关状态。,第二节 三相永磁同步伺服电动机的控制策略,设置了两个三值比较器CM1和CM2，来确定UQ和UD的极性。三值比较器的特性如图7-8所示。CM1和CM2的输出信号分别是QX和DX。是在比较器当中设定的误差范围，当输入信号的绝对值在误差范围以内时，比较器的输出信号QX（DX）为零，当输入信号为正，且超出了误差范围时，比较器输出为。当输入信号为负，且超出了误差范围时，比较器的输出为。,第二节 三相永磁同步伺服电动机的控制策略,根据QX和DX的值，以及电机转子的位置，来选择电压矢
14、量，下面首先介绍选择电压矢量的规则。表7-1给出了所有扇区内的电压矢量的选取方案。 在图7-5中，12个非电压矢量将空间分成了12个扇区，每个扇区由相邻的电压矢量确定。现在假定电机的转子正处于第1号扇区，其相邻的两个电压矢量是V1和V12。这时，如果DX=1且QX=1,则说明我们应当选取的电压矢量在d轴和q轴的投影都应在为正，这时选择V2是恰当的；如果DX=1且QX=0，则说明我们应当选取的电压矢量在d轴的投影应为正，而在q轴的投影应当为零，这时选择V1是恰当的。,第二节 三相永磁同步伺服电动机的控制策略,如果DX=1且QX=1，则说明我们应当选取的电压矢量在d轴的投影应为正，而在q轴的投影应
15、当为负，这时选择V是恰当的；同理，如果DX=且QX=，则说明我们应当选取的电压矢量在d轴的投影应为零，而在q轴的投影应当为正，这时选择V23是恰当的；如果DX=0且QX=0，则说明我们应当选取的电压矢量在d轴和q轴的投影都应当为零，这时应选择零矢量V0；如果DX=0且QX=，这时应选择V56；如果DX=且QX=，这时应选择V；如果DX=且QX=，这时应选择V；如果DX=且QX=，这时应选择V5。,第二节 三相永磁同步伺服电动机的控制策略,上面根据图7-5的描述，分析了当电机的转子位于第号扇区内时，选取定子电压矢量的方法。同样，当电机的转子位于其它扇区内时，可以依次递推地选取定子电压矢量。控制非
16、零电压矢量的作用强度，是通过在非零电压矢量作用时间内间隔地插入零矢量来完成的，控制零矢量作用时间所占的比例，就控制了前面所说的“作用强度”。 先取得d轴电流调节器的输出信号和q轴电流调节器的输出信号的绝对值，然后分别进行脉冲宽度调制，从调制器输出的PWM信号的脉冲宽度与电流调节器输出信号的大小成正比。根据PWM信号的占空比，在非零电压矢量作用期间间隔地插入零矢量，就可控制非零电压矢量的“作用强度”。,第二节 三相永磁同步伺服电动机的控制策略,第 7 章,第三节 速度反馈信号的检测和处理,第三节 速度反馈信号的反馈和处理,在数字式交流伺服系统中，一般可采用增量式光电脉冲编码器或绝对式光电脉冲编码器或旋转变压器来检测位置和速度信号，但在目前采用增量式光电脉冲编码器较为普遍。 根据增量式光电脉冲编码器的输出信号来获取电动机的速度反馈信息，是一个重要的技术问题，常用的测速方法有M法、T法和M/T法
