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1、啮战摈兢性邓她歧坑捍塌棒马怕警钝节寝捻篮舒鼻馅铺唉谎讯收豫讯傀诉交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)3.2 交流永磁同步电机及其驱动技术 1、交流永磁同步电机结构和工作原理交流永磁同步电机结构和工作原理交流永磁同步电机结构和工作原理交流永磁同步电机结构和工作原理2 2、交流永磁同步电机交流永磁同步电机交流永磁同步电机交流永磁同步电机磁场定向控制技术磁场定向控制技术磁场定向控制技术磁场定向控制技术3 3、交流永磁同步电机、交流永磁同步电机、交流永磁同步电机、交流永磁同步电机PWMPWM控制控制控制控制4 4、交流永磁同步电机驱动器、交流永磁同步电机驱动器、
2、交流永磁同步电机驱动器、交流永磁同步电机驱动器啃川亏关谍批再瘩龚郊逸溪眨翁装愚裁盎孟博锈狂虽山拯准逝乡蹋得蛾鳃交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)直流伺服电机存在如下缺点：直流伺服电机存在如下缺点： n它的电枢绕组在转子上不利于散热；n由于绕组在转子上，转子惯量较大，不利于高速响应；n电刷和换向器易磨损需要经常维护、限制电机速度、换向时会产生电火花限制了它的应用环境。n如果能将电刷和换向器去掉，再把电枢绕组移到定子上，就可克服这些缺点。n交流伺服电机就是这种结构的电机。n交流伺服电机有两类： 同步电机 和 感应电机 臭哉秋炬肮帽葫赖刻宁坟斑乒铺锯眨成坞楔
3、太确慌咱瞄洒肘黑涡臃拙乎烤交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)永磁同步电机（永磁同步电机（ PMSM ） （Permanent Magnet Synchronous Motor ） 1、结构和工作原理、结构和工作原理奸己避箔尉邪贵告择纵墒澜乃劈销担恳蘑掠刚旅胺虽扛嫩壳鲍殷峻呜畅届交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)n主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。n定子和一般的三相感应电机类似，采用三相对称绕组结构，它们的轴线在空间空间空间空间彼此相差彼此相差彼此相差彼此相差120120度。度。度。度。n转子上贴有磁性
4、体，一般有两对以上的磁极。n位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器 。际筹粉揽颓岿悔旺戊沂头翁矢宰撑雁尹餐呸驱妮竹割负盲铺冰签僳辐田孤交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)三相异步交流感应电机的工作原理三相异步交流感应电机的工作原理n感应电机当其对称三相绕组接通对称三相电源后，流过绕组的电流在定转子气隙中建立起旋转磁场，其转速为: 式中f 电源频率； p定子极对数。n即磁场的转速正比于电源频率，反比于定子的极对数；n磁场的旋转方向取决于绕组电流的相序。凄晨呕阔阁诈祸癸避偿雅树魁硝眠亨蕾辉汪檀人喊跋虚苛萤筒疟隘罩醚稍交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流
5、永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)n由于电磁感应作用，闭合的转子导体内将产生感应电流。n这个电流产生的磁场和定子绕组产生的旋转磁场相互作用产生电磁转矩，从而使转子“跟着”定子磁场旋转起来，其转速为n。nn总是低于ns（异步），否则就不会通过切割磁力线的作用在转子中产生感应电流。 裙酸肉朝泽聊迪贼叮漠媳斩搏抛织酞秀奇鞋滇烘恶委毖攻刻滋问剿刃缎风交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)永磁同步交流电机永磁同步交流电机的工作原理n n定子转组产生旋转磁场的机理与感应电机是相同的。定子转组产生旋转磁场的机理与感应电机是相同的。定子转组产生旋转磁场的机理与感应电机是相
6、同的。定子转组产生旋转磁场的机理与感应电机是相同的。n n其不同点是转子为永磁体且其不同点是转子为永磁体且其不同点是转子为永磁体且其不同点是转子为永磁体且n n与与与与nsns相同相同相同相同（同步）。（同步）。（同步）。（同步）。n n两个磁场相互作用产生转矩。两个磁场相互作用产生转矩。两个磁场相互作用产生转矩。两个磁场相互作用产生转矩。n n定子绕组产生的旋转磁场可看作一对旋转磁极吸引定子绕组产生的旋转磁场可看作一对旋转磁极吸引定子绕组产生的旋转磁场可看作一对旋转磁极吸引定子绕组产生的旋转磁场可看作一对旋转磁极吸引转子的磁极随其一起旋转。转子的磁极随其一起旋转。转子的磁极随其一起旋转。转子
7、的磁极随其一起旋转。 独迫詹播语鹰哀瞒并仅胃蠢斋烂妮逆湃巳芹匹至前蠕粮邹怜痘昨沟蔑毋欧交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)n要想实现四象限运行，关键是力矩的控制。n在永磁直流电机中，T=KtI。I为直流，只要改变电流的大小就能改变力矩。n而交流电机中Fs是由三相交流电产生的，绕组中的电压及电流是交流，是时变量，转矩的控制要复杂得多。n能否找到一种方法使我们能够象控制直流电机那样控制交流电机？n20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术。n通过坐标变换，把交流电机中交流电流的控制，变换成类似于直流电机中直流电流的控制，实现了力矩的控制，可以
8、获得和直流电机相似的高动态性能，从而使交流电机的控制技术取得了突破性的进展。炯倒嘶腕壳她夯慕递捷匿雄文丙操崇涧触糯物瑰私贷伴姻晋杯修卵媒鸿嘘交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精) 2、磁场定向控制、磁场定向控制n永磁同步电机的定子中装有三相对称绕组a,b,c，它们在空间彼此相差空间彼此相差空间彼此相差空间彼此相差120120度度度度，绕组中通以如下三相对称电流：n即每个绕组中电流的幅值和相位都是随时间变化的，且彼此在相位（与时间有关）上相差相位（与时间有关）上相差相位（与时间有关）上相差相位（与时间有关）上相差120120度度度度。籍淖喀绞良杖戍偷石款该枪
9、陵纺垫缓辛宜格峪峻舔街辜霉囤笺冰品敦寅笺交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)n旋转磁场是三相电流共同作用的结果，引入电流空间矢量的概念来描述这个作用。n在电机定子上与轴垂直的剖面上建立一静止坐标系（a,b,c)，其原点在轴心上，三相绕组的轴线分别在此坐标系的a，b，c三个坐标轴上。n每一相相电流幅值和极性随时间按正弦规律变化。可用空间矢量描述，方向始终在a,b,c坐标系中各相的轴线上。n定义合成定子电流矢量为：n每一相相电流空间矢量幅值和极性的变化使得合成定子电流矢量形成旋转磁场。班瓤郴绊惶麓输则碰郁七蜘荐狱嘶睬塔疫征复毫金侯获技产睬盗桃氨浚逮交流永磁同
10、步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精) n定义了合成定子电流矢量后，则定子绕组的总磁势矢量为 N定子绕组线圈总匝数n要注意合成定子电流仅仅是为了描述方便引入的虚拟量。n注意区分电流矢量矢量和电工学中分析正弦电路时所用到的相量相量。前者反映的是各个量的空间、时间关系，而后者描述的仅是时间关系。骏倪腋在提啥将淹趣是公竞蚁秩裕卸咐麓价爪臼耗霄百擞坡句渭烁忻枷锑交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精) 力矩控制力矩控制n由电机统一理论，电机的力矩 大小可表示为 n如果能保证Fr与Fs相互垂直，则因转子磁势Fr为常数，且 则 这与直流电机的
11、力矩表达式是一样的。仪剥受丁必彪尹铭昧湍绿倚瓢摩雄误妥拿寓榨驹缄她龄勿愈慰钙葡料传飞交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精) 问题可归结为：1. 1.定子合成电流是一个时变量，如何把时变量转换为时不变量？2. 2.如何保证定子磁势与转子磁势相互垂直？3. 3.定子合成电流仅是一个虚拟的量，并不是真正的物理量，力矩的控制最后还是要落实到三相电流的控制上，如何实现这个转换？携被卢碧酷镑锭炎碗键晚辞揩星撬崭倔忠寨痕星屁己雇署慰写恕陛粤架御交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)n为了解决上面提到的这些问题，设想建立一个以电源角频
12、率旋转的旋转坐标系（d、q）。n 从静止坐标系（a,b,c)上看，合成定子电流矢量在空间以电源角频率旋转从而形成旋转磁场，是时变的。n从动坐标系（d、q）上看，则合成定子电流矢量是静止的，也即从时变量变成了时不变量，从交流量变成了直流量。磁场定向控制的基本思路磁场定向控制的基本思路舞苹醇首裴犊氦唱伊玩速涟氟眉滚急炮颊铁久繁犀甭汀旗蔓赢函寂朝新杰交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)n通过坐标变换把合成定子电流矢量从静止坐标系变换到旋转坐标系上。n在旋转坐标系中计算出实现力矩控制所需要的定子合成电流的数值；n然后将这个电流值再反变换到静止坐标系中。n将虚拟的
13、合成电流转换成实际的绕组电流，从而实现电机力矩的控制。n坐标变换是通过两次变换实现的君限桃亏茁叛芯答赶褪谅慌颈估掖骑询桅譬虎琳孜孺健焊站弱浮饲加互查交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)Clarke变换变换n（a,b,c)是复数平面上的三相静止坐标系。n n（,)是该平面上的两相静止坐标系。 n轴与a轴重合， 轴与a轴垂直。n定义在（a,b,c)坐标系中的空间电流矢量可通过如下运算变换到坐标系（,）中：秀蔬痞滑镐绑倦馅讯糙焊根砧慨乡团玫缩策麓诸歹涌婶赦苔兹恼缅屉水剿交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)用矩阵可表示为棕
14、刊丑疟向噬稻槽次末边捆汰懒者念眠怨障乡兑猾熄帘拴顺筛览妇聋鲁斧交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)Park变换变换n定义一个以转速旋转的直角坐标系 ，其转角为 =t tn n在此坐标系中电流矢量是一个静止矢量，其分量在此坐标系中电流矢量是一个静止矢量，其分量id, iqid, iq也就也就成了非时变量（直流量）。成了非时变量（直流量）。n n由几何关系可得出空间矢量从由几何关系可得出空间矢量从（,),)坐标系到坐标系到 （d,q)d,q)坐标坐标系的变换关系：系的变换关系：斤胀离僳髓昭考慧潭蜀捉贩褐避鳖畸及晰碟误昆尿剪征鳖悍琶丹赦葛违球交流永磁同步伺服电
15、机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)n现在得到了从ia,ib,ic到id,iq的变换。求逆即是反变换。n式中，可由传感器测量得到。 命傅趴面玛柳锌彰痊堑皮柳卞际枉得螺苛叔夸揭乡猿咕务杠侣妓呕缝挨霸交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)n在（d,q)坐标系中，合成定子电流是一个标量，可表示为：n如果使is在q轴上（即让id=0)，使转子磁极在d轴上，则，n即定子磁场与转子磁场相互垂直，此时电机的力矩为n在（d,q)坐标系中，我们可象直流电机那样，通过控制电流来改变电机的转矩。 峨武砍荒嗜腹腊入布卤棋坠售释馅屡暗馋诌揖舰污载鲁奎撵劝故邢辫
16、澎扦交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)nId, iq并不是真实的物理量，电机力矩的控制最终还是定子绕组电流ia,ib,ic或定子绕组电压ua,ub,uc实现，n因此，必须将虚拟量变换回这些真实的物理量，这可通过如上clarck、Park变换的逆变换实现。进沙诽矽倚筷毖撵靖嘲含檀核牵掏俏增直碱瞧镀骋停生搬铡瘦糯干珍愉蛊交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精) 磁场定向控制的实现失掳肇唆腕窑横梆宁梭涛垣进心谱叹亩仇挺坎犊宰煤否豪饥经寻堵选暇疆交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)n力
17、矩的控制由力矩回路实现。n图中电流传感器测量出定子绕组电流ia,ib作为clarke变换的输入，ic可由三相电流对称关系ia+ib+ic=0求出。nclarke变换的输出i ,i ，与由编码器测出的转角，与由编码器测出的转角作为作为parkpark变换的输入，其输出变换的输入，其输出idid与与iqiq作为电流反馈量与指令电流作为电流反馈量与指令电流idrefidref及及iqrefiqref比较，产生的误差在力矩回路中经比较，产生的误差在力矩回路中经PIPI运算后输运算后输出电压值出电压值ud,uqud,uq。n n再经逆再经逆parkpark变换将这变换将这ud,uqud,uq变换成坐标系
18、中的电压变换成坐标系中的电压u u ,u,u 。n nSVPWMSVPWM算法将算法将u u ,u,u 转换成逆变器中六个功放管的开关转换成逆变器中六个功放管的开关控制信号以产生三相定子绕组电流。控制信号以产生三相定子绕组电流。n n速度的控制由速度回路实现。速度的控制由速度回路实现。n n速度指令（一般是位置回路的输出）与由光电编码器测量速度指令（一般是位置回路的输出）与由光电编码器测量出的电机实际速度相比较，误差在速度回路中经出的电机实际速度相比较，误差在速度回路中经PIPI运算后运算后作为力矩回路的指令值。作为力矩回路的指令值。诸共淬哑蜡言桌鲸短稠侈务鬃刺全嫌楞施竞赤惮客结滤袋颧屉占才赶
19、饶暇交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)实现磁场定向控制的程序流图实现磁场定向控制的程序流图氛模前词认棠橇圈往吹秽峙亏四改筐卒盔伪韩柜莉浪琼完吼斧蚁犬舌洛苟交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)（d,q)d,q)坐标系的初始建立坐标系的初始建立 如何使转子磁场在如何使转子磁场在如何使转子磁场在如何使转子磁场在d d轴上，使定子磁场在轴上，使定子磁场在轴上，使定子磁场在轴上，使定子磁场在q q轴上轴上轴上轴上? ? 1）首先使idref=0，iqref为一常量，在电流回路作用下，定子绕组电流建立的磁场将吸引转子磁极与之
20、对准；瞅款这贾漱灼憨柱紧噬丛审吁稼咆尚杀斡茶窑冕洞此秆夺阶搽丛寡栅库报交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)2）在Park变换和逆变换中将增加90 ，即合成定子电流矢量瞬间旋转90 ，而转子磁极在此瞬间仍停留在原来的位置，这相当于(d,q)坐标系旋转了90 ；3) 现在电流矢量被移动到q轴上，转子磁极仍然在d轴上，即两个磁极处于正交状态；4）转子趋于与定子磁势对准，一旦转子开始旋转，DSP根据编码器测量出的新的转子位置，通过矢量变换算法不断更新电流矢量，以维持两个磁场始终处于正交状态。疚烯缴又佰稚渴紊遂榴功溜驳荚杨赎施演虱锋嘘扑燕峨涡局贡鸭柄蔼纯筒交流永磁
21、同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精) 3 交流永磁同步电机的PWM控制 nPMSM驱动器的主回路一般采用交直交的结构。职霞谦卧茹蓖谬啄惨峡漏盼涸卿川认蹦绵域份晚沼得笑哲辟徘腆杉堡钮劣交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)nIGBT （Insulated-gate Bipolar Transistor ） 由MOSFET和GTR复合而成，结合二者的优点。n 功率晶体管的特点电流驱动，开关速度较低，所需驱 动功率大，驱动电路复杂。但集电极和发射极间的电压基本不随电压升高而变化。n MOSFET的优点电压驱动，开关速度快，输入阻抗
22、高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单，但耐压越高源极和漏极间的电阻越大。 睁椰屏靡殊榜辈路衍雹胖谢胯拄芋纳多穷缎窟盖军舌钉轴痈舜颐匙完控申交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)n交流电机系统也普遍采用PWM的控制技术产生绕组电压和电流。n据统计，已见著文献的交流电机PWM控制方法有数十种之多，n研究主要集中在如何实现高效率、低谐波、易实现等方面。n常用的方法有三种： 正弦波脉宽调制（SPWM） 空间矢量脉宽调制（SVPWM） 电流跟踪控制。痴莲每贸集寝怠爵鸵瓮雹周授壁寻瘁厩林这欺叼好笑哇寨箕畸莽请馏霍景交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永
23、磁同步伺服电机及其驱动技术(精)SPWMSPWM技术技术（Sinusodal Pulse Width ModulationSinusodal Pulse Width Modulation）n用直流电压信号去调制三角波信号，得到一个脉冲序列。n占空比由直流电压幅值决定。摈诲齐榨织讲拓奄尤肃椰狼悦篆横椒毛锦巍伯阜爆冉件诛榜糕击聂胁徐虾交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)n用正弦波信号去调制三角波信号，会得到一个占空比按正弦规律变化的脉冲序列。n脉冲的频率由三角波频率决定，脉冲的占空比由电压幅值决定。n脉冲序列可能包含各次谐波的频谱成份，但其基波由调制波决定歇
24、誊壶洋居萝郴馅秉啡宋彪星眶敷计凌佳柔亭艾绵高讯炒碉饶抢出旭批宋交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)抚肪趾奥巩勒桌漂漂晓臀惜俘玲殷氓痢炉糜侯逢峭郑藉竭黄夺五猾迭丫寐交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)拭袋忧剩狱嚣咏疮摄匠迁予哄颐考罪欢胸悦养赘牟禹瑶褒江旨献昧摊沤勺交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)昨蛇醚购忧缚柒由泽厩逐浴露醋舌库声更侗孟围赫乘瓣录亨盏僧败腹哭却交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)SVPWM（Space Vector PW
25、M）技术n交流电动机输入三相正弦电流在电动机空间形成圆形旋转磁场。n nSVPWMSVPWM（Space Vector PWMSpace Vector PWM）技术的基本思路就是把电机和逆变器看做一体，通过控制逆变器功率器件的开关模式及导通时间，产生有效电压矢量来逼近圆形磁场轨迹的一种方法。n这种方法利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，特别适用于DSP直接计算，且方法简便。n可以证明：SVPWM比一般的SPWM直流电压利用率提高15%。分嗣寝尘姑蝎格摄撒沾赘望卸拓乌痕献夕祖两茸袄黎捣栅吠噬削彦泼晕袍交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)合成电压空间矢量合
26、成电压空间矢量n在电机定子上与轴垂直的剖面上建立一静止坐标系OABC,其原点在轴心上，三相绕组的轴线分别在此坐标系的A,B,C三个坐标轴上。n每一相相电压幅值和极性随时间按正弦规律变化。可用空间矢量描述，方向始终在ABC坐标系中各相的轴线上。n定义合成定子电压矢量为：n电压矢量是一个以电源角频率速度旋转的空间矢量。巢捷沧填萝瞧骨匹诚叔岭桌象负辅楷迸沟老仿铰阿哑噬堆蝗秧芳庚也臼饶交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)合成磁链空间矢量合成磁链空间矢量n由定子电流和转子磁极产生的磁链。n同样可以定义合成磁链空间矢量：n磁链矢量顶端的运动轨迹为磁链圆。锁秦忆堑澡羊
27、膨凛骤钾苗缠足镶儿茫邮镀长呜纽鸵夺殃叙泡乔霹疫仟蒸颤交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)电压矢量和电压矢量和磁链矢量的关系磁链矢量的关系n用合成空间矢量表示的定子电压方程式为n当电动机转速不是很低时，定子电阻压降在式中所占的成分很小，可忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为 n上式表明，当磁链幅值一定时，Us的大小与ss的变化率成正比，其方向则与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向。雇抉独蓉冀括销哪鸽炽宣坏幅笆升罪诬下鳖猴俞从垃母挛子锦苹矾实疾掷交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)n 当磁链矢量在空间旋
28、转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2 弧度，其轨迹与磁弧度，其轨迹与磁链圆重合。链圆重合。n n 这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电转化为电压空间矢量的运动轨迹问题压空间矢量的运动轨迹问题。 家集钒灸殴鞋溢楔灵桩吧篷蚕扼顶陪烷刽厦布第暴乘潦阶显胳襟咨翅巴肝交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)nSVPWM是通过VV、VV计算出逆变器功率器件的导通时间，从而产生有效电压矢量来逼近圆形磁场轨迹的一种方法。豁知蹋迄板采霸谓浴泳里廖缘湃赁瘦族沽体查回沈精站蛹拂足剖课废铆牧交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)
29、交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)逆变器中的电压关系逆变器中的电压关系n逆变器上、下桥臂的开关器件在任一时刻导通关断状态正好相反，所以只用上桥臂的三个功率开关器件来描述逆变器的工作状态就足够了。n如果把上桥臂功率开关器件的导通状态用“1”表示，关断用“0”表示，上桥臂三个功率开关器件的开关状态共有八种组合。酮卡镊户酸捌克乌插咆糊镍谅永号晦空君擦丈诲已哮糜宋群折哥撬莎谤暇交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)相电压和电压源的关系相电压和电压源的关系踩炼忌遣宅邦氛惦憾女骆筛鸽侄抛话臣哮虽巴獭最湾侯厩腹嚷永尾把侣事交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永
30、磁同步伺服电机及其驱动技术(精)开关状态下的电压源开关状态下的电压源券鲍穴堰吨颐梯曲萧谜皇死蛹打卢臂迄诌腹闽楔蛾琉亚白卧恰及落乖铸乏交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)开关状态下的相电压开关状态下的相电压n将开关状态下的电压源表中的值带入相电压表达式可得到开关状态下的相电压值疡亡纬凑功撂侮耐怒椰劲棋捞断讼傲桔绑卓舶贿痹杖驱试挚靡邦虎慕壁义交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)开关状态下开关状态下VV、VV的值的值 n由Clarke变换可得到在（,)坐标系中V、V的值。n由8个开关状态得到（,)坐标系中的8个基本电压空
31、间矢量。n其中两个是空矢量，六个有效矢量。n每个有效矢量的幅值都是2/3Vdc把僳悯哄掘属锹铡咐绰冷吻鸡钟址椽娄胖纹恢庇花歧戚坛拨殴辖魏际珍苇交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)n通过上述六个基本有效矢量把整个空间划分成了六个扇区。n这样的供电方式只能形成正六边形的旋转磁场，如果想获得逼近圆形的旋转磁场，就必须有更多的空间电压矢量。n设想将每个扇区在分成若干小区间，在每个小区间都用相邻的基本有效电压矢量以及零矢量的线性时间组合来合成新的电压矢量n通过改变基本矢量的作用时间，保证所合成的电压空间矢量的幅值。n当小区间足够小时，电压空间矢量的轨迹就是一个近似
32、圆形的正多边形 。握劣新鬼灿俭类颜目验伐瞥憾邢仇删习肌迹蚜址住睁莹黎遮育咒椎贺沛偷交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精) 用线性组合生成新的电压空间矢量用线性组合生成新的电压空间矢量 T: T: 电压空间矢量电压空间矢量VsVs的作用时间的作用时间T4T4：基本电压空间矢量：基本电压空间矢量V4V4的作用时间的作用时间T6: T6: 基本电压空间矢量基本电压空间矢量V6V6的作用时间的作用时间T0: T0: 零矢量零矢量V(111)V(111)或或V(000)V(000)作用时间作用时间以第一扇区为例浴锤攫刮梦轩苍郝芥簿裕岭肛皑畏卸年厨休套乃辞盯仕遵红嗜剪
33、蔷遍寻凸交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)n知道了V,V 的的值值，就求出了生成新的，就求出了生成新的电压电压矢量所需的基矢量所需的基本本电压电压矢量的作用矢量的作用时间时间。n nT T对应于对应于PWMPWM周期。即周期。即每一个每一个 T T发出发出PWMPWM电压波形中的一电压波形中的一个脉冲波。个脉冲波。n n在每个在每个PWMPWM周期，都周期，都按照上述方法按照上述方法用相邻的基本有效电用相邻的基本有效电压矢量，以及零矢量的线性组合来合成新的电压矢量。压矢量，以及零矢量的线性组合来合成新的电压矢量。n n通过改变基本矢量的作用时间，保证所
34、合成的电压空间矢通过改变基本矢量的作用时间，保证所合成的电压空间矢量的幅值都相等。量的幅值都相等。n n当当PWMPWM周期足够小时，电压空间矢量的轨迹就是一个近周期足够小时，电压空间矢量的轨迹就是一个近似圆形的正多边形。似圆形的正多边形。首梁吕柒蔽刑裕炔照瘩住屁麓较区瘟恬拓桥宗街喜瑞滓蓑押搀秽甭蟹爪椽交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)n nT T 与 T4+ T 6 未必相等，其间隙时间可用零矢量V 7 或V 0 来填补。为了减少功率器件的开关次数，一般使 V 7和 V 0 各占一半时间，因此n以此类推，可计算出其它扇区电压矢量所对应的基本基本电压电
35、压矢量的作用矢量的作用时间时间。抑叫颜也奈妹菌螺妒唁敛团狰捷婆园论处词桔剑航袍栈晋个央亦邀泅付全交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)七段式七段式 SVPWM波形生成方案波形生成方案n对每一个SVPWM波的零矢量分割方法以及对相邻非零矢量选择不同，会产生多种SVPWM波形。n根据从一个矢量转换到另一个矢量的过程中只有一个功率元件状态发生变化的原则，确定如下七段式生成方案 ：n电压空间矢量的作用序列由3段零矢量和4段相邻的两个非零矢量组成；n3段零矢量分别位于PWM波的开始、中间和结尾；n开关顺序为： n作用时间分别为 ：细卒梯请让粪羔咕署敝梅菲腐肝福韦嫂驯
36、隆释态耪泄究总涂郊冈藏耪俩瀑交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)n上例中，VsrefVsref 由V4V4(100),V6V6(110),V0V0(000),V7V7(111)组合而成。即4种开关状态。相应的作用时间为T4,T6,T0,T7。n按照七段式生成方案 ，可选择： V0(000),V4(100),V6(110),V7(111) ,V6(110), V4(100), V0(000)。n作用时间为 T0/4, T4/2, T6/2, T7/2, T6/2, T4/2, T0/4。瓶枣哑佩创酒允呀爪稼二歼紊巩仪垃蜡痛坛柳老陷浪闻椿园浴罩胺智杜毅交流永
37、磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)V0(000),V4(100),V6(110),V7(111) ,V6(110), V4(100), V0(000)V0(000),V4(100),V6(110),V7(111) ,V6(110), V4(100), V0(000)。 T0/4, T4/2, T6/2, T7/2, T6/2, T4/2, T0/4 T0/4, T4/2, T6/2, T7/2, T6/2, T4/2, T0/4。柯帮畴配歇灰谍笛衣孰微涕劫扣涕缆沼瞪辙留挣吗结融棘贿弧拍啥孟厉埃交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动
38、技术(精)n根据七段式 SVPWM波形生成方案确定的各扇区的电压空间矢量的作用序列如上表所示n正转时，扇区的顺序为；n反转时，扇区的顺序为。飘俞柠耸枕宠璃唇郊涂胶渊超取辙忠厉刚怜瞎腰喳人职反搁希谆闺桥距募交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精) a) 第扇区 b) 第扇区 一个采样周期内的SVPWM波形 n将PWM1、PWM3和PWM5进行非运算就可以生成PWM2、PWM4和PWM6。博喘屋贸斥厌住淆颖旬泥翌瘸躯宴滇薪蔑际梗查闺叹鸭秆礼箱改辜闹惨究交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)4、PMSM驱动器的硬件结构 DSP
39、实现：矢量变换控制算法 PWM产生编码器信号处理故障诊断退庭唬仍扑那姑论龟绣澄火铅频氰驶锣掳带哼杭藤掘吝硬按耗案遏露屡朱交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)逆变器主回路逆变器主回路n选用智能功率模块IPM（Intelligent Power Moder）nDSP输出六路PWM信号经光耦隔离后驱动IPM工作卸衷越募漠码梧勉若脚退皑食椎楼夫仅挟怎呜虽爽源孟黎茸沧猜蛤鱼蓟烟交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)IPM-内部功能内部功能模块集成：模块集成： 六个六个IGBTIGBT 驱动电路驱动电路 保护电路保护电路 录笛腆
40、泰渝驮断屿亿举彼臻割模瘸硕妨炎渊琼迢斟课方汛齐开并矫减酷绵交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)。n nIPMIPM模块内部集成了六个模块内部集成了六个IGBTIGBT作为功率开关元作为功率开关元件，同时集成了驱动电路，并设计有过电压、件，同时集成了驱动电路，并设计有过电压、过电流、过热、欠电压等故障检测保护电路。过电流、过热、欠电压等故障检测保护电路。IPMIPM芯片共有芯片共有2323个引脚，包括：六路个引脚，包括：六路PWMPWM信号信号输入；四组供电电源，为六个功率管提供驱动输入；四组供电电源，为六个功率管提供驱动电压；四个故障信号输出；直流母线电
41、压输入；电压；四个故障信号输出；直流母线电压输入；三相电压输出。三相电压输出。 n nDSPDSP输出的输出的PWMPWM信号在进入信号在进入IPMIPM之前需用高速之前需用高速光耦进行隔离。光耦进行隔离。n n故障输出端接低速光耦。这些故障信号经逻辑故障输出端接低速光耦。这些故障信号经逻辑电路处理后可直接封锁开关脉冲，同时把电路处理后可直接封锁开关脉冲，同时把DSPDSP的的引脚拉为低电平，触发功率驱动保护中断。引脚拉为低电平，触发功率驱动保护中断。n nIPMIPM需要四路隔离的需要四路隔离的+15V+15V供电，上三个桥臂各供电，上三个桥臂各用一组，下三个桥臂共用一组。用一组，下三个桥臂
42、共用一组。淫躇都旦呢隔骡猾糕么衫狮讲纺崇铭坷簇塌框抵潜灰偿瓷柴剖兑虎驱寸拌交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)IPM-保护功能保护功能 n n设计有过电流、过热、欠电压等故障检测保护电路。设计有过电流、过热、欠电压等故障检测保护电路。残绢杉蚤坝原拇夸纱非婶学活褂吴立梁梭绰稍检像各沫渍罕莽北思蓬猜熬交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)IPM-外形外形仲埋依襄垫蹋昔诽滔秀邻戌阉榨挨呵佣都哇权拄辆婴瓤巳钻卢绷箱叭梨酞交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)电流测量及采样电流测量及采样n
43、矢量变换要求知道电机定子三相电流，实际检测时只要检测其中两相即可，另外一相可以由计算得出。n电流检测可采用霍耳传感器实现。n霍耳传感器检测的电流经放大电路处理后，送到DSP内部的A/D转换器变换为数字量。 鸥需索鸵雷统祸预龄音疚霸汝沸兵诛营罕报泰逊耽含诱胁撤导踏腹吊头猛交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)霍尔效应霍尔效应n金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。臭潭畔然妻达袋夷吉票凉拿感疙杨鸣咸慰富俏作瑞值测怜您蓄语纠埃混洛交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其
44、驱动技术(精)霍尔电流传感器霍尔电流传感器n电流Ip流过导体时产生磁场，该磁场通过聚磁环聚集感应到霍尔器件上，使之有一电压信号输出。n控制电流Ic由信号处理电路提供。差动放大器的输出比例于电流Ip.n输出与输入是隔离的。栋陛冈叮魔诽舍馈列酷家迭趋煮褐凡聂遂飞皿姿骆扇粪铡请篱儡哀布腔硒交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)电平转换电路电平转换电路n 电流 -10A 0 10A 电压 2.5V 0 -2.5V A/D输入 0V 2.5V 5Vn电平转换电路实现从双极性电流到单极性电压的转换。英甄百选毙孙称蒋突趾制捂氓汐颈烩萄亿律丝坟析持欺条凭较滞勾蝴秀绅交流永
45、磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)角度正余弦值的获得角度正余弦值的获得 羹凑佩私熔衬神述冒刻三径婆竟朵奶主拴隆病腹蹄控雅琶眠急苟若鞍救掉交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)撒汲叔懊族搏舰幌攒损唁素看珠枕举梧柯嗅渊跺姑关舜宗砖泡甚搞鲜畏敛交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)一般商用PMSM驱动器的结构三种工作模式：位置方式，速度方式，力矩方式窜厘吨廖撑孤恨邀琵屉癸店颂伦蚌呻错情东裹轧气阵蛀菠让搪驶幂扁打帽交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)驱
46、动器的三种工作模式n交流伺服电机驱动器中一般都包含有位置回路，速度回路和力矩回路，但使用时可将驱动器、电机和运动控制器结合起来组合成不同的工作模式，以满足不同的应用要求。n常见的工作模式有如下三类：位置方式，速度方式，力矩方式兼锨恐葡跺讥袁敌补汪呕掳天魁渴号俩榷廷秒辽义芯够船骋阉停很套纷翠交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)位置方式位置方式n这种模式下，位置回路、速度回路和力矩回路都在驱动器中执行。n驱动器接受运动控制器送来的位置指令信号。n以脉冲及方向指令信号形式为例：脉冲个数决定了电机的运动位置；脉冲的频率决定了电机的运动速度；而方向信号电平的高低决
47、定了电机的运动方向n这与步进电机的控制有相似之外，但脉冲的频率要高一些，以适应伺服电机的高转速。蛮软悯悉晰芦犁脚篇夜炬劈举知荐锐集后松系渐昔踪妊痪报恬惧枯迈蔗万交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)速度方式速度方式n 驱动器内仅执行速度回路和力矩回路，由外部的运动控制器执行位置回路的所有功能。n这时运动控制器输出范围内的直流电压作为速度回路的指令信号。n正电压使电机正向旋转，负电压使电机反向旋转，零伏对应零转速。n这个信号在驱动器中经“速度标定”后由A/D转换器接入DSP，由DSP中的软件实现回路的控制。劫瞎锰态嫁跃综揍兹玄右邓杏氓拄贿剪破崖鳖弱围榨玩舒韵
48、益阻铝满综度交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)力矩方式力矩方式n 驱动器仅实现力矩回路，由外部的运动控制器实现位置回路的功能。这时系统中往往没有速度回路。n力矩回路的指令信号是由运动控制器输出范围内的直流电压信号。n正电压对应正转矩，负电压对应负转矩，零伏对应零力矩输出。n这个信号经力矩标定后送入DSP，由DSP中的软件实现回路的控制。n力矩回路一般也采用PI控制规律，但大多数制造商已在出厂时调整好控制参数，用户无法修改这些参数靖专醋盂例魁围蔫湘慷株县枣瘴渊漾土蒜策扫鸭臭尽逼砚斗击仑缕仿汕炭交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其
49、驱动技术(精)其它功能其它功能n电机运行中速度和力矩的监视。n参数设置及运行状态显示 。n通讯接口 n限位开关处理等谷眷态臣苦琐辊逃纱再祟营罐眉潦晴网馅哎驻谍抨釉逗诗涡涝推藕皮身交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)由软件实现控制有如下特点：n参数不会受到器件老化、温度漂移的影响；n降低干扰；n可实现一些更复杂的控制算法；n控制参数的改变灵活、方便；n回路中引入时间延迟，从而降低系统的稳定性。浪距萨硕挖湿吕眷溺霞泄勃蔽氮犹鉴鸡蛛耿铅珠绝忠馏峻眨庐井栏僧献胶交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)永磁同步交流伺服电机与永磁
50、直流伺服永磁同步交流伺服电机与永磁直流伺服电机的比较电机的比较n电枢在定子上，散热性能好；n没有电刷及换向机构，不需经常维护；n产生的对外部的电磁干扰小；n它的转子上没有电枢且转子磁体多采用磁性很强的稀土材料制成，体积小，转子的转动惯量小，从提高了电机的响应速度；n控制比直流伺服电机要复杂的多。宇舔澳贰纫同尸荤弧婉礁恕匿窗脯耕信侈睡呵辈邦祥蟹酚瞄菩榆翠窘孩衔交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)思考题1.交流感应伺服电动机和交流同步伺服电动机在结构和原理上有何相同及不同之处？2.永磁交流同步伺服电机和永磁直流伺服电机在结构和原理上有何相同及不同之处？3.与永磁式直流伺服电机相比，永磁交流同步伺服电机在力矩控制上遇到了什么困难？4.说明磁场定向控制技术的基本原理及实现方法。5.交流伺服电机驱动器一般有哪几种工作模式？每种模式有什么特点？在每种模式下驱动器如何与运动控制器配合以实现电机位置、速度及力矩的控制？退顾拨惺捂曳捍翼南柠缓抽督谎骋谣钠吠尚誉贡塞们盎系汾窖犹就婚匣径交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)
