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1、3.2 交流永磁同步电机及其驱动技术 1 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、交流永磁同步电机驱动器、交流永磁同步电机驱动器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 n它的电枢绕组在转子上不利于散热
2、；它的电枢绕组在转子上不利于散热；n n由于绕组在转子上，转子惯量较大，不利于高速响应；由于绕组在转子上，转子惯量较大，不利于高速响应；n n电刷和换向器易磨损需要经常维护、限制电机速度、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。换向时会产生电火花限制了它的应用环境。n n如果能将电刷和换向器去掉，再把电枢绕组移到定子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。上，就可克服这些缺点。n n交流伺服电机就是这种结构的电机。交流伺服电机就是这种结构的电机。n n交流伺服电机有两类：交流伺服电机有两类： 同步电机同步电机 和和 感应电
3、机感应电机 永磁同步电机（永磁同步电机（永磁同步电机（永磁同步电机（ PMSM PMSM ） （Permanent Magnet Synchronous Motor Permanent Magnet Synchronous Motor ） 1 1、结构和工作原理、结构和工作原理、结构和工作原理、结构和工作原理n n主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。n n定子和一般的三相感应电机类似，采用三相定子和一般的三相感应电机类似，采用三相对称对称绕绕组结构，它们的轴线在组结构，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
4、。度。度。度。n n转子上贴有磁性体，一般有两对以上的磁极。转子上贴有磁性体，一般有两对以上的磁极。n n位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器 。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 n感应电机当其对称三相绕组接通感应电机当其对称三相绕组接通对称三相电源对称三相电源后，后，流过绕组的电流在定转子气隙中建立起旋转磁场，流过绕组的电流在定转子气隙中建立起旋转磁场，其转速为其转速为: : 式中式中f f 电源频率；电源频率； pp定子极对数。定子极对数。n n即磁场的转速正比于电源频率，反比于定子的极即磁场的转速正比于电源频率，反比于
5、定子的极对数；对数；n n磁场的旋转方向取决于绕组电流的相序。磁场的旋转方向取决于绕组电流的相序。n 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 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。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。 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
6、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。转子的磁极随其一起旋转。 n n要想实现四象限运行，关键是力矩的控制
7、。要想实现四象限运行，关键是力矩的控制。n n在永磁直流电机中，在永磁直流电机中，T=T=KtIKtI。I I为直流，只要改变电流的大为直流，只要改变电流的大小就能改变力矩。小就能改变力矩。n n而交流电机中而交流电机中FsFs是由三相交流电产生的，绕组中的电压及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。电流是交流，是时变量，转矩的控制要复杂得多。n 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？流电机？n n2020世纪世纪7070年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制年代初发明了矢量控
8、制技术，或称磁场定向控制技术。技术。n n通通过过坐坐标标变变换换，把把交交流流电电机机中中交交流流电电流流的的控控制制，变变换换成成类类似似于于直直流流电电机机中中直直流流电电流流的的控控制制，实实现现了了力力矩矩的的控控制制，可可以以获获得得和和直直流流电电机机相相似似的的高高动动态态性性能能，从从而而使使交交流流电电机机的的控制技术取得了突破性的进展。控制技术取得了突破性的进展。 2、磁场定向控制、磁场定向控制n n永磁同步电机的定子中装有三相对称绕组永磁同步电机的定子中装有三相对称绕组a,b,ca,b,c，它，它们在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
9、度，绕组中通以如下三相对，绕组中通以如下三相对称电流：称电流：n n即每个绕组中电流的幅值和相位都是随时间变化的，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。n n旋转磁场是三相电流共同作用的旋转磁场是三相电流共同作用的结果，引入结果，引入电流空间矢量电流空间矢量的概念的概念来描述这个作用。来描述这个作用。n n在电机定子上与轴垂直的剖面上在电机定子上与轴垂直的剖面上建立一静止坐标系（建立一静止坐标系（a,b,ca,b,c) )，其原，其原点在轴心上，三相绕组
10、的轴线分点在轴心上，三相绕组的轴线分别在此坐标系的别在此坐标系的a a，b b，c c三个坐标三个坐标轴上。轴上。n n每一相相电流幅值和极性随时间每一相相电流幅值和极性随时间按正弦规律变化。可用空间矢量按正弦规律变化。可用空间矢量描述，方向始终在描述，方向始终在a,b,ca,b,c坐标系中各坐标系中各相的轴线上。相的轴线上。n n定义定义合成定子电流矢量合成定子电流矢量为：为：n n每一相相电流空间矢量幅值和极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性的变化使得合成定子电流矢量形成旋转磁场。形成旋转磁场。 n 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 NN定子绕组
11、线圈总匝数定子绕组线圈总匝数n 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 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。 力矩控制力矩控制n n由电机统一理论，电机的力矩由电机统一理论，电机的力矩 大小可表示为大小可表示为 n n如果能保证如果能保证FrFr与与FsFs相互垂直，则因转子磁势相互垂直，则因转子磁势FrFr为常数，为常数，且且 则则 这与直流电机的力矩表达式是一样的。这与直流电机的力矩表达式是一样的。 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
12、.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？n 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率旋转的旋转坐标系（d、q）。n 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 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n 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 n在旋转坐标系中计算出
13、实现力矩控制所需要的定子合成电流的数值；n n然后将这个电流值再反变换到静止坐标系中。n n将虚拟的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 n坐标变换是通过两次变换实现的Clarke变换变换n n（a,b,ca,b,c) )是复数平面上的三相是复数平面上的三相静止坐标系静止坐标系。n n（, ,) )是该平面上的两相是该平面上的两相静止坐标系静止坐标系。 n n轴与轴与a a轴重合，轴重合， 轴与轴与a a轴垂直。轴垂直。n n定义在（定义在（a,b,ca,b,c) )坐标系中的空间电流矢量可通过如下运算变坐标系中的空间电流矢量可通过如下运算变换到坐标系（换到坐标系（, ,）
14、中：中：用矩阵可表示为Park变换变换n n定义一个以转速定义一个以转速旋转的直角坐标系旋转的直角坐标系 ，其转角为，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, id, iqiq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,qd,q) )坐标坐标系的变换关系：系的变换关系：n n现在得到了从现在得到了从ia,ib,icia,ib,ic到到id,iqid,iq的变换。求逆即是反变的变换。求逆即是反变换。换。n n式
15、中，式中，可由传感器测量得到。可由传感器测量得到。 n n在（在（d,qd,q) )坐标系中，合成定子电流是一个标量，可坐标系中，合成定子电流是一个标量，可表示为：表示为：n n如果使如果使is is在在q q轴上（即让轴上（即让id=0)id=0)，使转子磁极在，使转子磁极在d d轴轴上，则，上，则，n n即定子磁场与转子磁场相互垂直，此时电机的力即定子磁场与转子磁场相互垂直，此时电机的力矩为矩为n n在（在（d,qd,q) )坐标系中，我们可象直流电机那样，通过坐标系中，我们可象直流电机那样，通过控制电流来改变电机的转矩。控制电流来改变电机的转矩。 n nId, iq并不是真实的物理量，电
16、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 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。 磁场定向控制的实现n n力矩的控制由力矩回路实现。力矩的控制由力矩回路实现。n n图中电流传感器测量出定子绕组电流图中电流传感器测量出定子绕组电流ia,ibia,ib作为作为clarkeclarke变换的变换的输入，输入，ic ic可由三相电流对称关系可由三相电流对称关系ia+ib+icia+ib+ic=0=0求出。求出。n nclarkeclarke变换的输出变换的输出i i , ,i i ，与由编码器测出的
17、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
18、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。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（d,qd,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
19、轴上轴上轴上? ? 1 1）首先使）首先使idrefidref=0=0，iqrefiqref为一常量，在电流回路作用下，定子为一常量，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对准；绕组电流建立的磁场将吸引转子磁极与之对准；2 2）在）在ParkPark变换和逆变换中将变换和逆变换中将增加增加90 90 ，即合成定子电流矢，即合成定子电流矢量瞬间旋转量瞬间旋转90 90 ，而转子磁极在此瞬间仍停留在原来的位，而转子磁极在此瞬间仍停留在原来的位置，这相当于置，这相当于( (d,qd,q) )坐标系旋转了坐标系旋转了90 90 ；3) 3) 现在电流矢量被移动到现在电流矢量被移动到
20、q q轴上，转子磁极仍然在轴上，转子磁极仍然在d d轴上，即轴上，即两个磁极处于正交状态；两个磁极处于正交状态；4 4）转子趋于与定子磁势对准，一旦转子开始旋转，）转子趋于与定子磁势对准，一旦转子开始旋转，DSPDSP根据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。新电流矢量，以维持两个磁场始终处于正交状态。 3 交流永磁同步电机的PWM控制 n nPMSMPMSM驱动器的主回路一般采用交驱动器的主回路一般采用交直直交的结构。交的结构。n nIGBT IGBT （Insulated-gate
21、 Bipolar Transistor Insulated-gate Bipolar Transistor ） 由由MOSFETMOSFET和和GTRGTR复合而成，结合二者的优点。复合而成，结合二者的优点。n n 功率晶体管的特点功率晶体管的特点电流驱动，开关速度较低，所需驱电流驱动，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。本不随电压升高而变化。n n MOSFETMOSFET的优点的优点电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动
22、电路简单，但耐压热稳定性好，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。越高源极和漏极间的电阻越大。 n 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 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 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 n常用的方法有三种： 正弦波脉宽调制（正弦波脉宽调制（SPWMSPWM） 空间矢量脉宽调制（空间矢量脉宽调制（SVPWMSVPWM） 电流跟踪控制。电流跟踪控制。SPWMSPWM技术技术（SinusodalSinusodal Pulse Width Modulation Pulse Wi
23、dth 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。n n用正弦波信号去调制用正弦波信号去调制三角波信号，会得到三角波信号，会得到一个占空比按正弦规一个占空比按正弦规律变化的脉冲序列。律变化的脉冲序列。n n脉冲的频率由三角波脉冲的频率由三角波频率决定，脉冲的占频率决定，脉冲的占空比由电压幅值决定。空比由电压幅值决定。n n脉冲序列可能包含各脉冲序列可能包含各次谐波的频谱成份，次谐波的频谱成份，但其基波由调制波决但其基波由调制波决定定SVPWM（Space Vector PWM）技术n n交流电动机输入三相正弦电流在电动机空间形成交流电
24、动机输入三相正弦电流在电动机空间形成圆形旋转磁场。圆形旋转磁场。n nSVPWMSVPWM（Space Vector PWMSpace Vector PWM）技术的基本思路技术的基本思路就是把电机和逆变器看做一体，就是把电机和逆变器看做一体，通过通过控制逆变器控制逆变器功率器件的功率器件的开关模式及导通时间开关模式及导通时间，产生，产生有效电压有效电压矢量矢量来逼近来逼近圆形磁场轨迹圆形磁场轨迹的一种方法的一种方法。n n这种方法利用电压空间矢量直接生成三相这种方法利用电压空间矢量直接生成三相PWMPWM波，波，特别适用于特别适用于DSPDSP直接计算，且方法简便。直接计算，且方法简便。n n
25、可以证明：可以证明：SVPWMSVPWM比一般的比一般的SPWMSPWM直流电压利用直流电压利用率提高率提高15%15%。合成电压空间矢量合成电压空间矢量n n在电机定子上与轴垂直的剖在电机定子上与轴垂直的剖面上建立一静止坐标系面上建立一静止坐标系OABC,OABC,其原点在轴心上，三其原点在轴心上，三相绕组的轴线分别在此坐标相绕组的轴线分别在此坐标系的系的A,B,CA,B,C三个坐标轴上。三个坐标轴上。n n每一相相电压幅值和极性随每一相相电压幅值和极性随时间按正弦规律变化。可用时间按正弦规律变化。可用空间矢量描述，方向始终在空间矢量描述，方向始终在ABCABC坐标系中各相的轴线上。坐标系中
26、各相的轴线上。n n定义定义合成定子电压矢量合成定子电压矢量为：为：n n电压矢量是一个以电源角频电压矢量是一个以电源角频率速度旋转的空间矢量。率速度旋转的空间矢量。合成磁链空间矢量合成磁链空间矢量n n由定子电流和转子磁极产生的由定子电流和转子磁极产生的磁链。磁链。n n同样可以定义合成磁链空间矢量：同样可以定义合成磁链空间矢量：n n磁链矢量顶端的运动轨迹为磁链圆。磁链矢量顶端的运动轨迹为磁链圆。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 n用合成空间矢量表示的定子电压方程式为用合成空间矢量表示的定子电压方程式为n n当电动机转速不是很低时，定子电阻压降在式中所当电动机转速不是很低
27、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。n n 当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动地按磁链圆的切线方向运动2 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
28、运动轨迹问题。 n nSVPWMSVPWM是通过是通过V V 、VV计算出计算出逆变器功率器件的逆变器功率器件的导通时间，导通时间，从而从而产生有效电压矢量来逼近圆形磁产生有效电压矢量来逼近圆形磁场轨迹的一种方法场轨迹的一种方法。逆变器中的电压关系逆变器中的电压关系n 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。器的工作状态就足够了。n n如果把上桥臂功率开关器件的导通状态用如果把上桥臂功率开关器件的导通状态用“ “
29、1”1”表示，关表示，关断用断用“ “0”0”表示，上桥臂三个功率开关器件的开关状态共表示，上桥臂三个功率开关器件的开关状态共有八种组合。有八种组合。相电压和电压源的关系相电压和电压源的关系开关状态下的电压源开关状态下的电压源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开关状态下的相电压值开关状态下开关状态下开关状态下开关状态下V V 、VV的值的值 n n由由ClarkeClarke变换可得到在变换可得到在（ , , ) )坐标系中坐标系中V V 、VV的值的值。n n由由8 8个开关状态得到个开关状态得到（ , , ) )坐标
30、系中的坐标系中的8 8个个基本电压空间矢量。基本电压空间矢量。n n其中两个是空矢量，六其中两个是空矢量，六个有效矢量。个有效矢量。n n每个有效矢量的幅值都每个有效矢量的幅值都是是2/3Vdc2/3Vdcn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 n这样的供电方式只能形成正六边形的旋转磁场，这样的供电方式只能形成正六边形的旋转磁场，如果想获如果想获得逼近圆形的旋转磁场，得逼近圆形的旋转磁场，就必须有更多的空间电压矢量。就必须有更多的空间电压矢量。n 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
31、量的线性时间组合来合成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新的电压矢量n 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。量的幅值。n n当小区间足够小时，电压空间矢量的轨迹就是一个近似圆当小区间足够小时，电压空间矢量的轨迹就是一个近似圆形的正多边形形的正多边形 。 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
32、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n n知道了知道了V V,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
33、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。n nT T 与与 T T4 4+ T+ T 6 6 未必相等，其间隙时间可用零矢量未必相等，其间隙时间可用零矢量V V 7 7 或或V V 0 0 来来填补。为了减少功率器件的开关次数，一般使填补。为了减少功率器件的开关次数，一般使 V V 7 7和和 V 0V 0 各占一半时间，
34、因此各占一半时间，因此n n以此类推，可计算出其它扇区电压矢量所对应的以此类推，可计算出其它扇区电压矢量所对应的基本基本电压电压矢量的作用矢量的作用时间时间。七段式七段式 SVPWM波形生成方案波形生成方案n n对每一个对每一个SVPWMSVPWM波的零矢量分割方法以及对相邻波的零矢量分割方法以及对相邻非零矢量选择不同，会产生多种非零矢量选择不同，会产生多种SVPWMSVPWM波形。波形。n n根据从一个矢量转换到另一个矢量的过程中只有一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生成方案 ：n n
35、电压空间矢量的作用序列电压空间矢量的作用序列由由3 3段零矢量和段零矢量和4 4段相邻的段相邻的两个非零矢量组成；两个非零矢量组成；n n3 3段零矢量分别位于段零矢量分别位于PWMPWM波的开始、中间和结尾；波的开始、中间和结尾；n n开关顺序为：开关顺序为： n n作用时间分别为作用时间分别为 ：n n上例中，上例中，VsrefVsref 由由V4V4(100),(100),V6V6(110),(110),V0V0(000),(000),V7V7(111)(111)组合组合而成。即而成。即4 4种开关状态。相应的作用时间为种开关状态。相应的作用时间为T4,T6,T0,T7T4,T6,T0,
36、T7。n n按照按照七段式生成方案七段式生成方案 ，可选择：可选择： 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)。n n作用时间为作用时间为 T0/4, T4/2, T6/2, T7/2, T6/2, T4/2, T0/4T0/4, T4/2, T6/2, T7/2, T6/2, T4/2, T0/4。V0(000),V4(100),V6(110),V7(111) ,V6(110), V4(100), V0
37、(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, T0/4T0/4, T4/2, T6/2, T7/2, T6/2, T4/2, T0/4。n n根据七段式根据七段式 SVPWMSVPWM波形生成方案确定的各扇区的波形生成方案确定的各扇区的电压空电压空间矢量的作用序列如上表所示间矢量的作用序列如上表所示n n正转时，扇区的顺序为正转时，扇区的顺序为；n n反转时，扇区的顺序为反转时，扇区的顺序为。 a) 第扇区 b) 第扇区 一个采样周期内的S
38、VPWM波形 n将PWM1、PWM3和PWM5进行非运算就可以生成PWM2、PWM4和PWM6。4、PMSM驱动器的硬件结构 DSPDSP实现：实现：矢量变换矢量变换控制算法控制算法 PWMPWM产生产生编码器信号编码器信号处理处理故障诊断故障诊断逆变器主回路逆变器主回路n n选用智能功率模块选用智能功率模块IPMIPM（Intelligent Power Intelligent Power ModerModer）n nDSPDSP输出六路输出六路PWMPWM信号经光耦隔离后驱动信号经光耦隔离后驱动IPMIPM工作工作IPM-内部功能内部功能模块集成：模块集成： 六个六个IGBTIGBT 驱动
39、电路驱动电路 保护电路保护电路 。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
40、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，下三个桥臂共用一组。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、
41、过热、欠电压等故障检测保护电路。IPM-外形外形电流测量及采样电流测量及采样n n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 n电流检测可采用霍耳传感器实现。n 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。 霍尔效应霍尔效应n n金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直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霍尔效应。霍尔电流传感器霍尔电流传感器n n电流电流IpIp流过导体时产生
42、磁场，该磁场通过聚磁环聚集感应到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。霍尔器件上，使之有一电压信号输出。n n控制电流控制电流IcIc由信号处理电路提供。差动放大器的输出比例于电由信号处理电路提供。差动放大器的输出比例于电流流IpIp. .n n输出与输入是隔离的。输出与输入是隔离的。电平转换电路电平转换电路n n 电流电流 -10A 0 10A-10A 0 10A 电压电压 2.5V 0 -2.5V2.5V 0 -2.5V A/D A/D输入输入 0V 2.5V 5V0V 2.5V 5Vn n电平转换电路实现从双极性电流到单极性电压的转换。电平转换电
43、路实现从双极性电流到单极性电压的转换。角度正余弦值的获得角度正余弦值的获得 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，力矩方式驱动器的三种工作模式n 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 n常见的工作模式有如下三类：位置方式，速度方式，力矩方式位置方式位置方式n n这种模式下，位置回路、速度回路和力矩回路都在驱动这种模式下，位置回路、速度回路和力矩回路都在驱动器中执行。器中执行。n n驱动器接受运动控制器送来的位置指令信号。驱动器接受运动控制器送来的位置指令
44、信号。n n以脉冲及方向指令信号形式为例：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；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定了电机的运动方向而方向信号电平的高低决定了电机的运动方向n n这与步进电机的控制有相似之外，但脉冲的频率要高一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。些，以适应伺服电机的高转速。速度方式速度方式n 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 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
45、 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 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。力矩方式力矩方式n n 驱动器仅实现力矩回路，由外部的运动控制器实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现位置回路的功能。这时系统中往往没有速度回路。路。n n力矩回路的指令信号是由运动控制器输出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。范围内的直流电压信号。n n正电压对应正转矩，负电压对应负转矩，零伏对正电压对应正转矩，负电压对应负转矩，零伏对应零力矩输出。应零力矩输
46、出。n n这个信号经力矩标定后送入这个信号经力矩标定后送入DSPDSP，由，由DSPDSP中的软件中的软件实现回路的控制。实现回路的控制。n n力矩回路一般也采用力矩回路一般也采用PIPI控制规律，但大多数制造控制规律，但大多数制造商已在出厂时调整好控制参数，用户无法修改这商已在出厂时调整好控制参数，用户无法修改这些参数些参数其它功能其它功能n n电机运行中速度和力矩的监视。n n参数设置及运行状态显示 。n n通讯接口 n n限位开关处理由软件实现控制有如下特点：n n参数不会受到器件老化、温度漂移的影响；n n降低干扰；n n可实现一些更复杂的控制算法；n n控制参数的改变灵活、方便；n
47、n回路中引入时间延迟，从而降低系统的稳定性。永磁同步交流伺服电机与永磁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 n电枢在定子上，散热性能好；n n没有电刷及换向机构，不需经常维护；n n产生的对外部的电磁干扰小；n 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 n控制比直流伺服电机要复杂的多。思考题1. 1.交流感应伺服电动机和交流同步伺服电动机在结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？构和原理上有何相同及不同之处？2. 2.永磁交流同步伺服电机和永磁直流伺服电机在结永
48、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？构和原理上有何相同及不同之处？3. 3.与永磁式直流伺服电机相比，永磁交流同步伺服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？电机在力矩控制上遇到了什么困难？4. 4.说明磁场定向控制技术的基本原理及实现方法。说明磁场定向控制技术的基本原理及实现方法。5. 5.交流伺服电机驱动器一般有哪几种工作模式？每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、速度及力矩的运动控制器配合以实现电机位置、速度及力矩的控制？控制？
