永磁同步电机伺服控制系统.pptx

永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统1 永磁同步电机伺服控制系统的构成永磁同步电机伺服控制系统的构成l永磁同步电机；永磁同步电机；l电压型电压型PWM逆变器；逆变器；l电流传感器；电流传感器；l磁极位置传感器；磁极位置传感器；l电流控制器。电流控制器。如果需要进行速度和位置控制，还需要速如果需要进行速度和位置控制，还需要速度传感器、速度控制器、位置传感器以及位置度传感器、速度控制器、位置传感器以及位置控制器。控制器。基本部分：基本部分：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统图图1 永磁同步电机伺服控制系统的组成永磁同步电机伺服控制系统的组成永磁同步电机伺服控制系统构成如图永磁同步电机伺服控制系统构成如图1所示：所示：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统2 永磁同步电机的结构与工作原理永磁同步电机的结构与工作原理 永磁同步电机用永磁体代替了电励磁，从永磁同步电机用永磁体代替了电励磁，从而省去了励磁线圈、滑环与电刷，其定子电流而省去了励磁线圈、滑环与电刷，其定子电流与绕线式同步电机基本相同，输入为对称正弦与绕线式同步电机基本相同，输入为对称正弦交流电，故称为交流电，故称为交流永磁同步电机。交流永磁同步电机。构成：构成：定子和转子。定子和转子。定子定子主要包括电枢铁心和三相对称电枢绕主要包括电枢铁心和三相对称电枢绕组组，绕组嵌放在铁心的槽中；，绕组嵌放在铁心的槽中；转子转子主要由永磁体、导磁轭和转轴构成。主要由永磁体、导磁轭和转轴构成。永磁体贴在导磁轭上，导磁轭为圆筒形，套在永磁体贴在导磁轭上，导磁轭为圆筒形，套在转轴上。转轴上。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统图图2 永磁同步电机的结构示意图永磁同步电机的结构示意图如图如图2为永磁同步电机结构示意图。为永磁同步电机结构示意图。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统工作原理：工作原理：电枢绕组中通过对称的三相电电枢绕组中通过对称的三相电流时，定子将产生一个以同步转速推移的旋转流时，定子将产生一个以同步转速推移的旋转磁场。在稳态情况下，转子转速恒为磁场的同磁场。在稳态情况下，转子转速恒为磁场的同步转速。于是，定子旋转磁场与转子的永磁体步转速。于是，定子旋转磁场与转子的永磁体产生的主极磁场保持静止，它们之间相互作用产生的主极磁场保持静止，它们之间相互作用产生电磁转矩，拖动转子旋转，进行机电能量产生电磁转矩，拖动转子旋转，进行机电能量转换。当负载发生变化时，转子的瞬时转速就转换。当负载发生变化时，转子的瞬时转速就会发生变化，这时，如果通过传感器检测转子会发生变化，这时，如果通过传感器检测转子的位置和速度，根据转子永磁体磁场的位置，的位置和速度，根据转子永磁体磁场的位置，利用逆变器控制定子绕组中电流的大小、相位利用逆变器控制定子绕组中电流的大小、相位和频率，便会产生连续的转矩作用到转子上。和频率，便会产生连续的转矩作用到转子上。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统根据电机具体结构、驱动电流波形和控制根据电机具体结构、驱动电流波形和控制方式的不同，有两种驱动模式：方波电流驱动方式的不同，有两种驱动模式：方波电流驱动的永磁同步电机，即无刷直流电机；正弦波电的永磁同步电机，即无刷直流电机；正弦波电流驱动的永磁同步电机，即永磁同步交流伺服流驱动的永磁同步电机，即永磁同步交流伺服电机。电机。据电枢绕组结构型式的不同分为：整数槽据电枢绕组结构型式的不同分为：整数槽绕组结构；分数槽绕组结构。绕组结构；分数槽绕组结构。如图如图3所示为永磁同步电机绕组形式。所示为永磁同步电机绕组形式。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统(a)整数槽绕组整数槽绕组 (b)分数槽绕组分数槽绕组 图图3 永磁同步电机的绕组形式永磁同步电机的绕组形式永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统l电枢反应磁场均匀，对永磁体去磁作用电枢反应磁场均匀，对永磁体去磁作用小；小；l电磁转矩电磁转矩电流的线性度高，电机的电流的线性度高，电机的过载能力强；过载能力强；l适合用于少极数、高转速、大功率的领适合用于少极数、高转速、大功率的领域。域。l对于多极正弦波交流永磁伺服电动机对于多极正弦波交流永磁伺服电动机，可采用较少的定子槽数，有利于提高槽可采用较少的定子槽数，有利于提高槽满率及槽利用率。同时，较少的元件数满率及槽利用率。同时，较少的元件数可以简化嵌线工艺和接线，有助于降低可以简化嵌线工艺和接线，有助于降低成本；成本；整数槽绕组的优势是：整数槽绕组的优势是：分数槽绕组的优势是：分数槽绕组的优势是：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统l增加绕组的分布系数，使电动势波形的增加绕组的分布系数，使电动势波形的正弦性得到改善；正弦性得到改善；l可以得到线圈节距为可以得到线圈节距为 1 的集中式绕组设的集中式绕组设计，线圈绕在一个齿上，缩短了线圈周计，线圈绕在一个齿上，缩短了线圈周长和端部伸出长度，减少了用铜量；线长和端部伸出长度，减少了用铜量；线圈端部没有重叠，可不放置相间绝缘；圈端部没有重叠，可不放置相间绝缘；l可能用专用绕线机可能用专用绕线机，直接将线圈绕在齿，直接将线圈绕在齿上，取代传统嵌线工艺，提高了劳动生上，取代传统嵌线工艺，提高了劳动生产率，降低了成本；减小了定子轭部厚产率，降低了成本；减小了定子轭部厚度，提高了电机的功率密度；度，提高了电机的功率密度；l电机绕组电阻减小电机绕组电阻减小，铜耗降低，进而提，铜耗降低，进而提高机效率和降低温升；高机效率和降低温升；l降低了定位转矩，利于减小振动和噪声。降低了定位转矩，利于减小振动和噪声。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统图图4 具有分数槽绕组的电机定子具有分数槽绕组的电机定子如图如图4为具有分数槽绕组的电机定子。为具有分数槽绕组的电机定子。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统根据电枢铁心有无齿槽把永磁同步电机分为：根据电枢铁心有无齿槽把永磁同步电机分为：齿槽结构永磁同步电机；无槽结构永磁同齿槽结构永磁同步电机；无槽结构永磁同步电机。步电机。图图 5 为无槽永磁同步电机结构示意图为无槽永磁同步电机结构示意图。该结构电机的电枢绕组贴于圆筒形铁心的内表该结构电机的电枢绕组贴于圆筒形铁心的内表面上采用环氧树脂灌封、固化。面上采用环氧树脂灌封、固化。图图5 无槽结构永磁无槽结构永磁 同步电机同步电机永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统根据转子上永磁体安装位置的不同，可以根据转子上永磁体安装位置的不同，可以把永磁同步电机分为：表面永磁体同步电机把永磁同步电机分为：表面永磁体同步电机；外嵌永磁体同步电机；内嵌永磁体同步电机外嵌永磁体同步电机；内嵌永磁体同步电机。图图6为永磁同步电机常用转子结构型式。为永磁同步电机常用转子结构型式。（a）永磁体为永磁体为环形环形，配置在转子，配置在转子铁心的表面，永磁体多为径向充铁心的表面，永磁体多为径向充磁或异向充磁，有时磁极采用多磁或异向充磁，有时磁极采用多块平行充磁的永磁体拼成。该结块平行充磁的永磁体拼成。该结构多用于小功率交流伺服电机。构多用于小功率交流伺服电机。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统（b）永磁体设计成永磁体设计成半月形不等半月形不等厚结构厚结构，通常采用平行充磁或，通常采用平行充磁或径向充磁，形成的气隙磁场是径向充磁，形成的气隙磁场是为理想的正弦波磁场。该结构为理想的正弦波磁场。该结构多用于大功率交流伺服电机。多用于大功率交流伺服电机。（c）主要用于大型或高速永磁主要用于大型或高速永磁电机，为防止离心力造成永磁电机，为防止离心力造成永磁体损坏，需要在永磁体的外周体损坏，需要在永磁体的外周套一非磁性的箍圈予以加固。套一非磁性的箍圈予以加固。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统（d）在转子铁心凹陷部分插入永在转子铁心凹陷部分插入永磁体，永磁体多采用径向充磁，磁体，永磁体多采用径向充磁，虽然为表面永磁体转子结构，却虽然为表面永磁体转子结构，却能利用磁阻转矩。能利用磁阻转矩。（e）在永磁体外周套一磁性材料在永磁体外周套一磁性材料箍圈，虽然为内嵌永磁体结构，箍圈，虽然为内嵌永磁体结构，却没有磁阻转矩。当电机极数多却没有磁阻转矩。当电机极数多时，有时也采用平板形永磁体。时，有时也采用平板形永磁体。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统（f）永磁体的用量多，提高气隙永磁体的用量多，提高气隙磁密，防止去磁，通常采用非稀磁密，防止去磁，通常采用非稀土类永磁体。土类永磁体。（g）永磁体永磁体平板形平板形、切向充磁，、切向充磁，铁心为扇形，可以增加永磁体用铁心为扇形，可以增加永磁体用量，提高气隙磁密，但需要采用量，提高气隙磁密，但需要采用非磁性轴。非磁性轴。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统（h）永磁体也为永磁体也为平板形平板形，沿半径，沿半径方向平行充磁，由于转子交轴磁方向平行充磁，由于转子交轴磁路宽，能够增大磁阻转矩，可以路宽，能够增大磁阻转矩，可以通过改变永磁体位置来调整电机通过改变永磁体位置来调整电机特性，适于通过控制电枢电流对特性，适于通过控制电枢电流对其进行弱磁控制。图其进行弱磁控制。图 7 为该电为该电机交、直轴电枢反应磁通路径。机交、直轴电枢反应磁通路径。（i）由两块呈由两块呈 V字形配置平板形字形配置平板形永磁体构成一极，通过改变永磁永磁体构成一极，通过改变永磁体位置来调整电机特性。体位置来调整电机特性。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统（j）永磁体为永磁体为倒圆弧形倒圆弧形，配置在，配置在整个极距范围内整个极距范围内，通过增加永磁，通过增加永磁体用量来提高气隙磁密体用量来提高气隙磁密，还可以，还可以通过确保交轴磁路宽度来增大磁通过确保交轴磁路宽度来增大磁阻转矩，永磁体为非稀土类。阻转矩，永磁体为非稀土类。（k）通过采用多层倒圆弧形永磁通过采用多层倒圆弧形永磁体增大磁阻转矩，永磁体的抗去体增大磁阻转矩，永磁体的抗去磁能力强，气隙磁密高，且波形磁能力强，气隙磁密高，且波形更接近正弦形。更接近正弦形。图图6 永磁同步电机的常用转子结构永磁同步电机的常用转子结构永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统 (a)直轴电枢反应磁通路径直轴电枢反应磁通路径 (b)交轴电枢反应磁通路径交轴电枢反应磁通路径 图图7 交、直轴电枢反应磁通路径交、直轴电枢反应磁通路径永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统表面永磁体结构的优点：转子直径小，转表面永磁体结构的优点：转子直径小，转动惯量低；等效气隙大、定位转矩小、绕组电动惯量低；等效气隙大、定位转矩小、绕组电感低，有利于电机动态性能的改善；这种转子感低，有利于电机动态性能的改善；这种转子结构电机的电枢反应小、转矩电流特性的线性结构电机的电枢反应小、转矩电流特性的线性度高，控制简单、精度高。因此，一般永磁交度高，控制简单、精度高。因此，一般永磁交流伺服电机多采用这种转子结构。流伺服电机多采用这种转子结构。对于图对于图6（k）所示结构，通过采用多层）所示结构，通过采用多层倒圆弧形永磁体来增大磁阻转矩，永磁体的抗倒圆弧形永磁体来增大磁阻转矩，永磁体的抗去磁能力强，气隙磁密高，且波形更接近正弦去磁能力强，气隙磁密高，且波形更接近正弦形。形。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统内嵌永磁体转子永磁同步电机的优点：永内嵌永磁体转子永磁同步电机的优点：永磁体位于转子内部，转子的结构简单、机械强磁体位于转子内部，转子的结构简单、机械强度高、制造成本低；转子表面为硅钢片，因此度高、制造成本低；转子表面为硅钢片，因此表面损耗小；等效气隙小，气隙磁密高，适于表面损耗小；等效气隙小，气隙磁密高，适于弱磁控制；永磁体形状及配置的自由度高，转弱磁控制；永磁体形状及配置的自由度高，转子的转动惯量小；可有效地利用磁阻转矩，提子的转动惯量小；可有效地利用磁阻转矩，提高电机的转矩密度效率；可利用转子的凸极效高电机的转矩密度效率；可利用转子的凸极效应实现无位置传感器起动与运行。应实现无位置传感器起动与运行。内嵌永磁体转子永磁同步电机适用于：高内嵌永磁体转子永磁同步电机适用于：高转速、大转矩、高功率、高效率、需要弱磁控转速、大转矩、高功率、高效率、需要弱磁控制以及宽广的恒功率调速范围等指标要求的领制以及宽广的恒功率调速范围等指标要求的领域。域。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统3 永磁同步电机的数学模型永磁同步电机的数学模型3.1 永磁同步电机的基本方程永磁同步电机的基本方程作如下作如下假设假设：忽略铁心饱和效应；气隙磁：忽略铁心饱和效应；气隙磁场呈正弦分布；不计涡流和磁滞损耗；转子上场呈正弦分布；不计涡流和磁滞损耗；转子上无阻尼绕组，永磁体也无阻尼作用。无阻尼绕组，永磁体也无阻尼作用。PMSM的定子和普通电励磁三相同步电机的定子和普通电励磁三相同步电机的定子是相似的。如果永磁体产生的感应电动的定子是相似的。如果永磁体产生的感应电动势与励磁线圈产生的感应电动势一样，也是正势与励磁线圈产生的感应电动势一样，也是正弦的，那么弦的，那么PMSM的数学模型就与电励磁同步的数学模型就与电励磁同步电机机基本相同。电机机基本相同。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统图图8 三相永磁同步电机的解析模型三相永磁同步电机的解析模型三相永磁同步电机解析模型如图三相永磁同步电机解析模型如图8所示。所示。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统三相静止坐标系下的电压方程式为：三相静止坐标系下的电压方程式为：、相定子电压；相定子电压；、相定子电流；相定子电流；永磁体磁场在相电枢绕组中永磁体磁场在相电枢绕组中感应的旋转电动势。感应的旋转电动势。定子绕组电阻；定子绕组电阻；定子绕组自感。定子绕组自感。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统定子绕组的漏感；定子绕组的漏感；定子绕组自感的平均值；定子绕组自感的平均值；定子绕组自感的二次谐波幅值。定子绕组自感的二次谐波幅值。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统绕组间的互感。绕组间的互感。微分算子。微分算子。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统与定子相绕组交链的永磁体磁链为：与定子相绕组交链的永磁体磁链为：与定子相绕组交链的永磁体磁链幅与定子相绕组交链的永磁体磁链幅值；值；相绕组轴线与永磁体基波磁场轴相绕组轴线与永磁体基波磁场轴线之间的电角度。线之间的电角度。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统永磁体磁场在在定子相绕组中感应的旋转永磁体磁场在在定子相绕组中感应的旋转电动势为：电动势为：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统 从三相静止坐标系从三相静止坐标系 u-v-w到两相旋转坐标到两相旋转坐标系系d-q的的变换矩阵变换矩阵为：为：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统图图9为三相永磁同步电机的为三相永磁同步电机的d-q变换模型变换模型图图10为永磁同步电机稳态运行时向量图。为永磁同步电机稳态运行时向量图。定子绕组自感。定子绕组自感。d、q轴定子电流；轴定子电流；d、q轴定子电压；轴定子电压；同步旋转坐标系下的电压方程为：同步旋转坐标系下的电压方程为：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统图图9 三相永磁同步电机三相永磁同步电机 的的d-q变换模型变换模型图图10 基本向量图基本向量图 永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统电磁转矩：电磁转矩：右边的右边的第第1项项为永磁体与为永磁体与 q轴电流作用产轴电流作用产生的永磁转矩；生的永磁转矩；第第2项项为凸极效应产生的磁阻为凸极效应产生的磁阻转矩。转矩。对于对于IPMSM，由于，由于 ，因此，因此 通过通过流负向的流负向的d轴电流，使磁阻转矩与永磁转矩相轴电流，使磁阻转矩与永磁转矩相叠加，成为输出转矩的一部分。叠加，成为输出转矩的一部分。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统3.2 永磁同步电机的永磁同步电机的dq轴数学模型轴数学模型（1）永磁同步电机的）永磁同步电机的dq轴基本数学模型轴基本数学模型 采用忽略铁耗时的采用忽略铁耗时的dq轴数学模型，称之为轴数学模型，称之为基本数学模型。基本数学模型。电流关系式：电流关系式：稳态时稳态时：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统磁链关系式：磁链关系式：电压关系式：电压关系式：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统稳态时稳态时：功率因数：功率因数：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统电磁转矩：电磁转矩：为永磁转矩为永磁转矩；为磁阻为磁阻转矩。转矩。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统（2）计及铁耗时的）计及铁耗时的dq轴数学模型轴数学模型 把铁耗用等效铁耗电阻表示的等效电路如把铁耗用等效铁耗电阻表示的等效电路如图图11所示。所示。d轴等效电路轴等效电路 q轴等效电路轴等效电路图图11 计及铁耗时永磁同步电机计及铁耗时永磁同步电机的的d、q轴等效电路轴等效电路永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统 把等效铁耗电阻与感应电动势并联，因此把等效铁耗电阻与感应电动势并联，因此在等效电阻上产生的损耗与磁链和角速度的平在等效电阻上产生的损耗与磁链和角速度的平方成正比，相当于铁耗中的涡流损耗。根据电方成正比，相当于铁耗中的涡流损耗。根据电源频率和磁链改变等效铁耗电阻的大小，也能源频率和磁链改变等效铁耗电阻的大小，也能代表包含磁滞损耗在内的铁耗。代表包含磁滞损耗在内的铁耗。电流关系式：电流关系式：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统电压关系式：电压关系式：电磁转矩：电磁转矩：铜耗：铜耗：铁耗：铁耗：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统4 正弦波永磁同步电机的矢量控制方法正弦波永磁同步电机的矢量控制方法对对PMSM控制系统的基本要求：转矩控制控制系统的基本要求：转矩控制的响应快、精度高波动小；电机的效率高、功的响应快、精度高波动小；电机的效率高、功率因数高；系统的控制简单、调速范围宽、可率因数高；系统的控制简单、调速范围宽、可靠性高。靠性高。PMSM矢量控制的电流控制方法主要有：矢量控制的电流控制方法主要有：控制、最大转矩控制、弱磁控制、控制、最大转矩控制、弱磁控制、控制、最大效率控制。控制、最大效率控制。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统4.1 控制控制 时电机的电磁转矩为：时电机的电磁转矩为：电磁转矩和交轴电流成线性关系，转矩中电磁转矩和交轴电流成线性关系，转矩中只有永磁转矩分量。只有永磁转矩分量。在产生所要求转矩的情况下，只需最小的在产生所要求转矩的情况下，只需最小的定子电流，从而使铜耗下降，效率有所提高；定子电流，从而使铜耗下降，效率有所提高；对控制系统来说，只要检测出转子位置，使三对控制系统来说，只要检测出转子位置，使三相定子电流合成电流矢量位于相定子电流合成电流矢量位于q轴上就可以了。轴上就可以了。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统电机端电压、功角及功率因数为：电机端电压、功角及功率因数为：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统 该控制方法因没有直轴电流，电机没有直该控制方法因没有直轴电流，电机没有直轴电枢反应，不会使永磁体退磁。电机所有电轴电枢反应，不会使永磁体退磁。电机所有电流均用来产生电磁转矩，电流控制效率高。流均用来产生电磁转矩，电流控制效率高。时：对于时：对于SPMSM，电机电流产生电，电机电流产生电磁转矩最大；磁转矩最大；对于对于 IPMSM，电机磁阻转矩没，电机磁阻转矩没有得到充分利用，不能充分发挥其输出转矩能有得到充分利用，不能充分发挥其输出转矩能力。力。采用采用 控制时，随着负载增加，电机控制时，随着负载增加，电机端电压增加，系统所需逆变器容量增大，功角端电压增加，系统所需逆变器容量增大，功角增加，电机功率因数减小；电机的最高转速受增加，电机功率因数减小；电机的最高转速受逆变器可提供的最高电压和电机的负载大小两逆变器可提供的最高电压和电机的负载大小两方面的影响。方面的影响。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统4.2 最大转矩控制最大转矩控制（1）最大转矩电流比控制）最大转矩电流比控制 对于同一电流，存在能够产生最大转矩的对于同一电流，存在能够产生最大转矩的电流相位，这是对于电枢电流，最有效地产生电流相位，这是对于电枢电流，最有效地产生转矩的条件。为达到这种状态，控制电流矢量转矩的条件。为达到这种状态，控制电流矢量的方式就叫做最大转矩电流比控制。的方式就叫做最大转矩电流比控制。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统 随着输出转矩增加，电机交、直轴电流变随着输出转矩增加，电机交、直轴电流变化，电机特性按最大转矩电流比的曲线变化。化，电机特性按最大转矩电流比的曲线变化。电机输出同样转矩时电流最小，铜耗最低，对电机输出同样转矩时电流最小，铜耗最低，对逆变器容量的要求也最小。逆变器容量的要求也最小。对于对于SPMSM，由于，由于 ，因此，因此 。本控制方式就是本控制方式就是 的控制方式的控制方式。d、q轴电流为：轴电流为：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统（2）最大转矩磁链比控制）最大转矩磁链比控制 产生同样的转矩，存在磁链最小的条件。产生同样的转矩，存在磁链最小的条件。这是对于磁链，最有效地产生转矩的条件，也这是对于磁链，最有效地产生转矩的条件，也是铁耗最小的条件。为达到这种状态，而采用是铁耗最小的条件。为达到这种状态，而采用的控制方式就叫做最大转矩磁链比控制。的控制方式就叫做最大转矩磁链比控制。最大转矩磁链比控制的条件：最大转矩磁链比控制的条件：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统4.3 弱磁控制弱磁控制 对于永磁体励磁的对于永磁体励磁的PMSM，如果在绕组中有，如果在绕组中有负向的负向的 d轴电流流过，则可以利用轴电流流过，则可以利用 d轴电枢轴电枢反应的去磁效应，使反应的去磁效应，使 d轴方向的磁通减少，能轴方向的磁通减少，能够实现等效的弱磁控制。为区别于直接控制励够实现等效的弱磁控制。为区别于直接控制励磁磁通弱磁控制，把这种控制称做磁磁通弱磁控制，把这种控制称做弱磁控制。弱磁控制。对于电励磁同步电机，其弱磁控制是伴随对于电励磁同步电机，其弱磁控制是伴随着转速的升高，使励磁电流减小，而着转速的升高，使励磁电流减小，而PMSM的的弱磁控制是增加负向弱磁控制是增加负向d轴电流。轴电流。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统由电压关系式：由电压关系式：得到：得到：在在 平面，最大电流极限是以平面，最大电流极限是以(0，0)为圆心，半径固定的圆，称为电流极限圆；为圆心，半径固定的圆，称为电流极限圆；随着电机转速的提高随着电机转速的提高，最大电动势极限是一，最大电动势极限是一簇不断缩小，以簇不断缩小，以(，0 )为中心椭圆，为中心椭圆，称为称为电动势极限椭圆电动势极限椭圆。电流矢量必须位于电。电流矢量必须位于电流极限圆和电动势极限椭圆内流极限圆和电动势极限椭圆内。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统 低速运行区域低速运行区域，电动势极限椭圆较大，电，电动势极限椭圆较大，电流控制器输出电流能力主要受电流极限圆的约流控制器输出电流能力主要受电流极限圆的约束，限制了永磁同步电机低速时的输出转矩；束，限制了永磁同步电机低速时的输出转矩；高速运行区域高速运行区域，电动势极限椭圆不断地缩，电动势极限椭圆不断地缩小，电动势极限椭圆成为逆变器输出约束主要小，电动势极限椭圆成为逆变器输出约束主要方面，限制了永磁同步电机调速运行范围。方面，限制了永磁同步电机调速运行范围。给定速度和给定速度和q轴电流，可得到：轴电流，可得到：负载较小时，根据该式来确定负载较小时，根据该式来确定d轴电流。轴电流。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统负载增加，根据该式来确定负载增加，根据该式来确定d轴电流。轴电流。电压型逆变器驱动的电机系统中，采用弱电压型逆变器驱动的电机系统中，采用弱磁控制，可以：磁控制，可以：使电机运行在额定转速以上；使电机运行在额定转速以上；避免了电流控制器饱和；拓宽了电机系统的调避免了电流控制器饱和；拓宽了电机系统的调速范围；可保持输出功率恒定。速范围；可保持输出功率恒定。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统4.4 控制控制 为实现功率因数为实现功率因数，只需满足，只需满足。d、q轴电流满足关系式：轴电流满足关系式：d轴电流可由下式给出：轴电流可由下式给出：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统 在任意的负载状态下，驱动电流一定存在最在任意的负载状态下，驱动电流一定存在最佳的大小和相位，使电机的铜耗和铁耗接近相佳的大小和相位，使电机的铜耗和铁耗接近相等，此时电机的等，此时电机的效率达到最大。效率达到最大。在某运行状态即角速度与转矩给定时，在某运行状态即角速度与转矩给定时，总总损耗损耗 最小的条件最小的条件可根据可根据由下式给出：由下式给出：4.5 最大效率控制最大效率控制永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统 根据速度和转矩，能够得到电机损耗最小根据速度和转矩，能够得到电机损耗最小时的最佳电流；而时的最佳电流；而 根据下式给出：根据下式给出：实际上电机实际上电机d、q轴电流可由下式给出：轴电流可由下式给出：和之间的关系：和之间的关系：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统对于的对于的SPMSM，其条件表达式，其条件表达式，可以表示为：，可以表示为：采用采用最大效率控制方式最大效率控制方式与其它控制方式不与其它控制方式不同，即使输出转矩为零时，也要流比较大的电同，即使输出转矩为零时，也要流比较大的电流，该电流的主要成分是流，该电流的主要成分是 d轴电流。通过流负轴电流。通过流负向的向的 d轴电流使铜耗增加、铁耗减小，这时电轴电流使铜耗增加、铁耗减小，这时电机的整体损耗最小。机的整体损耗最小。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统4.6 永磁同步电机的参数与输出范围永磁同步电机的参数与输出范围电机参数用电动势极限值、电流极限值和电机参数用电动势极限值、电流极限值和基速表示成标幺值；忽略电枢电阻的影响。基速表示成标幺值；忽略电枢电阻的影响。电流矢量的控制方法为：电流矢量的控制方法为：在区域，采用最大转矩控制；在区域，采用最大转矩控制；在区域，采用弱磁控制。在区域，采用弱磁控制。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统相位控制特性如图相位控制特性如图12。图图12 转矩一定时的相位控制特性转矩一定时的相位控制特性永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统与电机参数之间的关系为：与电机参数之间的关系为：0时，越小，输出功率也越小。时，越小，输出功率也越小。0时，越大，最大转矩就越大，输时，越大，最大转矩就越大，输出极限速度就越低，恒功率运行范围越窄。出极限速度就越低，恒功率运行范围越窄。时，输出没有极限，能够得到最大的时，输出没有极限，能够得到最大的输出范围和恒功率运行范围。输出范围和恒功率运行范围。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统图图13为普通永磁同步电机特性模式。为普通永磁同步电机特性模式。图图13 通常的速度通常的速度-输出模式输出模式永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统的范围内，速度的范围内，速度-输出功率特性几乎输出功率特性几乎 只由决定只由决定。速度、最大转矩、恒功率运行最高速度、速度、最大转矩、恒功率运行最高速度、恒功率输出范围、输出功率最大时的速度之间恒功率输出范围、输出功率最大时的速度之间的关系如图的关系如图14所示。所示。图图14 速度和各种特性速度和各种特性 之间的关系之间的关系 永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统 电机的凸极率越小，电机的凸极率越小，就越大，为得就越大，为得到宽广恒功率输出范围，就必须增大，但到宽广恒功率输出范围，就必须增大，但提高永磁直轴电感比较困难；提高永磁直轴电感比较困难；设计具有较大凸极率的电机，可以减小设计具有较大凸极率的电机，可以减小 ，降，降低永磁体用量和成本，但是通常的低永磁体用量和成本，但是通常的IPMSM的的凸极率只有凸极率只有24左右；左右；通过弱磁控制进行电机高速恒功率运行时通过弱磁控制进行电机高速恒功率运行时即使是轻负载，也要一直通即使是轻负载，也要一直通d 轴电流轴电流，因此有，因此有时会降低电机的效率。时会降低电机的效率。为了回避上述问题，就要采用小、凸为了回避上述问题，就要采用小、凸极率大的电机。极率大的电机。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统5 交流伺服电机的矢量控制系统交流伺服电机的矢量控制系统5.1 状态方程与控制框图状态方程与控制框图状态方程：状态方程：转矩方程式：转矩方程式：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统系统的运动方程式为：系统的运动方程式为：为系统的转动惯量；为系统的转动惯量；为电机输出轴的机械角速度；为电机输出轴的机械角速度；为负载转矩。为负载转矩。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统控制框图如图控制框图如图15。图图15 d-q坐标系下永磁同步坐标系下永磁同步电动机的控制框图电动机的控制框图永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统5.2 解耦控制与坐标变换的实现解耦控制与坐标变换的实现d、q轴电压与三相电压关系轴电压与三相电压关系:永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统从从 、到、到 、的实现框图的实现框图如图如图16。图图16 从、到、从、到、的实现框图的实现框图永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统 永磁同步电动机的永磁同步电动机的d、q轴之间存在相互干轴之间存在相互干涉的旋转电动势，旋转电动势对涉的旋转电动势，旋转电动势对、的控制的控制产生影响，是不能直接对其控制的；可以先求产生影响，是不能直接对其控制的；可以先求出旋转电动势，然后通过控制，使其抵消掉，出旋转电动势，然后通过控制，使其抵消掉，即通过采用解耦控制，消除旋转电动势对电流即通过采用解耦控制，消除旋转电动势对电流控制产生的影响。控制产生的影响。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统在交流伺服电机驱动系统中，能够直接检在交流伺服电机驱动系统中，能够直接检测的电流是三相电枢电流，需要通过计算才能测的电流是三相电枢电流，需要通过计算才能得到交直轴电流。得到交直轴电流。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统从从、到到、的实现框图如图的实现框图如图17:将带入得：将带入得：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统图图17 从从 、到、的实现框图、到、的实现框图 永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统将、将、带入状态方程得：带入状态方程得：和和 表示加在表示加在 d、q 轴电枢绕组阻抗上轴电枢绕组阻抗上的电压，在解耦控制状态，它变成控制可能的电压，在解耦控制状态，它变成控制可能的输入变量。的输入变量。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统图图18 解耦控制的永磁同步电机框图解耦控制的永磁同步电机框图解耦控制的永磁同步电机框图如图解耦控制的永磁同步电机框图如图18。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统5.3 电流控制器的分析与设计电流控制器的分析与设计 在上图的基础上加上电流控制器则变成有在上图的基础上加上电流控制器则变成有电流控制器的解耦控制永磁同步电动机。电流控制器的解耦控制永磁同步电动机。图图19 具有电流控制器的解耦控制具有电流控制器的解耦控制永磁同步电动机的框图永磁同步电动机的框图永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统电流控制采用：比例（电流控制采用：比例（P）控制和比例积分）控制和比例积分（PI）控制。）控制。在在P控制系统中，、电流控制器的输出控制系统中，、电流控制器的输出为：为：、为控制器的比例增益，通常。、为控制器的比例增益，通常。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统开环传递函数为：开环传递函数为：根据该式得到的波特图如图根据该式得到的波特图如图20。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统图图20 电流控制系统的开环频率特性电流控制系统的开环频率特性 电流控制系统电流控制系统由以电枢绕组电气时间常数由以电枢绕组电气时间常数倒数为转折频率的一阶滞后环节和以倒数为转折频率的一阶滞后环节和以 或或 为增益的比例环节构成，是相位不超过为增益的比例环节构成，是相位不超过 的极为稳定的系统。的极为稳定的系统。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统增益为增益为1时的角频率为交叉角频率时的角频率为交叉角频率 。通过提高，可以随意增大交叉角频通过提高，可以随意增大交叉角频率，但其受电流控制系统内部控制部件特性影率，但其受电流控制系统内部控制部件特性影响，不能随意提高。响，不能随意提高。与逆变器的载波频率与逆变器的载波频率 相关，考虑相关，考虑 时时 至多能达到左右。至多能达到左右。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统 控制系统另外一个设计项目是控制系统另外一个设计项目是稳态特性稳态特性。稳态特性通常用稳态时的目标值与被控制量之稳态特性通常用稳态时的目标值与被控制量之间的偏差，即间的偏差，即静态偏差静态偏差来评价。来评价。控制系统的闭环传递函数为：控制系统的闭环传递函数为：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统图图21 电流控制系统的闭环频率特性电流控制系统的闭环频率特性根据上式得到的波特图如根据上式得到的波特图如21。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统s=0时：时：、越大，静态偏差越小，但达不到越大，静态偏差越小，但达不到0。静态偏差为：静态偏差为：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统当电流控制器采用当电流控制器采用PI控制时输出为：控制时输出为：这时开环传递函数为：这时开环传递函数为：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统 PI 控制的目的：把控制的目的：把 P 控制时不为控制时不为0的静态的静态偏差变为偏差变为0。如果使：如果使：则开环传递函数为：则开环传递函数为：变成了积分环节，波特图如图变成了积分环节，波特图如图22。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统图图22 电流控制系统的开环频率特性电流控制系统的开环频率特性 这时电流控制系统是相位始终保持为这时电流控制系统是相位始终保持为的极为稳定的系统。的极为稳定的系统。通过增大通过增大 、，可以随意提高、，可以随意提高 。交叉角频率为：交叉角频率为：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统闭环传递函数为：闭环传递函数为：波特图如图波特图如图23：图图23 电流控制系统的闭环频率特性电流控制系统的闭环频率特性永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统5.4 速度控制器的设计速度控制器的设计 把电流控制环做为内环的永磁同步电机速把电流控制环做为内环的永磁同步电机速度控制系统的控制框图如图度控制系统的控制框图如图24所示。所示。图图24 速度控制系统框图速度控制系统框图永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统q轴电流控制采用轴电流控制采用 P 控制控制，控制器的比例，控制器的比例增益为增益为 。闭环传递函数为：闭环传递函数为：把电流环的响应设计得足够高，可以提高把电流环的响应设计得足够高，可以提高速度环的快速性和稳定性。速度环的快速性和稳定性。永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统图图25 把电流控制系统简略化把电流控制系统简略化 的速度控制系统框图的速度控制系统框图上式可简化为：上式可简化为：简化的速度控制系统框图如图简化的速度控制系统框图如图25：永磁同步电机伺服控制系统永磁同步电机伺服控制系统PI速度控制器的传递函数为：速度控制器的传递函数为：图图25所示的系统的开环传递函数为：所示的系统的开环传递函数为：的直线近似的频率特性如图的直线近似的频率特性如图26所示。所示。永磁同