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永磁同步电机伺服控制系统
目录
一、永磁同步电机矢量控制系统
1.1 永磁同步电机的结构和数学模型
1.2 永磁同步电机矢量控制基本原理
二、永磁同步电机的 SVPWM 控制
2.1 空间矢量调制理论
2.2 SVPWM算法程序实现
三、永磁同步电机双闭环控制系统
3.1 矢量控制系统结构
一、永磁同步电机矢量控制系统
1.1 永磁同步电机的结构和数学模型
永磁同步电动机是在三相电励磁同步电动机的基础上发展而来的。只不过它是采用永磁体作为转子励磁,从而省去了集电环、电刷和励磁绕组等,简化了结构,性能更优越。而定子部分与三相电励磁同步电动机的基本一样,因而被称为永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)。PMSM 的一个基本特点就是能在稳态运行时,在定子三相绕组中产生正弦波感应电动势。
对于面装式永磁同步电机,则有 , 称为等效励磁电感。
其中 Lmd、Lmq,分别为直轴等效励磁电感和交轴等效励磁电感。
对于面装式转子结构,永磁体内部的磁导率十分小,接近空气的磁导率,因此对于定子三相绕组产生的电枢磁动势而言,电动机气隙为均匀的。
图1.1两极面装式 PMSM 的物理模型
由图 1.1,在三相坐标系下,永磁同步电机三相绕组的电压方程可以表示为:
(1.1)
其中,永磁同步电机的定子磁链方程为:
式(1.2)中 、 、 分别为三相绕组的自感; 、 、 、 、
、 分别为三相绕组的互感。 分别为转子的磁链 与各相
绕组交链; 分别为三相绕组的相电流;θ 则为转子的位置角;对
于面贴式永磁同步电机,三相绕组的自感和互感分别相等。
(1.2)
(1.3)
图1.2 静止 DQ 轴系与同步旋转 dq轴系
首先,将静止(ABC)轴系变换为静止(αβ)轴系坐标:
(1.4)
然后,再通过坐标变换将空间矢量由(αβ)轴系变换到同步旋转(dq)轴系,如图 1.2 所示。即有下面的公式:
(1.5)
由静止(ABC)坐标轴系到静止(αβ)坐标轴系的变换只完成了由三相到两相的
“相数变换”,而静止(αβ)坐标轴系到同步旋转(dq)坐标轴系的变换是一种“频率变换”。在直流电动机中,电枢绕组中的交流电流是通过换向器和电刷变成直流电的。而式 1.4 和式 1.5 所起到的作用也相当于换向器的作用,经过这两种变换最终将交流永磁同步电机等效为直流电机,使其的控制性能有了很大的提升。
下面我们对已得到的公式继续分解,得到:
磁链方程为:
电磁转矩方程为: (1.7)
(1.6)
式中Ψd、Ψ2d为定、转子磁链直轴分量;Ψq 、Ψ2q为定、转子磁链交轴分量; 为定子电流直轴分量, 为定子电流交轴分量; 、 分别为定子、转子的直轴同步电感,Lmd、Lmd为定转子之间的 d、q 轴互感。因为大多数的
PMSM 中转子上没有阻尼绕组,所以电动机的电压、磁链方程便可得到相应简化:
(1.8)
电磁转矩方程为:
由电磁转矩方程的表达式(2.9)可以看出,永磁同步电机的电磁输出转
矩由两部分组成,分别为由永磁体产生的永磁转矩以及由电机的凸极特
性使得转子不对称所造成的磁阻转矩。
1.2 永磁同步电机矢量控制基本原理
矢量控制的主要思想是将交流电动机等效模拟为直流电动机,通过
坐标变换的方法将定子电流分解为转矩和励磁两个分量,从而实现解耦
控制,使交流电动机具有象直流电机一样好的控制特性。因此,对交流
电动机转矩控制的关键是对定子电流矢量幅值和相位的控制。
矢量控制又被称作磁场定向控制,按照同步旋转参考坐标系定向方
式可以分为定子磁场定向控制、转子磁场定向控
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