永磁同步電動(dòng)機(jī)互饋對(duì)拖測(cè)試平臺(tái)的研究

    張永鑫，  楊喜軍，姜建國

(上海交通大學(xué)電氣工程系，上海200240)

    摘要：設(shè)計(jì)了一種伺服驅(qū)動(dòng)器永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)互饋對(duì)拖測(cè)試平臺(tái)，在簡(jiǎn)述矢量控制原理的基礎(chǔ)上，建立了該測(cè)試平臺(tái)機(jī)械軸模型，并采用Simulink對(duì)整個(gè)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了仿真分析。在實(shí)際建立的伺服驅(qū)動(dòng)器一PMSM互饋對(duì)拖測(cè)試平臺(tái)上對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器、PMSM進(jìn)行了實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，|式驗(yàn)結(jié)果表明該測(cè)試平臺(tái)運(yùn)行效率較高，優(yōu)于其他現(xiàn)有測(cè)試平臺(tái)。另外，給出了共用交流母線與共用直流母線的兩種互饋對(duì)拖測(cè)試平臺(tái)的損耗與效率分析，提出了能效比的概念，能夠有效地表征測(cè)試平臺(tái)的節(jié)能效果。

    關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī)；互饋對(duì)拖平臺(tái)；機(jī)械軸模型

    中國分類號(hào)：TM351 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-6540(2010)02-0047-06

0  引  言

    隨著交流電動(dòng)機(jī)高性能變頻調(diào)速技術(shù)及永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，以矢量控制技術(shù)為核心的PMSM工業(yè)伺服驅(qū)動(dòng)器得到了飛速發(fā)展，市場(chǎng)前景良好，帶來了很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。任何一種新研發(fā)的伺服驅(qū)動(dòng)器或PMsM均需要長(zhǎng)時(shí)問的性能驗(yàn)證，為此需要設(shè)汁高性能測(cè)試平臺(tái)。剄目前為止，變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的模擬測(cè)試平臺(tái)大致包括以下幾種類型：(1)能量消耗型；(2)能量回饋型；(3)互饋對(duì)拖型。其中，能量消耗型需要直流發(fā)電機(jī)和功率電阻來模擬實(shí)際負(fù)載，系統(tǒng)龐大，控制復(fù)雜，能量消耗嚴(yán)重。能量回饋型需要同步電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)及并網(wǎng)裝置，系統(tǒng)復(fù)雜，效率較低。互饋列拖型包括兩種：共用交流母線型和共用直流母線型。共用直流母線型的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，控制容易，效率****，整流設(shè)備功率最小。該互饋對(duì)拖型測(cè)試平臺(tái)非常適用于鋇4試伺服驅(qū)動(dòng)器一PMSM傳動(dòng)系統(tǒng)的性能。本文建立了共用直流母線的互饋對(duì)拖型測(cè)試平臺(tái)，描述了該測(cè)試平臺(tái)的工作原理，對(duì)整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真分析，給出了該測(cè)試平臺(tái)的實(shí)際運(yùn)行情況分析，并對(duì)互饋對(duì)拖測(cè)試平臺(tái)的損耗與效率進(jìn)行了分析,提出了能效比的概念.

1  互饋對(duì)拖測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

   圖1給出了共用交流母線的伺服驅(qū)動(dòng)器-PMSM瓦饋對(duì)拖測(cè)試平臺(tái)示意圖。整個(gè)系統(tǒng)由四

部分組成，分別是兩套三相變壓器一脈寬調(diào)制(PWM)整流器、被測(cè)變頻器一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、負(fù)載變頻器．電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及上位機(jī)，其中兩臺(tái)PMSM通過聯(lián)軸器互相連接。兩個(gè)三相整流器的功率等級(jí)相當(dāng)，大于被測(cè)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)的功率等級(jí)。

    圖2給出了共用直流母線的伺服驅(qū)動(dòng)器一PMSM互饋對(duì)拖測(cè)試平臺(tái)示意圖。整個(gè)系統(tǒng)由四部分組成，分別是三相PwM整流器、被測(cè)變頻器一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、負(fù)載變頻器一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及上位機(jī)，其中兩臺(tái)PMSM通過聯(lián)軸器互相連接。比較圖1和圖2可見：由于只需要一個(gè)三相整流器，且功率容量較小，共用直流母線的伺服驅(qū)動(dòng)器一PMSM互饋對(duì)拖測(cè)試平臺(tái)的整體容量和效率等優(yōu)于共用交流母線的伺服驅(qū)動(dòng)器一PMSM互饋對(duì)拖測(cè)試平臺(tái)：

    共用直流母線的伺服驅(qū)動(dòng)器一PMSM互饋對(duì)拖測(cè)試平臺(tái)各部分功能描述如下。

    三相PwM整流器經(jīng)過降壓變壓器與三相電網(wǎng)連接，能夠?qū)崿F(xiàn)四象限運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，輸出穩(wěn)定的肖流電壓，提供互饋測(cè)試平臺(tái)所需的能量。三相變壓器一PwM整流器可以采用四象限升壓電壓源整流器或四象限降壓型矩陣整流

器，對(duì)于小功率互饋對(duì)拖測(cè)試平臺(tái)，呵以采用單相變壓器一PwM整流器，PwM整流器可以采用四象限升壓電壓源整流器。

    由于被測(cè)電動(dòng)機(jī)與負(fù)載電動(dòng)機(jī)同軸連接，一個(gè)工作于電動(dòng)狀態(tài)，另一個(gè)工作于發(fā)電狀態(tài)，被測(cè)變頻器一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工作于速度閉環(huán)狀態(tài)，用來控制整個(gè)測(cè)試平臺(tái)的轉(zhuǎn)速，負(fù)載變頻器一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工作于轉(zhuǎn)矩閉環(huán)狀態(tài)，通過控制負(fù)載電動(dòng)機(jī)的電流來改變負(fù)載電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，模擬被測(cè)電機(jī)的負(fù)載變化，這樣互饋測(cè)試平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)矩的靈活調(diào)節(jié)，完成各種試驗(yàn)功能測(cè)試。

上位機(jī)用于監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，根據(jù)試驗(yàn)要求通過Rs485總線向變頻器發(fā)出控制指令，同時(shí)接收它們的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分析與顯示。

    由于兩套伺服驅(qū)動(dòng)器一PMSM系統(tǒng)共用直流母線并同軸連接，能量在兩者內(nèi)部互饋，整個(gè)系統(tǒng)消耗的能量就是各個(gè)部分的總損耗，主要包括電