以碼盤為傳感器的永磁電動機矢量控制系統
張萬峰 扈宏杰 張子忠 (上海交通大學200240)
摘 要 概述直流電動機、感應電動機、永磁電動機在電動機伺服系統應用中的不同特點，介紹一種新穎的永磁同步電動機結構形式，建立永磁同步電動機的數學模型，并確立其磁場定向矢量控制方式，設計了以混合式光電碼盤作傳感器的永磁同步電動機伺服系統，給出其實驗結果和結論。
敘 詞 同步電動機永磁電機磁場定向控制光電碼盤
1引 言
電動伺服技術是機電一體化技術的核心部分之一，電動機伺服系統在精密數控機床、加工中心、機器人、半導體制造、工廠及辦公室自動化等領域都有廣泛的應用。電動伺服技術主要包括伺服電動機理論及技術、現代控制理論及技術、電力電子技術及傳感器技術，它在70年代趨于成熟，并逐漸滲透到各應用領域。
在電動機伺服系統中，有刷直流電動機伺服系統具有良好的控制性能，并在70年代獲得廣泛應用，但是由于電刷和換向器的存在，運行時需要定期維護和無法做到高速大容量，所以在現代電動機伺服系統的應用中受到限制。惑應電動機結構簡單，堅固耐用，無機械換向，隨著控制技術和電力電子技術的日益成熟，以逆變器為驅動電源的異步電動機變頻調速伺服系統在許多工業領域中被大量應用，但是由于有矢量算法復雜、低速特性差、易發熱等缺點，使其在現代電動伺服系統中的應用受到了一定限制[1]。
由于永磁材料的開發，永磁電動機伺服系統獲得了廣泛應用，永磁電動機轉子或定子上裝有永磁磁鋼，以產生恒定磁場，由于永磁體可以產生很強的磁場，所以使其具有較高的功率密度和較小的體積，從而使得永磁同步電動機伺服系統具有較高的性能指標。永磁電動機伺服系統按驅動類型的不同可分為兩種，正弦波驅動永磁同步電動機伺服系統 簡稱pmsm和方波驅動無刷直流電動機伺服系統簡稱bdcm，由于永磁同步電動機伺服系統與無刷直流電動機伺服系統在結構上的類似，使二者有許多共同之處，功率密度較高，體積較小，伺服性能優越。但是
由于永磁同步電動機伺服系統轉矩波動小，調速范圍寬，其伺服性能優越于無刷直流電動機伺服系統，從而使其在交流伺服系統中占重要地位。
本文首先介紹研制的永磁同步電動機的系統結構，然后建立永磁同步電動機系統的數學模型，并確立其矢量控制方式，最后設計以混合式光電碼盤作傳感器的永磁同步電動機伺服系統驅動控制電路，并給出調試的實驗結果及結論[3]。
2永磁同步電動機伺服系統的結構
永磁同步電動機伺服系統主要由三部分構成。
(1)永磁同步電動機本體：永磁同步電動機本體主要由定子和轉子兩大部分組成，定子上嵌有三相電樞繞組，轉子上裝有永磁體，這種結構形式不僅使轉子不產生熱，而且使電樞電流產生的熱易于散出，同時實現了電動機本體的小型化。
(2)速度及位置傳感器：永磁同步電動機伺服系統不僅要檢出轉子磁極位置信號，而且為實現速度伺服與位置伺服，也需要相應精度的速度與位置傳感器，通常這兩方面的功能希望集中在一個傳感器內實現，目前，混合式光電碼盤在各類永磁同步電動機伺服系統中被廣泛采用，研制的永磁同步電動機伺服系統也采用混合式光電碼盤作為速度及位置傳感器。
(3)正弦波脈寬調制及驅動控制電路：正弦波脈寬調制電路與驅動控制電路足永磁同步電動機伺服系統的重要組成部分，正弦波脈寬調制電路以一定的調制頻率觸發功率開關器件以驅動電機，并在控制電路的調節下實現速度伺服與位置伺服。
研制的永磁同步電動機伺服系統的電動機本體采用9槽集中繞組結構，轉子采用釹鐵硼永磁磁鋼，為抑制轉矩波動，采用4對極斜極結構。速度及位置傳感器采用混合式光電碼盤，碼盤同軸連接于永磁同步電動機本體的非負載側。驅動控制電路采用矢量控制下的正弦波脈寬調制技術，以igbt模塊組成三相橋式逆變電路作功率驅動單元。
3永磁同步電動機的數學模型及控制方式
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