永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器和調(diào)制方式
李錦英1，2，3，付承毓1，2， 陳興龍1，2，包啟亮1 2
（1 中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所，四川成都610209；2中國(guó)科學(xué)院光束控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610209；3中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100049）
摘要：詳細(xì)分析了永磁同步電機(jī)( pmsm)的控制方式，建立了速度、電流雙閉環(huán)的pmsm仿真系統(tǒng)。為解決超調(diào)和穩(wěn)態(tài)精度低的矛盾，采用了積分分離式pi控制器。分析了正弦脈寬調(diào)制( spwm)、混合脈寬調(diào)制(hpwm)和空間矢量脈寬調(diào)制(svpwm)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)它們?cè)趐msm雙閉環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了仿真。結(jié)果顯示：hpwm和svpwm比spwm具有更高的電壓利用率；hpwim同時(shí)具有spwm原理簡(jiǎn)單及易于模擬和數(shù)字實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)；svpwm具有****的諧波含量，算法較復(fù)雜，但便于數(shù)字實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；積分分離式pt；正弦脈寬調(diào)制；混合脈寬調(diào)制；空間矢量脈寬調(diào)制
中圖分類號(hào)：tm 351文獻(xiàn)標(biāo)志碼ia文章編號(hào)：1673-6540(2010)07-0028-04
0 引 言
直流電機(jī)由于電刷和換向器的存在，勵(lì)磁磁場(chǎng)和電樞磁動(dòng)勢(shì)始終正交，通過(guò)調(diào)節(jié)電樞電流來(lái)直接控制電磁轉(zhuǎn)矩，所以其控制簡(jiǎn)單、響應(yīng)快，在高精度伺服系統(tǒng)中一直占有重要地位。但同時(shí)它們會(huì)產(chǎn)生火花，這在易燃、易爆場(chǎng)合是不允許的，且影響電機(jī)壽命。
隨著永磁材料、電力電子技術(shù)、控制方法的不斷進(jìn)步，交流無(wú)刷電機(jī)逐漸顯示出其體積小、轉(zhuǎn)矩高、調(diào)速范圍寬、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)。尤其是永磁同步電機(jī)(pmsm)，磁場(chǎng)和反電勢(shì)都是正弦信號(hào)，使其具有更小的紋波。在高性能應(yīng)用場(chǎng)合，如機(jī)器人和高精度數(shù)控機(jī)床和航空航天領(lǐng)域中，pmsm都得到了廣泛應(yīng)用。本文詳細(xì)分析了pmsm的工作原理，建立了速度、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，并就電流環(huán)的幾種調(diào)制方式作分析和比較。
1pmsm控制基本原理
任何電機(jī)調(diào)速控制的關(guān)鍵都是對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制。電磁轉(zhuǎn)矩正比于定、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)矢量的幅值與其夾角正弦的乘積，即：
顯然，在對(duì)pmsm控制中應(yīng)使δ=90度，才能得到****的轉(zhuǎn)矩輸出。
在pmsm中，三相對(duì)稱定子中通入三相對(duì)稱正弦電流ia、ib、ic，將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。通過(guò)下面的矩陣變換可以將iabc變換為idq：
由逆矩陣可以實(shí)現(xiàn)idq到iabc的變換。
經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電壓、電流和磁勢(shì)等矢量的解耦控制。若取id =o，此時(shí)只需控制iq的大小即可達(dá)到控制電磁轉(zhuǎn)矩的目的，控制方式得以簡(jiǎn)化。
2 pmsm仿真系統(tǒng)的建立
matlab/simulink和simpowersystems中含有豐富的模塊庫(kù)；搭建控制系統(tǒng)非常方便，下面利用它們來(lái)建立pmsm系統(tǒng)。如圖1所示。圖1中采用id=o的控制方式，建立了電流、速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。主要包括：電流控制器acr、速度控制器asr、坐標(biāo)變換模塊dq2abc/abc2dq、逆變器模塊、pmsm、測(cè)量模塊、脈寬調(diào)制(pwm)模塊等。
pmsm控制的關(guān)鍵是對(duì)電樞電流的控制。電流環(huán)要求快速性，控制器采用pi控制，并加上限幅保護(hù)環(huán)節(jié)；另外，電流環(huán)要求提高逆變器直流電壓利用率和降低電樞電流的諧波含量。這主要與pwm方式有關(guān)。
3 pwm模塊原理分析與優(yōu)化
pwm技術(shù)的理論基礎(chǔ)是面積等效原理，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。隨著絕緣柵雙極晶體管、智能功率模塊的發(fā)展，開關(guān)頻率可達(dá)到20 khz以上，使得pwm技術(shù)得到更加廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，其中****代表性的有正弦脈寬調(diào)制(spwml和空間矢量脈寬調(diào)制(svpwm).
spwm是一種脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的pwm技術(shù)。通過(guò)正弦波調(diào)制信號(hào)與三角波載波信號(hào)比較而獲得pwm開關(guān)信號(hào)，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)器件的通斷時(shí)刻。
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