機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制 課件 第7章 永磁同步電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

第7章永磁同步電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)7.1永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成7.2永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理7.3永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型7.4正弦波永磁同步電機(jī)的矢量控制方法7.5脈寬調(diào)制控制技術(shù)7.6本章小結(jié)

7.1永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成

永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的組成如圖7-1所示，其基本組成部分是永磁同步電機(jī)(PMSM)，電壓型PWM逆變器，電流傳感器，速度、位置傳感器，電流控制器等。如果需要進(jìn)行速度和位置控制，還需要速度傳感器、速度控制器、位置傳感器以及位置控制器。通常，速度傳感器和位置傳感器共用一個(gè)傳感器。圖7-1永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的組成

永磁同步電機(jī)是由繞線式同步電機(jī)發(fā)展而來的，它用永磁體代替了電勵(lì)磁，從而省去了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)與電刷，其定子電流與繞線式同步電機(jī)的基本相同，輸入為對稱正弦交流電，故又稱為永磁同步交流電機(jī)。

7.2永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

永磁同步電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖7-2所示。定子主要包括電樞鐵芯和三相(或多相)對稱電樞繞組，繞組嵌放在鐵芯的槽中。轉(zhuǎn)子主要由永磁體、導(dǎo)磁軛和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成。導(dǎo)磁軛為圓筒形，套在轉(zhuǎn)軸上。當(dāng)轉(zhuǎn)子的直徑較小時(shí)，可以直接把永磁體貼在導(dǎo)磁軛上。轉(zhuǎn)軸連接位置、速度傳感器，用于檢測轉(zhuǎn)子磁極相對于定子繞組的相對位置以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。圖7-2永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電流波形和控制方式的不同，永磁同步電機(jī)可分為兩種：一種是方波電流驅(qū)動(dòng)的永磁同步電機(jī)；另一種是正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁同步電機(jī)，前者又稱為無刷直流電機(jī)，后者又稱為永磁同步交流伺服電機(jī)。

根據(jù)繞組結(jié)構(gòu)的不同，可以把永磁同步電機(jī)的繞組分為整數(shù)槽繞組(如圖7-3(a)所示)和分?jǐn)?shù)槽繞組(如圖7-3(b)所示)兩種。整數(shù)槽繞組結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)的優(yōu)勢如下：

(1)電樞反應(yīng)磁場均勻，對永磁體的去磁作用小。

(2)電磁轉(zhuǎn)矩

電流的線性度高，電機(jī)的過載能力強(qiáng)。

(3)適合用于極數(shù)少、轉(zhuǎn)速高、功率大的領(lǐng)域。圖7-3永磁同步電機(jī)的繞組形式

而分?jǐn)?shù)槽繞組的優(yōu)點(diǎn)較多，主要有以下幾個(gè)方面：

(1)對于多極的正弦波交流永磁伺服電機(jī)，可采用較少的定子槽數(shù)，有利于提高槽滿率及槽利用率。同時(shí)，較少的元件數(shù)可以簡化嵌線和接線工藝，有助于降低成本。

(2)增加繞組的分布系數(shù)，使電動(dòng)勢波形的正弦性得到改善。

(3)可以得到線圈節(jié)距為1的集中式繞組設(shè)計(jì)，線圈繞在一個(gè)齒上，縮短了線圈周長和端部伸出長度，減少了用銅量。線圈的端部沒有重疊，可不放置相間絕緣(根據(jù)如圖7-4所示的分?jǐn)?shù)槽繞組的電機(jī)定子便可以看出)。圖7-4分?jǐn)?shù)槽繞組的電機(jī)定子

(4)有可能使用專用繞線機(jī)，直接將線圈繞在齒上，取代傳統(tǒng)嵌線工藝，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低了成本。

(5)減小了定子軛部厚度，提高了電機(jī)的功率密度。電機(jī)繞組的電阻減小，銅損降低，進(jìn)而提高電機(jī)效率和降低溫升。

(6)降低了定位轉(zhuǎn)矩，有利于減小振動(dòng)和噪聲。

根據(jù)電樞鐵芯有無齒槽，永磁同步電機(jī)可分為齒槽結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)和無槽結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)。

圖7-5為無槽結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)電機(jī)的電樞繞組貼于圓筒形鐵芯的內(nèi)表面上，采用環(huán)氧樹脂灌封、固化。圖7-5無槽結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)

若永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，則電機(jī)的運(yùn)行特性、控制方法等也不同。根據(jù)轉(zhuǎn)子上永磁體安裝位置的不同，永磁同步電機(jī)可分為面貼式永磁同步電機(jī)(SPMSM)、外嵌式

永磁同步電機(jī)和內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)(IPMSM)三種。圖7-6為目前永磁同步電機(jī)常用的永磁體結(jié)構(gòu)，其中圖7-6(a)、(b)、(c)為面貼式永磁體結(jié)構(gòu)，圖7-6(d)為外嵌式永磁體結(jié)構(gòu)，其余均為內(nèi)嵌式永磁體結(jié)構(gòu)。圖7-6永磁同步電機(jī)常用的永磁體結(jié)構(gòu)

圖7-6(a)所示結(jié)構(gòu)的永磁體為環(huán)形，安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯的表面，永磁體多為徑向充磁或異向充磁，有時(shí)磁極采用多塊平行充磁的永磁體拼成。該結(jié)構(gòu)多用于小功率交流伺服電機(jī)。

圖7-6(b)所示結(jié)構(gòu)的永磁體設(shè)計(jì)成半月形不等厚結(jié)構(gòu)，通常采用平行充磁或徑向充磁，形成的氣隙磁場是較為理想的正弦波磁場。該結(jié)構(gòu)多用于大功率交流伺服電機(jī)。

圖7-6(c)所示結(jié)構(gòu)的永磁體主要用于大型或高速的永磁電機(jī)。為防止離心力造成的永磁體損壞，需要在永磁體的外周套一非磁性的箍圈予以加固。

對于圖7-6(d)所示結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子鐵芯的凹陷部分插入永磁體，永磁體多采用徑向充磁，雖然為表面永磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，卻能利用磁阻轉(zhuǎn)矩。

對于圖7-6(e)所示結(jié)構(gòu)，在永磁體的外周套一磁性材料箍圈，雖然為內(nèi)嵌式永磁體結(jié)構(gòu)，但卻沒有磁阻轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)的極數(shù)多時(shí)，有時(shí)也采用平板形的永磁體。

圖7-6(f)所示結(jié)構(gòu)的永磁體的用量多，以提高氣隙磁密，防止去磁，且通常采用非稀土類永磁體。

圖7-6(g)所示結(jié)構(gòu)的永磁體為平板形，切向充磁，鐵芯為扇形，可以增加永磁體用量，提高氣隙磁密，但需要采用非磁性軸。

圖7-6(h)所示結(jié)構(gòu)的永磁體也為平板形，沿半徑方向平行充磁，由于轉(zhuǎn)子交軸磁路較寬，能夠增大磁阻轉(zhuǎn)矩，因此可以通過改變永磁體的位置來調(diào)整電機(jī)特性，適于通過控制電樞電流對其進(jìn)行弱磁控制。圖7-7為內(nèi)嵌式Ⅳ型永磁同步電機(jī)的交、直軸電樞反應(yīng)磁通路徑。

圖7-6(i)所示結(jié)構(gòu)的永磁體由兩塊呈V字形配置的平板形永磁體構(gòu)成一極，通過改變永磁體的位置來調(diào)整電機(jī)特性。

圖7-6(j)所示結(jié)構(gòu)的永磁體為倒圓弧形，配置在整個(gè)極距范圍內(nèi)，通過增加永磁體的用量來提高氣隙磁密，還可以通過確保交軸磁路寬度來增大磁阻轉(zhuǎn)矩。該類永磁體為非稀土類永磁體。

對于圖7-6(k)所示結(jié)構(gòu)的永磁體，通過采用多層倒圓弧形永磁體來增大磁阻轉(zhuǎn)矩，永磁體的抗去磁能力強(qiáng)，氣隙磁密高，且波形更接近正弦形。圖7-7-內(nèi)嵌式Ⅳ型永磁同步電機(jī)的交、直軸電樞反應(yīng)磁通路徑

根據(jù)上述分析可知，內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)械強(qiáng)度高、制造成本低。

(2)轉(zhuǎn)子表面為硅鋼片，因此表面損耗小。

(3)等效氣隙小，但氣隙磁密高，適于弱磁控制。

(4)永磁體形狀及配置的自由度高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。

(5)可有效地利用磁阻轉(zhuǎn)矩，從而提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和效率。

(6)可利用轉(zhuǎn)子的凸極效應(yīng)實(shí)現(xiàn)無位置傳感器的啟動(dòng)與運(yùn)行。

7.3永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

7.3.1永磁同步電機(jī)的基本方程永磁同步電機(jī)(PMSM)的定子和普通電勵(lì)磁三相同步電機(jī)的定子是相似的。如果永磁體產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢與勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢一樣，也是正弦的，那么PMSM的數(shù)學(xué)模型就與電勵(lì)磁同步電機(jī)的基本相同。

為簡化分析，做如下假設(shè)：

(1)忽略鐵芯的飽和效應(yīng)。

(2)氣隙磁場呈正弦分布。

(3)不計(jì)渦流和磁滯損耗。

(4)轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組，永磁體也沒有阻尼作用。

三相永磁同步電機(jī)的解析模型如圖7-8所示。根據(jù)圖7-8所示的解析模型，永磁同步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系u-v-w下的電壓方程式為圖7-8三相永磁同步電機(jī)的解析模型

式中，uu、uv、uw分別為u、v、w相定子電壓；iu、iv、iw分別為u、v、w

相定子電流；eu、ev、ew分別為永磁體在u、v、w相電樞繞組中感應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢；Ra

為定子繞組電阻；P為微分算子，P=d/dt；Lu、Lv、Lw分別為u、v、w

相定子繞組的自感，其表達(dá)式為

其中，Laσ為定子繞組的漏電感；La0為定子繞組自感的平均值；La2為定子繞組自感的二次諧波幅值；θ為u相繞組軸線與永磁體基波磁場軸線之間的夾度。Muv、Mvw、Mwu為繞組間的互感，且

與定子u、v、w

相繞組交鏈的永磁體磁鏈為

式中，ψfm

為與定子u、v、w相繞組交鏈的永磁體磁鏈的幅值。

若ω

為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度(電角度)，則有

這時(shí)永磁體磁場在定子u、v、w

相繞組中感應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢efu、efv、efw為

式中，Pn為ω

角速度下的微分算子。

設(shè)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸與三相靜止坐標(biāo)系的u軸的夾角也為θ，即取d

軸方向與永磁體基波磁場軸線的方向一致，則從三相靜止坐標(biāo)系u-v-w

到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q的變換矩陣C

為

利用式(7-7)的變換矩陣，把式(7-1)的電壓方程式變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程為

式中，ud、uq為d、q軸定子電壓；id、iq為d、q軸定子電流；ψf

為永磁體磁鏈，Ld、Lq為d、q軸定子繞組的自感，且

圖7-9為三相永磁同步電機(jī)的d-q變換模型。由于在定子上靜止的三相繞組被變換成與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的d、q軸兩個(gè)繞組，因此可認(rèn)為d、q軸兩個(gè)繞組是相對靜止的，即可以把d、q

軸兩個(gè)繞組看成電氣上相互獨(dú)立的兩個(gè)直流回路。圖7-9三相永磁同步電機(jī)的d-q變換模型

式(7-8)以及圖7-9表明，坐標(biāo)變換后d-q軸電機(jī)模型和直流電機(jī)坐標(biāo)變換后的模型一樣，電樞繞組沿半徑方向接在無數(shù)換向片(集電環(huán))上，通過與d、q

軸相連的電刷給電樞繞組施加電壓ud、uq，從而產(chǎn)生電流id、iq。如果ud、uq為直流電壓，則id、iq為直流電流，可以作為兩軸直流來處理。由于永磁體勵(lì)磁磁場的軸線在d

軸上，因此只在相位超前π/2的q軸上感應(yīng)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢，該電動(dòng)勢就是直流電動(dòng)勢。

永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本矢量圖如圖7-10所示。圖7-10基本矢量圖

電磁轉(zhuǎn)矩Te可以用與電樞繞組交鏈的永磁體磁鏈與電樞繞組電流乘積的和來表示。從而根據(jù)前面的坐標(biāo)變換過程可得電磁轉(zhuǎn)矩Te

的表達(dá)式為

等效磁鏈有效值的關(guān)系式為

等效電壓有效值的關(guān)系式為

式中，δ為功角，即圖7-10中Ea與q軸的夾角。穩(wěn)態(tài)，Ua=U1(U1

為線電壓的有效值)。

2.計(jì)及鐵損時(shí)永磁同步電機(jī)的d、q

軸數(shù)學(xué)模型

為了詳細(xì)地分析電機(jī)的損耗以及對電機(jī)進(jìn)行高效率控制，通常用圖7-11所示的把鐵損用等效鐵損電阻Rc

表示的等效電路。圖中的ωLqiaq、ωLdiad

和ωψf

分別表示q軸電樞反應(yīng)電動(dòng)勢、d軸電樞反應(yīng)電動(dòng)勢和永磁體磁鏈產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢。圖7-11計(jì)及鐵損時(shí)永磁同步電機(jī)的d、q軸等效電路

根據(jù)圖7-11所示的等效電路可得如下計(jì)及鐵損時(shí)永磁同步電機(jī)的各狀態(tài)量之間的基本關(guān)系式。

電流關(guān)系式為

7.4正弦波永磁同步電機(jī)的矢量控制方法

7.4.1id=0控制保持d

軸電流為0的id=0控制是永磁同步電機(jī)矢量控制中最為常用的控制方法。這時(shí)的電流矢量隨負(fù)載的變化在q

軸上移動(dòng)。

根據(jù)式(7-21)可得id

=0時(shí)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

可見，當(dāng)id=0時(shí)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和交軸電流呈線性關(guān)系，轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量。此時(shí)在產(chǎn)生所要求轉(zhuǎn)矩的情況下，需要的定子電流最小，從而使銅損下降，效率有所提高。對控制系統(tǒng)來說，只要檢測出轉(zhuǎn)子位置(d

軸)，使三相定子電流的合成電流矢量位于q軸上就可以了。

采用id=0控制時(shí)，電機(jī)端電壓有效值Ua、功角δ

及功率因數(shù)cosφ分別為

7.4.2最大轉(zhuǎn)矩控制

1.最大轉(zhuǎn)矩電流比控制

根據(jù)前面的分析可知，對于同一電流，存在能夠產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩的電流相位，這是電樞電流最有效地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的條件。為了達(dá)到這種狀態(tài)，控制電流矢量的方式就叫作最大轉(zhuǎn)矩電流比控制。對于滿足該條件的最佳電流相位，可以根據(jù)用Ia

和β表示的電磁轉(zhuǎn)矩公式(7-21)得出，即對β求偏微分后，使其等于0即可，得

再根據(jù)式(7-11)、式(7-12)可得d軸、q

軸電流為

2.最大轉(zhuǎn)矩磁鏈比控制(最大轉(zhuǎn)矩電動(dòng)勢比控制)

根據(jù)磁鏈表達(dá)式(7-14)和轉(zhuǎn)矩表達(dá)式(7-21)，消去iq，把轉(zhuǎn)矩用ψa

和id

表示，求?T/?id=0，就可以得到如下所示的最大轉(zhuǎn)矩磁鏈比控制的條件：

式中，Δψd

為直軸磁鏈變化值，La

為等效電機(jī)電感。

7.4.3弱磁控制

永磁體勵(lì)磁永磁同步電機(jī)不能像電勵(lì)磁同步電機(jī)那樣直接控制勵(lì)磁磁通，但是根據(jù)前面的分析可知，如果在繞組中有負(fù)向的d

軸電流流過，則可以利用d

軸電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)使d

軸方向的磁通減少，從而實(shí)現(xiàn)等效的弱磁控制。為區(qū)別于直接控制勵(lì)磁磁通的弱磁控制，把這種控制稱作弱磁控制。

對于電勵(lì)磁同步電機(jī)，其弱磁控制伴隨著轉(zhuǎn)速的升高，從而使勵(lì)磁電流減小，而永磁同步電機(jī)的弱磁控制是增加負(fù)向的d

軸電流。

通過弱磁控制，可以把電機(jī)端電壓Ua

控制在限制值以下，在這里為了簡單化，考慮把感應(yīng)電動(dòng)勢Ea

保持在極限值Eam

上。把Ea=Eam

代入式(7-17)可得如下關(guān)系式：

根據(jù)式(7-11)和式(7-37)可知，在id-iq平面上，最大電流極限是以(0，0)為圓心，半徑固定的圓，稱為電流極限圓。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，最大電動(dòng)勢極限是一簇不斷縮小，以(-ψf/Ld，0)為中心的橢圓，稱為電動(dòng)勢極限橢圓。

如果速度和q

軸電流已經(jīng)給定，根據(jù)式(7-37)可以得到d軸電流的表達(dá)式為

或

7.4.4cosφ=1控制

7.4.5最大效率控制

在任意的負(fù)載狀態(tài)(任意的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩)下，驅(qū)動(dòng)電流一定存在最佳的大小和相位，使電機(jī)的銅損和鐵損接近相等，此時(shí)電機(jī)的效率達(dá)到最大。電機(jī)效率最大的條件可以根據(jù)圖7-11所示的計(jì)及鐵損時(shí)永磁同步電機(jī)的d、q

軸等效電路導(dǎo)出。

7.4.6永磁同步電機(jī)的參數(shù)與輸出范圍

永磁同步電機(jī)的運(yùn)行特性與電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)(特別是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和控制方法)相關(guān)。本節(jié)主要分析在考慮電壓、電流限制條件下，永磁同步電機(jī)的電機(jī)參數(shù)與輸出范圍的關(guān)系。

為了使結(jié)論具有普遍性，把電機(jī)參數(shù)(反電勢E0，d、q

軸電抗)用電動(dòng)勢極限值Eam

、電流極限值Iam

和基速ωb

表示成標(biāo)幺值(各個(gè)參數(shù)的標(biāo)幺值用帶

的上角標(biāo)表示)，即圖7-12轉(zhuǎn)矩一定時(shí)的相位控制特性

通常，永磁同步電機(jī)都具有

KF>0的電機(jī)參數(shù)。在

KF≤0的范圍內(nèi)，速度

輸出功率特性幾乎只由

KF

決定。圖7-13為普通永磁同步電機(jī)特性模式，圖7-14為速度ωc*與最大轉(zhuǎn)矩T*emax、恒功率運(yùn)行的最高速度ω*cp、恒功率輸出范圍

Kcpr、輸出功率最大時(shí)的速度ω*mp之間的關(guān)系。圖7-13和圖7-14中曲線表明，最大轉(zhuǎn)矩與恒功率輸出范圍之間存在折中關(guān)系，可以根據(jù)需要的恒功率輸出范圍確定

KF，即確定E0*

和

Xd*

。圖7-13普通永磁同步電機(jī)特性模式圖7-14速度和各種特性之間的關(guān)系

7.5脈寬調(diào)制控制技術(shù)

脈寬調(diào)制(pulsewidthmodulation，PWM)控制技術(shù)是利用功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度或周期達(dá)到變壓目的，或者通過控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期達(dá)到變壓、變頻目的的一種控制技術(shù)。

PWM控制技術(shù)具有下列優(yōu)點(diǎn)：

(1)主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，需要的功率器件少。

(2)開關(guān)頻率高，容易輸出連續(xù)電流，諧波含量少，電機(jī)損耗及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小。

(3)低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬。

(4)與交流伺服電機(jī)配合形成的交流伺服系統(tǒng)的頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)。

(5)功率開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因此系統(tǒng)的效率高。

7.5.1正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)控制技術(shù)

1.正弦波脈寬調(diào)制原理

圖7-15是一個(gè)PWM控制原理示意圖。將正弦半波波形劃分成N等份，每一等份中的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的等高矩形波來代替。顯然，各個(gè)矩形波寬度不同，但它們的寬度大小按正弦規(guī)律曲線變化。正弦波的負(fù)半周期也可以用相同的方法，用一組等高不等寬的矩形負(fù)脈沖來代替。對于上述等效調(diào)寬脈沖，在選定了等分?jǐn)?shù)N后，可以借助計(jì)算機(jī)嚴(yán)格地算出各段矩形脈沖寬度，以作為控制逆變電路開關(guān)元件通斷的依據(jù)。這種由控制電路按一定的規(guī)律控制開關(guān)的通斷，從而得到一組等效正弦波的一組等幅不等寬的矩形脈沖的方法稱為正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)。圖7-15PWM控制原理示意圖

圖7-16是采用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為功率開關(guān)管的電壓型單相橋式PWM逆變電路。設(shè)負(fù)載為感性負(fù)載，L

足夠大，能保證負(fù)載電流i0

連續(xù)。圖7-16電壓型單相橋式PWM逆變電路

控制V4或V3通斷的方法是用單極性PWM控制，其波形如圖7-17所示。圖7-17-單極性PWM控制波形

單相橋式逆變電路雙極性PWM控制波形如圖7-18所示。圖7-18雙極性PWM控制波形圖7-19三相橋式PWM逆變電路與波形圖7-19三相橋式PWM逆變電路與波形

負(fù)載相電壓uuN為

其PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud

和0共5種電平組成。

2.SPWM逆變電路的控制方式

1)異步調(diào)制

載波uc

和調(diào)制波ur不保持同步關(guān)系的調(diào)制方式稱為異步調(diào)制。在異步調(diào)制方式中，當(dāng)調(diào)制波ur

的

頻

率

fr

變化時(shí)，通常保持載波

uc

的頻率

fc

固定不變，因而載波比N(N=fc/fr)是變化的。這樣，在調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)，輸出脈沖的個(gè)數(shù)不固定，脈沖相位也不固定，正、負(fù)半周期內(nèi)的脈沖不對稱，同時(shí)，半周期內(nèi)前后1/4周期內(nèi)的脈沖也不對稱。

2)同步調(diào)制

載波比

N

為常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和調(diào)制波保持同步的調(diào)制方式稱為同步調(diào)制。在基本同步調(diào)制方式中，當(dāng)調(diào)制波的頻率變化時(shí)，載波比

N

不變。調(diào)制波在半個(gè)周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，相位也是固定的。

在三相PWM逆變電路中，通常共用一個(gè)三角波，且取載波比N

為3的整數(shù)倍，以使三相輸出波形嚴(yán)格對稱。同時(shí)為了使一相的PWM波形為正負(fù)半周鏡像對稱，N

應(yīng)取為奇數(shù)。圖7-20是

N=9時(shí)的同步調(diào)制三相PWM波形。圖7-20N=9時(shí)的同步調(diào)制三相PWM波形

3)分段同步調(diào)制

為了揚(yáng)長避短，可將同步調(diào)制和異步調(diào)制結(jié)合起來，成為分段同步調(diào)制方式，實(shí)用的SPWM逆變電路多采用此方式。

7.5.2電流跟蹤型PWM控制技術(shù)

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須滿足嚴(yán)格的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)，并且能夠平滑地調(diào)速，甚至在零速附近，這些特性的實(shí)現(xiàn)都依賴于電流控制的質(zhì)量。在交流伺服系統(tǒng)中，需要保證電機(jī)電流為正弦電流，因?yàn)橹挥性诮涣麟姍C(jī)繞組中通入三相平衡的正弦電流，才能使合成的電磁轉(zhuǎn)矩為恒定值，不含脈動(dòng)分量。因此，若能對電流實(shí)行閉環(huán)控制，以保證其正弦波形，則顯然比電壓開環(huán)控制能夠獲得更好的性能。

電流跟蹤型PWM逆變電路兼有電壓型逆變電路和電流型逆變電路的優(yōu)點(diǎn)，即結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、響應(yīng)快、諧波小、精度高。采用電流控制，可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)定子相電流的在線自適應(yīng)控制，因此電流跟蹤型PWM控制技術(shù)特別適用于高性能的矢量控制系統(tǒng)。

通過判斷逆變電路功率開關(guān)管的開關(guān)頻率是否恒定，可以把電流跟蹤型PWM逆變電路分為電流滯環(huán)跟蹤控制型PWM逆變電路和固定開關(guān)頻率型PWM逆變電路兩種。

1.電流滯環(huán)跟蹤控制型PWM逆變電路

電流滯環(huán)跟蹤控制型PWM逆變電路除了具有電流跟蹤型PWM逆變電路的一般優(yōu)點(diǎn)，還因?yàn)槠潆娏鲃?dòng)態(tài)響應(yīng)快，系統(tǒng)運(yùn)行不受負(fù)載參數(shù)的影響，實(shí)現(xiàn)方便，所以常用于高性能的交流伺服系統(tǒng)中。圖7-21所示為電流滯環(huán)跟蹤控制型PWM逆變電路的結(jié)構(gòu)及電流控制原理圖。圖7-21電流滯環(huán)跟蹤控制型PWM逆變電路的結(jié)構(gòu)及電流控制原理圖

圖7-22為電流滯環(huán)跟蹤控制時(shí)的電流波形與PWM電壓波形。圖7-22電流滯環(huán)跟蹤控制時(shí)的電流波形與PWM電壓波形

從圖7-22中可以看出，PWM脈沖頻率(即功率開關(guān)管的開關(guān)頻率)fT

是變量，其大小主要與下列因素有關(guān)：

(1)fT

與滯環(huán)寬度Δiu

成反比，滯環(huán)越寬，fT

越低。

(2)逆變電路電源電壓Ud

越高，負(fù)載電流上升(或下降)的速度越快，iu達(dá)到滯環(huán)上限或下限的時(shí)間越短，因而fT

隨Ud

值的增大而增大。

(3)電機(jī)電感L

值越大，電流的變化率越小，iu

達(dá)到滯環(huán)上限或下限的時(shí)間越長，因而fT越小。

(4)fT

與參考電流iu*

的變化率有關(guān)，diu*/dt越大，fT

越??；越接近iu*的峰，diu*/dt越小，而PWM脈寬越小，即fT

越大。

2.固定開關(guān)頻率型PWM逆變電路

在伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，一般使用固定的開關(guān)頻率，這樣可以消除噪聲，并且能更好地預(yù)測逆變電路的開關(guān)損耗。圖7-23是常用的一種固定開關(guān)頻率型PWM遞變電路(單相)的原理圖。

固定開關(guān)頻率或電流滯環(huán)跟蹤控制方式可以提供高質(zhì)量、可控電流的交流電源。不管反電動(dòng)勢如何，具有快速電流控制環(huán)的高頻逆變電路可以使電機(jī)電流在幅值和相位上被快

速調(diào)整。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，精確地跟蹤正弦基準(zhǔn)電流可使電機(jī)在極低速情況下平滑旋轉(zhuǎn)。采用GTR、MOSFET、IGBT等自關(guān)斷、高頻開關(guān)管組成的電壓型逆變電路供電，系統(tǒng)的動(dòng)、

靜態(tài)性能可以大大優(yōu)化。圖7-23固定開關(guān)頻率型PWM逆變電路(單相)的原理圖

7.5.3電壓空間矢量PWM控制技術(shù)

1.電壓空間矢量PWM控制的基本概念

當(dāng)用三相平衡的正弦電壓向交流電機(jī)供電時(shí)，電機(jī)的定子磁鏈?zhǔn)噶糠岛愣?，并以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動(dòng)軌跡形成圓形的空間旋轉(zhuǎn)磁場(磁鏈圓)。因此如果有一種方法使逆變電路能向交流電機(jī)提供可變頻電源，并能保證電機(jī)形成定子磁鏈圓，則可以實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的變頻調(diào)速。

電壓空間矢量是按照電壓所加在繞組的空間位置來定義的，如圖7-24。圖7-24電壓空間矢量

電機(jī)的三相定子繞組可以定義一個(gè)三相平面靜止坐標(biāo)系。這是一個(gè)特殊的坐標(biāo)系，A、B、C分別表示在空間靜止不動(dòng)的電機(jī)定子三相繞組軸線，它們互相間隔120°，分別代表三個(gè)相。三相定子相電壓UA、UB、UC

分別施加在三相繞組上，形成三個(gè)相電壓空間矢量uA、uB、uC，它們的方向始終在各相的軸線上，大小則隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化。因此，三個(gè)相電壓空間矢量相加所形成的一個(gè)合成電壓空間矢量uS

是一個(gè)以電源角頻率ω

速度旋轉(zhuǎn)的空間矢量，且

當(dāng)電機(jī)由三相對稱正弦電壓供電時(shí)，其定子磁鏈?zhǔn)噶糠岛愣?，定子磁鏈?zhǔn)噶恳院闼傩D(zhuǎn)，矢量頂端的運(yùn)動(dòng)軌跡呈圓形(一般簡稱為磁鏈圓)，這樣的定子磁鏈?zhǔn)噶康闹悼捎孟率奖硎荆?/p>

所以

式中，ψm

為定子磁鏈?zhǔn)噶糠?，?/p>

為定子磁鏈?zhǔn)噶康慕穷l率。

2.基本電壓空間矢量

圖7-25是一個(gè)典型的三相電壓型PWM逆變電路。利用這種逆變電路功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)和順序組合，以及開關(guān)時(shí)間的調(diào)整，以保證電壓空間矢量圓形運(yùn)行軌跡為目標(biāo)，就可以得到諧波含量少、直流電源電壓利用率高的輸出。圖7-25三相電壓型PWM逆變電路

式(7-57)和式(7-58)的對應(yīng)關(guān)系也可用表7-1來表示。將表7-1中的8組相電壓值代入式(7-57)，就可以求出這些相電壓的矢量和與相位角。這8個(gè)矢量和就稱為基本電壓空間矢量，根據(jù)其相位角的特點(diǎn)，基本電壓空間矢量分別命名為

O000、U0、U60、U120、U180、U240、U300、O111，其中O000、O111稱為零矢量。圖7-26給出了8個(gè)基本電壓空間矢量的大小和位置。其中非零矢量的幅值相同，相鄰的矢量間隔60°，而兩個(gè)零矢量的幅值為零，位于中心。圖7-26基本電壓空間矢量

表7-1中的線電壓和相電壓值是在三相ABC平面坐標(biāo)系中的值，在控制程序計(jì)算中，為了計(jì)算方便，需要將其轉(zhuǎn)換到αβ

平面直角坐標(biāo)系中。αβ

平面直角坐標(biāo)系中的α軸與A軸重合，β軸超前α

軸90°。如果將在每個(gè)坐標(biāo)系中電機(jī)的總功率不變作為兩個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換原則，則變換矩陣為

利用這個(gè)變換矩陣，就可以將三相ABC平面坐標(biāo)系中的相電壓轉(zhuǎn)換到αβ平面直角坐標(biāo)系中，其轉(zhuǎn)換式為

根據(jù)式(7-60)，可將表7-1中與開關(guān)狀態(tài)a、b、c

對應(yīng)的相電壓轉(zhuǎn)換成αβ平面直角坐標(biāo)系中的分量，轉(zhuǎn)換結(jié)果見表7-2。

3.磁鏈軌跡的控制

下面分析基本電壓空間矢量與磁鏈軌跡的關(guān)系。

當(dāng)逆變電路單獨(dú)輸出基本電壓空間矢量U0

時(shí)，電機(jī)的定子磁鏈?zhǔn)噶喀譙

的矢端從A點(diǎn)到B點(diǎn)沿平行于U0

方向移動(dòng)，如圖7-27所示。圖7-27-正六邊形磁鏈軌跡

基本電壓空間矢量的線性組合如圖7-28所示。在圖中，Ux

和Ux±60代表相鄰的兩個(gè)基本電壓空間矢量；Uref是輸出的參考相電壓矢量，其幅值代表相電壓的幅值，其旋轉(zhuǎn)角速度就是輸出正弦電壓的角頻率。Uref可由Ux

和Ux±60的線性時(shí)間組合合成，它等于t1/T倍的Ux

與t2