摘要：永磁同步电机具有体积小、重量轻、高效率、高输出转矩、高功率密度等优点。永磁同步电机伺服驱动中主要有三个控制闭环，即位置环、速度环和电流环，其中电流闭环是系统的最内环，它要求的响应频率是最快的，中间环节为速度控制环。和传统的感应式交流电动机、电励磁同步电动机相比，PMSM 的优势主要体现在：结构上没有转子励磁绕组，所以其损耗比较低，效率较高；整体结构简单，同等容量下体积小且功率密度高；矢量变换控制较感应电机简单很多，却能获得极佳的运动控制效果；动态响应速度非常快，转矩的波动系数也很小。从整体性能上来看，PMSM 几乎成为当前人们在高性能驱动领域中的最佳选择之重量轻、高效率、高输出转矩 永磁同步电机具有体积小、重量轻、高效率、高输出转矩、高功率密度等优点。永磁同步电机伺服驱动中主要有三个控制闭环，即位置环、速度环和电流环，其中电流闭环是系统的最内环，它要求的响应频率是最快的，中间环节为速度控制环。和传统的感应式交流电动机、电励磁同步电动机相比，PMSM 的优势主要体现在：结构上没有转子励磁绕组，所以其损耗比较低，效率较高；整体结构简单，同等容量下体积小且功率密度高；矢量变换控制较感应电机简单很多，却能获得极佳的运动控制效果；动态响应速度非常快，转矩的波动系数也很小。从整体性能上来看，PMSM 几乎成为当前人们在高性能驱动领域中的最佳选择之永磁同步电机具有体积小、、高功率密度等优点。永磁同步电机伺服驱动中主要有三个控制闭环，即位置环、速度环和电流环，其中电流闭环是系统的最内环，它要求的响应频率是最快的，中间环节为速度控制环。和传统的感应式交流电动机、电励磁同步电动机相比，PMSM 的优势主要体现在：结构上没有转子励磁绕组，所以其损耗比较低，效率较高；整体结构简单，同等容量下体积小且功率密度高；矢量变换控制较感应电机简单很多，却能获得极佳的运动控制效果；动态响应速度非常快，转矩的波动系数也很小。从整体性能上来看，PMSM 几乎成为当前人们在高性能驱动领域中的最佳选择之一。
关键词：永磁同步电机；伺服系统；控制
引言
和传统的感应式交流电动机、电励磁同步电动机相比，PMSM的优势主要体现在：结构上没有转子励磁绕组，所以其损耗比较低，效率较高；整体结构简单，同等容量下体积小且功率密度高；矢量变换控制较感应电机简单很多，却能获得极佳的运动控制效果；动态响应速度非常快，转矩的波动系数也很小。从整体性能上来看，PMSM几乎成为当前人们在高性能驱动领域中的最佳选择之一。目前，永磁同步电机尤其是PMSM主要应用在数控机床和工业机器人等领域。数控机床进给系统和工业机器人的关节驱动系统均系高品质机电伺服系统。PMSM伺服控制系统往往作为子系统嵌入一特定的机电伺服系统，并作为构成这些机电伺服系统的驱动环节的关键要素，发挥着至关重要的作用。
1伺服系统
广义上，伺服系统就是高性能随动系统。按目前伺服系统在实际中的主要用途，也可以狭义地定义伺服系统，即高品质运动控制系统。一个伺服系统必须具备对指令好的跟随性，强的抵抗扰动能力，需要达到“稳、准、快”的伺服目标。具体的：（1）系统具备高稳定性能，抑扰能力强；（2）稳态精度高；③动态响应快。
伺服系统按构成规模的大小和驱动方式的不同，可分为机电伺服系统、机电液（气）伺服系统、电气驱动伺服（局部）系统、液压驱动伺服（局部）系统等。正弦波永磁同步电动机（PMSM）的高性能伺服控制系统往往作为驱动环节嵌入一总的机电伺服系统中，故其是典型的电气驱动伺服（局部）系统的一种。对PMSM实现高性能的伺服控制，同样必须追求“稳、准、快”的伺服目标，即PMSM完全精准地执行控制信号。电机接受控制信号后，需立即根据控制信号的要求进行某些指令动作，并不折不扣地复现控制信号规律。当控制信号终止后，能立即自动停止所有的指令动作。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当电机受到外负载扰动、内部机械摩擦力矩扰动、电气阻抗扰动时，其运行状态不会有显著改变，执行指令的效果不会受影响。
2实验平台硬件设计
2.1主电路
主电路是驱动系统能量转换的通路，用来将电能直接转化为驱动伺服电机转动转矩的机械能。采用交流直流交流方式将电能转化的结构方式，对三相220V交流供电进行全桥不可控整流。逆变部分采用IPM智能功率模块，将母线直流电转化为交流电，其IPM内部集成了IGBT驱动电路，性能稳定，避免在外部搭建PWM驱动电路而造成的控制系统繁琐，缩短了PWM信号在PCB板上的走线长度，避免了周边电路带来的干扰。在由DSP发出的SVPWM信号采用光耦隔离后由系统提供的驱动DC15V电源直接驱动IPM。根据系统功率要求，考虑了系统的布局和干扰条件，本设计采用了Agilentg公司生产的光耦HCPL3120，具有500ns的开关时间和15KV的绝缘耐压等优良特点，在IGBT驱动中具有广泛的应用，其性能满足系统的要求。
2.2控制电源电路
一般情况下，控制电源单独工作时，其输出电压纹波大小均可以满足控制系统要求，但控制电源带上负载后，在电源输出电压上会叠加上较高的纹波电压，如输出纹波太大，会影响到控制电路和检测电路工作的可靠性。因此，合理配置和设计稳定的开关电源对整个系统的实现至关重要。针对控制电源稳定性的需求，本设计采用了PI公司生产的三端离线PWM复合开关TOPSwitch以及光耦和基准源组成的反激式开关电源，输入额定电压为220V，经过反馈及钳位电路分别得到5V，-5V及15V的控制电源。采用5V电源为控制基准反馈回路。
2.3转子位置、角速度检测电路
电机转子外侧安装有位置传感器，通常选用正交式光电编码器。其利用光电元件制作的精密光栅器件检测光学信号，在经过换算和信号处理输出具有ABI三种信号的正交编码信号。输出的信号能够直接连接到DSP的码盘检测接口，DSP通过内置的接口采集到高速的盘脉冲信号进行处理，用于完成矢量控制和位置环的伺服控制。
2.4电流检测电路
矢量控制依赖于准确的电流采样信号，其信号的波动干扰都会直接造成系统控制偏差和控制性能下降，直接影响整个电流环的控制以及系统的稳定。因此我们需要选用的霍尔电流传感器应该满足高采样精度和低温漂的要求。本设计选用了ALLegro公司生产的ACS712ELC系列的电流传感器。该传感器具有2.1kVRMS电压绝缘及低电阻电流导体的全集成、极稳定的输出偏置电压和近零的磁滞。同时在DSP中的12位转换器模块提供了高效的采集频率对电流信号进行采集和反馈控制，可以满足对系统的控制精度和稳定性的要求。
3永磁同步电动机基于矢量变换的系统控制结构
众所周知，从矢量控制变换得到的永磁同步电动机模型，将电枢电流分解为直轴分量id与交轴分iq量，如此永磁同步电动机的控制可以通过独立控制这两个电流分量，即独立控制励磁与功率（转矩）因素，实现似直流电动机一样的控制模式。特别是当id=0时，永磁同步电动机的磁场结构与他励直流电动机碳刷在几何中线情形完全类似。这导致永磁同步电动机的控制具有独特的特点：（1）模拟他励直流电动机而导致的磁场定向问题，如此控制系统首先要实现转子磁极位置检测，位置检测信号需反馈作为电流控制指令，必然导致系统的位置闭环，很多时候转子位置检测信号还需要反馈给上位控制器作系统位置闭环控制反馈信号；（2）电枢电流须经矢量变换运算然后受控输出，其控制输入需以实际定子电流状态为依据，即必有电流检测、坐标变换运算与反馈。
基于永磁同步电动机的交流伺服应用系统，目前大多采用基于转子磁场定向控制模式的位置、速度、加速度（电流）三联串级闭环调节的运动控制结构。其中，加速度（电流）环用来提高系统的动态响应指标；速度环用于调节伺服电机的转速，增强系统的抗干扰能力；位置环用于实现精确定位、回零、限位等。
显然，上述的串级控制模式建立在被控量如速度、电流等的完全线性化解耦基础上。然而，严格来讲这并不成立。值得提出的是，工程上在基于矢量变换构建永磁同步电动机的控制流程时，其实并没有严格按照（坐标变换以后的）弱非线性数学模型考虑。而是在误差允许情形下，针对不同的被控量进一步做出相应简化的结果，即进一步设法避开各变量间还存在的干涉，近似但合理地实现分时线性控制，从而构成最终的串级模型。例如，控制电压uq到iq的转换。一般来说，这是一个一阶的电磁惯性环节，或者认为电流变化相对于速度ωr的变化非常快，其时间常数大小要差一个数量级以上。这时可以把上述惯性结构视为一个比例环节，认为其转换是瞬间完成的，从而伺服电机的模型可以视为是一阶机械惯性结构。
结束语
（1）传统的速度控制环节采用PI控制，位于中间环节。
（2）考虑到电机的非线性和参数的变化，把滑模变结构引入到速度环控制中，减小由参数变化而引起的系统不稳定性。
（3）新型速度控制方法的研究，如扩展卡尔曼滤波器，考虑了电机系统中摩擦力等因素，提高速度环的实时性。
（4）结合现代控制理论的控制方法，把现代控制理论运用到速度调节器中，如自适应控制、模糊控制等，提高控制器的环境适应能力和智能化。
参考文献
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论文作者:王战胜,王建峰
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第18期
论文发表时间:2017/12/5
标签：永磁论文; 电流论文; 同步电动机论文; 系统论文; 速度论文; 信号论文; 转矩论文; 《建筑学研究前沿》2017年第18期论文;