永磁同步机伺服体系矢量控制科技分析

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1、永磁同步机伺服体系矢量控制科技分析1绪论1.1课题研究的背景和意义随着智能控制理论、电力电子器件、伺服电机以及微处理器等技术的发展，交流伺服驱动技术取得了前所未有的巨大进步，越来越广泛的应用于国防、工农业生产以及日常生活等多种领域。如国防领域的雷达、军用武器随动系统、卫星姿态调整，工业生产中的激光加工、机器人控制、集成电路制造、数控机床进给，日常生活中的自动化办公等高精度高性能场合⑴。特别是随着永磁同步电机的出现，交流伺服系统越发凸显其高效率、高功率密度、控制简单、转矩脉动小等优点[2]。为了满足人们对伺服驱动

2、产品的性能要求，研究高精度、高可靠性的交流伺服驱动技术具有极其重要的现实意义和市场价值。由于交流异步感应电机进行矢量变换时计算较为复杂，低速性能差，容易发热等问题，交流伺服系统一般使用中小功率交流永磁同步电机。交流永磁同步电机除了结构简单、体积小、效率高、重量轻等突出优点外，还可以较为容易的通过矢量控制实现转矩的线性控制[3]，提高交流伺服系统的控制性能。钱铁硼以其极高的能密和矫顽力成为永磁同步电机常用的永磁体材料。我国稀土资源丰富，总储量约占全球稀土资源的80%，目前，航空航天领域以及民用领域的多种产品均使用

3、稀土永磁同步电机，因此，对永磁同步电机控制系统的研究对发展国防事业和国民经济都有巨大的战略意义。1.2伺服系统及其发展概况1.2.1伺服系统的概念及组成一个完整的伺服系统，通常由五部分组成：伺服驱动控制器、伺服执行元件（如永磁同步电机、BLDCM)、被控信号测量与反馈部分、误差放大与校正部分、被控对象。伺服系统按照伺服驱动器的不同可分为电气式、液压式和气动式三种；按照使用场合的不同可分为位置伺服系统、速度伺服系统、加速度伺服系统以及模拟、计量伺服系统等。电气伺服系统通常根据电机的种类进行分类，如：步进电机伺服系

4、统、直流BLDCM(无刷直流电机）伺服系统、交流感应电机伺服系统、永磁同步电机伺服系统等;根据控制器实现方法的不同有模拟伺服和数字伺服之分;根据闭环情况的不同，可分为单环、双环、多环以及幵环伺服系统。伺服系统的发展与伺服电机的发展关系密切，主要经历了三个发展时期.上世纪60年代以前：以步进电机作为主要的驱动元件，伺服系统的位置控制多为开环结构。上世纪60年代到70年代：直流伺服系统开始出现并得到迅猛发展，位置环由开环结构发展为闭环结构，位置伺服精度明显提高。但换向器的存在一直是影响直流电机伺服系统发展的瓶颈。上

5、世纪80年代至今：随着永磁材料的突破性发展，伺服电机的结构也得到了巨大的改进，出现了无刷直流电机（BLDCM)、交流永磁同步电机（PMSM)、感应电机以及幵关磁阻电机等新型伺服电机。特别是80年代以来，矢量控制技术的空前发展极大的推动了交流伺服驱动技术的进步，使交流电机的调速性能可与直流电机相娘美。伺服驱动的实现方式经历了从模拟式到数字模拟混合式再到全数字式的发展。伺服系统控制器的研究重心由硬件逐渐转移至软件部分，其软件设计也从外环向内环、甚至更接近电机环路的层次发展[6]。2永磁同步电机数学模型及矢量控制技术

6、2.1永磁同步电机数学模型永磁同步电机主要由定子、转子和端盖等部分构成，定子绕组与绕线式同步电机以及交流异步电机相同，采用分布及短距的三相对称绕组，以得到接近正弦的相电动势。转子为永磁体结构，大都为钱铁硼材料，该磁性材料具有极高的矫顽力和能量密度，因此一般不需要励磁绕组，避免了励磁绕组损耗和转子发热的问题，从而提高了电机效率。根据磁路在永磁体中的分布，PMSM的转子结构可分为面装式、插入式以及内埋式三种，本文使用4对极面装式PMSM，结构如图2.1所示。面装式PMSM中永磁体提供的磁通方向是径向的，永磁体的磁导

7、率与空气磁导率近似相等，因此交直轴磁阻和电感基本相等，在电磁性能上表现为隐极结构。面装式转子结构的PMSM具有结构简单、制造成本低，转子惯量小的优点，其永磁体容易实现气隙磁通趋于正弦分布的最优设计，可显著提高电机性能。本章通过建立PMSM空间矢量模型以及时域模型，明确d、q轴电压和电磁转矩与电机电流的关系，以此为基础分析PMSM的矢量控制原理，列举各种矢量控制算法的优缺点，选择SVP技术实现系统的驱动信号调制，并介绍其原理以及数字实现方法。最后基于实际系统参数分析电流环、速度环、位置环的频域结构，并列写传递函数

8、模型，根据实际调节目标选择闭环调节器的结构，并绘制校正后系统的开环Bode图，以验证所选择的调节器的校正效果，也为接下来的调节器优化设计奠定基础。3调节器优化及仿真实现.........333.1电流环仿真.........333.2速度环仿真.........353.3位置环仿真.........423.3.1位置增益选取及基本仿真.........423.3.2位置环前馈控制...