交流永磁同步伺服电机及其驱动技术 - PMSM

交流永磁同步电机及其 驱动技术1、交流永磁同步电机结构和工作原理 2、交流永磁同步电机磁场定向控制技术 3、交流永磁同步电机PWM控制 4、交流永磁同步电机驱动器

直流伺服电机存在如下缺点：

它的电枢绕组在转子上不利于散热； 由于绕组在转子上，转子惯量较大，不利于高速响应； 电刷和换向器易磨损需要经常维护、限制电机速度、 换向时会产生电火花限制了它的应用环境。

如果能将电刷和换向器去掉，再把电枢绕组移到定子 上，就可克服这些缺点。 交流伺服电机就是这种结构的电机。 交流伺服电机有两类： 同步电机 和 感应电机 永磁同步电机 (Permanent Magnet Synchronous Motor 简称PMSM)

1、结构 和工作原理

主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。

定子和一般的三相感应电机类似，采用三相对称绕 组结构，它们的轴线在空间彼此相差120度。 转子上贴有磁性体，一般有两对以上的磁极。 位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器 。

模拟结构图A

⊕⊙Y

Z

⊙

b

r

g g

B

⊕

br

⊕C

⊙

X

实物结构图

转子磁铁

定子绕组

霍尔传感器

PMSM优点

(1)功率密度大； (2)功率因数高(气隙磁场主要或全部由转 子磁场提供); (3)效率高(不需要励磁，绕组损耗小); (4)结构紧凑、体积小、重量轻，维护简 单；

PMSM缺点 (1)价格较高；

(2)起动困难，高速制动时电势高，给逆变器带来一定的风险； (3)他控式同步电机有失步和震荡的可 能性。

PMSM和BLDC电机的应用范围

软、硬磁盘驱动器、录像机磁鼓(视频磁 头)和磁带伺服系统

体积小、容量小、控制精度高

机床、机器人等数控系统

快速性好、定位(速度和位置)精度高、 起动转矩大、过载能力强

PMSM和BLDC电机的应用范围

交通运输

电动自行车、电动汽车、混合动力车、 城轨车辆、机车牵引

家用电器 冰箱、空调等(单位体积功率密度高、 体积小)

三相异步交流感应电机的工作原理

感应电机当其对称三相绕组接通对称三相电源后， 流过绕组的电流在定转子气隙中建立起旋转磁场， 其转速为:

60 f ns rpm p式中f —电源频率； p—定子极对数。

即磁场的转速正比于电源频率，反比于定子的极 对数； 磁场的旋转方向取决于绕组电流的相序。

由于电磁感应作用，闭合的转子导体内将 产生感应电流。这个电流产生的磁场和定子绕组产生的旋 转磁场相互作用产生电磁转矩，从而使转 子“跟着”定子磁场旋转起来，其转速为n。 n总是低于ns(异步)

,否则就不会通过切 割磁力线的作用在转子中产生感应电流。

永磁同步交流电机的工作原理

定子转组产生旋转磁场的机理与感应电机是相同 的。 其不同点是转子为永磁体且n与ns相同(同步)。 60 f n ns rpm p

两个磁场相互作用产生转矩。 定子绕组产生的旋转磁场可看作一对旋转磁极吸 引转子的磁极随其一起旋转。

T Fr Fs sin( s r )

要想实现四象限运行，关键是力矩的控制。 在永磁直流电机中，T=KtI。I为直流，只要改变电流的大 小就能改变力矩。 而交流电机中Fs是由三相交流电产生的，绕组中的电压及 电流是交流，是时变量，转矩的控制要复杂得多。 能否找到一种方法使我们能够象控制直流电机那样控制交 流电机？ 20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制 技术。 通过坐标变换，把交流电机中交流电流的控制，变换成类 似于直流电机中直流电流的控制，实现了力矩的控制，可 以获得和直流电机相似的高动态性能，从而使交流电机的 控制技术取得了突破性的进展。

2、磁场定向控制

永磁同步电机的定子中装有三相对称绕组a,b,c,它 们在空间彼此相差120度，绕组中通以如下三相对 称电流：

ia I m sin t

ib I m sin( t 120 ) ic I m sin( t 240 )

ia ib ic 0

即每个绕组中电流的幅值和相位都是随时间变化的， 且彼此在相位(与时间有关)上相差120度。

旋转磁场是三相电流共同作用的 结果，引入电流空间矢量的概念 来描述这个作用。在电机定子上与轴垂直的剖面上 建立一静止坐标系(a,b,c),其原 点在轴心上，三相绕组的轴线分 别在此坐标系的a,b,c三个坐标 轴上。 每一相相电流幅值和极性随时间 按正弦规律变化。可用空间矢量 描述，方向始终在a,b,c坐标系中各 相的轴线上。 is 定义合成定子电流矢量为：j120 j 240 每一相相电流空间矢量幅值和极 is ia ib e ic e 性的变化使得合成定子电流矢量 形成旋转磁场。

ia ib e

j120 2

ic e

j 240

ia aib a ic