（电力系统及其自动化专业论文）永磁同步电机的通用交流伺服系统设计.pdf

哈尔滨理工大学- t 学硕 ：学位论文 d e s i g no fu n i v e r s a la c s e r v os y s t e mo fp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r a b s t r a c t s e r v os y s t e mc o m b i n e st h ee l e c t r i c a lm o t o rt h e o r yw i t ht h em o d e mp o w e r e l e c t r o n i c st e c h n i q u e s ，s e n s o rt e c h n i q u e s ，m i c r o p r o c e s s o rt e c h n i q u e sa n da d v a n c e d c o n t r o lt h e o r y t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ed e s i g no ft h es y s t e mf o rp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o rs c r v os y s t e mb a s e do nt h em o s ta d v a n c e dd s pc h i p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 , a n dh a sd o n es o m et h e o r e t i cr e s e a r c ha sw e l l 勰e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ht os o m ek e y p a r t s f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fa cs e r v o s y s t e m s ，a n du n d e r s t a n d st h es i g n i f i c a n c eo ft h ed e v e l o p i n gp m s ms e r v os y s t e m c l e a r l y , t h e nb r i n gf o r w a r dt h ec o n t e n ta n dp l a i nf o rt h es t u d y s e c o n d l y , t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sh o wp m s mw o r k sa n dh o wt oc o n t r o li t i t s u m m a r i z e st h ep r i n c i p l ea n di m p l e m e n t a t i o no ft h ef i e l d o r i e n t e dc o n t r o l ，a d o p t s t h ef i e l d - w e a k e nb a s e do nt h es m a l l e s tp o r tv o l t a g er a t i ot oe x t e n dt h er a n g eo fs p e e d ， a n dd e s i g n st h ec o n t r o ls c h e m eo fa cs e r v oc o n t r o ls y s t e m t h i r d l y , a ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fm o t o rc o n t r o lu s i n gs v p w m t oa c h i e v e f i e l d - o r i e n t e dc o n t r o li sd e s i g n e db a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 1 2i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，i n w h i c ht h em a i nc i r c u i ti sat y p eo ft w ol e v e l v o l t a g et h r e e p h r a s ea c d c - a c i n v e r t e r i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) i su s e da st h ei n v e r t e r a tt h es a m et i m e ，d o s o m er e s e a r c h i n go nt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o r t h es y s t e m a tt h es a m e t i m e ，a l s od os o m er e s e a r c h i n go nt h ee m l ( e l e c t r o n i cm a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) a n de m c ( e l e c t r o n i cm a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) o ft h es y s t e m f i n a l l y , t h e r e s u l to f e x p e r i m e n t i s p r o v e d c o r r e c ta n d d e e p e n e d t h e c o n c l u s i o n sd r a w nf r o mt h e o r e t i cr e s e a r c h k e y w o r d s ：s e r v os y s t e m ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , v e c t o rc o n t r o l ，f i e l d w e a k e nc o n t r o l ，s v p w m 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文永磁同步电机的通用交流 伺服系统设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不 包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 储躲伽卜眺2 0 0 s 年3 月9 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 材，m a x t o ，妒，则进入弱磁控制。 该弱磁控制的算法如下： 由式( 2 3 8 ) 和式( 2 4 6 ) 构造辅助函数： f ( i d ，i q ) = ( p ) 2 + ( 屯+ 妒- r d ) 2 + a 乜一只l 吵，i q + ( 厶- l 。) 屯f 。j ( 2 4 7 ) 式中a 为拉格朗日乘子。对上式分别求偏导，令其等于零，对得到的方程式求 解，可得到在最小端电压比电流控制下的交、直轴电流关系如下： 绁丝丛訾竽型 ( 2 - 4 8 ) d 。= 7 = x 一 l z 。6 j 2 5 空间矢量脉宽的调制的实现 p w m 控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压 第2 章矢量控制的原理和永磁同步电机的模型 脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压的目的，或者控制电压 脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术1 3 。 p w m 控制技术又有许多种，基本上可以分为四类：等脉宽p w m 法，正弦 波p w m 法( s p w m ) ，空间矢量脉宽p w m ( s v p w m ) 和电流跟踪型p w m 法。 空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 是从电动机的角度出发，着眼点在于如何使 电动机获得圆形磁场。它是以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁 链圆为基准，用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢量来追踪基准磁链 圆，由追踪的结果决定出逆变器的开关模式，形成p w m 波。此方法具有实现 交流侧正弦化、开关损耗小、调频范围广、调速方法灵活等特剧3 2 , 3 3 。 假设以式( 2 4 9 ) 所示的三相对称正弦波电压驱动三相电动机。 c 0 s 日 一面陋8 + 争 酬口一争 ( 2 4 9 ) 式中为相电压有效值。在此三相对称电压作用下，如果忽略定子绕组的电 阻，则电动机各相磁链值可表示为： 阡譬 s i n 口 咖争 s i n ( 0 - 2 j z r - ) 将上式进行由a b c 轴系变换到由轴系，其变换式如下： 阶闫篇础c o s ( o - 1 拗2 0 。卜) c o 豳s ( o + 1 2 坳0 。) 蚓 妒a ”阶妒，瞄】 ( 2 5 0 ) ( 2 5 1 ) ( 2 - 5 2 ) 哈尔滨理丁大学t 学硕十学位论文 j 虱l 矽坍1 _ ( 2 5 3 ) 。l aj 式中：为电源频率；u 为电动机相电压有效值； 当电压频率比u f 为常数时，磁链圆半径为常数。随着o ( 0 的变化，磁 链矢量，就形成了一个以为半径的圆形轨迹，即得到一个理想磁链圆如 图2 6 所示： 2 5 1 电压空间矢量 典型的三相电压源型逆变器的结构如图2 7 所示，阮、砺、阢是逆变器 的输出。v 1 v 6 是六个功率晶体管，他们分别由六个p w m 信号控制。当同一 桥臂的上一晶体管处于导通时，则下一晶体管处于关闭状态。 逆变器的六个开关器件可以形成8 种开关模式。其中，6 种开关模式产生 输出电压，在三相电动机中形成相应的6 个电压矢量：2 种开关模式不输出电 压，形成零矢量。例如，当v 1 ，v 3 ，v 6 导通时，即开关变量矢量( abc ) 的值为 ( 11 0 ) ( a 值为1 时表示v 1 导通，v 2 断开) ，电流由电动机的a 、b 端流入，由 qjl k | 、 1 0 v u s ，通常的型号有： h c p l 4 5 0 4 ，t l p 5 5 9 ，6 n 1 3 6 ，并且在光耦的输出端接一个0 1 肛f 的退耦电 容。 故障信号f 0 使用时必须注意，当t m = 1 8 m s ( 典型值) 有效时，i p m 会关断 开关并使输入无效。在f 0 结束后，自动复位，同时使输入有效。因而在f 0 输 出时系统必须在1 8 m s 内使p w m 信号无效，等故障排除后方可重新有效。低 速光耦可用于故障输出端。 3 2 5 3i 州的自保护功能口m 内部集成自保护功能，共有4 路保护，分别是 上桥臂三路保护u m 、v v o 、w f o ，下桥臂公用保护f o 。每个保护都包括过 温、过流、欠压、短路保护。如果其中有一种保护电路动作，i g b t 栅极驱动 单元就会关断电流并输出一个故障信号，各个保护功能的工作情况将在保护电 路中进行介绍。 3 2 6 吸收电路 开关过电压是i g b t 在开关状态转换过程中产生的过电压，也叫瞬态过电 压，消除这种电压尖峰的电路叫吸收电路。回路中引线的杂散电感厶和开关 转换时的电流变化率就产生了开关过电压，即l s d i d t 。 3 261 吸收电路的类型i g b t 的关断缓冲吸收电路分为充放电型和放电阻 止型2 类。充放电型有r c 吸收及r c d 吸收2 种，如图3 3 所示。 1 、_ = 竺旷 一 + j 一r f = ； ij ：跚 型 = c t 一7 ，。 ：垡出 垂 ，i z h 盖 ，、7 、一、7 、一 a ) r c 吸收电路b ) r c d 吸收电路 图3 3 充放电型吸收电路 f i g 3 - 3t h ea b s o r bc i r c u i to fc h a r g e - d i s c h a r g e 4 0 第3 章基于d s p 的永磁同步电机伺服系统硬件电路设计 r c 吸收电路因电容c 的充电电流在电阻r 上产生压降，会造成过高的过冲电 压。r c d 吸收电路因二极管旁路了电阻r 上的充电电流，克服了过冲电压较 高的缺点。r c 吸收及r c d 吸收电路因直接并联在i g b t 的c 、e 极两端， i g b t 关断时吸收电容g 的电压从零开始上升，因而具有较好的过电压吸收效 果。使得i g b t 关断时的电流、电压的运行轨迹靠近电流、电压坐标轴，提高 了i g b t 关断时的安全性，降低了它的关断损耗。但电阻r s 需承受电容g 从 零电压开始充放电的电流，使它的功耗较大。放电阻止型缓冲吸收电路中吸收 电容g 的放电电压为电源电压，每次关断前，电容g 仅将上次关断电压的过 冲部分能量回馈到电源，减小了吸收电路的功耗。因放电阻止型吸收电路的电 容电压在i g b t 关断时从电源电压开始上升，它的过电压吸收能力不如r c d 充放电型。i g b t 关断时集电极电流、电压的运行轨迹靠近安全工作区的边 缘，且只能吸收过电压，不能降低i g b t 的关断损耗。放电阻止型高效缓冲吸 收电路有3 种类型，如图3 - 4 的a ) 、b ) 、c ) 所示。从吸收过电压的能力来说， 放电阻止型吸收效果稍差，但能量损耗小。 图3 4a ) 中如、工以为主电路的布线电感与滤波电容器c 口的寄生电感之 和，g 为吸收电容器，厶为g 的寄生电感。当i g b t 关断时，厶的储能转移 到c j 中，g 充电，充电电流将在厶上产生1 个尖峰过电压z l u m x = l 胡l i d t 。为 了减小此过电压，吸收电容a 应采用无感( 低感) 专用吸收电容器。 因图3 4a ) 电路中吸收电容g 、电感厶的回路中没有阻尼电阻r ，容易发 生主电路厶与g 的共振，形成振荡电压，但由于c s 直接连接在直流电源的两 端，取较大的电容值不会影响电路的正常工作，因此可用增大g 容量的办法 避免共振并取得较好的吸收效果。图3 - 4a ) 吸收电路适应于小容量i g b t 装 置，也可与别的吸收电路共用于大容量装置中。 图3 4b ) 高效r c d 吸收电路适应于中等容量的装置中。吸收电容g 通过 职充电，通过咫放电，因有足的阻尼能消除r 。放电造成的电流振荡。 图3 4c ) 每单元i g b t 均有1 个缓冲吸收电路，具有较好的吸收效果。可 用于大容量的装置中。如将图3 4a ) 和图3 4c ) 吸收电路联合应用，能取得更好 的吸收效果。 缓冲吸收电路的要点是：1 ) 尽量减小主电路的布线电感厶：2 ) 吸收电容应 采用低感吸收电容器，为了减小吸收电容的厶，它的引线应尽量短，最好直接 接在i g b t 的端子上；3 ) 吸收二极管应选用快开通与快速软恢复二极管，以免 产生开通过电压和反向恢复引起较大的振荡过电压。 4 1 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 a )b )c ) 图3 4 放电阻止型吸收电路 f i g 3 - 4t h ea b s o r bc i r c u i to fs t o p i n gd i s c h a r g e 3 26 2 吸收电路参数计算本系统采用的是充放电型r c 吸收电路。由于本系 统在主电路直流侧电压高于1 5 0 v 时，在某些时刻会出现误关断的现象，而在 采用了上述吸收电路后，充放电型r c 吸收电路能消除这一现象，且能很好的 控制电压尖峰。经测试，主回路直流侧为3 1 0 v 时，本系统电压尖峰控制在5 v 以内，取得了很好的效果。因此这里仅介绍充放电型r c 吸收电路的参数计 算。 吸收电容c j 的计算公式为： t ，2 l c 。丽s l l ( 3 - 1 3 ) 4 ( 甜u 。1 2 7 式中：l ，为引线杂散电感；尼为最大负载电流：d u 为保护程度；为直流侧 母线电压。 引线的杂散电感我们以io e m 长的引线为1 h 来估计，负载电流为2 8 a ，保护 程度取1 5 ，直流侧母线电压为3 1 0 v ，因此 e一等等22x10-6310) ( f ) 。i 一 r - 。 ( 1 5 2 、7 选取g 为i o 比f 6 3 0 v 的无感电容。 电阻r 。的计算公式为： r ，= 寿( 3 - 1 4 ) i 6 ss j 。 4 2 第3 章基于d s p 的永磁同步电机伺服系统硬件电路设计 式中 为开关频率，在选定g 之后，只要满足 耻2 厝 ( 3 1 5 ) 就尽量取小的电阻值。因为凡越小，g 越大，对限制过电压就越有利。 选取b 为1 0 q 1 0 9 的绕线电阻。 3 3 系统保护电路的设计 虽然在口m 模块中己经设有过流、过热等保护，但为了提高系统的可靠 性及更好的保护i g b t 管，我们仍须设置一套快速而准确的保护环节以防止各 种故障。在此，针对这些问题，设计了系统过压、欠压保护、限流起动、i p m 故障保护等电路。电路如图3 5 所示。 o 一一 一n一n 二，“，j一一 一一： 图3 - 5 系统保护原理图 f i g 3 - 5t h es c h e m a t i co fs y s t e mp r o t e c t i o n 所有的保护电路的故障信号输出相与，所得的信号送入d s p 的p d p i n t a 中断口，当d s p 的p d p i n t a 管脚接收到低电平信号，d s p 将做出相应的中断 处理，立即封锁p w m 输出及停止运行。 由于保护电路属于系统的弱电控制部分，而故障信号又是从主电路中取 出的，为保证系统工作稳定应实行弱电和强电隔离，即使两者之间既保持控制 信号联系，又要隔绝电气方面的联系。这就要求我们在设计保护电路的同时应 该考虑抗干扰问题。以下将分别介绍各个保护装置。 4 3 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 3 1 过压、欠压保护电路 系统中设置了直流电压过压、欠压保护电路。因为i g b t 集射极耐压及 承受反压的能力有限，而我国电网电压的线性度较差，电压会有一定的波动范 围，这会导致直流回路过压或欠压，因此应设置直流电压过压、欠压保护电 路，如图3 - 6 所示。直流电压保护信号取自主回路滤波电容器两端，经电阻分 压后送入控制电路。光电耦合器是用来抑制输入信号的共模干扰。利用光电耦 合器把各种模拟负载与数字信号源隔离开来，也就是把“模拟地”与“数字 地”断开。被测信号通过光电耦获得通路，而共模干扰由于不能形成回路而得 到有效抑制。 图3 石过压和欠压保护电路 f i g 3 - 6t h es c h e m a t i co fp r o t e c t i o no fo v e r v o l t a g ea n du n d e r v o l t a g e 在过( 欠) 压保护中，当采样电压高( 低) 于保护参考点电压时，光耦输出端 输出低电平，与其它故障信号相与后送入d s p 的p d p i n t a 中断口，当d s p 的p d p i n t a 管脚接收到低电平信号，d s p 将做出相应的中断处理，立即封锁 p w m 输出及停止运行。 3 3 2 限流启动电路 此电路是用来防止在开启主回路时，由于储能电容大，加之在接入电源时 电容器两端的电压为零，故当主电路刚合上电源的瞬间，滤波电容器的充电电 流是很大的，过大的冲击电流将可能使整流桥的二极管损坏。因此为了保护整 第3 章基于d s p 的永磁同步电机伺服系统硬件电路设计 流桥，在主电路上串接入限流电阻尺4 ，当滤波电容上的电压达到电机正常运行 的6 5 时，电压继电器常开触头闭合，将电阻尺4 短路，结束限流起动过程， 进入正常运行状态。电路如图3 7 所示。 图3 7 限流启动电路 f i g 3 - 7t h es c h e m a t i co fl i m i t i n gc m r e n ts t a r t i n g 3 3 3i p m 故障保护电路 i p m 有内置保护电路以避免因系统失控或过载而使功率器件损坏，内置保 护功能的框图如图3 8 所示。如果i p m 模块其中有一种保护电路动作，i g b t 栅极驱动单元就会关断电流，并输出一个故障信号f 0 。以下介绍各个保护功 能的工作情况。 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 图3 - 8 i p m 内部故障电路 f i g 3 - 8t h es c h e m a t i co fi n t e r n a lf a u l to fi p m 3 3 3 1 过电流保护功能通过检测i g b t 集电极电流进行过电流保护，如果集 电极电流超过允许值( o c ) ，且持续时间大于( 锄0 0 ，则软关断i g b t ，并输出 过流保护故障。由于有锄o c ) 这么长时间的保护动作延时，瞬间过电流及噪声 不会导致误动作。同时还具有防止误动作闭锁功能，在保护动作闭锁期间，即 使有控制信号输入，i g b t 也不工作。如图3 9 所示。 3 3 3 2 短路保护功能过电流保护动作时，短路保护将联动，能抑制因负载短 路及桥臂短路产生的峰值电流。如果集电极电流超过容许值( s c ) ，则立即关断 i g b t ，输出短路保护故障。如图3 - 9 所示。短路保护及过电流保护实际上均是 对i g b t 的集电极电流进行检测，无论哪个i g b t 发生异常都可保护，由于电 流检测内置，故无需另加检测元件。 3 3 3 3 控制电源欠电压保护如果某种原因导致控制电压符合欠压条件，该功 率器件会关断i g b t 并输出故障信号。如图3 1 0 所示，当控制电源电压小于允 许的下限电压( 硼) 时，则i g b t 关断，输出故障信号。如果毛刺干扰时间小于 规定的时间( t d v v ) n 不会 第3 章基于d s p 的永磁同步电机伺服系统硬件电路设计 卜磊磊函嚣十画焉一b 磊f 卜霜霜淼，叫 图3 - 9 过流和短路保护功能时序图 f i g 3 - g t h es c h e d u l i n go fp r o t e c t i o no fo v e r c u r r e n ta n ds h o r tc i r c u i t h 1 e 冈l l 讪t e v o l t a 6 e v 壅 u ul u 1 jl 厂u 1 儿r u u u 仉盯 i z 厂一 厂_ 、厂卡、 ?zir 1 i 二1 v u ii i 、 一一7 r 马帅 i k l 一 - t r l il 1几n 几n 图3 - 1 0 控制电源欠压保护时序图 f i g 3 1 0t h es c h e d u l i n go fu n d e r v o l t a g eo ft h ec o n t r o lp o w e r 出现保护动作。欠压保护采用滞环控制方式，即当恢复至上限值( 狮) 时， 且输入信号为o f f ，则解除报警。 3 3 3 4 管壳及管芯温度过热保护采用与i g b t 、续流二极管管芯装在同一陶 瓷基板上的测温元件检测基板温度，同时采用与i g b t 管芯在一起的测温元件 测i g b t 管芯温度。当检测出温度超越保护温度值( o t ) ，过热保护动作，i g b t 被软关断。当温度降至复位温度( o t r ) ，且输入信号为o f f ，则解除报警。如 4 7 哈尔滨理工大学工学硕：t 学位论文 图3 - 1 1 所示。 3 3 3 5 报警输出功能在桥臂各种保护动作闭锁期间，输出报警信号，如控制 输入为o n 状态，即使闭锁期已结束，报警输出功能也不复位，等到控制输入 变为o f f 时，报警复位，保护动作解除。 注意：口m 内含的保护并不是对付反复出现的故障，因此，不要加有长期 超过最大额定值的负载。输出故障信号f o 后，应立即送入控制处理器d s p 的 中断p d p i n t a 产生中断，停止运行并封锁送到口m 的输入信号，在排除了故 障之后再启动运行。电源上电时应先接通控制电源v c c ，然后再加主电源。如 果先加主电源，则可能在保护功能还未起作用时，口m 已损坏。由于口m 大 多工作在p w m 信号控制的高频开关状态，且电流较大，温度上升较 s i m u t 几几几几几几几几几几n 厂 b s ep ij e t e m p e r t u r e o b f u l t a m ，u t c u r r e h t ( k 0 图3 - 1 1 温度保护时序图 f i g 3 1 1t h es c h e d u l i n go fp r o t e c t i o no ft e m p e r a t u r e 快，即使有过热保护