现代交流伺服系统 课件 第7、8章 永磁同步电动机伺服系统的特殊问题、交流永磁伺服系统的控制形式和控制器

第7章永磁同步电动机伺服系统的特殊问题

内容提要7.1

PMSM的d-q轴基本数学模型7.2磁阻转矩的利用7.3永磁伺服电动机的弱磁调速控制问题7.4交流永磁伺服电动机初始定向问题的讨论永磁同步电动机伺服系统的特殊问题1

为了分析与控制简单起见，采用了不计铁损、涡流损失的d、q轴基本数学模型。主要出于对电流控制方法的考虑，而不计运动方程与负载特性的研究。

各状态变量之间的关系的矢量图如图7-1

所示。7.1PMSM的d-q轴基本数学模型图7-1

PMSM基本矢量图2

7.1PMSM的d-q轴基本数学模型3

7.1PMSM的d-q轴基本数学模型4

7.1PMSM的d-q轴基本数学模型5

7.2磁阻转矩的利用6

7.2磁阻转矩的利用7

7.2磁阻转矩的利用

87.3永磁伺服电动机的弱磁调速控制问题

图7-2

圆筒形外装转子结构示意图97.3永磁伺服电动机的弱磁调速控制问题

107.3永磁伺服电动机的弱磁调速控制问题

117.3永磁伺服电动机的弱磁调速控制问题

图7-3

稳态时的电压矢量图127.3永磁伺服电动机的弱磁调速控制问题图7-4

输出最大转矩时的电动机定子电流矢量轨迹图7-5

交流永磁同步电动机的弱磁控制特性137.3永磁伺服电动机的弱磁调速控制问题

147.3永磁伺服电动机的弱磁调速控制问题

157.3永磁伺服电动机的弱磁调速控制问题

167.3永磁伺服电动机的弱磁调速控制问题

177.3永磁伺服电动机的弱磁调速控制问题

187.3永磁伺服电动机的弱磁调速控制问题

由上述电压限制方程得出，电动机的端电压被限制在椭圆的内侧，并且这个椭圆随着电动机速度上升移向内侧，这就使得同时满足电流限制和电压限制的范围越来越窄，如图7-6所示。图7-6

在电压电流受限情况下的电流矢量197.4交流永磁伺服电动机初始定向问题的讨论

初始定向：对于PMSM、BDCM而言，在初始启动时就希望以额定电流的合成磁场实现对永磁体磁场正交的矢量控制，以完成启动过程的一种定位方法。如能正确初始定向，PMSM、BDCM系统将会得到安全、快速起动并进入平稳运行状态。 初始定位的方法有多种，各有特点和应用场合，下面讨论其中的几种。

(1)采用绝对式光电编码器

(2)采用混合式光电编码器 (3)永磁场与电枢反应合成磁场正交207.4交流永磁伺服电动机初始定向问题的讨论(1)采用绝对式光电编码器图7-7

绝对式光电编码器构造a)码盘构造b)编码器结构示意1-缝隙2-固定缝隙板3-旋转圆盘217.4交流永磁伺服电动机初始定向问题的讨论(1)采用绝对式光电编码器

在旋转码盘上制成8-12个码道，图7-7a)中仅用4个码道的情况来说明其原理；编码器整体结构示意如同图7-7b）所示。

绝对式光电编码器的特点是：输出的二进制数与轴角位置具有一一对应的关系；在需要更多码道时，虽然提高了位置的分辨率，但增加制造的复杂性，需要更多的光电元件。若用计算机采样处理位置时，由于延迟时间的存在，限制了在高速控制的工作需要。假若实现位置信号的并行处理，虽然可以提高传输工作速度，但引线增多，给使用造成不便。而且编码器的造价较高，因此在一般工业上采用较少。227.4交流永磁伺服电动机初始定向问题的讨论

图7-8a)

交流伺服电动机光电编码器的组成237.4交流永磁伺服电动机初始定向问题的讨论(2)采用混合式光电编码器(以二极电机为例)

混合式光电编码器的的输出信号波形如图7-8b)所示。

这种混合式光电编码器常用在方波型交流永磁电机中，也称为BDCM，这种结构把旋转电机气隙中的空间位置转换成输出电信号的时间相位，通过处理输出信号就可以取得定转子磁场间相应的位置范围。图7-8b)

交流伺服电动机用光电编码器的输出信号波形247.4交流永磁伺服电动机初始定向问题的讨论

257.4交流永磁伺服电动机初始定向问题的讨论

26(1)写出在d-q轴下的PMSM电压方程和电磁转矩方程。(2)阐述永磁交流伺服电动机弱磁控制的基本思想。(3)交流永磁伺服电动机初始定位的方法有什么？复习题及思考题27第8章交流永磁伺服系统的控制形式和控制器

内容提要8.1转矩控制/电流控制、电流控制器8.2速度控制与速度控制器8.3位置控制与位置控制器永磁同步电动机伺服系统的特殊问题29

8.1转矩控制/电流控制、电流控制器电扭矩扳手起重机30

速度控制器的目标是要使伺服电动机所驱动的负载按着所要求的恒值或任何速度变化规律运动。它是在全运动过程中体现的品质要求，一般来说，速度控制通常采用PI型控制器，构成一个速度无误差控制器，不但可使系统稳定，而且能有足够的稳定裕度。

下图为一些常见的速度控制系统。8.2速度控制与速度控制器飞机螺旋桨涵道风扇31

由于电流响应很快，其响应远远大于转子速度响应，因此为了简化速度环的设计，可以把电流闭环视为一个小惯性环节，或当作一个比例因子来看。

通常按伺服系统开环传递函数分母中含有积分环节的个数区分为不同型别的伺服系统。其中，0型系统的稳态精度低，Ⅲ型及以上的系统又很难稳定。为了保证系统的稳定性和较高的稳态精度，根据伺服系统的输入信号，通常可以采用Ⅰ型或Ⅱ型系统。典型Ⅰ型系统的开环传递函数为：

其中，T

为电机转子系统的惯性时间常数；K为系统的开环增益。8.2速度控制与速度控制器32

图8-1典型I型系统的闭环系统结构及其开环对数频率特性a)结构图b)对数频率特性8.2速度控制与速度控制器33

对于典型的Ⅰ型系统的开环传递函数，包含开环增益K和系统时间常数T两个参数。其中，时间常数T在实际系统中视为被控对象和电机本身所固有的，所以K

是唯一待定参数。下面就介绍开环增益K

值与系统主要性能之间的关系。

(1)稳态跟随性能与系统的开环增益的关系 系统稳态跟随性能指标，可用不同输入信号作用下的稳态误差大小来表示。Ⅰ型系统在几种典型输入信号的作用下，产生的稳态误差情况如下表8-1所示。同时可以得出结论：不能将加速度信号输入Ⅰ型伺服系统中。表8-1

I型系统在不同的典型输入信号作用下的稳态误差8.2速度控制与速度控制器34

8.2速度控制与速度控制器35(3)典型Ⅰ型伺服系统抗扰性能指标与参数关系

8.2速度控制与速度控制器36

图8-3a)

典型

I型系统在扰动点作用下的伺服系统结构8.2速度控制与速度控制器37

图8-3b)典型I型系统在一种扰动作用下的等效框图8.2速度控制与速度控制器38

8.2速度控制与速度控制器39

对于Ⅱ型伺服系统，也可以通过分析研究得出相应结论：Ⅰ型和Ⅱ型系统除了稳态误差有区别外，就一般情况来说，在动态性能上，Ⅰ型系统在跟随性能上能做到超调小，跟踪性能好，但抗扰能力差；而Ⅱ型系统的超调量相对较大，而抗扰性能较好。

所以，在选择伺服系统的型别上是很重要的，在选好型别的基础上，再匹配好参数，才能达到最佳的控制效果。8.2速度控制与速度控制器408.3位置控制与位置控制器

位置控制的根本任务是实现执行机构对位置指令全程的精准复现与跟踪。位置控制的主要指标是高度的跟随性。借助于电流内环控制，提供充足的动力，驱动电机以适当的速度，实现位置控制目标。

下图为位置控制系统的示例。RMS1云台部分多轴机械臂418.3位置控制与位置控制器如图8-4为位置控制系统的结构组成。

对于三环控制系统，内环是由电流环和速度环组成的，由于电流环和速度环相对于最外环来说，截止频率远高于外环，在只考虑位置环的输出特性时，可以视两个内环为一个常数，此时简化的位置伺服系统框图如图8-5所示。图8-4位置伺服系统的组成框图图8-5位置伺服系统的简化框图42简化模型为典型的Ⅰ型伺服系统，开环传递函数为：闭环传递函数为：位置输入函数为斜坡型，如图8-6所示。斜坡输入函数Ft的拉氏变换为：图