北京永光高特微電機有限公司
Beijing  YongGuang  Micro-Motor  Manufacturing  Co.,Ltd.
 
新聞詳情

永磁同步電動機及其調速系統綜述和展望

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:269

   摘要:詳細介紹了目前永磁同步電動機及其伺服系統領域研究的熱點問題,分析了最新技術發展對變頻調速系統產業化所帶來的影響,并對永磁同步電機變頻調速系統的發展前景進行了預測和展望。

1引  言

   當前市場上最為流行的電動機可以分為三類:直流電動機、同步電動機和異步電動機。這些電動機都可以在直流或交流供電下產生合適的轉矩來使電動機轉動。同步電動機的轉速是由定子電流交變頻率和極對數決定的。在電勵磁的同步電動機中,允許電動機在任何功率因數下工作。自控式調頻方法從根本上解決了振蕩、失步問題。因此,同步電動機變頻調速的應用范圍越來越廣闊,在電氣傳動領域里占有相當大的比重。用永磁體替代轉子繞組來產生恒定磁場的結構方法使電機真正實現了無刷化,這種電動機統稱為永磁同步電動機(PMSM)。目前永磁同步電動機常用的永磁材料是釹鐵硼合金和釤鈷合金。

   目前永磁電動機在我國開始廣泛的應用。永磁同步電動機具有功率密度大、效率高、轉子損耗小等優點,不僅在醫療器械、儀器、儀表、化工、輕紡以及家用電器等方面得到了廣泛的應用,而且在數控機床、工業機器人、音響設備、計算機外設、儀器儀表、微型汽車、電動自行車等設備中都已得到應用。而目前國內急需解決的主要問題就是控制器的國產化,降低電機成本,做好推廣應用。

2永磁同步電動機伺服系統

   研制高性能的永磁同步電動機伺服系統是機電工作者所面臨的一項重要任務。伺服技術是機電一體化技術的重要組成部分,它廣泛地應用于數控機床、工業機器人等工廠自動化設備中。隨著現代化生產規模的不斷擴大,各個行業對電伺服系統的需求愈益增大,并對其性能提出了更高的要求。因此,研究并制造高性能、高可靠性的電伺服系統有著十分重要的現實意義。伺服系統是由伺服電動機和驅動裝置兩部分構成的。忠實地執行控制命令而動作是對伺服系統的最基本要求。為達到這一要求,伺服系統應具有如下的特性:足夠大的力矩輸出;良好的位置控制能力;比較寬的調速范圍;能夠頻繁地起動、制動以及正反轉切換;在全速度范圍的平穩運行能力;良好的動態響應能力;較高的加、減速能力。

2.1永磁同步電動機伺服系統的優點

   隨著大功率開關器件、模擬和數字專用集成電路的不斷問世和控制理論的不斷進步,特別是微處理器、微控制器和微型計算機的出現,交流伺服系統得到了迅猛的發展,并已進入實用化階段,逐步形成了與DC伺服系統競爭并存在的局面。20世紀80年代以來,具有高磁能積(Br≥l T,Hc≥80 kA/m)、價格低廉的釹鐵硼(Nd.FeB)永磁材料的出現,使永磁同步電動機得到了很大的發展,世界各國(以德國和日本為首)掀起了一股研制和生產永磁同步電動機及其伺服控制器的熱潮,在數控機床、工業機器人等小功率應用場合,永磁同步電動機伺服系統是主要的發展趨勢。

   永磁同步電動機伺服系統的基本結構如圖1所示。

    圖1  永磁l司步電動機伺服系統

 永磁同步電動機優點:

 (1)永磁同步電動機與直流電動機相比較,除了具有無機械換向器和電刷、結構簡單、體積小、運行可靠、易實現高速、環境適應能力強這些優點外,還具有如下優點:易實現正反轉切換;定子繞組發熱、散熱容易;快速響應能力好;工作電壓只受功率開關器件的耐壓限制,可以采用較高的電壓,易實現大容量化。

   (2)永磁同步電動機與感應電動機相比較,具有如下優點:轉子沒有損耗,具有更高的效率;電機體積較??;由轉子磁鋼產生氣隙磁密,功率因數較高;在同樣輸出功率下,所需整流器和逆變器的容量較??;且有較小的轉動慣量,快速響應能力好。在感應電動機中,轉子電流產生的磁通(對應于勵磁磁通)的大小是不固定的,而且也不和定子產生的磁場正交,因為它是由勵磁磁通感應而產生的,因此,感應電動機的矢量控制比較復雜,而永磁同步電動機的勵磁磁通大小不變且與電樞電流有著固定的相位關系,因而控制比較簡單。永磁同步電動機伺服系統是一種閉環控制系統,因此,它徹底克服了永磁式步進電動機驅動系統(開環控制系統)所固有的振蕩和失步等缺點,提高了電機的輸出轉矩與電流比,總之,較之永磁式步進電動機驅動系統具有更高的運行速度,更穩定、更光滑的運行性能及更強的位置控制能力。

2.2永磁同步電動機的設計

   從圖1中可以看到,永磁同步電動機伺服系統包括永磁同步電動機和伺服驅動器兩大部分,永磁同步電動機性能的優劣在很大程度上決定了整個伺服系統的性能,而且伺服驅動器的設計也是依賴于永磁同步電動機的性能指標的,因此,必須根據伺服系統的要求,精心設計電動機。

2.3永磁同步電動機伺服驅動器

   一套優秀的永磁同步電動機伺服系統,除了要有設計良好的電動機外,還必需具備高性能的伺服驅動器,通過伺服驅動器的設計還可以在某種程度上彌補電動機性能之不足。

   圖l中位置環的作用是產生電機的速度指令并使電機準確定位。通過設定的目標位置與電機的實際位置相比較,利用其偏差通過位置調節器來產生電機的速度指令,當電機初始起動后(大偏差區域),應產生最大速度指令,使電機加速并以最大速度恒速運行,在小偏差區域,產生逐次遞減的速度指令,使電機減速運行直至最終定位。速度環的作用是保證電機的轉速與指令值相一致,消除負載轉矩擾動等因素對電機轉速的影響。速度指令與反饋的電機實際轉速相比較,其差值通過速度調節器產生相應的電流參考信號的幅值,電流參考信號幅值與,通過磁極位置檢測得到的電流參考信號相位相乘,即得到完整的電流參考信號(通常使電流參考信號與反電勢同相位),該信號控制電機加速、減速或勻速,從而使電機的實際轉速與指令值保持一致。速度調節器通常采用的是PI控制方式,對于動態響應、速度恢復能力要求特別高的系統,可以考慮采用為結構(滑模)控制方式或自適應控制方式等。

   PWM控制是交流調速系統的控制核心,任何控制算法的最終實現幾乎都是以各種PWM控制方式完成的。目前已經提出并得到實際應用的PWM控制方案就不下十幾種,關于PWM控制技術的文章在很多著名的電力電子國際會議上,如PESC、IEC—0N、EPE年會上已形成專題。尤其是微處理器應用于PWM技術并使之數字化以后,花樣是不斷翻新,從最初追求電壓波形的正弦,到電流波形的正弦,再到磁通的正弦;從效率最優、轉矩脈動最少,再到消除噪聲等,PWM控制技術的發展經歷了一個不斷創新和不斷完善的過程。到目前為止,還有新的方案不斷提出,其中,空間矢量PWM技術以其電壓利用率高、控制算法簡單、電流諧波小等特點在交流調速系統中得到了越來越多的應用。

   電流環由電流控制器和逆變器組成,其作用是使電機繞組電流實時、準確地跟蹤電流參考信號。電流控制器主要有線性電流控制器、滯環電流控制器和預測電流控制器三種。在線性電流控制器中,電機繞組電流與參考電流相比較,其差值通過PI控制器與三角波信號相比較,從而產生PWM信號控制逆變器,其優點是逆變器的開關頻率固定,缺點是易產生相移和系統延遲。在線性電流控制系統中,PWM開關頻率的變化對轉矩波動的影響不是很大,因此,PWM開關頻率的選擇應主要以適應電機的轉速范圍為依據,而并不是越高越好。在滯環電流控制器中,電機繞組電流與參考電流利用滯環比較器進行比較,滯環比較器的輸出用于控制逆變器。其優點是瞬態響應能力好,不存在相稱和系統延遲,缺點是逆變器的開關頻率不固定。采用滯環電流控制時,帶寬對電機的轉矩波動影響很大,為了減小轉矩波動宜采用較小的帶寬,但是帶寬的減小受到逆變器開關能力的限制,這在設計時需要綜合考慮。在預測電流控制器中,利用繞組實際電流的采樣值與參考電流的采樣值及電機的電壓方程,計算出強迫實際電流跟隨參考電流所需的電壓,通過PWM控制逆變器,采用積分補償環節可以有效地彌補電機參數變化對電壓計算結果的影響,這種電流控制方法具有良好的穩態和動態性能,其缺點是結構復雜并需要高速微處理器。

   目前永磁同步電動機伺服系統經常采用的電力電子器件主要有功率場效應管MOSFET和絕緣門極雙極型晶體管IGBT。其兩者均具有電壓控制、驅動功率小、并聯容易、工作頻率高的特點(MOSFET的工作頻率要高于IGBT)。IGBT通態電阻要比MOSFET小得多,且其具有很高的耐壓和工作電流,目前,已有專門的IGBT驅動模塊。

   永磁同步電動機伺服系統需要有轉子位置和速度的傳感器來為其提供三環反饋信號。比較常用的傳感器有霍爾集成電路傳感器、混合式光電編碼器(適用于無刷永磁直流電動機伺服系統);增量式光電編碼器、增量式磁編碼器、多轉絕對式光電編碼器、旋轉變壓器+RDC(適用于無刷永磁交流電動機伺服系統)。

3永磁同步電動機伺服系統的若干研究方向

3.1設計繞組電流的形狀降低轉矩波動

   永磁同步電動機的基本電磁轉矩是由定子繞組電流與反電勢相互作用產生的。當繞組反電勢為標準的正弦波或梯形波時,定子繞組采用標準的正弦電流或方波電流就可以產生恒定的基本電磁轉矩,但是,實際情況是由于電機機械加工誤差的存在和設計原因,產生完成標準的反電勢波形(正弦波或梯形波)是不大可能的。從另一方面講,由于繞組電感的存在以及電力電子器件方面的原因,繞組也不可能產生完全標準的電流波形(正弦波或方波)。通過對永磁同步電動機基本電磁轉矩公式研究(進行傅立葉分析),可以得出結論:對一給定的反電勢形狀(非標準形),恰當地選擇繞組電流的諧波成份可以降低基本電磁轉矩的波動;適當地選擇繞組電流的諧波成份,使基本電磁轉矩波動與定位轉矩相互抵消,還可以同時減弱基本電磁能矩波動和定位轉矩,這樣,就可以適當地減輕電機設計的壓力。

3.2無傳感器永磁同步電動機伺服系統    

   帶有位置傳感器控制的永磁同步電動機成本相對較高并且傳感器的性能易受到高溫、潮濕等惡劣:環境的影響,由此也影響了永磁同步電動機的推廣使用。    

   同時位置和速度傳感器的存在增加了永磁l司步電動機伺服系統的價格和體積,降低了其可靠性,限制了其應用環境。因此,作為永磁同步電動機伺服系統的一種重要發展趨勢,無傳感器永磁同步電動機伺服系統的研究受到了人們的高度重視。由于繞組反電勢直接反映了轉子磁極位置,因此,通過檢測繞組電勢的過零點,即可得到正確的換向信號,目前,已開發出多種基于反電勢過零檢測的無刷永磁直流電動機伺服系統。電機通常是被用作執行器的,但它也可以被用作傳感器,因為電機的電壓和電流包含有轉子的位置和速度信息。利用電機的實際電壓或電流作為電機動態模型(狀態方程)的輸入,利用動態模型的輸出(電流或電壓)與電機實際的電流或電壓相比較,用兩者的差值來控制電機的電流,使動態模型的輸出與電機的實測值相一致,即實現電機的自同步運行,這種無需傳感器的控制方法稱為狀態觀測器法,它適用于無刷永磁交流電動機伺服系統。另外一種無需傳感器的方法是在電機定子齒上設置檢測線圈,對檢測線圈施加高頻正弦電壓,利用檢測線圈電感隨轉角變化這一規律,可以得到反映轉角的信號,這種永磁同步電動機伺服系統嚴格講是有傳感器的,只不過是將傳感器集成到了電機結構之中。永磁同步電動機(PMSM)無位置傳感器調速系統具有控制方法簡單、轉矩脈動小、抗擾動能力強、調速性能好等特點,目前已經提出了很多轉速和轉角在線估計算法來獲取轉速和轉角。如模型參考自適應系統估計算法…、人工神經網絡估計算法、卡爾曼濾波估計算法、電流諧波估計算法、坐標方程和有估計偏差的d—q坐標軸方程對比推算出電機轉角等。電機模型的線性化和電機模型參數的慢時變以及電機的控制方法是當前研究無傳感器調速系統的焦點問題。在過去的研究中存在對電機參數敏感的缺點。

3.3全數字化永磁同步電動機伺服系統

   因為不存在模擬器件的特性漂移和偏差,全數字化永磁同步電動機伺服系統的可靠性要遠遠高于模擬系統;數字系統的控制邏輯由軟件來實現,增加了系統使用與設計的靈活性;另外數字系統在速度和精度方面也要明顯優于模擬系統。對于永磁同步電動機伺服系統來說,其最難實現數字化的部分是電流環,因為電流控制器數字化后需要很高的數字處理理能力,這是普通微機難以實現的。單片機已經在交流調速系統中得到了廣泛的應用。例如由In-tel公司1983年開發生產的MCS一96系列是性能較高的單片機系列之一,適用于高速、高精度的工業控制。8x196kB、8x196kc、8x196MC等在通用開環交流調速系統中的應用較多。由于交流電機控制理論不斷發展,控制策略和控制算法也日益復雜。擴展卡爾曼濾波、FF、狀態觀測器、自適應控制、人工神經網絡等等均應用到了各種交流電機的矢量控制或直接轉矩控制當中。因此,DSP芯片在全數字化的高性能交流調速系統中找到施展身手的舞臺。如TI公司的MCS320F240X等DSP芯片,以其較高的性能價格比成為了全數字化交流調速系統的首選。具有高速性能的數字信號處理器DSP的出現,使伺服系統的全數字化成為可能。在交流調速的全數字化的過程當中,各種總線也扮演了相當重要的角色。STD總線、工業PC總線、現場總線以及CAN總線等在交流調速系統的自動化應用領域起到了重要的作用??傊?,永磁同步電動機伺服系統的全數字化是發展之必然趨勢。

4高動態性能變頻調速的控制策略

   V/f恒定、速度開環控制的通用變頻調速系統和滑差頻率速度閉環控制系統,基本上解決了異步電機平滑調速的問題。然而,當生產機械對調速系統的動靜態性能提出更高要求時,上述系統還是比直流調速系統略遜一籌。原因在于,其系統控制的規律是從異步電機穩態等效電路和穩態轉矩公式出發推導出穩態值控制,完全不考慮過渡過程,系統在穩定性、起動及低速時轉矩動態響應等方面的性能尚不能令人滿意。

   矢量控制的優點在于高性能的DSP和高精度的光電碼盤轉速傳感器,調速范圍可達1:1000。動態性能也很好。矢量控制的不足和解決方法:轉子磁鏈定向會受電機參數(如轉子電阻)變化的影響而失真,從而降低了系統的調速性能。采用智能化調節器可以克服這一缺點,提高系統的魯棒性。

   直接轉矩控制摒棄了解耦的思想,取消了旋轉坐標變換,通過檢測電機定子電壓和電流,借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉矩,并根據與給定值比較所得差值,實現磁鏈和轉矩的直接控制。直接轉矩控制的優點在于砰一砰控制屬于P控制,可以獲得比PI控制更快的動態轉矩響應。按定子磁鏈控制,避免了轉子參數變化的影響。直接轉矩控制的不足和解決辦法:砰一砰控制引起轉矩脈動,帶積分環節的電壓型磁鏈模型在低速時誤差大,這

都影響系統的低速性能。低速時改用電流型模型,可減小磁鏈誤差,但又受轉子參數變化影響,犧牲了魯棒性好的優點。

   盡管矢量控制與直接轉矩控制使交流調速系統的性能有了較大的提高,但是還有許多領域又待研究:

   (1)磁通的準確估計或觀測;

   (2)無速度傳感器的控制方法;

   (3)電機參數的在線辨識;

   (4)極低轉速包括零速下的電機控制;

   (5)電壓重構與死區補償策略。

5展  望

   作為交流伺服系統發展的一種重要趨勢,永磁同步電動機伺服系統的研究愈益受到人們的重視。同其它伺服系統相比,永磁同步電動機伺服系統在性能和結構設計上有其獨特之處。

   目前,國內變頻調速系統的研究非?;钴S,但是在產業化方面還不是很理想,市場上大部分產品還是被國外公司所占據。在交流調速的研究與制造過程中,硬件的設計與組裝占了相當大的比重。我們要抓住機會,利用本身的市場有利條件,在我國形成交流調速系統的制造業中心,使我國工業上一個新的臺階。需要注意的是發達國家在高技術領域是不會輕易放棄的,他們非常注意核心技術及軟件的保護和保密,為此,必須加大該領域的科研與開發的力度。

聯系方式
 
 
 工作時間
周一至周五 :8:00-17:00
 聯系方式
于海騰:010-83971821
姜宇:010-83510840
周圍:010-61402950
麻豆画精品传媒2021网站入口| 美女张开腿露出尿口扒开来摸| 欧美人与动XXXXZ0OZ| 一个添下面两个吃奶把腿扒开| 亚洲一区二区偷拍精品| 1区1区3区4区产品乱码不卡| 男女肉粗暴进来120秒动态图|