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永磁同步电动机伺服系统控制策略(1)

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2010/12/8 17:01:04   

  伴随着现代工业的快速发展,标志着一个国家工业实力的相应设备如精密机床、工业机器人等对其“驱动源”——电伺服驱动系统提出了越来越高的要求。而基于正弦波反电势的永磁同步电动机(简称PMSM)因其卓越的性能已日渐成为电伺服系统执行电动机的“主流”[1]。随着现代电力电子技术、微电子技术及计算机技术等支撑技术的快速发展,以永磁同步电动机作为执行机构的交流伺服驱动系统的发展得以极大的迈进。然而伺服控制技术是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一,是国外交流伺服技术封锁的主要部分。随着国内交流伺服用电机及驱动器等硬件技术逐步成熟,以软形式存在于控制芯片中的伺服控制技术成为制约我国高性能交流伺服技术及产品发展的瓶颈。研究具有自主知识产权的高性能交流伺服控制技术,尤其是最具应用前景的永磁同步电动机伺服控制技术,具有重要的理论意义和实用价值。

  永磁同步电动机伺服系统基本结构

  永磁同步电机伺服系统主要由伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应反馈检测器件组成,其结构组成如附图所示。其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等。全数字化的永磁同步电机伺服控制系统集先进控制技术和控制策略为一体,使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域,同时智能化、柔性化也已经成为了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势[2][3]。

  PWM调制技术及死区补偿技术发展现状

  PWM调制多采用异步调制方式,分滞环调制、正弦波调制、空间矢量调制(SVPWM)等。TI公司的ZhenyuYu等人分析了各种PWM调制方式基于DSP的数字实现技术[4]。滞环调制实现简单,但波形谐波大,性能较差。正弦PWM调制的信号波为正弦波,其脉冲宽度是由正弦波和三角载波相交而成,为自然采样,数字实现中变化出多种规则采样方法。有的文献中根据电机特点,在正弦波中叠加高次谐波,以抑制某些次谐波,达到优化电流波形的目的。80年代Broeck博士提出了一种新的脉宽调制方法——空间矢量PWM调制,将空间矢量引入到脉宽调制中[5]。它具有线性范围宽,高次谐波少,易于数字实现等优点,在新型的驱动器中得到了普遍应用。文献[6]分析了三相交流电机空间矢量脉宽调制的原理,探讨了采用空间矢量脉宽调制三相桥式电压型逆变器的电压输出能力。文献[7]将SVPWM和基于载波的SPWM进行了比较分析,指出了SVPWM和叠加了三次谐波的SPWM之间的联系。零序矢量放置的不同可以导致不同的SVPWM调制方式,每个PWM周期只插入一个零序矢量可减少1/3的开关次数,即可实现最小开关损耗SVPWM调制。

  IGBT等器件的死区是逆变器的非线性原因之一,会导致电流波形畸变,使控制性能变差[9]。针对死区的各种补偿技术的研究很多。文献[10]分析了死区对电流波形的影响,并给出了两种补偿电路。文献[11]分析了通常的电流反馈补偿和电压反馈补偿,提出了一种基于dq旋转坐标轴的前馈补偿方案,其校正不被逆变器输出的电压幅值和电流畸变影响,很好的补偿了逆变器输出电压的畸变。文献[12]分析了死区的作用,只在电流过零时给出一段死区,可以减小死区产生的畸变。文献[13]采用延时控制,在线实时估计死区引起的干扰电压,反馈给参考电压以补偿其影响。

  在感应电机的SVPWM调制方式控制中,文献[14]对定子电流进行预测,计算死区的影响,提出了预测补偿的算法。文献[15]通过仿真分析了逆变器死区的特性,建立死区的数学模型和整个系统的非线性模型,采用自适应变结构控制策略消除逆变死区的影响。不需要测量死区的参数,具有较强的鲁棒性,可使系统全局稳定并且达到准确的位置跟踪。

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