電動推桿

PMSM的勵磁轉矩決定于永磁體勵磁磁場的強度以及定子電流空間矢量的幅值和相位,磁阻轉矩的大小也與定子電流矢量的幅值和相位有關?總之,在電動機結構確定后,電磁轉矩值便完全取決于定子電流矢量的幅值和相位?倘若能夠通過電動機外部的控制系統,既能獨立地控制定子電流矢量z,的幅值,又能獨立地控制其相位,就實現了對PMSM的矢量控制?對面裝式結構,也就將PMSM轉換為了一臺他勵直流電動機;對于插入式和內裝式結構,還要附加上磁阻轉矩?

(1) 電機控制方式

為使問題簡化,先來分析面裝式結構的PMSM,然后再考慮插入式和內裝式的凸極效應。

由于y是不可調節的,因此矢量控制就是控制定子電流矢量i?的幅值和空間相位?在電路上就是控制1的大小和其相對E?的相位y(內功率因數角)?

  當控制B=x/2時,如圖2-7所示,i,(f,)與i(y)正交?此時,1,與E同相位,因此每安電流產生的轉矩值最大,可以獲得最大的轉矩/電流比,電動機的銅耗也最小?顯然,這是一種很有吸引力的運行狀態?目前,由面裝式PMSM組成的高性能伺服驅動系統在恒轉矩運行區,幾乎都采用這種控制方式此時的電磁轉矩為

T_e=p_n?_fi_q=p_nL_mi_fi_q

  以時間相量表示時,為T_e=3P_nL_mI_fI_s=(3p_n/?_r)E₀I_s  

(2)電機矢量控制

  下面討論如何實現對i?的矢量控制?

在三相感應電動機轉子磁通矢量控制中,是通過控制同步旋轉MT軸系中的兩個坐標矢量is和ir來控制i的幅值和相位,為了能獨立地控制勵磁分量和轉矩分量,或者說為使iM成為勵磁分量,ir成為矩陣分量,就要先觀測轉子磁場軸線位置,然后使M軸與轉子磁場取得一致,即進行磁場定向?

  在PMSM中,同樣可以通過控制同步旋轉dq軸系中的兩個坐標分量id和i來控制i,的幅值和相位,但與三相感應電動機不同的是,這里的dq坐標已自然在轉子上,轉子勵磁磁場軸線即為d軸?由于PMSM的轉子磁極在物理上是可觀測的,因此可通過傳感器直接檢測到軸線位置?相對而言,這要比觀測感應電動機內的轉子磁場容易得多?從這一角度說,矢量的控制要比感應電動機容易實現?

  對于給定的id和i4坐標分量值,可以采用矢量變換,也可采用坐標變換,將其轉換為三相電流指令值,前者利用變換因子e,后者利用如下變換式,即

  為實現上述變換,就要隨時取得轉子位置信息0,?通常在電動機軸端(非負載端)安裝光電編碼器或分解器,隨時檢測轉子磁極軸線位置,給出角度信

(3)矢量控制系統

  ①逆變器與快速電流控制在下面的討論中,假定定子三相電流是由高開關頻率的電流可控PWM逆變器強迫輸入電動機的?對這種逆變器及其采用的電流調制與控制方式在第1章中已做了介紹和說明,這里不再贅述?

由于快速電流環的控制使定子電流能快速跟蹤參考電流,因此定子繞組相當于是由電流源供電的?這種控制的優點由圖2-10和圖2-11可以看出,由于定子電流是強迫輸入的,因此可以減小定子電感以及反電動勢對伺服驅動系統動態的影響,也簡化了控制過程?因為由式(230)可知,電磁轉矩的響應速度取決于定子電流的跟蹤能力?采用各種快速電流控制方法就是要提高這種跟蹤能力,盡量減少跟蹤過程中的延遲或畸變?然而,這種電流快速跟蹤能力,要受到逆變器電壓極限的限制?正如式(2-4)所示,定子電流的變化速率越大,需要的驅動電壓越高?

②面裝式PMSM矢量控制系統由于計算機技術的發展,特別是數字信號處理器(DSP)的廣泛應用,加之傳感技術或無傳感器控制技術以及現代控制理論(包括智能控制)的日漸成熟,使得交流電動機矢量控制不僅理論上更加完善,而且實用化程度也越來越高?可以說,目前在高性能交流伺服驅動系統中,已很少不采用矢量控制技術?