永磁同步電動機步進控制動態特性研究

2012-08-28 06:50:26李小慶

電機與控制應用 2012年9期

關鍵詞：交流

劉斌，李小慶，董硯，鄭易

(河北工業大學控制科學與工程學院，天津 300130)

0 引言

20世紀80年代，永磁材料特別是高磁能積、高矯頑力、價格低廉的釹鐵硼永磁材料的發展，使人們研制出了價格低、體積小、性能高的永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)。PMSM以其高效率、高轉矩慣量比、高能量密度而受到諸多關注，因而在數控機床、軍工、航天等領域逐漸得到廣泛應用［1-2］。

交流步進傳動控制是把位置控制、速度控制和伺服控制等不同的傳動控制方式有機地結合起來，使同步電動機的氣隙磁動勢由連續的旋轉磁場變為離散的步進磁場。對離散的步進磁動勢進行控制，可以獲得良好的速度控制，還可進一步取得精確的位置控制，從而形成高性能的交流傳動控制系統。電力電子技術的應用使系統具有離散控制的基本特征，使傳統的運動控制思想得到突破。它打破了連續與離散、速度與位置、旋轉與步進的嚴格界限，形成了一種統一的交流步進控制理論［3］。

本文主要針對交流步進控制的典型控制方式——恒頻控制，進行了動態仿真研究及試驗驗證。

1 交流步進控制和恒頻控制

1.1 交流步進控制

同步電動機的步進控制中心思想是將電動機的定子電流離散為bH步。每一步對應一個大小固定和位置步進的定子磁動勢，與轉子磁動勢構成步進角，產生步進的復位轉矩，從而將轉子鎖定在一個特定的位置上。

如果將同步電動機的定子磁勢由旋轉磁勢離散為步進磁勢，則定子氣隙中所停靠的位置也就是這種電機步進運動時能夠提供的定位點數，即電機的每步數。

當PMSM定子繞組通以三相對稱正弦電流ia、ib、ic時:

式中:Im——通入的三相電流的峰值。

將PMSM三相磁動勢進行合成可知，三相繞組產生的氣隙磁動勢是一個旋轉磁動勢，其幅值是相脈振磁動勢幅值的1.5倍:

式中:Fa——相脈振磁動勢的幅值。

若按電角度計算，旋轉磁動勢在空間運行的電角度θ和繞組中電流在時間上經歷的電角度永遠相等，即

旋轉磁動勢每秒鐘的轉速為

式中:f——定子電流的頻率;

pm——電動機的磁極對數。

假設對于三相定子繞組，如果不通入連續正弦電流，而是輸入下列對稱的離散電流:

式中:im——通入的相電流峰值;

bH——環形分配器的循環拍數;

k——主令脈沖的拍數。

將輸入電流的一個周期分為bH份(bH為正整數)，對于三相繞組，為了保證三相電流互差2π/3和各相的正負半周對稱，最好取bH是6的整數倍。k為主令脈沖的拍數，它等于任意正整數。由此得到的氣隙磁動勢將是一個步進磁動勢:

PMSM以定子電流為直接控制對象，模擬步進電機的運動控制模式，進而將電流矢量離散，根據提前給定的電流步數即可獲得不同的轉矩，并且還可以獲得較好的定位性能，實現增量運動。

1.2 恒頻控制

步進傳動有多種典型控制方式，包括:點動運動、恒頻、升降頻、最優控制等。其中小容量步進傳動常采用恒頻控制方法，因為它對計算機的要求低，特別適用于多機控制。在這種控制方法中，計算機用恒定的頻率輸出電動機所需要行進的步數，只要這個頻率低于突跳頻率，不會造成步進傳動丟步即可［4］。實際應用的突跳頻率是通過試驗反復試探得到的。

恒頻運動的數學描述如下。

恒頻運動時，定子電動勢的位置角為θs，它每步過跨進電角度θb，轉子前進的角度為θr。電磁轉矩為［1］

阻尼轉矩和定子磁動勢與轉子的相對運動速度成正比。阻尼轉矩表示為

恒頻控制的動態方程為

恒頻控制中有兩種抖動現象:一是電動機起動到穩速圍繞穩定轉速產生的追逐現象，這和普通電動機起動產生的轉速超調和振蕩很相似，一般情況是允許的;二是抖動現象出現在停車時，停車時出現的抖動現象和點動時屬于同一類型，因為只看最后一拍也就是一種點動。加入砰-砰控制，可以消除恒頻控制中停車產生的抖動現象。可以肯定在恒頻控制中不會出現丟步現象，因為丟步是不允許的，選取的工作頻率保證了這一點。從這一前提條件出發可以得出結論;恒頻控制中最后一拍產生的位置超調量，最大也只能等于允許的最大動態角誤差。

2 仿真模型與試驗平臺搭建

2.1 仿真模型搭建

系統MATLAB/Simulink仿真模型主要包括:電流滯環PWM逆變器模塊、PMSM模塊、電動機測量模塊、MATLAB功能函數模塊等幾部分［5-6］。其工作原理為通過電機測量模塊獲得電動機轉子的位置和速度參數，并將其反饋到MATLAB功能函數模塊，經過MATLAB函數模塊和逆變模塊將連續正弦電流離散化，形成步進電流。反饋部分通過測量電動機的實際電流值與給定電流相比較，用電流滯環模塊實現電動機的自動控制，從而獲得良好的動態特性。

2.2 試驗平臺搭建

搭建了全數字驅動控制器的PMSM傳動系統，控制器由DSP控制部分和驅動功率放大部分組成。控制部分的核心芯片采用TI公司的DSP芯片TMS320F2407A，主要包括:DSP外圍電路，電流信號的電壓提升電路，位置檢測電路，顯示按鍵驅動電路;功率放大部分的核心模塊為三菱公司的IPM智能功率模塊PM15RSH120，主要包括:多組獨立電源，觸發信號驅動電路，電壓、電流采樣電路，保護電路。控制系統硬件結構圖如圖1所示。

圖1 控制系統結構框圖

驅動控制器的主電路由整流電路、直流中間電路和逆變電路三部分及有關的輔助電路組成。

主電路原理圖如圖2所示。

圖2 電壓源型逆變器主電路

此外，系統采用了抗干擾能力較強的旋轉變壓器作為位置傳感器，同時還設計了電流檢測單元。在電動機控制中，由于電動機采用三相三線制的接線，故三相定子電流的檢測，只需檢測其中兩相即可，另一相可由其他兩相獲得。

3 仿真和試驗結果

3.1 仿真結果

恒頻控制下PMSM的起動過程是，在ε角增到180°之前，只要復位轉矩已迫使轉子升速到突跳速度ωrT，ε就會保持在180°之內，并一直升速到 ωr＞ ωrT，幾經振蕩后，進入 ωr= ωrT、θ=0°、ωs=ωr的穩定區。這就是恒頻控制電動機起動的過程描述。從理論分析可知，用恒頻控制方法起動電動機不會出現失步現象，為了保證這一點要求，選取了一定的工作頻率。恒頻控制中最后一拍產生的位置超調量，最大也只能等于允許的最大動態角誤差。

PMSM模型主要參數設定如下:極數為4極，相繞組 2.48 Ω，交、直軸電感分別為 0.038 H，扭矩4.8 N·m。恒頻控制方式定子電流仿真曲線如圖3所示。