永磁交流同步电动机（共7篇）
永磁交流同步电动机 篇1
一、永磁交流电动机在现代工业中的应用
在现代工业生产中, 电机控制对工业生产的自动化程度起到关键性作用。在现在使用的电机当中, 直流电动机具有稳定的控制性能, 其机械特性和调速特性均为平行的直线, 这是各类交流电动机所没有的特性。此外, 直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。这也使直流电动机在有调速、控制要求的场合, 成为首要选择。但是, 传统的直流电机结构复杂, 使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。特别是电机的大容量、高转速更限制了普通直流电动机的发展。
在交流电网上, 人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单, 工作可靠、寿命长、成本低, 保养维护简便。但是, 与直流电动机相比, 它调速性能差, 起动转矩小, 过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率, 这大大增加了线路和电网的损耗。长期以来, 在不要求调速的场合, 例如风机、水泵、普通机床的驱动中, 异步电动机占有主导地位, 当然这类拖动中, 无形中损失了大量电能。
过去的电力拖动中, 很少采用同步电动机, 其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行启动, 静止的转子磁极在旋转磁场的作用下, 平均转矩为零。在20世纪70年代以前, 变频电源还没有, 所以, 过去的电力拖动中, 很少看到用同步电动机作原动机。
高性能永磁材料和电力电子技术的发展, 大大促进了永磁同步电动机在工业生产自动化中的开发应用。第一, 永磁材料近年来的开发很快, 传统的铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类, 虽其具有剩磁感应强度高, 热稳定性好等优点, 但它矫顽力低, 抗退磁能力差。铁氧体磁体、钐钴稀土永磁材料以及钕铁硼稀土永磁材料具有高的剩磁感应强度, 高的矫顽力, 高的磁能积, 这些特点特别适合在电机中使用 (见表1) 。在同步电动机中用永磁体取代传统的电激磁磁极的好处是:一是用永磁体替代电激磁磁极, 消除了转子的滑环、电刷, 实现了无刷结构, 缩小了转子体积;二是省去了激磁直流电源, 消除了激磁损耗和发热。当今中小功率的同步电动机绝大多数已采用永磁式结构。
第二, 电力电子技术的发展。规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现代永磁同步电动机的控制。集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表, 它既是高新电子信息产业的核心, 又是不少传统产业的改造基础。它们的飞速发展促进了电机控制技术的发展与创新。通过矢量控制, 可获得与直流电动机一样良好的动态调速特性, 并已在交流伺服系统中得到应用。因为这种方法采用了坐标变换, 所以对控制器的运算速度、数据处理能力, 控制的实时性和控制精度等提出了很高的要求。近年来各种集成化的数字信号处理器 (DSP) 发展很快, 性能不断改善, 软件和开发工具越来越多, 出现了专门用于电机控制的高性能、低价位的DSP。集成电路和计算技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推动作用。
二、交流电动机变频调速控制方案
(一) 计算公式分析。
交流电动机不论是三相异步电动机还是三相同步电动机, 它们的转速N公式为:
undefined (同步电动机, N0是旋转磁场转速)
undefined (异步电动机, N是转子转速)
式中:f——频率;p——极对数;s——转差率 (0～3%或0～6%) 。
由转速公式可见, 只要设法改变三相交流电动机的供电率f, 就十分方便地改变了电动机的转速N。比改变极对数和转差率两个参数简单得多, 特别是近二十多年来, 静态电力变频调速器突飞猛进的发展, 使得三相交流电动机变频调速成为当前电气调速的主流。但是仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。一般需要同时改变电压和频率, 以保持磁通基本恒定。因此, 变频调速器又称为VVVF (Variable Voltage Variable Frequency) 装置。
(二) 交流电动机变频调速四种控制方案的分析。
现有的交流电动机变频调速有四种控制方案, 分别是开环变频调速系统;无传感器矢量变频器异步调速系统;矢量变频器闭环异步变频调速系统;永磁同步电动机开环控制变频调速系统。具体见表2。
注:VVVF-变频器, IM-异步机, PM.SM-永磁同步机, ★-适用 (能) , ▲-不适用 (不能) , VVVFV-矢量变频器
在这里, 对永磁同步电动机变频调速系统作一个单独说明。对于永磁同步电动机开环控制的变频调速系统控制框图如图1所示。
SM-同步电动机 (PM. SM) -制变永磁式
假如将图1中异步电动机 (IM) 换成永磁同步电动机 (PM.SM) 。又具有控制电路简单, 可靠性高的特点。由于是同步电动机, 它转速始终等于同步转速, 只取决于电动机供电频率, 而与负载大小无关 (除非负载力矩大于或等于失步转矩, 同步电动机会失步, 转速迅速停止) , 其机械特性曲线为一根平行横轴直线。如果采用高精度的变频器 (数字设定频率精度可达0.01%) , 在开环控制情形下, 同步电动机的转速精度亦为0.01%。因为同步电动机转速精度与变频器频率精度相一致 (在开环控制方式时) , 所以特别适合多电机同步传动, 静态转速精度要求甚高 (0.5%～0.01%) 的化纤纺丝机, 是最理想最简单的首选方案。
三、结语
综上所述, 由于电子技术和控制技术的发展, 永磁同步电动机的控制技术亦已成熟并日趋完善。以往同步电动机的概念和应用范围已被当今的永磁交流电动机大大扩展。永磁交流电动机已在从小到大, 从一般控制驱动到高精度的伺服驱动, 从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现, 其控制方式的选择也更加灵活。积极发展我国自主的永磁交流电机调速控制技术, 为永磁交流调速技术的理论发展和工程实用技术的推广作出贡献。
摘要：本文对照三相异步电动机控制系统的特点, 分析了永磁交流电动机在现代工业中的应用前景, 讨论了三相异步电动机开环变频调速系统;永磁同步电动机开环控制变频调速系统的控制方案。文中还就这几种方案的优缺点进行分析比较, 指出它们各自的适用范围。
关键词：直流电动机,永磁交流同步电动机,永磁材料,控制技术
参考文献
[1].徐甫荣.高压变频调速技术应用实践[M].北京:中国电力出版社, 2007
[2].金如麟.永磁同步电动机的应用前景[A].2001第六届中国小电机技术研讨会论文集[C], 2001
[3].樊新军.电机技术及应用[M].武汉:华中科技大学出版社, 2012
永磁交流同步电动机 篇2
拉床是一种用拉刀加工工件并实现各种大批量复杂内外成形的金属切削设备，广泛应用于汽车、船舶舰艇、农机、工程机械、航天航空及军工等领域，是现代产业不可或缺的一种重要加工设备[1,2]。按工作性质的不同，可分为内拉床和外拉床;按主运动的方向不同，分为立式拉床和卧式拉床;按驱动的形式不同，又分为液压拉床和电伺服拉床[3]。目前国内拉床主要是液压拉床，由于其采用液压驱动，机床运行中油泵电机会有大量的空转，存在能源的浪费和加工成本的问题;液压驱动力不恒定造成加工过程中的振动，易影响工件光洁度和精度，并减少了刀具的寿命;液压拉床的加工速度不高，生产效率相对较低;液压系统的液压油额外增加了机床所占空间，同时液压拉床有油污渗出，影响工作环境。相对液压拉床而言，电伺服拉床除了能克服上述缺点外，还具有一定的技术优势，其采用交流伺服电机来直接驱动，近而拥有控制精度高、响应速度快、过载能力强等许多优越的性能。采用双伺服电机同步驱动的拉床除了拥有电伺服驱动拉床的优势，还弥补了电伺服驱动力和功率不足的缺点[4]。随着国民经济的飞速发展，工业生产加工的要求也逐步增高，电伺服拉床将广泛应用于高精度的工业生产加工中。
本研究先给出双电机同步驱动的立式内拉床的机构图，主要阐述主溜板同步伺服驱动系统、调刀伺服驱动系统和拉床软件系统设计方案，并通过实验测试拉床性能。
1 拉床整机结构设计
电伺服驱动拉床硬件结构由电气控制柜、拉床机构和人机界面3部分组成。电气控制柜包含控制器、伺服驱动器、外围接线及保护电路部分。控制器采用FX3u系列PLC，拉削伺服采用高性能伺服驱动器，调刀伺服采用台达的ASDA-B2系列伺服驱动器;机构部分包括床身、双大功率伺服电机、双减速器、双滚珠丝杆、单伺服电机、单减速器、拉刀、工作台、溜板、底座、换刀部分和排屑冷却部分。拉床的结构图如图1所示。该拉床采用两个对称的床身结构，以双高性能伺服电机作为主驱电机来同步驱动;主驱伺服电机采用18位绝对式位置编码器，能精确反映出电机旋转位置;拉削伺服经由高精度减速器和滚珠丝杠副驱动主溜板带动工作台，对工件进行加工。本研究在滚珠丝杆末端装有2 000线旋转编码器来反映丝杆转动位置，确保实时反映同步性能，并能实时保护拉床。调刀伺服安装在对称床身中心，由滚珠丝杠副驱动辅溜板完成提刀、送刀动作，采用精度相对较高的伺服系统可以保障刀具的安全和提送刀位置精准。为了确保选用两个对称床身结构，使得工作台受力更加平衡，从而保证了工件的高精度和光洁度;相对于单电机驱动拉床，双电机驱动拉床能够获得双倍的驱动功率，既减少了开发成本，又降低了电气布线的难度和干扰[5]。
2 PLC控制系统设计
电伺服驱动拉床控制系统主要包含拉削伺服控制系统和调刀伺服控制系统;该拉床由双伺服电机同步驱动，双伺服的同步性能直接关乎拉床的加工精度和可靠性，因而拉削伺服的控制显得尤为关键。
2.1 主溜板同步驱动伺服系统设计
正如前文中所述，电伺服驱动拉床的控制关键就是保证双拉削伺服良好的同步性能;同时又要确保实际实现的可能性，因此该拉床的拉削伺服系统采用结构简单的主令式同步控制策略，即双拉削伺服共享指令[6];由于拉床的刀具昂贵，而且极易损坏，拉床的可靠性与安全性显得尤为关键。兼顾多方面的考虑本研究采用工控性能稳定的PLC作为控制器。主溜板伺服系统控制结构图如图2所示。拉削伺服系统由PLC同一个高速脉冲输出口发送指令脉冲，经过继电器J3和J4分别发送到伺服系统1和伺服系统2的伺服驱动器，伺服驱动器再将指令脉冲与反馈脉冲在偏差计数器中累加之后形成速度指令，然后再与速度反馈累加形成电流指令控制PWM回路，驱动伺服电机。该系统通过减速器和滚珠丝杆的硬连接传动将电机的旋转运动转化为主溜板的直线运动，而两个主溜板通过工作台硬连接耦合，最终完成拉削与返程的加工动作。指令脉冲的发送采用差分传输方式，并用屏蔽双绞线作为信号传输线，从而避免了指令脉冲在传输过程中引入干扰脉冲;伺服系统采用高精度的闭环控制系统，电机反馈脉冲分辨率262 144 p/r，以确保电机动作精准;同时选用高精度的减速器和滚珠丝杆副，承载力等方面设计计算留有充足的裕量;在滚珠丝杆副的末端安装2 000线的旋转编码器来反映丝杆旋转位置，计算出两个主溜板的同步情况，当两主溜板位置差大于0.05 mm时，整个拉床控制系统会及时报警，继电器和伺服系统都会做出相应的动作来保护滚珠丝杆副和刀具。主溜板同步驱动系统要保证两个主溜板在加工过程中位置同步，对于设定的加工位置要确保精准定位，故设置伺服驱动器1和伺服驱动器2的工作模式为位置控制模式[7];在自动化生产模式下，主溜板同步驱动伺服系统需带大负载在高速运转下的启停和频繁的正、反转切换，需要采用外置再生电阻，还需对电子齿轮比进行计算，位置分辨率是由伺服电机每转进给量ΔS和编码器反馈脉冲分辨率pt决定，计算方式如下:
式中:CMX—伺服驱动器电子齿轮比分子，CDV—伺服驱动器电子齿轮比分母，Δl—位置控制模式中电机的每个反馈脉冲进给量，Δl0—位置控制模式中每个指令冲的进给量，ΔS—伺服电机每转进给量，pt—伺服电机编码器的分辨率，pb—滚珠丝杠螺纹距，n—减速器齿轮比。
再根据速度指令频率的计算可以确定电子齿轮比:
式中:Nm—电机的最高转速，fm—位置控制模式下电机运行在最高速度时控制系统的输入脉冲频率。
电伺服驱动拉床设计除了要满足位置精度外，还要考虑拉削和返程的高速运动。因此，本研究先设电子齿轮比为1时计算电机在最大运转速度下的指令脉冲频率。
由式(4)得:
该方案计算出来的fm=8 738 133，三菱PLC输出脉冲最大频率:差动驱动方式为200 kHz，开集电极输出为100 kHz。而驱动器差动线性驱动的最大指令脉冲频率值为1 Mpps，实际驱动器输入指令脉冲要低于1 Mpps。显然电子齿轮比设置要考虑高速运转的情况，则应先设置PLC输出脉冲最高频率fm(fm设置应该留有裕量)，由式(4)计算出电子齿轮比，代入式(1～3)可计算出Δl0，看是否满足拉床精度要求。如果满足，则以该电子齿轮比比值设置即可;如果不满足精度要求，则参照精度要求直接设置指令脉冲进给量Δl0，由式(1～3)可计算出电子齿轮比。该方案经过速度指令频率计算出的电子齿轮比满足系统精度要求。对于同步误差阈值设置，需要计算出双丝杆反馈脉冲当量l1的值，其公式如下:
式中:Ps—丝杆上旋转编码器分辨率。
指令脉冲与双丝杆反馈脉冲的比值关系公式为:
所有设置完成后，便可导出工作台速度计算公式，即工件加工速度为:
式中:V—工作台速度，N—伺服电机速度。
电机速度由给定指令脉冲频率f决定，由式(4)得:
联合式(8)得出:
通过上式可计算工作台的速度[8,9]。
2.1.1 单伺服初始定位设计
电气原点位置的定位精准度直接决定伺服系统的定位准确性，伺服定位是否精准也关乎位置的同步性能。因此，单伺服的初始定位显得十分关键。
主溜板同步驱动伺服系统单伺服初始定位采用带DOG搜索功能的原点回归方式，该原点回归方式还拥有DOG信号逻辑反转、使用零点信号来提高精准性和零点信号逻辑反转的优势，其过程如图3所示。当主溜板得到原点回归指令，系统会根据当前位置进行判断并确定运行的方向，然后开始原点回归。先从零速直接上升到基底速度，从基底速度进行加速到原点回归速度运行，直到原点感应器感应到DOG上升沿信号则开始减速到爬行速度运行。主溜板以爬行速度运行到系统接收到旋转编码器的Z相脉冲上升沿信号立刻停止。其中爬行速度应该设置的尽量小，从基底速度上升到最高速度的时间为加速时间，反之为减速时间，该参数需根据系统实际情况进行设置。该方案中，系统定位控制采用增量方式(相对地址)和绝对方式(绝对地址);增量方式即以当前位置为起始位置，按指定的方向和移动量(相对地址)进行定位;绝对方式是以原点为基准按指定位置(绝对地址)进行定位。主溜板同步驱动系统单边JOG运行定位以增量方式定位控制，双伺服同步运行时定位采用绝对方式定位。
2.1.2 同步故障保护设计
主溜板同步驱动伺服系统的关键是处理同步故障问题，一旦出现同步故障，如果拉床控制系统不能及时反应并做出相应的保护动作，那损失可能较大。因此，对于同步故障保护的设计显得尤为关键。为了最大程度上保护拉床，主溜板同步驱动伺服系统采用多重保护:首先，发挥滚珠丝杆末端安装的旋转编码器的作用，对双伺服的反馈脉冲进行作差以计算出同步误差，一旦误差超过阈值，继电器立刻动作，关断指令脉冲，同时触发控制系统给出同步故障报警显示，并采用电磁制动器锁住拉床，该保护措施能够直观做出同步故障动作，并第一时间锁住拉床保护刀具和滚珠丝杆;其次，利用伺服系统本身的特性和同步故障表现出来的现象进行监控保护，伺服输出转矩是等于负载转矩(在额定转速下)，当出现同步故障，主溜板偏置较大时，两伺服系统的输出转矩会相差很大，甚至会有单边过载的情况。因此，对伺服系统最大输出转矩设置限制，一旦超过设定的限制值，控制系统立刻保护住拉床。另外，为了保护拉削伺服电机，还采用伺服电机自带温度保护功能，当温度过高时会触发继电器动作给控制系统信号来停止拉床运行，防止过热而烧坏电机。
2.2 调刀伺服驱动系统设计
调刀伺服系统的主要作用是配合电伺服拉床生产工序，完成提刀和送刀动作;调刀伺服系统只有一个伺服系统组成，其控制相对简单，要求精度相对较低。调刀伺服系统采用台达伺服系统，由PLC另一个高速脉冲输出口发送指令脉冲，指令脉冲包含脉冲PUL和方向脉冲DIR，采用单端传输方式，I/O信号包括伺服使能信号SON2，清零信号CR2，调刀伺服紧急停止信号EMG2和伺服报警信号ALM3。调刀伺服主回路和控制回路图如图4所示。
其中，1X3、3X3和4X3线与N间电压为交流220 V，伺服驱动器控制线是由1X3和N组成;主回路控制线是3X3和N，串联着继电器J7常开触点、紧急停止按钮联动常闭触点EMG2、启动按钮ON2和停止按钮OFF以及交流接触器KM3的线圈。KM3的常开触点和启动按钮并联，形成自锁。电磁制动器控制回路由24 V开关电源供电控制，将J7另一个常开触点、紧急停止按钮联动另一个常闭触点EMG2和手动使能旋钮开关串联在线路中，J7线圈由伺服驱动器报警信号控制，当伺服驱动器出现报警、紧急停止按钮被按下或者使能旋钮开关关断后，电磁制动器失电制动锁紧调刀伺服系统[10,11,12]。
调刀伺服系统的驱动器参数设置和拉削伺服驱动器的设置一样，需要计算电子齿轮比和设置工作模式等，在此不再冗述。调刀伺服在JOG运行定位时采用相对定位方式，正/反转连续运行定位采用绝对定位方式，单滚珠丝杆末端未安装旋转编码器反馈，也就缺少零位信号，故调刀伺服原点回归不带自动搜索DOG功能的形式，控制系统在检测到原点感应器上升沿信号后，减速到爬行速度运行，一旦检测到下降沿信号立刻停止。
2.3 全伺服拉床控制系统软件设计
系统软件包含控制器的控制程序和人机界面程序，控制器采用PLC，其控制程序设计简单，安全可靠性高，逻辑性较强。考虑到拉床的安全性和连续自动生产的逻辑性要求，本研究确定了采用PLC作为控制器。该系统的软件设计流程图如图5所示。
开机后，系统初始化包括控制器初始化和触摸屏初始化，初始化完成后触摸屏与PLC进行通讯连接;通讯连接正常，开始系统参数寄存器初始化，并传输到触摸屏上进行状态显示，上次断电前的状态与数据都采用掉电存储到特殊寄存器，以便保持断电前状态。手动打开使能开关(伺服使能和电磁制动器)，系统才会判断拉床当前是否有故障，否则拉床不会判别故障。触摸屏画面可以切换，但是不能进入系统画面进行工序操作。打开使能开关，若有故障则拉床会发出蜂鸣警示声音，并显示红灯，触摸屏画面也将显示在报警画面，并提醒故障报警类型。排除故障即可进入系统画面，进入画面后即可进行工序操作，系统会判断是否符合工序要求，符合才能进行全自动和半自动生产，否则需进入点动画面进行调整。这个扫描周期时间为4.6 ms，每次扫描进行拉床显示数据更新，每次动作之前都会先对故障进行判别[13]。
3 实验测试
本研究介绍的电伺服拉床控制系统，经过可行性理论分析后，与某公司合作进行实际试验并测试生产加工工件。其结果表明，本研究设计的该拉床系统可拉削负载力达20 t，主溜板双伺服同步精度误差小于0.05 mm，定位精度误差小于0.01 mm，加工工件精度和光洁度比较优良，主溜板(工作台)速度可以在0～10 m/min间真正无极调节运行速度，并在触摸屏界面设置23个报警警示来保护拉床。本研究对主溜板同步驱动的伺服系统相电流进行检测，并以此计算在加工工程两伺服的输出转矩。笔者采用霍尔传感器来检测伺服电机的相电流，原、副边扎数比为1∶2000，测试电阻经计算选择为30Ω，由调理电路推导伺服电机相电流计算公式[14]:
示波器1号探头监测的是对应拉床伺服1轴的U相相电流的测量电阻的电压，图中的S1.U相即伺服1轴U相电流，2号探头对应的是拉床伺服1轴V相，即S1.V相，3号探头监测的是对应拉床伺服2轴的U相相电流的测量电阻的电压，即S2.U相，4号探头对应的是拉床伺服2轴的V相，即S2.V相。加工负载力为20 t时的波形图如图6所示，经过计算，伺服1的相电流为37.71 A，输出转矩为69.46 N·m，伺服2的相
电流为45.26 A，输出转矩为83.37 N·m。首先从图6中看出两个伺服系统的相电流经过霍尔传感器的反应波形差别还是比较小的，基本可以看作出力平衡。再从数据的值来看，20 t重大负载力情况下，转矩相差也不大，基本可以表明同步性能较良好。
4 结束语
永磁交流同步电动机 篇3
关键词：永磁交流伺服,矢量控制,MATLAB仿真
1 永磁同步电机的数学模型
永磁同步电机[1,2]的数学模型沿用理想电机模型的一系列假设:忽略铁心饱和;不计涡流和磁滞损耗;转子上没有阻尼绕组,永磁体也没有阻尼作用;反电动势是正弦的。
则永磁同步电机三相在ABC坐标系下电压模型为:
其中:uA、uB、uC为三相绕组的相电压瞬时值;iA、iB、iC为三相绕组的相电流瞬时值;ψf A、ψf B、ψf C为永磁体磁链在各绕组中的投影;p为微分算子(d/dt);R为永磁同步电机定子各相绕组的电阻;LA、LB、LC分别为电机A、B、C三相绕组的电感;MAB、MBA、MBC、MCB、MCA、MAC为三相绕组之间的互感。
定子绕组产生的电磁转矩表达式为:
式中:ωr为电机机械角速度;ea、eb、ec为电机的反电势。
运动方程为:
式中:Tem为电磁转矩;TL为负载转矩;B为阻尼系数;J为电机转动惯量。
2 伺服电机采用的控制策略分析
控制策略[3,4,5]分为控制id=0以实现最大转矩输出和控制id<0以达到弱磁升速。本文分析id=0的情况。
id=0转子磁链定向矢量控制的永磁同步电机伺服系统的原理如图1所示,它是一个位置、速度、电流闭环的三闭环系统。主要包括定子电流检测、转子位置检测、速度环调节器、clarke变换、park变换与逆变换、SPWM控制等几个环节。
永磁同步电机矢量控制要使实际的id觹、iq觹与给定的id、iq相等,就满足了实际控制的要求。在实际控制中,向电机定子注入的和从定子检测的电流都不是id、iq,而是三相电流,所以必须进行坐标变化。又因为dq坐标系是定在电机转子上的旋转坐标系,所以要实现坐标变换必须在控制中实时检测电机转子的位置。
进给驱动的电机大多工作于额定转速以下,属于恒转矩调速方式。在这类应用场合中,追求的是在一定的定子电流幅值下能够输出最大的转矩,因此最佳的控制方式是使定子电流与d轴正交,与q轴重合,即保持id=0(即磁场定向控制),使d轴电流分量id和q轴电流分量iq间达到解耦作用。
控制过程为:将位置信号指令与检测到的转子位置相比较,经过位置控制器的调整,输出速度指令信号,速度指令信号与检测到转子速度信号相比较,经速度控制器的调节,输出iq觹指令信号(电流控制器的给定信号),同时经过坐标变换,定子反馈的三相电流变换为id、iq,通过电流控制器使id=0,iq与给定的iq觹相等,电流控制器的输出为d、q轴的电压经坐标变化为αβ坐标下的电压,通过SPWM模块输出六路PWM驱动IGBT,产生可变频率和幅值的三相正弦电流输入电机定子。
此时经磁场定向控制的PMSM的电压方程为:
磁链方程为:
转矩方程为:Tem=pnψdiq
从其转矩方程中可以看出:由于转子是永磁结构,其ψd=常数,转矩只与电枢电流的幅值成正比,只要在逆变器中控制好定子的电流的幅值,就会得到满意的转矩控制特性。定子频率和相位由转子位置检测器的转子磁极位置信号决定。此时在模型上可以将永磁交流电机看成一台直流电机,控制也就变得简单多了。
3 永磁同步电机伺服模型的建立
永磁交流伺服系统仿真模型[6,7,8]如图2所示,该模型主要组成部分为负载转矩给定、反馈和PI模块、SPWM模块、永磁伺服电机模块、测量模块。负载转矩给定环节,可以根据具体数控机床的要求选择负载,这主要是通过阶跃函数模块来实现;反馈和PI模块环节,反馈采用的是比例反馈,因为PMSM参数设置极对数为2,所以反馈的电角度为实际值的2倍,PI模块可分别设定其P值和I值以及上下限幅值,具体参数在不同的系统中需反复凑试,以得到最理想的波形时的参数为佳;SPWM模块生成6路PWM信号输出来驱动逆变器;永磁伺服电机模块,这个模块可以直接在SIMULINK菜单中的Sim Power System库中的machines栏直接得到,并可对电机的固有基本参数直接给定;测量模块,包括对电机转子位置、转速、转矩,定子电流电压的输出及测量,在Sim Power System的Measurements中可以直接找到相应的模块。
4 永磁交流伺服系统的仿真结果
图2仿真参数的选取算法为ode23tb,可变步长,运行时间为0.2s;Udc=250V;Pn=4;转动惯量J=0.008kg·m2;
(1)稳态运行突加负载实验
系统给定转速为2500r/min,待进入稳态后,在t=0.1s时突加负载T=6N·m,可得到系统各仿真曲线如图3、图4所示。
从定子三相电流波形图可以看出电机在启动时三相电流在0.1s之前有较大波动,最大电流达到20A,在0.1s之后很快波形就趋于稳定的正弦波,最大电流达到额定电流6A左右。
从图4转速响应曲线看出,转速在0.1s时刻有点波动,但约0.01s时间后,转速立即恢复到2500r/min,无超调,而且非常的稳定。从图5转矩响应曲线看出,转矩在起动时有很大的波动,约0.02s后转矩趋于稳定。在0.1s时突加负载,转矩立即上升,波动时间很短,几乎立即达到额定转矩6N·m,无超调且非常的稳定。
从图6的qd轴电流波形图可以看出d轴电流基本为0,q轴电流在起动时有大的波动,在0.05s到0.01s电流恢复到近似为0,在0.1s突加6N·m负载后,电流有一个很小的波动,并立即趋于稳定。
(2)带负载启动降速
负载转矩设为T=5N·m,在0~0.1s段,转速设定为3000r/min,从0.1s开始,转速设定为2000r/min。
从定子三相电流波形图7中可以看出三相电流在0.1s是有较大波动,但很快波形就趋于稳定的正弦波。
从图8转速响应曲线中看出,在0.1s之前,转速从0上升到3000转,在0.1s时转速有一短暂的下降波动,但约0.01s时间内,转速就于稳定至2000转。
从图9转矩响应曲线看出,转矩在0.1s时刻波动较大,但约0.01s时间后,转矩立即恢复到5N·m,而且非常的稳定。
从图10qd电流曲线看出,在0.1s时q轴电流有较大的波动,d轴电流也有小的变化。但变化时间非常短,两轴电流就趋于稳定。
5 小结
由仿真波形可以看出:在给定转速为2500r/min的参考转速下,系统响应快速且平稳,几乎没有超调和振荡,电流波形为平滑的正弦曲线。动态调节迅速、平稳、电流波动和干扰较小;启动阶段系统保持转矩恒定,因而没有造成较大的转矩和相电流冲击,参考电流的限幅作用十分有效。稳态运行突加负载实验中,空载稳速运行时,忽略系统的摩擦转矩,因而此时的电磁转矩均值为零;在t=0.1s后稳态运行时无静差,突加负载,转速略有影响,但又能迅速恢复到平衡状突加负载后,电磁转矩略有增大,这主要是由电流换向IGBT开关的频繁切换造成的。
带负载启动实验中,在t=0.1s时转速突降转速过渡平滑,无超调,到稳态时转速平稳;从转矩波形看,转速突降,转矩脉动幅度小,对转速的变化响应迅速,超调量小,能很好的保持恒转矩运行。上面的建模和仿真表明,该永磁同步电机伺服控制系统具有良好的动态响应,证明了本文所提出的这种PMSM交流伺服系统仿真建模方法的有效性。
参考文献
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永磁交流同步电动机 篇4
1 交流永磁同步电机的数学模型
交流永磁同步电机主要由定子和转子两部分构成。定子中的三相绕组通过三相交流电产生旋转磁场;转子通常是在圆柱型铁磁材料内或表面装配有高性能的永久磁铁,比如稀土磁性材料或钕铁硼等以获得较强磁场,且转子磁场分布为正弦或近似正弦波形。当定子获得经过变频的三相电而在电机内部产生旋转磁场时,由定子和转子磁场的相互作用而产生转矩,该转矩推动转子以定子磁场同步的转速旋转,从而达到变频调速的目的。
为了便于分析,将电机作如下假设[2,3,4]:定子三相绕组对称,气隙均匀,忽略端部效应;忽略磁场饱和及铁损的影响,磁路是线性的;变频器提供理想三相电,忽略高次谐波;忽略转子轴的摩擦阻力。
电机电压平衡方程式为:
电机磁链平衡方程式为:
电机转矩表达式为:
电机运动方程为:
式中Ua、Ub、Uc为三相定子绕组电压;ia、ib、ic为三相定子绕组电流;ψa、ψb、ψc为三相定子绕组磁链;R、L、ψfr分别为定子各相绕组的电阻、电感、转子磁场的等效磁链;TL为负载转矩;λ、J、ω分别为电机极对数、转子转动惯量、转子电气角速度。
上式说明交流永磁同步电机是一个多变量耦合、非线性时变系统,直接利用传统线性控制理论无法实现对它的有效控制,因此必须对它进行变换和化简才有可能运用经典控制理论进行调节器的设计。
2 坐标变换与磁场定向控制
图1显示了交流永磁同步电机定子和转子坐标系。为了有效地应用磁场定向控制理论,首先将三相对称系统转换成两相正交系统,再将两相正交系统旋转θ角以便对直轴和交轴分量分别控制。
电压变换与电流变换相同,文中以电流变换为例。定子三相电流至两相正交电流的相互变换如下:
由于定子三相对称电流ia+ib+ic=0,因此零序电流分量可忽略。
定子坐标系两相正交电流与转子坐标系两相正交电流的旋转变换为:
将公式(5)至(8)代入公式(1)至(3)整理可得:
上两式中:电流向量为Idq=[id iq]T,电压向量为Udq=[ud uq]T,Rs=R,Ls=3L/2,。
由公式(9)和(10)可知,当ω不变时经过坐标变换后的电流是线性定常系统,特别是ψfs为常数时电磁转矩与iq成正比,这样可以通过控制电流的转矩分量iq来完成对电机电磁力矩的线性控制,从而获得良好的性能。
3 解耦及等效控制模型
将公式(9)进行Laplace变换可求出其传递函数结构如图2所示。
由图可见交直轴分量相互耦合,无法实现Ud和Uq分别对id和iq的控制,因此需要进行解耦。
采用现代控制理论的状态反馈解耦法[5],设电流环动态方程为:
其中。
加入状态反馈矩阵K后可得图3所示的电流环结构图。态反-=
Vdq为等效直交轴电压向量,Vdq=[Vd Vq]T,此时系统状态方程可以写成:
为了实现解耦[6],应使系统传递函数矩阵变成对角矩阵,即
从而可以求出K矩阵为:
经过解耦后公式(9)变为:
公式(4)变为:
其等效传递函数框图如图4所示。由此可见,尽管新的数学模型还是多变量的,但重要的是其交直轴分量已被解耦,可以分别实施独立的控制。
4 交流永磁同步电机的磁场定向控制
图5显示了交流永磁同步电机的磁场定向控制系统结构图。主回路采用电压型逆变器;控制部分可由微处理器、DSP或FPGA来实现[7,8],它主要用来完成电机定子电流和转子转速的采样,坐标系的旋转和变换,电流和速度PI调节器的实现及SPWM波形的生成。由于系统未覆盖恒功率弱磁调速区域,因此未对电流激磁分量进行调节,对转矩电流分量的调节位于转子磁场坐标系中。
5 系统调节器的设计
转矩电流调节器的设计原则是[9,10]:快速跟踪性能,克服电压扰动及反电动势影响,设置最大电流限制提供过流保护。经过解耦后转矩电流调节回路的实际传递函数结构图如图6所示,由SPWM波控制的IGBT逆变器可近似等效为带有放大倍数的一阶惯性环节,其传递函数为:Kp/(1+Tps);与直流电机相似,由于该方案未对定子电流激磁分量进行控制,可忽略反电动势,转矩电流分量与定子电压的传递函数为:(1/Rs)/(1+Tqs);故其电流环结构图变为图7。按典型I型系统设计可求出电流调节器的参数。
图中iqref为q轴电流给定量,iq为q轴电流实际量,Δiq为q轴电流差,Vqref为q轴电压给定量,Vq为q轴电压实际量,Ki为电流PI调节器比例系数,τi为电流PI调节器积分时间常数,Kp为变频器放大倍数,Tq为转矩电流环时间常数,Tp为变频器等效惯性时间常数。
速度调节器的设计原则是:动态跟随性好,静态无误差和具有较强的抗干扰能力。电流调节器在中频段可近似为一阶惯性环节,其传递函数为:(1/β)/(1+Tms);故角速度环结构图如图8所示,按典型Ⅱ系统设计可求出角速度环PI调节器参数。
图中ωref为电机给定转速,Δω为电机转速给定量与实际量之差,β为电流反馈的比例系数,Kω为速度PI调节器比例系数,τω为速度PI调节器积分时间常数,Tm为转矩调节等效延时。
6 MATLAB仿真结果
根据上述理论,针对一台1.1 k W交流永磁同步电机的电流和角速度双闭环控制,计算设计了电流和转速PI调节器。为了验证理论分析的正确性,文中利用MATLAB软件进行了仿真实验[11]。图9为用POWERLIB构造的系统结构图。图10为ωref=400 rad/s时的单位阶跃响应工作波形,由上至下依次为三相定子电流波形、两相交直轴定子电流波形、转速响应波形、转子位置角波形和电磁力矩波形。图11为IGBT逆变桥的相电压、线电压和相电流的启动工作波形。
由上述波形可以看出,在电机转子加速的启动过程中,id和iq被解耦,由于iq直接控制电磁力矩Te,因此两者波形相同,电机的机械角速度线性增加,超调量少,基本无振荡现象,过渡过程短(约为15 ms),显示了较好的伺服性能。
交流永磁同步电机的参数:定子电阻2.875Ω,定子绕组交直轴等效自感为8.5e-3 H,转子主磁通为0.175 Wb,转子的转动惯量为0.8e-3 kg·m2,转子摩擦系数为0,转子磁极对数为4,功率为1.1 kW,额定电压为220 V。
7 结语
文中针对交流永磁同步电机,根据电机矩阵理论和磁场定向控制理论,介绍了一种采用现代控制理论进行解耦并简化其数学模型的方法。该方法可以在其等效数学模型建立后运用经典控制理论设计调节器。MATLAB仿真实验结果证明了该法的可行性和有效性。需要指出的是理论上计算得出的参数具有较好的指导性和参考性,但系统调试时仍需根据具体情况进行适当调整,这样可以得到更加理想的效果。
摘要：介绍了一种采用磁场定向理论控制交流永磁同步电机的调速系统,应用现代控制理论对电机直交轴耦合分量进行了解耦,并利用经典控制理论设计了电流环和角速度环调节器。MATLAB仿真结果证明了该方法的有效性,但系统调试时仍需根据具体情况适当调整以得到更理想的效果。
关键词：交流永磁同步电机,磁场定向控制,MATLAB仿真
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永磁交流同步电动机 篇5
目前, 高性能的伺服系统已经进入了交流化的时代。现代交流伺服系统中, 永磁同步电机 (PMSM) 以其体积小、高效、高可靠性等优点而被广泛地应用于自动化过程控制领域。应用基于转子磁场定向 (FOC) 的永磁同步电机控制方法, 即矢量控制方法, 实现了交流电机定子三相电流中励磁分量和转矩分量的完全解耦, 进而可以将其分别控制, 达到交流电机直流化的控制效果, 是一种先进的交流伺服控制技术[2,3]。
1理论分析
1.1永磁同步电机数学模型
永磁同步电机是一个多变量、非线性、强耦合的系统, 为了建立易于实现的数学模型, 假设电动机是线性的, 三相定子绕组在空间对称分布, 气隙磁动势的基波在空间作正弦分布, 忽略磁场的高次谐波、磁饱和、铁损耗以及温度对参数变化的影响, 转子无阻尼绕组。根据交流电机矢量控制的原理, 首先建立一个与永磁同步机转子同步旋转的d-q坐标系, 并假设d轴与转子磁极重合。可以得到d-q坐标系下的永磁同步电动机的电压、磁链方程为[4]:
(1) 式中ud、uq为定子绕组d、q轴电压;id、iq为定子绕组d、q轴电流; rs为定子绕组电阻φd、φq为 d、q轴定子磁链;φf为转子永久磁钢在定子上的耦合磁链;Ld、Lq为定子绕组的d、q轴电感;ω为电机转子的电气角速率, ω=np·ωr;np为电机的极对数;p为微分算子, p=d/dt。
电磁转矩方程为:
(2) 式中Te为永磁同步电机的电磁转矩, 本文所讨论的电机为表面贴装式转子结构的PMSM, 则有Ld=Lq, 并且采用id=0的控制策略, 则电磁转矩为Te=npiqφd。
1.2永磁同步电机伺服控制系统
图1给出了永磁同步电机位置伺服控制系统的基本结构[5,6]。由图可知在本伺服系统中采用了位置、速度和电流控制的三闭环结构。其中, 电流环由电流调节器和逆变器组成, 其作用是使电机绕组电流实时、准确地跟踪电流参考信号。q轴参考电流iundefined来自于速度环的输出, d轴参考电流iundefined直接给定 (id=0控制策略) 。检测电机的三相电流, 将其进行3/2坐标变换, 得到d、q轴的反馈电流id、iq, 该反馈电流与d、q轴的给定电流参考值iundefined、iundefined相减产生偏差驱动信号, 并经电流调节器的调节作用生成d、q轴的电压参考值ud、uq。速度环的作用是使电机的转速与速度指令参考值ωref相一致, 消除因负载转矩扰动对电机转速造成的影响。速度指令参考值ωref与反馈的实际转速值ωr相比较, 其偏差值通过速度调节器产生q轴电流参考值iundefined, 力矩电流信号控制电机加速、减速或匀速, 从而使电机的实际转速与指令参考值保持一致。位置环的作用是产生电机的速度指令参考值ωref, 并使电机准确定位和跟踪。通过设定的目标位置θref与电机的实际位置θr相比较, 并利用其偏差通过位置调节器来产生电机的速度指令参考值ωref。
高精度永磁同步电机交流位置伺服系统中, 通常使用光电编码器来检测电机转子的角位置θr, 从而完成电机各参数从abc三相静止坐标系到dq两相同步旋转坐标系的变换解算。
(3) 式中θ为同步旋转坐标系系d轴和三相静止坐标系a轴之间的交角。上述伺服系统中应用了空间电压矢量 (SVPWM) 脉宽调制技术, 由于SVPWM 开关损耗小、电压利用率相对SPWM提高15.47%、谐波少等优点, 大大提高了PMSM 的调速性能。
1.3空间电压矢量 (SVPWM) 原理
SVPWM 控制原理是从电机的角度出发的, 着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场[7]。图2为典型的逆变器结构, 六只功率晶体管构成三组桥臂, 根据每个桥臂的上下导通情况, 一共组成了8种状态 (000—111) , 对应得到8个空间电压矢量, 其中 (000) 和 (111) 为零矢量, 每个空间电压矢量的副值均为2/3udc, 如图3所示, SVPWM 调制就是用这六个有效空间电压矢量和两个零矢量的组合去等效旋转参考电压矢量uref, 在任意小的周期时间T 内, 使得逆变器的输出和参考电压uref 的平均输出一样, 使电机磁通轨迹逼近圆形。
SVPWM的实现方法为:
(4) 式中, T1、T2为彼此相临的空间矢量ux 、ux±60的作用时间, T0为零矢量U000或U111 的作用时间。并且有T=T0+T1+T2, 改变T0、T的值也即实现了变频。
2系统设计
2.1系统硬件设计
本系统是位置、转速、电流三闭环位置伺服系统, 位置环采用比例控制, 速度环和电流环均采用PI控制, 实现速度和电流无差调节[2]。系统控制核心采用TI公司的DSP处理器TMS320LF2407芯片。TMS320LF2407芯片是TMS320C2000TM平台下有较高性能价格比的一种定点DSP芯片。TMS320LF2407配置了外围设备, 含事件管理器、A/D转换、串行接口等模块, 给高性能交流伺服系统的研制提供了便捷的平台。
永磁同步电机数字化伺服系统框图如图4。TMS320LF2407微处理器主要负责采用各相电流、计算电机的转速和位置, 实现控制策略和算法, 产生SVPWM控制信号、以及监控并保护系统的运行状态;CAN模块负责与上位机进行通讯, 通过总线接收位置指令;JTAG接口电路为仿真器与微机的接口电路, 便于系统进行在线调试。此端口由仿真器直接访问并提供仿真功能;检测电路系统逆变电路采用IGBT CPV363M4K智能功率模块组成逆变桥来实现功率主回路直流到交流的逆变。IPM的输入采用光耦隔离电路, 考虑到光耦器件的快关速度对驱动电路性能影响较大, 故IPM驱动电路采用高速光耦。系统采用2个霍尔电流传感器, 分别检测电机定子a相和b相电流, 得到的电流信号经精密采样电阻变换为低压信号, 送DSP的A/D采样口, 供系统电流控制所用。
2.2系统软件设计
本伺服控制系统软件主要包括以下模块组成[8]: (1) 位置控制模块, 包括转子位置信息读取和处理, 位置误差计算, 转子位置调节器算法输出指令转速; (2) 速度控制模块, 包括转子实际转速计算, 转速误差计算, 转速调节器算法得到交轴指令电流; (3) 实际电流坐标变换模块, 包括电机点数电流信息的读取, 利用转子位置信息实现定子静止三相到转子dq两相的定子电流坐标变换; (4) 电流调节器模块, 包括计算直轴和交轴电流误差, 直轴和交轴电流调节器获得直轴和交轴电压增量; (5) 定子电压计算模块, 包括计算直轴和交轴稳态电压, 计算直轴和交轴指令电压, 利用转子位置信息实现转子dq两相到定子静止αβ两相的定子电压坐标变换; (6) 定子电压空间矢量调制模块, 包括直流母线电压信息读取, 定子电压空间矢量调制算法获得PWM波形的占空比; (7) 逆变器PWM输出更新模块, 包括各相PWM 输出寄存器定时值的计算和更新。图5给出了永磁同步电机位置伺服DSP控制软件流程框图。
3仿真试验结果
为了验证本文所建立的交流伺服系统的软、硬件设计研究的正确性, 应用Matlab软件的simulink模块建立了仿真分析系统, 给定位置指令参考值为3rad, 得到图6所示的速度和转角位移响应曲线。可见, 整个动作过程分为前加速、后减速两部分, 并且过渡平滑、无震荡, 位置指令响应能力快速无超调。
4结语
基于DSP的高性能交流伺服控制系统, 以矢量控制为理论基础, 以DSP 为控制核心, 系统电路简单, 控制的实时性好, 便于复杂控制算法的实现。通过仿真试验表明, 系统具有较好的动静态性能, 性能稳定, 可提农业机械的自动化程度。
摘要：设计了应用于现代高新农业机械的交流永磁同步电机位置伺服系统, 研究了永磁同步电机 (PMSM) 的控制策略, 构建了基于空间矢量脉宽调制 (SVPWM) 算法的位置、速度、电流三闭环控制系统, 系统控制以DSP芯片TMS320LF2407为核心。系统软件由控制主程序和PWM中断服务子程序组成:主程序完成DSP的初始化, 参数设定, 过压、过流保护等功能;PWM中断服务子程序完成电流采样, 转速计算, 矢量变换和PWM输出等功能。仿真结果表明系统具有良好的静态和动态性能。
关键词：DSP,交流伺服系统,永磁同步电机,矢量控制
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永磁同步电动机直接转矩控制 篇6
内置式永磁同步电动机 (IPMSM) 由于具有高功率密度和宽调速范围的优点, 非常适合作为电动汽车的驱动电机[1]。而出于降低成本以及电动汽车空间受限的考虑, 无传感器控制技术无疑是电动汽车驱动电机非常合适的控制策略。内置式永磁同步电机无传感器控制方法主要分为适用于启动、低速的方法和适用于中、高速的方法两大类[2]。启动时的初始位置检测以及低速阶段基本上都采用的是高频信号注入方法[3,4], 而中高、速无传感器技术可采用的方法很多, 如磁链估计法[5]、模型参考自适应 (MRAS) 法[6]、状态观测器法[7]、滑模变结构法[8]等。
根据无传感器和直接转矩的优点, 将两者结合起来进行IPMSM直接转矩的无传感器控制研究, 并进行仿真得出结论。
1 IPMSM数学模型
旋转坐标系下的常用IPMSM电压方程可表示为:
其中, ud (t) 、uq (t) 、id (t) 、iq (t) 分别为d-q轴系的电压和电流, Ld、Lq分别为d-q轴系的电感, R、ωr分别为绕组电阻和转子转速, p为微分算子。
假设电机的参数不随温度变化, 忽略磁滞、涡流损耗, 转子无阻尼绕组, 那么定子磁链方程可表示为:
转矩方程为:
其中, np为极对数。
运动方程为:
其中, TL为负载转矩, J为电机转动惯量, B为阻尼系数。
2 直接转矩控制原理
相对于矢量控制, 直接转矩控制只需要采用定子磁链定向控制, 便可以在定子坐标系内实现对电动机磁链、转矩的直接观察和控制。由于只需要检测定子电阻即可准确观测定子磁链, 解决了矢量控制中系统性能受转子参数影响的问题。
根据式 (2) 、式 (3) , 并用定子电流矢量is表示, 得:
其中, β为定子电流矢量is与ψf间的夹角, 称为转矩角。
如果定义δsm为定子磁链矢量ψs与永磁体励磁磁链矢量ψf间的电角度, 则有:
将式 (2) 、式 (6) 带入式 (3) , 整理可得:
上式表明:电机参数确定后, 电磁转矩的大小与励磁磁场磁链矢量和定子磁链矢量的幅值以及两者之间的空间相位移有关。
3 IPMSM无传感器直接转矩控制系统
在实施直接转矩控制时, 将磁链、转矩观测值与给定值之差经两滞环控制器条件后便获得磁链、转矩控制信号, 再综合考虑定子磁链的当前位置来选取合适的电压空间矢量, 形成对电机转矩的直接控制。
控制系统根据电机的三相电流和电压, 利用磁链和转矩估计算法估计出实时磁链和转矩大小以及磁链所在扇区, 之后分别与转矩和磁链给定值进行滞环比较, 最后根据比较值的控制要求合理选择逆变器的开关矢量, 使电机按控制要求调节输出转矩, 最终达到调节速度的目的。控制系统结构如图1所示。
4 控制系统仿真
为验证上述控制方法的性能, 在Matlab7.0的Simulink平台上进行仿真实验, 控制系统仿真图如图2所示。
图3给出了永磁同步电机启动至设定值转速时的转矩和估计转矩的变化曲线;图4给出了永磁同步电机启动至设定值转速时的转速和A相定子电流的响应曲线。仿真时初始负载转矩设定为1N·m, 在0.2s给电机突然加到2N·m。
从仿真情况可以看出, 整个控制系统有非常好的动态性能和稳态性能。
5 结语
仿真结果表明, 这种方法能够有效地估计永磁同步电机的转子位置和速度, 电机的各种性能能够满足实际工作的需要。
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永磁直线同步电动机控制策略研究 篇7
关键词：永磁直线同步电动机,控制策略,伺服系统
0 引言
随着科技的快速大发展, 目前的电动机是以一种直线的较为新型的电动机, 电能可以转换成为直线方式的运动, 其间不需要有其他转换设备的电磁装置, 由旋转的电动机渐渐转的发展过来的。将旋转的电动机按照镜像方式打开, 将电动机按照原有的圆周进行系统直线的开展, 得到了线性的电动机。直线的电动机的工作原理, 与旋转形式的电动机相类似, 在相关缝隙中进行有效的磁场效应, 而不是进行磁场的旋转, 是具有直线性效果的, 其方向通过正弦方式进行有效的分布, 逐渐平移的磁场效应。与旋转的电动机相互比较, 直线的电动机具有几种异步效应感应。直线性电动机和同步的直线性电动机、直流的电动机, 以及其他类型的直线的电动机。直线电动机是按照平板型、弧线型、管线型进行有效的分析, 对各种类型的直线的电动机, 不适合其他方式方法的应用领域。永磁性同步直线的电动机, 在效能能指标和定位的精度和速度上, 以及效率等方面, 比其他的直线性电动机具有更加多的优势, 在许多现代化的, 具有高精密的直线性驱动的控制管理系统中, 永磁直线性同步的电动机是一种具有理想性的直线性伺服电动机, 永磁直线性同步电动机的平滑运行, 对推力脉动具有不明感, 直接使用直线的伺服电动机。
1 交流伺服系统
交流伺服系统是一个具有较高的非线性、强耦合性和复杂的变化性系统, 随着系统运行过程中产生了具有不同的程度的干扰, 这造成了控制难度的逐渐增大。策略上, 基于电机稳态数学模型的电压频率控制方法与开环磁通轨迹控制方法都很难以达到良好的伺服特性, 目前大多数应用的是基于永磁电机动态解耦数学模型的矢量控制方法, 这是现代伺服系统的核心控制方法。
2 永磁直线性的同步电动机具有的控制方法
经典永磁直线电动机, 通过对同步的控制系统进行有效的控制, 对非PID的控制器件做一个合理的实验方法, 完成有效的控制, 在实际的直线性电动机中, 伺服的控制系统中得到了广泛的应用。通过对DSP实现直线电动机的PID控制, 在直线性电动机中, 对系统进行P型的控制, 包括对PI型的速度, 有效控制器的合理化。PIO控制方法, 通过对被控制的相关对象, 进行模型参数分析, 寻求合理的变化。在鲁棒性能不缺定的时候, 通过PID的系统控制, 降低整体的耗费时间。因香瓜参数的时间具有一定的互相性, 产生一定的影响, 造成系统控制难以完成较好的效果。目前的PIO控制, 通过与其他的控制相互联系, 分析策略之间的相互关系, 逐渐形成复合的系统, 使其具有一定的智能新型控制, 提高复合控制这个系统的整个管理。直线性的电动机是具有多变性的, 伺服系统有多变系数, 其具有强烈的控制效果, 耦合的非线性可以保证系统的控制, 人们往往通过转子的磁链, 进行定向的矢量定位, 保证解耦的控制小姑, 消除励磁的控制, 实现回路的耦合, 推进控制系统的耦合管理, 从而可以使控制回路分别受到控制, 即预估器可以与其他器件进行互联, 实现控制器时间的有效补偿, 使控制器的工作时间可以发展, 加深时间的滞后效果管理, 实现完全性的补偿。这种设计的控制器具有一定的独立性, 不需要考虑时间延迟的影响, 从而解决直线性电动机的延时问题, 保证伺服系统的延时问题, 在电力传输系统中, 解决延时问题, 提高速度测量的滞后问题, 及时反馈相关速度滞后的原因, 保证整个系统的影响效果。
3 永磁直线性同步电动机的现实控制管理
现代的控制策略, 通过对系统进行自我控制, 保证自适应能力的有效控制。鲁棒控制问题, 预见性控制问题, 滑模变结构控制问题, 三者之间有一定的相关作用。
3.1 常见的 (自觉适应) 的控制系统
自觉适应是一种相互结合的理论, 将反馈的控制辨识, 研究相关理论。通过控制性能指数, 完成最大化控制指标。通过有效的控制调节, 保证对象系统的调整, 完成基于现代的理论控制系统, 对状态空间进行管理和控制。目前, 较为成熟的模型可以很好的完成数据校对, 其相关参考具有自觉适应的控制能力, 具有自我校正的系统管理。通过对自觉适应系数的分析, 完成系数的调整, 保证稳定化系统的相关误差, 渐渐的趋于零, 保证系统自觉的适应的速度。因此, 通过对直线性电动机的控制, 伺服系统可以完成模型直线性分析, 有效的直线性电动机的模式控制, 从而实现电动机的相关参数的逐渐变化。但对于具有高频系数的干扰问题, 没有较好的干扰显示效果。
3.2 常见的的控制管理系统
鲁棒的控制管理是对模型进行研究, 通过各种不确定因素研究完成系统控制, 控制系统的各项性能指标, 从而保证扰动下的敏感程度。鲁棒控制理论具有较为多的实验, 实现实验结构分析, 保证实验结果的准确性, 鲁棒具有合理的控制管理, 鲁棒的最高控制可以有效的处理, 完成系统的扰动问题, 从而计算函数确定传递数据, 使最大范围数可以进行一定的限制, 设计出的控制其可以对抑制扰动产生良好的效果。
在实验中通过对鲁棒的最大控制, 保证其应用效果, 在不确定性的时变性完成伺服系统, 保证其有效的控制。这种方法是具有多级反馈的, 在结构上对多环进行反馈, 通过反馈的补偿问题, 提高解决的负载性的扰动。在控制的策略管理上, 采用鲁棒的最大性控制, 完成标准的策略管理, 从而保证整个系统的参数测量, 完成不确定性的相关问题, 对于不确定性的外部扰动, 具有较为良好的抑制效果, 将时变的相关参数进行控制, 对不确定性的系统的最大值进行控制, 转换为一个等价的系统管理, 具有的参数的不确定造成了线性传递, 是不变的系统管理控制。图1表示的是系统的结构图, 其中1/ (MS+D) 是电动机的标称模型, D为粘滞摩擦的系数, KT为推力的系数, M是动子产生的质量, KS是位置的调节器, KI是积分项的系数, 而K是最大控制器。预见控制是通过对目标值的检测, 对干扰信号情况进行控制, 使目标值、被控制量可以偏差值降低, 误差逐渐变小。预见控制的伺服系统中的一种, 是在普通的系统中的基础, 通过对未来的信息分析, 进行有效的反馈, 对补偿问题构成极大数值降低, 减小了目标的控制值, 保证了被控制的数量, 其相位具有一定的延迟作用, 使被控制量不能进行系统追踪, 可以在没有延迟状态下, 完成时变系统的跟踪。
滑模的变的非线性控制是一种特殊的控制, 其本质是具有一类的特殊性问题, 非线性控制不具有联系性, 使非线性表现为控制下的不连续性效果。由滑动模块进行设计, 与控制的对象数据无关, 即与相关参数和扰动情况无关, 使滑动模块可以具有结构控制, 完成快速响应效果, 对相关参数统计不足, 对扰动变化不敏感, 不需对线性系统分析, 辨识和设计。因此, 通过在直线性电动机, 伺服系统中的分析, 得到良好的控制应用方式, 在滑模变结构控制的抖阵控制中就是一个重要问题。通过对滑模的现象的控制, 可使系统的相关参数发生变化, 外部的扰动性具有一定的数据特点, 完全的自觉适应, 可以保证系统的有效性, 大大的降低了推力的纹波效率, 对系统的抖阵, 在滑动模态中对进度进行控制, 实现积分的链接, 进一步降低系统的抖阵, 保证系统的整体性, 完成系统的稳态状态, 防止产生误差, 从而实现电动机结构控制, 对于永磁的直线性同步电动机, 保证个滑模结构的控制。图2是电流内部的电流控制, 是跟踪控制的系统, 合理的对动子电流进行分析, 使矢量和定子的磁场交换, 完成空间上相关数据的分析, 从而令电流的去磁分量为零。
通过对不连续的项来抑制, 在滑模变结构控制中, 对扰动的影响和参数进行分析。因此, 在不连续的幅值变化中, 对最小变化进行扰动量分析, 随着参数的检测, 对电流的增加进行控制。如果对扰动进行观测, 及时补偿, 就可以降低幅值, 保证控制的不连续的幅值数据。直线性伺服的电动机的端口, 具有效应力、推进力, 会对系统产生一定的影响, 端效应的产生影响推力纹波的快速变化, 造成数据较为缓慢, 通过设计出相关的检测数据, 对观测器的负载进行推力, 保证推力的扰动情况, 进行动态观测。由于滑模变结构控制的方法, 存在一定的回避抖阵, 通过扩展滑膜观测器从而是实现对于所需分子的速冻、负载动力和加速度的控制, 从而保证现行化和滑膜观测器完成非线性闭环系统的稳定性。
3.3 智能控制的策略
智能控制是基于数字模式的分析, 研究数字模式, 寻求合理的目标控制, 找出实际的解决办法, 是数字系统, 解析和知识分析, 系统的广义系统模型, 是智能控制人脑思维, 具有非线性特点的控制方法, 可以对环境进行系统控制, 保证对象、环境的准确性, 系统进行多方位的控制, 在直线电动机伺服系统中较为成熟的应用是模糊控制、网络控神经制。
模糊控制是以工程人员的工作经验, 加上模糊逻辑推力, 以计算机实现的一种控制, 具有不依赖控制对象的使用原则, 较为广阔的使用范围, 突出线性时变的优势, 对非线性负载进行鲁棒处理, 模糊控制的硬件芯片已经商化, 实用性高。对非线性和时变负载有一定的鲁棒优势。例如, 对于直线性电动机, 以非线性的系统控制, 加强变化负载的效果, 将模糊控制系统、PID控制系统, 显示系统的模糊, 进行控制方法的分析, 从而确立其优势, 模糊控制系统的方法, 提高智能性工作方式, 对传统的模糊系统, 控制其策略, 加深控制的规律, 加大工作人员的相互配合, 完成系统的整体过程, 控制精度的低发展。目前的直线性系统, 在控制的过程中, 完成对模糊系统的控制, 加深系统的应用, 加强其他控制系统的应用效果, 控制相互的符合。例如, 将自觉适应的模糊系统, 控制其混合的模糊控制、使其具有较为充分的使用效果, 通过加深对于PID系统的控制、混合模糊控制各有其自身的特点, 在直线性伺服系统中, 完成系统的有效控制, 提出给予的模糊系统推理方法, 控制自觉检查的PID系统控制, 分析结果, 证明可以更好的完成适应的环境, 保证系统的变化, 从而满足工作化发展, 在工作过程中, 对伺服电动机进行管理。利用遗传诉法, 对离线进行优化设计管理, 从而得到最优的相关参数, 从仿真程序系统中, 有效的得出参数的优化系统控制, 保证模糊系统的稳定性、优质性和系统管理性。基于模糊性的自觉交流管理, 对直线性系统的滑模系统进行控制, 可以过对模糊自觉学习规划, 研究适合实际系统的发展的, 具有不确定性因素的, 控制其在线的学习, 对滑的模切换控制方向、幅值需要进行实时的控制, 从而大大的降低滑模系统的抖阵。神经网络具有存储功能, 可以对信息化分布的存储、通过并行的处理, 非线性逼近完成自觉学习的特点, 在直线伺服控制领域有明显的应用前景。通过对传统的PID系统分析, 以神经网络的电动机相关参数, 进行系统在线辨识、跟踪, 通过对磁通、转速的控制器, 完成自适应调整。结合的模型参考数据, 自觉适应控制效果, 将神经网络的控制器应用与控制器, 具有用于自觉的应速度控制器, 将非线性神经网络控制和滑模控制系统结合起来, 构成双自由度的控制, 从而有效解决直线伺服系统跟踪性能问题, 鲁棒性能问题, 二者之间的矛盾。与小波技术结合, 通过鲁棒小波神经元的控制, 对单纯采用神经网络化学习的速度进行缺陷控制, 保证控制系统的稳定性、能动性和自学速率等等。除了模糊控制和神经网络控制系统外, 将智能控制应用于直线伺服系统的研究是未来需要专家系统研究的问题。
3.4 直线性同步电动机的未来发展
直线性同步电动机的系统, 在国内外的研究中寻求高性能直线电动机伺服控制策略那就方面的各类数据和实际例证, 提出具有合理建设性意义的思路, 从而提出一些具有实际应用方面的成果。伴随着控制对象的复杂程度, 加深控制要求, 采用单一的控制策略已经不能够完成控制策略, 加深永磁直线同步电动机的控制策略分析, 从而更好的完成未来控制策略, 保证控制策略的有效控制。
采用现代的控制方式, 例如, 鲁棒控制系统方式、滑模变系统结构的控制, 对直线性电动机系统的非线性问题控制, 保证系统环境的抗干扰能力得到有效的控制, 保证二者有效的结合, 保证其实际的应用价值。加深智能控制的控制管理, 对具有复杂的对象的分析, 以新的系统控制方式, 解决相关思路方法, 完成系统的有效控制。将智能系统控制与其他方式相结合, 保证其他的控制系统方法的有效结合, 形成变化更加合理、加深优质的直线性系统维护。随着20世纪的到来, 未来的高效数字信号系统, 微电路集成系统, 专用电路的相关系统技术, 三者的综合发展, 带动系统性策略管理, 有效的实现具有坚实的理论和丰富的知识基础的技术系统。直线性电动机可以用于交通管理, 发挥其优质的控制管理体系, 以优质的交通规划管理形式, 完成交通管理的控制。高精度的特点保证了精度要求高的加工领域的技术发展, 从而更好的完成相关应用效果。在整个发展过程中需要提高技术水平, 以优质的控制完成技术系统控制, 保证控制方法的有效解决, 针对不同环境, 不同条件, 不同系统, 完成对于系统的运用, 从而保证技术的有效发展, 以控制对象为管理理念, 加深系统管控的相关方式, 保证目标的有效实施性, 完成控制设备的管理, 提高直线性电动机的系统分析。
4 结语
综上所述, 通过对直线性同步电动机的控制进行数据的介绍和分析, 对交流伺服系统, 自觉性的控制系统、鲁棒的管理控制系统、非线性结构控制系统、智能控制系统的分析, 从而认识到系统的有效性, 从中研究出各类管理电动机的策略控制的方法, 研究策略控制之间是如何通过协同完成电动机的有效控制, 保证实际永磁直线同步电动机的管控效率, 加快高效率、智能化系统管控, 在鲁棒的管控系统控制中, 在滑模结构的变化系统中, 认识到系统控制的优质性, 从而寻求更加适合目前直线电动机控制的有效策略方法, 应用与实际的目标控制, 从而保证设备对于实际的应用方法的实施, 保证实际设备的有效应用策略控制方法的实现, 保证策略控制的有效开展, 从而完成对于永磁直线同步电动机的研究任务。
参考文献
[1]焦留成.永磁直线同步电动机特性及控制[M].科学出版社, 2014.
[2]任志斌.电动机的DSP控制技术与实践[M].中国电力出版社, 2012.