基于PMSM速度调节系统的设计及稳定性分析.pdf

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1、第2期(总第126期)机械管理开发2012年4月No．2(SUMNo．126)MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENTADr．2012基于PMSM速度调节系统的设计及稳定性分析王水珍(国营大众机械厂第一研究所，山西太原030024)摘要：设计控制系统时应满足多种性能指标，但首先必须稳定。从实际应用的角度来看，可以认为只有稳定系统才有用。介绍了一：仲基于永磁同步电机调速系统硬件设计电路，并通过建模及仿真对其进行稳定性分析。关键词：速度调节系统；稳定性；建模；仿真中图分类号：TP302．7文献标识码：A文章编号：10

2、03-773X(2012)02-0205—030引言永磁同步电机PMSM具有体积小、重量轻、维护简单及效率高等优点。目前，以PMSM为控制对象的交流伺服系统在数控机床、航空航天、工业自动控制豳=瑚+—“Lq等领域得到了广泛应用。随着微电子和电力电子技术j的飞速发展，越来越多的交流伺服系统采用了数字信式中：为d轴电流，A；‘为轴电流，A；尼为定子绕组号处理器(DSP)，从而实现了从模拟控制到数字控制．等效电阻，力；为转子电角速度，rad／s；以为每对磁极的转变。磁通，Wb；P为磁极对数；．，为折算到电机轴上的总转动1系统硬件电路设计惯量，kg

3、·in；7为折算到电机轴上的总负载转矩，N·in。1．1控制电路为获得线性状态方程，采用Z，=0的矢量控制方控制电路主要由TMS320F2812、输入／输出接口电式，得永磁同步电机的解耦状态方程：路等组成。DSP作为控制核心，接受外部信息后判断R,／L调速系统的工作模式，并转换成逆变器的开关信号输，，Jjf唧JF)I5f，／J0。L_．‘⋯出，该信号经隔离、放大电路后直接驱动IGBT模块给由上式得出永磁同步电机的结构框图，如图1。电机供电。1．2功率电路整个主电路包括整流，逆变电路。逆变器选用IGBT模块。电机选用交流永磁同步电机(PMSM

4、)，参数如下：1)额定功率=2．83kW；2)额定转速=4500r／min；3)额定相电压=174V；4)额定相电流五=10A；5)转子转动惯量．，=1．O×10kgm；6)定子电阻尼=图1PMSM的结构框图将图1中的积分环节用1／s代替，经方块图变换，0．14l-I；7)绕阻电感=1．53mH；8)磁极对数=4；得到拉普拉斯变换后的数学模型，如图2所示。9)编码器线数4096r，p-。1．3信号采集电路电流采样电路采用霍尔传感器并经模拟电路处理在~3V的电压范围内送入DSP，速度反馈电路采用光电编码器经差分接口转换后传送给DSP。图2PM

5、SM的数学模型1．4保护电路其中，为电流反馈系数，为电势系数，K为转系统在主电路中设置了过压、欠压、IGBT故障等矩系数，兄为定子绕组等效电阻。保护，故障信号经逻辑电路后可直接封锁开关脉冲，同2．2PMSM其控制器的数学模型．时通过DSP的I／O口输入，通过软件检测来实现系统的PMSM及其控制器的数学模型，如图3所示。．保护。2系统的稳定性分析2．1PMSM的数学模型”在假设磁路不饱和，不计磁滞和涡流损耗影响，空间磁场呈正弦分布的条件下，当永磁同步电机转子为圆图3PMSM及其控制器的数学模型筒形[厶』=L=￡]时，得d；q坐标系上PMSM状

6、态方程：收稿日期：2011-12—0l作者简介：王永珍(1972-)，女．山西太原人，工程师，本科，研究方向：自动化控制。·205·第2期(总第126期)机械管理开发2012年4月PMsM及控制器传递函数G(s)为：动的影响下，其动态过程随时间的推移逐渐衰减并趋一于零，则称系统稳定口。．判断线性系统稳定的充要条件是：闭环系统特征G(s)==．(3)方程的所有根均具有负实部，即闭环传递函数的极点K．Kf+s十．(4)严格位于左半s平面。将式(3)、式(4)化成标准形式：根据PMSM参数，可产生以下计算结果：。=1)电势系数：=层=×：0．．㈦

7、式中：为额定相电压，V；为转子机械角速度，式中：cc^，为自然振荡角频率，i：I~fKtrad／s．；2)KUim一o-35·f~'Rrgt~：—J(R,+Kp,Ki)—===一2儿KjKu式中：为转速调节器输出限幅值；五为额定相电流。3)转矩系数：K，'=7／pK=4X0．45=1．8．特征方程的根为：S，z=(一±√一1)．式中：／／p为磁极对数。经计算特征方程的根均为具有负实部，根据线性4)电流调节器为系统稳定的充要条件可知系统是稳定的。速度环理想启动过(s)：=系统在加入速度调节器时程，如图4。图4所示是速度环理114调速系统理想启

8、动过t程速度环的框图，如图5所示，系统的误差传递函数为：想启动过程，实际情况可s)为速度给定，在单位阶跃给定输人情况下，即近似为二阶系统的过阻尼情况，即电流调节器K．(s)可R(