浅谈永磁同步电机伺服控制系统

浅谈永磁同步电机伺服控制系统

张文丽 ,常海昕,任江涛 ,刘瑞泽 ,李阳

北方自动控制技术研究所  063001

摘要：

伺服控制系统在工业领域的各个方向都具有十分广阔的应用空间，如自动适应控制、模糊控制及鲁棒制止等。本文主要阐述了永磁同步电机伺服系统的应用现状，将其分为控制闭环调节器、控制电机自身与模糊控制等三个方面。通过分析控制方案特点与研究结果，可以推动伺服控制技术的未来发展。

关键词：永磁同步电机伺服系统；发展现状；工作原理；

交流伺服技术是各种先进设备的重要组成部分，进步空间较大。相比于传统的绕线式感应设备，永磁同步电机的具有简便性特征，机械结构相对简单，功率损耗较小，反应速度较快，整体功能的稳定性较强，应用空间较为广泛，且具有相对较强的精确性。

一、永磁同步伺服控制系统分析

（一）伺服系统概述分析

伺服系统是指被控制对象根据目标信息执行的动作或者指令组成的体系。伺服系统需要严格执行相关命令，实现信号转换与信号控制功能，建立拥有信号反馈的闭环控制机制。伺服系统主要包括伺服电机、机械运动系统、速度检测装置、数字控制器、电源、接口及保护体系等部分组成。

（二）伺服控制系统设计分析

永磁同步电机具有非线性、强耦合性特点，比较容易达成PID控制从程序，难以实时在线调整系统的相关参数信息。若使用场合对系统的速度及精确程度要求较高，需要使用PID控制器获得理想的控制效果。在电机伺服控制系统中，电机的方位及速度信息都来自于光栅编码器，需要根据位置调节器控制电机的具体方位信息。需要根据位置环的输出实现给定速度环，运用电机进行电流转换，有效控制两个不同的直轴分量。

二、永磁同步电机控制策略发展现状分析

首先，永磁同步电机的发展速度较快，具有敏感的感应组织和磁能积组织，能够在电机中发挥重要作用。由于电机中含有较为特殊的原料，对于气温变化较为敏感，容易生锈，需要对其进行二次管理，确保电机功能的连续性与可靠性。大多数永磁原料的温度可以达到两百度以上，能够满足社会发展的最基本要求。

其次，电机本身属于电力电子技术，能够帮助完成强弱电之间的转换任务，是功能切换的重要纽带。交流伺服机制中包括控制压频、控制磁场定向问题、控制解耦问题及控制直接转矩问题等。

再次，相比于传统的电机，永磁同步电机的结构更为简单，但仍然有一些设计缺陷。因此，需要得到更好的调节器控制功能，增强交流伺服系统的功能性，实现有效控制目标。

另外，为了增强控制效果，需要使得交流伺服系统运用在闭环控制体系中，获取电机运动速度、转子位置信息等。常见方法有安装检测速度传感器装置及光电编码器装置等。直接安装传感器将会引发较大麻烦，如伺服产品成本增加等。由于同心度不同，将会导致转子的地位发生改变，连接线缆的数量增加，导致整个体系都处于易受干扰状态，降低了整个体系的稳定性。同时，电机面积增加将会受到运动、潮湿及温度等多种因素的影响。为了克服此类缺陷，需要探索无位置及速度传感器伺服体系。通常情况下，无速度传感器控制方案主要有三种类型，分别是根据观测器模拟的闭环运算过程、根据电动机理想特征的计算过程、根据永磁同步电机的数值模拟计算过程等。

最后，模拟控制对象具有多样性，如群体或个体、清晰或模糊、单个或多个、快速或落后的对象等。为了准确建造数学模型，需要使用模拟控制方案。控制对象的难度较高，范围逐渐扩大，使用原有的控制机制难以满足当前的要求，需要使用模糊控制机制，顺应当前电机伺服系统的成长趋势。模糊控制体系需要模拟人类的思维模式，使用模糊规则控制方案，根据现场操作人员的经验及知识，使用语言形式控制方案，运用不依赖于系统的精确的数学模型，完成模糊规则与模糊逻辑推理工作。在现场操作过程中，可以不断学习现场操作经验，使用模糊性的数学语言变量及逻辑思维方案，加快计算机技术的实施进程。

三、永磁同步电机伺服控制系统的结构与工作原理分析

永磁同步电机伺服控制系统包括位置控制器、速度控制其、电流控制器、电压型PWM逆变器及SM组成，需要反馈系统的速度、位置及信号信息，使其运输到各自指令位置处。永磁同步电机位于转子内部，结构相对简单，机械强度较高，耗费的制造成本较少。转子表面呈现出硅钢片结构，表面损耗较小，工作效率较高。永磁同步电机的等效间隙较小，气隙密度相对较高，可以适用于弱磁控制过程。永磁体的形状及配置的自由度较高，转动惯量相对较小，可以使用磁阻转矩，有效提高电机的工作效率与转矩密度。此外，可以使用转子的凸极效应控制无位置传感器的启动与运行过程。伺服系统对于永磁同步电机的主要要求有响应及时、转矩波动较小、调速范围较宽、工作效率较高、转矩密度较大等。因此，在设计永磁同步伺服电机时需要充分考虑此类要求，确保系统维持正常工作状态。永磁同步伺服电机的方向交变，波动过程具有周期性，波动频率与转子极数密切相关。同时，转矩波动幅度大小和永磁体的性能、磁极、卡槽形状及铁心材料等特点相关，需要根据实际情况确定。由于存在定位转矩，电机绕组问题与通电与否没有关系，但其幅值大小与电流大小相关。

基于电流解耦的永磁同步电机伺服系统主要包括位置环、速度环、电流环控制单元、解耦控制单元等几个部分，需要获取电机转子位置、转速检测信息及信号处理单元等多方面信息，了解坐标变换单元及三相逆变单元特点。基于三相交流控制的永磁同步电机伺服系统包括位置控制器、速度控制其、三相交流坐标变换装置、电流控制器、电流传感器、角度传感器等各个部分。

结束语：

综上所述，随着现代社会的快速发展，伺服系统的成长面临着更加严峻的挑战，发展前景十分广阔。为了推动永磁同步电机的发展，需要保证该体系的安全性能，改善当前的研发条件，坚持持续改造与创新。为了满足社会的多种需求，需要了解永磁同步电机的各种控制方向，增强伺服系统的总体功能特征。当前，永磁同步电机控制机制位于多方位的研究领域中，需要向着多个方向加深研究，给电机成长提供更好的条件。

参考文献：

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