PDF《1. 简介》

摘要 在任何数控电机驱动器中,一个不可或缺的部件是相电流 反馈.

测量质量与扭矩纹波和扭矩建立时间等系统参数直 接相关.虽然系统性能与相电流测量之间存在强相关关 系,但很难将其转换成对反馈系统的硬性要求.从系统角 度来看,本文将讨论如何设计出面向电机控制优化的反馈 系统.同时还将指出误差源,并讨论缓解效应. 1. 简介 电流环路在电机驱动器或伺服(见图1)中的性能直接影响电机的 扭矩输出(扭矩输出对平滑响应至关重要)以及精确定位和速度曲 线.平稳扭矩输出的一个关键衡量指标是扭矩纹波.这对仿形 切削和切割应用尤为重要,在此类应用中,扭矩纹波会直接转 化为可实现的终端应用精度.对于生产效率直接受可用控制带 宽影响的自动化应用,响应时间和建立时间等与电流环路动态 相关的参数非常重要.除电机设计本身外,驱动器内的多个因 素也会直接影响这些性能参数. 一个电机驱动器内部有多个扭矩纹波来源.一些源于电机本 身,例如由定子绕组和定子槽布置以及转子EMF谐波引起的齿 槽扭矩.

1 其他扭矩纹波来源与相电流反馈系统2 中的失调和增益 误差相关(见图1). 逆变器死区时间也会直接影响扭矩纹波,因为它会将定子电频 率的低频(主要是5次和7次)3 谐波分量添加至PWM输出电压.这 种情况下,对电流环路的影响与电流环路在谐波频率上的抗干 扰能力相关. 本文将重点关注相电流测量引起的扭矩纹波.我们将对每种误 差进行分析,并讨论最大限度地减小测量误差影响的方法. 图1. 反馈路径中具有非理想元件的电机驱动器中的电流环路. 2. 电流测量误差引起的扭矩纹波 3相永磁电机的电磁扭矩公式为: Te为电磁扭矩,PP为极点对数,λPM为永磁磁通量,Ld和Lq为同 步旋转参考系中的定子电感,id和iq为同步旋转参考系中的定子 电流.在稳态和理想条件下,id和iq是直流量,因此,产生的扭 矩也是直流量.id或iq中存在交流分量时,将出现扭矩纹波.由于idq和产生的扭矩之间有直接关系,因此本文采用的方法是分 析各种测量误差如何影响id和iq.此分析以3相电机的电流反馈 为基础: + + + C + C + + + + Current Controller PI PI iq* Vq* Va* da* Inverter PMSM Position Sensor Gain Error Offset Error Δia ia1 ib1 ic1 ia ib ic id iq Optional 3rd Channel ADC dq abc Δib Δic θr θr Timing Error Trig Delay SVPWM abc db* dc* Va Vb Vc ia ib ic Vb* Vc* Vd* dq id* Ka Kb Kc (1) (2) | 分享至LinkedIn | 电子邮件

2 理解电机驱动器电流环路中非理想效应影响的系统方法 其中,ix为测得的相电流(x = a、b、c),ix1为实际相电流,ixe为 测量误差.未对误差属性作出任何假设;

可以是失调、增益 误差或交流分量.采用Clarke变换时,电流投影到静止2相量iα 和iβ上: 采用Park变换时,电流投影到旋转2相量id和iq上: 其中,θ为转子的角度.对于3相电机的磁场定向控制,需要知 道所有三相电流.一种常用方法是测量所有三相电流,这需要 三个传感器和三条反馈通道.其他常用方法是仅测量两条通 道,然后计算第三相电流.出于成本和复杂性原因,传感器数 和测量通道数越少越好,但后续部分将提到,测量所有三相电 流可使系统更加稳定地应对测量误差. 2.1 两相测量 首先考虑测量两相电流的3相驱动器.第三相电流在电流总和为 0的假设下进行计算.如果测得ia和ib,则ic的计算公式为: 利用公式(2)和公式(5): 在静止参考系中,电流为: 在旋转参考系中,电流为: 注意,id和iq都有一个与实际相位电流相关的项和一个与测量误 差相关的项(idq = idq1+ idqe).对于此分析,误差项ide和iqe最为重要. 2.2 三相测量 现在考虑测量所有三相电流的3相驱动器.按照两条通道时采用 的步骤,得出静止量和旋转量: 在旋转参考系中: 同样,上述公式有一个与实际相位电流相关的项idq1)和一个与测 量误差相关的项(idqe).误差项ide和iqe为: 3. 错误采样时刻 当三相电机由开关电压源逆变器供电时,相位电流可以看作由 两个分量组成:基波分量和开关分量(见图2A). (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) 请访问:analog.com/cn