以码盘为传感器的永磁电动机矢量控制系统
张万峰 扈宏杰 张子忠 (上海交通大学200240)
摘 要 概述直流电动机、感应电动机、永磁电动机在电动机伺服系统应用中的不同特点，介绍一种新颖的永磁同步电动机结构形式，建立永磁同步电动机的数学模型，并确立其磁场定向矢量控制方式，设计了以混合式光电码盘作传感器的永磁同步电动机伺服系统，给出其实验结果和结论。
叙 词 同步电动机永磁电机磁场定向控制光电码盘
1引 言
电动伺服技术是机电一体化技术的核心部分之一，电动机伺服系统在精密数控机床、加工中心、机器人、半导体制造、工厂及办公室自动化等领域都有广泛的应用。电动伺服技术主要包括伺服电动机理论及技术、现代控制理论及技术、电力电子技术及传感器技术，它在70年代趋于成熟，并逐渐渗透到各应用领域。
在电动机伺服系统中，有刷直流电动机伺服系统具有良好的控制性能，并在70年代获得广泛应用，但是由于电刷和换向器的存在，运行时需要定期维护和无法做到高速大容量，所以在现代电动机伺服系统的应用中受到限制。惑应电动机结构简单，坚固耐用，无机械换向，随着控制技术和电力电子技术的日益成熟，以逆变器为驱动电源的异步电动机变频调速伺服系统在许多工业领域中被大量应用，但是由于有矢量算法复杂、低速特性差、易发热等缺点，使其在现代电动伺服系统中的应用受到了一定限制[1]。
由于永磁材料的开发，永磁电动机伺服系统获得了广泛应用，永磁电动机转子或定子上装有永磁磁钢，以产生恒定磁场，由于永磁体可以产生很强的磁场，所以使其具有较高的功率密度和较小的体积，从而使得永磁同步电动机伺服系统具有较高的性能指标。永磁电动机伺服系统按驱动类型的不同可分为两种，正弦波驱动永磁同步电动机伺服系统 简称pmsm和方波驱动无刷直流电动机伺服系统简称bdcm，由于永磁同步电动机伺服系统与无刷直流电动机伺服系统在结构上的类似，使二者有许多共同之处，功率密度较高，体积较小，伺服性能优越。但是
由于永磁同步电动机伺服系统转矩波动小，调速范围宽，其伺服性能优越于无刷直流电动机伺服系统，从而使其在交流伺服系统中占重要地位。
本文首先介绍研制的永磁同步电动机的系统结构，然后建立永磁同步电动机系统的数学模型，并确立其矢量控制方式，最后设计以混合式光电码盘作传感器的永磁同步电动机伺服系统驱动控制电路，并给出调试的实验结果及结论[3]。
2永磁同步电动机伺服系统的结构
永磁同步电动机伺服系统主要由三部分构成。
(1)永磁同步电动机本体：永磁同步电动机本体主要由定子和转子两大部分组成，定子上嵌有三相电枢绕组，转子上装有永磁体，这种结构形式不仅使转子不产生热，而且使电枢电流产生的热易于散出，同时实现了电动机本体的小型化。
(2)速度及位置传感器：永磁同步电动机伺服系统不仅要检出转子磁极位置信号，而且为实现速度伺服与位置伺服，也需要相应精度的速度与位置传感器，通常这两方面的功能希望集中在一个传感器内实现，目前，混合式光电码盘在各类永磁同步电动机伺服系统中被广泛采用，研制的永磁同步电动机伺服系统也采用混合式光电码盘作为速度及位置传感器。
(3)正弦波脉宽调制及驱动控制电路：正弦波脉宽调制电路与驱动控制电路足永磁同步电动机伺服系统的重要组成部分，正弦波脉宽调制电路以一定的调制频率触发功率开关器件以驱动电机，并在控制电路的调节下实现速度伺服与位置伺服。
研制的永磁同步电动机伺服系统的电动机本体采用9槽集中绕组结构，转子采用钕铁硼永磁磁钢，为抑制转矩波动，采用4对极斜极结构。速度及位置传感器采用混合式光电码盘，码盘同轴连接于永磁同步电动机本体的非负载侧。驱动控制电路采用矢量控制下的正弦波脉宽调制技术，以igbt模块组成三相桥式逆变电路作功率驱动单元。
3永磁同步电动机的数学模型及控制方式
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