永磁同步伺服电机（PMSM）驱动器原理
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2020-08-05
20:41:03
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永磁同步伺服电机（永磁同步伺服电机（PMSM）驱动器原理）驱动器原理
永磁交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得永磁交流伺服系统取代直流伺服系统尤其是在高精
度、高性能要求的伺服驱动领域成了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。
随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、永磁材料技术、交流可调速技术及控制技术等支撑技术的快速发展，使
得永磁交流伺服技术有着长足的发展。永磁交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得永磁交流伺服系统取代直流伺
服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。永磁交流伺服系统具有以下等
优点：
电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单；
定子绕组散热快；
惯量小，易提高系统的快速性；
适应于高速大力矩工作状态；
相同功率下，体积和重量较小，广泛的应用于机床、机械设备、搬运机构、印刷设备、装配机器人、加工机械、高速卷绕机、
纺织机械等场合，满足了传动领域的发展需求。
永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器不仅克服
了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等确定，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱
动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。现在，高性能的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁同步交流伺
服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。伺服驱动器有两部分组成：驱动器硬件和控制算法。控制算法是决定交流
伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是在技术垄断的核心。
交流永磁伺服系统的基本结构
交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其结
构组成如图1所示。其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。我们的交流永磁同步驱动器其
集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化
是传统的驱动系统所不可比拟的。
目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（dsp）作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，事项数字化、
网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（ipm）为核心设计的驱动电路，ipm内部集成了驱动电路，同时具有过
电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。
伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的功率板和控制板两个模块。如图2所示功率板（驱动板）是强电部，分其中包括两
个单元，一是功率驱动单元ipm用于电机的驱动，二是开关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源。
控制板是弱电部分，是电机的控制核心也是伺服驱动器技术核心控制算法的运行载体。控制板通过相应的算法输出pwm信
号，作为驱动电路的驱动信号，来改逆变器的输出功率，以达到控制三相永磁式同步交流伺服电机的目的。
功率驱动单元
功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市
电，再通过三相正弦pwm电压型变频器来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是ac-
dc-ac的过程。整流单元（ac-dc）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。
逆变部分（dc-ac）采用采用的功率器件集驱动电路，保护电路和功率开关于一体的智能功率模块（ipm），主要拓扑结构是
采用了三相逆变电路原理图见图3，利用了脉宽调制技术即pwm（pulse width modulation）通过改变功率晶体管交替导通的时
间来改变逆变器输出波形的频率，改变每半周期内晶体管的通断时间比，也就是说通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压副
值的大小以达到调节功率的目的。
图3中vt1～vt6是六个功率开关管，s1、s2、s3分别代表3个桥臂。对各桥臂的开关状态做以下规定：当上桥臂开关管“开”状态
时（此时下桥臂开关管必然是“关”状态），开关状态为1；当下桥臂开关管“开”状态时（此时下桥臂开关管必然是“关”状态），
开关状态为0。三个桥臂只有“0”和“1”两种状态，因此s1、s2、s3形成000、001、010、011、100、101、111共八种开关管模
式，其中000和111开关模式使逆变输出电压为零，所以称这种开关模式为零状态。输出的线电压为uab、ubc、uca，相电压
为ua、ub、uc，其中udc为直流电源电压，根据以上可得到附表分析。
控制单元
控制单元是整个交流伺服系统的核心，实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制器。所采用的数字信号处理器（dsp）
除具有快速的数据处理能力外，还集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路，如a/d转换器、pwm发生器、定时计数器电
路、异步通讯电路、can总线收发器以及高速的可编程静态ram和大容量的程序存储器等。伺服驱动器通过采用磁场定向的控
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