同步电机控制
两台伺服电机同步运动的控制方法
两台伺服电机同步运动的控制方法在机器人控制中，两台伺服电机同步运动是非常常见的应用场景。
在实现这一目标时，需要考虑多个因素，包括控制策略选择、编码器信号处理、运动规划和同步误差补偿等。
本文将介绍10条关于两台伺服电机同步运动的控制方法，并针对每个方法进行详细描述。
1. 固定速度同步固定速度同步是最简单的同步控制策略之一。
当两台电机需要进行同步运动时，控制系统简单地设定一个固定的速度，并使两台电机以相同速度运转。
这种方法非常容易实现，但缺点是无法进行精细的控制，无法适应不同的工作负载和环境变化等因素。
此方法适用于要求同步精度不高的低要求应用场景。
2. 位置比较同步位置比较同步是一种基于编码器反馈的同步控制策略。
在运动过程中，两台电机所连接的机械系统需要一个共同的位置参考点，控制系统通过比较这两个位置信号的偏差来控制两台电机实现同步运动。
此方法的优点是同步效果较为精确，但缺点是需要编码器反馈，且无法适应突然的负载变化。
3. 时间比较同步时间比较同步是一种基于定时器的同步控制策略。
当两台电机需要进行同步运动时，控制系统使用定时器来定时，以确保两台电机在相同时间内完成运动。
此方法实现简单，无需编码器反馈，但受到定时器精确度的限制。
4. PID 控制同步PID控制同步是一种基于PID控制器的同步控制策略。
PID控制器是一种广泛应用于控制系统中的控制器，它通过比较设定值和实际值的偏差来调节输出信号，以达到减小误差和稳定控制的目的。
在使用PID控制器实现同步控制时，控制系统需要根据具体的工作负载、运动速度和运动规划等因素来调节PID参数。
此方法适用于对同步精度有较高要求的应用场景。
5. 动态滤波同步动态滤波同步是一种基于滤波器的同步控制策略。
此方法将编码器反馈信号通过滤波器处理，以提高信号的稳定性和精确度。
滤波器的参数需要根据具体的工作负载和运动规划等因素进行调节。
此方法适用于对同步精度有一定要求的应用场景。
第三章 同步电动机的变频调速控制
30年代
铝镍钴、铁氧体
差
易去磁
1
2 3
90年代 60年代 后期
铁氧体 稀土永磁： SmC05
3.6~4.0 24 33 38~40
价格低 （稀土的1/10） 热稳定性好 不怕去磁 钴含量高、价格高
70年代 初期
第三代
稀土永磁： SmC017 稀土永磁： 钕铁硼 Nd-Fe-B
我国储量世界第一， 温度可达200℃？
图示位置是转子磁极轴线 从某相绕组轴线转过30°的位 置，在此瞬间触发该相晶闸管， 从产生转矩的角度看是最有利 的。在此位置下，在绕组通电 的1/3周期里，载流导体正好 处于比较强的磁场中，所产生 的转矩平均值最大，脉动最小。 从时间相位上看，晶闸管触发 瞬间正好是该感应电势交变过 零之后的30°相位处，习惯上 将此点选作晶闸管触发相位的 基准点，称为空载换流超前 角 。
结 论
0 0 、 三相式，对转矩最为有利。
矛盾：
晶闸管靠反电势自然换流，要求 0 超前，目前常取 0 60 ，或按负载的 动态调节。转矩脉动大：凸极式无换向电 机中，还存在磁阻转矩，当 超前时为 0 负值，将使输出转矩减小。
二、逆变器晶闸管的换流问题
问题的提出： 直流无换向器电机的晶闸管直接接在直流电 源上,导通后无法自行关断，换流困难。必须采取 特殊的换流措施。 解决： 在过激状态下向逆变器提供超前的无功电流， 可利用电机的反电势来实现自然换流。
优点: (1) 只要精确地控制变频电源的频率就能准确控 制转速，无需速度反馈控制。 (2) 转矩干扰只影响同步电动机的功角，不影响 电机的转速可以在极低的转速下运行，调速范围 较宽。 (3)可以调节转子励磁来调节电机的功率因数,甚 至可在 下运行。 (4) 运行在超前功率因数下，有可能利用电动机 的反电势实现负载换流，克服强迫换流的弊病 （晶闸管)。 缺点：同步电机本身结构稍微复杂
永磁同步电机工作原理及控制策略
U1
VF1
VF3
VF5
H1
译
A
码
H2
电
B
H3
路
VF4
VF6
VF2
C
Y联结三三通电方式旳控制原理图
PMSM和BLDC电机旳工作原理
vab
Vd
0
2
t
van
0
2
3 Vd
1 3 Vd
t
M
Y联结三三通电方式相电压和线电压波形
a)
VF6VF1VF2导通时合成转矩
Tc 2
b) VF1VF2VF3导通是合成转矩
c)三三通电时合成转矩
K e ：电动势系数； Ta ：电动机产生旳电动转矩平
均（N.m）;
KT ：转矩系数； R ：电动机旳内阻（ ）。
PMSM和BLDC电机旳工作原理
BLDC电机旳动态特征方程
U U Ea IR
Ta KT I
Ta
TL
GD2 375
dn dt
Ea Ken
TL ：电动机负载阻转矩； GD2 ：电动机转子飞轮力矩
FOC中需要测量旳量为：定子电流、 转子位置角
PMSM电机旳FOC控制策略
2、FOC特点 以转子磁场定向 系统动态性能好，控制精度高 控制简朴、具有直流电机旳调速性能 运营平稳、转矩脉动很小
PMSM电机旳FOC控制策略
3、FOC控制方式
id 0 控制
定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与 永磁体磁场空间矢量正交，电机旳输出转矩与定子电 流成正比。 其性能类似于直流电机，控制系统简朴，转矩性能好， 能够取得很宽旳调速范围，合用于高性能旳数控机床、 机器人等场合。电机运营功率因数低，电机和逆变器 容量不能充分利用。
电机同步控制器原理
电机同步控制器原理
电机同步控制器是一种用于控制多个电机同步运行的设备。
它基于控制理论和电力电子技术，通过精确的控制信号，使多个电机在时序上保持一致，并达到预定的运行要求。
电机同步控制器的工作原理如下：
1. 传感器采集：通过安装在电机上的传感器，如编码器或霍尔传感器，实时采集电机的转速、位置或角度等信息。
2. 反馈与比较：将传感器采集到的信息与设定值进行比较，得到误差值。
根据误差值大小，确定电机的控制策略。
3. 控制信号生成：根据控制策略，控制器通过数学运算和控制算法生成控制信号，如电压、电流或PWM信号。
4. 驱动电机：控制信号通过电力电子器件（如功率放大器或变频器）放大或调制，驱动电机实现精确的控制。
5. 反馈控制：控制器持续监测电机转速、位置或角度等反馈信号，与设定值进行比较，根据误差值调整控制信号，使电机保持同步运行。
6. 系统保护：电机同步控制器还会实时监测电机的工作状态，如过流、过载或过热等异常情况，及时进行保护措施，确保电机的安全运行。
通过以上步骤，电机同步控制器能够实现多个电机间的同步运行，广泛应用于机械加工、印刷、纺织、自动化装配线等场合，提高生产效率和产品质量。
永磁同步电机弱磁控制原理
永磁同步电机弱磁控制原理永磁同步电机是一种高效、高性能的电机，具有高转矩密度、高效率、高精度等优点，因此在工业生产中得到了广泛应用。
然而，永磁同步电机在运行过程中，由于磁场的不稳定性，容易出现磁场失稳、转速波动等问题，影响了电机的性能和稳定性。
为了解决这些问题，人们提出了弱磁控制原理，通过控制电机的磁场，使其保持稳定，从而提高电机的性能和稳定性。
弱磁控制原理是指在永磁同步电机运行过程中，通过控制电机的磁场，使其保持在一定的范围内，从而保证电机的性能和稳定性。
具体来说，弱磁控制原理包括两个方面：一是控制电机的磁场强度，二是控制电机的转速。
控制电机的磁场强度是弱磁控制原理的核心。
在永磁同步电机中，磁场的强度直接影响电机的性能和稳定性。
如果磁场过强或过弱，都会导致电机的性能下降或者失稳。
因此，弱磁控制原理要求控制电机的磁场强度在一定的范围内，既不能过强，也不能过弱。
具体来说，可以通过控制电机的电流来控制磁场的强度。
当电机的电流过大时，磁场会过强，导致电机失稳；当电流过小时，磁场会过弱，导致电机性能下降。
因此，弱磁控制原理要求控制电机的电流在一定的范围内，从而控制磁场的强度。
控制电机的转速也是弱磁控制原理的重要方面。
在永磁同步电机中，转速的稳定性直接影响电机的性能和稳定性。
如果转速波动过大，会导致电机的性能下降或者失稳。
因此，弱磁控制原理要求控制电机的转速在一定的范围内，既不能过快，也不能过慢。
具体来说，可以通过控制电机的电流和电压来控制转速的稳定性。
当电机的电流和电压过大时，转速会过快，导致电机失稳；当电流和电压过小时，转速会过慢，导致电机性能下降。
因此，弱磁控制原理要求控制电机的电流和电压在一定的范围内，从而控制转速的稳定性。
弱磁控制原理是一种有效的控制永磁同步电机的方法，可以提高电机的性能和稳定性。
在实际应用中，可以通过控制电机的电流和电压来控制磁场的强度和转速的稳定性，从而实现弱磁控制。
同时，还可以采用先进的控制算法和控制器，提高电机的控制精度和稳定性，进一步提高电机的性能和稳定性。
永磁同步电机控制原理
iq PI
uq
r
id
id PI
ud
iq id
u
d，q
α，β u
d，q
i
i
α，β
SV PWM
驱动模块
逆变器
α，β
ia
ib
a，b，c
d / dt
控制模块
高压直流电输入输出 电机控制器外部低压输入信号 电机控制器内部输入信号 数学计算输出信号 控制程序输出信号 IGBT信号
电机控制器
PMSM
旋转变压器
永磁同步电机控制原理
控制方式
永磁同步电机 （PMSM）
矢量控制 控制方式
直接转矩控制
矢量控制（磁场定向控制）
矢量控制实现的基本原理是测量和控制电机定子电流矢量
根据磁场定向原理分别对电机的励磁电流和转矩电流进行 控制，从而达到控制电机转速和转矩的目的
对电流的空间矢量 进行坐标变换，并 进行控制，所以叫 矢量控制
数据 观测
上位机
RS232
LED 显示
外部 存储器 仿真器
DAC
键盘控制
I/O
PDPINT
SCI
CPU
PWM
产生
SPI
存储器
模块
EMIF
ADC PLL
JTAG
WD/RTI
DSP
QEP
U DC C
故障检 测电路
光
驱
三相
耦
动
逆变
隔
电
电路
离
路
IPM
电流 检测
位置 检测
PMSM
IPM内部集成： 6个IGBT 驱动电路 保护电路
驱动电机总成
软件流程图
永磁同步电机的滞环控制
永磁同步电机的滞环控制
永磁同步电机（PMSM）的滞环控制是一种常用的控制方式，它的主
要作用是提高电机的控制精度和效率。
在PMSM的运行过程中，存在着电机参数的不确定性和电磁干扰等不利因素，这些因素会影响电机
的控制效果和稳定性。
通过滞环控制，我们可以对PMSM进行更精细的控制，提高电机的性能和稳定性。
滞环控制的本质是控制电机转矩的输出，通过验证电机的实际输出和
预计输出之间的差异，调整电机控制器的输出电流和电压，从而达到
精确控制电机运行的目的。
与传统的速度和位置控制相比，滞环控制
的优势在于其能够消除电机参数的不确定性和电磁干扰对电机控制的
影响，提高了电机的运行精度和控制稳定性。
具体而言，滞环控制通过对电机控制器输出的交流电电压进行检测和
计算，实现对电机输出功率的有效控制。
通过在控制器中加入滞环控
制算法，实现对电机输出功率的跟踪和控制，确保电机输出的效率和
精度。
这种控制方式可以应用在各种复杂的系统中，包括风力涡轮机组、海洋运动助推器、电动汽车和高速列车等。
需要注意的是，滞环控制算法需要合理地选取控制器的参数和调整参
数值，以适应电机的不同运行条件和环境。
此外，在滞环控制过程中，
还需要进行保护措施，避免电机出现过高的电流和电压，从而保证电机安全运行。
总之，滞环控制是一种有效的控制方式，可以提高永磁同步电机的控制精度和效率。
在应用过程中，需要根据具体情况合理选择控制器参数，从而实现优化控制效果。
通过不断的优化和改进，滞环控制技术将为现代化工业和交通运输领域带来更加高效、智能的控制方式。
永磁同步电机工作原理及控制策略
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图8-1多台同步电动机的恒压频比控制调速系统
PWM变压变频器中，带定子压降补偿的
系统控制
恒压频比控制保证了同步电动机气隙磁通 恒定，缓慢地调节频率给定 f* 可以逐渐地 同时改变各台电机的转速。 系统结构简单，控制方便，只需一台变频 器供电，成本低廉。 由于采用开环调速方式，系统存在一个明 显的缺点，就是转子振荡和失步问题依然 存在，因此各台同步电动机的负载不能太 大。
同步调速系统的特点（续）
（6）由于同步电动机转子有独立励磁，在 极低的电源频率下也能运行，因此，在同 样条件下，同步电动机的调速范围比异步 电动机更宽。 （7）异步电动机要靠加大转差才能提高转 矩，而同步电机只须加大功角就能增大转 矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动 具有更强的承受能力，能作出更快的动态 响应。
同步调速系统的特点（续）
（4）异步电动机的气隙是均匀的，而同步 电动机则有隐极与凸极之分，隐极式电机 气隙均匀，凸极式则不均匀，两轴的电感 系数不等，造成数学模型上的复杂性。但 凸极效应能产生平均转矩，单靠凸极效应 运行的同步电动机称作磁阻式同步电动机。
同步调速系统的特点（续）
（5）异步电动机由于励磁的需要，必须从电 源吸取滞后的无功电流，空载时功率因数很 低。同步电动机则可通过调节转子的直流励 磁电流，改变输入功率因数，可以滞后，也 可以超前。当 cos = 1.0 时，电枢铜损最小， 还可以节约变压变频装置的容量。
转矩脉动（续）
图8-9 梯形波永磁同步电动机的转矩脉动
转矩脉动
实际的转矩波形每隔60°都出现一个 缺口，而用 PWM 调压调速又使平顶部 分出现纹波，这样的转矩脉动使梯形波 永磁同步电动机的调速性能低于正弦波 的永磁同步电动机。
2. 稳态模型
逆变器电路
逆变器通常采用 120°导通型的， 当两相导通时， 另一相断开。
（8-22）
式中 uA、uB 、uC ——三相输入对地电压； iA、iB 、iC ——三相电流； eA、eB 、eC
——三相电动势； Rs ——定子每相电阻； Ls ——定子每相绕组的自感； Lm ——定子任意两相绕组间的互感。
电压方程（续） 由于三相定子绕组对称，故有
iA + iB + iC = 0 则 Lm iB + Lm iC = - Lm iA Lm iC + Lm iA = - Lm iB Lm iA + Lm iB = - Lm iC
对于振荡和失步问题
： 可采用频率闭环控制，同步转速可以跟 着频率改变，于是就不会振荡和失步了。
2. 同步调速系统的类型
（1）他控变频调速系统 用独立的变压变频装置给同步电动机 供电的系统。 （2）自控变频调速系统 用电动机本身轴上所带转子位置检测 器或电动机反电动势波形提供的转子位 置信号来控制变压变频装置换相时刻的 系统。
稀土金属永磁，因此容量相同时电机的体 积小、重量轻； 转子没有铜损和铁损，又没有滑环和电刷 的摩擦损耗，运行效率高； 转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较 高的加速度，动态性能好； 结构紧凑，运行可靠。
8.3.1 梯形波永磁同步电动机的 自控变频调速系统
1. 概 述 无刷直流电动机实质上是一种特定 类型的同步电动机，调速时只在表 面上控制了输入电压，实际上也自 动地控制了频率，仍属于同步电动 机的变压变频调速。
同步电机的特点与问题
优点：
（1）转速与电压频率严格同步； （2）功率因数高到1.0，甚至超前。
存在的问题：
控制励磁
（1）起动困难； （2）重载时有振荡，甚至存在失步危险。
解决思路
问题的根源：
供电电源频率固定不变
解决办法：
采用电压-频率协调控制
例如
对于起动问题：
通过变频电源频率的平滑调节，使电机 转速逐渐上升，实现软起动。
8.2.3 由交-交变压变频器供电的大型低 速同步电动机调速系统
另一类大型同步电动机变压变频调速系统 用于低速的电力拖动，例如无齿轮传动的可 逆轧机、矿井提升机、水泥转窑等。 该系统由交-交变压变频器供电，其输出频 率为20~25Hz（当电网频率为50Hz时）， 对于一台20极的同步电动机，同步转速为 120~150r/min，直接用来拖动轧钢机等设备 是很合适的，可以省去庞大的齿轮传动装置。
系统组成
图8-3 由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统
8.3 自控变频同步电动机调速系统
本节摘要
基本结构与原理 梯形波永磁同步电动机（无刷直流电
动机）的自控变频调速系统
正弦波永磁同步电动机的自控变频调
速系统
8.3.0 基本结构与原理
图8-7 自控变频同步电动机调速系统结构原理图
电压方程（续）
代入式（8-22），并整理后得
uA Rs u 0 B uC 0 0 Rs 0 0 iA Ls Lm i 0 0 B Rs iC 0 0 Ls Lm 0 iA eA i e 0 p B B Ls Lm iC eC 0
自控变频同步电动机的分类
自控变频同步电动机的多种名称： 无换向器电动机（带直流励磁绕组的同步 电动机 ） 永磁同步电动机,PMSM（正弦波永磁同步 电动机，输入正弦波电流） 无刷直流电动机,BLDC（梯形波永磁同步电 动机，输入方波电流）
永磁电动机控制系统的优点
由于采用了永磁材料磁极，特别是采用了
3. 同步调速系统的特点
（1）交流电机旋转磁场的同步转速1与定子 电源频率f1有确定的关系 2f1 1 （8-1）
np
异步电动机的稳态转速总是低于同步转速 的，存在转差s ；同步电动机的稳态转速 等于同步转速，转差s=0。
同步调速系统的特点（续）
（2）异步电动机的磁场仅靠定子供电产生， 而同步电动机除定子磁动势外，转子侧还 有独立的直流励磁，或者用永久磁钢励磁。 （3）同步电动机和异步电动机的定子绕组 相同，转子绕组则不同，同步电动机转子 除直流励磁绕组（或永久磁钢）外，还可 能有自身短路的阻尼绕组。
*8.2 他控变频同步电动机调速系统 与异步电动机变压变频调速一样， 用独立的变压变频装置给同步电动机 供电的系统称作——他控变频调速系
统。
本节提要
转速开环恒压频比控制的同步电动机群调
速系统 由交-直-交电流型负载换流变压变频器供 电的同步电动机调速系统 由交-交变压变频器供电的大型低速同步电 动机调速系统
足以保证可靠换流；
当电机静止时，感应电动势为零，根本就
无法换流。
解决方案
这时，须采用“直流侧电流断续”的特 殊方法，使中间直流环节电抗器的旁路晶闸 管导通，让电抗器放电，同时切断直流电流， 允许逆变器换相，换相后再关断旁路晶闸管， 使电流恢复正常。 用这种换流方式可使电动机转速升到额定 值的 3%~5%，然后再切换到负载电动势换 流。
eA iA
eA
iA EP O IP
t
图8-8 梯形波永磁同步电动机的电动势与电流波形图
由于各相电流都是方波，逆变器的 电压只须按直流PWM的方法进行控制， 比各种交流PWM控制都要简单得多， 这是设计梯形波永磁同步电动机的初 衷。 然而由于绕组电感的作用，换相时电 流波形不可能突跳，其波形实际上只 能是近似梯形的，因而通过气隙传送 到转子的电磁功率也是梯形波。
图8-10 梯形波永磁同步电动机的等效电路及逆变器主电路原理图
电压方程
对于梯形波的电动势和电流，不能简单 地用矢量表示，因而旋转坐标变换也不适 用，只好在静止的ABC坐标上建立电机的 数学模型。 当电动机中点与直流母线负极共地时， 电动机的电压方程可以用下式表示
电压方程（续）
uA Rs u 0 B uC 0 0 Rs 0 0 iA Ls i L 0 B m Rs iC Lm Lm Ls Lm Lm iA eA i e Lm p B B Ls iC eC
（8-23）
转矩方程
设图8-8中方波电流的峰值为 Ip ，梯形波电动
势的峰值为Ep，在一般情况下，同时只有两相导 通，从逆变器直流侧看进去，为两相绕组串联， 则电磁功率为 Pm = 2 Ep Ip。忽略电流换相过程的 影响，电磁转矩为 Pm 2np Ep I p Te 2np p I p （8-24）
图8-2 由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统
系统控制
在图8-2中，系统控制器的程序包括 转速调节、负载换流控制和励磁电流控 制，FBS是测速反馈环节。 由于变压变频装置是电流型的，还单 独画出了电流控制器。
换流问题
LCI同步调速系统在起动和低速时存 在换流问题，
低速时同步电动机感应电动势不够大，不
第8 章
同步电动机变压变频 调速系统
学习要点：
1、同步电动机变压变频调速的特点及其 基本类型。 2、转速开环恒压频比控制的同步电动机 群调速系统; 3. 由交-直-交变频器供电的大型低速同步 电动机调速系统
难点： 他控、自控变频调速系统。
8.1 同步电动机变压变频调速的特点 及其基本类型
本节提要
概述 同步调速系统的类型
同步调速系统的特点
1. 概 述
同步电动机历来是以转速与电源频 率保持严格同步著称的。只要电源频 率保持恒定，同步电动机的转速就绝 对不变。 采用电力电子装置实现电压-频率 协调控制，改变了同步电动机历来只 能恒速运行不能调速的面貌。起动费 事、重载时振荡或失步等问题也已不 再是同步电动机广泛应用的障碍。
*8.2.1 转速开环恒压频比控制 的同步电动机群调速系统