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基于交流永磁同步電機(jī)的全數(shù)字伺服控制系統(tǒng)
摘要：根據(jù)永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和矢量控制原理，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)研究，開發(fā)出一套基于DSP控制的伺服系統(tǒng)，并給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性。引言
目前，交流伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，機(jī)器人等領(lǐng)域，在這些要求高精度，高動(dòng)態(tài)性能以及小體積的場(chǎng)合，應(yīng)用交流永磁同步電機(jī)（PMSM）的伺服系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)。PMSM本身不需要?jiǎng)?lì)磁電流，在逆變器供電的情況下，不需要阻尼繞組，效率和功率因數(shù)都比較高，而且體積較同容量的異步電機(jī)小。近幾年來(lái)，隨著微電子和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的交流伺服系統(tǒng)采用了數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和智能功率模塊（IPM），從而實(shí)現(xiàn)了從模擬控制到數(shù)字控制的轉(zhuǎn)變。促使交流伺服系統(tǒng)向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。本文介紹了一種永磁同步電機(jī)的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，它采用F240DSP作為控制芯片，同時(shí)采用定子磁場(chǎng)定向原理（FOC）進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，性能可靠，并已成功地應(yīng)用于實(shí)際的伺服控制系統(tǒng)中。
圖1 系統(tǒng)控制框圖
1 PMSM數(shù)學(xué)模型
永磁電機(jī)可分為兩種：一種輸入電流為方波，也稱為無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）；另一種輸入電流為正弦波，也稱為永磁同步電機(jī)（PMSM）。本文針對(duì)后者的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為建立永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子軸（dq軸）數(shù)學(xué)模型，作如下假定：
1）忽略電機(jī)鐵心的飽和；
2）不計(jì)電機(jī)的渦流和磁滯損耗；
3）轉(zhuǎn)子沒(méi)有阻尼繞組。
在上述假定下，以轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)（軸）表示的電機(jī)電壓方程如下：
定子電壓方程
ud=Rsid＋pψd－ωeψq （1）
uq=Rsiq＋pψq＋ωeψd （2）
定子磁鏈方程
ψd=Ldid＋ψf （3）
ψq=Lqiq （4）
電磁轉(zhuǎn)矩方程
Tem=3/2Pn[ψfiq＋(Ld－Lq)idiq] （5）
電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程
J(dwm/dt)=Tem－TL （6）
式中：ud，uq為d，q軸電壓；
id，iq為d，q軸電流；Ld，Lq為定子電感在d，q軸下的等效電感；
Rs為定子電阻；
ωe為轉(zhuǎn)子電角速度；
ψf為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)鏈過(guò)定子繞組的磁鏈；
p為微分算子；
Pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)；
ωm為轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速；
J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
2 矢量控制策略
上述方程是通過(guò)a，b，c坐標(biāo)系統(tǒng)到d，q轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系統(tǒng)的變換得到的。這里取轉(zhuǎn)子軸為d軸，q軸順著旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90°電角度。其坐標(biāo)變換如下。
2.1 克拉克（CLARKE）變換
2.2 帕克（PARK）變換
從轉(zhuǎn)子坐標(biāo)來(lái)看，對(duì)于定子電流可以分為兩部分，即力矩電流iq和勵(lì)磁電流id。因此，矢量控制中通常使id=0來(lái)保證用最小的電流幅值得到最大的輸出轉(zhuǎn)矩。此時(shí)，式（6）的電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為
Tem=（3/2）Pnψfiq （11）
由式（11）看出，Pn及ψf都是電機(jī)內(nèi)部參數(shù)，其值恒定，為獲得恒定的力矩輸出，只要控制iq為定值。從上面dq軸的分析可知，iq的方向可以通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子軸來(lái)確定。從而使永磁同步電機(jī)的矢量控制大大簡(jiǎn)化。圖1是其系統(tǒng)的控制框圖，該系統(tǒng)可以工作于速度給定和位置給定模式下，并且PWM調(diào)制方法采用空間矢量調(diào)制法。
3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)
3.1 硬件設(shè)計(jì)
3.1.1 DSP以及周邊資源
以DSP為核心的伺服系統(tǒng)硬件如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)的控制電路由DSP組成。DSP作為控制核心，接受外部信息后判斷伺服系統(tǒng)的工作模式，并轉(zhuǎn)換成逆變器的開關(guān)信號(hào)輸出，該信號(hào)經(jīng)隔離電路后直接驅(qū)動(dòng)IPM模塊給電機(jī)供電。另外EEPROM用于參數(shù)的保存和用戶信息的存儲(chǔ)。
3.1.2 功率電路
整個(gè)主電路先經(jīng)不控整流，后經(jīng)全橋逆變輸出。逆變器選用IGBT的智能控制模塊。模塊內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，并設(shè)計(jì)有過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠電壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路。系統(tǒng)的輔助電源采用開關(guān)電源，主要供電包括6路開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電源，DSP，IO接口控制芯片的電源和采樣LEM。
3.1.3 電流采樣電路
本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求至少采用兩相電流，由于負(fù)載的對(duì)稱性，故采樣ib和ic兩相電流
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