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(kāi)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。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；矢量控制；數(shù)字信號(hào)處理器

0    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。

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(chēng)為無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）；另一種輸入電流為正弦波，也稱(chēng)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

    u_d=R_si_d＋pψ_d－ω_eψ_q（1）

    u_q=R_si_q＋pψ_q＋ω_eψ_d（2）

定子磁鏈方程

            ψ_d=L_di_d＋ψ_f（3）

            ψ_q=L_qi_q（4）

電磁轉(zhuǎn)矩方程

    T_em=P_n[ψ_fi_q＋(L_d－L_q)i_di_q]（5）

電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程

    J=T_em－T_L（6）

式中：u_d，u_q為d，q軸電壓；

      i_d，i_q為d，q軸電流；L_d，L_q為定子電感在d，q軸下的等效電感；

      R_s為定子電阻；

            ω_e為轉(zhuǎn)子電角速度；

            ψ_f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；

      P_n為電機(jī)極對(duì)數(shù)；

            ω_m為轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速；

      J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

      T_L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

    =（7）

反變換為

    =（8）

2.2    帕克（PARK）變換

    =（9）

反變換為

    =（10）

    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i_q和勵(lì)磁電流i_d。因此，矢量控制中通常使i_d=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

    T_em=P_nψ_fi_q（11）

由式（11）看出，P_n及ψ_f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i_q為定值。從上面dq軸的分析可知，i_q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。

圖1    系統(tǒng)控制框圖

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(kāi)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(hù)信息的存儲(chǔ)。

圖2    系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

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(kāi)關(guān)電源，主要供電包括6路開(kāi)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(chēng)性，故采樣i_b和i_c兩相電流。采樣電路采用霍爾傳感器并經(jīng)模擬電路處理在±5V的電壓范圍內(nèi)，再經(jīng)雙極性A/D轉(zhuǎn)換芯片后送入DSP內(nèi)。

3.1.4    轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路

    電機(jī)反饋采用增量式光電編碼器，該編碼器分辨率為2500脈沖/轉(zhuǎn)，輸出信號(hào)包括A，B，Z，U，V，W等脈沖，其中A和B信號(hào)互差90°（電角度），DSP通過(guò)判斷A和B的相位和個(gè)數(shù)可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度。通過(guò)采集這些信號(hào)判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和電機(jī)的轉(zhuǎn)速。另外U，V，W三相互差120°（電角度），用于在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。

3.1.5    保護(hù)電路

    系統(tǒng)在主電路中設(shè)置了過(guò)壓、欠壓、IGBT故障、電機(jī)過(guò)熱、IPM過(guò)熱、編碼器故障檢測(cè)等保護(hù)，故障信號(hào)經(jīng)邏輯電路后可直接封鎖開(kāi)關(guān)脈沖，同時(shí)通過(guò)DSP的I/O口輸入，通過(guò)軟件檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的保護(hù)。

3.2    軟件設(shè)計(jì)

    DSP伺服控制程序由3個(gè)部分組成：主程序、定時(shí)采樣程序和DSP與周邊資源的數(shù)據(jù)交換程序。

3.2.1    主程序

    主程序內(nèi)完成系統(tǒng)的初始化，I/O接口控制信號(hào)，DSP內(nèi)各個(gè)控制模塊寄存器的設(shè)置等，然后進(jìn)入循環(huán)程序。

3.2.2    定時(shí)采樣程序

    定時(shí)采樣程序是整個(gè)伺服控制程序的核心，在這里實(shí)現(xiàn)電流環(huán)、速度環(huán)的采樣以及矢量控制、PWM信號(hào)生成、各種工作模式選擇和I/O的循環(huán)掃描。其中，每個(gè)采樣周期完成電流環(huán)的采樣，開(kāi)關(guān)信號(hào)的輸出，速度環(huán)和位置環(huán)控制。PWM控制信號(hào)采用規(guī)則采樣PWM調(diào)制方法生成，在每個(gè)采樣周期中對(duì)每相電流進(jìn)行一次誤差判斷以決定下個(gè)周期開(kāi)關(guān)管的占空比。

3.2.3    數(shù)據(jù)交換程序

    數(shù)據(jù)交換程序主要包括與上位機(jī)的通信程序，EEPROM中參數(shù)的存儲(chǔ)，控制器鍵盤(pán)值的讀取和顯示程序。其中通信采用串行通信接口，根據(jù)特定的通信協(xié)議接受上位機(jī)的指令，并根據(jù)要求傳送參數(shù)。鍵盤(pán)每隔0.2ms掃描一次，更新顯示。

4    試驗(yàn)結(jié)果

    上述伺服系統(tǒng)采用交流永磁同步伺服電機(jī)，其額定功率2.5kW，額定電流10A，額定轉(zhuǎn)速2000r/min，額定轉(zhuǎn)矩6N·m，定子電感8.5mH，定子電阻2.8Ω。圖3為空載下電機(jī)額定速度的起動(dòng)波形，通過(guò)仿真獲得。圖4是定子電流的dq分量起動(dòng)波形，通過(guò)仿真獲得。圖5是空載起動(dòng)時(shí)的B相電流波形。圖6是電機(jī)帶載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的B相電流波形。

圖3    空載下起動(dòng)轉(zhuǎn)速波形（仿真）

圖4    定子電流的dq分量波形（仿真）

圖5    空載起動(dòng)時(shí)定子B相電流波形（實(shí)驗(yàn)）

圖6    穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的B相電流波形（實(shí)驗(yàn)）

    仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和較高的控制精度，完全能夠滿足伺服系統(tǒng)的要求。并且該系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于數(shù)控車(chē)床的伺服控制系統(tǒng)中，性能良好。

5    結(jié)語(yǔ)

    本系統(tǒng)硬件上采用DSP的控制結(jié)構(gòu)，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，緊湊，滿足了系統(tǒng)矢量控制的要求，同時(shí)，全數(shù)字化的控制使系統(tǒng)在控制精度，功能和抗干擾能力上都有了很大的提高。其次，在充分利用DSP內(nèi)部資源的條件下，只須附加很少的電路元件，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)定的功能，其低成本，高性能的控制特性使該系統(tǒng)具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。另外，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)也保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。