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。 關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；矢量控制；數(shù)字信號(hào)處理器引言目前，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，隨著微電子和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來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的方向可以通過檢測(cè)轉(zhuǎn)子軸來確定。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