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基于交流永磁同步電機的全數字伺服控制系統
摘要：根據永磁同步電機的數學模型和矢量控制原理，通過仿真和實驗研究，開發出一套基于DSP控制的伺服系統，并給出了相應的實驗結果驗證該系統的可行性。關鍵詞：永磁同步電機；矢量控制；數字信號處理器
引言
目前，交流伺服系統廣泛應用于數控機床，機器人等領域，在這些要求高精度，高動態性能以及小體積的場合，應用交流永磁同步電機（PMSM）的伺服系統具有明顯優勢。PMSM本身不需要勵磁電流，在逆變器供電的情況下，不需要阻尼繞組，效率和功率因數都比較高，而且體積較同容量的異步電機小。近幾年來，隨著微電子和電力電子技術的飛速發展，越來越多的交流伺服系統采用了數字信號處理器（DSP）和智能功率模塊（IPM），從而實現了從模擬控制到數字控制的轉變。促使交流伺服系統向數字化、智能化、網絡化方向發展。本文介紹了一種永磁同步電機的伺服系統設計方法，它采用F240DSP作為控制芯片，同時采用定子磁場定向原理（FOC）進行控制。實驗結果證明，該系統設計合理，性能可靠，并已成功地應用于實際的伺服控制系統中。
圖1 系統控制框圖
1 PMSM數學模型
永磁電機可分為兩種：一種輸入電流為方波，也稱為無刷直流電機（BLDCM）；另一種輸入電流為正弦波，也稱為永磁同步電機（PMSM）。本文針對后者的系統設計。為建立永磁同步電動機的轉子軸（dq軸）數學模型，作如下假定：
1）忽略電機鐵心的飽和；
2）不計電機的渦流和磁滯損耗；
3）轉子沒有阻尼繞組。
在上述假定下，以轉子參考坐標（軸）表示的電機電壓方程如下：
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）
電磁轉矩方程
Tem=3/2Pn[ψfiq＋(Ld－Lq)idiq] （5）
電機的運動方程
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為轉子電角速度；
ψf為轉子勵磁磁場鏈過定子繞組的磁鏈；
p為微分算子；
Pn為電機極對數；
ωm為轉子機械轉速；
J為轉動慣量；
TL為負載轉矩。
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2 矢量控制策略
上述方程是通過a，b，c坐標系統到d，q轉子坐標系統的變換得到的。這里取轉子軸為d軸，q軸順著旋轉方向超前d軸90°電角度。其坐標變換如下。
2.1 克拉克（CLARKE）變換
2.2 帕克（PARK）變換
從轉子坐標來看，對于定子電流可以分為兩部分，即力矩電流iq和勵磁電流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矩。此時，式（6）的電機轉矩表達式為
Tem=（3/2）Pnψfiq （11）
由式（11）看出，Pn及ψf都是電機內部參數，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轉子軸來確定。從而使永磁同步電機的矢量控制大大簡化。圖1是其系統的控制框圖，該系統可以工作于速度給定和位置給定模式下，并且PWM調制方法采用空間矢量調制法。
3 系統軟硬件設計
3.1 硬件設計
3.1.1 DSP以及周邊資源
以DSP為核心的伺服系統硬件如圖2所示。整個系統的控制電路由DSP組成。DSP作為控制核心，接受外部信息后判斷伺服系統的工作模式，并轉換成逆變器的開關信號輸出，該信號經隔離電路后直接驅動IPM模塊給電機供電。另外EEPROM用于參數的保存和用戶信息的存儲。
3.1.2 功率電路
整個主電路先經不控整流，后經全橋逆變輸出。逆變器選用IGBT的智能控制模塊。模塊內部集成了驅動電路，并設計有過電壓、過電流、過熱、欠電壓等故障檢測保護電路。系統的輔助電源采用開關電源，主要供電包括6路開關管的驅動電源，DSP，IO接口控制芯片的電源和采樣LEM。
3.1.3 電流采樣電路
本系統的設計要求至少采用兩相電流，由于負載的對稱性，故采樣ib和ic兩相電流。采樣電路采用霍爾傳感器并經模擬電路處理在±5V的電壓范圍內，再經雙極性A/D轉換芯片后送入DSP內。
3.1.4 轉子位置檢測電路
電機反饋采用增量式光電編碼器，該編碼器分辨率為2500脈沖/轉，輸出信號包括A，B，Z，U，V，W等脈沖，其中A和B信號互差90°（電角度），DSP通過判斷A和B的相位和個數可以得到電機的轉向和速度。通過采集這些信號判斷電機轉子的位置和電機的轉速。另外U，V，W三相互差120°（電角度），用于在電機啟動時判斷電機轉子的位置。
3.1.5 保護電路
系統在主電路中設置了過壓、欠壓、IGBT故障、電機過熱、IPM過熱、編碼器故障檢測等保護，故障信號經邏輯電路后可直接封鎖開關脈沖，同時通過DSP的I/O口輸入，通過軟件檢測來實現系統的保護。
3.2 軟件設計
DSP伺服控制程序由3個部分組成：主程序、定時采樣程序和DSP與周邊資源的數據交換程序。
3.2.1 主程序
主程序內完成系統的初始化，I/O接口控制信號，DSP內各個控制模塊寄存器的設置等，然后進入循環程序。
3.2.2 定時采樣程序
定時采樣程序是整個伺服控制程序的核心，在這里實現電流環、速度環的采樣以及矢量控制、PWM信號生成、各種工作模式選擇和I/O的循環掃描。其中，每個采樣周期完成電流環的采樣，開關信號的輸出，速度環和位置環控制。PWM控制信號采用規則采樣PWM調制方法生成，在每個采樣周期中對每相電流進行一次誤差判斷以決定下個周期開關管的占空比。
3.2.3 數據交換程序
數據交換程序主要包括與上位機的通信程序，EEPROM中參數的存儲，控制器鍵盤值的讀取和顯示程序。其中通信采用串行通信接口，根據特定的通信協議接受上位機的指令，并根據要求傳送參數。鍵盤每隔0.2ms掃描一次，更新顯示。
4 試驗結果
上述伺服系統采用交流永磁同步伺服電機，其額定功率2.5kW，額定電流10A，額定轉速2000r/min，額定轉矩6N·m，定子電感8.5mH，定子電阻2.8Ω。圖3為空載下電機額定速度的起動波形，通過仿真獲得。圖4是定子電流的dq分量起動波形，通過仿真獲得。圖5是空載起動時的B相電流波形。圖6是電機帶載穩態運行時的B相電流波形。
仿真和實驗結果表明該系統具有較快的動態響應和較高的控制精度，完全能夠滿足伺服系統的要求。并且該系統已經成功地應用于數控車床的伺服控制系統中，性能良好。
5 結語
本系統硬件上采用DSP的控制結構，電路設計簡單，緊湊，滿足了系統矢量控制的要求，同時，全數字化的控制使系統在控制精度，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內部資源的條件下，只須附加很少的電路元件，即可實現系統預定的功能，其低成本，高性能的控制特性使該系統具有很好的市場應用前景。另外，系統軟件結構的合理設計也保證了系統的實時性和穩定性。
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