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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。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。
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
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