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

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，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。

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

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）