基于交流永磁同步電機的全數(shù)字伺服控制系統(tǒng)

摘要：根據(jù)永磁同步電機的數(shù)學模型和矢量控制原理，通過仿真和實驗研究，開發(fā)出一套基于DSP控制的伺服系統(tǒng)，并給出了相應的實驗結(jié)果驗證該系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機；矢量控制；數(shù)字信號處理器

0??? 引言

??? 目前，交流伺服系統(tǒng)廣泛應用于數(shù)控機床，機器人等領(lǐng)域，在這些要求高精度，高動態(tài)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(tǒng)具有明顯優(yōu)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(shù)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(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的交流伺服系統(tǒng)采用了數(shù)字信號處理器（DSP）和智能功率模塊（IPM），從而實現(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)絡化方向發(fā)展。本文介紹了一種永磁同步電機的伺服系統(tǒng)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(jié)果證明，該系統(tǒng)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(tǒng)中。

1??? PMSM數(shù)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(tǒng)設計。為建立永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子軸（dq軸）數(shù)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(zhuǎn)子沒有阻尼繞組。

??? 在上述假定下，以轉(zhuǎn)子參考坐標（軸）表示的電機電壓方程如下：

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）

電機的運動方程

??? 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)子勵磁磁場鏈過定子繞組的磁鏈；

????? p為微分算子；

????? P_n為電機極對數(shù)；

??????????? ω_m為轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速；

????? J為轉(zhuǎn)動慣量；

????? T_L為負載轉(zhuǎn)矩。

2??? 矢量控制策略

??? 上述方程是通過a，b，c坐標系統(tǒng)到d，q轉(zhuǎn)子坐標系統(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)子坐標來看，對于定子電流可以分為兩部分，即力矩電流i_q和勵磁電流i_d。因此，矢量控制中通常使i_d=0來保證用最小的電流幅值得到最大的輸出轉(zhuǎn)矩。此時，式（6）的電機轉(zhuǎn)矩表達式為

??? T_em=P_nψ_fi_q（11）

由式（11）看出，P_n及ψ_f都是電機內(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的方向可以通過檢測轉(zhuǎn)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(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(tǒng)硬件如圖2所示。整個系統(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)換成逆變器的開關(guān)信號輸出，該信號經(jīng)隔離電路后直接驅(qū)動IPM模塊給電機供電。另外EEPROM用于參數(shù)的保存和用戶信息的存儲。

圖2??? 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1.2??? 功率電路

??? 整個主電路先經(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(tǒng)的輔助電源采用開關(guān)電源，主要供電包括6路開關(guān)管的驅(qū)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(tǒng)的設計要求至少采用兩相電流，由于負載的對稱性，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(zhuǎn)，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(shù)可以得到電機的轉(zhuǎn)向和速度。通過采集這些信號判斷電機轉(zhuǎn)子的位置和電機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的位置。

3.1.5??? 保護電路

??? 系統(tǒng)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(jīng)邏輯電路后可直接封鎖開關(guān)脈沖，同時通過DSP的I/O口輸入，通過軟件檢測來實現(xiàn)系統(tǒng)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(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，DSP內(nèi)各個控制模塊寄存器的設置等，然后進入循環(huán)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(xiàn)電流環(huán)、速度環(huán)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(huán)掃描。其中，每個采樣周期完成電流環(huán)的采樣，開關(guān)信號的輸出，速度環(huán)和位置環(huán)控制。PWM控制信號采用規(guī)則采樣PWM調(diào)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(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的通信程序，EEPROM中參數(shù)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(jù)特定的通信協(xié)議接受上位機的指令，并根據(jù)要求傳送參數(shù)。鍵盤每隔0.2ms掃描一次，更新顯示。

4??? 試驗結(jié)果

??? 上述伺服系統(tǒng)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(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(wěn)態(tài)運行時的B相電流波形。

圖3??? 空載下起動轉(zhuǎn)速波形（仿真）

圖4??? 定子電流的dq分量波形（仿真）

圖5??? 空載起動時定子B相電流波形（實驗）

圖6??? 穩(wěn)態(tài)運行時的B相電流波形（實驗）

??? 仿真和實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較快的動態(tài)響應和較高的控制精度，完全能夠滿足伺服系統(tǒng)的要求。并且該系統(tǒng)已經(jīng)成功地應用于數(shù)控車床的伺服控制系統(tǒng)中，性能良好。

5??? 結(jié)語

??? 本系統(tǒng)硬件上采用DSP的控制結(jié)構(gòu)，電路設計簡單，緊湊，滿足了系統(tǒng)矢量控制的要求，同時，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，即可實現(xiàn)系統(tǒng)預定的功能，其低成本，高性能的控制特性使該系統(tǒng)具有很好的市場應用前景。另外，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的合理設計也保證了系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。