交流永磁同步电机的全数字伺服控制系统介绍

0    引言

    目前，交流伺服系统广泛应用于数控机床，机器人等领域，在这些要求高精度，高动态性能以及小体积的场合，应用交流永磁同步电机（PMSM）的伺服系统具有明显优势。PMSM本身不需要励磁电流，在逆变器供电的情况下，不需要阻尼绕组，效率和功率因数都比较高，而且体积较同容量的异步电机小。近几年来，随着微电子和电力电子技术的飞速发展，越来越多的交流伺服系统采用了数字信号处理器（DSP）和智能功率模块（IPM），从而实现了从模拟控制到数字控制的转变。促使交流伺服系统向数字化、智能化、网络化方向发展。本文介绍了一种永磁同步电机的伺服系统设计方法，它采用F240DSP作为控制芯片，同时采用定子磁场定向原理（FOC）进行控制。实验结果证明，该系统设计合理，性能可靠，并已成功地应用于实际的伺服控制系统中。

1    PMSM数学模型

    永磁电机可分为两种：一种输入电流为方波，也称为无刷直流电机（BLDCM）；另一种输入电流为正弦波，也称为永磁同步电机（PMSM）。本文针对后者的系统设计。为建立永磁同步电动机的转子轴（dq轴）数学模型，作如下假定：

    1）忽略电机铁心的饱和；

    2）不计电机的涡流和磁滞损耗；

    3）转子没有阻尼绕组。

    在上述假定下，以转子参考坐标（轴）表示的电机电压方程如下：

定子电压方程

    u_d=R_si_d＋pψ_d－ω_eψ_q（1）

    u_q=R_si_q＋pψ_q＋ω_eψ_d（2）

定子磁链方程

            ψ_d=L_di_d＋ψ_f（3）

            ψ_q=L_qi_q（4）

电磁转矩方程

    T_em=P_n[ψ_fi_q＋(L_d－L_q)i_di_q]（5）

电机的运动方程

    J=T_em－T_L（6）

式中：u_d，u_q为d，q轴电压；

      i_d，i_q为d，q轴电流；L_d，L_q为定子电感在d，q轴下的等效电感；

      R_s为定子电阻；

            ω_e为转子电角速度；

            ψ_f为转子励磁磁场链过定子绕组的磁链；

      p为微分算子；

      P_n为电机极对数；

            ω_m为转子机械转速；

      J为转动惯量；

      T_L为负载转矩。

2    矢量控制策略

    上述方程是通过a，b，c坐标系统到d，q转子坐标系统的变换得到的。这里取转子轴为d轴，q轴顺着旋转方向超前d轴90°电角度。其坐标变换如下。

2.1    克拉克（CLARKE）变换

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4    试验结果

    上述伺服系统采用交流永磁同步伺服电机，其额定功率2.5kW，额定电流10A，额定转速2000r/min，额定转矩6N·m，定子电感8.5mH，定子电阻2.8Ω。图3为空载下电机额定速度的起动波形，通过仿真获得。图4是定子电流的dq分量起动波形，通过仿真获得。图5是空载起动时的B相电流波形。图6是电机带载稳态运行时的B相电流波形。

图3    空载下起动转速波形（仿真）

图4    定子电流的dq分量波形（仿真）

图5    空载起动时定子B相电流波形（实验）

图6    稳态运行时的B相电流波形（实验）

    仿真和实验结果表明该系统具有较快的动态响应和较高的控制精度，完全能够满足伺服系统的要求。并且该系统已经成功地应用于数控车床的伺服控制系统中，性能良好。

5    结语

    本系统硬件上采用DSP的控制结构，电路设计简单，紧凑，满足了系统矢量控制的要求，同时，全数字化的控制使系统在控制精度，功能和抗干扰能力上都有了很大的提高。其次，在充分利用DSP内部资源的条件下，只须附加很少的电路元件，即可实现系统预定的功能，其低成本，高性能的控制特性使该系统具有很好的市场应用前景。另外，系统软件结构的合理设计也保证了系统的实时性和稳定性。