基于交流永磁同步电机的全数字伺服控制系统

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。

图1 系统控制框图

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

ud=Rsid＋pψd－ωeψq （1）

uq=Rsiq＋pψq＋ωeψd （2）

定子磁链方程

ψd=Ldid＋ψf （3）

ψq=Lqiq （4）

电磁转矩方程

Tem=3/2Pn[ψfiq＋(Ld－Lq)idiq] （5）

电机的运动方程

J(dwm/dt)=Tem－TL （6）

式中：ud，uq为d，q轴电压；

id，iq为d，q轴电流；Ld，Lq为定子电感在d，q轴下的等效电感；

Rs为定子电阻；

ωe为转子电角速度；

ψf为转子励磁磁场链过定子绕组的磁链；

p为微分算子；

Pn为电机极对数；

ωm为转子机械转速；

J为转动惯量；

TL为负载转矩。

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

2.2 帕克（PARK）变换

从转子坐标来看，对于定子电流可以分为两部分，即力矩电流iq和励磁电流id。因此，矢量控制中通常使id=0来保证用最小的电流幅值得到最大的输出转矩。此时，式（6）的电机转矩表达式为

Tem=（3/2）Pnψfiq （11）

由式（11）看出，Pn及ψf都是电机内部参数，其值恒定，为获得恒定的力矩输出，只要控制iq为定值。从上面dq轴的分析可知，iq的方向可以通过检测转子轴来确定。从而使永磁同步电机的矢量控制大大简化。图1是其系统的控制框图，该系统可以工作于速度给定和位置给定模式下，并且PWM调制方法采用空间矢量调制法。