基于交流永磁同步电机的全数字伺服控制系统

    关键词：永磁同步电机；矢量控制；数字信号处理器

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。
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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