交流永磁同步電機的全數字伺服控制系統介紹

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

關鍵詞：永磁同步電機；矢量控制；數字信號處理器

0 引言

目前，交流伺服系統廣泛應用于數控機床，機器人等領域，在這些要求高精度，高動態性能以及小體積的場合，應用交流永磁同步電機（PMSM）的伺服系統具有明顯優勢。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的飛速發展，越來越多的交流伺服系統采用了數字信號處理器（DSP）和智能功率模塊（IPM），從而實現了從模擬控制到數字控制的轉變。促使交流伺服系統向數字化、智能化、網絡化方向發展。本文介紹了一種永磁同步電機的伺服系統設計方法，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。實驗結果證明，該系統設計合理，性能可靠，并已成功地應用于實際的伺服控制系統中。

1 PMSM數學模型

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設計。為建立永磁同步電動機的轉子軸（dq軸）數學模型，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）轉子沒有阻尼繞組。

在上述假定下，以轉子參考坐標（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為轉子電角速度；

ψ_f為轉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；

ω_m為轉子機械轉速；

J為轉動慣量；

T_L為負載轉矩。

2 矢量控制策略

上述方程是通過a，b，c坐標系統到d，q轉子坐標系統的變換得到的。這里取轉子軸為d軸，q軸順著旋轉方向超前d軸90°電角度。其坐標變換如下。

2.1 克拉克（CLARKE）變換

=（7）