基于DSP的無位置傳感器永磁同步電機磁場定向控制系統

本文著重介紹了一種改進算法，即取消相電流傳感器且采用滑模觀測器實現無位置傳感器速度控制。　　


永磁同步電機（PMSM）是近年來發展較快的一種電機，由于其轉子采用永磁鋼，屬于無刷電機的一種，具有一般無刷電機結構簡單，體積小，壽命長等優點［1］。
本文討論空間矢量控制的永磁同步電機，采用磁場定向算法借助DSP高速度實現對轉速的實時控制。由于控制算法必須獲取轉子位置信息，所以傳統的控制系統都需要以光電編碼器等作為轉子位置傳感器。為了最大限度減少傳感器，本文從改變相電流檢測方法，建立采用砰－砰控制的滑模觀測器，介紹一個可以實現的模型。
2　磁場定向原理
磁場定向控制，簡稱FOC。如圖1所示，兩直角坐標系：αβ坐標系為定子靜止坐標系，α軸與定子繞組a相軸重合；dq為轉子旋轉坐標系，d軸與轉子磁鏈方向重合，并以同步速ωr逆時針旋轉。兩坐標系之間的夾角為θe。可以把定子電流綜合矢量is，在旋轉坐標系 dq軸上如下式分解
is＝isd＋isq （1）
在交流永磁同步電機中，轉子為永磁鋼，可認為轉子電流綜合矢量的模大小不變，常用常數值IF代表。根據交流電機電磁轉矩T與定、轉子電流綜合矢量的普遍關系式［2］

式中p———極對數
L12———定、轉子互感
i1———定子電流綜合矢量
i2———轉子電流綜合矢量
δ———定、轉子綜合矢量間夾角
這樣電磁轉矩只隨｜i1｜和角δ變化。為了獲得簡單可控的轉矩特性，可以給定定子電流綜合矢量指令使其始終在q軸上，即δ＝90°，從而得

式中Is———定子電流綜合矢量的模
按上式可以實現用定子電流綜合矢量的模來直接控制電動機電磁轉矩，從而使永磁同步電動機獲得類似直流電動機的伺服性能，并可得到快速無靜差的調節特性。圖2為系統控制框圖。

該速度控制系統由速度、電流雙閉環實現，采用的算法由相應的模塊實現，包括：Park變換模塊，Clark變換模塊，反Park變換模塊，轉子位置角估計模塊，轉速計算模塊，弱磁控制模塊，PI調節模塊，空間矢量PWM生成模塊等。整個控制系統，以DSP芯片為核心再配以簡單的外圍電路，其復雜的控制算法及功能全部由軟件來實現。其中每一個控制模塊，對應一C調用函數，主函數流程用C語言編制。與有位置傳感器的控制系統相比，無位置傳感器系統僅在對反饋量的處理中采用了轉角觀測器模塊函數，而對其他控制模塊，而系統可以以完全相同的方法實現，這更顯示了軟件構成系統的靈活性。