基於交流永磁同步電機的全數字伺服控制系統

2020-11-23 電子產品世界

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，開發出一套基於DSP控制的伺服系統，並給出了相應的實驗結果驗證該系統的可行性。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/162409.htm

關鍵詞：永磁同步電機；矢量控制；數位訊號處理器

　

　

0 引言

目前，交流伺服系統廣泛應用於數控工具機，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採用了數位訊號處理器（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位化、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，它採用F240DSP作為控制晶片，同時採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，並已成功地應用於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）。本文針對後者的系統設計。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

ud=Rsid＋pψd－ωeψq（1）

uq=Rsiq＋pψq＋ωeψd（2）

定子磁鏈方程

ψd=Ldid＋ψf（3）

ψq=Lqiq（4）

電磁轉矩方程

Tem=Pn[ψfiq＋(Ld－Lq)idiq]（5）

電機的運動方程

J=Tem－TL（6）

式中：ud，uq為d，q軸電壓；

id，iq為d，q軸電流；Ld，Lq為定子電感在d，q軸下的等效電感；

Rs為定子電阻；

ωe為轉子電角速度；

ψf為轉子勵磁磁場鏈過定子繞組的磁鏈；

p為微分算子；

Pn為電機極對數；

ωm為轉子機械轉速；

J為轉動慣量；

TL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。這裡取轉子軸為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）

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