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基于交流永磁同步电机的全数字伺服控制系统
摘要：根据永磁同步电机的数学模型和矢量控制原理，通过仿真和实验研究，开发出一套基于DSP控制的伺服系统，并给出了相应的实验结果验证该系统的可行性。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。
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
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。
3 系统软硬件设计
3.1 硬件设计
3.1.1 DSP以及周边资源
以DSP为核心的伺服系统硬件如图2所示。整个系统的控制电路由DSP组成。DSP作为控制核心，接受外部信息后判断伺服系统的工作模式，并转换成逆变器的开关信号输出，该信号经隔离电路后直接驱动IPM模块给电机供电。另外EEPROM用于参数的保存和用户信息的存储。
3.1.2 功率电路
整个主电路先经不控整流，后经全桥逆变输出。逆变器选用IGBT的智能控制模块。模块内部集成了驱动电路，并设计有过电压、过电流、过热、欠电压等故障检测保护电路。系统的辅助电源采用开关电源，主要供电包括6路开关管的驱动电源，DSP，IO接口控制芯片的电源和采样LEM。
3.1.3 电流采样电路
本系统的设计要求至少采用两相电流，由于负载的对称性，故采样ib和ic两相电流
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