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。

关键词：永磁同步电机；矢量控制；数字信号处理器

0 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。

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

u_d=R_si_d＋pψ_d－ω_eψ_q（1）

u_q=R_si_q＋pψ_q＋ω_eψ_d（2）

定子磁链方程

ψ_d=L_di_d＋ψ_f（3）

ψ_q=L_qi_q（4）

电磁转矩方程

T_em=P_n[ψ_fi_q＋(L_d－L_q)i_di_q]（5）

电机的运动方程

J=T_em－T_L（6）

式中：u_d，u_q为d，q轴电压；

i_d，i_q为d，q轴电流；L_d，L_q为定子电感在d，q轴下的等效电感；

R_s为定子电阻；

ω_e为转子电角速度；

ψ_f为转子励磁磁场链过定子绕组的磁链；

p为微分算子；

P_n为电机极对数；

ω_m为转子机械转速；

J为转动惯量；

T_L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

=（7）