基于交流永磁同步电机的全数字伺服控制系统

　　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

　　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=Pn[ψfiq+(Ld-Lq)idiq](5)

　　电机的运动方程

　　J=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

　　=　(7)

　　反变换为

　　=　(8)

　　2.2 帕克(PARK)变换

　　=　(9)

　　反变换为