基于三相异步电机全数字伺服系统的设计

　　在目前广泛应用于数控车床、纺织机械等领域的伺服系统中，采用全数字的控制方式已是大势所趋。数字化控制与模拟控制相比不仅具有控制方便、性能稳定、成本低廉等优点，同时也为伺服系统实现网络化、智能化控制开辟了发展空间。全数字控制的伺服系统不仅可以方便的实现电机控制，同时通过软件的编程可以 实现多种附加功能，使得伺服系统更为人性化，智能化，这也正是模拟控制所不能达到的。

　　目前，对伺服系统的研究已有大量的文献[1-5]进行了 报道。本文基于ti公司f2407a dsp控制芯片，建立了全数字控制的伺服系统thrsv-1，该系统可以工作于定位、脉冲跟踪、模拟量跟踪、力矩给定、调速五种模式。在采用1024脉冲 /转的光电编码盘时，电机的定位精度可以达到每转的1/4096。当工作于脉冲跟踪模式时，其转速随着脉冲频率的变化而改变，转过的角度和输入脉冲的总数 成正比。而在模拟量跟踪时可以实现s曲线、阶跃、

　　正弦等多种速度曲线，真正实现任意速度曲线的跟踪。力矩模式使得电机输出力矩恒定，可用于多 台联动的场合。最后，基本的调速方式满足最为常用的控制要求，当电机工作于额定转速以上时，采用了弱磁升速技术。

　　磁场定向控制原理

　　为了分析方便，先对三相异步电机做 如下理想化假定:

　　电机定转子三相绕组完全对称;

　　定转子表面光滑，无齿槽效应，定转子每相气隙磁动势在空间呈正弦分布;

　　磁饱和、涡流及铁心损耗忽略不计。

　　图1　异步电机α—β和d—q坐标系

　　图1是三相异步电机的坐标图，其中a、b、c分别为三相定子绕组，α-β为两相定子坐标，d-q为两相以ωo角速度旋转的坐标，isd、 isq、isα、isβ分别是定子电流矢量is在d、q、α、β轴上的分量。

　　对于一般电机调速系统而言，从转矩到转速近似为一个积分环节，其 积分时间常数由电机和负载的机械惯量决定，为不可控量，因此转矩控制性能的好坏直接关系到一个调速系统的动静态特性。从转矩表达式可以看出，异步电机的转矩一般和定子电流矢量和转子磁场以及夹角有关。因此，要想控制转矩，必须先检测和控制磁通。在磁场定向矢量控制中，一般把d-q坐标系放在同步旋转磁场上，把静止坐标系中的各交流量转化为旋转坐标系中的直流量，并使d轴和转子磁场方向重合，此时转子磁通q轴分量为零(ψrg=0)，此时有如下几式:

　　其中式(1)-(5)为转子磁场定向控制方程式。漏磁系数=1-lm2/lslr，τr=lr/rr为转子时间常数，ωs为转差角速度，ω0转 子旋转磁场的角速度，ωr是转子旋转角速度。式(3)-(6)是转子磁场定向控制的电流模型公式，用来计算转子旋转磁场的幅值和角度。由式(3)不难发 现，只需检测定子电流的d轴分量即可观测出转子磁通幅值。由式(7)可知，当ψrd恒定时，电磁转矩和电流的q轴分量或转差成正比，没有最大值限制，通过 控制定子电流的q轴分量即可控制电磁转矩。因此，也称定子电流的d轴分量为励磁分量，定子电流的q轴分量为转矩分量。因此，可以通过定子电流的d轴分量控 制转子磁通，q轴分量来控制转矩，从而实现了磁通和转矩的解耦控制。