交流永磁同步伺服系統(tǒng)矢量控制設(shè)計(jì)

    張運(yùn)芳^1,2，陳榮¹，趙永建²

(1鹽城工學(xué)院，江蘇鹽城224051；2江蘇大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江212013)

    摘要：介紹了永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和磁場(chǎng)定向控制原理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了以tms320f2812為核心的全數(shù)字交流水磁同步伺服系統(tǒng)，并給出了其硬什電路和軟件程序流程。實(shí)驗(yàn)證明該控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能，可以廣泛應(yīng)用于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。

    關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī)；磁場(chǎng)定向控制；數(shù)字信號(hào)處理器；伺服系統(tǒng)

    中圖分類號(hào)：tm341  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a  文章編號(hào)：1004—7018(2009)12—0042—03

0引  言

    三相永磁同步電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱pmsm)是從繞線式轉(zhuǎn)子同步伺服電動(dòng)機(jī)發(fā)展而來(lái)的。它用強(qiáng)抗退磁的永磁轉(zhuǎn)子代替了繞線式轉(zhuǎn)子，從而省去了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)和電刷，屬于無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的一種。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、損耗小、可靠性高、輸出轉(zhuǎn)矩大、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用和重視.轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制方式就是針對(duì)此類電動(dòng)機(jī)使用較為廣泛的一種控制方式，通過(guò)矢量控制改善轉(zhuǎn)矩控制性能，從而極大地提高了系統(tǒng)的控制精和可靠性，使交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)性能趕上甚至超過(guò)了直流電動(dòng)機(jī)。

    在電機(jī)控制中，應(yīng)用dsp可使系統(tǒng)向高可靠性、高性能和維護(hù)方便的全數(shù)字方向發(fā)展。

tms320f2812是迄今為止用于數(shù)字控制領(lǐng)域性能較好的32位定點(diǎn)dsp系列芯片，本文以tlvis320f2812核心設(shè)計(jì)全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)。

1 pmsm數(shù)學(xué)模型

    沿用理想電動(dòng)機(jī)模型的一系列假設(shè)，經(jīng)過(guò)一系列推導(dǎo)可以得到pmsm在d—q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。 

式中：l_d為等效兩相定子繞組d軸自感；l_q為等效兩相定子繞組g軸自感；ψ_f為轉(zhuǎn)子磁鋼在定子上的耦合磁鏈。

式中：p為微分算子；ψ_d為d軸磁鏈；ψ_q為q軸磁鏈；ω為轉(zhuǎn)子角速度，r_s為定子電阻；i_d為d軸電流；i_q為q軸電流。

式中：j為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；t₁為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

2矢量控制原理

    矢量控制的思想源于對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的嚴(yán)格模擬，通過(guò)磁場(chǎng)定向控制將定子電流矢量分解為兩個(gè)分量：勵(lì)磁電流分量ia和轉(zhuǎn)矩電流分量iq，并使兩個(gè)分量互相垂直、彼此獨(dú)立，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而可獲得較好的解耦控制特性。矢量控制從理論上解決了非線性、強(qiáng)耦合的交流電機(jī)高性能控制問(wèn)題。

    在矢量控制中，當(dāng)永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁體產(chǎn)生的磁鏈砂，和直交軸電感l(wèi)_d、l_q確定后，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩t_e便取決于定子電流i_s,而i_s的大小和相位取決于i_d和i_q。因此，只要控制i_d和i_q便可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩te.一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)一定的i_d和i_q。永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)通過(guò)控制pmsm的電流實(shí)際值i_d,i_q與給定值i_d、i_q相符，便實(shí)現(xiàn)了pmsn的磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制，而且i_d和i_q獨(dú)立控制。

    圖1給出了矢量控制的框圖。首先，根據(jù)檢測(cè)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置θm和輸入的參考位置θ，通過(guò)位置pi控制器計(jì)算得到電機(jī)轉(zhuǎn)速的參考輸入ω，再根據(jù)檢測(cè)到的電機(jī)轉(zhuǎn)速ω_r和輸入的參考轉(zhuǎn)速ω，通過(guò)速度pi控制器計(jì)算得到定子電流的參考輸入i_d、i_q；通過(guò)相電流檢測(cè)電路提取i_a、i_b，再使用clarke、pmk變換，將它們轉(zhuǎn)換到d—q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中；然后再將d—q坐標(biāo)系中的電流信號(hào)與它們的i_d、i_q相比較，其i_d=o，通過(guò)pi控制器獲得理想的控制量。外環(huán)位置環(huán)產(chǎn)生了速度的參考值，速度環(huán)產(chǎn)生了定子電流的參考值，內(nèi)環(huán)電流環(huán)得到實(shí)際控制信號(hào)，從而構(gòu)成一個(gè)完整的位置速度矢量三閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

  采用tms320f2812定