永磁同步電機交流伺服系統的研究與應用
嚴偉燦，周立新，劉棟良
(臥龍電氣集團股份有限公司，浙江上虞312300)
摘要：介紹永磁同步電動機交流伺服系統，著重敘述了交流伺服系統的軟、硬件結構，并在此基礎上進行了系統的檢測。通過囊例證明：該系統具有良好的位置控制及速度響應性能，實現了對磁同步電動機高性能控制和系統可靠性的要求，滿足客戶的需求。
關鍵詞：永磁同步電機；交流伺服；位置控制
中圖分類號：TM 351 文獻標志碼：A文章編號：1673-6540（2010）05-0049-03
0 引 言
隨著裝備自動化水平的不斷發展，伺服系統的應用越來越廣泛，數字信號處理器(DsP)技術的發展和應用[1-2]。對諸如運動控制領域所要求的電機高性能控制，全數字化交流伺服技術起到了巨大的推動作用，提高了系統的速度、精度、可靠性及抗干擾能力。
相比丁正弦脈寬調制(SPWM)，空間矢量脈寬調制(sVPwM)技術具有電壓利用率高等優
點[3-4]，在交流變頻調速系統上應用廣泛[5]同樣廣泛應用于各種交流伺服系統。本文介紹一種以TMs320F2810為控制核心、永磁同步電動機(PMsM)為執行機構，采用sVPwM的交流伺服系統。該系統具有體積小、重量輕、功耗低、調方便等優點，町以實現對PMsM交流伺服系統的速度、位置、轉矩的精確控制。系統大致可分成兩大板塊，即以TMS320t屹810為控制核心的控制板塊和以智能功率模塊(IPM)為驅動核心的功率驅動板塊，外加一些輔助設備，如D／A顯示人機界面、鍵盤和顯示單元等。
l 系統的硬件結構
1．1主電路
主電路包括功率逆變器供電電源、功率逆變和電源保護。考慮到單相和三相都能夠使用，整流器選擇的是30 A／600 V三相不可控整流模塊。三相(或單相)Ac輸入，經整流橋后的母線直流電壓給下一級逆變橋供電，同時加以軟起動電路進行上電瞬間的電容保護。
1．2 IPM
IPM功率逆變器的功能是根據控制電路的指令，將電源單元提供的高壓直流電轉變為伺服電機定子繞組中的三相交流電，以產牛所需電磁轉矩。主回路采用集驅動電路、保護電路和功率管于一體的IPM，這種集成結構減小了走線引入的分布電感，器件的開通和關斷具有更好的一致性。與普通的絕緣柵雙極晶體管(IcBT)模塊相比，由于集成了驅動和保護電路，使得系統的硬件電路設計和開發變得簡單、可靠。本系統選用三菱公司的PM20csJ06，其耐壓為600 V，額定電流為20 A，****開關頻率為20 kHz。
l.3控制模塊
本系統以TMs320F2810為控制核心，外加一些外圍輔助電路，來完成對PMsM的控制。
1．3．1電流檢測
電機電流由LEM電流傳感器檢測后，得到成比例的模擬電壓信號，其幅值在3～十3 V之間呈正弦波動。DsP內部只能處理單極性的輸入信號，對A／D采樣時需增加電壓抬高電路，從而使電壓變換在0～3 V之間，供DsP采樣來檢測電流的信號。
1.3.2位置轉速檢測
系統采用復合式光電編碼器，兩路正交脈沖信號A、B，一路零位脈沖信號z，實現速度及位置反饋；另外，三路相差120。的初始位置脈沖信號(u、V、w)實現初始位置的定位，同時為了實現符合DsP所要求的3 3 V，這六路信號(A、B、z、u、V、w)都經過74LVTH244A，再分別接到DsP的捕獲端口(cAPl～cAP6)和通用I／O端口(10一PAl3～10PAl5)。
1．3.3空間矢量脈寬調制
作為電力電子裝置的核心技術，PwM技術被廣泛應用于變頻調速電機傳動中。
PwM技術中應用最為普遍的是sPwM和sVPwM。實踐和理論證明，與sPwM技術相比，sVPwM方式具有高次諧波更低和電壓利用率高等優點，因此越來越受到人們的重視。如圖1所示，通過開通Ua和Ub不同的時間，使其兩個合成電壓矢量等效于參考電壓矢量Ur。
在DsP中實現sVPwM算法，該算法得到的基波電壓經PwM口輸出后的波形(外接濾波電路)如圖2所示。圖中曲線l、2為基波相電壓波形，其****幅值為UDc，曲線3為曲線1減曲線2所得到的基波線電壓波形，從圖中可以看出sVPwM屬于雙波頭調制，輸出的線電壓波形為正弦波，與sPwM(其基波****相電壓幅值為UDC√2)相比，提高了電壓的利用率。
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