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基于交流永磁同步电机的全数字伺服控制系统

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

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

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。

图1 系统控制框图

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=3/2Pn[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]   (5)

电机的运动方程

J(dwm/dt)=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。
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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
基于交流永磁同步电机的全数字伺服控制系统

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