交流永磁同步电机的全数字伺服控制系统介绍

本文引用地址： //m.amcfsurvey.com/article/159955.htm

反变换为

=（8）

2.2 帕克（PARK）变换

=（9）

反变换为

=（10）

从转子坐标来看，对于定子电流可以分为两部分，即力矩电流i_q和励磁电流i_d。因此，矢量控制中通常使i_d=0来保证用最小的电流幅值得到最大的输出转矩。此时，式（6）的电机转矩表达式为

T_em=P_nψ_fi_q（11）

由式（11）看出，P_n及ψ_f都是电机内部参数，其值恒定，为获得恒定的力矩输出，只要控制i_q为定值。从上面dq轴的分析可知，i_q的方向可以通过检测转子轴来确定。从而使永磁同步电机的矢量控制大大简化。图1是其系统的控制框图，该系统可以工作于速度给定和位置给定模式下，并且PWM调制方法采用空间矢量调制法。

图1 系统控制框图

3 系统软硬件设计

3.1 硬件设计

3.1.1 DSP以及周边资源

以DSP为核心的伺服系统硬件如图2所示。整个系统的控制电路由DSP组成。DSP作为控制核心，接受外部信息后判断伺服系统的工作模式，并转换成逆变器的开关信号输出，该信号经隔离电路后直接驱动IPM模块给电机供电。另外EEPROM用于参数的保存和用户信息的存储。

图2 系统硬件结构图

3.1.2 功率电路

整个主电路先经不控整流，后经全桥逆变输出。逆变器选用IGBT的智能控制模块。模块内部集成了驱动电路，并设计有过电压、过电流、过热、欠电压等故障检测保护电路。系统的辅助电源采用开关电源，主要供电包括6路开关管的驱动电源，DSP，IO接口控制芯片的电源和采样LEM。

3.1.3 电流采样电路

本系统的设计要求至少采用两相电流，由于负载的对称性，故采样i_b和i_c两相电流。采样电路采用霍尔传感器并经模拟电路处理在±5V的电压范围内，再经双极性A/D转换芯片后送入DSP内。

3.1.4 转子位置检测电路

电机反馈采用增量式光电编码器，该编码器分辨率为2500脉冲/转，输出信号包括A，B，Z，U，V，W等脉冲，其中A和B信号互差90°（电角度），DSP通过判断A和B的相位和个数可以得到电机的转向和速度。通过采集这些信号判断电机转子的位置和电机的转速。另外U，V，W三相互差120°（电角度），用于在电机启动时判断电机转子的位置。

3.1.5 保护电路

系统在主电路中设置了过压、欠压、IGBT故障、电机过热、IPM过热、编码器故障检测等保护，故障信号经逻辑电路后可直接封锁开关脉冲，同时通过DSP的I/O口输入，通过软件检测来实现系统的保护。

3.2 软件设计

DSP伺服控制程序由3个部分组成：主程序、定时采样程序和DSP与周边资源的数据交换程序。

3.2.1 主程序

主程序内完成系统的初始化，I/O接口控制信号，DSP内各个控制模块寄存器的设置等，然后进入循环程序。

3.2.2 定时采样程序

定时采样程序是整个伺服控制程序的核心，在这里实现电流环、速度环的采样以及矢量控制、PWM信号生成、各种工作模式选择和I/O的循环扫描。其中，每个采样周期完成电流环的采样，开关信号的输出，速度环和位置环控制。PWM控制信号采用规则采样PWM调制方法生成，在每个采样周期中对每相电流进行一次误差判断以决定下个周期开关管的占空比。

3.2.3 数据交换程序

数据交换程序主要包括与上位机的通信程序，EEPROM中参数的存储，控制器键盘值的读取和显示程序。其中通信采用串行通信接口，根据特定的通信协议接受上位机的指令，并根据要求传送参数。键盘每隔0.2ms扫描一次，更新显示。