基于DSP永磁同步電機交流伺服系統的研究

2014-10-07 15:14:34 大云網　點擊量：評論 (0)

摘　要：本文介紹了基于DSP永磁同步電機交流伺服系統的特點，分析了永磁同步電機實現矢量控制的原理、組成部分以及控制過程，并對交流伺服系統的組成與功能實現進行了綜合闡述。關鍵詞：DSP　永磁同步電機　交流

摘　要：本文介紹了基于DSP永磁同步電機交流伺服系統的特點，分析了永磁同步電機實現矢量控制的原理、組成部分以及控制過程，并對交流伺服系統的組成與功能實現進行了綜合闡述。

關鍵詞：DSP　永磁同步電機　交流伺服系統

　伺服系統，也被稱作隨動系統，它是組成自動一體化的基本元件,是一種自動控制系統。伺服系統對目標對象的位移進行控制，使目標對象對輸入的指令信號進行自動地、連續地、準確地執行。它能夠使目標對象對位置指令實現精準追蹤，并且當給定量發生變化時，伺服系統的輸出量能對變化數值進行追蹤，并對給定量進行復現。

1　基于DSP永磁同步電機交流伺服系統的特點

　　基于DSP的永磁同步電機交流伺服系統，在伺服驅動中，比起其它的伺服系統，精度更高，調速更寬，而造成這些區別的主要因素，來自于交流伺服系統的電機不同，基于DSP的永磁同步電機，運行矩陣更加平穩，所以交流伺服系統在進行高明度、寬調速伺服驅動時，會優先選擇基于DSP的永磁同步電機。

　　1.1　永磁同步電機相比感應電機的優勢

　　工作中轉子不會產生耗損，電機效率更高；永磁材料會產生氣隙磁通，功率因素更高；電機體積小，重量更輕；電機轉動慣量小，響應速度更快；價格更便宜；低速驅動環境下，性能更優越；矢量控制更簡單。

　　1.2　永磁同步電機相比直流無刷電機（BLDCM）的優勢

　　轉矩脈動更小；鐵芯附加損耗更少；低速驅動環境下，性能更優越；直接驅動環境下，響應更快速；發展空間更大。

　　直流無刷電機雖然比起永磁同步電機的矢量控制更簡單，成本更低廉，但是在高精度、寬調速的驅動環境下，還是優先選擇永磁同步電機，直流無刷電機損耗大的先天缺陷，使其無法滿足高精度、寬調速的伺服驅動。

2　基于DSP永磁同步電機交流伺服系統矢量控制

2.1　永磁同步電機實現矢量控制的原理

　　分析永磁同步電機的數學模型可以得知，電磁轉矩的大小是受到定子電流在d，q軸上的分量所影響的，而永磁同步電機就是通過控制定子電流，從而影響電磁轉矩，最終實現矢量控制。

　　第一，永磁同步電機的轉速低于基準速度時，假設定子電流為定值，那么使Id為0，永磁同步電機產生的轉矩就是理論最大值。因為電磁轉矩Te=ΨrIq，這時電磁轉矩的數值就和Iq成正相關，控制系統要控制電磁轉矩，只需要控制Iq即可（Id為0時，Iq為最大值，Te為最大值）。

　　第二，永磁同步電機的轉速高于基準速度時，永久磁鐵不會受到其他因素干擾，勵磁磁鏈就是一個常數，永磁同步電機的感應電動勢受到電機轉速影響，兩者正相關；同時，電機的感應電壓也會隨著感應電動勢的增加而增加，可是逆變器會限制電壓的上限，為了避免電壓超過上限，電機在進行提速時要采取弱磁提速的方式進行，即勵磁磁鏈受到Id的控制，轉速受到Iq的控制，永磁同步電機通過控制定子電流來實現矢量控制。

　　綜上所述，永磁同步電機實現矢量控制很容易，即控制實際定子電流與給定的定子電流值相等即可。其原理圖如下：

　　2.2　永磁同步電機交流伺服系統矢量控制的組成部分

　　由永磁同步電機實現矢量控制的原理圖可知，永磁同步電機交流伺服系統矢量控制的組成包括以下五個部分：位置速度檢測模塊；位置環控制器，電流環控制器，速度環控制器；坐標變換模塊；SVPWM模塊；整流模塊，逆變模塊。

　　2.3　永磁同步電機交流伺服系統的矢量控制過程

　　第一，比較轉子位置的檢測信號與指令信號，調整位置控制器，輸出適當的速度指令信號。

　　第二，比較轉子速度的檢測信號與指令信號，調節速度控制其，輸出適當的Iq指令信號。

　　第三，將定子反饋的三相電流進行坐標變換，轉化成IdIq。

　　第四，調節電流控制器，使Id為0，Iq等于給定電流值。

　　第五，將電流控制器的輸出電壓進行坐標變換，轉化成α、β電壓。

　　第六，將α、β電壓輸入SVPWM模塊，使其輸出六路PWM對IGBT進行驅動，最終產生可變頻率和幅值的三相正弦電流。

　　第七，將三相正弦電流輸入到電機定子中實現矢量控制。

3　基于DSP永磁同步電機交流伺服系統的組成與功能實現

　　3.1　系統結構

　　基于DSP的永磁同步電機交流伺服系統主要是由三個部分構成的，分別是主電路、控制電路、輔助電路。

　　3.1.1　主電路

　　主電路主要是由三相整流電路、永磁同步電機、逆變器等組成，其中逆變器完成功率轉換，是依靠六個IGBT功率逆變器來進行的。

　　3.1.2　控制電路

　　控制電路主要是由基于DSP的控制器組成，控制器的核心一般采用TMS320F2808芯片，控制器分為電流控制器、速度控制器、位置控制器等，控制電路是用來實現這些控制器的算法，并產生SVPWM等。

　　3.1.3　輔助電路

　　輔助電路主要是由光電編碼器、故障檢測電路、電流檢測電路、顯示電路等組成，輔助電路的作用是為了實現永磁同步電機的轉速檢測、電流檢測、位置檢測等，并為系統提供必要的保護。

　　3.2　電流檢測

　　在交流伺服系統中，電流檢測是十分重要的，通過控制器檢測到實際電流大小，才能針對性的做出控制，并設計出合適的電流保護電路。本文對電流進行檢測，使用的是霍爾元件。霍爾元件能進行高精度測量，擁有較好的線性度，響應速度快，電隔離性能優秀。其工作原理是，外電路電流流經霍爾元件時，會產生一個磁場，磁場會垂直穿過霍爾元件，還會在信號電壓輸出端線性輸出霍爾效應電壓。

3.3　基于 TMS320F2808 的永磁同步電機交流伺服系統

基于 TMS320F2808 的永磁同步電機交流伺服系統主要由 TMS320F2808芯片、逆變器、驅動電路、霍爾元件、PMSM、光電編碼器、三相整流器等組成。

4　結語

　　綜上所述，基于DSP的永磁同步電機交流伺服系統具有很多優勢，如精度高、調速快、電機結構簡單、性能強大、性價比高等，如今已經廣泛的應用于電梯、壓力機、工業機器人、航空航天等領域中，且隨著對基于DSP永磁同步電機交流伺服系統的研究深入，其性能將會更加優越，得到更為廣泛的應用。