基于DSP永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)的研究

2014-10-07 15:14:34 大云網(wǎng)　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

摘　要：本文介紹了基于DSP永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析了永磁同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)矢量控制的原理、組成部分以及控制過(guò)程，并對(duì)交流伺服系統(tǒng)的組成與功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了綜合闡述。關(guān)鍵詞：DSP　永磁同步電機(jī)　交流

摘　要：本文介紹了基于DSP永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析了永磁同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)矢量控制的原理、組成部分以及控制過(guò)程，并對(duì)交流伺服系統(tǒng)的組成與功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了綜合闡述。

關(guān)鍵詞：DSP　永磁同步電機(jī)　交流伺服系統(tǒng)

　伺服系統(tǒng)，也被稱(chēng)作隨動(dòng)系統(tǒng)，它是組成自動(dòng)一體化的基本元件,是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)對(duì)象的位移進(jìn)行控制，使目標(biāo)對(duì)象對(duì)輸入的指令信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)地、連續(xù)地、準(zhǔn)確地執(zhí)行。它能夠使目標(biāo)對(duì)象對(duì)位置指令實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)追蹤，并且當(dāng)給定量發(fā)生變化時(shí)，伺服系統(tǒng)的輸出量能對(duì)變化數(shù)值進(jìn)行追蹤，并對(duì)給定量進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。

1　基于DSP永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　基于DSP的永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)，在伺服驅(qū)動(dòng)中，比起其它的伺服系統(tǒng)，精度更高，調(diào)速更寬，而造成這些區(qū)別的主要因素，來(lái)自于交流伺服系統(tǒng)的電機(jī)不同，基于DSP的永磁同步電機(jī)，運(yùn)行矩陣更加平穩(wěn)，所以交流伺服系統(tǒng)在進(jìn)行高明度、寬調(diào)速伺服驅(qū)動(dòng)時(shí)，會(huì)優(yōu)先選擇基于DSP的永磁同步電機(jī)。

　　1.1　永磁同步電機(jī)相比感應(yīng)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)

　　工作中轉(zhuǎn)子不會(huì)產(chǎn)生耗損，電機(jī)效率更高；永磁材料會(huì)產(chǎn)生氣隙磁通，功率因素更高；電機(jī)體積小，重量更輕；電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，響應(yīng)速度更快；價(jià)格更便宜；低速驅(qū)動(dòng)環(huán)境下，性能更優(yōu)越；矢量控制更簡(jiǎn)單。

　　1.2　永磁同步電機(jī)相比直流無(wú)刷電機(jī)（BLDCM）的優(yōu)勢(shì)

　　轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)更小；鐵芯附加損耗更少；低速驅(qū)動(dòng)環(huán)境下，性能更優(yōu)越；直接驅(qū)動(dòng)環(huán)境下，響應(yīng)更快速；發(fā)展空間更大。

　　直流無(wú)刷電機(jī)雖然比起永磁同步電機(jī)的矢量控制更簡(jiǎn)單，成本更低廉，但是在高精度、寬調(diào)速的驅(qū)動(dòng)環(huán)境下，還是優(yōu)先選擇永磁同步電機(jī)，直流無(wú)刷電機(jī)損耗大的先天缺陷，使其無(wú)法滿足高精度、寬調(diào)速的伺服驅(qū)動(dòng)。

2　基于DSP永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)矢量控制

2.1　永磁同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)矢量控制的原理

　　分析永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以得知，電磁轉(zhuǎn)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(jī)就是通過(guò)控制定子電流，從而影響電磁轉(zhuǎn)矩，最終實(shí)現(xiàn)矢量控制。

　　第一，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速低于基準(zhǔn)速度時(shí)，假設(shè)定子電流為定值，那么使Id為0，永磁同步電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就是理論最大值。因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)矩Te=ΨrIq，這時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的數(shù)值就和Iq成正相關(guān)，控制系統(tǒng)要控制電磁轉(zhuǎn)矩，只需要控制Iq即可（Id為0時(shí)，Iq為最大值，Te為最大值）。

　　第二，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速高于基準(zhǔn)速度時(shí)，永久磁鐵不會(huì)受到其他因素干擾，勵(lì)磁磁鏈就是一個(gè)常數(shù)，永磁同步電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)受到電機(jī)轉(zhuǎn)速影響，兩者正相關(guān)；同時(shí)，電機(jī)的感應(yīng)電壓也會(huì)隨著感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的增加而增加，可是逆變器會(huì)限制電壓的上限，為了避免電壓超過(guò)上限，電機(jī)在進(jìn)行提速時(shí)要采取弱磁提速的方式進(jìn)行，即勵(lì)磁磁鏈?zhǔn)艿絀d的控制，轉(zhuǎn)速受到Iq的控制，永磁同步電機(jī)通過(guò)控制定子電流來(lái)實(shí)現(xiàn)矢量控制。

　　綜上所述，永磁同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)矢量控制很容易，即控制實(shí)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(jī)交流伺服系統(tǒng)矢量控制的組成部分

　　由永磁同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)矢量控制的原理圖可知，永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)矢量控制的組成包括以下五個(gè)部分：位置速度檢測(cè)模塊；位置環(huán)控制器，電流環(huán)控制器，速度環(huán)控制器；坐標(biāo)變換模塊；SVPWM模塊；整流模塊，逆變模塊。

　　2.3　永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)的矢量控制過(guò)程

　　第一，比較轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)信號(hào)與指令信號(hào)，調(diào)整位置控制器，輸出適當(dāng)?shù)乃俣戎噶钚盘?hào)。

　　第二，比較轉(zhuǎn)子速度的檢測(cè)信號(hào)與指令信號(hào)，調(diào)節(jié)速度控制其，輸出適當(dāng)?shù)腎q指令信號(hào)。

　　第三，將定子反饋的三相電流進(jìn)行坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)化成IdIq。

　　第四，調(diào)節(jié)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(jìn)行坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)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(duì)IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，最終產(chǎn)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(jī)定子中實(shí)現(xiàn)矢量控制。

3　基于DSP永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)的組成與功能實(shí)現(xiàn)

　　3.1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　基于DSP的永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)主要是由三個(gè)部分構(gòu)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(jī)、逆變器等組成，其中逆變器完成功率轉(zhuǎn)換，是依靠六個(gè)IGBT功率逆變器來(lái)進(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn)這些控制器的算法，并產(chǎn)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(cè)電路、電流檢測(cè)電路、顯示電路等組成，輔助電路的作用是為了實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)、電流檢測(cè)、位置檢測(cè)等，并為系統(tǒng)提供必要的保護(hù)。

　　3.2　電流檢測(cè)

　　在交流伺服系統(tǒng)中，電流檢測(cè)是十分重要的，通過(guò)控制器檢測(cè)到實(shí)際電流大小，才能針對(duì)性的做出控制，并設(shè)計(jì)出合適的電流保護(hù)電路。本文對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)，使用的是霍爾元件。霍爾元件能進(jìn)行高精度測(cè)量，擁有較好的線性度，響應(yīng)速度快，電隔離性能優(yōu)秀。其工作原理是，外電路電流流經(jīng)霍爾元件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)會(huì)垂直穿過(guò)霍爾元件，還會(huì)在信號(hào)電壓輸出端線性輸出霍爾效應(yīng)電壓。

3.3　基于 TMS320F2808 的永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)

基于 TMS320F2808 的永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)主要由 TMS320F2808芯片、逆變器、驅(qū)動(dòng)電路、霍爾元件、PMSM、光電編碼器、三相整流器等組成。

4　結(jié)語(yǔ)

　　綜上所述，基于DSP的永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢(shì)，如精度高、調(diào)速快、電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能強(qiáng)大、性價(jià)比高等，如今已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于電梯、壓力機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、航空航天等領(lǐng)域中，且隨著對(duì)基于DSP永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)的研究深入，其性能將會(huì)更加優(yōu)越，得到更為廣泛的應(yīng)用。

責(zé)任編輯：葉雨田

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