基于DSP永磁同步电机交流伺服系统的研究

2014-10-07 15:14:34 大云网　点击量：评论 (0)

摘　要：本文介绍了基于DSP永磁同步电机交流伺服系统的特点，分析了永磁同步电机实现矢量控制的原理、组成部分以及控制过程，并对交流伺服系统的组成与功能实现进行了综合阐述。关键词：DSP　永磁同步电机　交流

摘　要：本文介绍了基于DSP永磁同步电机交流伺服系统的特点，分析了永磁同步电机实现矢量控制的原理、组成部分以及控制过程，并对交流伺服系统的组成与功能实现进行了综合阐述。

关键词：DSP　永磁同步电机　交流伺服系统

　伺服系统，也被称作随动系统，它是组成自动一体化的基本元件,是一种自动控制系统。伺服系统对目标对象的位移进行控制，使目标对象对输入的指令信号进行自动地、连续地、准确地执行。它能够使目标对象对位置指令实现精准追踪，并且当给定量发生变化时，伺服系统的输出量能对变化数值进行追踪，并对给定量进行复现。

1　基于DSP永磁同步电机交流伺服系统的特点

　　基于DSP的永磁同步电机交流伺服系统，在伺服驱动中，比起其它的伺服系统，精度更高，调速更宽，而造成这些区别的主要因素，来自于交流伺服系统的电机不同，基于DSP的永磁同步电机，运行矩阵更加平稳，所以交流伺服系统在进行高明度、宽调速伺服驱动时，会优先选择基于DSP的永磁同步电机。

　　1.1　永磁同步电机相比感应电机的优势

　　工作中转子不会产生耗损，电机效率更高；永磁材料会产生气隙磁通，功率因素更高；电机体积小，重量更轻；电机转动惯量小，响应速度更快；价格更便宜；低速驱动环境下，性能更优越；矢量控制更简单。

　　1.2　永磁同步电机相比直流无刷电机（BLDCM）的优势

　　转矩脉动更小；铁芯附加损耗更少；低速驱动环境下，性能更优越；直接驱动环境下，响应更快速；发展空间更大。

　　直流无刷电机虽然比起永磁同步电机的矢量控制更简单，成本更低廉，但是在高精度、宽调速的驱动环境下，还是优先选择永磁同步电机，直流无刷电机损耗大的先天缺陷，使其无法满足高精度、宽调速的伺服驱动。

2　基于DSP永磁同步电机交流伺服系统矢量控制

2.1　永磁同步电机实现矢量控制的原理

　　分析永磁同步电机的数学模型可以得知，电磁转矩的大小是受到定子电流在d，q轴上的分量所影响的，而永磁同步电机就是通过控制定子电流，从而影响电磁转矩，最终实现矢量控制。

　　第一，永磁同步电机的转速低于基准速度时，假设定子电流为定值，那么使Id为0，永磁同步电机产生的转矩就是理论最大值。因为电磁转矩Te=ΨrIq，这时电磁转矩的数值就和Iq成正相关，控制系统要控制电磁转矩，只需要控制Iq即可（Id为0时，Iq为最大值，Te为最大值）。

　　第二，永磁同步电机的转速高于基准速度时，永久磁铁不会受到其他因素干扰，励磁磁链就是一个常数，永磁同步电机的感应电动势受到电机转速影响，两者正相关；同时，电机的感应电压也会随着感应电动势的增加而增加，可是逆变器会限制电压的上限，为了避免电压超过上限，电机在进行提速时要采取弱磁提速的方式进行，即励磁磁链受到Id的控制，转速受到Iq的控制，永磁同步电机通过控制定子电流来实现矢量控制。

　　综上所述，永磁同步电机实现矢量控制很容易，即控制实际定子电流与给定的定子电流值相等即可。其原理图如下：

　　2.2　永磁同步电机交流伺服系统矢量控制的组成部分

　　由永磁同步电机实现矢量控制的原理图可知，永磁同步电机交流伺服系统矢量控制的组成包括以下五个部分：位置速度检测模块；位置环控制器，电流环控制器，速度环控制器；坐标变换模块；SVPWM模块；整流模块，逆变模块。

　　2.3　永磁同步电机交流伺服系统的矢量控制过程

　　第一，比较转子位置的检测信号与指令信号，调整位置控制器，输出适当的速度指令信号。

　　第二，比较转子速度的检测信号与指令信号，调节速度控制其，输出适当的Iq指令信号。

　　第三，将定子反馈的三相电流进行坐标变换，转化成IdIq。

　　第四，调节电流控制器，使Id为0，Iq等于给定电流值。

　　第五，将电流控制器的输出电压进行坐标变换，转化成α、β电压。

　　第六，将α、β电压输入SVPWM模块，使其输出六路PWM对IGBT进行驱动，最终产生可变频率和幅值的三相正弦电流。

　　第七，将三相正弦电流输入到电机定子中实现矢量控制。

3　基于DSP永磁同步电机交流伺服系统的组成与功能实现

　　3.1　系统结构

　　基于DSP的永磁同步电机交流伺服系统主要是由三个部分构成的，分别是主电路、控制电路、辅助电路。

　　3.1.1　主电路

　　主电路主要是由三相整流电路、永磁同步电机、逆变器等组成，其中逆变器完成功率转换，是依靠六个IGBT功率逆变器来进行的。

　　3.1.2　控制电路

　　控制电路主要是由基于DSP的控制器组成，控制器的核心一般采用TMS320F2808芯片，控制器分为电流控制器、速度控制器、位置控制器等，控制电路是用来实现这些控制器的算法，并产生SVPWM等。

　　3.1.3　辅助电路

　　辅助电路主要是由光电编码器、故障检测电路、电流检测电路、显示电路等组成，辅助电路的作用是为了实现永磁同步电机的转速检测、电流检测、位置检测等，并为系统提供必要的保护。

　　3.2　电流检测

　　在交流伺服系统中，电流检测是十分重要的，通过控制器检测到实际电流大小，才能针对性的做出控制，并设计出合适的电流保护电路。本文对电流进行检测，使用的是霍尔元件。霍尔元件能进行高精度测量，拥有较好的线性度，响应速度快，电隔离性能优秀。其工作原理是，外电路电流流经霍尔元件时，会产生一个磁场，磁场会垂直穿过霍尔元件，还会在信号电压输出端线性输出霍尔效应电压。

3.3　基于 TMS320F2808 的永磁同步电机交流伺服系统

基于 TMS320F2808 的永磁同步电机交流伺服系统主要由 TMS320F2808芯片、逆变器、驱动电路、霍尔元件、PMSM、光电编码器、三相整流器等组成。

4　结语

　　综上所述，基于DSP的永磁同步电机交流伺服系统具有很多优势，如精度高、调速快、电机结构简单、性能强大、性价比高等，如今已经广泛的应用于电梯、压力机、工业机器人、航空航天等领域中，且随着对基于DSP永磁同步电机交流伺服系统的研究深入，其性能将会更加优越，得到更为广泛的应用。