交流永磁同步伺服系统矢量控制设计

    张运芳^1,2，陈荣¹，赵永建²

(1盐城工学院，江苏盐城224051；2江苏大学，江苏镇江212013)

    摘要：介绍了永磁同步电动机的数学模型和磁场定向控制原理，在此基础上设计了以tms320f2812为核心的全数字交流水磁同步伺服系统，并给出了其硬什电路和软件程序流程。实验证明该控制系统具有良好的动静态性能，可以广泛应用于伺服驱动系统中。

    关键词：永磁同步电动机；磁场定向控制；数字信号处理器；伺服系统

    中图分类号：tm341  文献标识码：a  文章编号：1004—7018(2009)12—0042—03

0引  言

    三相永磁同步电动机(以下简称pmsm)是从绕线式转子同步伺服电动机发展而来的。它用强抗退磁的永磁转子代替了绕线式转子，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，属于无刷电动机的一种。具有结构简单、体积小、损耗小、可靠性高、输出转矩大、功率因数高等优点，得到了越来越广泛的应用和重视.转子磁场定向的矢量控制方式就是针对此类电动机使用较为广泛的一种控制方式，通过矢量控制改善转矩控制性能，从而极大地提高了系统的控制精和可靠性，使交流永磁同步电动机的伺服驱动性能赶上甚至超过了直流电动机。

    在电机控制中，应用dsp可使系统向高可靠性、高性能和维护方便的全数字方向发展。

tms320f2812是迄今为止用于数字控制领域性能较好的32位定点dsp系列芯片，本文以tlvis320f2812核心设计全数字交流伺服系统。

1 pmsm数学模型

    沿用理想电动机模型的一系列假设，经过一系列推导可以得到pmsm在d—q坐标系下的数学模型。 

式中：l_d为等效两相定子绕组d轴自感；l_q为等效两相定子绕组g轴自感；ψ_f为转子磁钢在定子上的耦合磁链。

式中：p为微分算子；ψ_d为d轴磁链；ψ_q为q轴磁链；ω为转子角速度，r_s为定子电阻；i_d为d轴电流；i_q为q轴电流。

式中：j为转动惯量；t₁为负载转矩。

2矢量控制原理

    矢量控制的思想源于对直流电动机的严格模拟，通过磁场定向控制将定子电流矢量分解为两个分量：励磁电流分量ia和转矩电流分量iq，并使两个分量互相垂直、彼此独立，然后分别进行调节，从而可获得较好的解耦控制特性。矢量控制从理论上解决了非线性、强耦合的交流电机高性能控制问题。

    在矢量控制中，当永磁同步电动机永磁体产生的磁链砂，和直交轴电感l_d、l_q确定后，电机的电磁转矩t_e便取决于定子电流i_s,而i_s的大小和相位取决于i_d和i_q。因此，只要控制i_d和i_q便可以控制电机的转矩te.一定的转速和转矩对应一定的i_d和i_q。永磁同步电动机矢量控制系统通过控制pmsm的电流实际值i_d,i_q与给定值i_d、i_q相符，便实现了pmsn的磁链和转矩控制，而且i_d和i_q独立控制。

    图1给出了矢量控制的框图。首先，根据检测到的电机转子位置θm和输入的参考位置θ，通过位置pi控制器计算得到电机转速的参考输入ω，再根据检测到的电机转速ω_r和输入的参考转速ω，通过速度pi控制器计算得到定子电流的参考输入i_d、i_q；通过相电流检测电路提取i_a、i_b，再使用clarke、pmk变换，将它们转换到d—q旋转坐标系中；然后再将d—q坐标系中的电流信号与它们的i_d、i_q相比较，其i_d=o，通过pi控制器获得理想的控制量。外环位置环产生了速度的参考值，速度环产生了定子电流的参考值，内环电流环得到实际控制信号，从而构成一个完整的位置速度矢量三闭环控制系统。

3控制系统硬件设计

  采用tms320f2812定