永磁同步电机交流伺服系统的研究与应用
严伟灿，周立新，刘栋良
(卧龙电气集团股份有限公司，浙江上虞312300)
摘要：介绍永磁同步电动机交流伺服系统，着重叙述了交流伺服系统的软、硬件结构，并在此基础上进行了系统的检测。通过囊例证明：该系统具有良好的位置控制及速度响应性能，实现了对磁同步电动机高性能控制和系统可靠性的要求，满足客户的需求。
关键词：永磁同步电机；交流伺服；位置控制
中图分类号：TM 351 文献标志码：A文章编号：1673-6540（2010）05-0049-03
0 引 言
随着装备自动化水平的不断发展，伺服系统的应用越来越广泛，数字信号处理器(DsP)技术的发展和应用[1-2]。对诸如运动控制领域所要求的电机高性能控制，全数字化交流伺服技术起到了巨大的推动作用，提高了系统的速度、精度、可靠性及抗干扰能力。
相比丁正弦脉宽调制(SPWM)，空间矢量脉宽调制(sVPwM)技术具有电压利用率高等优
点[3-4]，在交流变频调速系统上应用广泛[5]同样广泛应用于各种交流伺服系统。本文介绍一种以TMs320F2810为控制核心、永磁同步电动机(PMsM)为执行机构，采用sVPwM的交流伺服系统。该系统具有体积小、重量轻、功耗低、调方便等优点，町以实现对PMsM交流伺服系统的速度、位置、转矩的精确控制。系统大致可分成两大板块，即以TMS320t屹810为控制核心的控制板块和以智能功率模块(IPM)为驱动核心的功率驱动板块，外加一些辅助设备，如D／A显示人机界面、键盘和显示单元等。
l 系统的硬件结构
1．1主电路
主电路包括功率逆变器供电电源、功率逆变和电源保护。考虑到单相和三相都能够使用，整流器选择的是30 A／600 V三相不可控整流模块。三相(或单相)Ac输入，经整流桥后的母线直流电压给下一级逆变桥供电，同时加以软起动电路进行上电瞬间的电容保护。
1．2 IPM
IPM功率逆变器的功能是根据控制电路的指令，将电源单元提供的高压直流电转变为伺服电机定子绕组中的三相交流电，以产牛所需电磁转矩。主回路采用集驱动电路、保护电路和功率管于一体的IPM，这种集成结构减小了走线引入的分布电感，器件的开通和关断具有更好的一致性。与普通的绝缘栅双极晶体管(IcBT)模块相比，由于集成了驱动和保护电路，使得系统的硬件电路设计和开发变得简单、可靠。本系统选用三菱公司的PM20csJ06，其耐压为600 V，额定电流为20 A，****开关频率为20 kHz。
l.3控制模块
本系统以TMs320F2810为控制核心，外加一些外围辅助电路，来完成对PMsM的控制。
1．3．1电流检测
电机电流由LEM电流传感器检测后，得到成比例的模拟电压信号，其幅值在3～十3 V之间呈正弦波动。DsP内部只能处理单极性的输入信号，对A／D采样时需增加电压抬高电路，从而使电压变换在0～3 V之间，供DsP采样来检测电流的信号。
1.3.2位置转速检测
系统采用复合式光电编码器，两路正交脉冲信号A、B，一路零位脉冲信号z，实现速度及位置反馈；另外，三路相差120。的初始位置脉冲信号(u、V、w)实现初始位置的定位，同时为了实现符合DsP所要求的3 3 V，这六路信号(A、B、z、u、V、w)都经过74LVTH244A，再分别接到DsP的捕获端口(cAPl～cAP6)和通用I／O端口(10一PAl3～10PAl5)。
1．3.3空间矢量脉宽调制
作为电力电子装置的核心技术，PwM技术被广泛应用于变频调速电机传动中。
PwM技术中应用最为普遍的是sPwM和sVPwM。实践和理论证明，与sPwM技术相比，sVPwM方式具有高次谐波更低和电压利用率高等优点，因此越来越受到人们的重视。如图1所示，通过开通Ua和Ub不同的时间，使其两个合成电压矢量等效于参考电压矢量Ur。
在DsP中实现sVPwM算法，该算法得到的基波电压经PwM口输出后的波形(外接滤波电路)如图2所示。图中曲线l、2为基波相电压波形，其****幅值为UDc，曲线3为曲线1减曲线2所得到的基波线电压波形，从图中可以看出sVPwM属于双波头调制，输出的线电压波形为正弦波，与sPwM(其基波****相电压幅值为UDC√2)相比，提高了电压的利用率。
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