基于永磁同步電機的高性能交流伺服控制系統(tǒng)研究

梅立雪

摘 要：文章闡述了交流伺服系統(tǒng)的幾種類型，對幾種常見的技術(shù)進行分析，然后綜述交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成和發(fā)展現(xiàn)狀，并且在dqo坐標下建立最終的交流永磁同步電機的數(shù)學模型。最終構(gòu)建了一個模擬的DSP全數(shù)字化的交流永磁同步電機伺服控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的超調(diào)和能力，性能也得到提升。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機；交流伺服控制系統(tǒng)；高性能；仿真試驗

近年來，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人們已經(jīng)全面入了信息時代，信息技術(shù)在人們生活和工作中的應(yīng)用，成為一種必然趨勢，如，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）、衛(wèi)星遙感系統(tǒng)（Remote Sensing，RS），這些技術(shù)在實際工作中的應(yīng)用，得到人們的深度認可，是具有高精度、高性能，集光、機、電于一體的高新技術(shù)。目前，要想進一步提升我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機械化效率，提升農(nóng)作勞動生產(chǎn)的整體效率，就必須引進先進的伺服控制技術(shù)，滿足實際生產(chǎn)的工作需求。高性能的伺服系統(tǒng)已經(jīng)進入了交流化的時代。在交流伺服系統(tǒng)中，永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，體積小、占地面積小，性能穩(wěn)定、可靠，被廣泛應(yīng)用于自動化生產(chǎn)實踐中，實現(xiàn)了交流電機定子三相電流的有效控制，成為現(xiàn)代先進的交流伺服控制技術(shù)，并得到廣泛的推廣[1]。

1 交流伺服系統(tǒng)的分類和相關(guān)技術(shù)

1.1 交流伺服系統(tǒng)分類

根據(jù)信號處理方式不同，一般將交流伺服系統(tǒng)分為3種，即模擬式伺服、數(shù)字模擬混合式伺服和全數(shù)字式伺服；按照使用的伺服電動機的種類不同，又可以分為永磁同步伺服電動機伺服系統(tǒng)和鼠籠型的異步電動機伺服系統(tǒng)。在永磁同步電機系統(tǒng)中，先根據(jù)位置指令，然后啟動電機伺服傳感器，根據(jù)數(shù)學模型的計算方程式，得出滑差頻率，對伺服進行精準控制。隨著現(xiàn)代電氣伺服技術(shù)的不斷發(fā)展，伺服電機制造表現(xiàn)出價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、維護費用低等特點，在工作生產(chǎn)中的推廣已經(jīng)越來越廣泛。但是，感應(yīng)式的異步電機矢量控制，相較于永磁同步電機，結(jié)構(gòu)更加復雜，運行速度比較低，發(fā)熱嚴重等。永磁同步電機伺服系統(tǒng)逐漸取代其他的伺服系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)不同的反電動勢波形和磁場分布形式，實現(xiàn)弦波控制。

1.2 交流伺服系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

1.2.1 微處理器技術(shù)

微處理器推動了伺服系統(tǒng)的重大變革，伺服電機控制系統(tǒng)工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計，變得越來越簡化，在數(shù)字化技術(shù)的支撐下，系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力明顯提升，整個系統(tǒng)的抗干擾能力和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能，均得到明顯的提升，而且實現(xiàn)人工智能對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行診斷，為電機運動控制系統(tǒng)的發(fā)展和完善奠定了堅實的基礎(chǔ)。例如，現(xiàn)代單片機應(yīng)用使得電動機控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理變得簡單起來，提高了數(shù)據(jù)運算的速度，借助DSP芯片，在一種集成芯片上，使得電動機控制系統(tǒng)發(fā)展成為嵌入式的控制系統(tǒng)模式。

1.2.2 電力電子技術(shù)

導體技術(shù)的發(fā)展使得伺服控制系統(tǒng)進入了全數(shù)字的時代，體積進一步縮小，大集成電力（（Large Scale Integration，LSI）能實現(xiàn)精細化加工，極大地增強了伺服控制器的運算速度，再復雜的運算都變得簡單起來，電力電子技術(shù)具有多功能處理能力，在小型化生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。交流伺服控制器系統(tǒng)中，硬件環(huán)境得到改善，電動機結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，最終系統(tǒng)運行速度更快，性能更加穩(wěn)定、準確，為機械化設(shè)備的優(yōu)化生產(chǎn)，創(chuàng)造了重要的條件。

1.2.3 永磁材料

常見的永磁材料主要有鐵氧體、稀土永磁體等，鐵氧體磁體價格低廉，矯頑力強，但是體積??；鎳鈷稀土永磁材料是一種磁感應(yīng)強度高的材料，矯頑力相較于鐵氧磁體更高，價格相對也比較高。近年來，在同步電機中使用的永磁體結(jié)構(gòu)都被簡化，轉(zhuǎn)子體積也明顯縮小，運行中的發(fā)熱問題得到解決[2]。

2 PMSM矢量控制系統(tǒng)的構(gòu)成與數(shù)據(jù)模型的仿真

2.1 PMSM結(jié)構(gòu)構(gòu)成與特點

PMSM技術(shù)迅速發(fā)展，使得電機控制系統(tǒng)的矢量控制結(jié)構(gòu)變得越來越精悍、精準，體積也越來越小。在結(jié)構(gòu)上，永磁同步電機的兩大主要結(jié)構(gòu)是定子和轉(zhuǎn)子，定子三相采用對稱模式的電樞繞組，嵌放置在芯片卡槽上，輪子屬于永磁體結(jié)構(gòu)，為圓筒形的導磁軛上，降低了交流電機伺服系統(tǒng)的運行耗損。轉(zhuǎn)子又分為內(nèi)外兩個轉(zhuǎn)子，根據(jù)磁場的方向不同，有徑向和軸向磁場差別；分布結(jié)構(gòu)差異，有集中繞組和分布兩種形式。這種嵌入式結(jié)構(gòu)的永磁體，在嵌入轉(zhuǎn)子的表面，分布不同寬帶大小的永磁體，相鄰的磁體之間通過鐵芯連接，構(gòu)成一個齒輪結(jié)構(gòu)，表面為硅鋼片，能有效降低耗損，結(jié)構(gòu)簡單，機械強度高。內(nèi)部的結(jié)構(gòu)主要是在轉(zhuǎn)子的內(nèi)部，定子鐵芯內(nèi)圓，永磁體表面之間分布有鐵磁物質(zhì)，在機械生產(chǎn)中能產(chǎn)生啟動作用和阻尼作用。PMSM在使用中對動態(tài)和靜態(tài)的兩種性能都提出了很高的要求，兩種性能必須同步配套，才能在永磁體的極靴內(nèi)埋式轉(zhuǎn)子的保護下，轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的整體磁阻轉(zhuǎn)矩的電機功率得到明顯提升，從而實現(xiàn)對弱磁的調(diào)速控制[3]。

2.2 PMSM數(shù)學模型建立

現(xiàn)在大部分的永磁同步電機都是使用的三相永磁同步結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、運行速度快、性能穩(wěn)定，為了測定其效果，我們按照勵磁繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢波形，根據(jù)電勵磁同步的方法建立PMSM數(shù)學模型。設(shè)定的初始定量為，永磁材料電導、轉(zhuǎn)子阻尼繞組及定子繞組三相對稱等這些因素忽略不計，在dqo坐標上建立一個三相電樞電流瞬時值是ia，ib，ic，電樞電壓瞬間值為ua，ub，uc，通過旋轉(zhuǎn)變換得到一個d-q坐標的電樞電流瞬時值id，iq和電樞電壓瞬間值ud，uq，最終可以得到公式（1）（2）：

（1）

（2）

方程式中的φ表示轉(zhuǎn)子磁鏈與A相繞組之間的電角度。

根據(jù)d-q坐標，當旋轉(zhuǎn)的角度發(fā)生變化時，電動機的磁極也發(fā)生了變化，定子三相的電感等效發(fā)生變化，最終能通過電樞電感和電壓分量數(shù)據(jù)，得知PMSM數(shù)學模型的最終表達式。

3 基于DSP交流永磁同步電機伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計與硬件構(gòu)成

本次研究基于DSP芯片建立PMSM模型，系統(tǒng)硬件設(shè)備主要包括DSP處理器82C250芯片及HCPL2630芯片，在TMS320C2000TM平臺下，配置外圍設(shè)備，如串行的TMS320LF的接口模塊，進行A/D轉(zhuǎn)換，它們共同構(gòu)成了交流伺服系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

該系統(tǒng)中的微處理器主要是對各相電流、計算機電機轉(zhuǎn)速和位置進行準確的管理，然后對系統(tǒng)運行狀態(tài)產(chǎn)生的SVPWM控制信號狀態(tài)進行分析，根據(jù)CAN模塊功能，對上位機的通信進行分組，通過總線控制，發(fā)出位置指令，然后根據(jù)CANH接口電路仿真器與微機接口電路，實現(xiàn)系統(tǒng)的在線調(diào)試。端口由仿真器直接訪問，提供仿真功能，根據(jù)避免電路線路檢測，得知IGBTCPV363M4K智能功率模塊組形成逆變橋，對功率主回路實現(xiàn)直流到交流的逆變。數(shù)據(jù)輸入采用光耦隔離電路，考慮到光耦器件快關(guān)速度，對驅(qū)動的電路性能有著很大的影響，所以該結(jié)構(gòu)采用的是高速光耦。系統(tǒng)中有兩個電流傳感器，一個用于檢測電機定子a相和b相，另一個用于信息的采集和分類處理。整個系統(tǒng)軟件設(shè)計重點由位置控制模塊、電流坐標變換模塊、電流調(diào)節(jié)器模塊以及電子電壓空間矢量模塊和逆變功能模塊構(gòu)成，每個模塊功能都是環(huán)環(huán)相扣，緊密相連，共同實現(xiàn)永磁電機伺服系統(tǒng)控制[4]。

3.2 仿真試驗

采用Matlab軟件中的simulink模塊構(gòu)成性能測定的仿真模塊，根據(jù)位置指令參考值，設(shè)定初始的電機定子轉(zhuǎn)速為3 rad，在0.2 s時，定速度增至1.5 rad/s，在0.3 s時達到2 rad/s；仿真條件設(shè)定為定轉(zhuǎn)速5 rad/s時，在0.2 s加載至額定負載時，在0.5 s切除負載。

4 結(jié)語

本文主要是借助DSP系統(tǒng)設(shè)計了一種高性能交流伺服系統(tǒng)，在矢量控制基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)上，以DSP控制系統(tǒng)為核心，系統(tǒng)電路簡單，控制準確，在復雜的環(huán)境下工作，也能簡化工作，提升工作整體的精準性。通過對系統(tǒng)的性能和結(jié)構(gòu)可靠性的仿真試驗，最終得知系統(tǒng)的性能良好，在動態(tài)和靜態(tài)兩種工作狀態(tài)，性能都非常穩(wěn)定，應(yīng)用到未來自動化生產(chǎn)的實踐活動中，將非?？煽?、穩(wěn)定，為全面實現(xiàn)我國自動化生產(chǎn)提供了重要的技術(shù)支撐。

[參考文獻]

[1]王亮，高海博.永磁同步電機伺服系統(tǒng)控制策略的思考[J].科技經(jīng)濟導刊，2016（3）：152-153.

[2]徐夢遠，馬旭東，吳航.基于DSP的永磁同步電機DTC交流伺服系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機，2016（3）：121-123.

[3]李志宏，吳連順，李玉萍，等.基于多算法的永磁同步電機伺服控制系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化，2016（7）：25-29.

[4]劉敦平，程明.基于自抗擾控制永磁同步電機交流伺服系統(tǒng)研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2017（12）：89-93.