永磁交流伺服電機控制系統的研究

張 銳 白連平

（北京信息科技大學自動化學院，北京 100192）

1 引言

永磁交流伺服電機結構簡單、體積小、效率高、功率因數高、轉動慣量小、過載能力強，運行可靠，且其調速性能優越，克服了直流伺服電動機機械式換向器和電刷帶來的一系列限制。與感應電機相比，它控制簡單，不存在勵磁損耗等問題，因而在高性能、高精度的伺服驅動等領域具有廣闊的應用前景。

永磁交流伺服電機屬于永磁同步電機，但和普通的永磁同步電機又有所不同。普通的永磁同步機一般采用整數槽繞組，而永磁交流伺服電機常采用分數槽繞組形式。分數槽繞組優點較多，主要有：①對于多極的正弦波交流永磁伺服電動機，可采用較少的定子槽數，有利于提高槽滿率及槽利用率；②增加繞組的分布系數，使電動勢波形的正弦性得到改善；③可以得到線圈節距y=1的集中式繞組設計，縮短了線圈周長和端部伸出長度，減少了用銅量；④有可能使用專用繞線機，取代傳統嵌線工藝，提高了勞動生產率，降低了成本；⑤減小了定子軛部厚度，提高了電機的功率密度；電機繞組電阻減小，銅損降低；⑥降低了定位轉矩，有利于減小振動和噪聲[1,4]。

近年來，隨著高性能永磁材料、電力電子技術、微電子技術以及控制理論與技術的的快速發展，永磁交流伺服電機控制系統得到了迅速發展。目前交流伺服系統中普遍采用脈寬調制（PWM）控制技術，常用的有電壓型SPWM控制、電流跟蹤型PWM控制和電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制等方法。其中，SPWM技術應用最廣泛，但也存在不足之處。相對而言，SVPWM技術能明顯減小逆變電路輸出電流的諧波成分及電機的諧波損耗，降低轉矩脈動，且其控制簡單，數字化實現方便，電壓利用率高，因此在交流伺服系統中有著廣闊的應用前景。

本文選用了一臺分數槽集中繞組的“多極少槽”永磁交流伺服電機，由于功率密度大，所以它的體積比同功率的普通永磁同步電機要小很多；并且，采用了高分辨率的光電編碼器來采集轉速和位置信號，相對于采用霍爾位置傳感器的普通永磁同步電機，準確性和可靠性都要更好一些。控制系統選用高性能的控制核心STM32F103來完成SVPWM控制，實現了對永磁交流伺服電機的高性能、高精度調速控制。

2 永磁交流伺服電機控制系統的組成

本系統選取的控制核心為 STM32F103,電機為額定功率 1.5kW，額定轉速 2000r/min的永磁交流伺服電機。功率變換電路選用的是三菱公司的智能功率模塊（IPM），型號為PS21867。速度位置傳感器為 2500脈沖/轉的光電編碼器，電流傳感器為Honeywell的CSNE151。系統基本結構如圖1所示。

圖1 永磁交流伺服電機控制系統基本結構圖

220 V正弦交流電經過單相全波不可控整流變成脈動的直流電。電容器C為大容量的電解電容，通常稱為儲能電容。除了穩壓和濾除整流后的紋波作用外，電容器C還在整流電路和逆變電路之間起去耦作用，以消除相互干擾，為電動機提供必要的無功功率。IPM根據來自控制核心 STM32F103的指令完成逆變，驅動電機旋轉。

3 電壓空間矢量（SVPWM）控制原理[2]

系統通過不同的傳感器測量電機的兩相電流反饋（ai、bi）和電機位置，將測得的相電流（ai、bi）結合位置信息，經坐標變化（從a，b，c坐標系轉換到轉子d，q坐標系，分別進行CLARKE變換、PARK變換），得到di，qi分量，分別進入各自的電流調節器。電流調節器的輸出經過反向坐標變化（從 d，q坐標系轉換到a，b，c坐標系，分別經過PARK反變換、CLARKE反變換），得到三相電壓指令。控制芯片通過這三相電壓指令，經過反向、延時后，得到6路PWM波輸出到功率器件IPM，控制電機運行。系統在不同指令輸入方式下，指令和反饋通過相應的控制調節器，得到下一級的參考指令。在電流環中，d，q軸的轉矩電流分量（qi）是速度控制調節器的輸出。

控制交流調速系統的關鍵是實現電機瞬時轉矩的高性能控制，從永磁同步電機的數學模型可以看出，對電機輸出轉矩的控制最終歸結為對交、直軸電流的控制。所用電機為轉子表面貼裝式結構，采用di=0的控制策略。對控制系統來說，只要檢測出轉子的位置，使三相定子電流的合成電流矢量位于q軸上就可以了。永磁交流伺服電機矢量控制原理如圖2所示。

圖2 矢量控制系統原理圖

4 矢量控制算法的實現

STM32系列32位微控制器使用來自ARM公司具有突破性的Cortex-M3內核，該內核是專門設計于滿足集高性能、低功耗、實時應用、具有競爭性價格于一體的嵌入式領域的要求。STM32F103是STM32的增強型系列，工作在 72MHz，帶有片內RAM和豐富的外設[3]。

本文根據電壓空間矢量控制的原理，設計了矢量控制算法的軟件，利用電流采樣的中斷子程序來實現矢量變換。程序流程如下：

①電流采樣結束進入電流采樣中斷，讀取采樣到的相電流值ia、ib，同時讀取該時刻光電編碼器采樣到的電機轉子位置信號θ。

②對采樣電流ia、ib進行CLARKE變換得電流iα、iβ。

表1 矢量作用時間取值表

系統矢量變換的軟件流程圖如圖3所示。

圖3 矢量變換軟件流程圖

5 雙閉環PI調節器的設計

系統中的電流和轉速調節均采用 PI調節。STM32處理器可以用數字 PI調節實現模擬調節的功能。模擬調節的數字化，實質上是用差分方程去逼近微分方程，對其進行數字模擬，這個數字模擬算法可作為數字程序的算法。

數字PI調節器的差分方程[5,6]

在本系統的實際編程中采用了積分分離的 PI算法，即當被控量與設定值的偏差較大時，取消積分作用，以免積分飽和作用使系統的穩定性減弱，超調量加大；當被控量接近設定值時，才加入積分作用，以消除靜差，提高控制精度。PI調節子程序流程圖如圖4所示。

圖4 PI調節程序流程圖

對于簡單的系統，可以采用理論計算的方法整定PI參數，但是像電機驅動這樣復雜的系統，理論計算就比較困難了。一般采用工程方法來整定參數，如經驗法、衰減曲線法和響應曲線法等。本系統主要采用衰減曲線法來進行PI參數整定。無論采用何種PI參數整定方法，最后都應在系統閉環的情況下進一步驗證和修正參數，以使系統達到較好的性能。修正過程中應該始終注意PI各參數對系統性能的影響。

6 實驗結果及分析

本系統所采用的電機額定功率為 1.5kW，額定轉速為2000r/min。該電機采用轉子8極、定子9槽的集中繞組結構，繞組電動勢為正弦波，驅動電流也為正弦波，定子繞組每極每相槽數為0.375，定位轉矩較小，繞組因數較大。實驗采用CX-30A型轉矩轉速傳感器及配套的測試儀作為外部觀測系統轉矩轉速的設備。測試儀通過RS-232接口與計算機相連，從而可以對轉矩和轉速的時間響應做定量的分析。實驗所用負載通過拖動一臺永磁發電機發電經過電能回饋裝置并網實現。在實驗之前已對系統的PI調節器的參數進行了整定，使得系統能夠運行在良好的性能狀態。實驗裝置的組成如圖5所示。

圖5 實驗裝置組成圖

6.1 轉速響應時間實驗

該實驗是觀測系統在零轉速下，從輸入對應ne的階躍信號開始，至轉速第一次達到0.95ne的時間。取轉速儀的采樣時間為 10ms，給定階躍轉速為1000r/min，將采集到的數據通過 EXCEL制成曲線如圖6、圖7所示。

圖6 轉速響應時間曲線（正轉）

圖7 轉速響應時間曲線（反轉）

階躍信號在 40ms時出現。由圖中可以看出，1000r/min的轉速響應時間在50ms之內，具有較快的響應速度，而普通永磁同步電機轉速響應時間通常在200～400ms之間；并且由于積分分離式PI調節器的作用，系統的超調量較小，且在較短的時間內，最終穩定在給定轉速上。

6.2 轉速穩定性實驗

將轉速穩定在1500r/min，然后通過調節電能回饋裝置的并網比率增加負載，觀察在負載變化的情況下轉速的變化情況。實驗測得的曲線如圖8、圖9所示。

圖8 變化負載情況下轉速曲線

圖9 負載變化曲線

可見，系統具有極強的轉速保持能力，在電機的帶載能力范圍內負載變化時轉速保持恒定不變。

實驗結果表明，系統具有較快速的轉速響應和較穩定的轉速保持性能，表現出了比普通永磁電機控制系統更好的動態性能和靜態性能。隨著交流伺服系統性能的日益提高，價格日趨合理，交流伺服取代直流伺服、數字控制取代模擬控制、軟件控制取代硬件控制已成為現代電氣伺服系統的一個發展趨勢。從實驗結果看，本文設計的系統具有一定的實用性。

[1] 寇寶泉，程樹康. 交流伺服電機及其控制[M].北京:機械工業出版社, 2008.

[2] 唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M]. 北京: 機械工業出版社, 1997.

[3] 王永虹,徐煒,郝立平.STM32系列ARMCortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[4] 姜光徽譯.每極每相分數槽繞組的選擇[J].中小型電機,1994,21(6).

[5] 高梅,王忠慶. 基于DSP的交流伺服電機控制系統的研究[J]. 機械工程與自動化, 2009(5).

[6] 孫立志. PWM 與數字化電動機控制技術應用[M].北京:中國電力出版社,2008.