基于永磁同步電機的高性能交流伺服控制系統研究

梅立雪

摘 要：文章闡述了交流伺服系統的幾種類型，對幾種常見的技術進行分析，然后綜述交流永磁同步電機伺服系統的結構構成和發展現狀，并且在dqo坐標下建立最終的交流永磁同步電機的數學模型。最終構建了一個模擬的DSP全數字化的交流永磁同步電機伺服控制系統，提高了系統的超調和能力，性能也得到提升。

關鍵詞：永磁同步電機；交流伺服控制系統；高性能；仿真試驗

近年來，隨著現代信息技術的不斷發展，人們已經全面入了信息時代，信息技術在人們生活和工作中的應用，成為一種必然趨勢，如，全球衛星定位系統（Global Positioning System，GPS）、地理信息系統（Geographic Information System，GIS）、衛星遙感系統（Remote Sensing，RS），這些技術在實際工作中的應用，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。目前，要想進一步提升我國農業生產的機械化效率，提升農作勞動生產的整體效率，就必須引進先進的伺服控制技術，滿足實際生產的工作需求。高性能的伺服系統已經進入了交流化的時代。在交流伺服系統中，永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）表現出獨特的優勢，體積小、占地面積小，性能穩定、可靠，被廣泛應用于自動化生產實踐中，實現了交流電機定子三相電流的有效控制，成為現代先進的交流伺服控制技術，并得到廣泛的推廣[1]。

1 交流伺服系統的分類和相關技術

1.1 交流伺服系統分類

根據信號處理方式不同，一般將交流伺服系統分為3種，即模擬式伺服、數字模擬混合式伺服和全數字式伺服；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和鼠籠型的異步電動機伺服系統。在永磁同步電機系統中，先根據位置指令，然后啟動電機伺服傳感器，根據數學模型的計算方程式，得出滑差頻率，對伺服進行精準控制。隨著現代電氣伺服技術的不斷發展，伺服電機制造表現出價格低廉、結構簡單、維護費用低等特點，在工作生產中的推廣已經越來越廣泛。但是，感應式的異步電機矢量控制，相較于永磁同步電機，結構更加復雜，運行速度比較低，發熱嚴重等。永磁同步電機伺服系統逐漸取代其他的伺服系統，該系統可以根據不同的反電動勢波形和磁場分布形式，實現弦波控制。

1.2 交流伺服系統相關技術

1.2.1 微處理器技術

微處理器推動了伺服系統的重大變革，伺服電機控制系統工作原理和結構設計，變得越來越簡化，在數字化技術的支撐下，系統數據處理能力明顯提升，整個系統的抗干擾能力和結構的穩定性能，均得到明顯的提升，而且實現人工智能對系統運行狀態進行診斷，為電機運動控制系統的發展和完善奠定了堅實的基礎。例如，現代單片機應用使得電動機控制系統的數據處理變得簡單起來，提高了數據運算的速度，借助DSP芯片，在一種集成芯片上，使得電動機控制系統發展成為嵌入式的控制系統模式。

1.2.2 電力電子技術

導體技術的發展使得伺服控制系統進入了全數字的時代，體積進一步縮小，大集成電力（（Large Scale Integration，LSI）能實現精細化加工，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，電力電子技術具有多功能處理能力，在小型化生產中發揮著重要的作用。交流伺服控制器系統中，硬件環境得到改善，電動機結構得到優化，最終系統運行速度更快，性能更加穩定、準確，為機械化設備的優化生產，創造了重要的條件。

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，但是體積小；鎳鈷稀土永磁材料是一種磁感應強度高的材料，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構都被簡化，轉子體積也明顯縮小，運行中的發熱問題得到解決[2]。

2 PMSM矢量控制系統的構成與數據模型的仿真

2.1 PMSM結構構成與特點

PMSM技術迅速發展，使得電機控制系統的矢量控制結構變得越來越精悍、精準，體積也越來越小。在結構上，永磁同步電機的兩大主要結構是定子和轉子，定子三相采用對稱模式的電樞繞組，嵌放置在芯片卡槽上，輪子屬于永磁體結構，為圓筒形的導磁軛上，降低了交流電機伺服系統的運行耗損。轉子又分為內外兩個轉子，根據磁場的方向不同，有徑向和軸向磁場差別；分布結構差異，有集中繞組和分布兩種形式。這種嵌入式結構的永磁體，在嵌入轉子的表面，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，構成一個齒輪結構，表面為硅鋼片，能有效降低耗損，結構簡單，機械強度高。內部的結構主要是在轉子的內部，定子鐵芯內圓，永磁體表面之間分布有鐵磁物質，在機械生產中能產生啟動作用和阻尼作用。PMSM在使用中對動態和靜態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埋式轉子的保護下，轉子磁路結構的整體磁阻轉矩的電機功率得到明顯提升，從而實現對弱磁的調速控制[3]。

2.2 PMSM數學模型建立

現在大部分的永磁同步電機都是使用的三相永磁同步結構，結構簡單、運行速度快、性能穩定，為了測定其效果，我們按照勵磁繞組產生的感應電動勢波形，根據電勵磁同步的方法建立PMSM數學模型。設定的初始定量為，永磁材料電導、轉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表示轉子磁鏈與A相繞組之間的電角度。

根據d-q坐標，當旋轉的角度發生變化時，電動機的磁極也發生了變化，定子三相的電感等效發生變化，最終能通過電樞電感和電壓分量數據，得知PMSM數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的設計與實現

3.1 系統設計與硬件構成

本次研究基于DSP芯片建立PMSM模型，系統硬件設備主要包括DSP處理器82C250芯片及HCPL2630芯片，在TMS320C2000TM平臺下，配置外圍設備，如串行的TMS320LF的接口模塊，進行A/D轉換，它們共同構成了交流伺服系統，結構示意如圖1所示。

該系統中的微處理器主要是對各相電流、計算機電機轉速和位置進行準確的管理，然后對系統運行狀態產生的SVPWM控制信號狀態進行分析，根據CAN模塊功能，對上位機的通信進行分組，通過總線控制，發出位置指令，然后根據CANH接口電路仿真器與微機接口電路，實現系統的在線調試。端口由仿真器直接訪問，提供仿真功能，根據避免電路線路檢測，得知IGBTCPV363M4K智能功率模塊組形成逆變橋，對功率主回路實現直流到交流的逆變。數據輸入采用光耦隔離電路，考慮到光耦器件快關速度，對驅動的電路性能有著很大的影響，所以該結構采用的是高速光耦。系統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。整個系統軟件設計重點由位置控制模塊、電流坐標變換模塊、電流調節器模塊以及電子電壓空間矢量模塊和逆變功能模塊構成，每個模塊功能都是環環相扣，緊密相連，共同實現永磁電機伺服系統控制[4]。

3.2 仿真試驗

采用Matlab軟件中的simulink模塊構成性能測定的仿真模塊，根據位置指令參考值，設定初始的電機定子轉速為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；仿真條件設定為定轉速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 結語

本文主要是借助DSP系統設計了一種高性能交流伺服系統，在矢量控制基礎理論的基礎上，以DSP控制系統為核心，系統電路簡單，控制準確，在復雜的環境下工作，也能簡化工作，提升工作整體的精準性。通過對系統的性能和結構可靠性的仿真試驗，最終得知系統的性能良好，在動態和靜態兩種工作狀態，性能都非常穩定，應用到未來自動化生產的實踐活動中，將非常可靠、穩定，為全面實現我國自動化生產提供了重要的技術支撐。

[參考文獻]

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

[2]徐夢遠，馬旭東，吳航.基于DSP的永磁同步電機DTC交流伺服系統設計[J].工業控制計算機，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[J].制造業自動化，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研究[J].組合機床與自動化加工技術，2017（12）：89-93.