永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

嚴(yán)偉燦， 周立新， 劉棟良

(臥龍電氣集團(tuán)股份有限公司，浙江上虞 312300)

0 引言

隨著裝備自動化水平的不斷發(fā)展，伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，數(shù)字信號處理器(DSP)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用［1-2］，對于諸如運(yùn)動控制領(lǐng)域所要求的電機(jī)高性能控制，全數(shù)字化交流伺服技術(shù)起到了巨大的推動作用，提高了系統(tǒng)的速度、精度、可靠性及抗干擾能力。

相比于正弦脈寬調(diào)制(SPWM)，空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)具有電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn)［3-4］，在交流變頻調(diào)速系統(tǒng)上應(yīng)用廣泛［5］，同樣廣泛應(yīng)用于各種交流伺服系統(tǒng)。本文介紹一種以TMS320F2810為控制核心、永磁同步電動機(jī)(PMSM)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用SVPWM的交流伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對PMSM交流伺服系統(tǒng)的速度、位置、轉(zhuǎn)矩的精確控制。系統(tǒng)大致可分成兩大板塊，即以TMS320F2810為控制核心的控制板塊和以智能功率模塊(IPM)為驅(qū)動核心的功率驅(qū)動板塊，外加一些輔助設(shè)備，如D/A顯示人機(jī)界面、鍵盤和顯示單元等。

1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

1.1 主電路

主電路包括功率逆變器供電電源、功率逆變和電源保護(hù)?？紤]到單相和三相都能夠使用，整流器選擇的是30 A/600 V三相不可控整流模塊。三相(或單相)AC輸入，經(jīng)整流橋后的母線直流電壓給下一級逆變橋供電，同時加以軟起動電路進(jìn)行上電瞬間的電容保護(hù)。

1.2 IPM

IPM功率逆變器的功能是根據(jù)控制電路的指令，將電源單元提供的高壓直流電轉(zhuǎn)變?yōu)樗欧姍C(jī)定子繞組中的三相交流電，以產(chǎn)生所需電磁轉(zhuǎn)矩。主回路采用集驅(qū)動電路、保護(hù)電路和功率管于一體的IPM，這種集成結(jié)構(gòu)減小了走線引入的分布電感，器件的開通和關(guān)斷具有更好的一致性。與普通的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)模塊相比，由于集成了驅(qū)動和保護(hù)電路，使得系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和開發(fā)變得簡單、可靠。本系統(tǒng)選用三菱公司的PM20CSJ06，其耐壓為600 V，額定電流為20 A，最高開關(guān)頻率為20 kHz。

1.3 控制模塊

本系統(tǒng)以TMS320F2810為控制核心，外加一些外圍輔助電路，來完成對PMSM的控制。

1.3.1 電流檢測

電機(jī)電流由LEM電流傳感器檢測后，得到成比例的模擬電壓信號，其幅值在-3～+3 V之間呈正弦波動。DSP內(nèi)部只能處理單極性的輸入信號，對A/D采樣時需增加電壓抬高電路，從而使電壓變換在0～3 V之間，供DSP采樣來檢測電流的信號。

1.3.2 位置轉(zhuǎn)速檢測

系統(tǒng)采用復(fù)合式光電編碼器，兩路正交脈沖信號A、B，一路零位脈沖信號Z，實(shí)現(xiàn)速度及位置反饋;另外，三路相差120°的初始位置脈沖信號(U、V、W)實(shí)現(xiàn)初始位置的定位，同時為了實(shí)現(xiàn)符合DSP所要求的3.3 V，這六路信號(A、B、Z、U、V、W)都經(jīng)過74LVTH244A，再分別接到 DSP的捕獲端口(CAP1～CAP6)和通用I/O端口(IOPA13～I(xiàn)OPA15)。

1.3.3 空間矢量脈寬調(diào)制

作為電力電子裝置的核心技術(shù)，PWM技術(shù)被廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速電機(jī)傳動中。

PWM技術(shù)中應(yīng)用最為普遍的是SPWM和SVPWM。實(shí)踐和理論證明，與SPWM技術(shù)相比，SVPWM方式具有高次諧波更低和電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn)，因此越來越受到人們的重視。如圖1所示，通過開通Ua和Ub不同的時間，使其兩個合成電壓矢量等效于參考電壓矢量Ur。

圖1SVPWM矢量圖

在DSP中實(shí)現(xiàn)SVPWM算法，該算法得到的基波電壓經(jīng)PWM口輸出后的波形(外接濾波電路)如圖2所示。圖中曲線1、2為基波相電壓波形，其最大幅值為UDC/，曲線3為曲線1減曲線2所得到的基波線電壓波形，從圖中可以看出SVPWM屬于雙波頭調(diào)制，輸出的線電壓波形為正弦波，與 SPWM(其基波最大相電壓幅值為UDC/)相比，提高了電壓的利用率。

圖2 相電壓與線電壓的實(shí)測波形

2 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

根據(jù)通用伺服軟件功能，設(shè)計(jì)如下控制方式:位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制及其他組合控制方式。其軟件基本框圖如圖3所示。DSP軟件程序主要包括:主程序初始化;數(shù)據(jù)采集程序;外部接口程序;通信程序;定時器中斷程序等。定時器中斷程序主要包括以下幾個功能模塊:速度計(jì)算、電流計(jì)算、坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)子位置計(jì)算、PID控制算法等。圖4為定時器中斷子程序流程，它是整個電機(jī)控制的核心。

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)實(shí)證波形

本文在臥龍伺服產(chǎn)品上進(jìn)行了實(shí)證，圖5為6 A的兩相電流波形，縱坐標(biāo)每200 mV代表5 A，圖6為1 200 r/min下的轉(zhuǎn)速波形，縱坐標(biāo)2 V代表600 r/min，圖7為位置θ角波形，一個鋸齒波代表轉(zhuǎn)子電角度360°。

圖4 定時器中斷子程序

圖5 電機(jī)高速時兩相電流波形

圖6 電動機(jī)高速時的轉(zhuǎn)速波形

圖7 電動機(jī)高速時的位置波形

4 結(jié)語

基于TMS320F2810開發(fā)PMSM交流伺服系統(tǒng)，控制實(shí)現(xiàn)容易，從試驗(yàn)波形可以看出此系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)性能，適用于中小功率伺服系統(tǒng)，應(yīng)用前景十分廣闊。該產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床及各類自動化加工機(jī)械設(shè)備上。

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