永磁同步電機高性能矢量控制系統(tǒng)研究

高洋　尹貽波　徐潤澤　張朋　趙凱

[摘 ? ?要] ?隨著機器人等新興產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。得益于效率高、體積小、功率密度高等性能優(yōu)勢，永磁同步電動機在伺服驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。以STM32F103ZET6芯片為主控，完成了永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的硬件電路及軟件算法的設(shè)計、制作、調(diào)試。該系統(tǒng)的輸入電源為220V單相交流電壓源，通過變壓、整流、濾波得到直流電壓源，經(jīng)三相逆變器輸出三相交流電壓源驅(qū)動永磁同步電動機，三相逆變器的控制信號由雙閉環(huán)矢量控制算法產(chǎn)生。

[關(guān)鍵詞]永磁同步電動機;矢量控制;PI調(diào)節(jié)器;轉(zhuǎn)子定位

[中圖分類號]TM351 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）05–00–03

Simulation Study on High Performance Vector Control System of Permanent-magnet Servo Motor

Gao Yang，Yin Yi-bo，Xu Run-ze，Zhang Peng，Zhao Kai

[Abstract]With the rapid development of robot and other emerging industries， higher requirements are put forward for the performance of servo drive system.Due to the advantages of high efficiency， small size and high power density， permanent magnet synchronous motor （PMSM）is widely used in servo drive system.In this paper， STM32F103ZET6 is used as the main control chip to complete the design， manufacture and debugging of hardware circuit and software algorithm of PMSM vector control system.The input power of the system is 220 V single-phase AC voltage source.The DC voltage source is obtained by voltage transformation， rectification and filtering.The three-phase AC voltage source is output by the three-phase inverter to drive the PMSM.The control signal of the three-phase inverter is generated by the double closed-loop vector control algorithm.

[Keywords]Permanent magnet synchronous motor，vector control，PI regulator，rotor positioning

目前，機器人相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，工業(yè)機器人、服務(wù)機器人等逐步融入人們的生產(chǎn)、生活中。而作為機器人關(guān)節(jié)的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，其性能對于整個機器人系統(tǒng)而言是至關(guān)重要的。

伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制性能不僅與控制算法密切相關(guān)，還與電機本體的性能關(guān)系緊密。隨著伺服驅(qū)動系統(tǒng)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的電勵磁電機已不能滿足高性能伺服驅(qū)動系統(tǒng)的要求。與傳統(tǒng)電勵磁電機相比，利用稀土永磁材料制成的永磁電機具有效率高、體積小、功率密度高等諸多性能優(yōu)勢，永磁電機的使用將有助于伺服驅(qū)動系統(tǒng)整體性能的提升。

在傳統(tǒng)的交流傳動領(lǐng)域，常用的調(diào)速控制方式主要包括恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。其中，恒壓頻比控制方式是從電機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型出發(fā)，在電機的穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下提出：在電機額定頻率以下按照相同比例改變電壓有效值、頻率參數(shù)，近似獲得恒磁通控制效果。而在額定頻率以上保持電壓有效值為額定值，只改變電壓源的頻率，這種控制方式很難達到較高的動態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制的被控對象是定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過轉(zhuǎn)矩兩點式控制器和滯環(huán)控制器對電機的定子磁鏈與轉(zhuǎn)矩進行雙閉環(huán)控制，該控制方式具有時效性需求高、帶載能力弱、低速調(diào)節(jié)能力差等諸多缺陷。相比之下，矢量控制方式通過坐標變換，將交流電機的數(shù)學模型等效為直流電機，能獲得較高的動態(tài)性能，并且轉(zhuǎn)矩脈動較小。

1 ?永磁同步電動機的矢量控制系統(tǒng)

與傳統(tǒng)交流電機不同，永磁同步電動機去除了勵磁繞組，主要由永磁體產(chǎn)生主磁場，不存在勵磁損耗，電機的效率、功率因數(shù)明顯提高。

為了方便分析，假設(shè)：定子三相繞組完全對稱，不計鐵心飽和，忽略渦流損耗、磁滯損耗，定轉(zhuǎn)子鐵心表面光滑、沒有齒槽效應(yīng)，定子每相磁勢在空間呈正弦分布。經(jīng)坐標變換，將ABC坐標系下的永磁同步電動機數(shù)學模型變換到dq0坐標系下。

電壓方程：

（1）

磁鏈方程：

（2）

轉(zhuǎn)矩方程：

（3）

其中，ud、uq分別為定子繞組的d軸、q軸電壓;id、iq分別為定子繞組的d軸、q軸電流;ψd、ψq分別為定子繞組的d軸、q軸磁鏈，R為定子繞組電阻，ψf為永磁體磁鏈，p為電機極對數(shù)，ω為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角頻率。

在上述電機動態(tài)數(shù)學模型中，dq0坐標系的d軸被定位在轉(zhuǎn)子永磁磁場方向上，在一定程度上簡化了電機的數(shù)學模型。如果進一步控制定子繞組直軸電流id=0，則只需要控制iq就可以直接控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩。同時，這樣能使得定子磁動勢與永磁體磁場空間矢量正交，還可以減少電機損耗，降低轉(zhuǎn)子永磁體的退磁風險。這樣就構(gòu)成了id=0的轉(zhuǎn)子磁場定向永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。

2 ?永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本文設(shè)計的永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的硬件電路主要包括主電路、微控制器電路、檢測電路、輔助電源電路、保護電路等。

主電路包括變壓器、整流電路、濾波電路、逆變器四部分。其中，變壓器主要是將工頻的單相220 V交流電壓做降壓處理，整流電路、濾波電路是獲得逆變器所需的直流輸入電壓，而逆變器則在SVPWM模塊的控制下產(chǎn)生永磁電機所需的三相電壓源。

微控制器電路的主要作用是確保控制系統(tǒng)的核心——STM32F103ZET6正常工作，本文設(shè)計了晶振電路為主控芯片提供時鐘源，并設(shè)計了復位電路以便在系統(tǒng)工作異?；蛐柚匦聢?zhí)行操作命令時使電路恢復到初始狀態(tài)。

檢測電路主要是檢測電壓與電流，其中電流檢測選用了TBC-25-50C04霍爾電流傳感器，電壓檢測則是選用了TBV25A系列霍爾電壓傳感器。

輔助電源電路的輸入是主電路整流、濾波之后的直流電壓源，該電壓值為30 V，通過不同的處理電路獲得不同的直流電壓給控制系統(tǒng)的各單元電路、器件供電：30 V直流電壓通過LM7824得到+24 V，進一步通過A2415S獲得±15 V，進一步通過LM2940獲得+5 V，進一步通過AMS1117-3.3 V和AMS1117-1.5 V得到+3.3 V、+1.5 V。此外，為了獲得+0.5 V、5 A直流電源，本文設(shè)計了同步BUCK電路實現(xiàn)。

保護電路主要包括過壓保護、過流保護、溫升保護等，是確?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定運行以及保證人身安全不可缺少的部分。

3 ?永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

在圖2中，SVPWM模塊是空間矢量PWM模塊，能結(jié)合三相逆變器，利用伏秒平衡原則使電機產(chǎn)生運動軌跡接近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，如圖2所示。其中，三相逆變器能產(chǎn)生6個非零基本矢量u1～u6以及2個零矢量u0、u7，u是下一采樣周期內(nèi)所需的空間電壓矢量。

本文的永磁電機矢量控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，d軸、q軸電流調(diào)節(jié)器構(gòu)成內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是外環(huán)，三個調(diào)節(jié)器均設(shè)計為PI調(diào)節(jié)器。

為了讓電機在起動過程中能以最大電流起動，同時，在外部干擾時能快速恢復，加快動態(tài)跟蹤響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通常利用電流PI調(diào)節(jié)器將電流內(nèi)環(huán)整定為典型I型系統(tǒng)，該PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)為：

（4）

（5）

其中，電流采樣周期等于載波周期Ts。

為了減少外界干擾對控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的影響、減小轉(zhuǎn)速波動，使得控制系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)，通常利用轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器將轉(zhuǎn)速外環(huán)整定為典型II型系統(tǒng)，該PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)為：

（6）

（7）

其中，轉(zhuǎn)速采樣周期等于載波周期Ts的十倍，J為電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。

為了方便系統(tǒng)的調(diào)試，本文還設(shè)計了控制系統(tǒng)的人機交互功能，包括鍵盤與顯示模塊、上位機界面。其中，顯示模塊是0.96寸OLED七針顯示屏，用來實時顯示單片機采集的電流、電壓以及電機轉(zhuǎn)速、運行狀態(tài)等參數(shù);按鍵輸入模塊則是利用了主控芯片的外部中斷，可以用來調(diào)節(jié)電機速度等參數(shù)，還具有緊急制動及恢復初始設(shè)定轉(zhuǎn)速等功能。

除此之外，為了確保系統(tǒng)能夠正常運行，本文還設(shè)計了控制系統(tǒng)的故障預警功能。當故障（過壓、過流、高溫等）出現(xiàn)時，主控芯片將自動切斷后續(xù)電路，并發(fā)出聲光警報。

4 ?永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的調(diào)試

根據(jù)上述軟硬件設(shè)計，搭建了永磁同步電動機的矢量控制系統(tǒng)，所使用的永磁同步電動機的極對數(shù)為4，額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min，額定功率為100 W，額定電壓為24 V。

該永磁同步電動機自帶編碼器用于電機的轉(zhuǎn)速測量及轉(zhuǎn)子定位，編碼器輸出A、B、Z三路脈沖信號。其中，A、B兩路信號波形相同、相位不同，能夠反映電機的轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一圈輸出一個Z信號脈沖，該脈沖與轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)，可用于電機運行過程中的轉(zhuǎn)子定位修正，以便獲得更好的控制效果。

利用搭建的永磁同步電動機的矢量控制系統(tǒng)，分別進行了硬件電路、軟件程序檢測，并進行了相應(yīng)的改進。針對該調(diào)速系統(tǒng)進行了調(diào)速實驗測試，在程序中設(shè)定給定轉(zhuǎn)速為3000 r/min，并將實時轉(zhuǎn)速值發(fā)送到前述建立的上位機，以便在上位機端顯示電機調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)速曲線，如圖3所示。根據(jù)圖3，電機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)超調(diào)之后，經(jīng)過幾次震蕩逐漸趨于穩(wěn)定。

5 ?結(jié)語

本文基于STM32F103ZET6芯片，設(shè)計、制作了永磁同步電動機的矢量控制系統(tǒng)，包括硬件電路、軟件算法，并進行了相關(guān)的實驗測試，該控制系統(tǒng)能準確的進行電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能達到了預期。

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