交流永磁同步电机伺服系统

摘要

交流永磁同步电机伺服系统，由DSP控制板、旋转变压器、主功率电路、调理和保护电路组成，电机本体由电枢绕组和永磁体铁心转子构成，转子采用永磁体励磁，由DSP实现磁场定向控制算法、通讯、电流的采样计算、驱动的配置输出；旋转变压器的输出通过设有的四路DA转换芯片与DSP的SPI或多通道缓冲处理使数据的传输至DSP；DSP输出脉宽调制并连接电流调节器输出的电压信号并连接CLARK反变换转换为三相开关信号PWM1-PWM3驱动逆变器，逆变器输出至电枢绕组，从而控制电机的电枢绕组产生旋转的圆形磁场；主功率电路由可控整流的直流测，逆变器，电流检测电路，过压放电回路，保护电路和驱动电路组成；本发明采用磁场定向控制算法。该算法可以适时地控制电机的转矩、速度和位置状态，有良好的控制性能。

主权项

1.交流永磁同步电机伺服方法，其特征是永磁同步电机定子由电枢绕组和永磁体铁心转子构成，转子采用永磁体励磁，由DSP实现磁场定向控制算法、通讯、电流的采样计算、驱动的配置输出；设有的旋转变压器的输出通过设有的四路DA转换芯片与DSP的SPI或MCBSP多通道缓冲处理实现数据的传输至DSP；DSP实现磁场定向控制算法的过程：空间矢量脉宽控制(SVPWM)是针对旋转的圆形磁场提出的，把永磁同步电机和PWM控制逆变器作为一个整体，转子采用永磁体励磁，同步电机伺服控制通过PWM即脉宽调制方法将电流调节器输出的电压信号通过CLARK反变换转换为三相开关信号PWM1-PWM3驱动逆变器，从而控制电机的电枢绕组产生旋转的圆形磁场；磁场定向控制算：适时地控制电机的转矩、速度和位置状态，这种控制算法在各种工作状态(稳态和动态)下都有良好的控制性能，并且不需要过大体积的能量变换装置即可随意地控制瞬态电流的幅值；矢量控制实际上是对电动机定子电流矢量相位和幅值控制，当用磁体的励磁磁链和直、交轴电感确定后，电动机的转矩便取决于定子电流的空间矢量i_s，而i_s的大小和相位又取决于i_d和i_q，也就是说控制i_d和i_q便可以控制电动机的转矩。一定的转速和一定的转矩对应一定的i_d和i_q，通过对i_d和i_q的控制，使实际的i_d和i_q跟踪指令值i_d^*和i_q^*，便实现了电动机速度的控制。由于实际馈入电动机电枢绕组的电流是三相交流电流i_w、i_u和i_v，因此，三相电流的指令值i_w^*、i_u^*和i_v^*必须由下面的变换从i_d^*和i_q^*得到$\left[\begin{array}{c}{i_W}^{*}\\ {i_V}^{*}\\ {i_W}^{*}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}\cos \theta & -\sin \theta \\ \cos (\theta -\frac{2\pi }{3})& -\sin (\theta -\frac{2\pi }{3})\\ \cos (\theta +\frac{2\pi }{3})& -\sin (\theta +\frac{2\pi }{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i_d}^{*}\\ {i_q}^{*}\end{array}\right]$上式中，电动机转子位置信号由位于电动机非负载端轴上的速度、位置传感器提供。通过电流控制环，可以使电动机实际输入电流i_w、i_u和i_v与给定的电流i_w^*、i_u^*和i_v^*一致，从而实现电动机的转矩的控制；上述电流矢量控制对电动机的稳态运行和瞬态运行都适用。而且i_d^*和i_q^*都是各自独立控制的，因此，实现了电机电流的解耦，便于实现先进的控制策略；在整个控制算法中，空间矢量模块用来产生定子电压。应用数字信号处理器控制IPM模块，为定子提供三相电流，通过反Park变换产生每组开关的开关方案；在定子上加载三相独立的相位120度的电压源，从而产生旋转的磁场；在标准的三相系统中，将三相正旋电压加载到电机的每一相中，产生三相电流，电流表达式为：$V_{\mathrm{OA}}=V\sqrt{2}\cos \left({\omega }_{c}t\right)$$V_{\mathrm{OB}}=V\sqrt{2}\cos ({\omega }_{e}t-\frac{2\pi }{3})$$V_{\mathrm{OC}}=V\sqrt{2}\cos ({\omega }_{e}t-\frac{4\pi }{3})$为了能够根据源电压(V_OA，V_OB，V_OC)计算出对于中心点的电压(分别为V_AN，V_BN，V_CN)，假设系统是对称的，则有：V_ON＝V_OA+ZI₁V_ON＝V_OB+ZI₂V_ON＝V_OC+ZI₃因此：$V_{\mathrm{AN}}=V_{\mathrm{ON}}-V_{\mathrm{OA}}=\frac{1}{3}(V_{\mathrm{OA}}+V_{\mathrm{OB}}+V_{\mathrm{OC}})-V_{\mathrm{OA}}=-\frac{2}{3}{V}_{\mathrm{OA}}+\frac{1}{3}{V}_{\mathrm{OB}}+\frac{1}{3}{V}_{\mathrm{OC}}$同样可以计算三相为：$V_{\mathrm{AN}}=\frac{1}{3}(2V_{\mathrm{AO}}-V_{\mathrm{BO}}-V_{\mathrm{CO}})$$V_{\mathrm{BN}}=\frac{1}{3}(2V_{\mathrm{BO}}-V_{\mathrm{AO}}-V_{\mathrm{CO}})$$V_{\mathrm{CN}}=\frac{1}{3}(2V_{\mathrm{CO}}-V_{\mathrm{AO}}-V_{\mathrm{BO}})$在静态功率桥中，不应用真正旋电压，而是用6个功率半导体开关控制调整直流母线电压来代替，目的是为了在绕组中重新建立正旋电流产生旋转磁场，考虑到相位的感应特性，功率开关反应过程中将产生附加的正旋电流，如图13，功率半导体由(a，b，c)和它们的补信号来控制。在这种配置中，只有8种开关状态，加载的电压值实际上是相对调整后的电压中点而言的，具体见下表：  A  B  C  V_AO  V_BO  V_CO  0  0  0  -V_DC/2  -V_DC/2  -V_DC/2  0  0  1  -V_DC/2  -V_DC/2  +V_DC/2  0  1  0  -V_DC/2  +V_DC/2  -V_DC/2  0  1  1  -V_DC/2  +V_DC/2  +V_DC/2  1  0  0  +V_DC/2  -V_DC/2  -V_DC/2  1  0  1  +V_DC/2  -V_DC/2  +V_DC/2  1  1  0  +V_DC/2  +V_DC/2  -V_DC/2  1  1  1  +V_DC/2  +V_DC/2  +V_DC/2在磁场定向控制算法中，控制变量是在旋转坐标系下表示的，直接控制转矩的电流矢量经过Park变换转化为参考电压矢量。参考电压也是在(α，β)坐标系下描述的，为了描述三相电压(V_AN，V_BN，V_CN)和参考电压矢量的关系，三相电压也投影到(α，β)坐标系中，Clarke变换方程描述三相电压在(α，β)坐标系下的方程如下：$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{s\alpha }}\\ V_{\mathrm{s\beta }}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{AN}}\\ V_{\mathrm{BN}}\\ V_{\mathrm{CN}}\end{array}\right]$由于只有8种功率开关状态，V_sα和V_sβ在(α，β)坐标系下的值也是有限的，见下表：根据开关状态确定8个电压矢量：应用8种工作状态，调整每个相邻矢量的时序，来近似期望的定子参考电压；为了知道具体应用哪个变量，需要知道参考电压矢量相应的扇区，为确定扇区，计算参考电压矢量在(a，b，c)下的V_a，V_b和V_c的投影，V_a，V_b和V_c的投影值由下式给定。V_a＝V_sβref$V_b=\frac{1}{2}(\sqrt{3}{V}_{\mathrm{s\alpha ref}}-V_{\mathrm{s\beta ref}})$$V_c=\frac{1}{2}(-\sqrt{3}{V}_{\mathrm{s\alpha ref}}-V_{\mathrm{s\beta ref}})$上式给出了三相交流电压输出值，也就是最终由SVPWM控制算法结算出来，经过逆变器加载到三相电动机上的控制电压，这样就实现了磁场定向控制算法。