交流永磁同步電機的全數字伺服控制系統介紹

反變換為

=（8）

2.2 帕克（PARK）變換

=（9）

反變換為

=（10）

從轉子坐標來(lái)看，對于定子電流可以分為兩部分，即力矩電流i_q和勵磁電流i_d。因此，矢量控制中通常使i_d=0來(lái)保證用最小的電流幅值得到最大的輸出轉矩。此時(shí)，式（6）的電機轉矩表達式為

T_em=P_nψ_fi_q（11）

由式（11）看出，P_n及ψ_f都是電機內部參數，其值恒定，為獲得恒定的力矩輸出，只要控制i_q為定值。從上面dq軸的分析可知，i_q的方向可以通過(guò)檢測轉子軸來(lái)確定。從而使永磁同步電機的矢量控制大大簡(jiǎn)化。圖1是其系統的控制框圖，該系統可以工作于速度給定和位置給定模式下，并且PWM調制方法采用空間矢量調制法。

圖1 系統控制框圖

3 系統軟硬件設計

3.1 硬件設計

3.1.1 DSP以及周邊資源

以DSP為核心的伺服系統硬件如圖2所示。整個(gè)系統的控制電路由DSP組成。DSP作為控制核心，接受外部信息后判斷伺服系統的工作模式，并轉換成逆變器的開(kāi)關(guān)信號輸出，該信號經(jīng)隔離電路后直接驅動(dòng)IPM模塊給電機供電。另外EEPROM用于參數的保存和用戶(hù)信息的存儲。

圖2 系統硬件結構圖

3.1.2 功率電路

整個(gè)主電路先經(jīng)不控整流，后經(jīng)全橋逆變輸出。逆變器選用IGBT的智能控制模塊。模塊內部集成了驅動(dòng)電路，并設計有過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠電壓等故障檢測保護電路。系統的輔助電源采用開(kāi)關(guān)電源，主要供電包括6路開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)電源，DSP，IO接口控制芯片的電源和采樣LEM。

3.1.3 電流采樣電路

本系統的設計要求至少采用兩相電流，由于負載的對稱(chēng)性，故采樣i_b和i_c兩相電流。采樣電路采用霍爾傳感器并經(jīng)模擬電路處理在±5V的電壓范圍內，再經(jīng)雙極性A/D轉換芯片后送入DSP內。

3.1.4 轉子位置檢測電路

電機反饋采用增量式光電編碼器，該編碼器分辨率為2500脈沖/轉，輸出信號包括A，B，Z，U，V，W等脈沖，其中A和B信號互差90°（電角度），DSP通過(guò)判斷A和B的相位和個(gè)數可以得到電機的轉向和速度。通過(guò)采集這些信號判斷電機轉子的位置和電機的轉速。另外U，V，W三相互差120°（電角度），用于在電機啟動(dòng)時(shí)判斷電機轉子的位置。

3.1.5 保護電路

系統在主電路中設置了過(guò)壓、欠壓、IGBT故障、電機過(guò)熱、IPM過(guò)熱、編碼器故障檢測等保護，故障信號經(jīng)邏輯電路后可直接封鎖開(kāi)關(guān)脈沖，同時(shí)通過(guò)DSP的I/O口輸入，通過(guò)軟件檢測來(lái)實(shí)現系統的保護。

3.2 軟件設計

DSP伺服控制程序由3個(gè)部分組成：主程序、定時(shí)采樣程序和DSP與周邊資源的數據交換程序。

3.2.1 主程序

主程序內完成系統的初始化，I/O接口控制信號，DSP內各個(gè)控制模塊寄存器的設置等，然后進(jìn)入循環(huán)程序。

3.2.2 定時(shí)采樣程序

定時(shí)采樣程序是整個(gè)伺服控制程序的核心，在這里實(shí)現電流環(huán)、速度環(huán)的采樣以及矢量控制、PWM信號生成、各種工作模式選擇和I/O的循環(huán)掃描。其中，每個(gè)采樣周期完成電流環(huán)的采樣，開(kāi)關(guān)信號的輸出，速度環(huán)和位置環(huán)控制。PWM控制信號采用規則采樣PWM調制方法生成，在每個(gè)采樣周期中對每相電流進(jìn)行一次誤差判斷以決定下個(gè)周期開(kāi)關(guān)管的占空比。

3.2.3 數據交換程序

數據交換程序主要包括與上位機的通信程序，EEPROM中參數的存儲，控制器鍵盤(pán)值的讀取和顯示程序。其中通信采用串行通信接口，根據特定的通信協(xié)議接受上位機的指令，并根據要求傳送參數。鍵盤(pán)每隔0.2ms掃描一次，更新顯示。