【正文】 永磁同步電機(jī)((PMSM)得到了廣泛應(yīng)用。作為能量轉(zhuǎn)換的裝置，永磁同步電機(jī)有多種結(jié)構(gòu)和分類，其中正弦波永磁同步電動機(jī)因其卓越的性能已日漸成為電伺服系統(tǒng)執(zhí)行電機(jī)的主流。本章首先簡要敘述了永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和主要分類，然后建立了在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，為對其進(jìn)行轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制奠定了理論基礎(chǔ)。為了使得永磁同步伺服電動機(jī)具有正弦波感應(yīng)電動勢波形，其轉(zhuǎn)子磁鋼形狀呈拋物線狀，使其氣隙中產(chǎn)生的磁通密度盡量呈正弦分布。定子電樞采用短距分布式繞組，能最大限度地消除諧波磁動勢。永磁體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生恒定的電磁場。當(dāng)定子通以三相對稱的正弦波交流電時(shí)，則產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。兩種磁場相互作用產(chǎn)生的電磁力，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如果能改變定子三相電源的頻率和相位，就可以改變轉(zhuǎn)子的速度和位置。因此對三相永磁同步伺服電機(jī)的控制也和對三相異步電動機(jī)的控制相似，采用矢量控制。并且不要對轉(zhuǎn)子進(jìn)行繞組和坐標(biāo)變換，從而使得三相永磁同步電機(jī)的矢量控制要比三相異步電機(jī)的控制要簡單。永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。本文采用的是正弦波供電永磁同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組。永磁同步電機(jī)的定子與普通電勵磁同步電機(jī)的定子一樣有A, B, C 三相對稱繞組，轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體，定子和轉(zhuǎn)子通過氣隙磁場存在電磁耦合關(guān)系。由于交流電機(jī)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，定轉(zhuǎn)子電感系數(shù)隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化。電機(jī)的數(shù)學(xué)模型中含有時(shí)變參數(shù)，給分析和計(jì)算帶來困難。為了簡化永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，首先對電機(jī)做如下假設(shè).(1)忽略鐵心飽和。(2)忽略電機(jī)繞組漏感。(3)轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組。(4)永磁材料的電導(dǎo)率為零。(5)不計(jì)渦流和磁滯損耗。(6)定子相繞組的感應(yīng)電動勢波為正弦型的，定子繞組的電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布的磁勢，忽略磁場的高次諧波。永磁同步電機(jī)的定子磁鏈?zhǔn)怯啥ㄗ尤嗬@組電流和轉(zhuǎn)子永磁極產(chǎn)生，定子三相繞組電流產(chǎn)生的磁鏈與轉(zhuǎn)子位置角有關(guān)，轉(zhuǎn)子永磁極產(chǎn)生的磁鏈也與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，轉(zhuǎn)子永磁極在每相繞組中產(chǎn)生反電勢。永磁同步電動機(jī)是系統(tǒng)的控制對象 ，有必要對進(jìn)行研究 。由于永磁同步電動具有正弦波反電勢 ，是線性的，參數(shù)不隨假設(shè)電動機(jī)溫度變化，忽略磁滯和渦流損耗 那么dq坐標(biāo)系下的永磁同步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型為 ： (41) 式中、分別為定子繞組電壓的直、交軸分量 ； 、 分別為定子繞組電流 的直 、交軸分量 ；分別為永磁同步電動機(jī)的直 、交軸電感 ；為定子繞組電阻。 為轉(zhuǎn)子上永磁體產(chǎn)生的磁場；；其中ω為轉(zhuǎn)子電角速度， ωr 為機(jī)械角速度 ，為極對數(shù)。 采用磁場定向的控制策略 ，即控制直軸電流id為零 ，則永磁同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為： （42） 由式(42)可見 ，采用矢量控制策略實(shí)現(xiàn)了定子繞 組電流磁場分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦 ，這樣永磁同步 電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩就正比于交軸電流。通過控制就可以控制，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)速，從而得到了和它勵直流有刷電動機(jī)相似的控制特性。43 永磁同步電機(jī)的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用TI公司的數(shù)字信號處理器TM320LF2407為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。TMS320LF2407采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，具有高達(dá)30MIPS的數(shù)據(jù)處理能力以及適合電機(jī)控制的外設(shè)資源，采用其全比較單元可生成6路PWM控制信號，10位A／D轉(zhuǎn)換模塊可以完成電流信號采樣，CAP捕獲單元、QEP正交編碼單元以及SPI串行外設(shè)接口單元可實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示，高速的數(shù)據(jù)處理能力、完備的外設(shè)資源大大地簡化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。圖42為采用DSP實(shí)現(xiàn)的三相永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)。在DSP中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流全數(shù)字雙閉環(huán)控制，完成電流采樣、轉(zhuǎn)角及速度計(jì)算、PARK變換及逆變換、CLARKE變換和PWM控制信號的實(shí)時(shí)計(jì)算以及參量顯示等功能。永磁同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩控制最終歸結(jié)為對軸電流的控制，矢量控制的目的就是通過對軸電流的控制，快速準(zhǔn)確地控制電磁轉(zhuǎn)矩。控制直軸電流為零，通過調(diào)整直流量。來控制轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)三相永磁同步電動機(jī)的控制參數(shù)解耦，實(shí)現(xiàn)三相永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的近似線性化控制。交軸電流的給定ipref為速度控制器的輸出，控制交軸電流。就可以控制電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。系統(tǒng)的速度環(huán)和電流環(huán)采用PI控制算法，同時(shí)為了提高直流電壓利用率，改善電機(jī)的運(yùn)行特性，將電流控制器的輸出作為SVPWM模塊的輸人，結(jié)合由光電編碼器得到的電機(jī)旋轉(zhuǎn)電角度并經(jīng)過扇區(qū)判斷及占空比的實(shí)時(shí)計(jì)算得到6路PWM控制信號，經(jīng)功率放大后驅(qū)動IGBT。電機(jī)繞組電流采用磁平衡式電流霍爾傳感器進(jìn)行采樣，經(jīng)過CLARKE變換、PARK變換得到直交軸電流和，從而形成電流閉環(huán)控制。電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角位置由光電編碼器獲得，將轉(zhuǎn)角進(jìn)行微分可以得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，從而形成速度閉環(huán)控制。 圖 42 永磁伺服系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖44 永磁交流伺服系統(tǒng)硬件電路交流伺服系統(tǒng)由交流伺服電動機(jī)和伺服控制驅(qū)動器兩部分組成，控制器的性能直接影響到伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，從而在很大程度上決定了整個(gè)控制系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng)的模擬控制器雖然具有連續(xù)性好、響應(yīng)速度快、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但也有著本身難以克服的缺點(diǎn)，如系統(tǒng)調(diào)試?yán)щy、易受環(huán)境溫度變化影響產(chǎn)生漂移，難以實(shí)現(xiàn)柔性化設(shè)計(jì)思想，缺乏實(shí)現(xiàn)復(fù)雜計(jì)算的能力，無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代控制理論指導(dǎo)下的控制算法。由于這些原因，現(xiàn)代伺服控制器均采用了全數(shù)字化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，伺服控制系統(tǒng)的主要控制理論也采用了現(xiàn)代的矢量控制思想，它實(shí)現(xiàn)了電流矢量的幅值控制和相位控制。 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的硬件總體上可以分為以下三個(gè)部分所示： 第一塊電路板為功率電路板，包括 ACDC 模塊，主電路的過壓欠壓保護(hù)，軟啟動，IPM 模塊以及驅(qū)動電路，輔助電源電路。 第二塊電路板為控制電路板，包括DSP（TMS320F2812） ，CPLD（MAX7128AE）芯片，DSP電源處理電路、擴(kuò)展外部存儲器 RAM、 電流采樣、 編碼器接口電路、 RS232通信、仿真及邏輯電平轉(zhuǎn)換、過流保護(hù)、模擬信號輸入、脈沖信號輸入、多路開關(guān)量輸入輸出接口等電路。這塊電路板是整個(gè)伺服控制器的核心部分。 第三塊電路板完成顯示與控制輸入功能，包括數(shù)碼管顯示電路以及鍵盤輸入。其主要功能是顯示電機(jī)運(yùn)行時(shí)刻的狀態(tài)，部分故障原因以及完成各種控制信號的輸入。 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖43所示。本系統(tǒng)是一個(gè)速度和電流反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。 DSP 控制器負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換 A/D 轉(zhuǎn)換、計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置以及電流和速度的 PI 調(diào)節(jié)，最后運(yùn)用矢量控制算法，得到電壓空間矢量 PWM 的控制信號，再經(jīng)過光耦隔離電路后，驅(qū)動IPM功率開關(guān)器件。DSP，CPLD 控制器負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的的保護(hù)和監(jiān)控，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)過壓、過電流、欠電壓等故障，DSP 將封鎖 PWM 輸出信號，以保護(hù)IPM模塊。 圖 43 永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的硬件框圖TMS320F2812 是美國德克薩斯州儀器公司(TI)最新推出的基于代碼兼容的TMS320C28內(nèi)核的新型高性能 32 位定點(diǎn)數(shù)字信號處理器， 它專門為數(shù)字控制設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高性能 DSP 與高精度模擬及閃存的完美結(jié)合。F2812 具有高集成度，從而提供了整套的片上系統(tǒng),同時(shí)降低了板級空間及系統(tǒng)成本，實(shí)現(xiàn)了更簡單、更高效和更經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)。功率板主要是負(fù)責(zé)接收控制板上 DSP 輸出的六路 PWM 控制電壓信號， 控制IPM給交流電機(jī)提供三相電壓，激勵三相交變電流，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)IPM 是把功率器件與起控制作用的邏輯電路、驅(qū)動電路保護(hù)電路和檢測電路集成或組裝在一起，主要完成驅(qū)動信號放大、功率放大、各種保護(hù)（包括過電流保護(hù)、短路保護(hù)、過熱保護(hù)、欠壓保護(hù)）等功能，在器件特性上具有 IGBT 的開關(guān)特性。本系統(tǒng)選用的 IPM 是三菱公司第三代智能功率模塊 PM20CSJ060。 其額定參數(shù)為 600V、20A，適用的電機(jī)功率為 ,開關(guān)頻率最高可達(dá) 20KHz[13]。 45 永磁交流伺服系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)在硬件系統(tǒng)已經(jīng)確定的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣很大程度上就取決于軟件，控制軟件除了靈活性、可靠性和通用性之外，還要具有很好的實(shí)用性。因此控制軟件的設(shè)計(jì)在滿足實(shí)時(shí)性的前提下， 充分發(fā)揮靈活性， 使系統(tǒng)的控制質(zhì)量得以提高。按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的 SVPWM 矢量控制系統(tǒng)的軟件對實(shí)時(shí)性、 可靠性和通用性要求都很高，本章結(jié)合 TMS320F2812 軟件編程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的控制軟件。系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)概述。 以 TMS320F2812 為核心組成的矢量控制系統(tǒng)的控制電路中，DSP 承擔(dān)了系統(tǒng)絕大部分的計(jì)算和控制任務(wù)。充分利用了 DSP 豐富的軟、硬件資源，并依據(jù)模塊化的編程設(shè)計(jì)思想， 將系統(tǒng)軟件分為兩部分:主程序和中斷服務(wù)程序， 其中中斷程序包括定時(shí)器下溢中斷 INT2 與捕獲中斷 INT3 以及功率驅(qū)動保護(hù)中斷。 系統(tǒng)在每次復(fù)位后， 首先執(zhí)行初始化程序， 實(shí)現(xiàn)對 DSP 內(nèi)部各功能模塊工作模式的設(shè)定和初始狀態(tài)的檢測。 完成上述工作后，將中斷開啟，系統(tǒng)執(zhí)行主程序。同時(shí)，當(dāng)中斷條件滿足時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。其中，電機(jī)的主要控制策略由定時(shí)中斷服務(wù)子程序來執(zhí)行。在三個(gè)中斷子程序中， 外部保護(hù)中斷子程序的優(yōu)先級較高。 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖 44 所示。本系統(tǒng)的控制軟件設(shè)計(jì)方案：采用模塊化程序設(shè)計(jì)，主要負(fù)責(zé)電流采樣、位置檢與速度計(jì)算、矢量變換、PWM 輸出以及故障輸出等。交流伺服系統(tǒng)控制屬于快速性與要求很高的運(yùn)動控制范圍，系統(tǒng)受控狀態(tài)量的變化是相當(dāng)快的，這就要求系統(tǒng)的采樣周期應(yīng)該盡可能短，以便對被控狀態(tài)量進(jìn)行及時(shí)的控制，即交流伺服系統(tǒng)的控制具有很高的實(shí)時(shí)性要求。因此，在設(shè)計(jì)和編制系統(tǒng)軟件時(shí)，要安排好各程序模塊的結(jié)構(gòu)和相互間的時(shí)序配合，以滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。下面主要對主程序設(shè)計(jì)。 圖 43 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖，軟件進(jìn)入循環(huán)等待。初始化部分是對系統(tǒng)進(jìn)行初始化并對控制對象的某些初始信息進(jìn)行辨識的程序,是程序不可缺少的組成部分之一。只在程序啟動時(shí)執(zhí)行一次，它完成一些初始化工作，決定系統(tǒng)的運(yùn)行模式。其主要工作是完成各種控制寄存器的初始化以及相關(guān)參數(shù)變量的初始值的設(shè)定，諸如對 DSP進(jìn)行初始化，包括對時(shí)鐘模塊、看門狗模塊、事件管理器模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、I/O口的初始化，定時(shí)計(jì)數(shù)器的初始化以及中斷初始化等；對變量進(jìn)行定義和賦初值；轉(zhuǎn)子初始定位等的初始化工作，其程序流程圖如圖 44 所示[14]。 圖 44 主程序流程圖2. P系統(tǒng)初始化及其內(nèi)部各個(gè)功能模塊的初始化， 功能模塊則有E V和ADC。具體設(shè)置如下:DSP系統(tǒng)初始化。DSP 系統(tǒng)的初始化是指 DSP 內(nèi)核的基本系 統(tǒng)配置， 主要包括了兩 個(gè)狀態(tài)寄存器 (ST0amp。1)、 兩個(gè)系統(tǒng)控制與狀態(tài)寄存器(SCSR I amp。2 ) 、等待狀態(tài)寄存器 (WSGR )及看門狗寄存器 (WDCR )的設(shè)置。具體設(shè)置如下 : SYS_INIT: POINT_PGO SETC INTM : 屏蔽中斷 SPLK oh， IMR : 不使能中斷 SPLK OFFh， IFR ： 清除全部中斷標(biāo)志 POINT_PGO CLRC SXM ；清零符號擴(kuò)展位 CLRC OVM ； 復(fù)位溢出模式位 CLRC CNF ；設(shè)置BO塊指向數(shù)據(jù)存儲段 SPM 0 ；設(shè)置乘積方式為0位移 POINT_B0 SPLK 00C0h，GPR0 ；設(shè)置1等待狀態(tài)為I/O空間 OUT GPT0，WSGR POINT_PF1 SPLK 0085h，SCSR2 ；4倍頻，ADC 使能， EV1 使能 SPLK 004Fh，SCSR2 ；不能使看門狗 KICK_DOG ； 看門狗清零 RET事件管理器初始化。事件管理器的初始化包括其內(nèi)部PWM 發(fā)生模塊的初始化，針對六路的七段式PWM 波的輸出。 PWM 軟件模塊的初始化設(shè)置包括有: 定時(shí)器周期寄存( TIPR)全局通用定時(shí)器控制寄存器 (GPTCONA ) 、通用定時(shí)器控制寄存(TICON ) 的置、比較控制寄存器 ( COMCONA)、比較方式控制寄存器 (ACTRA )、 死區(qū)控制寄存器 (DB TCONA)及EVA中斷屏蔽寄存器 ( EVAIMRA ) 等。具體設(shè)置如下: FC_ PWM_ O _DRV_ INIT : FPERIOD .set 2