【正文】 永磁同步電機((PMSM)得到了廣泛應用。作為能量轉(zhuǎn)換的裝置，永磁同步電機有多種結(jié)構(gòu)和分類，其中正弦波永磁同步電動機因其卓越的性能已日漸成為電伺服系統(tǒng)執(zhí)行電機的主流。本章首先簡要敘述了永磁同步電機的基本結(jié)構(gòu)和主要分類，然后建立了在轉(zhuǎn)子坐標系下的永磁同步電機的數(shù)學模型，為對其進行轉(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具有正弦波感應電動勢波形，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。當定子通以三相對稱的正弦波交流電時，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的控制也和對三相異步電動機的控制相似，采用矢量控制。并且不要對轉(zhuǎn)子進行繞組和坐標變換，從而使得三相永磁同步電機的矢量控制要比三相異步電機的控制要簡單。永磁同步電機的數(shù)學模型。本文采用的是正弦波供電永磁同步電機，轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組。永磁同步電機的定子與普通電勵磁同步電機的定子一樣有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。由于交流電機是一個多變量、非線性、強耦合系統(tǒng)，定轉(zhuǎn)子電感系數(shù)隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化。電機的數(shù)學模型中含有時變參數(shù)，給分析和計算帶來困難。為了簡化永磁同步電機的數(shù)學模型，首先對電機做如下假設(shè).(1)忽略鐵心飽和。(2)忽略電機繞組漏感。(3)轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組。(4)永磁材料的電導率為零。(5)不計渦流和磁滯損耗。(6)定子相繞組的感應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。永磁同步電機的定子磁鏈是由定子三相繞組電流和轉(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。永磁同步電動機是系統(tǒng)的控制對象 ，有必要對進行研究 。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)電動機溫度變化，忽略磁滯和渦流損耗 那么dq坐標系下的永磁同步電動機數(shù)學模型為 ： (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 電動機的電磁轉(zhuǎn)矩就正比于交軸電流。通過控制就可以控制，進而控制轉(zhuǎn)速，從而得到了和它勵直流有刷電動機相似的控制特性。43 永磁同步電機的伺服系統(tǒng)設(shè)計本系統(tǒng)采用TI公司的數(shù)字信號處理器TM320LF2407為核心進行設(shè)計。TMS320LF2407采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，具有高達30MIPS的數(shù)據(jù)處理能力以及適合電機控制的外設(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)接口單元可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的實時計算和顯示，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。圖42為采用DSP實現(xiàn)的三相永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)。在DSP中實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流全數(shù)字雙閉環(huán)控制，完成電流采樣、轉(zhuǎn)角及速度計算、PARK變換及逆變換、CLARKE變換和PWM控制信號的實時計算以及參量顯示等功能。永磁同步電動機的電磁轉(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，快速準確地控制電磁轉(zhuǎn)矩?？刂浦陛S電流為零，通過調(diào)整直流量。來控制轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)三相永磁同步電動機的控制參數(shù)解耦，實現(xiàn)三相永磁同步電動機轉(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，同時為了提高直流電壓利用率，改善電機的運行特性，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旋轉(zhuǎn)電角度并經(jīng)過扇區(qū)判斷及占空比的實時計算得到6路PWM控制信號，經(jīng)功率放大后驅(qū)動IGBT。電機繞組電流采用磁平衡式電流霍爾傳感器進行采樣，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。電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角位置由光電編碼器獲得，將轉(zhuǎn)角進行微分可以得到轉(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的運行狀態(tài)，從而在很大程度上決定了整個控制系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng)的模擬控制器雖然具有連續(xù)性好、響應速度快、成本低的優(yōu)點，但也有著本身難以克服的缺點，如系統(tǒng)調(diào)試困難、易受環(huán)境溫度變化影響產(chǎn)生漂移，難以實現(xiàn)柔性化設(shè)計思想，缺乏實現(xiàn)復雜計算的能力，無法實現(xiàn)現(xiàn)代控制理論指導下的控制算法。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，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、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運行時刻的狀態(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)是一個速度和電流反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。 DSP 控制器負責轉(zhuǎn)換 A/D 轉(zhuǎn)換、計算電機的轉(zhuǎn)速和位置以及電流和速度的 PI 調(diào)節(jié)，最后運用矢量控制算法，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 控制器負責整個系統(tǒng)的的保護和監(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IPM模塊。 圖 43 永磁同步電機伺服系統(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 位定點數(shù)字信號處理器， 它專門為數(shù)字控制設(shè)計，可實現(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),同時降低了板級空間及系統(tǒng)成本，實現(xiàn)了更簡單、更高效和更經(jīng)濟的設(shè)計。功率板主要是負責接收控制板上 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)動電機運轉(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（包括過電流保護、短路保護、過熱保護、欠壓保護）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，適用的電機功率為 ,開關(guān)頻率最高可達 20KHz[13]。 45 永磁交流伺服系統(tǒng)的軟件設(shè)計在硬件系統(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，還要具有很好的實用性。因此控制軟件的設(shè)計在滿足實時性的前提下， 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)的軟件對實時性、 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，設(shè)計整個系統(tǒng)的控制軟件。系統(tǒng)軟件整體設(shè)計概述。 以 TMS320F2812 為核心組成的矢量控制系統(tǒng)的控制電路中，DSP 承擔了系統(tǒng)絕大部分的計算和控制任務(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器下溢中斷 INT2 與捕獲中斷 INT3 以及功率驅(qū)動保護中斷。 系統(tǒng)在每次復位后， 首先執(zhí)行初始化程序， 實現(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，當中斷條件滿足時，執(zhí)行相應的中斷服務(wù)子程序。其中，電機的主要控制策略由定時中斷服務(wù)子程序來執(zhí)行。在三個中斷子程序中， 外部保護中斷子程序的優(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)計方案：采用模塊化程序設(shè)計，主要負責電流采樣、位置檢與速度計算、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動控制范圍，系統(tǒng)受控狀態(tài)量的變化是相當快的，這就要求系統(tǒng)的采樣周期應該盡可能短，以便對被控狀態(tài)量進行及時的控制，即交流伺服系統(tǒng)的控制具有很高的實時性要求。因此，在設(shè)計和編制系統(tǒng)軟件時，要安排好各程序模塊的結(jié)構(gòu)和相互間的時序配合，以滿足系統(tǒng)的實時性要求。下面主要對主程序設(shè)計。 圖 43 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖，軟件進入循環(huán)等待。初始化部分是對系統(tǒng)進行初始化并對控制對象的某些初始信息進行辨識的程序,是程序不可缺少的組成部分之一。只在程序啟動時執(zhí)行一次，它完成一些初始化工作，決定系統(tǒng)的運行模式。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進行初始化，包括對時鐘模塊、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，定時計數(shù)器的初始化以及中斷初始化等；對變量進行定義和賦初值；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 個狀態(tài)寄存器 (ST0amp。1)、 兩個系統(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 ： 清除全部中斷標志 POINT_PGO CLRC SXM ；清零符號擴展位 CLRC OVM ； 復位溢出模式位 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: 定時器周期寄存( TIPR)全局通用定時器控制寄存器 (GPTCONA ) 、通用定時器控制寄存(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