永磁同步電動機伺服驅動器的設計

宋瑩瑩，喻 玲，周 杰，王宏民

(1.黑龍江科技學院電信學院;2. 黑龍江省交通信息通信中心)

1 引 言

目前，國外交流驅動設備的生產廠家有很多，如日本的安川公司、松下公司，德國西門子公司，美國的Kollmorgen 公司，瑞典的ABB 公司等都生產出了性能很好的伺服驅動設備。國內華中數控、廣州數控、蘭州電機等廠商的交流伺服產品已相繼進入產業化階段。這些伺服設備大多采用高速的微處理器DSP 作為主控芯片，構成全數字交流伺服系統，通過軟件編程可實現所有的控制功能，使得交流伺服系統更加智能化。

2 永磁同步電動機控制原理

2.1 PMSM 數學模型

永磁同步電動機的定子是由在三相空間上相差的對稱繞組及鐵心構成，電樞繞組為星型連接。永磁同步電機模型如圖1 所示。

圖1 PMSM 數學模型

2.2 矢量控制原理

矢量控制采用dq 旋轉軸系id=0 的矢量控制模式。整個伺服控制系統框圖如圖2 所示。

圖2 控制系統框圖

2.3 坐標變換

坐標變換是矢量控制的前提，必須通過一定的坐標變換將控制變量轉換坐標系，使之容易實現解耦控制，相應的d－q 坐標系、α－β 坐標系和abc 坐標系變換公式關系如下。

式中:

θ 為轉子磁極位置。

3 空間矢量PWM 控制

3.1 PWM 調制原理

電壓型逆變器是在電機的矢量控制中?；旧喜捎每刂平Y構，主電路結構如圖3 所示。

圖3 電壓型逆變器結構

開關狀態對應8 個基本電壓矢量，如圖4 所示。

圖4 基本空間矢量

3.2 矢量控制的實現

假設定子電壓矢量Uout超前α 軸30°，參考電壓矢量在第一扇區，可使用相鄰的基本電壓矢量U0與U60合成，如圖5 所示。

圖5 參考電壓的矢量合成

在這個具體的例子中，矢量可以通過式(5)、(6)來計算電壓矢量的導通時間和占空比。

由此，可以計算出合成的α 軸和β 軸電壓分量。

按照第一扇區的計算方法，其他扇區的電壓矢量占空比推導類似。定義了3 個輔助變量:和，以及2 個占空比變量:t11、t12。就可以得到三相系統中每相的占空比。

4 伺服驅動系統仿真

利用matlab/simulink 將各個子模塊按系統流程連接構成了矢量控制系統的仿真模型，并進行相應的仿真。系統給定調制周期T =0.1 ms，母線上直流電壓300 V，電機轉速500 rap/s。負載變化情況:在t =0.5 s 時電機加負載TL=1 N·m，t=1 s 時電機加負載TL=2 N·m。系統運行的仿真的結果波形如下。

圖6 轉速、位置、轉矩和電流波形

通過波形分析可知，帶載啟動時啟動時間很短，進入穩態運行后，轉矩波動很小，當負載改變時，轉速略有變化后迅速達到穩定運行狀態，可以看出系統也能夠快速反應負載的變化情況。

5 實 驗

根據IPM 的參數要求，選擇PWM 載波頻率為10。

實驗給出了伺服驅動系統的PWM 波形、電壓波形，從波形圖分析可以看出波形符合實際情況。

6 結 論

本文采用了矢量控制方案，進行了matlab/simulink 仿真研究，驗證了方法的可行性。搭建了系統的硬件平臺。通過實驗驗證了伺服控制控制統具有快速的轉速響應，較好速度控制的調節性能良好。

［1］ 呂健.基于DSP 的全數字永磁同步電機伺服系統研究［D］.廣東:廣東工業大學，2008.

［2］ 潘策.全數字交流主軸伺服驅動器的設計［J］. 組合機床與自動化加工技術，2012，(9):70－71，75.