第４５卷第１１期 ２０１１年ｌ１月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４５，Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１ １ 永磁同步电机矢量控制系统设计 余佩倡，吴 峻，周文武 （国防科学技术大学，机电工程与自动化学院，湖南长沙４１００７３） 摘要：永磁同步电机（ＰＭＳＭ）以其独特的优点大量应用于高精度伺服系统。针对伺服用ＰＭＳＭ的控制特点和要 求，在分析其系统模型基础上，设计了以新型数字信号处理（ＤＳＰ）芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５为核心。采用矢量控制方 法的ＰＭＳＭ速度伺服系统。较完整地阐述了交流电机矢量控制的实现方式，对伺服系统的硬件及软件设计进 行了详细介绍。实验表明该系统具有良好的响应特性和控制精度。 关键词：永磁同步电机；矢量控制；伺服系统 中图分类号：ＴＭ３５１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００一ｌＯＯＸ（２０１１）１１—０１０５—０３ Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｖｅｃｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＰＭＳＭ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＭＳ３０２Ｆ２８３３５ ＹＵ Ｐｅｉ—ｃｈａｎｇ，ＷＵ Ｊｕｎ，ＺＨＯＵ Ｗｅｎ—ＷＵ （Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＤｅｆｅｎｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＰＭＳＭ，ｄｅｓｉｇｎｅｓ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ＰＭＳＭ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅ ＤＳＰ ｏｆ ＴＭＳ３０２Ｆ２８３３５．Ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｉｎ－ ｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｂｏｔｈ ｇｏｏｄ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎｄ ｓｔａｔｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ；ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ １ 引 言 ＰＭＳＭ以其具有高转矩惯量比、高功率密度、 ①磁路不饱和：②感应电动势及气隙磁场均按正 弦分布；③转子上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻 尼作用；④永磁体磁动势恒定，即等效的励磁电流 恒定不变。运用坐标变换原理，整理三相ＰＭＳＭ在 ｄ．ｑ坐标系下的定子电压方程为： ｕｕ＝Ｒ￣ｉｄ＋Ｌ，ｄｉａ／ｄｔ一 ，ｕｑ＝Ｒ￣ｇ＋Ｌ．ｄｉｑ／ｄｔ＋ｗ （１） 式中：Ｕｄ，ｌＺｑ，ｉｄ，ｉｑ为ｄ，ｑ轴电压和电流分量； ， 为定子 在ｄ，ｑ轴等效电感； 。为定子电阻；∞ 为转子电角速度； ， 高效率等优点已得到广泛应用，特别在数控机床、 工业机器人等对精度和响应特性要求较高的场 合，ＰＭＳＭ伺服系统的优势特别明显【”。近２０年来， 随着电力电子器件、ＤＳＰ芯片和微处理器的飞速 发展．为伺服控制系统能达到更高的精度提供了 良好的实现基石出【 。但目前大部分伺服系统的控制 芯片均为定点型ＤＳＰ．这些控制芯片存在编程相 为ｄ，ｑ轴的等效磁链分量； 为定子电感。 磁链方程为： ＝ ， ＝ 对复杂。执行速度慢等一些不足。这里结合针对电 机控制的最新型浮点型ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３０２Ｆ２８３３５。 使用智能功率模块（ＩＰＭ）、光电编码器及电流传 感器等设计了ＰＭＳＭ的矢量控制系统，该系统具 有结构简单，实现容易，运行速度快的特点。实验 表明．以ＴＭＳ３０２Ｆ２８３３５为核心的伺服系统控制 （２） 式中： 为转子在定子绕组上的耦合磁链。 电磁转矩与运动方程为： ＝妻ｎ ＝ ＋ ・，Ｌ ＋ 生 ｐ Ⅱ ／＇ｔｐ （３） 式中： 为电机极对数；Ｊ为转动惯量； 为负载转矩。 精度高，响应特性好。 ２．２永磁同步电机矢量控制原理 在自控式同步电机变频调速中，必须在转予 ２永磁同步电机控制原理 ２．１永磁同步电机数学模型 转动的同时，改变同步电机定子三相电流的频率。 使得定子磁动势 跟随转子同步旋转，从而保持 与转子磁动势 的夹角基本不变，进而保证电 磁转矩恒定，这是同步电机变频调速的精髓【 。 １９７１年．德国学者Ｆ Ｂｌａｓｃｈｅｋ和Ｈａｓｅｓ提出 为了更好地分析ＰＭＳＭ的数学模型．先假设： 定稿日期：２０１ｌ一０７—２９ 作者简介：余佩倡（１９８７一），男，湖南湘潭人，硕士研究生， 研究方向为电磁弹射。 了交流电动机矢量控制理论，其基本思想是：在普 通三相交流电机的基础上，模拟直流电动机转矩 １０５ 第４５卷第１１期 ２０１１年１１月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４５，Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１ １ 控制的规律。在转子的旋转坐标系下，将定子电流 矢量分解成与动子磁场一致的励磁分量和与转矩 磁场方向正交的转矩分量，使两者相互垂直，彼此 ，以达到解耦的效果，然后分别进行控制『４１， 实现同步电机变频调速。 图１示出ＰＭＳＭ控制基本原理。矢量控制系 统主要包括：①控制环节，包括位置环、速度环和 电流环的控制单元：②检测环节，包括转子位置检 测、定子三相电流检测；③三相逆变模块，将直流 电通过ＳＶＰＷＭ算法调制得到三相交流电。 ！ｌ ｌ 位置和速度测量 图１ ＰＭＳＭ矢量控制框图 ３ 系统总体结构 ＰＭＳＭ矢量控制系统设计中存在以下难点： （１）运算量大，在控制过程中，是将三相交流 电机模拟直流电机进行控制，期间不仅要经过 Ｐａｒｋ．Ｃｌａｒｋｅ以及Ｐａｒｋ逆变换这些坐标系的转换． 还要进行ＰＩ调节和ＳＶＰＷＭ算法等．需要大量的 运算。对控制芯片提出了较高要求。 （２）硬件多，结构相对复杂，在ＰＭＳＭ的闭环 控制中．系统通过位置环、速度环和电流环进行三 环控制。为实现电机的闭环控制，需要有大量的外 设，所以在硬件设计中一方面要保证硬件设计的 正确性和稳定性，一方面还要尽量简化设计。 （３）精度要求高。ＰＭＳＭ大量作为伺服系统的 执行机构，对控制精度的要求相对较高。为了保证 系统精度。要求控制系统中的控制单元、检测单元 以及执行单元的精度高且稳定性好，这需要从硬 件和软件设计两方面进行保证。 针对这些难点和重点。在控制系统的硬件和 软件设计中要将系统的精度和稳定性并重。在硬 件上，选用精度高、运行速度快、集成度高的器件。 软件上．在满足控制精度的前提下，选用先进的控 制芯片并采用合适的控制算法。根据以上分析和 要求．设计了ＰＭＳＭ矢量控制系统。 ３．１控制单元 设计了以ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５为核心的ＤＳＰ．该芯 片是最新型电机控制芯片，相对其他一些电机控 制用芯片，具有多方面的优势，如：①其运行速度 为１５０ ＭＨｚ．同时片上有３４ｋｘ１６ ｂｉｔ的ＲＡＭ和 １０６ ２５６ｋｘ１６ ｂｉｔ的Ｆｌａｓｈ．存储空间有很大增加，整体 性得到大幅提升．非常适用于需要大量计算的电 机控制系统；②优良的内部浮点架构，大大简化了 编程．缩短了程序代码长度和执行时间；③有１６路 １２位的Ａ／Ｄ采样接口．相比ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２有了很 大改进，精度和可靠性得到很大提高，抗干扰能力 大幅增强；④有１２路高精度ＰＷＭ输出，能灵活 进行相关配置死区时间、触发方式及占空比等方 面信息．同时包括６路ＨＲＰＷＭ输出，能通过ＭＥＰ 方式输出更高的控制精度。 ３．２检测单元 检测单元包括两部分： （１）光电编码器增量式光电编码器用来检测 转子位置，所检测的位置信号包括ａ，ｂ两相正交 脉冲信号和１路零位脉冲信号，将３路信号经过 调理送入ＤＳＰ的ＥＱＥＰ端口进行计数。将光电编 码器与ＰＭＳＭ的转子同轴安装。选用国产２５００线 的增量式光电编码器。在光电编码器的使用中只 需加入合适的电平转换电路。与ＤＳＰ的接口相对 应就能直接使用．同时ＤＳＰ对光电编码器给出的 信号经４倍分频后可达到每转１０ ０００次计数．大 大提高了检测精度。 （２）电流传感器矢量控制需要三相电流，根 据控制要求和实际情况．选用了ＣＥ—ＩＪ０３型电流 传感器，测量范围为０～１０ Ａ，供电电压为１５ Ｖ。将 输出经运放电路后调理成０～３ Ｖ，接入ＤＳＰ的Ａ／Ｄ 采样端口。 ３．３执行单元 主电源通过直流电源供电．然后经过ＩＰＭ转 成三相给ＰＭＳＭ供电．系统选用６ＭＢＰ２０ＲＴＡ０６０ 型ＩＰＭ，其最高耐压６００ Ｖ，最大电流２０ Ａ，满足 实验要求，同时模块内部集成了驱动电路，并设计 有过压、过流、过热等故障检测保护电路。应用时， 只需在ＰＷＭ信号与ＩＰＭ控制端口之间加入简单 的光电隔离电路。加入ＩＰＭ模块后整个电路的设 计更加简洁．实现更加简单，系统的可靠性和安全 性也得到了提升。 ３．４软件设计 软件分为主程序模块和控制模块。其流程如 图２所示。主程序模块主要用来对系统的外设进 行初始化：系统控制模块完成的功能有相电流的 采样．ＰＭＳＭ转子位置速度的计算，位置环、速度 环和电流环三环的调节控制。６路ＰＷＭ产生 ＳＶＰＷＭ波形以及对硬件的软件保护。完整的矢量 控制程序在中断程序中进行。首先对相电流进行 永磁同步电机矢量控制系统设计 采样，然后通过检测三相电流，经过Ｃｌａｒｋｅ，Ｐａｒｋ 变换得到 ，ｉ。作为电流环的负反馈量。同时利用 光电编码器检测电机动子的位置和转速作为速度 环和位置环的负反馈，通过与参考速度ｎ耐比较 后，经过ＰＩ调节作为ｑ轴上转矩的电流控制参考 分量ｉ。 ；再将转速反馈输入到函数发生器中，根据 速度．励磁曲线给出电压控制矢量Ｕ ，Ｕ。，通过 Ｐａｒｋ逆变换得到在Ｏｔ， 坐标系下的定子电压分 １ ０００ ＿ｃ ８００ ’ｉ ６００ ４００ ２００ Ｏ ｔ／ｓ 量。最后利用ＳＶＰＷＭ控制ＩＰＭ产生三相交流电， 实现矢量控制。 中断开始 ａ．ｂ相电流采样 ｔ／ｓ （ｃ）稳定后转速 （ｄ）稳定后转速放夫曲线 图３实验波形 ５ 结 论 二二］［二 位置速度计算 ＝二＝ｌ］［＝速度Ｐｌ调节ｌ 匝巫囱葫 中断结束 以目前最新型电机控制芯片ＴＭＳ３０２Ｆ２８３３５ 为核心设计了针对永磁同步电机的控制系统．提 高了控制精度和系统稳定性。 位置和速度调节 （ａ）丰程序 （ｂ）中断程序 对永磁同步电机的伺服系统进行了全数字化 设计．应用了ＳＶＰＷＭ和闭环控制算法．实现方法 简单可行，具有一定的参考价值。 图２控制系统软件流程图 ４实验结果 实验用ＰＭＳＭ参数：额定功率为５００ Ｗ，允许 供电范围为３８～３８０ Ｖ，ｒｉｐ＝２。允许转速范围为３００～ ３ ０００ ｒ・ｍｉｎ～。在设定参考速度为１ ０００ ｒ・ｍｉｎ 的 情况下对控制系统进行实验，图３示出转速和相 电流的实验波形。由图３ａ，ｂ可见，电机转速上升 时间约为１００ ｍｓ，超调量小，稳定时间短，其相电 流稳定；由图３ｃ，ｄ可见，电机运行时，转速稳定， 参考文献 ［１】陈伯时．电力拖动自动控制系统（第３版）［Ｍ］．北京： 机械工业出版社．２００５． 【２】韩安太，刘峙飞，黄海．ＤＳＰ控制器原理及其在运动 控制系统中的应用［Ｍ】．北京：清华大学出版社，２００３． 【３］ 李华德．交流调速系统［Ｍ］．北京：电子工业出版社， ２ｏｏ３． 精度比较高。由此可见，基于ＴＭＳ３０２Ｆ２８３３５的控 制系统具有良好的稳定精度。 （上接第９５页） 【４］ 唐任远．现代永磁电机理论与设计【Ｍ］．北京：机械工 业版社．１９９７． 果，滤波后电网电流的ＴＨＤ均低于２％。通过开关 交错技术可减小输出电抗器，提高ＡＰＦ的电流跟 踪能力：同时精确的谐波分离算法、优化的指令电 流跟踪控制器均有效地保证了最终的滤波效果。 ４．２谐波补偿效果 为了试验滤波效果．分别采用三线制整流器 与四线制整流器对样机进行测试。 当滤波器为四线制连接．负载为三相四线整流 器时。滤波器补偿效果如图６ａ所示；当滤波器为 三线制连接．负载为三相三线整流器时，滤波效果 如图６ｂ所示。 『Ｉ ＩｊＩ ｝ｓ ５ 结 论 该ＡＰＦ通过采用２片ＩＰＭ构成开关交错输 出的逆变器，提高了整机的跟踪速度、大大降低了 输出纹波。该设计由于降低了电容器电压与电容 器的纹波电流，减小了输出电抗器的容量，降低了 开关损耗，因此与普通的ＡＰＦ相比，性价比更高。 Ｌ１系列ＩＰＭ器件的损耗低。集驱动与保护功 ＾ ｌ… ，、歇 Ｖ。 。１ ＾Ｋ 弱… “ ｖ ｔ／（２０ ｍｓ／格）（ａ）三相四线整流性负载 ｔ／（２０ ｍｓ／格） （ｂ）三相三线整流性负载 能于一体。具有过流、短路、过热等完善的保护功 能。其内部精确的开关速度控制，短路软关断功 能。可保证其在较高直流母线下安全工作。因此， 图６三相四线整流性负载滤波效果对比图 从实际滤波效果看．两者均达到良好的滤波效 采用ＩＰＭ器件结构紧凑、可靠性高。 １０７
