基于永磁同步电机的高性能交流伺服控制系统研究

摘 要：文章阐述了交流伺服系统的几种类型，对几种常见的技术进行分析，然后综述交流永磁同步电机伺服系统的结构构成和发展现状，并且在dqo坐标下建立最终的交流永磁同步电机的数学模型。最终构建了一个模拟的DSP全数字化的交流永磁同步电机伺服控制系统，提高了系统的超调和能力，性能也得到提升。

关键词：永磁同步电机；交流伺服控制系统；高性能；仿真试验

近年来，随着现代信息技术的不断发展，人们已经全面入了信息时代，信息技术在人们生活和工作中的应用，成为一种必然趋势，如，全球卫星定位系统（Global Positioning System，GPS）、地理信息系统（Geographic Information System，GIS）、卫星遥感系统（Remote Sensing，RS），这些技术在实际工作中的应用，得到人们的深度认可，是具有高精度、高性能，集光、机、电于一体的高新技术。目前，要想进一步提升我国农业生产的机械化效率，提升农作劳动生产的整体效率，就必须引进先进的伺服控制技术，满足实际生产的工作需求。高性能的伺服系统已经进入了交流化的时代。在交流伺服系统中，永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）表现出独特的优势，体积小、占地面積小，性能稳定、可靠，被广泛应用于自动化生产实践中，实现了交流电机定子三相电流的有效控制，成为现代先进的交流伺服控制技术，并得到广泛的推广[1]。

1 交流伺服系统的分类和相关技术

1.1 交流伺服系统分类

根据信号处理方式不同，一般将交流伺服系统分为3种，即模拟式伺服、数字模拟混合式伺服和全数字式伺服；按照使用的伺服电动机的种类不同，又可以分为永磁同步伺服电动机伺服系统和鼠笼型的异步电动机伺服系统。在永磁同步电机系统中，先根据位置指令，然后启动电机伺服传感器，根据数学模型的计算方程式，得出滑差频率，对伺服进行精准控制。随着现代电气伺服技术的不断发展，伺服电机制造表现出价格低廉、结构简单、维护费用低等特点，在工作生产中的推广已经越来越广泛。但是，感应式的异步电机矢量控制，相较于永磁同步电机，结构更加复杂，运行速度比较低，发热严重等。永磁同步电机伺服系统逐渐取代其他的伺服系统，该系统可以根据不同的反电动势波形和磁场分布形式，实现弦波控制。

1.2 交流伺服系统相关技术

1.2.1 微处理器技术

微处理器推动了伺服系统的重大变革，伺服电机控制系统工作原理和结构设计，变得越来越简化，在数字化技术的支撑下，系统数据处理能力明显提升，整个系统的抗干扰能力和结构的稳定性能，均得到明显的提升，而且实现人工智能对系统运行状态进行诊断，为电机运动控制系统的发展和完善奠定了坚实的基础。例如，现代单片机应用使得电动机控制系统的数据处理变得简单起来，提高了数据运算的速度，借助DSP芯片，在一种集成芯片上，使得电动机控制系统发展成为嵌入式的控制系统模式。

1.2.2 电力电子技术

导体技术的发展使得伺服控制系统进入了全数字的时代，体积进一步缩小，大集成电力（（Large Scale Integration，LSI）能实现精细化加工，极大地增强了伺服控制器的运算速度，再复杂的运算都变得简单起来，电力电子技术具有多功能处理能力，在小型化生产中发挥着重要的作用。交流伺服控制器系统中，硬件环境得到改善，电动机结构得到优化，最终系统运行速度更快，性能更加稳定、准确，为机械化设备的优化生产，创造了重要的条件。

1.2.3 永磁材料

常见的永磁材料主要有铁氧体、稀土永磁体等，铁氧体磁体价格低廉，矫顽力强，但是体积小；镍钴稀土永磁材料是一种磁感应强度高的材料，矫顽力相较于铁氧磁体更高，价格相对也比较高。近年来，在同步电机中使用的永磁体结构都被简化，转子体积也明显缩小，运行中的发热问题得到解决[2]。

2 PMSM矢量控制系统的构成与数据模型的仿真

2.1 PMSM结构构成与特点

PMSM技术迅速发展，使得电机控制系统的矢量控制结构变得越来越精悍、精准，体积也越来越小。在结构上，永磁同步电机的两大主要结构是定子和转子，定子三相采用对称模式的电枢绕组，嵌放置在芯片卡槽上，轮子属于永磁体结构，为圆筒形的导磁轭上，降低了交流电机伺服系统的运行耗损。转子又分为内外两个转子，根据磁场的方向不同，有径向和轴向磁场差别；分布结构差异，有集中绕组和分布两种形式。这种嵌入式结构的永磁体，在嵌入转子的表面，分布不同宽带大小的永磁体，相邻的磁体之间通过铁芯连接，构成一个齿轮结构，表面为硅钢片，能有效降低耗损，结构简单，机械强度高。内部的结构主要是在转子的内部，定子铁芯内圆，永磁体表面之间分布有铁磁物质，在机械生产中能产生启动作用和阻尼作用。PMSM在使用中对动态和静态的两种性能都提出了很高的要求，两种性能必须同步配套，才能在永磁体的极靴内埋式转子的保护下，转子磁路结构的整体磁阻转矩的电机功率得到明显提升，从而实现对弱磁的调速控制[3]。

2.2 PMSM数学模型建立

现在大部分的永磁同步电机都是使用的三相永磁同步结构，结构简单、运行速度快、性能稳定，为了测定其效果，我们按照励磁绕组产生的感应电动势波形，根据电励磁同步的方法建立PMSM数学模型。设定的初始定量为，永磁材料电导、转子阻尼绕组及定子绕组三相对称等这些因素忽略不计，在dqo坐标上建立一个三相电枢电流瞬时值是ia，ib，ic，电枢电压瞬间值为ua，ub，uc，通过旋转变换得到一个d-q坐标的电枢电流瞬时值id，iq和电枢电压瞬间值ud，uq，最终可以得到公式（1）（2）：

（1）

（2）

方程式中的φ表示转子磁链与A相绕组之间的电角度。

根据d-q坐标，当旋转的角度发生变化时，电动机的磁极也发生了变化，定子三相的电感等效发生变化，最终能通过电枢电感和电压分量数据，得知PMSM数学模型的最终表达式。

3 基于DSP交流永磁同步电机伺服控制系统的设计与实现

3.1 系统设计与硬件构成

本次研究基于DSP芯片建立PMSM模型，系统硬件设备主要包括DSP处理器82C250芯片及HCPL2630芯片，在TMS320C2000TM平台下，配置外围设备，如串行的TMS320LF的接口模块，进行A/D转换，它们共同构成了交流伺服系统，结构示意如图1所示。

该系统中的微处理器主要是对各相电流、计算机电机转速和位置进行准确的管理，然后对系统运行状态产生的SVPWM控制信号状态进行分析，根据CAN模块功能，对上位机的通信进行分组，通过总线控制，发出位置指令，然后根据CANH接口电路仿真器与微机接口电路，实现系统的在线调试。端口由仿真器直接访问，提供仿真功能，根据避免电路线路检测，得知IGBTCPV363M4K智能功率模块组形成逆变桥，对功率主回路实现直流到交流的逆变。数据输入采用光耦隔离电路，考虑到光耦器件快关速度，对驱动的电路性能有着很大的影响，所以该结构采用的是高速光耦。系统中有两个电流传感器，一个用于检测电机定子a相和b相，另一个用于信息的采集和分类处理。整个系统软件设计重点由位置控制模块、电流坐标变换模块、电流调节器模块以及电子电压空间矢量模块和逆变功能模块构成，每个模块功能都是环环相扣，紧密相连，共同实现永磁电机伺服系统控制[4]。

3.2 仿真试验

采用Matlab软件中的simulink模块构成性能测定的仿真模块，根据位置指令参考值，设定初始的电机定子转速为3 rad，在0.2 s时，定速度增至1.5 rad/s，在0.3 s時达到2 rad/s；仿真条件设定为定转速5 rad/s时，在0.2 s加载至额定负载时，在0.5 s切除负载。

4 结语

本文主要是借助DSP系统设计了一种高性能交流伺服系统，在矢量控制基础理论的基础上，以DSP控制系统为核心，系统电路简单，控制准确，在复杂的环境下工作，也能简化工作，提升工作整体的精准性。通过对系统的性能和结构可靠性的仿真试验，最终得知系统的性能良好，在动态和静态两种工作状态，性能都非常稳定，应用到未来自动化生产的实践活动中，将非常可靠、稳定，为全面实现我国自动化生产提供了重要的技术支撑。

[参考文献]

[1]王亮，高海博.永磁同步电机伺服系统控制策略的思考[J].科技经济导刊，2016（3）：152-153.

[2]徐梦远，马旭东，吴航.基于DSP的永磁同步电机DTC交流伺服系统设计[J].工业控制计算机，2016（3）：121-123.

[3]李志宏，吴连顺，李玉萍，等.基于多算法的永磁同步电机伺服控制系统[J].制造业自动化，2016（7）：25-29.

[4]刘敦平，程明.基于自抗扰控制永磁同步电机交流伺服系统研究[J].组合机床与自动化加工技术，2017（12）：89-93.