永磁同步电动机伺服驱动器的设计

宋莹莹，喻 玲，周 杰，王宏民

(1.黑龙江科技学院电信学院;2. 黑龙江省交通信息通信中心)

1 引 言

目前，国外交流驱动设备的生产厂家有很多，如日本的安川公司、松下公司，德国西门子公司，美国的Kollmorgen 公司，瑞典的ABB 公司等都生产出了性能很好的伺服驱动设备。国内华中数控、广州数控、兰州电机等厂商的交流伺服产品已相继进入产业化阶段。这些伺服设备大多采用高速的微处理器DSP 作为主控芯片，构成全数字交流伺服系统，通过软件编程可实现所有的控制功能，使得交流伺服系统更加智能化。

2 永磁同步电动机控制原理

2.1 PMSM 数学模型

永磁同步电动机的定子是由在三相空间上相差的对称绕组及铁心构成，电枢绕组为星型连接。永磁同步电机模型如图1 所示。

图1 PMSM 数学模型

2.2 矢量控制原理

矢量控制采用dq 旋转轴系id=0 的矢量控制模式。整个伺服控制系统框图如图2 所示。

图2 控制系统框图

2.3 坐标变换

坐标变换是矢量控制的前提，必须通过一定的坐标变换将控制变量转换坐标系，使之容易实现解耦控制，相应的d－q 坐标系、α－β 坐标系和abc 坐标系变换公式关系如下。

式中:

θ 为转子磁极位置。

3 空间矢量PWM 控制

3.1 PWM 调制原理

电压型逆变器是在电机的矢量控制中常基本上采用控制结构，主电路结构如图3 所示。

图3 电压型逆变器结构

开关状态对应8 个基本电压矢量，如图4 所示。

图4 基本空间矢量

3.2 矢量控制的实现

假设定子电压矢量Uout超前α 轴30°，参考电压矢量在第一扇区，可使用相邻的基本电压矢量U0与U60合成，如图5 所示。

图5 参考电压的矢量合成

在这个具体的例子中，矢量可以通过式(5)、(6)来计算电压矢量的导通时间和占空比。

由此，可以计算出合成的α 轴和β 轴电压分量。

按照第一扇区的计算方法，其他扇区的电压矢量占空比推导类似。定义了3 个辅助变量:和，以及2 个占空比变量:t11、t12。就可以得到三相系统中每相的占空比。

4 伺服驱动系统仿真

利用matlab/simulink 将各个子模块按系统流程连接构成了矢量控制系统的仿真模型，并进行相应的仿真。系统给定调制周期T =0.1 ms，母线上直流电压300 V，电机转速500 rap/s。负载变化情况:在t =0.5 s 时电机加负载TL=1 N·m，t=1 s 时电机加负载TL=2 N·m。系统运行的仿真的结果波形如下。

图6 转速、位置、转矩和电流波形

通过波形分析可知，带载启动时启动时间很短，进入稳态运行后，转矩波动很小，当负载改变时，转速略有变化后迅速达到稳定运行状态，可以看出系统也能够快速反应负载的变化情况。

5 实 验

根据IPM 的参数要求，选择PWM 载波频率为10。

实验给出了伺服驱动系统的PWM 波形、电压波形，从波形图分析可以看出波形符合实际情况。

6 结 论

本文采用了矢量控制方案，进行了matlab/simulink 仿真研究，验证了方法的可行性。搭建了系统的硬件平台。通过实验验证了伺服控制控制统具有快速的转速响应，较好速度控制的调节性能良好。

［1］ 吕健.基于DSP 的全数字永磁同步电机伺服系统研究［D］.广东:广东工业大学，2008.

［2］ 潘策.全数字交流主轴伺服驱动器的设计［J］. 组合机床与自动化加工技术，2012，(9):70－71，75.