永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)的研究與應(yīng)用
嚴(yán)偉燦，周立新，劉棟良
(臥龍電氣集團(tuán)股份有限公司，浙江上虞312300)
摘要：介紹永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)，著重?cái)⑹隽私涣魉欧到y(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)的檢測(cè)。通過囊例證明：該系統(tǒng)具有良好的位置控制及速度響應(yīng)性能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁同步電動(dòng)機(jī)高性能控制和系統(tǒng)可靠性的要求，滿足客戶的需求。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；交流伺服；位置控制
中圖分類號(hào)：TM 351 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6540（2010）05-0049-03
0 引 言
隨著裝備自動(dòng)化水平的不斷發(fā)展，伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，數(shù)字信號(hào)處理器(DsP)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[1-2]。對(duì)諸如運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域所要求的電機(jī)高性能控制，全數(shù)字化交流伺服技術(shù)起到了巨大的推動(dòng)作用，提高了系統(tǒng)的速度、精度、可靠性及抗干擾能力。
相比丁正弦脈寬調(diào)制(SPWM)，空間矢量脈寬調(diào)制(sVPwM)技術(shù)具有電壓利用率高等優(yōu)
點(diǎn)[3-4]，在交流變頻調(diào)速系統(tǒng)上應(yīng)用廣泛[5]同樣廣泛應(yīng)用于各種交流伺服系統(tǒng)。本文介紹一種以TMs320F2810為控制核心、永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMsM)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用sVPwM的交流伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、調(diào)方便等優(yōu)點(diǎn)，町以實(shí)現(xiàn)對(duì)PMsM交流伺服系統(tǒng)的速度、位置、轉(zhuǎn)矩的精確控制。系統(tǒng)大致可分成兩大板塊，即以TMS320t屹810為控制核心的控制板塊和以智能功率模塊(IPM)為驅(qū)動(dòng)核心的功率驅(qū)動(dòng)板塊，外加一些輔助設(shè)備，如D／A顯示人機(jī)界面、鍵盤和顯示單元等。
l 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
1．1主電路
主電路包括功率逆變器供電電源、功率逆變和電源保護(hù)。考慮到單相和三相都能夠使用，整流器選擇的是30 A／600 V三相不可控整流模塊。三相(或單相)Ac輸入，經(jīng)整流橋后的母線直流電壓給下一級(jí)逆變橋供電，同時(shí)加以軟起動(dòng)電路進(jìn)行上電瞬間的電容保護(hù)。
1．2 IPM
IPM功率逆變器的功能是根據(jù)控制電路的指令，將電源單元提供的高壓直流電轉(zhuǎn)變?yōu)樗欧姍C(jī)定子繞組中的三相交流電，以產(chǎn)牛所需電磁轉(zhuǎn)矩。主回路采用集驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和功率管于一體的IPM，這種集成結(jié)構(gòu)減小了走線引入的分布電感，器件的開通和關(guān)斷具有更好的一致性。與普通的絕緣柵雙極晶體管(IcBT)模塊相比，由于集成了驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，使得系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和開發(fā)變得簡(jiǎn)單、可靠。本系統(tǒng)選用三菱公司的PM20csJ06，其耐壓為600 V，額定電流為20 A，****開關(guān)頻率為20 kHz。
l.3控制模塊
本系統(tǒng)以TMs320F2810為控制核心，外加一些外圍輔助電路，來完成對(duì)PMsM的控制。
1．3．1電流檢測(cè)
電機(jī)電流由LEM電流傳感器檢測(cè)后，得到成比例的模擬電壓信號(hào)，其幅值在3～十3 V之間呈正弦波動(dòng)。DsP內(nèi)部只能處理單極性的輸入信號(hào)，對(duì)A／D采樣時(shí)需增加電壓抬高電路，從而使電壓變換在0～3 V之間，供DsP采樣來檢測(cè)電流的信號(hào)。
1.3.2位置轉(zhuǎn)速檢測(cè)
系統(tǒng)采用復(fù)合式光電編碼器，兩路正交脈沖信號(hào)A、B，一路零位脈沖信號(hào)z，實(shí)現(xiàn)速度及位置反饋；另外，三路相差120。的初始位置脈沖信號(hào)(u、V、w)實(shí)現(xiàn)初始位置的定位，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)符合DsP所要求的3 3 V，這六路信號(hào)(A、B、z、u、V、w)都經(jīng)過74LVTH244A，再分別接到DsP的捕獲端口(cAPl～cAP6)和通用I／O端口(10一PAl3～10PAl5)。
1．3.3空間矢量脈寬調(diào)制
作為電力電子裝置的核心技術(shù)，PwM技術(shù)被廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速電機(jī)傳動(dòng)中。
PwM技術(shù)中應(yīng)用最為普遍的是sPwM和sVPwM。實(shí)踐和理論證明，與sPwM技術(shù)相比，sVPwM方式具有高次諧波更低和電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn)，因此越來越受到人們的重視。如圖1所示，通過開通Ua和Ub不同的時(shí)間，使其兩個(gè)合成電壓矢量等效于參考電壓矢量Ur。
在DsP中實(shí)現(xiàn)sVPwM算法，該算法得到的基波電壓經(jīng)PwM口輸出后的波形(外接濾波電路)如圖2所示。圖中曲線l、2為基波相電壓波形，其****幅值為UDc，曲線3為曲線1減曲線2所得到的基波線電壓波形，從圖中可以看出sVPwM屬于雙波頭調(diào)制，輸出的線電壓波形為正弦波，與sPwM(其基波****相電壓幅值為UDC√2)相比，提高了電壓的利用率。
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