基于DSP的永磁同步电机交流伺服系统

文章编号：1006-1576（2005）03-0084-02

基于DSP的永磁同步电机交流伺服控制系统

廖富全

（西南自动化研究所 数控部，四川 绵阳 621000）

摘要：基于DSP的永磁同步电机交流伺服控制系统，由TMS320F2812、外围接口电路及功率回路组成。系统采用以位置和速度调节为控制外环，以空间矢量控制的电流调节为内环的三闭环控制。位置环实现精确位置控制，速度环实现快速跟踪，电流环实现快速动态响应。转子初始位置由霍尔传感器识别，并在转子开始转动后进行校正。

关键词：伺服系统；永磁同步电机；数字控制；空间矢量控制 中图分类号：TP273.5 文献标识码：A

AC Servo Control System for DSP-Based PMSM

LIAO Fu-quan

(Dept. of CNC Engineering, Southwest Research Institute of Automation, Mianyang 621000, China)

Abstract: The AC servo system for PMSM (permanent magnet synchronous motor) based on DSP (digital signal processor) is composed of TMS320F2812, peripheral interface circuit and the loop of power circuit. The three kinds of position, speed and current closed loop control modes were applied in the system. The peripheral loop control consists of position and speed regulation, and the inner loop executes the current regulation for space vector control. The precise position control was performed by position regulation, and the fast trace was realized by speed regulation, and the fast dynamic control was implemented by current regulation. The initial position of rotor was checked and measured by Hall sensor, and was revised after the rotor starts to rotate.

Keywords: Servo system; PMSM; Digital control; Space vector control

1 引言

永磁同步电机（PMSM）因高效率、高转矩电流比和低惯量等特点而成为高级运动控制的理想执行单元。基于DSP数字信号处理器TMS320F2812的全数字伺服系统中，采用空间矢量控制算法控制PMSM，其伺服系统采用位置环、速度环和电流环三闭环控制。其中，位置环实现精确的位置控制，

y q b dO c (a) PMSM的坐标系 θa, x速度环实现快速跟踪，电流环采用空间矢量算法实

现快速动态响应，以获得优良的控制性能。

2 永磁同步电机空间矢量控制分析

永磁同步电机的模型如图1。使用三相坐标系(a-b-c)、定子坐标系(x-y)、转子坐标系(d-q)对电机进行分析。其中(d-q)坐标系最便于分析。

qEiqOLyIλλm,Ld,id θId(b) 磁通、电流和电压失量

a, x Lq iq d

图1 永磁同步电机的模型

d-q坐标系中，电压和磁通方程可表示如下：

dψddψd

Vd＝Rsid+-ωψq Vq＝Rsid++ωψd

dtdt

ψd＝Idid+ψm ψq＝Lqiq

关系用运动方程表示，有：

d2θdθ

Te=J2+B+TL

dtdt

其中：Vd、Vq 和id、iq分别是d-q轴上的电压

和电流，Rs是定子绕组的电阻，Ld、Lq是d-q轴上的电感，Ψd、Ψq是d-q轴上的磁链，Ψm是永磁体的主磁链，ω是转子角频率。转矩表达式如下：

Te＝(3P/2)(ψdiq-ψqid)＝(3P/2)[ψmiq- (Lq-Ld)idiq]

其中，Te是电机产生的转矩，J是惯量，θ是转子角位置，B是摩擦系数，TL是负载转矩。

3 伺服系统控制原理及设计

3.1 系统结构

永磁同步电机伺服控制原理如图2。永磁同步电机伺服控制器内环采用矢量控制的电流环，外环是速度和位置环。这种三环结构通过矢量控制实现了快速转矩响应，通过位置控制器实现位置高精度控制，通过位置和速度的混合控制实现快速跟踪。

其中，P是电机极对数。矢量控制就是要控制id＝0，并控制iq产生要求的转矩，以使永磁同步电机就具有最快的动态响应，并工作在效率最高的状态。永磁同步电机所产生的转矩和负载转矩之间的

收稿日期：2004-11-03；修回日期：2005-01-10 作者简介：廖富全（1976-），男，四川人，1999年毕业于北京理工大学，从事电力电子及自动控制研究。

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兵工自动化 测控技术 O. I. Automation 2005年第24卷第3期 Measurement and Control Technique 2005, Vol. 24, No. 3 这种结构也确保了系统的稳定性。 Sa,Sb,Sc Va,Vb,Vc VSI PWMdq-abc变换 Vq Vd PI控制器 PI控制器 id + i*d=0-+ i*q -iq 发生器 变换器 ia abc-dq变换 + Kv-PMSMib 位置编码器θHb Hc Ha 区域 位置 1 1 0 1 0－60 2 1 0 0 60－120 3 1 1 0 120－180 4 0 1 0 180－240 5 0 1 1 240－300 6 0 0 1 300－360 PI控制器 3.3 基于TMS320F2812的伺服系统 + -n d/dt -+ nref d/dt θref基于TMS320F2812的伺服系统如图4，由TMS320F2812、外围接口电路、功率回路等组成。 RST220V控制电源霍尔元件IPM逆变器 PMSM光电编码器三相整流器 图2 PMSM伺服控制原理 3.2 转子初始位置检测 通过霍尔传感器可以识别转子初始位置，并在转子开始转动后进行校正。从图3和表1可看出，对应某一个特定的霍尔信号组合，转子一定处于某一个60°范围的特定区域内。当获得一组霍尔输出信号时，就能确定转子处在哪一个区域，可把转子的初始位置设在该区域的中间位置。即使有30°的偏差，电机仍然能产生足够的转矩起动电机运转。一旦电机开始转动，转子位置就能很容易进行校正，校正后的位置就很精确。

开关电源门极驱动电路 TMS320F2812 I/O控制脉冲输入接口 ia ib模拟量接口 图4 基于TMS320F2812的伺服系统结构

4 结论

基于TMS320F2812的伺服系统，通过矢量控制、电流调节、速度和位置调节及永磁同步电机的初始位置检测，实现了系统的三闭环控制。

Ha Hb Hc 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60参考文献：

0 60 120 180 240 300 360 420 480 580(0) (60) (120) (180)(电气角)

图3 霍尔传感器输出信号组合

表1 对应不同的转子位置霍尔传感器输出信号组合

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[3] TMS320F28x DSP Peripherals Reference Guide [Z]. Texas

Instruments, 2003.

************************************************************************************************************ （上接第83页） 表2 超声波测距系统三组测量值与实际值 单位：cm

实际值 测量值1 测量值2测量值3实际值测量值1测量值2测量值3 45 44.76 44.77 45.09 200 199. 200.08 200.12 60 60.47 60.53 60.80 225 224.71 224. 225.01 75 74.86 75.02 75.13 250 250.21 250.57 250.72 100 100.17 100.34 100.71 275 275.21 275.34 275.58 125 125.20 125.21 125.35 300 299.96 300.09 300.34 150 149.85 150.12 150.20 325 324.78 324.98 325.21 175 174.63 174.93 175.11 350 349.82 350.53 350.57

矩阵，n是拟合曲线方程的阶次。由计算得：a0＝-0.1524，a1＝0.9999。所以拟合曲线为：y＝-0.1524+0.9999x，式中，x为测量值，y为实际值。由Matlab命令regress( )对拟合曲线方程做F检验法回归分析，结果表明回归方程的线性回归效果显著。曲线拟合图如图4。

实际值(cm)

300200100测量均值0

0 50 100 150 200 250 300 350(cm)

图4 曲线拟合图

5 结论

试验结果表明，以嵌入式系统SPT-K控制器为核心的超声波测距系统，具有较高的测量精度、运行可靠性和工程实用价值。

参考文献：

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