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1、基于矢量控制的永磁同步交流伺服电机控制系统电子信息工程系电子信息科学与技术专业胡柏和指导教师林益平摘要:本文详细介绍了永磁同步交流电机的矢量控制理论,并根据矢量控制理论运用DSP实现了对永磁同步交流伺服电机的电流､速度和位置的三闭环控制,最后给出实验结果及其分析｡关键词:永磁同步交流伺服电机;矢量控制;SVPWM;TMS320F28121引言近年来,采用全数字控制方法,以永磁交流电机为控制对象的全数字交流伺服系统正在逐渐取代以直流电机为控制对象的直流伺服系统和采用模拟控制技术的模拟式交流伺服系统｡全数字交流伺服系统采用矢量控制方法,可实现
2、优良的控制品质｡利用高速的数字信号处理器TMS320F2812可实现对交流电机运行的位置､速度和电机电枢电流的高精度控制｡2矢量控制2.1矢量控制理论的提出1971年,由德国Blaschke等人首先提出了交流电动机的矢量控制(TransvectorContrl)理论,从理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题｡其基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律,在磁场定向坐标上,将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量,并使两分量互相垂直,彼此独立,然后分别进行调节｡这样,交流电动机的转矩控制,从
3、原理和特性上就与直流电动机相似了｡因此,矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置的控制｡矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能,而最终实施仍然是落实在对定子电流(交流量)的控制上｡由于在定子侧的各物理量(电压､电流､电动势､磁动势)都是交流量,其空间矢量在空间上以同步旋转,调节､控制和计算均不方便｡因此,需借助于坐标变换,使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系,站在同步旋转的坐标系上观察,电动机的各空间矢量都变成了停止矢量,在同步坐标系上的各空间矢量就都变成了直流量,可以根据转矩公式的几种形式,找到转矩和被控矢量的各分量之间的关系,
4、实时地计算出转矩控制所需的被控矢量的各分量值――直流给定量｡按这些给定量实时控制,就能达到直流电动机的控制性能｡由于这些直流给定量在物理上是不存在的､虚构的,因此,还必须在经过坐标的逆变换过程,从旋转坐标系回到静止坐标系,把上述的直流给定量变换成实际的交流给定量,在三相定子坐标系上对交流量进行控制,使其实际值等于给定值｡2.2矢量控制中的坐标变换考虑通常的三相绕组,在空间位置上互差rad机械角度,设在三相绕组中通以三相对称电流,在相位上互差rad电角度,产生的合成磁场具有以下特点:(1)随着时间的推移,合成磁场的轴线在旋转,电流交变一个周
5、期,磁场也将旋转一周｡(2)在旋转过程中,合成磁场强度不变,故称圆形旋转磁场｡考虑两相对称绕组,其在空间位置上互相“垂直”,互差rad电角度;两相交变电流在相位上互差rad电角度｡将两相对称电流通入两相对称绕组,产生的合成磁场将具有与三相旋转磁场同样的特性｡如果在旋转体上放置2个匝数相等､互相垂直的直线绕组和,如图2.1所示｡图2.1两相直流旋转绕组示意图则当2个绕组内分别通入直流电流和时,它们的合成磁场仍然是恒定恒定磁场｡如果调节任何一个直流电流(或),则合成磁场的磁场强度也得到了调整｡当旋转时,两绕组同时以同步转速旋转,合成磁动势产生
6、的合成磁通也会旋转,此恒定磁场将子空间形成一个机械旋转磁场,它与前面介绍的三相､两相绕组产生的磁场完全可以等效｡当观察者站到铁心上和绕组一起旋转时,看到的将是2个通以直流的､相互垂直的固定绕组｡如果采取补偿措施补偿掉绕组产生的磁动势,电动机的主磁通只由绕组产生,并和成正比｡而绕组中电流和磁场作用将产生旋转,其大小只与电流成正比,这与直流电动机转矩产生的原理非常相似｡从直流电动机外部看,定转子通的均是直流电,如站在转子上看,定转子的磁动势均在空间旋转,其旋转速度等于转子转速,方向与转子旋转方向相反｡如果上述三种旋转磁场完全相同(磁极对数相同
7、､磁场强度相等､转速一样),则认为这时的三相磁场系统､两相磁场系统和旋转直流磁场系统是等效的｡因此,这三种旋转磁场之间,就可以互相进行等效变换｡矢量控制中,电动机的变量,如电压､电流､电动势､磁通等,均由空间矢量来描述,并通过建立电动机的动态数学模型,得到各物理量之间的实时关系｡通过坐标变换,在定向坐标系上实现各物理量的控制和调节｡矢量控制中所用的坐标系有两种,一种是静止坐标系,一种是旋转坐标系｡基于三相定子的三相绕组构成的三相定子坐标系和由固定在轴上的轴和与之垂直的轴所组成的两相定子坐标系均为静止坐标系｡而轴固定在转子轴线上的垂直坐标系
8、和轴固定在定向磁链上的定向坐标系均为旋转坐标系｡2.2.1三相定子坐标系与两相定子坐标系之间的变换一个旋转矢量从三相定子坐标系变换到两相定子坐标系,称为Clarke变换,也叫做3/2变换,其矩
