宋瑩瑩，喻 玲，周 杰，王宏民

(1.黑龍江科技學院電信學院;2. 黑龍江省交通信息通信中心)

1 引 言

目前，國外交流驅(qū)動設(shè)備的生產(chǎn)廠家有很多，如日本的安川公司、松下公司，德國西門子公司，美國的Kollmorgen 公司，瑞典的ABB 公司等都生產(chǎn)出了性能很好的伺服驅(qū)動設(shè)備。國內(nèi)華中數(shù)控、廣州數(shù)控、蘭州電機等廠商的交流伺服產(chǎn)品已相繼進入產(chǎn)業(yè)化階段。這些伺服設(shè)備大多采用高速的微處理器DSP 作為主控芯片，構(gòu)成全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，通過軟件編程可實現(xiàn)所有的控制功能，使得交流伺服系統(tǒng)更加智能化。

2 永磁同步電動機控制原理

2.1 PMSM 數(shù)學模型

永磁同步電動機的定子是由在三相空間上相差的對稱繞組及鐵心構(gòu)成，電樞繞組為星型連接。永磁同步電機模型如圖1 所示。

圖1 PMSM 數(shù)學模型

2.2 矢量控制原理

矢量控制采用dq 旋轉(zhuǎn)軸系id=0 的矢量控制模式。整個伺服控制系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

2.3 坐標變換

坐標變換是矢量控制的前提，必須通過一定的坐標變換將控制變量轉(zhuǎn)換坐標系，使之容易實現(xiàn)解耦控制，相應(yīng)的d－q 坐標系、α－β 坐標系和abc 坐標系變換公式關(guān)系如下。

式中:

θ 為轉(zhuǎn)子磁極位置。

3 空間矢量PWM 控制

3.1 PWM 調(diào)制原理

電壓型逆變器是在電機的矢量控制中?；旧喜捎每刂平Y(jié)構(gòu)，主電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 電壓型逆變器結(jié)構(gòu)

開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)8 個基本電壓矢量，如圖4 所示。

圖4 基本空間矢量

3.2 矢量控制的實現(xiàn)

假設(shè)定子電壓矢量Uout超前α 軸30°，參考電壓矢量在第一扇區(qū)，可使用相鄰的基本電壓矢量U0與U60合成，如圖5 所示。

圖5 參考電壓的矢量合成

在這個具體的例子中，矢量可以通過式(5)、(6)來計算電壓矢量的導通時間和占空比。

由此，可以計算出合成的α 軸和β 軸電壓分量。

按照第一扇區(qū)的計算方法，其他扇區(qū)的電壓矢量占空比推導類似。定義了3 個輔助變量:和，以及2 個占空比變量:t11、t12。就可以得到三相系統(tǒng)中每相的占空比。

4 伺服驅(qū)動系統(tǒng)仿真

利用matlab/simulink 將各個子模塊按系統(tǒng)流程連接構(gòu)成了矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，并進行相應(yīng)的仿真。系統(tǒng)給定調(diào)制周期T =0.1 ms，母線上直流電壓300 V，電機轉(zhuǎn)速500 rap/s。負載變化情況:在t =0.5 s 時電機加負載TL=1 N·m，t=1 s 時電機加負載TL=2 N·m。系統(tǒng)運行的仿真的結(jié)果波形如下。

圖6 轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)矩和電流波形

通過波形分析可知，帶載啟動時啟動時間很短，進入穩(wěn)態(tài)運行后，轉(zhuǎn)矩波動很小，當負載改變時，轉(zhuǎn)速略有變化后迅速達到穩(wěn)定運行狀態(tài)，可以看出系統(tǒng)也能夠快速反應(yīng)負載的變化情況。

5 實 驗

根據(jù)IPM 的參數(shù)要求，選擇PWM 載波頻率為10。

實驗給出了伺服驅(qū)動系統(tǒng)的PWM 波形、電壓波形，從波形圖分析可以看出波形符合實際情況。

6 結(jié) 論

本文采用了矢量控制方案，進行了matlab/simulink 仿真研究，驗證了方法的可行性。搭建了系統(tǒng)的硬件平臺。通過實驗驗證了伺服控制控制統(tǒng)具有快速的轉(zhuǎn)速響應(yīng)，較好速度控制的調(diào)節(jié)性能良好。

［1］ 呂健.基于DSP 的全數(shù)字永磁同步電機伺服系統(tǒng)研究［D］.廣東:廣東工業(yè)大學，2008.

［2］ 潘策.全數(shù)字交流主軸伺服驅(qū)動器的設(shè)計［J］. 組合機床與自動化加工技術(shù)，2012，(9):70－71，75.