第４８卷 第５期 ２０１５正 ５月 徽＇Ｉ｝枫 ＭＩＣＲ０Ｍ０ＴＯＲＳ Ｖｏ１．４８．Ｎｏ．５ ＭａＶ．２０１５ 伺服永磁同步电机弱磁控制系统设计 王彦超 ，赵小鹏 （１．西北工业大学，西安７１００７２；２．中航工业西安飞行自动控制研究所，西安７１００６５） 摘要：针对伺服系统用永磁同步电机，在电机数学模型及其ＳＶＰＷＭ的基础上，分析了弱磁控制机理，研究了 ｄ—ｑ轴电流解耦策略、基于外电压环的弱磁控制策略。设计了基于ＤＳＰ２８１２的永磁同步电机控制器，主要包括控制 电路、功率电路，为了解决ＤＳＰ引起的相位滞后，研究了电机转速较高时转子位置超前补偿策略。试验结果表明： 控制系统完成了永磁同步电机的弱磁升速控制，在较宽的调速范围内实现了转速闭环高稳态精度、高瞬态响应控 制，满足伺服系统的需求。 关键词：永磁同步电机；弱磁；ＤＳＰ２８１２；超前补偿 中图分类号：ＴＭ３５１：ＴＭ３４１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１—６８４８（２０１５）０５—００９８—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｆｌｕｘ－ｗｅａｋｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｓｅｒｖｏ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ ＷＡＮＧ Ｙａｎｃｈａｏ ，ＺＨＡＯ Ｘｉａｏｐｅｎｇ （１．Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ ａｎ ７１００７２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｃｅｎｔｅｒ， ＡＶＩＣ Ｘｉ￣ａｎ Ｆｌｉｇｈｔ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＸＪ ａｎ ７１００６５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）ｕｓｅｄ ｉｎ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｄ——ｑ ａｘｉｓ ｃｕｒｒｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ｆｌｕｘ－－ｗｅａｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｓｅｄ ｏｕｔｅｒ ｖｏｌｔａｇｅ ｌｏｏｐ ｗｅｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ （ＳＶＰＷＭ）．Ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＳＰ）２８ １ ２，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｌｅａｄｉｎｇ—ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｗａｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｌａｇ ｂｙ ＤＳＰ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｃｈｉｅｖｅｓ ｔｈｅ ｆｌｕｘ—ｗｅａｋｉｎｇ ｅｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ＰＭＳＭ ｍｏｔｏｒ．ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｆａｓｔ ｒｅｓｐｏｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｓｐｅｅｄ ａｙｅ ａｌ— ＳＯ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｓａｔｉｓｆｉｅｓ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＰＭＳＭ；ｆｌｕｘ－ｗｅａｋｉｎｇ；ＤＳＰ２８ １ ２；ｌｅａｄｉｎｇ—ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ 统，在进行弱磁升速的过程中，采取转子位置超 ０ 引 言 永磁同步电机具有定位精度高、调速范围宽、 低速稳定性好、动态响应快、能频繁正反转、可 前补偿的方法避免了因ＤＳＰ相位滞后造成的系统 振荡，并进行了试验。 １ 弱磁机理 永磁同步电机采用转子永磁体激磁，结构上主 要分为表贴式和内嵌式两种，其中表贴式交、直轴 电感相等，没有磁阻转矩，一般采用ｉ ＝０控制；内 工作于恶劣环境等突出优点，因此被广泛应用于 电主轴、工业电器、电动汽车、航空航天等领 域，特别是需要宽调速范围以满足恒功率运行的 伺服系统，永磁同步电机弱磁控制系统优势更加 突出，能够提高系统的性能，同时实现高效与节 能。论文针对伺服永磁同步电机控制系统，在电 机数学模型与矢量控制算法的基础上，研究了电 流解耦、削弱电机本体参数对ｄ轴电流给定影响 的控制策略，设计了基于ＤＳＰ２８１２的弱磁控制系 收稿日期：２０１５—０３—２０ 嵌式具有凸极效应及其所带来的磁阻转矩，合理利 用磁阻转矩能够有效提高电机的功率密度。 在不计铁心饱和及损耗、三相电流对称、转子 无阻尼绕组时，可得由坐标系下永磁同步电机的数 学模型 』，其中电压方程为 ５期 王彦超等：伺服永磁同步电机弱磁控制系统设计 ・９９・ 磁 链 方 ● 绕组的电阻值； ｒ １、Ｔｏ 为电磁转矩； 为转子永磁磁链；Ｐ为极对数； 为转子电角速度。 程 为 ‰ Ｉｌ 电机母线电压一定时，定子电压受电压极限椭 圆的，在基速以上，转速升高时，必须调节直 ＝ Ｒ ． Ｒ ． ｆ ｄ：Ｌｄｉｄ＋ ｆ 轴电流的大小来实现弱磁，并维持电压平衡，同时 ２ 受逆变器容量大小带来的电流极限圆的，还必 须合理调节交轴电流的大小实现电机的恒功率运行。 ＋ ＋ 【 ＝Ｌｑｉ 电磁转矩方程为 ｄ一 ￡ 一＋ ＝ ［ ｉｄ一 ｉｄ］ … 因此，永磁同步电机弱磁控制的实质就是在电压极 一 限椭圆与电流极限圆的下，合理动态分配交、 直轴电流的大小，实现电机的恒功率控制。 将式（２）代人式（３）可得 ＝ｍ ［ ＋（Ｌｄ－Ｌｑ）ｉｊｑ］ （４） ２ 算法研究 根据伺服系统需求及矢量控制的基本原理，系 式中，ｉｄ，ｉ 分别为定子ｄ轴和ｑ轴电流； ｄ，Ｍ 分 别为定子ｄ轴和ｑ轴电压； ， 分别为ｄ轴和ｇ 轴电感； ， 分别为ｄ轴和ｑ轴磁链；Ｒ 为定子 统控制算法框图如图１所示。 图１ 系统控制算法框图 由式（１）～式（４）可知ｉ 和ｉ 是相互耦合的，不 能被ｄ、ｑ轴电压控制，是典型的非线性系统， 若电感感值较大，会对电流响应和转矩响应造成影 响，因此采用电流解耦控制实现 、ｉ。的进一步解 耦，以提高系统性能。电流解耦控制对交、直轴电 在基速以下或基速以上，传统直轴电流给定一 般是通过公式法计算得到，公式法对电机本体参数 依赖特别大，在弱磁升速的过程中，电机交、直轴 电感都会随着电枢反应的影响而发生变化，从而影 响直轴电流给定的大小，目前，比较常用的做法是 通过有限元分析软件对电机进行仿真，得到交、直 轴电感随交、直轴电流的变化关系，然后在软件中 流ＰＩ调节后输出的电压值进行前馈补偿，其算法框 图如图２所示。 通过查表修正交、直轴电感感值的大小。 采用外电压环作为直轴电流给定，能有效降低 对电机本体参数的依赖。通过实时检测所需要的定 子参考电压矢量的幅值并与基准（ ／￣／３）进行比较， 基速以上时，基准电压小于所需的定子电压幅值， 经过ＰＩ调节输出的直轴电流给定为负值，将起到去 磁效果，从而实现弱磁升速控制。 图２电流解耦算法框图 ・１００・ 微雩裁 ４８卷 ３ 硬件设计 控制系统硬件主要包括控制电路，隔离电路及 ＩＰＭ模块，其中主控芯片采用ＴＩ公司的 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２，该芯片主频达１５０ＭＨｚ，具有丰富的 外设资源，特别是丰富的电机控制专用接口，包括 ＰＷＭ、光电编码、捕获外设口等，其中ＰＷＭ能够 方便地形成永磁同步电机控制时上下桥臂所需的带 有死区的非逻辑控制信号，而且死区时间可以根据 ＩＰＭ的开关特性进行灵活配置。 图３旋变解码电路图 电机转子位置检测采用单通道旋转变压器，旋 转变压器解码芯片采用ＡＤ２Ｓ１２００，其电路原理图如 图３所示。 ＡＤ２Ｓ１２００是旋转变压器解码专用集成芯片，输 出１２位绝对位置信息和带符号的１１位速度信息，一一一一一一一一一一一 ±１１弧分精确度，最大跟踪速度１０００ ｒ／ｓ 。集成 了可编程的正弦波振荡器，频率可以通过ＦＳ１、ＦＳ２ 引脚方便配置。图３中，ＤＢ０～ＤＢ１１引脚通过电平 转换芯片后与ＤＳＰ的数据总线连接。 ４软件设计 系统主要完成转速闭环、矢量控制算法。利用 事件管理器ＥＶＡ的三个全比较单元产生ＰＷＭ脉冲， 配置定时器Ｔ１的计数器为连续增减计数模式，定时 器Ｔ１下溢中断子程序流程图如图４所示。软件代码 采用Ｃ语言，数据采用ＩＱ格式和标幺值，以提高运 算精度和速度。 伺服系统转速给定可以通过４２２总线进行数字 给定，也可以通过外部模拟输入信号进行给定，该 模拟信号由外扩ＡＤ芯片采集，再由ＡＤ芯片通过 ＳＰＩ接口发送给ＤＳＰ。 位置读取 二二］二二二 转速计算 二二］二二 转速ＰＩ凋节 二二＝］［二 ｑ轴电流ＰＩ调 二二工二 电压外环ＰＩ调节 二二＝］［二 ｄ轴电流ＰＩ调 返回 图４定时器Ｔ１下溢中断流程图 在满足系统频带要求的前提下，为了降低系统 在调速过程中电流变化的剧烈程度，同时有效降低 ｄ、ｑ轴电流环出现饱和的概率，期望转速给定值实 现递进变化，因此采用定时器 周期中断完成转速 给定的计算，其流程图如图５所示。 图５定时器 Ｉ３周期中断流程图 在矢量控制过程中，虽然占空比的计算已经完 成，但ＰＷＭ的装载是在一个特定的时刻，比如下溢 中断触发的时刻。这样，由于ＤＳＰ造成的控制滞后 是不可避免的。简单而言，就是在执行Ｔｌ下溢中断 程序时，采集到的转子位置是￡。时刻的，由该转子 位置进行矢量计算得到的占空比实际上是满足ｔｌ时 刻电机所需要的电压矢量，但是占空比真正装载或 者生效的时刻却在ｔ 时刻，ｔ 与ｔ 的时间差内，转 子电角度位置已经发生了变化，当电机转速较高时， 该变化的影响已经不可忽略，可能会造成系统转速 出现波动甚至是振荡，因此采用实时转速的测量值 与时间差相乘转换成相应的转子位置差，并将其补 （下转第１０５页）
