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永磁同步电动机的矢量控制
1绪论
1.1电气伺服系统发展现状和动向
自从上个世纪60年代，电气伺服系统取代了大部分的电液伺服传动系统成为伺服系统的主要形式。
按驱动装置的执行电动机类型来分,通常分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统。
直流伺服系统发展早,70年代已经实用化,在各类机电一体化产品中大量使用各种结构的DC伺服电动机。
直流伺服系统控制简单,灵活实现正反转,调速范围宽,稳定性高,响应速度快，无超调,定位精度和跟踪精度高。
但是直流伺服系统也有难以克服的缺点;直流电动机转子绕组的发热大，影响与其相连接的丝杠精度;采用机械换向会产生电火花,直流伺服系统难以工作在易燃、易爆的工作场合;高速运行和大容量设计受到机械换相器的限制;电刷和换向器易磨损,日常维护工作量大;结构复杂，制造困难,成本高等。
机械换向器的存在是造成以上问题的主要原因。
交流电机没有机械换向器，克服了直流电机的缺点。
进入20世纪80年代后,功率电子器件和微电子技术水平得到迅速提高,基于先进控制理论、电力电子器件和微处理器的发展,交流伺服控制技术日趋成熟。
交流伺服系统以其体积小,转动惯量最小,耐高速,可频繁起制动,过载能力强,瞬时输出转矩大,对环境适应性强,运行可靠性高，无需维护等特点而广泛适用于CNC和工业机器人等工业领域。
到了90年代,交流伺服系统己经在许多场合取代了直流伺服系统，某些性能甚至超过了直流伺服系统，从而出现了取代直流伺服系统成为电气伺服系统主体的趋势。
目前国内外交流伺服系统研究正向着数字化、智能化、网络化、绿色化的方向发展：
高性能和全数字化伺服系统是当代交流伺服系统发展的趋势，这种系统被广泛应用在高精度数控机床、机器人、特种加工装备和精细进给系统中。
由于微电子技术的发展,微处理器的运算速度不断提高,功能不断增强，特别在电机控制专用DSP芯片出现后，全数字伺服系统在实现电流控制、速度控制和位置控制全部数字化的同时,极大的增强了伺服系统设计和使用的灵活性。
伺服系统智能化一方面体现在系统具有很强的状态自诊断、故障保护和信息显示功能；另一方面,在控制策略上除常规PID控制外,开始转向应用现代控制理论和智能控制,各种高性能的智能控制器可实现伺服系统参数自检测和控制器参数在线自整定功能等。
智能功率模块（IPM）被广泛采用,逆变器实现高频化、小型化和无噪音。
伺服系统具有完善的通讯功能,在独立完成伺服控制同时保持与上位机的联系,实时接收控制指令和报告系统当前工作状况。
伺服系统通讯功能的实现和提高进一步完善了高级别、分布式的工业控制、管理网络的功能。
光电编码器等传感器的分辨率大幅度提高,可靠性进一步改善,并向多功能一体化的方向发展。
1.2交流电动机分类与特点
交流电动机主要有感应异步电动机和同步电动机两大类。
异步电动机构造简单,价格低，维护工作量低,容易实现弱磁调速。
缺点是转子散热困难，转子电阻受温度影响变化大，影响矢量控制性能。
在交流伺服系统发展初期,异步电动机交流伺服系统得到较快的发展,主要应用于机床的主轴传动。
同步电动机以转速与电源频率严格保持同步而著称,极对数保持不变,只要电源频率保持恒定,同步电动机转速就保持不变,当负载转矩加到同步电动机轴上时,在极短时间内建立起相应的拖动转矩,以维持电动机的稳定运行。
同步电动机变频调速系统从控制方式上可分为他控式变频和自控式变频调速方式。
其中，他控式变频调速系统存在失步、振荡等问题,在实际中很少用。
现阶段同步电动机变频调速系统一般采用自控式运行。
自控式变频同步电机调速系统按所用的变频器、电动机的类型及目前的发展趋势可分为三大类:
一类是大功率的交一交变频同步电动机调速系统;二是交一直一交电流型负载换相同步电动机调速系统;另一类是交一直一交电压型同步电动机调速系统，多用于小容量的永磁同步电动机控制。
随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低,各种交流永磁同步电动机伺服系统成为交流伺服系统的主流。
交流永磁同步电动机根据电动机反电动势的波形形状可分为正弦波永磁同步电动机（PMSM）和梯形波永磁同步电动机后者,又称为无刷直流电动机（BLDCM）。
正弦波永磁同步电动机是由永久磁铁产生励磁,无电励磁电动机的励磁损耗和转子发热问题;同异步电动机相比,也没有因为滑差而引起的损耗,从而很大地提高了效率和功率因数。
由于其体积小、重量轻,控制系统相对较为简单,能够达到快速、准确的控制要求,永磁同步电动机在中小容量的伺服电动机中占据了重要的地位,被广泛地应用于小功率、要求良好的静态性能和高动态响应的伺服驱动中,如柔性制造系统、机器人、办公自动化、数控机床等领域。
2永磁同步电动机矢量控制的方案比较
2.1永磁同步电动机的简介
永磁同步电动机结构简单，体积小，重量轻，效率高，功率因数高。
此外，
永磁同步电动机还具有以下优点：
永磁同步电动机无需电流励磁，不设电刷和滑环，因此结构简单，使用方便，可靠性高。
正由于上述结构的特点，使得永磁同步电动机转子上无励磁损耗，无电刷和滑环之间的摩擦损耗和接触电损耗。
因此，永磁同步电动机的效率比电磁式同步电动机要高，并且其功率因数可以设计在1.0附近。
永磁同步电动机转子结构多样，结构灵活而且不同的转子结构往往带来自身性能上的特点，因而永磁同步电动机可根据使用需要选择不同的转子结构形式。
永磁同步电动机在一定功率范围内，可以比电磁式同步电动机具有更小的体积和重量。
永磁同步电动机按工作主磁场方向的不同分为径向磁场式和轴向磁场式;按电枢绕组位置的不同可分为内转子式和外转子式;按供电频率控制方式的不同，可分为自控式和它控式;按反电势波形的不同，可分为正弦波永磁同步电动机（简称永磁同步电动机，本文中的永磁同步电动机都是指正弦波永磁同步电动机）和矩形波永磁同步电动机（简称无刷直流电动机）。
2.2永磁同步电动机的数学模型
永磁同步电动机是利用定子的三相交流电流和永磁转子的磁场互相作用所产生的电磁转矩来带动电机转子转动的。
当定子电流的频率固定时，转子的转速也是固定的，并且与该频率成正比:
（2-1）
其中n是同步转速，f是定子电流频率，Pm是永磁同步电动机极对数。
改变电机转速需要变化定子电流频率，也就是要采用变频器对永磁同步电动机供电。
同时为了防止失步，必须保证电机转子的角频率与定子电源频率同步。
根据交流电机矢量控制原理，为了找出电机的控制规律，建立易于实现控制的数学模型，需要建立一个与永磁同步电动机转子同步旋转的d-q坐标系，让d轴与转子磁极重合，把永磁同步电动机定子的各参量都转化到d-q旋转坐标系下。
假设电机是线性的，电机参数不随温度等外界条件变化而变化，忽略磁滞、涡流损耗，并认为转子无阻尼绕组，那么基于d-q坐标系下的永磁同步电动机定子磁链方程为:
（2-2）
式中，为转子磁钢在定子上的耦合磁链，分别为永磁同步电动机的直、交轴主电感;，,分别为定子电流矢量的直（d）轴、交（q）轴分量。
在d-q坐标系下，定子电压方程为：
（2-3）
式中为转子角频率，P为微分算子。
由式（2-2）和式（2-3）可得
（2-4）
根据上述方程可得永磁同步电动机在同步旋转坐标系下的稳态矢量图如图
图（2-1）旋转坐标系下的稳态矢量图
电动机定子电流在d轴和q轴上的分量可表示为：
（2-5）
式中，为定子电流幅值，为电流矢量超q轴的角度。
永磁同步电动机转矩方程为:
（2-6）
从上式可知，永磁同步电动机的电磁转矩取决于定子电流d轴、q轴分量。
在永磁同步电动机中，由于转子磁链幅值的大小恒定不变，故采用转子磁链定向方式来控制永磁同步电动机。
2.3永磁同步电动机电流控制策略
永磁同步电动机的电流控制方法主要有:
=0控制，cos=1控制，恒磁链控制，力矩电流比最大控制等。
各种控制方法有其各自的特点，适用于不同的运行场合.
在=0控制策略原理下各矢量之间的关系如图2-2所示。
定子电流矢量的直轴分量为0，由式（2-6）得电机输出转矩为:
（2-7）
当忽略电枢电阻时，功率因数:
（2-8）
图2-2中。
实际上代表空载时电动机的端电压，则代表系统带载运行时电动机端电压。
设两者之比为K,,，且有==，则
（2-9）
图2-2在控制策略下永磁同步电动机矢量图
令，称为去磁分量，在本控制方法下应使=0（2-10）
逆变器的容量可以用
来表示（2-11）
此处有（2-12）
由上式可以看出，采用控制方式，无去磁效应，输出力矩与定子电流成正比。
其主要的缺点是随着输出力矩的增大，端电压比较大而功率因数急剧降低，从而对逆变器容量的要求增高。
另外，该方法未能充分利用电机的力矩输出能力，在输出转矩中磁阻反应转矩为0.
控制方法的核心思想是使电机的功率因数恒为1，充分利用逆变器平的容假定==，保持必须按来径制和的关系.该方法控制相对复杂，并且最大输出力矩小。
恒磁链控制方法与控制方法比较，可以获得较高的功率因数，并且在输出相同转矩情况下，需要的逆变器容量比方式小，但去磁分量大。
力矩电流比最大控制是在电机输出给定力矩条件下，控制定子电流为最小的电流控制方法。
力矩电流比最大控制使电机输出力矩满足的条件情况下定子电流最小，减小了电机损耗，有利于逆变器开关器件工作，同时降低了成本。
在该方法的基础上，采用适当的弱磁控制方法，可以改善电机高速时的性能。
此方法的不足在于功率因数随着输出力矩的增大下降较快。
综合来看，按照转子磁链定向并按方法进行控制的PMSM调速系统定子电流与转子磁通解藕，控制系统简单，转矩波动小，可以获得很宽的调速范围，适用于有高性能要求工业应用领域。
但当负载加大时，定子电流增大，由于电枢反应的影响，造成气隙磁链和定子反电动势都加大，迫使定子电压升高。
为了保证足够的电源电压，电控装置必须有足够的容量，有效利用率降低;同时，定子电压矢量和电流矢量的夹角也会增加，由于电枢反应电抗压降大，造成功率因数降低。
因此控制方法适用于中小容量的系统。
2.4控制策略下伺服系统工作原理
由上面的分析可知，采用转子磁链定向控制，当时电磁转矩和电流幅值成正比，因此速度调节器的输出实际为定子电流幅值的给定值。
此给定值与转子磁极位置角度的正弦值相乘得到三相正弦电流的瞬时给定值。
它们在永磁同步电动机中生成的合成电流矢量与转子d轴垂直且超前。
三相电流瞬时给定值确定后，经过变频器输出三相对称交流电到永磁同步电动机的定子三相绕组中，产生与电流幅值成正比的电磁转矩使电动机工作于电动运行状态。
变频环节可采用电压源型SPWM变频器，也可采用电流滞环跟踪控制型的PWM变频器。
不同于上述的两种方法，本文系统采用了电压空间矢量的控制策略（SVPWM）。
制动可以采用再生发电制动。
正向电动运行时速度调节器的给定为“十”，输出为“-”。
正向制动后，速度调节器输出为“十”，使三相给定电流反向，即电流合成矢量由原来的超前d轴90度变为滞后90度，转矩方向反向成为制动转矩，电动机处于制动状态。
当把速度调节器的给定变为“-”，那么其输出即为“十”，三相电流产生的合成矢量在反转方向上超前d轴90度，电动机将产生反向电磁转矩，电动机反转。
如果需要基速以上的弱磁调速，最简单的方法是利用电枢反应削弱永久励磁，也就是控制定子电流的直轴量，使其起到去磁作用。
但由于稀土永磁材料的磁导率与空气接近，磁阻很大，相当于定转子间有很大的有效气隙。
利用电枢反应弱磁的方法需要较大的定子电流直轴分量，作为短期运行，这种方法可以接受，但长期弱磁运行必须采用特殊的弱磁方法。
由于伺服系统不需要工作在弱磁区，所以，本文采用了轴电流为零的矢量控制方案。
3DSP在电机控制中的应用
3.1DSP芯片的基本特征
数字信号处理器（DigitalSignalPrcessor），是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器。
自1979年诞生以来，短短二十年时间，DSP显示了巨大的应用潜力，在信号处理、通信、语言、图形图像、军事、仪器仪表、自动控制、家用电器等领域，得到广泛的应用，起着不可替代的作用，其主要应用特点是实时快速地实现各种数字信号处理算法。
DSP一般具有如下一些特点：
（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；
（2）程序和数据空间分离，可以同时访问指令和数据；
（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；
（4）具有低开销或大开销循环及跳转的硬件支持；
（5）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器，可以并行执行多个操作；支持流水线操作，使取值、译码和执行等操作可以重叠执行。
在自动控制系统中，DSP的高速计算能力显示了比一般微处理器更多的优点，具有广阔的应用前景。
利用DSP的高速计算能力可以增加采样速度和完成复杂的信号处理和控制算法，Kalman滤波、自适应控制矢量控制、状态观测器等复杂算法利用DSP芯片可以方便地实现。
DSP的信号处理能力还可用来减少位置、速度、磁通等传感器，无传感器运行之所以成为可能。
在自适应系统中，系统参数和状态变量通过状态观测器的计算可采用DSP有效地实现。
同样，由于高运算速度，DSP也可有效地用于神经之网络和模糊逻辑化地运动控制系统。
在实际工程应用中，DSP的高速能力还可以消除噪声污染和不精确的输入及反馈信号数据，对要求速度较快的PWM控制算如空间矢量算法。
3.2TMS320F2812ADSP的基本特性
3.2.1DSP是一种特殊用途的单片机，其结构如下图所示
3.2.2内核概述
TMS320F2812DSP内核采Harvard结构体系,即相互独立的数据总线，提供了片内程序存储器和数据存储器、运算单元、一个32位算术逻辑单元、一个32位累加器、一个16位乘法器和一个16位桶形移位器组成,体系采取串行结构，运用流水线技术加快程序的运行，可在一个处理周期内完成乘法加法和移位计算,其内核计算速度为20MIPs（一个指令周期为50ns）。
外设有AD转换大容量存储器，l6位和32位的定时器比较单元、捕获单元、PWM波形发生器、高速异同步串行口和独立可编程复用IO等组成，其中通过三个通用定时器和九个比较器的结合产生多达l2路的PWM输出结合灵活的波形发生逻辑和死区发生单元能生成对称、不对称以及带有死区时间的空间矢量PWM波形DSP芯片中集成的这些功能大大简化了整个控制系统。
此外,该DSP还具有快速的中断处理能力，及硬件寻址控制、数据指针逆序寻址等多种特有的功能，将有利于TMS320F2812A在电机控制中的作用。
3.2.3DSP在电机控制中的应用
TMS320F2812A是典型的集成DSP电机控制器，已广泛运用于三相交流感应电机、永磁同步电动机、无刷直流电动机等全数矢量控制的系统中，都可获得较为理想的控制效果。
TMS320F2812A芯片特别适合于电机控制，主要得力于其功能强大的事件管理器，事件管理器具有分为十等优先级的四十个中断，其中的非法地址访问中断（IllegalAddress）能够在程序“跑飞”的情况下复位芯片；PWM封锁中断（PDPINT）能够在电机控制异常的情况下封锁PWM输出，保证了系统故障性处理的实时性。
事件管理器还提供了三个功能强大的l6位定时器GPTIMERx（x=l，2，3），三者可以互相独立，也可级联使用，可以多种方式产生l2路PWM信号。
DSP控制流程图如下所示：
3.3DSP在电机矢量控制中所起的作用
（1）接收由光学编码器输入的两相增量数字脉冲信号A、B；
a．将两相信号进行四倍频；
b．形成位置信号
C．形成速度信号
d．根据两相信号边沿变化的先后次序，判别电机旋转方向。
（2）根据光学编码器输人的信号A、B、U、V、W粗略确定和精确确定转子磁极轴线相对于A相绕组轴线的转角。
（3）速度比较，并给出转矩参数数据及作校正补偿计算。
（4）接受模拟量的实际的三相电流，并将其作数字化处理，然后作三相两相变换。
（5）将电流命令信号与实际电流相比较，然后进行校正补偿处理，作三相两相变换。
最后确定PWM的脉宽系数，进而输出六路信号至功放级。
（6）接受故障信号，执行中断，首先切断主电源，并同时中断PWM输出，发出中断命令，同时进行故障诊断，判别并输出故障种类信号至显示电路。
3.4基于DSP的交流PMSM伺服系统
以TMS320F2812A为控制核心，以智能控制模块（IPM）为功率变换装置，设计了一套完整的基于DSP的PMSM全数字交流伺服驱动系统，总体结构如下图所示。
整个系统由软件、硬件两大部分组成。
系统软件主要功能有:
转速调节、电流调节、矢量变换、转速及转子位置估算、电压空间矢量控制、与上位机通讯等。
TMS320F2812A是电机专用控制DSP，它集成了相当多的电机控制外围电路，这使得系统硬件设计变得非常简单。
硬件部分主要包括:
DSP最小系统、人机接口、整流逆变装置、电流检测和电平变换、光电码盘信号采集、系统保护等。
图3-1PMSM矢量控制系统总体结构
4系统硬件设计
在以往，工业控制中主要是由单片机承担控制核心的任务。
随着DSP技术的发展和控制要求的提高，越来越多的工业控制产品采用DSP芯片。
目前，美国的TI公司、Motorola公司、AD公司都推出了专用于电机控制的DSP。
这一高度集成化的器件代表了传统微处理器及通用DSP处理器方案的重大突破，使电机驱动及调速控制更为简单易行。
与其它方案相比，以DSP为核心的伺服系统提供了更好的电机性能、更低的能耗、更高的可靠性及静音运行。
此类专用芯片具有很强的实时运算能力，并集成了电机控制的外围设备，使设计者只需外加较少的硬件设备即可实现电机控制系统，在提高系统性能的同时降低系统费用，大大提高了性价比。
目前，使用最多的电机专用控制DSP是TMS320X2812,X是C或F，视其是否采用了FLASH存储器。
TMS320X2812是美国TI公司推出的高性能16位数字信号处理器。
它是专门为电机的数字化控制设计的，特别适用于电机的高性能控制。
4.1TMS320F2812A的主要技术特性如下:
（1）以T320C2XLP为内核，配合哈佛结构和四级流水线作业设计，指令执行速度很快。
在20MHz的内部时钟频率下，指令周期仅为50ns
（2）存储器。
544x16位片内数据编程寻址RAM.16K字片内可编程ROM或闪速存储器，最大可寻址空间为224K字。
（3）事件管理器模块（EV）。
3个16位通用定时器，可工作于6种模式。
脉冲宽度调制电路，它由空间向量PWM电路、死区发生器和输出逻辑电路组成，可提供12路PWM输出。
正交脉冲编码电路可用于速度和位置检测。
（4）其它片内外设。
双通道共32路AD转换模块，转换精度为12位，转换时间可编程设置，最短为。
56脚可独立编程复用I0口。
基于锁相环（PLL）的时钟模块使外部只要具有2-32M.晶体振荡器即可产生所需的CPU时钟。
SCI串行通讯模块可实现与上位机之间的通讯。
SPI外围设备接口模块。
（5）灵活简洁的指令集。
可在单周期内完成16X16位乘法运算和后续的加、减操作。
（6）四种低功耗运行模式，采用基于JTAG扫描的仿真技术。
（7）中断资源丰富，提供了三种8级可屏蔽中断，外部中断为边沿中断。
4.2PMSMDSP控制系统硬件框图见图4-1
图4-1PMSMDSP控制系统硬件框图
4.3电流检测
DSP提供了两个12位AD转换模块，可实现最多32路模拟信号采集。
两个AD模块可同时进行转换，保证了被采集量的同相位。
本系统应用A\D模块完成两相定子电流的采集。
由于该模块只允许0-5V的模拟输入信号，因此需要对霍尔元件的检测量进行放大和电平迁移。
4.4转速测量和转子磁极位置检测
由于DSP提供了丰富并且实用的片上外设资源，所以与常见的处理方法相比，本系统的外部硬件电路只需对码盘的反馈信号进行隔离放大，后续的计算全部由DSP实现，降低了系统硬件设计的复杂程度。
用于位置和速度测量的DSP外部接线如图4-2,图中PCA,PCB是从混合码盘上引出的增量式光电脉冲信号，两路信号相位相差90度。
C1,C2,C4,C8为从混合码盘得到的反映电机转子磁极绝对位置的光电信号，按格雷码规律变化，下面简称为格雷码信号。
隔离放大环节对光电脉冲信号进行整形放大。
整形后的信号，PCA连接到DSP的CAP1,CAP3管脚，PCB连接到CAP2,CAP4管脚。
格雷码信号C1,C2,C4,C8分别接到DSP的4个通用IO端口IOPAO,IOPA1,IOPA2,IOPA3。
Cl同时还连接到外部中断检损组管脚XINT2和XINT3。
C1变化频率是C2的一倍，是C2,C4的四倍。
C2,C4同频率，但相位相差90度。
图4-2伺服系统速度和转子位置测量外部接线
4.5系统主回路
交流伺服控制的主电路主要是由电力半导体器件组成，在交流伺服控制器的主回路中，电力半导体器件以开关方式工作。
电力电子器件发展经历了三个阶段:
晶闸管阶段;门极可关断晶闸管（GTO）和大功率晶体管（GTR）阶段;绝缘门极晶体管（IGBT）阶段。
近些年来国外厂家推出智能功率模块（IPM），并为许多用户接受。
本系统的主回路采用智能功率模块（IPM）构成变频装置，IPM的主要特点有:
（1）、它是先进的混合集成功率器件，由高速、低耗IGBT芯片和优化的门极驱动及保护电路构成。
（2）、实现高效的过流和短路保护。
IPM还集成了过热和欠压锁定保护电路，系统的可靠性得到进一步提高。
IPM在故障情况下的自保护能力，减低了器件在开发和使用中过载损坏机率。
（3）、IPM集成了驱动和保护电路，通态损耗和开关损耗都比较低，因此散热器减小，从而也减小了系统尺寸。
（4）、本论文所设计的主电路如图4-3所示，IPM模块采用日本三菱公司生产的七合一模块，采用电压空间矢量PWM（SVPWM）变频调速方法。
三相空气开关QF1，对其后元件或电路的短路起到保护作用。
并联的三个压敏电阻RV1,2,3，对输入浪涌电压有一定限制作用。
接触器KM，其三个主触点用来控制电源的通断，由一个常开触点用来作为准备好应答信号，还有两个常闭触点用来紧急停止时，接通电动机动力线上的两个制动电阻实现能耗制动。
PWM变换器主电路的直流电源是三相全波整流电源，因整流器不允许电流流逆向流动，所以在电动机转速由高速到低速的过程中，拖动系统储存的能量不可能通过变流器回馈给电网，只能向滤波电容器C2充电。
这种因回馈能量使电源瞬时升高的电压称“泵升电压”。
泵升电压会过高会影响并联在母线上的所有器件的正常工作，甚至可能烧毁器件，故必须采取措施加以限制。
图中的二极管D1、二极管D2、电阻R1和功率三极管VT构成了放电保护电路。
图4-3主电路结构原理图
5系统软件设计
5.1数字调节器
对于调速系统，要求每个调节器的输出都应该加限幅。
为避免突加给定和工况突然变化时调节器输出值变化过于剧烈导致系统定子过压、过流，本系统应用的数字PI调节器具有输出限幅功能，结构如图5-1所示。
图5-1PI调节器结构图
PI调节器工作原理如下:
e（K）=式（5-1）
u（K）=式（5-2）
式（5-3）
u（K）式（5-4）
式（5-5）
式（5-6）
其中是比例系数,是积分系数,是PI调节器的限幅误差,在计算中反馈给控制调节器积分量,使调节器及时退饱和,.
5.2电压空间矢量SVPWM
电压空间矢量控制把逆变器和电机视为一体,按照
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