PMSM矢量控制在雕銑機進給系統中的實現
雕銑機(CNC engraving and milling machine)既可以雕刻，也可銑削，是一種高效高精的精工 機床，廣泛應用于精密模具粗精加丁一次完成， 紫銅電極，鋁件產品批量加丁，鞋模制造，鐘表 眼鏡行業等。雕銑機性價比高，加丁速度快，加 丁產品光潔度好，在機床加丁業越來越占有重要 地位。為保證雕銑機的加丁精度，應包含的特性 有：自動化程度高、加丁精度高以及穩定性好。 在雕銑機中進給伺服系統的控制性能決定了雕銑 機的加丁性能，因此，在雕銑機進給系統中的永 磁同步伺服電機控制方法的選擇與實現會影響整 個加丁精度[1]。電機的矢量控制是目前應用廣泛的控制方 法。近幾年來，國內外學者將空間矢量PWM控制技術應用于永磁同步電機控制中，并取得了相當 的成就。同時，隨著對PMSM控制技術要求的提 高，矢量PWM控制系統成為首選控制方案'為 此提出一種控制性能良好的永磁同步伺服電機矢 量控制系統，并對永磁同步電機數學模型和矢量 控制原理做了相關的研究，搭建了永磁同步電機 矢量控制模型并對其進行了編程仿真研究。1永磁同步電機的數學模型為了實現對永磁同步電機控制，需要先對其 建立良好的數學模型。在DSP控制系統中采用 坐標系下的數學模型，因為這是矢量控制原 理的根本。2永磁交流伺服電機的矢量控制系統直流電機的控制方式比較簡單，這是由其模 型所決定。勵磁磁場由勵磁電流產生，電樞磁場 由電樞電流產生，可分開控制而不會相互影響。 而永磁同步電機的模型復雜，非線性而且各個量 之間相互耦合，永磁體產生的磁場和定子繞組產 生的磁場是不垂直的。因此，要通過矢量控制的 方式經坐標變化來建立虛擬的坐標系使得兩者相 互垂直，這也正是矢量控制的本質意義所在[5]。2.1矢量控制的基本原理從永磁同步伺服電機的數學模型可以看出， 對電機輸出轉矩的控制最終歸結為對其交、直軸 電流的控制。對永磁交流同步電機的矢量控制的 方法主要有：td=0控制、最大轉矩控制、弱磁控 制以及控制等，該矢量控制的方法的提出是對電 機控制領域的一個巨大的創新。該控制方法是將 定子電流分解成產生磁場的部分和產生轉矩的部 分，分解后，模擬直流電機的控制方法，對這兩 個組件可以單獨控制[6]。矢量控制坐標變換結構框 圖見圖1所示。該伺服電機控制系統的控制過程可表示為: 由圖1所示的過程框圖看出，進給速度給定信號 與編碼器檢測到的轉子轉速信號相比較，經速度 調節器的調節后，輸出轉矩電流分量tq指令信 號，而d軸的參考輸人電流為〇，同時利用電流檢 測器采集永磁電機的定子三相交變電流，然后經 CLARKE變換和PARK變換得q軸與d軸電流k和 td，然后使tq、‘和td、td相比較，并經過電流調節器的處理，得出d-q坐標系下的直軸電壓< 和交軸電壓 <。再通過Park逆變換電路可得a -yS 坐標系下的矢量電壓?和％，由該矢量電壓通過 SVPWM模塊產生六路PWM驅動控制信號，驅動 逆變器中的開關器件。由此產生頻率、幅值持續 可變的三相正弦電流輸人到永磁同步電機定子電 樞，從而實現完整的速度電流雙閉環的永磁同步 電機矢量控制[7]。2.2SVPWM產生原理三相橋式電壓型逆變器是丁業上最常用的逆 變器拓撲結構，如圖4是一個典型的電壓型PWM 逆變電路。該逆變電路通過控制6個開關管的開 關狀態和順序的組合以及開關時間的調整來輸出 電機所需要的電流[8]。以得到諧波含量少、直流電 源電壓利用率高的輸出。如圖2所示中的仏~隊是6個功率開關管， 用a、b、c分別代表了 3個橋臂的開關狀態。規定：當上橋臂開關管處于“開”狀態時（此時相應下橋臂開關管必然是“關”狀態），其開關狀態為“1”；當下橋臂開關管為“開”狀態時（此時相應上橋臂開關管必然是“關”狀態），則開關狀態為“0”。這3個橋臂只有“1”或“0”兩種狀態，因此a、b、c可形成000、001、010、011、 100、 101、110、111共8種開關狀態。其中000和111開關狀態使逆變電路輸出電壓為零，所以稱這兩種開關狀態為零狀態[9]，其八種狀態如表1所示。3軟件模塊及控制代碼實現在伺服電機控制領域，各個DSP廠家都有相 對應的系列產品，例如TI公司的28x系列，Fre- escale公司的56F80x系列等，綜合考慮控制方法 所用時間和計算能力，位寬，浮點和定點等指標 滿足要求的情況下，選擇TI公司的C2000系列中 的28335作為控制器并利用電機控制模塊實現電 機仿真，其仿真電路見圖3所示。永磁同步伺服電機的控制程序是基于TI的 DSP開發軟件CCS平臺編寫，以下是PWM控制信 號輸出的一段程序：#include <pmsm_pwm.h> main(){DDRB=0xff; //端口為輸出 DDRD=0xff;PORTD=0x00;PORTE=0x00;TIMSK=0x00; //關閉定時器中斷TCNT0=0x00; //定時器 0，OC0 輸出 1.95305kHz的方波，占空比50%TCCR0=0x6b; //快速PWM方式，分頻 OCR0=0x80;//寫人比較器數值（決定占空比）TCNT1H=0x00; //計數器清零 TCNT1L=0x00;//定時器1，輸出方波TCCR1A=0xa9; //快速PWM，8分頻；OCR1A=0x40；OCR1B=0x80；OCR1C=0xc0;OC1C輸出75%占空比}通過以上程序，實現了 3種占空比類型的PWM控制信號的輸出，在實際的程序應用中，取得了比較好的控制效果。4試驗驗證根據上述永磁同步伺服電機的數學模型，采用DSP控制器完成電機三相電流的控制，并實現對電機電流，速度等的檢測。該項目采用的CCS(CodeComposer Studio)是 TI 公司提供的DSP軟件開發環境，包含一整套用于開發和調試的工具。其中編譯器、源碼編輯器可實現源代碼的編寫和調試。而調試器、描述器、仿真器等均可實現數據可視化，該項目中對電機的啟停，加減速控制進行了實驗，數據圖形描述如下。如圖4、5所示是電機在啟動時的轉速、轉角和三相繞組電流的曲線，從圖4中可以看出電機從零速到500 r/min的啟動時間約為1 s，轉速上升非常平滑，無過沖，并且預設轉速與實際測量轉速基本一致。轉子轉角的三種曲線的變化趨勢相同，轉角增加平穩、運行穩定，啟動性能良好。從圖5看出電機在啟動過程中三相電流是正弦波形，諧波分量少，從而減少了諧波損耗，提高電機效率。如圖6、7是DSP控制下伺服電機在階躍響應 的轉速與電流曲線，由圖6可見，實際轉速與給定轉速相比有一段時間滯后和平滑上升階段，但 響應轉速平穩，且轉速穩定時的波動小，下部分 曲線表示了電機的控制電流的變化，此時在轉速 增加的時電流較大，穩定電流較小且穩定。圖7 是DSP控制下伺服電機在階躍響應下的電流曲線 電流響應曲線，可見電流給定曲線與響應曲線非 常接近，響應時間短、無超調、電流響應平穩， 所以該DSP控制具有優良的電流控制特性。5結論本文通過永磁同步伺服電機的應用場合，指 出該類電機應具有的性能特性。為此對其數學模型 進行了探討和計算研究，并在此數學模型的基礎 上，應用DSP控制技術對永磁同步電機矢量控制系 統進行了研究，通過電機運動控制的仿真與實驗結 果的對比，驗證了算法的可行性和準確性，為今后 電機應用和控制提供了理論指導和參考數據。