永磁同步电机高性能矢量控制系统研究

高洋　尹贻波　徐润泽　张朋　赵凯

[摘    要]  随着机器人等新兴产业的迅速发展，对伺服驱动系统的性能提出了更高的要求。得益于效率高、体积小、功率密度高等性能优势，永磁同步电动机在伺服驱动系统中的应用越来越广泛。以STM32F103ZET6芯片为主控，完成了永磁同步电动机矢量控制系统的硬件电路及软件算法的设计、制作、调试。该系统的输入电源为220V单相交流电压源，通过变压、整流、滤波得到直流电压源，经三相逆变器输出三相交流电压源驱动永磁同步电动机，三相逆变器的控制信号由双闭环矢量控制算法产生。

[关键词]永磁同步电动机;矢量控制;PI调节器;转子定位

[中图分类号]TM351 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）05–00–03

Simulation Study on High Performance Vector Control System of Permanent-magnet Servo Motor

Gao Yang，Yin Yi-bo，Xu Run-ze，Zhang Peng，Zhao Kai

[Abstract]With the rapid development of robot and other emerging industries， higher requirements are put forward for the performance of servo drive system.Due to the advantages of high efficiency， small size and high power density， permanent magnet synchronous motor （PMSM）is widely used in servo drive system.In this paper， STM32F103ZET6 is used as the main control chip to complete the design， manufacture and debugging of hardware circuit and software algorithm of PMSM vector control system.The input power of the system is 220 V single-phase AC voltage source.The DC voltage source is obtained by voltage transformation， rectification and filtering.The three-phase AC voltage source is output by the three-phase inverter to drive the PMSM.The control signal of the three-phase inverter is generated by the double closed-loop vector control algorithm.

[Keywords]Permanent magnet synchronous motor，vector control，PI regulator，rotor positioning

目前，机器人相关产业发展迅速，工业机器人、服务机器人等逐步融入人们的生产、生活中。而作为机器人关节的伺服驅动系统，其性能对于整个机器人系统而言是至关重要的。

伺服驱动系统的控制性能不仅与控制算法密切相关，还与电机本体的性能关系紧密。随着伺服驱动系统的不断发展，传统的电励磁电机已不能满足高性能伺服驱动系统的要求。与传统电励磁电机相比，利用稀土永磁材料制成的永磁电机具有效率高、体积小、功率密度高等诸多性能优势，永磁电机的使用将有助于伺服驱动系统整体性能的提升。

在传统的交流传动领域，常用的调速控制方式主要包括恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制等。其中，恒压频比控制方式是从电机的稳态数学模型出发，在电机的稳态运行状态下提出：在电机额定频率以下按照相同比例改变电压有效值、频率参数，近似获得恒磁通控制效果。而在额定频率以上保持电压有效值为额定值，只改变电压源的频率，这种控制方式很难达到较高的动态性能。直接转矩控制的被控对象是定子磁链和转矩，通过转矩两点式控制器和滞环控制器对电机的定子磁链与转矩进行双闭环控制，该控制方式具有时效性需求高、带载能力弱、低速调节能力差等诸多缺陷。相比之下，矢量控制方式通过坐标变换，将交流电机的数学模型等效为直流电机，能获得较高的动态性能，并且转矩脉动较小。

1  永磁同步电动机的矢量控制系统

与传统交流电机不同，永磁同步电动机去除了励磁绕组，主要由永磁体产生主磁场，不存在励磁损耗，电机的效率、功率因数明显提高。

为了方便分析，假设：定子三相绕组完全对称，不计铁心饱和，忽略涡流损耗、磁滞损耗，定转子铁心表面光滑、没有齿槽效应，定子每相磁势在空间呈正弦分布。经坐标变换，将ABC坐标系下的永磁同步电动机数学模型变换到dq0坐标系下。

电压方程：

（1）

磁链方程：

（2）

转矩方程：

（3）

其中，ud、uq分别为定子绕组的d轴、q轴电压;id、iq分别为定子绕组的d轴、q轴电流;ψd、ψq分别为定子绕组的d轴、q轴磁链，R为定子绕组电阻，ψf为永磁体磁链，p为电机极对数，ω为转子旋转角频率。

在上述电机动态数学模型中，dq0坐标系的d轴被定位在转子永磁磁场方向上，在一定程度上简化了电机的数学模型。如果进一步控制定子绕组直轴电流id=0，则只需要控制iq就可以直接控制电机的电磁转矩。同时，这样能使得定子磁动势与永磁体磁场空间矢量正交，还可以减少电机损耗，降低转子永磁体的退磁风险。这样就构成了id=0的转子磁场定向永磁同步电动机矢量控制系统，该控制系统的结构框图，如图1所示。

2  永磁同步电动机矢量控制系统的硬件设计

本文设计的永磁同步电动机矢量控制系统的硬件电路主要包括主电路、微控制器电路、检测电路、辅助电源电路、保护电路等。

主电路包括变压器、整流电路、滤波电路、逆变器四部分。其中，变压器主要是将工频的单相220 V交流电压做降压处理，整流电路、滤波电路是获得逆变器所需的直流输入电压，而逆变器则在SVPWM模块的控制下产生永磁电机所需的三相电压源。

微控制器电路的主要作用是确保控制系统的核心——STM32F103ZET6正常工作，本文设计了晶振电路为主控芯片提供时钟源，并设计了复位电路以便在系统工作异常或需重新执行操作命令时使电路恢复到初始状态。

检测电路主要是检测电压与电流，其中电流检测选用了TBC-25-50C04霍尔电流传感器，电压检测则是选用了TBV25A系列霍尔电压传感器。

辅助电源电路的输入是主电路整流、滤波之后的直流电压源，该电压值为30 V，通过不同的处理电路获得不同的直流电压给控制系统的各单元电路、器件供电：30 V直流电压通过LM7824得到+24 V，进一步通过A2415S获得±15 V，进一步通过LM2940获得+5 V，进一步通过AMS1117-3.3 V和AMS1117-1.5 V得到+3.3 V、+1.5 V。此外，为了获得+0.5 V、5 A直流电源，本文设计了同步BUCK电路实现。

保护电路主要包括过压保护、过流保护、温升保护等，是确保控制系统稳定运行以及保证人身安全不可缺少的部分。

3  永磁同步电动机矢量控制系统的软件设计

在图2中，SVPWM模块是空间矢量PWM模块，能结合三相逆变器，利用伏秒平衡原则使电机产生运动轨迹接近圆形的旋转磁场，如图2所示。其中，三相逆变器能产生6个非零基本矢量u1～u6以及2个零矢量u0、u7，u是下一采样周期内所需的空间电压矢量。

本文的永磁电机矢量控制系统采用双闭环结构，d轴、q轴电流调节器构成内环，转速调节器是外环，三个调节器均设计为PI调节器。

为了让电机在起动过程中能以最大电流起动，同时，在外部干扰时能快速恢复，加快动态跟踪响应速度，提高系统的稳定性，通常利用电流PI调节器将电流内环整定为典型I型系统，该PI调节器的参数为：

（4）

（5）

其中，电流采样周期等于载波周期Ts。

为了减少外界干扰对控制系统转速的影响、减小转速波动，使得控制系统工作在稳定状态，通常利用转速PI调节器将转速外环整定为典型II型系统，该PI调节器的参数为：

（6）

（7）

其中，转速采样周期等于载波周期Ts的十倍，J为电机转子的转动惯量。

为了方便系统的调试，本文还设计了控制系统的人机交互功能，包括键盘与显示模块、上位机界面。其中，显示模块是0.96寸OLED七针显示屏，用来实时显示单片机采集的电流、电压以及电机转速、运行状态等参数;按键输入模块则是利用了主控芯片的外部中断，可以用来调节电机速度等参数，还具有紧急制动及恢复初始设定转速等功能。

除此之外，为了确保系统能够正常运行，本文还设计了控制系统的故障预警功能。当故障（过压、过流、高温等）出现时，主控芯片将自动切断后续电路，并发出声光警报。

4  永磁同步电动机矢量控制系统的调试

根据上述软硬件设计，搭建了永磁同步电动机的矢量控制系统，所使用的永磁同步电动机的极对数为4，额定转速为3000 r/min，额定功率为100 W，额定电压为24 V。

该永磁同步电动机自带编码器用于电机的转速测量及转子定位，编码器输出A、B、Z三路脉冲信号。其中，A、B两路信号波形相同、相位不同，能够反映电机的转向。转子每转过一圈输出一个Z信号脉冲，该脉冲与转子位置对应，可用于电机运行过程中的转子定位修正，以便获得更好的控制效果。

利用搭建的永磁同步电动机的矢量控制系统，分别进行了硬件电路、软件程序检测，并进行了相应的改进。针对该调速系统进行了调速实验测试，在程序中设定给定转速为3000 r/min，并将实时转速值发送到前述建立的上位机，以便在上位机端显示电机调速过程中的转速曲线，如图3所示。根据图3，电机转速出现超调之后，经过几次震荡逐渐趋于稳定。

5  结语

本文基于STM32F103ZET6芯片，设计、制作了永磁同步电动机的矢量控制系統，包括硬件电路、软件算法，并进行了相关的实验测试，该控制系统能准确的进行电机转速调节，系统性能达到了预期。

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