用于汽车电动助力转向系统的PMSM电机伺服设计

　　定子电压方程

　　

　　式中：ud，uq为d，q轴电压； id，iq为d，q轴电流；Ld，Lq为定子电感在d，q轴下的等效电感； Rs为定子电阻； we为转子电角速度； yf为转子励磁磁场链过定子绕组的磁链； p为微分算子； Pn为电机极对数； wm为转子机械转速； J为转动惯量； TL为负载转矩。

　　上述方程是通过a，b，c坐标系到d，q转子坐标系的变换得到的。这里取转子轴为d轴，q轴顺着旋转方向超前d轴90o电角度。其坐标变换如下：

　　克拉克(CLARKE)变换

　　

　　从转子坐标来看，对于定子电流可以分为两部分，即力矩电流iq和励磁电流id。因此，矢量控制中通常使id=0来保证用最小的电流幅值得到最大的输出转矩。此时，式(5)的电机转矩表达式为

　　

　　由式(11)看出，Pn及yf都是电机内部参数，其值恒定，为获得恒定的力矩输出，只要控制iq为定值。从上面d, q轴的分析可知，iq的方向可以通过检测转子轴来确定。从而使永磁同步电机的矢量控制大大简化。整个PMSM电机的磁场定向控制(FOC)如图5所示。

　　

　　以XC164CM为核心的PMSM电机控制系统硬件如图6所示。整个系统的控制电路由XC164CM组成。XC164CM作为控制核心，接受外部信息后判断系统的工作模式，并转换成逆变器的开关信号输出，该信号经驱动电路后直接驱动功率MOSFET给电机供电。

　　

　　电流采样电路

　　通常PMSM电机的矢量控制要求采样两相电机定子电流，如ia和ic。但本系统通过单个采样电阻采样直流母线电流, 并结合实际输出的PWM组合来推知实际的电机定子相电流。XC164CM的ADC 可以设置成由PWM波形的上升/下降沿同步触发。显然, 这种方法可以在一个PWM开关周期内对两相电流采样两次，如图7所示。

　　

　　转子位置检测电路

电机转子位置反馈采用增量式光电编码器，该编码器分辨率为2000脉冲/转，其中A和B信号互差90°(电角度)，XC164CM通过判断A和B的相位和个数可以得到电机的转向和速度。通过采集这些信号判断电机转子的位置和电机的转速。

 

    三、软件设计

　　该系统软件由2个部分组成：主程序和各功能模块如电流采样，速度和位置计算，速度PI控制， 电流PI控制，CLARKE和PARK变换及反变换，空间矢量PWM等。主程序内完成系统的初始化，I/O接口控制信号，XC164CM内各个控制模块寄存器的设置等，然后进入死循环程序。各功能模块则以PWM周期为基准按一定时间间隔执行。整个软件流程如图8所示。

　　

　　实际测量下来各主要功能模块所花费的时间如表1所示。

 

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