浅析永磁同步主轴电动机控制设计

【摘要】以数字信号处理器TMS320F2812为主控芯片，根据矢量控制原理，结合空间电压矢量脉宽调制SVP-WM方法，实现d-q轴电流的解耦控制，完成永磁同步主轴电动机的矢量控制。在此基础上，设计了利用外环电压饱和程度进行直轴电流弱磁控制的算法，拓宽了永磁同步主轴电机控制系统的调速范围。控制系统主要包括功率主电路、控制电路、隔离驱动电路、信号检测及调理电路、辅助电源、显示及参数设定电路。经实验验证，控制系统运行可靠、动静态性能良好，基速以下具有恒转矩特性，基速以上实现了弱磁升速，满足数控机床主轴驱动应用要求。

【关键词】矢量控制；空间电压矢量脉宽调制；永磁同步主轴电动机；弱磁控制

机床主轴是机床的核心功能部件，传统机床主轴是由电机通过中间的传动装置，如皮带、齿轮等带动主轴旋转而进行工作的。电主轴是将机床主轴与电机融为一体的高新技术产品，电主轴控制系统由主轴电机和驱动控制器等组成。与传统机床主轴相比，电主轴具有十分明显的优势，由于省去复杂的中间传动环节，不仅具有结構简单紧凑、噪声低、振动小等特点，而且能显著地提髙生产效率及零件的表面质量和加工精度。

数控机床主轴驱动领域已经形成了各种主轴驱动并存的局面，呈现出无级调速直接驱动取代机械变速间接驱动、稀土永磁交流驱动取代传统异步电机驱动，向着高效、大功率方向发展的趋势。永磁同步电动机与异步电动机相比具有功率密度大、效率高、噪声低等优点，并且随着矢量控制、弱磁控制技术应用的不断成熟，使永磁同步电动机在机床主轴驱动应用中得到广泛关注和发展。

本文采用TMS320F2812芯片为控制核心，充分利用其高速的处理能力和丰富的外设，实现电流环、速度环的双闭环控制。基于矢量控制原理实现d、q轴的解耦及弱磁控制，采用SVPWM算法，按照跟踪旋转磁场来控制逆变器的工作，这样，直流母线电压利用率高，开关损耗小，电动机转矩脉动小。数控机床永磁同步主轴电动机控制系统适应了数控机床电机运行可靠、精度高、动态响应快的应用特点。本文完成了系统软件和硬件设计，实验结果表明系统控制性能良好，为主轴电动机控制器设计提供了借鉴。

一、永磁同步电动机调速方案

矢量控制的思想是将强耦合的交流电动机系统通过坐标变换，将电流矢量分解成两个相互垂直、彼此独立的励磁电流分量和转矩电流分量，实现电流的解耦控制，模拟直流电机，以达到控制电机的目地。

二、硬件设计

永磁同步主轴电动机控制系统以TI公司的TMS320F2812为控制核心，主要由主电路、控制电路、隔离驱动电路、信号检测及调理电路、辅助电源、人机面板几部分组成，主电路的整流和逆变均采用集成智能功率模块，最小系统电路、仿真接口电路、通信电路等，主要完成通信、信号的运算处理和矢量控制、弱磁控制算法的实现。检测电路部分包括电流、电压以及电机转子位置信号的检测电路，其中霍尔电流传感器和霍尔电压传感器完成电流、电压的检测，增量式光电编码器完成电机转子位置信号检测。

1、IPM模块及保护电路

主电路主要包括整流电路、IPM电路，均采用集成的智能功率模块，下面主要介绍IPM模块及其驱动保护电路。IPM选用耐流值75A的三菱PM75RLA120智能功率模块。IPM一共含有7个IGBT，控制电机制动时母线电压泵升能量的释放，导通管可以将泵升能量快速释放在外接的制动电阻上，很好地解决了主轴电动机制动时母线电压泵升问题。

2、电流信号检测

电流信号使用霍尔电流传感器检测，采用DSP自带的AD进行数模转换，由于DSP的AD采样端口是单极性电路，输人电平必须为0～3.3 V才能确保AD安全正确的转化。因此，需要将信号进行缩放、滤波和偏置处理，然后经过工作电压为3.3 V轨对轨的运算放大器输入到DSP采样端口。相电流调理电路由三级运算放大电路构成，第一级运算放大电路对信号进行缩放和偏置处理，第二级运放实现二阶有源低通滤波，第三级运放进行轨对轨电压跟随，保证信号电压低于3.3 V，安全地输人到DSP的AD端口。

三、软件设计

主程序主要完成系统变量定义及初始化、系统初始化、中断向量配置、对系统控制命令和故障进行处理以及系统通讯。将控制指令和故障处理放在主函数里主要是为了其能快速响应指令和对系统进行保护。定时器T1下溢中断程序主要完成电流采样和定标、转速和位置检测、速度调节和电流调节、矢量变换、SVPWM产生等，定时器T1下溢中断。

四、实验结果

实验对象为5.5kW、额定转速3000r/min的内嵌式永磁同步电动机。驱动系统在基速3000r/min以下具有恒转矩特性，基速以上实现了弱磁升速，拓宽了永磁同步主轴电动机的调速范围，适应了主轴电动机驱动低速恒转矩、高速恒功率的应用要求。电机以给定4000r/min起动升速，大约4s便可以稳定在4000±30r/min，实际带有0.5N.m的负载，这时电机电流基本全部用来弱磁。示波器每格对应电流50 A，实测三相电流峰值为28 A，在控制器和电机允许的最大电流30A以内。可以看出电机动态响应快，转速稳态精度高，三相电流波形正弦度好，说明电机控制性能良好。

五、结语

本文在矢量控制原理的基础上，实现d，q轴电流的解耦，设计了永磁同步电动机的矢量控制和弱磁控制算法，完成了数控机床永磁同步主轴电动机控制系统的硬件和软件设计。实验结果表明，主轴电机基速3 000 r/min以下能够实现恒转矩驱动，高速段能够弱磁升速，拓宽了主轴电机的转速范围。实际测试中，主轴电机在整个转速范围内运行平稳、精度高、动态响应快，满足数控机床主轴驱动应用要求。

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