DSP的永磁同步電機(jī)控制器研究范文

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《機(jī)電技術(shù)雜志》2014年第二期

1控制器硬件系統(tǒng)

本控制器系統(tǒng)主要包括主功率電路、電機(jī)本體、控制回路等。其中控制回路主要由主控dsp芯片和采樣檢測電路組成。這里核心控制器采用頻率150MHz的電機(jī)控制領(lǐng)域最先進(jìn)的控制芯片TMS320F2812DSP，該控制芯片在高精度伺服控制、可變頻電源等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，同時是電機(jī)等數(shù)字化控制的最佳選擇。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，將220V交流電經(jīng)整流電路整流，濾波電容濾波，獲得平滑的直流電輸出，最后經(jīng)逆變電路轉(zhuǎn)換成三相對稱的交流電供給永磁同步電機(jī)。系統(tǒng)利用霍爾電流傳感器將檢測到的定子相電流信號經(jīng)ADC模塊送入DSP，構(gòu)成系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制環(huán)。光電編碼器檢測到的電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置信號通過QEP模塊輸入到DSP中，構(gòu)成電機(jī)的轉(zhuǎn)速環(huán)和位置環(huán)控制。在DSP中應(yīng)用軟程序?qū)z測到信號進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算轉(zhuǎn)換，生成控制所需的SVPWM脈沖驅(qū)動信號，經(jīng)過光耦隔離電路，驅(qū)動IPM智能功率模塊，控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷的時間，從而產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)系統(tǒng)檢測到故障信號時，通過光耦隔離電路將故障信號傳輸?shù)紻SP功率保護(hù)輸入中斷引腳（PDPITNT），產(chǎn)生功率保護(hù)中斷信號，從而關(guān)斷6路PWM信號的輸出脈沖信號，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障保護(hù)。另外，通過DSP的SPI、SCI、GIPO等接口實(shí)現(xiàn)了DA轉(zhuǎn)換、上位機(jī)連接等外圍輔助電路。

1.1主功率電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主功率電路由整流電路、濾波電路和IPM模塊組成。整流部分采用單相不可控整流模塊GBJ25M，GBJ25M最大輸出電流為25A（電阻或電感性負(fù)載）/20A（容性負(fù)載），可承受的最大正常工作電壓為1000V。在50Hz市電條件下帶額定負(fù)載時，正常耐壓范圍之內(nèi)管子能夠承受的最大浪涌電流為350A。市電經(jīng)整流后輸出直流電，其電壓最大值為2×220=311V，GBJ25M整流模塊完全能滿足要求。為濾除整流后的諧波干擾并保證供給IPM的直流電壓的穩(wěn)定性，整流橋和逆變橋之間還需并聯(lián)一個大電容，理論上電容值越大越好。但一般工程中需要給電容的耐壓留有1.2倍的裕量，因此濾波電容的耐壓至少為375V。又因?yàn)槭须娸斎霑r存在電壓波動，假定電壓波動為±20V，則對應(yīng)的最大輸入電壓240V經(jīng)整流后輸出電壓峰值為340V。功率因數(shù)取0.9，那么電容吸收的能量為：本文逆變電路部分采用的是IPM（智能功率模塊）PS21964，它將高壓功率晶體管和驅(qū)動電路集成在自身內(nèi)部，并且通過內(nèi)置過壓、過流和過熱等故障檢測電路，集成在一起，確保操作安全和控制器的可靠運(yùn)行。此外，該模塊需要一個+15Vdc電源來提供工作電壓，用以簡化模塊在電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中的使用。

1.2控制回路設(shè)計(jì)控制回路主要是實(shí)現(xiàn)電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的三閉環(huán)控制，DSP將檢測到的電流信號、速度信號和位置信號經(jīng)過程序運(yùn)算處理，由事件管理器EVA和EVB產(chǎn)生6路PWM信號控制逆變橋的導(dǎo)通關(guān)斷。

1.2.1相電流檢測電路永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)采用id=0控制策略，本文利用TBC15P閉環(huán)霍爾電流傳感器適時檢測星接永磁同步電機(jī)任意兩項(xiàng)定子的相電流如圖3所示，以實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制。系統(tǒng)利用TMS320F2812具有的12位高分辨率的AD轉(zhuǎn)換器，提高電流采樣的準(zhǔn)確性和實(shí)時性。由于DSP的ADC輸入電壓的范圍是[0,3.3V]，而霍爾電流傳感器輸出的電流則是雙極性信號，因此需要通過轉(zhuǎn)換電路將檢測的電流轉(zhuǎn)換為DSP能識別的電壓信號。電流傳感器檢測到的電流信號先經(jīng)過線性隔離放大器HCPL7840隔離，輸出信號再經(jīng)過RC濾波，然后通過運(yùn)放電路進(jìn)行直流偏置，最后通過一級比例運(yùn)算，轉(zhuǎn)換到[0，3.3V]的范圍。其中，偏置電壓為+5V，運(yùn)放電路選擇TLE2142高速雙運(yùn)放芯片。兩個反串聯(lián)的二極管起電壓嵌位的作用，防止電壓超過3.3V。

1.2.2位置檢測電路位置檢測主要是通過光電編碼器完成，本文選用混合式光電編碼器，單圈脈沖數(shù)為2000，信號采用差分驅(qū)動輸出減少了信號傳輸?shù)墓材８蓴_。電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測電路如圖4所示。電機(jī)啟動后可以根據(jù)U、V、W信號的邊沿觸發(fā)信號確定轉(zhuǎn)子所處的初始位置。編碼器輸出的U、V、W信號，經(jīng)過MM74HC14，輸出為3路互差120∘電角度、寬度為180∘電角度的方波信號，再經(jīng)過高速光耦6N137隔離后，通過施密特觸發(fā)器74HC14對信號進(jìn)行整形，保證了位置檢測的準(zhǔn)確性。最后通過QEP模塊輸入到TMS320F2812中，DSP根據(jù)捕獲端口電平變化情況判斷轉(zhuǎn)子所處相位區(qū)間，從而確定轉(zhuǎn)子的角度。

1.2.3轉(zhuǎn)速檢測電路光電編碼器輸出為6路差分信號A±、B±、Z±，輸出電壓的范圍為[0,5V]，通過差分接收器對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)速檢測電路如圖5所示。本文采用DS3486把編碼器各路脈沖信號轉(zhuǎn)換成單路輸出，然后經(jīng)過光耦6N137隔離后，通過施密特觸發(fā)器74HC14對信號的整形，最后通過QEP模塊輸入到TMS320F2812中。

2控制器建模及仿真結(jié)果分析

運(yùn)用Matlab/simulink可以準(zhǔn)確地建立基于磁場定向的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型。三閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制過程是：由位置指令值與位置反饋值比較后，經(jīng)位置調(diào)節(jié)器求得速度指令值。速度指令值與速度反饋值比較后，經(jīng)速度調(diào)節(jié)器求得電流（矢量）大小的指令值。根據(jù)電流指令值與實(shí)際位置值計(jì)算得出三相電流瞬時指令值，在經(jīng)過電流閉環(huán)控制，使各相定子電流接近指令值。電流調(diào)節(jié)器輸出值經(jīng)過SVPWM模塊，輸出6路PWM波控制逆變模塊，產(chǎn)生期望的相電流供給PMSM。永磁同步電動機(jī)三閉環(huán)矢量控制仿真模型的系統(tǒng)框圖如圖6所示。本文選用的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1000rad/s，極對數(shù)為4，位置給定值設(shè)置為400rad,仿真時間設(shè)定為0.5s。轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形如圖7所示，可以看出電機(jī)空載時能很快達(dá)到最大轉(zhuǎn)速，略有波動后穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速1000rad/s，在0.1s時加載4N•m負(fù)載，轉(zhuǎn)速略有波動，但很快穩(wěn)定在1000rad/s，當(dāng)將到達(dá)設(shè)定位置400rad時，電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，同時將4N•m的負(fù)載卸載，下降過程中轉(zhuǎn)速響應(yīng)快，略有波動，最終在0.5s時，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在0rad/s而停車。電流的轉(zhuǎn)矩分量與勵磁分量波形如圖8所示，定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量在電機(jī)啟動和停止時，都有波動；在電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時，波動小；0.1s加入負(fù)載時，轉(zhuǎn)矩分量迅速響應(yīng)，有一個較大波動然后穩(wěn)定運(yùn)行；最后電機(jī)轉(zhuǎn)速下降并最終停止轉(zhuǎn)動，在電機(jī)制動的過程中電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量都有一個較大的波動，最終兩分量都降為0A。電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩波形如圖9所示，由圖可以看出電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩始終圍繞在負(fù)載轉(zhuǎn)矩周圍上下波動；電機(jī)啟動時電磁轉(zhuǎn)矩有較大波動產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)矩，0.1s加入4N•m負(fù)載時，電磁轉(zhuǎn)矩迅速響應(yīng)達(dá)到4N•m，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降并最終停止轉(zhuǎn)動時，電磁轉(zhuǎn)矩迅速下降并產(chǎn)生反向的制動力矩，最終穩(wěn)定在0N•m。三相定子電流波形如圖10所示，從圖中可以看出，電機(jī)起動時電流有波動；當(dāng)電機(jī)空載穩(wěn)定運(yùn)行時，電流值很小接近0A；0.1s時加入負(fù)載，三相電流值迅速上升；當(dāng)轉(zhuǎn)速突然下降并最終降為0rad/s時，定子各相電流先是存在小的波動，然后趨于平穩(wěn)，并最終各相電流值降為零。由仿真實(shí)驗(yàn)波形可見，電機(jī)的啟動速度很快，且能準(zhǔn)確快速跟蹤給定速度。在加負(fù)載的情況下，速度經(jīng)短暫的波動后可以跟蹤速度給定，轉(zhuǎn)速波動很小。調(diào)試系統(tǒng)中，電機(jī)的起動—停止過程的轉(zhuǎn)速曲線表明，電機(jī)可以按額定轉(zhuǎn)速迅速到達(dá)指定位置，且能夠準(zhǔn)確定位停車。控制系統(tǒng)可迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，超調(diào)及穩(wěn)態(tài)誤差都很小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本控制器設(shè)計(jì)合理，具有良好的動靜態(tài)性能。

3結(jié)論

本文使用先進(jìn)的數(shù)字信號處理芯片，設(shè)計(jì)了一種永磁同步電動機(jī)數(shù)字控制器，通過對永磁同步電動機(jī)模型及控制策略的分析，提出了永磁同步電機(jī)的控制器的主要硬件結(jié)構(gòu)部分并搭建了控制器的仿真模型。通過對仿真模型進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究，包括永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的啟動、運(yùn)行和停車仿真實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)運(yùn)行的整個過程轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩波動小，超調(diào)量小，且可精確定位，即系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)合理，具有良好的動靜態(tài)性能。

作者：李萬魁單位：晉城煤炭規(guī)劃設(shè)計(jì)院