DSP的永磁同步電機控制器研究范文

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《機電技術雜志》2014年第二期

1控制器硬件系統

本控制器系統主要包括主功率電路、電機本體、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的電機控制領域最先進的控制芯片TMS320F2812DSP，該控制芯片在高精度伺服控制、可變頻電源等領域廣泛應用，同時是電機等數字化控制的最佳選擇。系統硬件結構框圖如圖2所示，將220V交流電經整流電路整流，濾波電容濾波，獲得平滑的直流電輸出，最后經逆變電路轉換成三相對稱的交流電供給永磁同步電機。系統利用霍爾電流傳感器將檢測到的定子相電流信號經ADC模塊送入DSP，構成系統的電流閉環控制環。光電編碼器檢測到的電機轉子轉速和位置信號通過QEP模塊輸入到DSP中，構成電機的轉速環和位置環控制。在DSP中應用軟程序對檢測到信號進行相應的運算轉換，生成控制所需的SVPWM脈沖驅動信號，經過光耦隔離電路，驅動IPM智能功率模塊，控制IGBT的導通和關斷的時間，從而產生相應的電壓信號控制電機運轉。當系統檢測到故障信號時，通過光耦隔離電路將故障信號傳輸到DSP功率保護輸入中斷引腳（PDPITNT），產生功率保護中斷信號，從而關斷6路PWM信號的輸出脈沖信號，以實現系統的故障保護。另外，通過DSP的SPI、SCI、GIPO等接口實現了DA轉換、上位機連接等外圍輔助電路。

1.1主功率電路設計系統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（電阻或電感性負載）/20A（容性負載），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載時，正常耐壓范圍之內管子能夠承受的最大浪涌電流為350A。市電經整流后輸出直流電，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的直流電壓的穩定性，整流橋和逆變橋之間還需并聯一個大電容，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。又因為市電輸入時存在電壓波動，假定電壓波動為±20V，則對應的最大輸入電壓240V經整流后輸出電壓峰值為340V。功率因數取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動電路集成在自身內部，并且通過內置過壓、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驅動應用中的使用。

1.2控制回路設計控制回路主要是實現電流環、速度環、位置環的三閉環控制，DSP將檢測到的電流信號、速度信號和位置信號經過程序運算處理，由事件管理器EVA和EVB產生6路PWM信號控制逆變橋的導通關斷。

1.2.1相電流檢測電路永磁同步電機矢量控制系統采用id=0控制策略，本文利用TBC15P閉環霍爾電流傳感器適時檢測星接永磁同步電機任意兩項定子的相電流如圖3所示，以實現電流閉環控制。系統利用TMS320F2812具有的12位高分辨率的AD轉換器，提高電流采樣的準確性和實時性。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，因此需要通過轉換電路將檢測的電流轉換為DSP能識別的電壓信號。電流傳感器檢測到的電流信號先經過線性隔離放大器HCPL7840隔離，輸出信號再經過RC濾波，然后通過運放電路進行直流偏置，最后通過一級比例運算，轉換到[0，3.3V]的范圍。其中，偏置電壓為+5V，運放電路選擇TLE2142高速雙運放芯片。兩個反串聯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，單圈脈沖數為2000，信號采用差分驅動輸出減少了信號傳輸的共模干擾。電機轉子位置檢測電路如圖4所示。電機啟動后可以根據U、V、W信號的邊沿觸發信號確定轉子所處的初始位置。編碼器輸出的U、V、W信號，經過MM74HC14，輸出為3路互差120∘電角度、寬度為180∘電角度的方波信號，再經過高速光耦6N137隔離后，通過施密特觸發器74HC14對信號進行整形，保證了位置檢測的準確性。最后通過QEP模塊輸入到TMS320F2812中，DSP根據捕獲端口電平變化情況判斷轉子所處相位區間，從而確定轉子的角度。

1.2.3轉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行轉換，轉速檢測電路如圖5所示。本文采用DS3486把編碼器各路脈沖信號轉換成單路輸出，然后經過光耦6N137隔離后，通過施密特觸發器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果分析

運用Matlab/simulink可以準確地建立基于磁場定向的永磁同步電機矢量控制系統仿真模型。三閉環控制系統的控制過程是：由位置指令值與位置反饋值比較后，經位置調節器求得速度指令值。速度指令值與速度反饋值比較后，經速度調節器求得電流（矢量）大小的指令值。根據電流指令值與實際位置值計算得出三相電流瞬時指令值，在經過電流閉環控制，使各相定子電流接近指令值。電流調節器輸出值經過SVPWM模塊，輸出6路PWM波控制逆變模塊，產生期望的相電流供給PMSM。永磁同步電動機三閉環矢量控制仿真模型的系統框圖如圖6所示。本文選用的電機額定轉速為1000rad/s，極對數為4，位置給定值設置為400rad,仿真時間設定為0.5s。轉速響應波形如圖7所示，可以看出電機空載時能很快達到最大轉速，略有波動后穩定在額定轉速1000rad/s，在0.1s時加載4N•m負載，轉速略有波動，但很快穩定在1000rad/s，當將到達設定位置400rad時，電機轉速迅速下降，同時將4N•m的負載卸載，下降過程中轉速響應快，略有波動，最終在0.5s時，轉速穩定在0rad/s而停車。電流的轉矩分量與勵磁分量波形如圖8所示，定子電流的轉矩分量和勵磁分量在電機啟動和停止時，都有波動；在電機穩定運行時，波動小；0.1s加入負載時，轉矩分量迅速響應，有一個較大波動然后穩定運行；最后電機轉速下降并最終停止轉動，在電機制動的過程中電流的轉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。電磁轉矩和負載轉矩波形如圖9所示，由圖可以看出電機的電磁轉矩始終圍繞在負載轉矩周圍上下波動；電機啟動時電磁轉矩有較大波動產生啟動轉矩，0.1s加入4N•m負載時，電磁轉矩迅速響應達到4N•m，電機轉速下降并最終停止轉動時，電磁轉矩迅速下降并產生反向的制動力矩，最終穩定在0N•m。三相定子電流波形如圖10所示，從圖中可以看出，電機起動時電流有波動；當電機空載穩定運行時，電流值很小接近0A；0.1s時加入負載，三相電流值迅速上升；當轉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，并最終各相電流值降為零。由仿真實驗波形可見，電機的啟動速度很快，且能準確快速跟蹤給定速度。在加負載的情況下，速度經短暫的波動后可以跟蹤速度給定，轉速波動很小。調試系統中，電機的起動—停止過程的轉速曲線表明，電機可以按額定轉速迅速到達指定位置，且能夠準確定位停車。控制系統可迅速達到穩態，超調及穩態誤差都很小，實驗結果表明本控制器設計合理，具有良好的動靜態性能。

3結論

本文使用先進的數字信號處理芯片，設計了一種永磁同步電動機數字控制器，通過對永磁同步電動機模型及控制策略的分析，提出了永磁同步電機的控制器的主要硬件結構部分并搭建了控制器的仿真模型。通過對仿真模型進行了一系列的實驗研究，包括永磁同步電機伺服系統的啟動、運行和停車仿真實驗研究。實驗結果表明：該系統運行的整個過程轉速平穩，轉矩波動小，超調量小，且可精確定位，即系統控制器設計合理，具有良好的動靜態性能。

作者：李萬魁單位：晉城煤炭規劃設計院