稀土永磁同步电机智能控制器的设计

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稀土永磁同步电机智能控制器的设计

2022-03-21 08:29:07 | 浏览次数：

��zoޛ�)j首�� 方案的可行性与控制性能；详细介绍以TMS320F2812为核心的永磁同步电机智能控制器硬件电路，编制完整的软件程序并进行了实验验证。

关键词：永磁同步电机；电压空间矢量控制；DSP

中图分类号：TM351 文献标识码：A 文章编号：1672-9129（2017）07-0189-04

The design and development of the intelligent Controller for REPMSM

Huang Lixia

（Information and mechanical and electrical engineering college ， Ningde Normal University， Ningde 352100， China）

Abstract：Aiming at the characteristic of rare earth and permanent magnetism and synchronous motor （“REPMSM” for short）， the variable speed system based on vector control theory is designed. The stator field-oriented vector control strategy is described. In order to validate the feasible and effectiveness of the scheme the dual closed-loop vector control system simulation platform for REPMSM has been put up on MATLAB/Simulink. And then， this paper introduced the hardware circuit of PMSM intelligent controller based on DSP TMS320F2812 in detail； The control programs were written and Verification test is carried out.

Key words：PMSM； SVPWM； DSP

引言

REPMSM采用稀土永磁體励磁来代替线圈电流励磁。与传统的电励磁电机相比，REPMSM优点是：① 结构紧凑、体积小、重量轻，温升低，功率密度高；② 无励磁损耗，高、效率高；③ 无需励磁绕组和励磁电源，结构简单、运行可靠；④ 起动转矩大，有利于解决“大马拉小车”的现象；⑤ 力能指标好；⑥ 电机有多种尺寸和形状[1-4]。

目前，REPMSM采用变频控制的方法，以充分发挥REPMSM优越的性能达到节能高效的目的，但是， REPMSM专用的变频器甚少，研发一套专用变频调速系统是有意义的。本文意在采用控制算法易于实现且控制效果良好的电压空间矢量控制方案设计REPMSM的变频调速系统。论文在分析矢量控制策略的基本原理的基础上，在Simulink软件上搭建仿真平台；并设计控制器的硬件电路与软件程序。

1 控制原理

id=0控制称为磁场定向控制[3，4]，控制原理框图，如图1所示。REPMSM矢量控制将定子三相电流经过Clarke和Park变换解耦成d-q轴坐标系上的分量id、iq。其中id作为控制系统的电流内环，其参考电流id*=0；iq为转速内环的控制参量，其参考值为转速外环输出；将id、iq与参考值id* 、iq*进行比较，二者差值经过电流调节器输出d-q轴定子电压分量ud、uq；再经过Park变换转换成uα、uβ；根据SVPWM控制算法判断合成矢量Uout所在的扇区并计算逆变桥开关管的开关时间，控制开关管的开通和关断。当id=id* =0、iq =iq*时，即可实现永磁同步电机直轴、交轴之间完全解耦。在调速过程中，只需改变给定的转速或者是频率就可以通过闭环系统改变速度最终达到稳定的转速。

2 软件仿真分析

磁场定向矢量控制软件仿真系统，如图2所示，主要包括：

（1）控制参考量给定值。①直轴电流参考值id*=0；②运转转速给定值n*或电机运转频率f*，n*=60f*/P。

（2）双闭环反馈环节。其中电流环为内环，转速环为外环，常用的转速环和电流环可由PI调节器构成，转速环和电流环的设计直接关系到控制控制的性能与运行的稳定性。适当的电流环能够提高系统的控制精度和响应速度；而良好的转速环，能够提高系统抗干扰的能力，抑制速度的波动。转速环的参考量即n*，反馈量由测量模块实时采集当前电机转速；电流环的参考量包括①q轴电流参考量由转速调节器输出给定，反馈量由电流测量模块测得电机当前定子电流转q轴分量iq；②d轴的参考量即id*=0，反馈量由电流测量模块测得电机当前定子电流转d轴分量id。

（3）坐标变换环节，包括Park变换、Clarke变换以及对应的逆变换。

（4）SVPWM算法步骤：首先以Uα、Uβ为判断依据，判断电压合成矢量所在扇区，然后计算该扇区相邻两个矢量的作用时间，最后计算矢量切换点时间，确定6路驱动信号的占空比。

（5）三相IGBT逆变桥单元和PMSM单元直接调用软件自带的模块。逆变桥输入DC540V，由（4）输出的SVPWM信号控制，输出电压直接接至PMSM定子绕组上，控制电机旋转。

（6）测量模块，包括转速、转子位置、三相定子电流、d-q坐标系下定子电流分量、转矩等。其中电机当前转速直接反馈至转速环，d-q轴电流分量反馈至电流环。

仿真平台运行结果如图3所示。运行0.3s，n* =1500r/min，负载转矩为0；t=0.005s，负载转矩为10N.m；t=0.05，负载转矩为5N.m；t=0.1，n* =1000r/min；t=0.15时，负载突增至10N.m；t=0.2时，n*=1500r/min。图3（a）（b）曲线可知负载转矩突变时，转速、id、iq出现微小波动，但瞬间能够恢复到稳定转速；突变转速时，电磁转矩出现较大超调，每次在0.015s后恢复稳定；稳定运行情况下，id接近参考值0；图3（c）（d）可见矢量控制下PMSM定子三相電压矢量图为正六边形且磁链曲线近似圆形。仿真结果表明，PMSM变频控制系统在突变转速、突变负载的情况下，系统具有较快的响应速度和跟随性。

3 控制器硬件电路

以F2812为核心的REPMSM智能控制器的硬件结构图，如图4所示，包括主电路、驱动电路、测量电路、保护电路、开关电源等五大部分。

3.1 主电路

REPMSM智能控制器采用的是交直交变频电路，由图4所示主电路由整流电路、滤波电路、制动电路、逆变电路构成。三相AC380V先整流在经过滤波电容得到稳定的直流电压。由于滤波电容的容量很大且母线直流电压高，系统上电瞬间大容量的储能电容相当于“短路”，瞬时过高的充电电流，易导致三相整流桥损坏，甚至烧坏滤波电容；为了限制启动瞬间的充电电流，主回路串联限流电阻R1，并设计电压提取电路检测主电路电压，利用信号放大与比较电路，一旦充电电压达到预定值产生驱动信号，触发开关管Q1导通，短接限流电阻。D1的作用是避免阻断电容放电时的反向电流，保护单向导通开关管Q1。R3和LED是系统带电标志，避免断电时电容未完全放电，人体触碰发生危险。

图4所示由R2、D2、Q2构成制动电路。因为电动机通过降低变频器输出频率来实现的降速，在减速时能量回馈都到直流电路，导致直流母线电压升高，对储能电容和逆变模块造成瞬间的电压和电流冲击甚至损坏设备。工作原理：与起动电路工作原理一样，将电压提取电路测得的电压经过信号放大与比较电路2，一旦出现过压触发Q2导通，能量经D2、R2消耗。

Q3-Q8构成三相逆变桥，IGBT是典型电压型器件，开通和关断由栅极（g）与发射极（s）间的电压Ugs决定且关断瞬间存在过电压，必须设计栅极保护和关断缓冲吸收电路，如图8所示。IGBT驱动电压为15-20V，栅极保护措施是在栅极与发射极之间并联两个反向串联的+15V稳压二极管D1、D2；由于存在寄生电容，即使Ugs=0，只要集电极与发射极之间存在电压（UCE）足够大，都会在集电极-发射极之间有电流流过，容易使IGBT发热甚至损坏，因此栅极在栅极上串联电阻 R2。关断缓冲吸收电路的设计由开关管的开关频率、负载等决定，文献[7]详细论述论述并仿真各类常用的逆变桥用IGBT的缓冲吸收电路，Q1工作在低频状态，因此RCD缓冲电路就能满足要求，如图5（a）所示。而构成逆变桥的IGBT工作在高频状态，因论文采用放电阻止型RCD吸收电路，如图5（b）所示，这种结构的优点是抑制过电压效果好，不会引起集电极电流上升，吸收回路的寄生电感小，附件损耗小。

3.2 驱动控制电路

驱动电路以三相逆变桥驱动芯片IR2233S为基础，该芯片内部集成了输入控制逻辑电路、电源欠压保护、过流保护、电流检测以及故障逻辑等功能，驱动电路如图6所示，IR2233S的基本工作原理：芯片上电后利用自举电路提升电路电压直至足以驱动IGBT，这将上桥臂驱动信号转换成电位悬浮的驱动信号。HIN1-HIN3、LIN1-LIN3是分别对应三对驱动信号，电压提升后在芯片正常工作时，在其输出端即可输出三相逆变桥驱动信号，其中HO1-HO3为三个上桥臂驱动信号高端，VS1、VS2、VS3为上桥臂驱动信号悬浮地端，LO1-LO3为三个下桥臂驱动信号。D5、D6、D7为自举二极管同样必须选择高压快恢复二极管。C6、C7、C8为自举电容，自举电容的容量与IGBT的开关频率、占空比以及门极电容都有关，文献[8]论述了自举电容选型办法。

FAULT与DSP的功率故障保护引脚PDPINT相连，一旦出现故障，PDPINT被强制拉至低电平DSP立即停止SVPWM输出，同时IR2233S停止工作，起到双重保护的作用；FLT_CLR为故障清除引脚，低电平有效，可通过软件程序对驱动芯片进行复位；逻辑关断输入引脚SD，高电平有效，可通过软件直接设置此引脚使驱动芯片停止工作。毫欧级过电流检测电阻R11为电流检测电阻，将电流转换成电压送到过流信号检测引脚ITRIP，若电压超过芯片内部比较器基准电压0.5V，芯片立即执行软关断， FAULT跳变为低电平。R12、R14与内部比较器构成比例放大电路，由CAO输出放大后的电压。

3.3 电压电流及转速测量电路

电压电流采样电路是通过霍尔传感器将高电压、大电流信号按一定的比例缩小，再用电压提升电路，将信号转换到DSP能够承受的范围，硬件实物如图7所示。A、V分别表示电流、电压传感器。以电压采样为例，图8是采样电路实测的波形，（a）是单相的电压波形，采样电压被提升，在整个周期都为正值且相位保持不变；图（b）是提升后的三相电压信号波形，对应A、B、C三相电压，从中可见三相电压信号相对相位保持不变，幅值都在0～3V范围内，且波形不失真。

电机转子的位置和转速是矢量控制必须测得的两个参数，利用增量式编码器EW48C4L2048Z进行测量。该编码器能够同时输出A、B、Z、U、V、W方波脉冲，如图9所示。增量信号A、B相位差90°，利用F2812正交编码电路（QEP1、QEP2）可根据A、B脉冲时序，判断旋转的方向，同时对A脉冲计数在软件程序中计算转子位置和转速；Z信号通常又称为零通道，编码器的绝对零位的判定依据，转子每旋转一周，编码器输出一个Z脉冲。而UVW信号可用来估算PMSM转子初始位置。

3.4 隔离保护电路

目前考虑到的故障主要有直流母线过电压、过流、欠压、驱动逆变桥PWM信号直通保护。

母线电流、电压检测电路如图10所示，利用电流传感器将母线大电流转换成小电流，并通过检测电阻转换成电压，一旦出现过流，比较电路输出过流信号Ioc1由高电平跳转为低电平；直流母线电压检测采用电阻分压方法，利用U2A、U2B构成的比较电路分別判断Ux是否出现过压或欠压，过压时Uov1由高电平跳转为低电平，欠压时Uuv1由高电平跳转为低电平。

为避免因程序死循环等原因造成DSP输出的SVPWM信号出现直通，导致IGBT过流击穿，设计驱动信号直通检测电路。图11中，H1～H3为上桥臂驱动信号，L1～L3为下桥臂信号，分别将每对信号输入到两输入与非门，当SVPWM信号正常时，P1～P3输出高电平；任意一桥臂驱动信号同时为高电平时，即驱动信号错误，Q1输出高电平。

综上所述，所有故障检测信号正常时皆为高电平，在故障时跳转到低电平。将这些信号集结成单一的故障信号，如图11所示，只要任意故障发生SD输出高电平，驱动芯片停止工作。同理，图12将所有的硬件故障集结成单一的信号，作为DSP功率驱动保护引脚的输入，一旦硬件电路有问题，DSP立即关闭SVPWM功能。

必须注意的是任何与DSP引脚相连的信号都必须使用光耦进行隔离，防止DSP芯片受冲击损坏损。

4 控制软件分析

控制系统程序执行工作流程：

① 主程序主要完成系统程序使用到的外设、I/O端口、LCD初始化、按键等初始化工作，使能相关中断；在while循环中，执行LCD显示及按键子程序，等待中断发生。

② GP定时器中断发生时，启动ADC，每次A/D转换完成，计算A/D实际电流的标幺值，计算一次电流环，电流环属于内环，属于小惯性环节，转速环的无需每次都计算；在电流环计算一定次数后计算一次转速环，通过PI调节器输出SVPWM功能子程序所需要的参数，更新事件管理器比较寄存器，产生SVPWM驱动电机旋转；软件程序中的相关计算都采用定点计算以提高计算精度。

③转速和转子位置的测量是利用DSP事件管理器的正交编码模块，通过采集编码器输出的A、B相脉冲信号，确定电机旋转方向，对脉冲进行计数，在转速与转子位置计算子程序中计算当前转子位置与转速。

④ 当系统出现过压、过流等故障时，供电驱动保护中断脚被外部硬件保护电路拉至低电平，PWM输出引脚被设置成高阻状态禁止PWM输出，保护中断程序中将输出故障信号给硬件电路，同时提供驱动电路故障信号。控制程序中断流程图，如图13所示。

5 小结

论文阐述了PMSM基于磁场定向的SVPWM矢量控制策略，利用Simulink软件搭建控制器软件仿真平台，验证了方案实施的可能性。设计了PMSM智能控制器的硬件模块，包括主电路、驱动电路、测量电路、保护电路、开关电源。介绍了软件控制程序工作流程。

参考文献

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