永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制

連 琨， 劉艷萍， 高美卿

(河北工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，天津 300130)

0 引言

永磁同步電動(dòng)機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)在伺服驅(qū)動(dòng)方面具有許多其他傳統(tǒng)電機(jī)不具備的優(yōu)勢(shì)。它用永磁體代替勵(lì)磁繞組產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，無需勵(lì)磁線圈、電刷和滑環(huán)，因此其體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在相等的輸出情況下，永磁電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)大等特點(diǎn)，使得PMSM應(yīng)用在精密儀器、機(jī)器人、航空領(lǐng)域等高要求場(chǎng)合［1］。

為實(shí)現(xiàn)高性能的控制要求，本文采用空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)技術(shù)，以TMS320F2812為核心實(shí)現(xiàn)。

1 PMSM數(shù)學(xué)模型

PMSM是整個(gè)控制系統(tǒng)的研究對(duì)象，建立PMSM的數(shù)學(xué)模型有利于分析電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。為了研究方便，模型的建立基于以下假設(shè)基礎(chǔ)之上:(1)忽略磁路中鐵心的磁飽和;(2)不計(jì)鐵心的渦流損耗與磁滯損耗，認(rèn)為磁路是線性的;(3)定子電樞繞組的空載電勢(shì)是正弦波;(4)轉(zhuǎn)子上無阻尼繞組，永磁體也沒有阻尼;(5)永磁材料的電導(dǎo)率為零。

在電機(jī)內(nèi)部建立一個(gè)與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系，讓d軸與轉(zhuǎn)子磁極同向，則PMSM在此坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為

式中:ud、uq——定子繞組的直、交軸電壓分量;

id、iq——定子繞組的直、交軸電流分量;

Ld、Lq——PMSM 的直、交軸電感;

Rs——定子繞組電阻;

Ψf——轉(zhuǎn)子上永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng);

ω——轉(zhuǎn)子電角速度，ω =npωr;

ωr——機(jī)械角速度;

p——微分算子;

np——極對(duì)數(shù)。

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

式中:第一項(xiàng)是主電磁轉(zhuǎn)矩，第二項(xiàng)是由轉(zhuǎn)子凸極效應(yīng)引起的磁阻轉(zhuǎn)矩。對(duì)于轉(zhuǎn)子為表面式的PMSM Ld=Lq，故式(2)可寫為

這樣PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩Te就正比于交軸電流iq，通過控制iq即可控制Te，從而控制轉(zhuǎn)速，得到了與直流電動(dòng)機(jī)相似的控制特性。

2 矢量控制變頻調(diào)速的基本原理

所謂矢量控制，簡(jiǎn)單說就是實(shí)現(xiàn)了PMSM定子繞組電流磁場(chǎng)分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦。電流內(nèi)環(huán)、速度外環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)給定轉(zhuǎn)速n*與反饋轉(zhuǎn)速n相比較，偏差值經(jīng)過PI控制器后作為電流環(huán)的電流給定信號(hào)i，定子相電流ia和ib通過相電流檢測(cè)電路提取出來，經(jīng)過坐標(biāo)Clarke和Park變換轉(zhuǎn)換到d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，d-q坐標(biāo)系中的電流信號(hào)再與它們的參考輸入i和i相比較，其中i=0，經(jīng)電流PI控制器分別輸出為直軸電壓u和交軸電壓u，再經(jīng)Park逆變換得到u和 u，最后通過SVPWM模塊輸出六路控制信號(hào)來驅(qū)動(dòng)逆變器工作，從而得到了控制定子三相對(duì)稱繞組的實(shí)際電流。控制原理框圖如圖1所示。外環(huán)產(chǎn)生定子電流的參考值，內(nèi)環(huán)得到實(shí)際的控制信號(hào)，這樣就構(gòu)成一個(gè)完整的速度矢量雙閉環(huán)控制系統(tǒng)［2-4］。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1 矢量控制原理框圖

PMSM矢量控制系統(tǒng)由主電路、驅(qū)動(dòng)電路和控制電路等部分構(gòu)成。根據(jù)系統(tǒng)的要求，主電路采用交－直－交電壓型逆變器，由三相整流電路、逆變器和PMSM構(gòu)成;控制電路以TMS320F2812處理器為核心，實(shí)現(xiàn)電流環(huán)和速度環(huán)的采樣控制算法，產(chǎn)生SVPWM控制信號(hào)。整體系統(tǒng)硬件如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

3.1 電壓轉(zhuǎn)換電路

TMS320F2812采用C2XX數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processing，DSP)的內(nèi)核，內(nèi)核供電電壓降為1.8 V，I/O供電電壓及Flash編程電壓為3.3 V。保證芯片的低功耗，利用專用的低噪聲電壓調(diào)節(jié)器TPS767D318把電源輸出的+5 V轉(zhuǎn)換成+3.3 V和+1.8 V。其電路圖如圖3所示。

3.2 存儲(chǔ)器單元

存儲(chǔ)器使用Cypress公司提供的高性能SRAM，型號(hào)是7Y7C1041，讀寫周期為15 ns。它能滿足系統(tǒng)工作電壓要求與 DSP接口簡(jiǎn)單，其電路如圖4所示。

3.3 電流采樣單元

圖3 電源產(chǎn)生電路

圖4 7Y7C1041接口電路

電流檢測(cè)直接關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)精度。霍爾電流傳感器是目前使用廣泛的電流檢測(cè)和過保護(hù)元件，其精度高、線性度好、響應(yīng)速度快。由于霍爾元件輸出的交流信號(hào)很弱，TMS320F2812片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器為單極性0～3 V電壓信號(hào)，因此要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓，加電壓偏移電路，為防止電壓過高，還必須由二極管組成限幅。電路圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖5 電流檢測(cè)電路

整個(gè)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，包括主程序和中斷服務(wù)子程序。主程序的作用是對(duì)系統(tǒng)程序的初始化，并且設(shè)立死循環(huán)程序作為液晶顯示和按鍵掃描，等待中斷程序的產(chǎn)生。初始化程序是在主程序執(zhí)行前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并對(duì)系統(tǒng)控制對(duì)象的某些初始信息進(jìn)行辨識(shí)的程序，是主程序不可或缺的一部分。其程序流程圖如圖6所示。中斷服務(wù)子程序是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，定時(shí)器1下溢中斷包括了對(duì)U相和V相電流的檢測(cè)、坐標(biāo)變換，最終產(chǎn)生SVPWM波，其框圖如圖7所示。

圖6 初始化流程圖

圖7 定時(shí)器1下溢中斷流程圖

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)中所用到的三相PMSM參數(shù)如下:額定轉(zhuǎn)矩T為1.6 N·m，額定電壓220 V AC，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，定子繞組電阻為1.82 Ω，電感為10 mH。以下是采集的試驗(yàn)結(jié)果通過CCStudio_v3.1的圖形顯示功能，把結(jié)果作圖顯示，增加直觀感。

電流環(huán)是高性能伺服系統(tǒng)構(gòu)成的根本，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性直接關(guān)系到矢量控制策略的實(shí)現(xiàn)。圖8所示為q軸給定電流與q軸反饋調(diào)節(jié)電流波形。從圖中可以看出反饋的電流基本能很快地跟隨給定電流變化，超調(diào)小，反應(yīng)速度快。

圖8 電流環(huán)電流跟蹤波形

圖9是電機(jī)在固定負(fù)載情況下的速度跟蹤波形，給定電機(jī)頻率為5 Hz，速度為±1 500 r/min，反饋速度能很快跟隨，而且接近無超調(diào)。

圖9 固定負(fù)載下的速度跟蹤波形

圖10是電機(jī)在可變負(fù)載情況下的速度跟蹤波形。該負(fù)載在電機(jī)速度為±1 500 r/min時(shí)，所消耗的功率為 171 W/h，對(duì)電機(jī)的力矩則是1.146 N·m，其速度調(diào)節(jié)的波形如圖10所示。

圖10 可變負(fù)載下的速度跟蹤波形

由于電機(jī)所帶的負(fù)載是隨速度的增加而增加，同時(shí)電流環(huán)處于飽和值，所以在速度的絕對(duì)值上升到一定值時(shí)，電機(jī)的加速度變小，速度曲線變彎;但反饋速度值還是很快跟上給定速度值，基本無超調(diào)。

6 結(jié)語

隨著電力工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中所占地位的提高，電動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代化生產(chǎn)和生活中扮演著十分重要的角色?；赥MS320F2812的PMSM數(shù)字化矢量控制試驗(yàn)可知，PMSM轉(zhuǎn)速超調(diào)小、響應(yīng)快、調(diào)速范圍廣及魯棒性強(qiáng)，具有一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

［1］王成元，夏加寬.電機(jī)現(xiàn)代控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］江安民，程顯.DSP應(yīng)用開發(fā)實(shí)用子程序「M］.北京:人民郵電出版社，2005.

［3］王曉明，王玲.電動(dòng)機(jī)的DSP控制-TI公司DSP應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)，2004.

［4］張邑，張興.永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的改進(jìn)［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，30(5):546-548.