基于空間矢量算法的永磁交流伺服控制器設(shè)計

趙志堂,張存山,巍然然

(山東理工大學(xué),電氣與電子工程學(xué)院,山東 淄博 255049)

永磁交流伺服電機具有結(jié)構(gòu)簡單,功率密度大,效率高,控制系統(tǒng)簡單等特點[1].隨著現(xiàn)代化工業(yè)的不斷發(fā)展,交流伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛,對其性能的要求也越來越高,要求伺服控制系統(tǒng)具有高速度、高精度、高可靠性和高抗干擾能力.空間矢量脈沖調(diào)制應(yīng)用于交流電機數(shù)字化控制具有諧波分量少、開關(guān)損耗低、電壓利用率高等優(yōu)點,從而降低了伺服電機的轉(zhuǎn)矩脈動,提高了交流調(diào)速性能[2],因而得到了廣泛的應(yīng)用.本文基于空間矢量控制算法,利用電流、轉(zhuǎn)速、位置三閉環(huán)控制方式對永磁同步電機進行速度和位置控制.

1 PMSM的矢量控制原理

空間矢量控制方法是根據(jù)電機統(tǒng)一控制理論,把三相靜止坐標(biāo)系下的定子相電壓Ua、Ub、Uc,通過Clark變換等效到兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電壓Uα、Uβ,從而產(chǎn)生相互獨立的轉(zhuǎn)矩電流iα和勵磁電流iβ.分別控制iα、iβ,即實現(xiàn)了對勵磁和轉(zhuǎn)矩的獨立控制[3].三種坐標(biāo)系的相互關(guān)系如圖1所示.其中θe為轉(zhuǎn)子磁鏈位置角.

圖1 三種坐標(biāo)的相互關(guān)系

永磁交流電機的矢量控制是建立在坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)上的,系統(tǒng)電流環(huán)中,檢測到的三相電流進行Clark變換和Park變換并反饋到系統(tǒng),再經(jīng)過Clark逆變換從而得到id、iq.

Clark變化就是由三相坐標(biāo)變換到兩相靜止坐標(biāo),對于三相對稱繞組有ia+ib+ic=0,由圖1可知Clark變換矩陣為

Clark變換的逆變換矩陣為

Park變化就是由兩相靜止坐標(biāo)變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo),Park變化矩陣為

Park變化的逆變換矩陣為

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

永磁交流伺服控制系統(tǒng)由功率電路、DSP及其外圍電路和檢測電路三部分構(gòu)成.功率主電路包括整流電路、IPM逆變電路和驅(qū)動隔離電路.檢測電路由電流檢測電路、過欠壓檢測和轉(zhuǎn)子位置、速度檢測等部分組成.永磁交流伺服控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)總體框圖

本文主要對功率電路和檢測電路進行設(shè)計,DSP及其外圍電路采用聞亭公司的DSP-2407A控制板.

2.1 功率主電路設(shè)計

2.1.1 整流電路設(shè)計

整流電路的作用是將三相交流電整流,再經(jīng)過電容濾波轉(zhuǎn)換成直流電,為逆變器提供恒壓源.本系統(tǒng)中整流電路采用富士公司的6R130-1200三相整流橋,構(gòu)成三相全波整流電路,額定電壓1200 V,額定電流為30 A.整流橋輸出的電壓是脈動的直流電壓,需要經(jīng)過濾波.

濾波電容在電路中具有穩(wěn)壓、濾除整流后的電壓紋波、整流電路和逆變電路之間去耦合以及為電動機提供無功功率的作用.電容C要選擇容量較大的電解電容.電容C容量可由公式(1)計算得到[4].

2.1.2 IPM逆變電路

逆變電路的功能是根據(jù)PWM控制信號將整流后的直流電變換成頻率、相位和幅值均可調(diào)的交流電.逆變電路中,開關(guān)器件的開關(guān)損耗,飽和壓降及通斷速度對整個電路的影響很大.本系統(tǒng)中選用的是三菱公司的智能功率模塊(IPM)PS22056.這樣就大大簡化了電路.

PS22056采用三菱低損耗第四代平板型IGBT;額定值為25A/1200 V;可采用自舉電路實現(xiàn)單電源供電,內(nèi)置控制和保護功能(可實現(xiàn)控制電壓欠壓保護和短路保護);內(nèi)部集成了1200 V高壓芯片(HVIC),模塊可不通過光耦直接與控制器相連[5].

雖然模塊內(nèi)部集成了專用的HVIC,其控制端可與CUP端子直接相連.但由于系統(tǒng)的控制板和主電路板是分開的,為了避免受到干擾,采用了光耦隔離的連接方式.光耦采用高速、高共模比的IPM專用光耦HCPL-4504.由于IPM是高電平導(dǎo)通的,為防止由于線路故障而引起IGBT的誤導(dǎo)通光耦要連接反相器.光耦隔離電路如圖3所示.

圖3 光耦隔離電路

三相逆變電路的驅(qū)動電路需要四路隔離的電源.PS22056只需要一個15 V電源用自舉方式獲得四路浮動的15 V電源,這就降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性,提高了可靠性.自舉電路由R、C1、D組成,R、C1、D的選擇方法如下[5]:

式中:Δ VDB為放電電壓,取電壓不低于14 V,則Δ VDB=15 V-14 V=1 V;T1為IGBT最大通態(tài)脈寬,PWM頻率10kHz,則T1=100 μ s;IDB為IC的驅(qū)動電流,PS22056最大驅(qū)動電流為2 mA;電容C1的計算值為0.2 μ F,為增加系統(tǒng)的可靠性,選取電容為10 μ F/50 V.

式中:t0為下橋臂IGBT最小脈沖寬度,死區(qū)時間為3 μ s,t0=3 μ s;C1為電容的計算值,C1=0.2 μ F.

R計算得15 Ψ,取R為10 Ψ.

D選取RF107,其參數(shù)為1 A/1000 V.

2.2 檢測電路設(shè)計

2.2.1 電流檢測電路的設(shè)計

在永磁同步電機的伺服矢量控制中,控制器要實時采集繞組中的電流,以實現(xiàn)電流控制和電流保護.電流檢測可以采用采樣電阻或霍爾電流傳感器等方法.系統(tǒng)采用Allegro公司的ACS704ELC-015霍爾電流傳感器,它具有1.5 mΨ內(nèi)部傳導(dǎo)電阻;5 V單電源供電;電壓輸出等特點.電路如圖4所示.

圖4 電流檢測電路

2.2.2 位置和速度檢測電路

在永磁同步伺服電機的控制過程中,需要實時的得到電機轉(zhuǎn)子的位置和速度信息.增量式光電編碼器具有高分辨率,高性價比等優(yōu)點,本系統(tǒng)中采用分辨率為2500脈沖/轉(zhuǎn)的增量式光電編碼器安裝在電機軸上.為了保證脈沖數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性,采用了差分驅(qū)動方式.在脈沖信號接收端,采用差分接受.然后通過光電隔離輸入到DSP的正交編碼單元.

2.2.3 故障保護電路設(shè)計

為確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定的工作,系統(tǒng)設(shè)置了過壓,欠壓和IPM故障保護等電路.IMP輸出的故障信號和從主電路輸出的過壓、欠壓信號經(jīng)過或門電路,然后送入DSP的PDPINTA .當(dāng)PDPINTA 引腳接受到低電平信號時,DSP立即封鎖PWM輸出.從而對硬件系統(tǒng)實施保護.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件部分主要由主程序和中斷程序組成.流程圖如圖5和圖6所示.主程序主要完成系統(tǒng)的初始化,I/O接口控制信號,DSP內(nèi)部各個控制寄存器的設(shè)置等[6].中斷程序完成電流檢測,并把電流轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,另外中斷程序還要完成速度計算、位置計算、速度控制、位置控制、電流控制和空間PWM脈沖計算.

圖5 主程序流程圖

圖6 中斷程序流程圖

4 實驗

實驗采用的永磁交流伺服電機的額定功率為2.3kW,額定電流為8.5A,額定轉(zhuǎn)速為1500r/min,額定轉(zhuǎn)矩為15N·m,定子電感為2.3mH,定子電阻為0.53Ψ,利用所設(shè)計系統(tǒng)采用矢量控制進行實驗.單個PWM周期產(chǎn)生的SVPWM波形如圖7所示,帶有死區(qū)的同一橋臂上下半橋的驅(qū)動波形如圖8所示,a、b兩相的相電流波形如圖9所示.由圖7可知矢量控制波形與理論波形一致,由圖9可知電流波形接近正弦波,但是電流存在畸變,這可能是由電流檢測誤差、SVPWM存在死區(qū)時間而產(chǎn)生的.

圖7 單周期SVPWM波形

圖8 PWM1和PWM2波形

圖9 a、b兩相的相電流波形

5 結(jié)束語

利用DSP芯片實時高效的處理能力,設(shè)計了永磁交流伺服電機控制系統(tǒng),并進行了實驗,結(jié)果表明系統(tǒng)設(shè)計方法是正確可行的,采用空間矢量控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和位置的精確控制.

[1]陳榮.永磁同步電機伺服系統(tǒng)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué).2004.

[2]陳榮.交流永磁同步伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電氣時代,2005(9):104-107.

[3]Field Oriented Control of 3-Phase AC-Motors:BPRA073[Z],T exas:1998.

[4]盛建科,賈正春,許強.交流伺服系統(tǒng)主電路參數(shù)的研究[J].伺服系統(tǒng),2005,35(5):10-12.

[5]三菱公司.第四代DIP—IPM應(yīng)用手冊[EB/OL].http://www.Keling.com.cn,2000-01-11.

[6]Texas Instruments,Digital Motor Control software Library:SPRU485A[Z],T exas:2001.