一種低壓大轉(zhuǎn)矩PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

張?jiān)手?，廖良闖，李云飛

（連云港杰瑞電子有限公司，江蘇 連云港 222006）

1 引言

隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及控制理論的發(fā)展，電機(jī)的高性能控制技術(shù)達(dá)到了很高的水平，這些技術(shù)水平的提高很好地推動(dòng)了伺服驅(qū)動(dòng)這一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前市場(chǎng)上伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多為AC 220 V或AC 380 V供電，但是一些用于車載環(huán)境作業(yè)的伺服控制系統(tǒng)，其供電電源為電瓶提供的28 V電源，即要求整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用的工作電壓為28 V，并且對(duì)一些負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大的車載系統(tǒng)，要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠輸出大電流以提高系統(tǒng)的帶載能力。

針對(duì)上述情況，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種以DSP［1］和CPLD為主控芯片、高精度旋轉(zhuǎn)變壓器及軸角轉(zhuǎn)換模塊為位置速度采集單元的低壓大轉(zhuǎn)矩永磁同步電機(jī)（PMSM）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)PMSM的高精度、快響應(yīng)和大范圍的調(diào)速，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，抗干擾能力較強(qiáng)的特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)控制原理

2.1 系統(tǒng)控制方法

PMSM模型是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩線性化控制，就要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制參數(shù)進(jìn)行解耦，而矢量控制［2］則是通過解耦控制轉(zhuǎn)矩電流來控制電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。本系統(tǒng)采用定子勵(lì)磁電流id=0，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的控制方法［3］，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性較好，可以獲得較寬的調(diào)速范圍和較高的控制精度。

2.2 PMSM數(shù)學(xué)模型

在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向坐標(biāo)系（d-q）中，PMSM的轉(zhuǎn)矩方程為

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Np為電機(jī)極對(duì)數(shù)；Ψr為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；isd，isq為 d，q 軸定子電流；Ld，Lq為d，q軸定子繞組電感。

在基速以下恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行區(qū)域中，采用基于isd=0的矢量控制方式，由式（1）可得：

式中：is為PMSM定子電流。

由于轉(zhuǎn)矩只與電樞電流的幅值成正比，從而實(shí)現(xiàn)了PMSM的轉(zhuǎn)矩與磁鏈的解耦控制。

2.3 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)矢量控制框圖如圖1所示，采用旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)合軸角轉(zhuǎn)換模塊來獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置，分別用于轉(zhuǎn)速及電流閉環(huán)控制；采用霍耳傳感器獲取電機(jī)三相電流，用于電流環(huán)的控制。

圖1 矢量控制框圖Fig.1 The vector control block diagram

該矢量控制調(diào)速系統(tǒng)包含1個(gè)速度外環(huán)和2個(gè)電流內(nèi)環(huán)，均采用PI調(diào)節(jié)器。其中電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)isd，isq的解耦控制及對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的快速調(diào)節(jié)；速度環(huán)用于調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，適當(dāng)設(shè)置其PI參數(shù)，可以有效增強(qiáng)調(diào)速系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)的能力。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括控制電路、信號(hào)檢測(cè)單元、功率驅(qū)動(dòng)單元以及硬件故障保護(hù)單元，系統(tǒng)以DSP及CPLD為主控芯片，智能功率模塊為功率驅(qū)動(dòng)單元，霍耳電流傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)合軸角轉(zhuǎn)換模塊組成信號(hào)反饋單元，并配合相關(guān)硬件故障保護(hù)單元。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 System hardware structure block diagram

3.1 主控芯片

本系統(tǒng)選用TI公司的主流控制芯片TMS320F2812及ALTERA公司的EPM7256AET C144，其中DSP作為整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制核心芯片，執(zhí)行控制算法及相關(guān)的接口及保護(hù)等程序，CPLD為配套DSP的信號(hào)電平轉(zhuǎn)換及邏輯運(yùn)算芯片，以更好地保護(hù)DSP接口及其控制算法的安全有效運(yùn)行。

3.2 信號(hào)檢測(cè)單元

為實(shí)現(xiàn)PMSM的矢量控制，需要檢測(cè)直流母線電壓，電機(jī)A，B相電流，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子的角度。

系統(tǒng)通過電阻分壓的方法把直流母線端的28 V直流電壓轉(zhuǎn)換成1 V，并經(jīng)過線性隔離光耦HCNR201輸入到DSP的AD口，以此檢測(cè)母線的電壓狀況。并采用霍耳電流傳感器作為電流檢測(cè)元件檢測(cè)電機(jī)A，B相電流，其輸出經(jīng)運(yùn)放調(diào)理成0～3 V電壓輸入到DSP的AD口。

速度傳感器采用旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)合軸角轉(zhuǎn)換模塊輸出14位精度的電機(jī)轉(zhuǎn)子角度信息，通過CPLD將角度信息發(fā)給DSP，并運(yùn)用T法對(duì)電機(jī)角度做差值以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的測(cè)定。其相比于目前主流的編碼器具有良好的抗振性，更適用于車載的工作環(huán)境。

3.3 功率驅(qū)動(dòng)單元

功率驅(qū)動(dòng)單元主要采用IPM作為核心功率變換器件，系統(tǒng)通過DSP輸出6路高有效的PWM信號(hào)，經(jīng)過CPLD進(jìn)行反向處理輸出6路低有效的PWM信號(hào)到功率驅(qū)動(dòng)板，在功率驅(qū)動(dòng)板上經(jīng)三態(tài)門芯片74HC245和隔離光耦輸出幅值為15 V的6路PWM信號(hào)到IPM以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。由于電機(jī)運(yùn)行的額定電流較大，我們選用額定電流為 150 A 的三菱 IPM［4］（PM150RLA120），其具有短路、過溫、驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù)功能，報(bào)錯(cuò)信號(hào)通過信號(hào)隔離光耦輸入到控制板進(jìn)行處理，其外圍電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 IPM外圍電路結(jié)構(gòu)Fig.3 The peripheral circuits of IPM

3.4 故障保護(hù)單元

故障保護(hù)單元主要包括直流母線的過壓過流保護(hù)、IPM故障保護(hù)及PWM邏輯保護(hù)等，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，故障保護(hù)單元輸出相應(yīng)的故障電平信號(hào)到CPLD，經(jīng)CPLD進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理輸出到DSP的相應(yīng)接口并進(jìn)行相關(guān)程序處理。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件是在CCS3.3集成開發(fā)環(huán)境下完成的，軟件整體結(jié)構(gòu)主要包括主循環(huán)程序、EVA中斷主程序及其他相應(yīng)的中斷和接口程序。

主程序在完成系統(tǒng)初始化后，循環(huán)執(zhí)行系統(tǒng)使能自檢、故障指示，在EVA中斷主程序中執(zhí)行 AD采樣、速度調(diào)節(jié)、電流調(diào)節(jié)、SVPWM［5］運(yùn)算及故障保護(hù)等功能，系統(tǒng)EVA中斷主程序框圖如圖4所示。

圖4 EVA中斷程序框圖Fig.4 The EVA interrupt program block diagram

4.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有速度分段控制、故障保護(hù)等。

4.2.1 速度分段控制

針對(duì)車載工作環(huán)境對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求，我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速 0.3～1 200 r/min的平滑調(diào)速，采用了速度分段調(diào)節(jié)、速度低通濾波及速度分段緩沖區(qū)相結(jié)合的速度控制方法。

單一的PI調(diào)節(jié)參數(shù)并不能滿足驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于低速高速性能的兼顧，高速調(diào)節(jié)良好的PI參數(shù)和低速調(diào)節(jié)良好的PI參數(shù)之間的差異較大，針對(duì)這一情況采用速度分段調(diào)節(jié)的方法，即分為高速、中速和低速3段主要速度區(qū)間來調(diào)節(jié)，有效地保證了系統(tǒng)在各個(gè)速度區(qū)間內(nèi)良好的適應(yīng)性。

其中低速段的調(diào)節(jié)受限于傳感器的精度并不能無限提高，而系統(tǒng)要求電機(jī)轉(zhuǎn)速越低越好，因此在低速段調(diào)節(jié)的時(shí)候加入了低通濾波器，配合相應(yīng)的PI調(diào)節(jié)參數(shù)，從而提高系統(tǒng)在低速狀態(tài)下的動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)特性。

速度分段調(diào)節(jié)的方法保證了各個(gè)速度區(qū)間內(nèi)系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)調(diào)節(jié)性能良好，但是在各個(gè)調(diào)速區(qū)間之間的切換點(diǎn)并不能平滑切換，特別是在切入和切出低通濾波器的速度點(diǎn)表現(xiàn)尤為明顯，速度分段點(diǎn)處理得不好直接影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，針對(duì)這一情況我們采用速度分段緩沖區(qū)的方法，即在兩段速度調(diào)節(jié)區(qū)間之間設(shè)置緩沖區(qū)間，進(jìn)入緩沖區(qū)范圍內(nèi)的速度調(diào)節(jié)參數(shù)延續(xù)進(jìn)入緩沖區(qū)之前的調(diào)節(jié)參數(shù)，使速度切換點(diǎn)變?yōu)樗俣惹袚Q區(qū)間，避免了系統(tǒng)在兩段速度區(qū)間調(diào)節(jié)參數(shù)的頻繁切換，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及調(diào)節(jié)精度。

4.2.2 故障保護(hù)

要保證系統(tǒng)在戶外環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間無故障可靠運(yùn)行，必須設(shè)計(jì)合理有效的故障保護(hù)功能。對(duì)系統(tǒng)影響不是特別嚴(yán)重的故障，采用了簡(jiǎn)便易行的軟件保護(hù)。

針對(duì)系統(tǒng)平常運(yùn)行中常見的故障，我們?cè)谲浖Ｗo(hù)中設(shè)計(jì)了直流母線過壓欠壓保護(hù)、轉(zhuǎn)矩電流過流保護(hù)、電機(jī)過載超速保護(hù)、SVPWM運(yùn)算錯(cuò)誤保護(hù)等，當(dāng)相應(yīng)的軟件故障發(fā)生或硬件故障信號(hào)輸入時(shí)，在DSP的軟件中通過置低COMCONx［9］位讓所有PWM輸出引腳被置于高阻狀態(tài)，使輸入到IPM的6路PWM電平信號(hào)全部置高以屏蔽對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

5 性能分析及功能測(cè)試

5.1 性能測(cè)試分析

測(cè)試采用的PMSM參數(shù)為：額定功率1.2 kW，額定轉(zhuǎn)速1 200 r/min，極對(duì)數(shù)為5，額定工作電壓28 V。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)電源輸入為28 V直流電壓，取PWM開關(guān)頻率10 kHz，死區(qū)時(shí)間3.2 μs，給定轉(zhuǎn)速 1 200 r/min，轉(zhuǎn)矩電流限幅±130 A，速度環(huán)PI調(diào)節(jié)周期1 ms，電流環(huán)PI調(diào)節(jié)周期100 μs，測(cè)試數(shù)據(jù)通過串口采集，串口波特率設(shè)為115.2 kb/s。

通過串口測(cè)得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特性、負(fù)載干擾特性、跟蹤平穩(wěn)特性的測(cè)試數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。

圖5 電機(jī)運(yùn)行時(shí)的采樣數(shù)據(jù)Fig.5 The sampling data under motor operation

圖5a可以測(cè)得上升下降時(shí)間均約150 ms左右，穩(wěn)態(tài)誤差＜2%，電機(jī)制動(dòng)所引起的直流母線電壓升高在饋能電阻的調(diào)節(jié)下在正常允許波動(dòng)范圍內(nèi)；圖5b可以得到系統(tǒng)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)響應(yīng)快速及時(shí)；圖5c上圖為給定電機(jī)轉(zhuǎn)速，下圖為反饋測(cè)得電機(jī)轉(zhuǎn)速，可得電機(jī)在0.3～1 200 r/min范圍內(nèi)的平滑調(diào)速，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)控制性能。

5.2 功能測(cè)試

系統(tǒng)具有一定的故障報(bào)錯(cuò)處理功能，經(jīng)測(cè)試其故障處理功能如下。1）過載。設(shè)置負(fù)載轉(zhuǎn)矩為50 N·m，為電機(jī)額定負(fù)載的5倍左右，此時(shí)電機(jī)堵轉(zhuǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行2 s后自動(dòng)關(guān)閉功率輸出，并輸出報(bào)警信號(hào)；設(shè)置負(fù)載轉(zhuǎn)矩為30 N·m，為電機(jī)額定負(fù)載的3倍左右，此時(shí)電機(jī)過載運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行2 s后自動(dòng)關(guān)閉功率輸出，并輸出報(bào)警信號(hào)。

2）過速。軟件給定電機(jī)1 400 r/min，當(dāng)電機(jī)空載運(yùn)行超過1 350 r/min時(shí)，系統(tǒng)可快速關(guān)閉功率輸出，并輸出報(bào)警信號(hào)。

3）IPM報(bào)錯(cuò)。在系統(tǒng)正常運(yùn)行中，軟件模擬IPM給定1.8 ms的報(bào)錯(cuò)脈寬信號(hào)，系統(tǒng)快速響應(yīng)報(bào)錯(cuò)信號(hào)，關(guān)閉功率輸出，并輸出報(bào)警信號(hào)。

4）PWM信號(hào)直通。軟件置IPM輸入信號(hào)上下兩路同時(shí)導(dǎo)通，通過弱電測(cè)試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)快速關(guān)閉PWM輸出，并輸出報(bào)警信號(hào)。

5）直流母線過壓欠壓。調(diào)高直流母線端電壓至40 V或調(diào)低至10 V，并斷開饋能電阻，可發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可快速的響應(yīng)錯(cuò)誤關(guān)閉功率輸出，并輸出報(bào)警信號(hào)。

6）軟件運(yùn)算錯(cuò)誤。在系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，把相應(yīng)的軟件運(yùn)算故障位置位，系統(tǒng)關(guān)閉功率輸出，并輸出報(bào)警信號(hào)。

6 結(jié)論

實(shí)際測(cè)試和運(yùn)行結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)調(diào)節(jié)性能良好，可靠性較高、抗干擾能力較強(qiáng)，具有一定的故障報(bào)錯(cuò)處理功能，控制板和功率驅(qū)動(dòng)板獨(dú)立設(shè)計(jì)，以更好地進(jìn)行強(qiáng)電弱電隔離，安全性能較好。該系統(tǒng)被設(shè)計(jì)應(yīng)用于某裝甲車調(diào)炮轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)電氣測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)響應(yīng)快速，運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)保護(hù)功能合理有效，滿足此轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)調(diào)速與伺服控制的性能要求。

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