基于MLX91205電流傳感器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

喬 輝，華澤璽，李佩軍

(1.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院，河南鄭州 450000;2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都 610031)

0 引言

電機(jī)定子電流的檢測(cè)精度是影響電機(jī)控制效果的一個(gè)重要因素，另外，在滿足基本性能的基礎(chǔ)上，控制系統(tǒng)的體積和質(zhì)量也應(yīng)該盡量減小，本文采用磁極霍爾傳感器［1－2］代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電流傳感器完成電流檢測(cè)，該傳感器具有線性度高、測(cè)量范圍大、成本低、精度高等優(yōu)點(diǎn)，且傳感器可以與電機(jī)的控制器置于同一塊PCB電路板上，被測(cè)電流經(jīng)過(guò)的導(dǎo)線可以布在傳感器下面，如果電流較大，導(dǎo)線很寬，可以將導(dǎo)體置于傳感器芯片的正上方，減小電機(jī)控制器裝置的體積。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括三相定子電流的檢測(cè)與轉(zhuǎn)換、基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制以及將目標(biāo)電壓進(jìn)行SVPWM調(diào)制得到對(duì)應(yīng)的各相開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通時(shí)間。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

在每個(gè)PWM周期結(jié)束后，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，采集三相定子電流，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，根據(jù)此時(shí)定子電流，采用基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制算法計(jì)算出兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下定子電壓指令值，最后采用空間矢量PWM調(diào)制算法將電壓指令值轉(zhuǎn)換成電壓源逆變器每個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通時(shí)間，DSP的PWM引腳輸出對(duì)應(yīng)PWM信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的控制。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路主要包括2部分:一個(gè)是電流的檢測(cè)與轉(zhuǎn)換電路，用于將電機(jī)的相電流變換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，并將電壓信號(hào)進(jìn)行隔離變換成0～3.3 V，以便于DSP進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換;另一個(gè)是電機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)管的PWM占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率的控制。

2.1 相電流檢測(cè)與轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

圖2是電機(jī)的相電流檢測(cè)與轉(zhuǎn)換電路，其中U1是磁極霍爾電流傳感器MLX91205，將電機(jī)相電流導(dǎo)條置于芯片正上方，距離為1 cm即可，芯片由5 V供電，當(dāng)電流流過(guò)時(shí)，就會(huì)在AOut引腳產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)，量程為－600～600 A，芯片的輸出電壓為0～5 V，因此當(dāng)沒(méi)有電流流過(guò)時(shí)，傳感器的輸出應(yīng)該在2.5 V左右，但是為了精確檢測(cè)，需要用一個(gè)高精度的霍爾傳感器對(duì)傳感器的檢測(cè)電流與輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行校正，經(jīng)過(guò)校正后，輸出電壓與輸出電流之間的關(guān)系如式(1)所示:

當(dāng)電流為0 A時(shí)，輸出電壓為2.48 V，當(dāng)電流為600 A時(shí)，輸出電壓為4.88 V，這是因?yàn)閭鞲衅鞯木€性度與導(dǎo)條與芯片的距離有關(guān)。由于TMS320F2808的工作電壓為3.3 V，因此為了能夠?qū)z測(cè)的電流值被TMS320F2808進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，還需要對(duì)電壓進(jìn)行變換，為了更好地抑制噪聲的干擾，采用以線性光耦HCNR201為核心的電壓變換電路［3］，線性光耦既起到隔離的作用，又具有反饋的功能，使輸出電壓能夠很好的跟蹤輸入電壓的變化，而且HCNR201的帶寬達(dá)到1 M，因此適用于此系統(tǒng)。電阻R2、R3，三極管Q1、Q2構(gòu)成了一個(gè)同相電壓放大器，當(dāng)傳感器的輸出電壓升高時(shí)，三極管Q2的集電極電壓就會(huì)升高，因此流過(guò)主發(fā)光二極管的電流就會(huì)增大，導(dǎo)致兩個(gè)從發(fā)光二極管的電流增加，忽略三極管Q1的基極電流，可以得到轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓的表達(dá)式為

式中IPD1為線性光耦輸入側(cè)發(fā)光二極管的光電流。

同理可以得到轉(zhuǎn)換電路輸出電壓的表達(dá)式為

式中IPD2為線性光耦輸出側(cè)發(fā)光二極管的光電流。

由于兩個(gè)發(fā)光二極管的光照強(qiáng)度相同，因此產(chǎn)生的光電流大小也相同，可以得到轉(zhuǎn)換電路輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系表達(dá)式:

通過(guò)改變R1和R5的阻值調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路的變比，取R5等于30 kΩ，R1等于50 kΩ，這樣電流傳感器采集的電流可以被2808進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，從而根據(jù)電流反饋值進(jìn)行閉環(huán)控制。

圖2 電機(jī)相電流檢測(cè)與轉(zhuǎn)換電路圖

2.2 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路

由于MOSFET具有成本低、開(kāi)關(guān)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此三相異步電機(jī)的逆變電路由3路MOSFET以及反向續(xù)流二極管構(gòu)成，一相上下橋臂MOSFET驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，驅(qū)動(dòng)芯片采用IR2113，該芯片具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、上橋臂的驅(qū)動(dòng)電壓大等優(yōu)點(diǎn)［4－5］。在圖3中，PWM1H與PWM1L為DSP的一對(duì)互補(bǔ)PWM輸出引腳，經(jīng)過(guò)光耦隔離后，將驅(qū)動(dòng)信號(hào)送入IR2113中，IR2113的VS、VB引腳的輸出電壓獲得提升，因此VS與上橋臂MSOFET的源極相連，HO與LO用于控制上下橋臂MOSFET的開(kāi)通與關(guān)斷，它們的邏輯信號(hào)與DSP的PWM1H和PWM1L在時(shí)序上是完全一致的，只是提升了驅(qū)動(dòng)能力。如果電機(jī)出現(xiàn)過(guò)流等不正常情況時(shí)，可以通過(guò)控制IR2113的SD引腳，鎖閉IR2113，不再對(duì)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖3 三相電機(jī)的一相驅(qū)動(dòng)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序程序設(shè)計(jì)

在主程序中主要完成一些初始化設(shè)置，然后程序進(jìn)入一個(gè)循環(huán)體，等A/D轉(zhuǎn)換的中斷信號(hào)觸發(fā)。初始化設(shè)置主要包括對(duì)PWM初始化、A/D轉(zhuǎn)換初始化、中斷寄存器配置、I/O引腳寄存器配置以及變量初始化。PWM寄存器的配置以及功能描述如表1所示。

A/D轉(zhuǎn)換由PWM信號(hào)觸發(fā)，也就是一個(gè)PWM周期結(jié)束后，啟動(dòng)一次A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換完成后就進(jìn)入中斷服務(wù)程序。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)

PWM周期為10 μs，因此每10 μs就會(huì)觸發(fā)1次PWM中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序主要用來(lái)完成相電流的采樣以及根據(jù)矢量控制算法更新PWM比較值寄存器中的數(shù)據(jù)，也即更新PWM占空比。中斷服務(wù)程序的流程圖如圖4所示。首先啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換讀取三相相電流轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，然后可以根據(jù)式(5)計(jì)算出實(shí)際電流的具體數(shù)值:

表1 PWM寄存器設(shè)置表

式(5)是根據(jù)式(1)、式(4)以及A/D轉(zhuǎn)換的線性度計(jì)算得到的，之后要判斷三相實(shí)際電流是否出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象，如果是，則控制驅(qū)動(dòng)芯片IR2113的SD引腳，關(guān)斷電機(jī)并通過(guò)數(shù)碼指示燈報(bào)警，如果沒(méi)有過(guò)流，則將三相電流作為反饋值代入矢量控制程序，實(shí)現(xiàn)電流的閉環(huán)控制。

圖4 PWM中斷服務(wù)程序流程圖

3.3 矢量控制程序設(shè)計(jì)

采用矢量控制［6－7］方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流的控制，如圖5所示。將采樣并計(jì)算得到的三相實(shí)際定子電流值進(jìn)行三相靜止到兩相靜止坐標(biāo)系的變換(clarke變換)，保持功率不變的原則，得到兩相靜止坐標(biāo)系下磁鏈的空間角度，得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電流Id、Iq，將Id、Iq與給定的定子電流進(jìn)行PI運(yùn)算，得到定子電壓在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的指令值，對(duì)其進(jìn)行park逆變換得到定子電壓在兩相靜止坐標(biāo)系下的指令值，最后根據(jù)SVPWM調(diào)制算法計(jì)算出此時(shí)的占空比值，并更新PWM比較寄存器CMPA的數(shù)據(jù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

圖5 量控制算法流程圖

將以上的硬件與軟件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)一個(gè)10 kW的三相異步電動(dòng)機(jī)，電流給定設(shè)置為=0 A，穩(wěn)定運(yùn)行后，用示波器測(cè)量定子A相電流以及電流傳感器MLX91205的輸出電壓。波形如圖6所示。其中上面的正弦波為MLX91205的輸出電壓波形，下面的是實(shí)際電流波形，兩者在相位上保持一致，說(shuō)明延時(shí)很小，傳感器輸出電壓的峰峰值為2.32～2.65 V，而實(shí)際電流的波形峰峰值為－40.5～43 A，兩者基本符合式(1)所示的線性關(guān)系，說(shuō)明MLX91205檢測(cè)精度能夠滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求。

圖6 定子電流與傳感器輸出電壓的波形圖

由于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流值無(wú)法通過(guò)示波器測(cè)量，TMS320F2808［8］將計(jì)算出的電流值通過(guò)CAN總線發(fā)送給上位機(jī)，采用MATLAB軟件繪制出Id、Iq波形，如圖7所示?？梢钥闯?，電流id在40 A附近波動(dòng)，紋波低于1 A，Iq也維持在0 A附近，說(shuō)明定子電流能夠很好跟蹤給定值，驗(yàn)證了控制算法的正確性。

圖7 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下定子電流波形

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