基于DSP的正弦波永磁同步電機(jī)VC調(diào)速系統(tǒng)

周文慶

（安徽理工大學(xué)，安徽淮南 232001）

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基于DSP的正弦波永磁同步電機(jī)VC調(diào)速系統(tǒng)

周文慶

（安徽理工大學(xué)，安徽淮南 232001）

［摘 要］針對(duì)永磁同步電機(jī)控制調(diào)速系統(tǒng)，介紹了矢量控制調(diào)速策略，設(shè)計(jì)出一種基于DSP的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)以TMS320F240型DSP為核心處理芯片，以三相SPWM（正弦波脈寬調(diào)制）逆變器供電為基礎(chǔ)，通過(guò)SPWM調(diào)制器的三相電壓調(diào)制信號(hào)，調(diào)制生成PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變器，實(shí)現(xiàn)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制。

［關(guān)鍵詞］變頻調(diào)速；矢量控制；DSP；仿真

0　引言

正弦波永磁同步電機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng):PMSM）采用矢量控制變頻調(diào)速時(shí)，通過(guò)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后得到正弦波脈寬調(diào)制（簡(jiǎn)稱(chēng):SPWM）調(diào)制器的三相電壓調(diào)制信號(hào)，調(diào)制生成脈沖寬度調(diào)制（簡(jiǎn)稱(chēng):PWM）信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變器，經(jīng)閉環(huán)控制使逆變器輸出電壓頻率和相位快速跟定給定值，實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制，在工業(yè)調(diào)速方面應(yīng)用很廣泛?？紤]到對(duì)響應(yīng)和命令的速度以及精度的高要求，采用數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F240為核心處理器，搭配單片機(jī)AT89S51、上位機(jī)等組成控制模塊對(duì)調(diào)速系統(tǒng)提供精確控制。

1　PMSM數(shù)學(xué)模型及矢量控制策略

磁鏈方程:

電壓方程:

其中ψf=Lmd.if，產(chǎn)生與永磁體相同的勵(lì)磁磁場(chǎng)。

轉(zhuǎn)矩方程:

以上式中:LsdLsq——分別為永磁同步電動(dòng)機(jī)d、q軸繞組自感；isdisq——分別為定子電流的直、交軸分量；LmdLmq——分別為d、q繞組的勵(lì)磁電感。

圖1為PMSM在d、q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型。

PMSM電磁轉(zhuǎn)矩基本上取決于定子q軸的電流分量，轉(zhuǎn)子磁鏈恒定不變，故采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的方式來(lái)控制，控制d軸電流isd=0，則轉(zhuǎn)矩方程為

Te與電流轉(zhuǎn)矩分量iq成線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)控制q軸電流就可實(shí)現(xiàn)對(duì)Te的控制。這是矢量控制的實(shí)質(zhì)所在。三相SPWM逆變器供電給PMSM定子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr和轉(zhuǎn)角θr由轉(zhuǎn)子位置傳感器BQ檢測(cè)，并計(jì)算sin θr和cos θr。由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR得到定子電壓的轉(zhuǎn)矩分量，在設(shè)定勵(lì)磁分量為“0”的條件下經(jīng)坐標(biāo)變換2r/3s，得到SPWM調(diào)制器的三相電壓調(diào)制信號(hào)。定子電流經(jīng)檢測(cè)和坐標(biāo)變換3s/2r，得到定子電流的轉(zhuǎn)矩分量isq，作為電流的反饋信號(hào)。

圖2為PMSM轉(zhuǎn)子磁鏈定向空間矢量圖。

其系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)有多種實(shí)現(xiàn)方法，此處采用雙極性采樣法，即以頻率和期望輸出波形相同的正弦波作為調(diào)制波，以頻率比期望波形高得多的雙極性等腰三角形作為載波進(jìn)行調(diào)制。利用雙極性的SPWM波形來(lái)驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變器。

2　永磁同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真

正弦波PMSM變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真模型見(jiàn)圖4所示，在轉(zhuǎn)速給定n=2 000 r/min情況下，空載啟動(dòng)電機(jī)，在t=0.04 s時(shí)突加負(fù)載TL=3 N·m，分別觀察轉(zhuǎn)速波形、轉(zhuǎn)矩波形、電流d、q分量以及三相定子電流波形。見(jiàn)圖5、圖6、圖7、圖8所示。

將圖5轉(zhuǎn)速波形放大可見(jiàn)，系統(tǒng)空載啟動(dòng)后，在0.01 s的時(shí)間內(nèi)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。t=0.04 s時(shí)突加負(fù)載TL=3 N·m，轉(zhuǎn)速略有微小下降，大約為1 ～2 r/min，影響結(jié)果幾乎可以忽略，并且迅速恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，恢復(fù)調(diào)節(jié)時(shí)間為0.000 1 s，穩(wěn)態(tài)誤差僅為0.05%；顯現(xiàn)出了速度和電流雙閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。三相定子電流在很短時(shí)間內(nèi)變?yōu)槿嗾也?，轉(zhuǎn)矩波形與電流轉(zhuǎn)矩分量是線(xiàn)性關(guān)系，為相對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系，即控制好iq的值（圖中波形可見(jiàn)id=0）就可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，從而借鑒了直流電機(jī)控制方法的優(yōu)點(diǎn)，這是矢量控制的實(shí)質(zhì)和優(yōu)越性所在。

3　PMSM變頻調(diào)速控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖9所示。

如圖9所示，逆變電路中采用智能功率模塊IPM，它內(nèi)部含有柵極驅(qū)動(dòng)、短路保護(hù)以及過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)和欠壓鎖定等功能，實(shí)現(xiàn)逆變開(kāi)關(guān)器件IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)。系統(tǒng)以TMS320F240型DSP為核心處理芯片，采用以isd=0的控制策略，搭配單片機(jī)AT89S51、上位機(jī)等組成控制模塊，通過(guò)光耦隔離電路、輔助電源電路對(duì)系統(tǒng)逆變電路提供精確控制，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制。利用光電編碼器通過(guò)M/T法來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)子磁極位置及轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，再與速度、電流檢測(cè)信號(hào)一起送至DSP芯片。DSP主要完成信號(hào)采集、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電流調(diào)節(jié)、反饋信號(hào)處理、矢量變換、SPWM信號(hào)的產(chǎn)生以及與AT89C51單片機(jī)的通信；單片機(jī)AT89S51負(fù)責(zé)報(bào)警、人機(jī)互動(dòng)以及與上位機(jī)之間的信號(hào)互換等。

本文設(shè)計(jì)的正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速，使定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈一直保持確定的關(guān)系，從而使產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩恒定不變，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了很大的提高。

4　PMSM變頻調(diào)速控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序、PWM中斷等。

主程序流程圖如圖10所示，主要流程有:調(diào)用系統(tǒng)初始化程序、檢測(cè)電機(jī)電流及轉(zhuǎn)子位置信息、執(zhí)行中斷服務(wù)程序等。

PWM中斷流程圖如圖11所示，其功能為輸出PWM值，并且進(jìn)行坐標(biāo)變換、電流調(diào)節(jié)、定子電壓空間矢量調(diào)制等。

5　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)永磁同步電機(jī)控制調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出一種基于DSP的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)以三相SPWM逆變器供電為基礎(chǔ)，通過(guò)SPWM調(diào)制器的三相電壓調(diào)制信號(hào)，調(diào)制生成PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變器，實(shí)現(xiàn)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制。

仿真結(jié)果表明:速度和電流雙閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。三相定子電流在很短時(shí)間內(nèi)變?yōu)槿嗾也?，轉(zhuǎn)矩波形與電流轉(zhuǎn)矩分量是線(xiàn)性關(guān)系，控制iq值就可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，從而借鑒了直流電機(jī)控制方法的優(yōu)點(diǎn)，這是矢量控制的實(shí)質(zhì)和優(yōu)越性所在。再設(shè)計(jì)硬件連接圖和程序流程圖，以TMS320F240型DSP為核心處理芯片，搭配單片機(jī)AT89S51、上位機(jī)等組成控制模塊，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)提供了精確控制；整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、易控制。

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（責(zé)任編輯 李亞青）

The Sinusoidal Permanent Magnet Synchronous Motor Vector Control Based on DSP

ZHOU Wen-qing
（Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001，China）

Abstract:Based on the control for permanent magnet synchronous motor speed control system，the paper discusses vector control strategy，and a vector control variable frequency speed regulation system based on DSP is designed.With TMS320F240 DSP as the core processing chip and three-phase SPWM （sine pulse width modulation）inverter power supply as the foundation，through the SPWM modulator of three-phase voltage modulation signal，the system modulates and generates PWM signal generation drive inverter，and realized the permanent magnet synchronous motor vector control by rotor flux-oriented control.

Key words:Frequency control；Vector control；DSP；Simulation

［中圖分類(lèi)號(hào)］TM 351

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1005-0310（2016）02-0060-05

DOI：10.16255/j.cnki.ldxbz.2016.02.011

［收稿日期］2015-11-10

［作者簡(jiǎn)介］周文慶（1991-），男，安徽安慶人，安徽理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電、電機(jī)雙饋調(diào)速。E-mail:995089597@qq.com