基于DSP的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)*

胡 宇, 張興華

(南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211816)

基于DSP的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)*

胡 宇, 張興華

(南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211816)

以小功率永磁同步電機(jī)(PMSM)為研究對象，結(jié)合數(shù)字信號處理器TMS320F2812功能特點(diǎn)，給出了一套PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)闡述了功率驅(qū)動(dòng)主電路、反饋信號檢測電路以及供電電路的設(shè)計(jì)，介紹了主要元器件選型和參數(shù)計(jì)算方法?；谠O(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)，對PMSM調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行了測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)可靠、性能穩(wěn)定、控制精度高。

永磁同步電機(jī)；功率驅(qū)動(dòng)主電路；信號檢測電路

0 引 言

永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)因其體積小、損耗低、功率密度高和效率高等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械制造、工業(yè)控制、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。PMSM通常需要相應(yīng)的控制器驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，才能更好地發(fā)揮其優(yōu)越的性能。隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是具有較高計(jì)算能力的數(shù)字信號處理器(DSP)的出現(xiàn)，使得實(shí)現(xiàn)高性能的PMSM控制系統(tǒng)成為可能[2-4]。對于PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)而言，高性能控制算法固然重要，但優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)器硬件設(shè)計(jì)則是其實(shí)用化的關(guān)鍵。

目前中小功率PMSM驅(qū)動(dòng)器大多以DSP或單片機(jī)作為主控制芯片，采用IGBT或IPM作為功率驅(qū)動(dòng)單元[5-6]。DSP相較于單片機(jī)擁有更高的運(yùn)算處理能力，部分系列的DSP芯片面向數(shù)字控制、運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域。相較于使用IGBT分立器件，以集成功率模塊IPM構(gòu)成主電路功率驅(qū)動(dòng)單元，可簡化驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，大大提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。本文針對小功率內(nèi)置式PMSM，給出了一種基于DSP+IPM結(jié)構(gòu)的PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件組成和具體設(shè)計(jì)方法，并對驅(qū)動(dòng)控制器的性能進(jìn)行了試驗(yàn)測試。

1 控制系統(tǒng)的硬件組成

PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PMSM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

控制系統(tǒng)硬件部分主要由控制電路與功率驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，同時(shí)輔以信號檢測電路和開關(guān)電源模塊。在控制電路與功率驅(qū)動(dòng)電路之間需要加入光耦隔離電路，防止功率驅(qū)動(dòng)電路高壓側(cè)對控制電路產(chǎn)生干擾?？刂齐娐凡捎肨MS320F2812數(shù)字信號處理器為主控芯片，為逆變器提供6路PWM信號，其外圍電路主要包括芯片供電電路，A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路等。功率驅(qū)動(dòng)主電路采用交-直-交拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在單相整流橋接口端輸入220 V/50 Hz的交流電，整流后經(jīng)大容量的電解電容穩(wěn)壓濾波，得到平穩(wěn)光滑的直流電。逆變器采用智能功率模塊(IPM)，利用內(nèi)部功率開關(guān)器件的通斷將直流電變換為頻率和幅值可變的三相交流電源，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

2 主功率電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主功率電路包含整流、濾波、逆變?nèi)齻€(gè)部分，如圖2所示。

圖2 主功率電路

2. 1 整流電路

由于系統(tǒng)使用小功率內(nèi)置式PMSM，故整流部分采用了單相整流方式。整流橋輸入220 V的交流電壓后，整流橋堆的二極管所承受反向最大電壓為310 V左右，考慮2倍裕量以及直流母線電壓10%波動(dòng)，則整流模塊的額定電壓值需高于682 V。電機(jī)的額定電流為5 A，由于電機(jī)起動(dòng)時(shí)瞬時(shí)電流可達(dá)到額定值的5～7倍，故系統(tǒng)最終采用額定電壓1 000 V、額定電流35 A的整流橋KBPC3510。

2. 2 軟起動(dòng)電路

在圖2中，R1為水泥電阻，作為軟起動(dòng)限流電阻，U1為繼電器，并聯(lián)在R1兩端，C2、C3為大容量電解電容，OPEN為控制繼電器開關(guān)信號。由于大容量濾波電容的存在，在初始上電瞬間，功率驅(qū)動(dòng)回路近似短路，會(huì)產(chǎn)生很大的充電電流，需采用限流電阻來保護(hù)電路[7]。由于暫態(tài)過程持續(xù)時(shí)間很短，限流電阻功率可以選擇小一些，系統(tǒng)實(shí)際采用200 Ω/20 W水泥電阻串聯(lián)至直流母線中，有效減少了大電流對主回路的沖擊。軟起動(dòng)上電邏輯(由DSP軟件實(shí)現(xiàn))是：上動(dòng)力電時(shí)須經(jīng)過軟起動(dòng)限流電阻R1給電容充電，在檢測到有動(dòng)力電后，經(jīng)過500 ms的延時(shí)將繼電器閉合。

2. 3 濾波電路

直流環(huán)節(jié)采用大電解電容來穩(wěn)壓濾波，電容容量的計(jì)算可從吸收紋波能量的角度出發(fā)，在半個(gè)周期內(nèi)，輸出能量等同于電容從谷點(diǎn)電壓Uv充電到電網(wǎng)峰值電壓Up存儲(chǔ)的能量，采用公式：

(1)

式中：P0——電機(jī)額定功率；

f——電網(wǎng)頻率；

Uv——谷點(diǎn)電壓；

Up——峰值電壓。

要求紋波電壓峰值小于40 V，即：

Uv=311-40=271 V，計(jì)算可得：C=1 116.84 μF。

經(jīng)整流、濾波后的母線電壓最大值約為310 V，綜合考慮電解電容的耐壓值和容量，本系統(tǒng)選取兩個(gè)450 V/560 μF的電解電容并聯(lián)在直流母線之間，如圖2中C2與C3。由于大電解電容的卷層電感較大，對高頻無效，故本系統(tǒng)采用了1 000 V/0.15 μF無極性電容，即圖2中C1，可有效濾除高頻紋波。

2. 4 逆變電路

智能功率模塊(IPM)擁有保護(hù)電路功能齊全、控制驅(qū)動(dòng)簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于伺服電機(jī)領(lǐng)域[8]。本文選用三菱公司的智能功率模塊PS21865設(shè)計(jì)了逆變器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。最大電流為20 A，最高阻斷電壓為600 V，輸出功率為1.5 kW，開關(guān)時(shí)間為ton=1.3 μs，toff=1.6 μs，完全滿足了系統(tǒng)運(yùn)行要求。PS21865內(nèi)部集成6個(gè)IGBT，P、N為直流母線輸入接口，U、V、W為逆變輸出端，接至PMSM的定子繞組，UUP1為U相上橋臂驅(qū)動(dòng)電源，UUPC為U相上橋臂電源地，Up為驅(qū)動(dòng)信號輸入端，F(xiàn)o為故障信號輸出端。

圖3 IPM內(nèi)部電路

3 信號檢測電路

系統(tǒng)控制采用的TMS320F2812芯片是美國德州儀器(TI)公司推出的一款32位定點(diǎn)高速數(shù)字信號處理器。TMS320F2812運(yùn)算速度高，可達(dá)150 MHz，且應(yīng)用功能豐富，在電機(jī)及其他運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[9]。在電機(jī)閉環(huán)控制中，電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)采集至關(guān)重要。本文設(shè)計(jì)了信號檢測電路，包括對定子相電流、母線電壓、轉(zhuǎn)速的檢測，并獨(dú)立設(shè)計(jì)了D/A和A/D轉(zhuǎn)換模塊。

3. 1 A/D轉(zhuǎn)換電路

TMS320F2812內(nèi)部已集成了ADC轉(zhuǎn)換模塊，但精度不高。為獲得更高的控制精度和更快的轉(zhuǎn)換速率，運(yùn)用DSP通用I/O口外接了AD7606芯片[10]。AD7606為8通道、16位的高速AD轉(zhuǎn)換芯片，每個(gè)通道均能以200 kb/s的速率同時(shí)采樣，并具有高速并行接口，AD轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

AD7606采用5V電源供電，并支持雙極性輸入，芯片內(nèi)部有2.5 V的基準(zhǔn)電壓源，并可通過軟件和芯片的第8號引腳來選擇輸入模擬電壓的范圍，本文選取±5 V的輸入范圍。當(dāng)CONVST引腳被軟件觸發(fā)高電平時(shí)，AD轉(zhuǎn)換開始，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，AD7606的BUSY電平被拉低，通過軟件程序可一次讀取8個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

圖4 AD7606數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

3. 2 D/A轉(zhuǎn)換電路

運(yùn)用DSP的串行外設(shè)接口(SPI)外接了AD5734芯片，設(shè)計(jì)了DA轉(zhuǎn)換模塊。該模塊的作用可以將DSP采集的數(shù)字量的電機(jī)運(yùn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換成模擬量輸出。通過示波器可以顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、相電流等波形，便于直觀地了解試驗(yàn)結(jié)果。

AD5734是一種具有4通道、14位、串行輸入、電壓輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可采用單電源或正負(fù)雙電源供電。同時(shí)內(nèi)置輸出放大器、基準(zhǔn)電壓緩沖器以及專有上電/省電控制電路。系統(tǒng)采用了±12 V電源供電，滿量程輸出范圍設(shè)置為±10 V，通過軟件程序設(shè)計(jì)可一次輸出4個(gè)通道試驗(yàn)波形。

3. 3 定子電流檢測

試驗(yàn)所用的PMSM定子是Y型連接法，滿足ia+ib+ic=0的關(guān)系，所以只需檢測2相的定子電流。以U相為例，圖5為定子電流采樣電路圖。

圖5 定子電流采樣電路

本系統(tǒng)對定子電流采集使用霍爾傳感器CS040GT，其一次側(cè)輸入額定電流為±40 A，二次側(cè)輸出額定電壓為1.5～3.5 V。圖6為電流傳感器的檢測電流Iin與輸出電壓Uout之間的關(guān)系曲線。將輸出的電壓經(jīng)過調(diào)理電路送至AD7606，通過相應(yīng)的軟件程序計(jì)算，可得到實(shí)時(shí)的定子相電流。

圖6 一次側(cè)電流與二次側(cè)電壓的關(guān)系曲線

由圖7的關(guān)系曲線可得出：

Uout=0.025Iin+2.5(2)

3. 4 母線電壓檢測

在系統(tǒng)程序算法中需要用到的U、V、W三相定子電壓，可以通過檢測直流母線電壓，并根據(jù)逆變器開關(guān)狀態(tài)精確地計(jì)算出來。由于檢測的電壓是直流電壓，故系統(tǒng)采用電阻分壓的采集方法。母線電壓采集電路如圖7所示。

圖7 母線電壓采集電路

根據(jù)直流母線電壓的取值范圍，系統(tǒng)選擇2個(gè)分壓電阻為R56=150 kΩ，R57=510 Ω，其中R56為功率電阻，R57為一般的貼片電阻。母線電壓分壓過后經(jīng)過一個(gè)電壓跟隨器，起到隔離和阻抗匹配的作用。圖7中HCNR201為高線性模擬光電耦合器，作用為隔離高電壓側(cè)與采樣調(diào)理電路。其引腳1、2為隔離信號的輸入，引腳3、4為反饋引腳，5、6為輸出引腳，通過電阻R61、R67可調(diào)整輸入電壓Uin與輸出電壓Uout的關(guān)系式：

Uout/Uin=K·R67/R61(3)

式中：K——HCNR201的恒定增益，一般為1±0.15。本系統(tǒng)選取R61=R67=30 kΩ，即放大倍數(shù)為1。

輸出信號經(jīng)隔離后送入AD7606的采樣通道，并在AD7606中將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入TMS320F2812做軟件算法運(yùn)算。

3. 5 轉(zhuǎn)速檢測

在高性能的伺服系統(tǒng)中，對調(diào)速的范圍、調(diào)速的精確度要求較高，而且對轉(zhuǎn)速測量的分辨率與抗干擾性也有一定的要求，一般轉(zhuǎn)速的測量可通過編碼器來實(shí)現(xiàn)?？紤]使用的是PMSM，故運(yùn)用DSP的QEP模塊設(shè)計(jì)了混合式編碼器接口。

混合式編碼器輸出信號有相位互差90°的A、B脈沖信號，方波脈沖A用來確定電機(jī)轉(zhuǎn)速，兩者共同作用可確定電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。此外，還有4路用來轉(zhuǎn)子定位的U、V、W、Z信號。U、V、W三組脈沖信號互差120°，并將轉(zhuǎn)子的電角度空間分為6個(gè)扇區(qū)，在不同的扇區(qū)都對應(yīng)1個(gè)3位二進(jìn)制數(shù)，所以轉(zhuǎn)子會(huì)有正負(fù)30°的誤差。電機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈時(shí)，混合式編碼器會(huì)發(fā)出一個(gè)高電平脈沖，即Z信號，該信號可用來清除微處理器的計(jì)算器，防止誤差累積，也可用來做轉(zhuǎn)子位置的校正。如圖8所示為混合式編碼器的輸出信號示意圖。

圖8 混合式編碼器的輸出信號

編碼器的A、B、Z分別接DSP的CAP1、CAP2、CAP3引腳。本文采用2 500線的混合式編碼器，經(jīng)四倍頻后電機(jī)轉(zhuǎn)一圈DSP接收10 000個(gè)脈沖信號。利用M法測速[11]，在一個(gè)周期中斷時(shí)間t內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度θ為

(4)

式中： T2CNT——QEP計(jì)數(shù)器。

在一個(gè)很短的周期t內(nèi)速度幾乎不變，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速nr為

60 r·min-1(5)

4 系統(tǒng)供電方案

PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是強(qiáng)弱電混合的系統(tǒng)，各模塊需要用到相互隔離的直流電源進(jìn)行供電[12]。為了保證驅(qū)動(dòng)器工作狀況良好，在分析了各模塊的基礎(chǔ)上，給出了各種控制電源如下：+5 V(主控芯片以及各類數(shù)字芯片)，±12 V(模擬電路電源)、4路+15 V驅(qū)動(dòng)電源(IPM控制電源以及上下橋臂驅(qū)動(dòng)電源)。為此，設(shè)計(jì)了開關(guān)電源模塊，對整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的各類芯片進(jìn)行單獨(dú)供電。在功率驅(qū)動(dòng)部分，設(shè)計(jì)了24 V控制電接口，采用XY-S-75-24直流開關(guān)電源將220 V工頻交流電轉(zhuǎn)換成24 V直流電，繼而采用LM2576穩(wěn)壓芯片，將24 V直流電轉(zhuǎn)換成5 V供各類芯片使用；采用F2415S-2W變換器將24 V直流電轉(zhuǎn)換成15 V直流供IPM使用。在控制器部分，采用了型號WRA2412YMD-6W電源模塊將24 V直流電轉(zhuǎn)換成+12 V、-12 V模擬電供D/A轉(zhuǎn)換芯片使用。

此外，TMS320F2812控制芯片工作電壓分為3.3 V的I/O電壓和1.9 V的內(nèi)核電壓，因此設(shè)計(jì)了控制芯片供電電路。在控制板上采用TPS767D301電源芯片。該芯片電壓精度高，輸入5 V電壓，提供兩路輸出電壓：一路穩(wěn)定的3.3 V電壓，另一路在1.5～5.5 V內(nèi)可調(diào)整的電壓，兩路電壓供電順序可通過芯片使能引腳電平高低來實(shí)現(xiàn)。具體電路設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 控制芯片供電電路

TPS767D301輸入5 V電壓并將3.3 V電壓使能引腳拉低，供電電路會(huì)建立3.3 V的電壓，此時(shí)三極管Q1從截止關(guān)斷到飽和導(dǎo)通，使另一路的可調(diào)整電壓的使能引腳從高電平拉至低電平，通過合適的取樣電阻可輸出1.9 V電壓，可調(diào)電壓式：

(6)

式中：Uref=1.224 6 V，本文選取R23=18.2 kΩ,R24=33 kΩ，由此可得到1.9 V的穩(wěn)定電壓。

5 試驗(yàn)結(jié)果

為了檢測所設(shè)計(jì)的PMSM驅(qū)動(dòng)控制器性能，搭建了電機(jī)控制系統(tǒng)平臺(tái)。試驗(yàn)采用了1.3 kW內(nèi)置式PMSM作為控制對象，同時(shí)連軸1.5 kW直流發(fā)電機(jī)作為負(fù)載。系統(tǒng)采用了PMSM矢量控制策略，由SVPWM算法產(chǎn)生PWM脈沖信號，經(jīng)光耦隔離后，驅(qū)動(dòng)逆變器輸出電壓控制PMSM運(yùn)轉(zhuǎn)。軟件調(diào)試在CCS v3.3開發(fā)環(huán)境下完成。電機(jī)參數(shù)如下：額定電壓220 V，額定電流5 A，額定功率1.3 kW，額定轉(zhuǎn)矩5 N·m，額定轉(zhuǎn)速2 500 r/min。

試驗(yàn)中設(shè)置PWM頻率為10 kHz，死區(qū)時(shí)間為3.8 μs，電流電壓采樣周期為100 μs，轉(zhuǎn)速控制周期取為1 ms。速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器Ksp取3.5，Ksi取0.02，Q軸電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器Kqp取9.3，Kqi取0.2，D軸電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器Kdp取63，Kdi取0.36，轉(zhuǎn)矩輸出限幅設(shè)為5 N·m。實(shí)際輸入的單相交流電為調(diào)壓器調(diào)壓后的150 V。

在給定轉(zhuǎn)速為750 r·min-1、定子磁鏈恒定條件下，使用Tektronix公司的TDS2014B型示波器采集了電機(jī)矢量控制的試驗(yàn)波形，如圖10所示。圖10中從上至下分別為轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、直流母線電壓、a相電流及穩(wěn)態(tài)電流波形。試驗(yàn)中轉(zhuǎn)速響應(yīng)上升時(shí)間約為600 ms，超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差均很小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，可看出系統(tǒng)調(diào)速的動(dòng)、靜態(tài)性能良好；母線電壓輸出波形穩(wěn)定，幾乎無脈動(dòng)，穩(wěn)壓效果好；相電流波形符合正弦規(guī)律變化，效果理想。

圖10 矢量控制試驗(yàn)波形

6 結(jié) 語

本文針對小功率內(nèi)置式PMSM，以TMS320F2812和IPM為核心設(shè)計(jì)了PMSM驅(qū)動(dòng)控制試驗(yàn)平臺(tái)。采用矢量控制方法對電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速試驗(yàn)，系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)控制性能優(yōu)良，表明該驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)合理、可行。該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠，設(shè)計(jì)的片外A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路，不僅提高了控制精度，而且可方便直觀了解試驗(yàn)結(jié)果，為進(jìn)一步研究PMSM的高性能控制算法提供了有利條件。

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HardwareDesignofPermanentMagnetSynchronousMotorControlSystemBasedonDSP*

HUYu,ZHANGXinghua

(College of Electrical Engineering and Control Science, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China)

Based on the controlled object of small power permanent magnet synchronous motor (PMSM), combined with the main features of digital signal processor TMS320F2812, an overall hardware design scheme had been put forward for the PMSM drive control system. Design of the power driven main circuit had illustrated, signal detection circuit and power supply circuit in detail, meanwhile introduced the main components selection and parameters calculation method. Based on the designed hardware platform, the control system of PMSM had been performed a functional test . Experimental results showed that the hareware design of control system had good reliability with stable performance and high control precision.

permanentmagnetsynchronousmotor(PMSM);powerdrivenmaincircuit;signaldetectioncircuit

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51477073)；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20161549)

胡 宇(1992—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)控制。

張興華(1963—)，男，博士，教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)控制、復(fù)雜系統(tǒng)控制。

TM 351

A

1673-6540(2017)12- 0019- 06

2017 -03 -13