基于DSP的永磁同步電機控制研究

肖麗佳

（福建水利電力職業(yè)技術(shù)學院，福建 三明，366000）

永磁同步電機的結(jié)構(gòu)十分簡單，并且造價低廉、能量利用率高、空間占用率小、工作穩(wěn)定性高及易維護等多項優(yōu)點，因此具有十分廣闊的應用范圍。同時，隨著電工電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)等科學技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機控制系統(tǒng)也越來越先進[1]。

DSP在全數(shù)字電機控制系統(tǒng)中存在巨大的優(yōu)勢，特別是在交流電機控制方面[2]，由于處理的對象模型非常復雜，是高度非線性的，一般的傳統(tǒng)控制器在計算能力上本身存在不少限制，無法達到控制要求[3]，因此本文使用TI公司的DSP控制器進行電機控制研究，并利用DSP實現(xiàn)對電機的高精和快速反饋控制。

1永磁同步電機的調(diào)速原理

1.1永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)

基于不同種類的磁性材料，永磁同步電機的設計也各不相同。只要設計合理，它就能避免由于短路而產(chǎn)生意外退磁的危險，此外，轉(zhuǎn)子表?面式安裝的永久磁鋼能夠使轉(zhuǎn)矩/重量比大大提高，并且得到足夠的磁通密度和高矯頑力的特性。磁鋼在磁極下能夠是整塊式的，亦為細條式的。由于齒槽效應將會帶來轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動不規(guī)則的影響，為了消除影響，解決方法是將定子開斜槽（就是一個斜齒距）。另外，永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子磁鋼在氣隙中產(chǎn)生的磁通密度是呈正弦形分布的，它的形狀呈拋物線形，定子電樞繞組使用的是一種短距的分布式繞組，可以最大程度的使諧波磁動勢消失。

1.2永磁同步電動機調(diào)速控制系統(tǒng)基本組成

永磁同步電動機調(diào)速控制系統(tǒng)的主回路由脈寬調(diào)制[PWM]變頻器、永磁同步電動機、轉(zhuǎn)子位置檢測器、電流傳感器及速度傳感器組成?？刂苹芈酚伤俣日{(diào)節(jié)器、矢量變換電路、電流調(diào)節(jié)器、PWM生成器及驅(qū)動電路、轉(zhuǎn)速變換電路組成。

由于系統(tǒng)主回路結(jié)構(gòu)特性，使得變頻器采用交流-直流-交流的電壓型逆變器，電壓成為其控制目標。所以，我們必須將此電壓式的逆變器轉(zhuǎn)變成電流式的逆變器。那么我們考慮以下兩種方法：其中一個簡單的方法就是轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞲櫺偷腜WM逆變器，其能夠把輸出的電流控制于合適的誤差范圍之內(nèi)，使其依著所給的電流的改變而改變；第二種方法是依照電流矢量在空間的位置得以計算得到逆變器各個開關(guān)在哪個時刻開通以及彼此導通之間的間隔時間，從而用以控制逆變器各相的輸出電流。因為對于永磁同步電動機定子來說，其三相一般是呈Y形連接，并且中點是懸空的，所以在三相中將有一相是相關(guān)的、不獨立的，鑒于三相平衡的原理，因此在這個回路中只有兩相能夠為電流所檢測，而對于另外一相的反饋電流則需要通過之前能夠被測得的兩相電流相加之后取反才能獲得。

在確定了三相電流瞬時給定的值后，可通過PWM逆變器輸出三相對稱的交流電，讓永磁同步電機慢慢啟動同時作正向運行。倘若轉(zhuǎn)子d軸與合成的電流矢量是成垂直的并且落后，那么電動機的轉(zhuǎn)矩方向是相反的，從而使電動機制動。在此制動模式下，必須考慮到在硬件設計中此反轉(zhuǎn)發(fā)電所導致的不良后果，因此必須設計電流旁路，以防濾波電容的擊穿。

根據(jù)上述的討論，只要我們改變速度控制器的設定值的極性以及大小，就能保證在四象限運行的永磁同步電動機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時又滿足一定高精度的位置和速度要求。

1.3永磁同步電動機的調(diào)速原理

對于永磁同步電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，其主要在于對轉(zhuǎn)矩的控制，因為一切電動機只有通過主磁場與電樞磁場互相作用才能生成電磁轉(zhuǎn)矩。

對于永磁同步電機的調(diào)速方法，一般是利用安裝在電動機軸上的轉(zhuǎn)子磁極位置檢測器，從而能夠準確檢測出轉(zhuǎn)子的磁極位置，而定子側(cè)變流器的電流功率以及相位也得以控制，由于定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈總是以確定的關(guān)系存在，因此能夠產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩。對于高效率的永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)一般都使用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制技術(shù)進行控制，并且這種電動機矢量控制的d-q模型，其轉(zhuǎn)矩方程為

2 DSP在電動機控制領(lǐng)域中的應用

2.1永磁同步電機速度FOC的控制過程

永磁同步電機速度FOC的控制過程可以簡單地描述成下面的過程:

首先，依據(jù)所檢測得到的電機旋轉(zhuǎn)速度與輸入的參考的轉(zhuǎn)速，依據(jù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，經(jīng)過速度PI控制器的計算所得的定子電流參考輸入。定子的相電流與通過其相電流的檢測電路將會被提出來，之后再用Clarke變換把它們變換到定子的兩相坐標軸之中，運用Park變換之后再把它們變換到d-q軸旋轉(zhuǎn)坐標系之中。d-q坐標系之中的電流信號和它們的參考輸入值iSqref與iSdref對比，當中，iSdref=0，之后通過PI控制器就能獲得想要的控制量。最后，控制信號通過Park逆變換，再送回到PWM逆變器中，從而能得到控制定子三相對稱繞組實際的電流。

通過上述的分析，基本能夠確定系統(tǒng)設計分為以下幾個模塊環(huán)節(jié):

①對于DSP自身和外部芯片的接口設計；

②設計相電流的檢測部分；

③檢測轉(zhuǎn)子位置的角度與速度信號；

④設計PI控制器；

⑤矢量于坐標系之間的轉(zhuǎn)換；

⑥空間矢量PWM信號的產(chǎn)生；

⑦電動機功率驅(qū)動模塊的設計。

2.2 TMS320F2812芯片的介紹

TMS320F2812芯片是以TMS320C2xx內(nèi)核的定點為基礎的數(shù)字信號處理器。其整合了DSP及微控制器的最佳特性，器件上含有多種先進的外部設備，主要使用在嵌入式控制應用，如數(shù)字電機控制、資料汲取和I/O控制等領(lǐng)域，其為實現(xiàn)對電機的精準快速控制操作提供了良好的控制平臺。在芯片中整合了128KB的閃存器和4KB的運行存儲器，進而顯著提升了系統(tǒng)操作控制的靈活性。歸納起來，TMS320F2812系列DSP有以下特點[4]：

（1）采用高性能的靜態(tài)CMOS制造工藝：高達150MHZ的主頻(時鐘周期為6.67ns)；能耗少（當頻率為150MHz時的核電壓為1.9V，而頻率在135MHz以下時核電壓為1.8V，電壓為3.3V的I/O口）；編程電壓3.3V的Flash存儲器；支持JTAG邊沿掃描；

（2）32位的高性能CPU：具有16×16和32×32乘積累加操作性能；16×16雙乘積累加器；程序與數(shù)據(jù)空間是分開尋址的；具有快速響應與處理中斷的功能；寄存器編程模式統(tǒng)一；線性數(shù)據(jù)地址及其程序地址達到4M；能夠支持C/C++和匯編語言的代碼轉(zhuǎn)換能力效率高；

（3）片上存儲器：FLASH存儲器高達128K×16空間、ROM空間為128K×16；

（4）外部存儲器接口：尋址空間為1MB；三個片選端是獨立分開的；

（5）時鐘和系統(tǒng)控制：具有改變動態(tài)的鎖相環(huán)(PLL)的頻率；

（6）具有三個外部中斷以及三個32位的CPU定時器；

（7）對于外部的中斷擴展功能（PIE）模塊，最多能夠支持多達45個外部中斷；

（8）128位密鑰 /鎖：保護 FLASH/ROM；保證ROM中固化的程序的安全、不被盜；

（9）串口外圍設備：包括串行外部設備接口(SPI)；兩個串行通信接口（SCIs）；

（11）16個通道的12位的ADC：2個8通道的輸入多路選擇器；兩個采樣保持器；單/連續(xù)通道轉(zhuǎn)換；80ns/12.5MSPS(兆采樣每秒)的快速轉(zhuǎn)換率；

（12）能夠設置56個可獨立編程且用途多樣的輸入/輸出(GPIO)引腳。

3永磁同步電機控制系統(tǒng)的設計

3.1系統(tǒng)硬件設計

圖1 永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，為永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖?？刂葡到y(tǒng)分成主回路和控制回路。主回路主要包括了智能功率模塊IPM與電動機；而控制回路將以TMS320F2812 DSP作為核心，輔之以電流檢測電路。

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計分為系統(tǒng)的初始化和控制模塊兩個部分。其中雖然系統(tǒng)的初始化模塊僅在系統(tǒng)進行上電時執(zhí)行一次，但只要PWM下溢事件發(fā)生，那么控制模塊都會被執(zhí)行，圖2為系統(tǒng)運行程序的基本框圖。

3.3系統(tǒng)實驗結(jié)果

以埃斯頓伺服電機作為載荷電機進行數(shù)據(jù)采集，其基本參數(shù)為：

電阻R=2.8Ω

等效電感L=0.0085H

轉(zhuǎn)子磁鏈Ψ_f=0.175Wb

極對數(shù)P_m=6

轉(zhuǎn)動慣量J=0.00087km·m2

力矩常數(shù)K_f=0.575

電機在啟動過程中，電流將經(jīng)過q、d軸。其中，q軸在電流經(jīng)過的瞬間將出現(xiàn)超調(diào)，之后將快速趨于穩(wěn)定，之后保持在某個穩(wěn)定幅值。而d軸上經(jīng)過的電流也將在經(jīng)歷短時間的振蕩后趨于穩(wěn)定。當給定電流后，若電流幅值基本變化不大，則可認為磁場定向準確，進而表明經(jīng)過d，q軸上的電流是完全是解耦的[5]。

圖3 電流環(huán)電流跟蹤圖

實驗中給予三角波和正弦波兩種電流信號，并通過反饋電流進行跟蹤。由圖3可以看出，對于兩種電流，雖然反饋電流存在滯后，但對于三角波電流超調(diào)量僅±50mA，而正弦波電流的超調(diào)量在±100mA，因此系統(tǒng)的反饋電流對于給定電流的跟蹤效果還是很好的。

當設定電機頻率為5Hz，轉(zhuǎn)速為1000r/min時，系統(tǒng)將經(jīng)過大約25ms的上升調(diào)節(jié)時間，并在之后轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定。由圖4可以看出，正弦波形的跟蹤效果很好，而對于調(diào)節(jié)階段的階躍三角波電流信號，則存在衰減震蕩的信號反饋，存在一定失真，但是當電機趨于穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時，依然有很好的跟蹤效果。

圖4 固定負載速度跟蹤波形圖

4結(jié)論

本文討論探究了永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的控制策略，并設計了一套基于TMS320F2812 DSP控制器的永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)，進行包括主回路和控制回路的硬件設計和有關(guān)的軟件設計，由實驗結(jié)果表明其基于DSP控制器的矢量控制策略具有較強實時性和較高的控制精度。

[1]陳伯時.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[2]白弢，李旭春.基于DSP的磁場定向控制永磁同步電動機系統(tǒng)[J].中小型電機,2002,29(26):17-20.

[3]張興華,沈捷,梅磊,王德明.永磁同步電機混沌運動的逆系統(tǒng)控制[J].電機與控制學報,2010,14(10):73-77.

[4]范偉.小區(qū)光伏電站監(jiān)控器研究與設計[D].華北電力大學,2011.

[5]Lu Yang,Gao Zhifeng.Design of PMSMservo control system based on TMS320F2812 DSP[J].IEEE,2012,130(134):2822-2827.