基于SVPWM的永磁同步電機控制器設計

廣東理工學院電氣工程系 梁永忠

0 引言

永磁同步電動機(PMSM)由于其控制特性良好，結構簡單、運行可靠、體積小、重量輕、效率和功率因數(shù)高，已廣泛應用于各種工業(yè)傳動領域，并取得顯著的節(jié)能效果[1]。傳統(tǒng)的交流電動機采用正弦脈寬(SPWM)調制技術輸出一個頻率和電壓可調、三相對稱的正弦波電動機供電電源，這種方法雖然具有數(shù)學模型簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點，但是它的電壓利用率太低?？臻g矢量脈寬調制(SVPWM)技術將逆變系統(tǒng)和電機看作一個整體來考慮，使實際磁鏈矢量追蹤理想磁鏈圓，其控制簡單，開關損耗小，電壓利用率比一般的SPWM高[2]。因此，本文采用STM32F103C8T6單片機作為主控單元，基于SVPWM開發(fā)了一款永磁同步電機控制器方案。

圖1 三相永磁同步電機的逆變橋

圖2 基本電壓空間矢量扇區(qū)分布

1 SVPWM算法原理

SVPWM采用平均值等效原理，即在每一個采樣周期內(nèi)利用若干個基本電壓矢量合成任意給定的參考電壓矢量。圖1所示是三相永磁同步電機的逆變橋，Q1～Q6是功率開關管，N1～N3代表三個橋臂，規(guī)定當上橋臂導通時為“1”，下橋臂導通時為“0”，則三個橋臂可以形成8種開關狀態(tài)(000,001,010,011,100,101,110,111)，這8種相電壓狀態(tài)即構成SVPWM的8個基本電壓空間矢量，分別命名為U0(100)，U60(110)，U120(010)，U180(011)，U240(001)，U300(101)，O000(000)和O111(111)，其中O000(000)和O111(111)為零矢量。

為了使三相逆變器輸出的實際磁通為圓形，將SVPWM的8個基本電壓空間矢量劃分為6個扇區(qū)，如圖2所示。

以Uout為輸出的參考相電壓矢量，以Ux和Ux±60為相鄰的兩個基本電壓空間矢量，當Uout落在相應的扇區(qū)時，則Uout可由Ux和Ux±60線性時間組合來合成，即：

其中t1是Ux的作用時間，t2是Ux±60的作用時間，Tpwm是Uout的作用時間。在每個Tpwm都改變Ux和Ux±60的作用時間，當Tpwm很小時，實際輸出的電壓空間矢量的軌跡接近圓形。

通過相鄰兩個基本電壓空間矢量與實際輸出的電壓空間矢量相位關系可求得t1和t2，即：

根據(jù)逆變器輸出零矢量時電動機的定子磁鏈矢量不動的特點，在Tpwm期間插入零矢量作用的時間t0，使即可實現(xiàn)變頻的目的[3]。

本設計以幅值和相角的形式給出Uout，故可直接根據(jù)相角來確定Uout所在的扇區(qū)。

2 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)的硬件設計框圖如圖3所示，主控制器采用STM32F103C8T6單片機，速度設定通過電位器輸入，逆變橋驅動采用IR2110S，三相逆變橋采用獨立MOSFET，轉子位置和速度反饋通過霍爾傳感器校正和獲取，采用單電阻采樣獲取電機的總電流，過流保護采用LM393比較器輸出連接到單片機的中斷。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

逆變橋的驅動電路如圖4所示，IR2110S兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點，具有獨立的低端和高端輸入通道，且有PWM關斷控制引腳，可方便保護電路的控制，內(nèi)部具有自舉電路，可簡化控制電路方案，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其高端工作電壓可達500v，在現(xiàn)有實驗設備環(huán)境下，本方案設計了驅動24v PMSM的控制電路。

圖4 逆變橋驅動電路

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)采用PI單速度環(huán)控制；采用單電阻采樣系統(tǒng)的總電流作為系統(tǒng)的過流保護，過流保護使用單片機的外部中斷，且設置為最高優(yōu)先級；SVPWM算法在PWM中斷里實現(xiàn)；轉子的實際位置通過霍爾傳感器反饋回來的狀態(tài)信號修正。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示，當單片機讀取到電位器的AD值低于某個數(shù)值時即認為輸入速度設定值為零，停止PMSM，否則啟動PMSM；過流保護作為程序的最高中斷優(yōu)先級，可隨時關斷系統(tǒng)的PWM，LM393的過流保護輸出除了連接到單片機的中斷引腳外也連接到IR2110S的關斷引腳，通過這種方式實現(xiàn)軟件和硬件雙重保護，提高系統(tǒng)保護的可靠性。

4 結語

本文通過分析SVPWM算法原理，設計實現(xiàn)了PMSM的控制驅動電路及控制程序，通過系統(tǒng)調試，24V PMSM能平穩(wěn)、快速地調速并實現(xiàn)速度閉環(huán)，過流保護等功能均可實現(xiàn)，驗證了該方案的可行性。