黃英華,岳生偉
(安徽建筑大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,安徽合肥 238076)
在工業(yè)生產(chǎn)實踐中,永磁同步電機交流伺服系統(tǒng)起著重要作用,在各個領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。隨著自動化技術(shù)的迅速發(fā)展,永磁同步電機的性能和控制策略有較高的提升,同時工業(yè)界對永磁同步電機控制系統(tǒng)也有著越來越高的要求[1-3]。我國對永磁同步電機交流控制技術(shù)研究較晚,直至20 世紀(jì)70 年代才開始著力于該方面的研究。到80 年代,已取得了較大的研究進(jìn)展,在控制策略與電機制造方面有了突破性成果[4-5]。但由于技術(shù)原因,國外對永磁同步電機控制系統(tǒng)的核心技術(shù)限制轉(zhuǎn)讓,國產(chǎn)化道路依然艱難。永磁同步電機控制系統(tǒng)的核心為控制策略的研究,傳統(tǒng)PID 控制一直深受研發(fā)人員的青睞,是工業(yè)界較為成熟的控制手段[6-8]。而采用滑膜控制可以使永磁同步電機控制系統(tǒng)的魯棒性更強,但仍存在缺陷。有學(xué)者提出改進(jìn)的滑膜控制,將小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)植入滑膜控制理論,提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)能力[9-11]。但該方法存在可能產(chǎn)生擾動現(xiàn)象無法恢復(fù)的缺陷,給工程應(yīng)用帶來不利影響。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等控制策略逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點[12]。
文中以永磁同步電機控制系統(tǒng)為研究對象,重點研究永磁同步電機的結(jié)構(gòu)和工作原理,分析不同的矢量控制方法?;赟TM32 控制器對永磁同步電機控制系統(tǒng)完成硬件設(shè)計與軟件設(shè)計,介紹了硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和軟件程序設(shè)計,最終在實驗平臺上驗證了該控制系統(tǒng)的可行性。
永磁同步電機的定子在切割磁場過程中產(chǎn)生三相電流,根據(jù)安裝在永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)的方式差異可以將轉(zhuǎn)子分為插入式、表貼式和內(nèi)裝式[13]。3 種轉(zhuǎn)子的原理如圖1 所示。
圖1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖
轉(zhuǎn)子的交直軸電感近似相等時,其磁導(dǎo)率和空氣的磁導(dǎo)率相等。該類電機為隱極式電機,其制造工藝較復(fù)雜、突擊性明顯。而內(nèi)裝式轉(zhuǎn)子的直軸電感較交軸電感大,過載能力高且功率密度較大[14]?;谝陨嫌来磐诫姍C的分析,文中選取表貼式永磁電機(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor,SPMSM)作為驅(qū)動電機。
在理想條件下分析表貼式永磁同步電機的動態(tài)性能、靜態(tài)性能,分別建立3 種坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型[15]。
在自然坐標(biāo)系中,兩極SPMSM 三相繞組的電壓方程可表示為:
式中,iA、iB、iC分別為三相電流分量,φA、φB、φC分別為三相繞組磁鏈,RS為定子繞組。其中,磁鏈方程可表示為:
轉(zhuǎn)矩方程可表示為:
其中,LAA、LBB、LCC均為繞組的自感,φf為轉(zhuǎn)子磁鏈。
上述坐標(biāo)系表示的永磁同步電機控制系統(tǒng)較復(fù)雜,需通過解耦后適應(yīng)永磁同步電機控制系統(tǒng)。ABC三軸與靜止坐標(biāo)系之間的關(guān)系如圖2 所示。從圖中可直觀看出各個矢量之間的聯(lián)系,每項磁動勢為有效匝數(shù)與電流數(shù)值的乘積。
圖2 坐標(biāo)系之間的關(guān)系
由圖2 可得以下關(guān)系式:
式中,iA、iB、iC分別為A、B、C三相電流分量;N1、N2、N3分別為A、B、C三相繞組的匝數(shù)。
增加虛擬零軸磁動勢,將等式化為矩陣形式,將式(4)經(jīng)Clark 變換及逆變換得到:
式中,io為單位矢。為保證總功率不變,應(yīng)使N3與N2的比值為,該變換關(guān)系適用于各種永磁同步電機。
矢量控制核心思想為:通過坐標(biāo)變換將復(fù)雜的永磁同步電機數(shù)學(xué)模型解耦為模擬控制電機,以便對電機進(jìn)行控制。不同的控制方式對永磁同步電機產(chǎn)生不同的控制性能,轉(zhuǎn)子與定子的結(jié)構(gòu)特點也影響控制方式的選擇[16]。在實際工程應(yīng)用中,應(yīng)結(jié)合應(yīng)用場景、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、環(huán)境因素選擇合適的控制策略,常用的控制方式為弱磁控制、MTPA 控制及id=0矢量控制。根據(jù)AGV 永磁同步電機的功能用途與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點,文中采用id=0 矢量控制方式建立雙閉環(huán)SPMSM 矢量控制系統(tǒng)[17-19]。
永磁同步電機控制系統(tǒng)硬件電路部分以STM32控制器為核心部件,主要涉及開關(guān)電源電路、主控電路和檢測電路等。其中,開關(guān)電源電路為整個控制系統(tǒng)提供能源供應(yīng),起到變換電壓、穩(wěn)定電流的作用,保障系統(tǒng)的穩(wěn)定工作;主電路模塊可接收MCU 信號,控制永磁同步電機的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)。該永磁同步電機控制系統(tǒng)硬件電路的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。
圖3 硬件電路總體結(jié)構(gòu)示意圖
控制系統(tǒng)的開關(guān)電源設(shè)計原理如圖4 所示。由圖可知,文中的控制系統(tǒng)設(shè)計了基于STM32 控制器的電流控制型反激式開關(guān)電源電路,該電路可為同步電機控制系統(tǒng)的各個電路模塊提供電源,保證系統(tǒng)供電的可靠性。當(dāng)功率開關(guān)管導(dǎo)通時,電能儲存于線圈內(nèi);當(dāng)功率開關(guān)管關(guān)閉時,電能釋放傳輸至下級電路。
圖4 開關(guān)電源電路
傳統(tǒng)的永磁同步電機控制系統(tǒng)采用DSP 作為主流控制芯片,而隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展,STM 系列的ARM 控制器彌補了DSP 芯片的不足,逐漸被應(yīng)用于工業(yè)界,且因其價格低廉逐漸成為大眾選擇。文中的主控電路采用STM32 控制器作為控制系統(tǒng)的微處理器,其主要由時鐘電路、RS232 電路、復(fù)位電路組成。時鐘電路具有體積小、使用方便等特點,可對電流、電壓以及通信數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存;RS232 電路主要完成與上位機的通信功能,以及監(jiān)控整個控制系統(tǒng);復(fù)位電路結(jié)構(gòu)簡單,主要對控制系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。
檢測電路包括電流檢測電路、直流母線電壓檢測電路。電流檢測電路選用LA100-P 型號的傳感器進(jìn)行電流檢測,該傳感器具有精度高、測量方便的特點。測量時需要外接電阻,且輸出電壓不超過3 V,目的是保護(hù)芯片安全。直流母線電壓檢測電路采用蓄電池供電,對直流母線電壓進(jìn)行實時監(jiān)測,將檢測到的電壓作為輸入,該信號經(jīng)過處理后送到STM32控制器的ADC 端口進(jìn)行采樣,以完成對直流母線電壓的檢測。
軟件部分是永磁同步電機控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,文中在軟件部分采用模塊化、多任務(wù)的編程方式。基于STM32F103ZET6 控制器,在Keil μVision4環(huán)境下進(jìn)行編譯。系統(tǒng)通電后,首先對各個變量進(jìn)行賦值,初始化STM32 的定時器、A/D 轉(zhuǎn)換器、儲存器。然后讀取EEPROM 中的數(shù)據(jù),判斷是否啟動。此外,通過上位機的控制系統(tǒng)來觀測系統(tǒng)波形,評估整個控制系統(tǒng)的性能,直觀獲取電機運行狀態(tài)??刂葡到y(tǒng)的主程序設(shè)計框圖如圖5所示。
圖5 主程序設(shè)計框圖
基于控制系統(tǒng)矢量控制特性,設(shè)置電流調(diào)節(jié)周期為100 μs。程序進(jìn)入中斷,然后讀取轉(zhuǎn)子狀態(tài)信息,感知轉(zhuǎn)子所在電機位置角。若轉(zhuǎn)子狀態(tài)為正轉(zhuǎn),則設(shè)置轉(zhuǎn)速和反饋速度,進(jìn)行做差比較。根據(jù)控制器得到速度調(diào)節(jié)的電流值,再通過坐標(biāo)變換得到電壓矢量αμ、βμ,并產(chǎn)生波形,完成閉環(huán)控制。A/D 中斷服務(wù)程序設(shè)計為所設(shè)計系統(tǒng)的軟件控制策略,中斷程序通過讀取旋轉(zhuǎn)電機編碼電路的永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置信息,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速環(huán)。整個中斷程序流程圖如圖6 所示。
圖6 A/D中斷服務(wù)程序流程圖
文中通過基本實驗平臺驗證基于STM32 控制器的永磁同步電機控制系統(tǒng)性能及特性。該平臺主要由永磁同步電機、驅(qū)動控制系統(tǒng)、開關(guān)電源等組成,系統(tǒng)基于STM32 控制器可完成對控制系統(tǒng)的檢測、旋轉(zhuǎn)編碼、發(fā)送指令、監(jiān)控等功能。該永磁同步電機的相關(guān)參數(shù)如表1 所示。
表1 永磁同步電機基本參數(shù)
為驗證所述控制系統(tǒng)的科學(xué)性,設(shè)定控制系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0 N·m,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。永磁同步電機轉(zhuǎn)速波形如圖7 所示。從圖中可以看出,該控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間很短,在1.8 s 時系統(tǒng)可以迅速地到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài),且到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后能維持系統(tǒng)狀態(tài)不變。
圖7 轉(zhuǎn)速波形
模擬9 種擾動現(xiàn)象,擾動采用人為改變轉(zhuǎn)子阻尼,在不同的擾動下,其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同,通過測量不同擾動下永磁同步電機的轉(zhuǎn)速,并將測量值與實際值進(jìn)行比較,計算每種擾動下實際轉(zhuǎn)速與測量轉(zhuǎn)速之間的相對誤差,以此反映該控制系統(tǒng)的性能。測試結(jié)果如表2 所示。
表2 測試結(jié)果
如表2 所示,在擾動情況下,轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速呈增加趨勢,轉(zhuǎn)子的測量轉(zhuǎn)速亦呈增加趨勢。而轉(zhuǎn)速的相對誤差值控制在3%以內(nèi),在接受范圍內(nèi),可應(yīng)用于實際工程案例中。
文中以永磁同步電機控制系統(tǒng)為對象,設(shè)計了基于STM32 控制器的PMSM 控制系統(tǒng)。其包括硬件部分和軟件部分,硬件部分主要包括開關(guān)電源電路、主控電路、檢測電路設(shè)計;軟件部分主要涉及主程序、A/D 中斷服務(wù)程序的開發(fā)。通過搭建實驗平臺驗證了文中所設(shè)計控制系統(tǒng)的可行性。通過分析得出,該控制系統(tǒng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)PID 控制系統(tǒng),該控制系統(tǒng)可維持穩(wěn)態(tài)運行中的誤差在可接受范圍內(nèi),符合設(shè)計的預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)誤差,具備良好的工程應(yīng)用前景。在后續(xù)研究中,將進(jìn)一步研究電流環(huán)的永磁同步電機控制策略。