基于特種車輛永磁同步電機(jī)同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董星言，楊金波，王 輝，蔣雨菲，周 杰，辛振偉

(1.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100047； 2.北京長(zhǎng)征天民高科技有限公司，北京 100047)

0 引 言

永磁同步電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱PMSM)以輕型化、高效節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)已在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備及自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中廣泛應(yīng)用,并已成為隨動(dòng)系統(tǒng)的重要驅(qū)動(dòng)源[1]，其控制策略和無(wú)傳感器控制方法具有較高的研究?jī)r(jià)值。PMSM矢量控制系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)性能好、精度高以及調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，并且隨著高性能伺服系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域需求的不斷增加，系統(tǒng)的應(yīng)用前景正不斷拓展。在伺服和交流調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域，PMSM矢量控制系統(tǒng)已成為的重點(diǎn)研究對(duì)象之一[2]。

由位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組成的閉環(huán)控制是保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩、響應(yīng)速度和控制精度的關(guān)鍵[3]。采用三閉環(huán)電機(jī)控制策略可實(shí)現(xiàn)位置動(dòng)態(tài)跟隨、轉(zhuǎn)速精確控制和轉(zhuǎn)矩快速響應(yīng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)同步控制具有重要意義。

多電機(jī)同步控制已成為現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，其相關(guān)研究也成為研究熱點(diǎn)[4]。多電機(jī)同步控制主要包括經(jīng)典控制策略，如并行方式、主從方式、交叉耦合方式；現(xiàn)代控制策略，如偏差耦合控制和環(huán)形耦合控制等；智能控制策略，如基于模糊控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的同步控制等[5]。特種車輛的應(yīng)用場(chǎng)合需要使用簡(jiǎn)單可靠的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)同步要求，以保證速度的同步。利用電機(jī)主從控制策略，輔以上層調(diào)速控制，具有較理想的控制效果。

除滿足基本功能性能需求外，特種車輛的控制系統(tǒng)需要更高的可靠性和安全性，在系統(tǒng)和單機(jī)設(shè)計(jì)中，均需要考慮相關(guān)設(shè)計(jì)，并在系統(tǒng)控制中實(shí)現(xiàn)。

1 PMSM控制方案設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)學(xué)模型

PMSM的電壓方程式(α-β坐標(biāo)系)[6]：

(1)

式中：uα，uβ為α，β軸電壓；iα，iβ為α，β軸電流；R為單相電阻；L為單相電感；ωe為電角速度；Ψf為永磁體磁鏈。

電磁轉(zhuǎn)矩方程(d-q坐標(biāo)系)：

(2)

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)；id，iq為d,q軸電流；Ld，Lq為d,q軸電感。

1.2 三閉環(huán)矢量控制方案

根據(jù)式(2)，PMSM的轉(zhuǎn)矩由以下兩部分構(gòu)成[7]：

(3)

根據(jù)式(3)，控制Te1、Te2即可實(shí)現(xiàn)PMSM的控制，轉(zhuǎn)矩控制可以歸結(jié)為d，q軸電流控制。不同的控制策略可以根據(jù)不同的d，q軸電流控制方式實(shí)現(xiàn)。

矢量控制為PMSM轉(zhuǎn)矩及磁通的解耦提供了解決方法。這種解耦控制并不是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其性能的唯一要求。電機(jī)的性能指標(biāo)可以通過(guò)更簡(jiǎn)單的控制策略實(shí)現(xiàn)[8]。id=0控制，cosφ=1控制，MTPA控制以及恒磁鏈控制等均為矢量控制的方法。采用id=0的控制和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向方法，具有簡(jiǎn)化方案設(shè)計(jì)、增加調(diào)速范圍、提高轉(zhuǎn)矩性能等優(yōu)點(diǎn)，滿足特種車輛的應(yīng)用需求。

基于位置環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的三閉環(huán)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)位置、轉(zhuǎn)速及電流的PI調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及穩(wěn)定輸出控制。三閉環(huán)控制系統(tǒng)中電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)居中，位置環(huán)作為外環(huán)。電機(jī)控制器可根據(jù)不同工況配置不同工作模式，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的目標(biāo)控制。

圖1為按照需求得到的控制系統(tǒng)原理框圖。

2 雙電機(jī)同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 同步控制策略

電機(jī)同步的現(xiàn)代控制策略和智能控制策略與經(jīng)典控制策略相比，具有更高的同步控制精度、更快的系統(tǒng)響應(yīng)速度以及更好的動(dòng)態(tài)性能，但控制算法復(fù)雜，系統(tǒng)計(jì)算量較大，不利于實(shí)際的工程實(shí)踐。在特種車輛應(yīng)用場(chǎng)合，可選用控制算法相對(duì)簡(jiǎn)單、成熟度較高的經(jīng)典控制策略，其中主從控制策略在雙電機(jī)同步控制中具有較理想的控制效果。

圖2為主從控制策略的系統(tǒng)框圖。電機(jī)1作為主動(dòng)機(jī)，電機(jī)2作為從動(dòng)機(jī)，主動(dòng)機(jī)接收上位機(jī)轉(zhuǎn)速指令，通過(guò)自身轉(zhuǎn)速閉環(huán)進(jìn)行轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制。主動(dòng)機(jī)的位置信號(hào)作為從動(dòng)機(jī)的位置輸入?yún)⒖迹瑥膭?dòng)機(jī)通過(guò)位置控制跟隨主動(dòng)機(jī)的輸出，達(dá)到同步控制的目的。

圖2 主從控制策略系統(tǒng)框圖

采用主從控制方式時(shí)，當(dāng)從動(dòng)機(jī)受到干擾速度發(fā)生變化時(shí)，主動(dòng)機(jī)的速度不會(huì)隨之改變，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速誤差增大，同步效果受到影響[9]。為了彌補(bǔ)主從控制方式帶來(lái)的誤差，在上層控制策略中增加位置補(bǔ)償控制，當(dāng)由兩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)位移差超過(guò)允許范圍時(shí)，由上位機(jī)通過(guò)算法進(jìn)行自動(dòng)位置補(bǔ)償。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

同步控制系統(tǒng)主要由電機(jī)控制器、PMSM和相關(guān)控制電纜組成。其中兩臺(tái)PMSM選取同批次、同參數(shù)電機(jī)，電纜長(zhǎng)度、阻抗特性等盡量保持一致，這樣可提高系統(tǒng)穩(wěn)定度，去除參數(shù)不一致帶來(lái)的原始誤差。圖3為同步控制系統(tǒng)組成框圖。

圖3 同步控制系統(tǒng)框圖

電機(jī)控制器作為同步控制系統(tǒng)的核心，主要實(shí)現(xiàn)電壓電流信號(hào)和開(kāi)關(guān)量信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的解碼以及與上位機(jī)之間通信，然后根據(jù)這些信息，將控制指令通過(guò)三閉環(huán)控制及矢量控制算法轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)，完成電機(jī)轉(zhuǎn)速、位置或電流的閉環(huán)控制。

本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)PMSM的高速運(yùn)行，并且矢量控制方式需要大量的程序計(jì)算，所以普通的單片機(jī)難以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)的控制電路以TI公司的TMS320F28335(簡(jiǎn)稱F28335)型號(hào)DSP為核心，F(xiàn)28335數(shù)字信號(hào)處理器是32位的高性能微處理器，一個(gè)周期內(nèi)可完成32×32位的乘法累加計(jì)算，信號(hào)處理能力、控制能力強(qiáng)大。F28335采用低功耗的設(shè)計(jì)，主頻可達(dá)150 MHz。該芯片具有豐富的外設(shè)資源，可實(shí)現(xiàn)所需的各種功能，包括：3個(gè)16位通用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；一個(gè)具有18路PWM輸出、死區(qū)配置和緊急停機(jī)功能的16位高級(jí)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；16通道的12 位ADC；2路CAN 2.0B通信接口及其他通信外設(shè)等。

電機(jī)控制器主要由整流電路、逆變電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和輔助電源等組成，圖4為電機(jī)控制器硬件電路框圖。

圖4 電機(jī)控制器硬件電路框圖

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用TI公司的CCS5.5作為軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境，軟件主要駐留在電機(jī)控制器F28335之上。軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序設(shè)計(jì)和中斷處理程序設(shè)計(jì)，其中主程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的初始化，包括寄存器的配置，相關(guān)變量的賦值操作等，程序的初始化能保證整個(gè)程序正確運(yùn)行，它是程序運(yùn)行之前的必不可少的工作之一。中斷處理程序是系統(tǒng)控制算法的核心部分，它包括A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取和處理、轉(zhuǎn)子位置解算及同步控制算法、閉環(huán)PI調(diào)節(jié)算法以及SVPWM算法等。圖5、圖6為程序框圖。

圖5 主程序框圖

圖6 中斷處理程序框圖

3 系統(tǒng)可靠性和安全性設(shè)計(jì)

特種車輛應(yīng)用場(chǎng)合更加注重可靠性和安全性，一旦出現(xiàn)問(wèn)題將會(huì)造成不可估量的影響。因此，在電機(jī)同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮可靠性和安全性設(shè)計(jì)。

3.1 可靠性設(shè)計(jì)

可靠性的定義是指產(chǎn)品或系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。平均無(wú)故障時(shí)間tMTBF為評(píng)估產(chǎn)品可靠性的重要指標(biāo)[10]。將電機(jī)控制器的可靠性模型定義為串聯(lián)模型，可按下式計(jì)算平均無(wú)故障時(shí)間是否符合系統(tǒng)要求。

tMTBF=1/λGS

(4)

式中：λGS為設(shè)備總失效率。

系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)主要按照以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

(1)降額設(shè)計(jì)。根據(jù)國(guó)軍標(biāo)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行降額等級(jí)選擇，關(guān)鍵器件如功率模塊、驅(qū)動(dòng)芯片等應(yīng)按照高等級(jí)降額要求選擇；

(2)散熱設(shè)計(jì)。損耗較大的器件應(yīng)進(jìn)行散熱處理，應(yīng)考慮在不同使用環(huán)境下，尤其是高溫時(shí)器件的溫升；

(3)簡(jiǎn)化電路。選用成熟或繼承性電路，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)；

(4)冗余設(shè)計(jì)。硬件或軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用冗余設(shè)計(jì)方法，例如通信采用雙冗余機(jī)制，當(dāng)一路故障，仍能實(shí)現(xiàn)正常通信。

3.2 安全性設(shè)計(jì)

為了保證系統(tǒng)安全性，應(yīng)在以下方面考慮系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)：

(1)保護(hù)設(shè)計(jì)。電機(jī)控制器自身應(yīng)設(shè)置分級(jí)保護(hù)機(jī)制，如過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、超速保護(hù)、失速保護(hù)等保護(hù)功能，保證設(shè)備自身和系統(tǒng)的安全。系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)置失步保護(hù)、超差保護(hù)以及軟硬件限位等，保證單機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行緊急處理。

(2)絕緣設(shè)計(jì)。系統(tǒng)高壓部分與機(jī)殼采用絕緣安裝，高壓電容均有放電回路；各單機(jī)和電纜應(yīng)通過(guò)絕緣電阻和抗電強(qiáng)度測(cè)試；設(shè)備具備良好的搭接和絕緣措施，留有接地點(diǎn)，且接地點(diǎn)與機(jī)殼應(yīng)可靠導(dǎo)通。

(3)警示設(shè)計(jì)。對(duì)高壓用電設(shè)備和旋轉(zhuǎn)機(jī)械附近有對(duì)應(yīng)的警示；在系統(tǒng)使用說(shuō)明書(shū)中明確安全注意事項(xiàng)和安全性操作要求。

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)采用的2臺(tái)自主研制的30 kW永磁同步電機(jī)控制器，主要由控制板、驅(qū)動(dòng)板、輔助電源板和功率模塊等組成。

2臺(tái)永磁同步電機(jī)均帶絕對(duì)值編碼器，其參數(shù)如表1所示。

表1 永磁同步電機(jī)的參數(shù)

4.2 試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

2臺(tái)永磁同步電機(jī)均采用對(duì)拖臺(tái)架進(jìn)行加載，臺(tái)架試驗(yàn)環(huán)境如圖7所示。

圖7 臺(tái)架試驗(yàn)環(huán)境示意圖

電機(jī)初始位移均為0，通過(guò)上位機(jī)按照系統(tǒng)設(shè)定轉(zhuǎn)速邏輯給主控制器(即30 kW永磁同步電機(jī)控制器1)發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制指令，電機(jī)1和電機(jī)2應(yīng)同向旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)要求2臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差在±20 r/min范圍內(nèi)。

圖8、圖9分別為2臺(tái)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速誤差。

圖8 兩臺(tái)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線

圖9 兩臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差曲線

由圖8、圖9可知，在電機(jī)起動(dòng)及上位機(jī)發(fā)送的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，2臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速誤差較大，但轉(zhuǎn)速誤差最大均不超過(guò)系統(tǒng)要求的±20 r/min，因此本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文論述了在特種車輛應(yīng)用場(chǎng)合，PMSM雙電機(jī)同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和方法，著重介紹了三閉環(huán)矢量控制方案、主從同步控制方法以及系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)可靠性和安全性設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行闡述，為特種車輛電機(jī)同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)提供借鑒。