基于STM32F407的礦用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)研究

郭海兵，張全柱，鄧永紅

(華北科技學(xué)院 信息與控制技術(shù)研究所，北京 東燕郊 065201)

0 引言

煤礦生產(chǎn)作為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)的重點(diǎn)，其安全性和高效率是煤礦企業(yè)發(fā)展壯大的重要保障。機(jī)械化采煤技術(shù)離不開電動機(jī)，絕大多數(shù)煤礦機(jī)電設(shè)備依靠電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。傳統(tǒng)電動機(jī)如異步電動機(jī)雖具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、壽命長等特點(diǎn)，但調(diào)速性能差、效率低、起動轉(zhuǎn)矩小的缺點(diǎn)也限制了機(jī)電設(shè)備高性能的工作。近年來，工業(yè)自動化領(lǐng)域迅速發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)伺服系統(tǒng)對性能的高標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)要求[1]，永磁同步電機(jī)憑借其效率高、體積小、功率因數(shù)高、功率密度大、起動力矩大[2-3]等優(yōu)點(diǎn)而逐漸各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。國家也鼓勵在確保安全的前提下，使用永磁同步電動機(jī)、變頻調(diào)速、能量反饋等節(jié)能技術(shù)的集成應(yīng)用，永磁同步電動機(jī)依據(jù)其自身優(yōu)勢，將會取代異步電動機(jī)得到更加廣泛的應(yīng)用[4]。而煤礦中使用永磁同步電機(jī)作為機(jī)電傳動設(shè)備的動力源，可大大提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，增強(qiáng)企業(yè)競爭力。永磁同步電機(jī)的控制是保證其應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的前提，相關(guān)學(xué)者對礦用永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入的分析與研究,得到了良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能[5]。

本文以STM32F407控制器為控制核心，以永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)為研究對象，采用直接轉(zhuǎn)矩控制策略，分析永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理，對其控制系統(tǒng)的軟件與硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本方案的可行型，為實(shí)際應(yīng)用提供了一定的依據(jù)和保證。

1 永磁同步電機(jī)的工作原理和數(shù)學(xué)模型

1.1 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，簡稱為PMSM)的設(shè)計(jì)來源于繞線式同步電機(jī)，以永磁轉(zhuǎn)子取代繞線式同步電機(jī)的激磁繞組。在給定子繞組通三相交流電后會與永磁轉(zhuǎn)子的磁場相互作用進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，輸出機(jī)械能。由于三相PMSM轉(zhuǎn)子具有不同的磁路結(jié)構(gòu)，故而其運(yùn)行性能、控制方法、制造工藝和適用場合也有差別。按照永磁體轉(zhuǎn)子的位置差異，可將三相PMSM的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為表貼式和內(nèi)置式兩種結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，而表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)屬于隱極式電機(jī)，文中采用表貼式電機(jī)進(jìn)行分析。

圖1 三相PMSM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

1.2 PMSM數(shù)學(xué)模型

對表貼式PMSM進(jìn)行靜態(tài)性能和動態(tài)性能分析，假設(shè)三相PMSM為理想電機(jī)，且忽略電機(jī)鐵芯的飽和與電機(jī)中的渦流和磁滯損耗，設(shè)電機(jī)中的電流為對稱的三相正弦波電流。研究在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q下的數(shù)學(xué)模型，其定子電壓方程為[6]

(1)

定子磁鏈方程為

(2)

將式(2)代入式(1)中整理得定子電壓方程為

(3)

式中，ud、uq為定子電壓的d-q軸分量；id、iq為定子電流的d-q軸分量；R為定子電阻；ψd、ψq為定子磁鏈的d-q軸分量；ωe為電角速度；Ld、Lq為d-q軸電感分量；ψf為永磁體磁鏈。

旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下電磁轉(zhuǎn)矩

(4)

式中，pn為電機(jī)極對數(shù)。

將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q下的方程變換到靜止坐標(biāo)系α-β下的方程即可得到靜止坐標(biāo)系下的基本方程。利用反Park變換將式(3)變換到靜止坐標(biāo)系下的方程，可得到[7]

(5)

式中，[uαuβ]T、[iαiβ]T是靜止坐標(biāo)系下的定子電壓和定子電流。

于是化簡后便有靜止坐標(biāo)系下的電勵磁同步電機(jī)的通用數(shù)學(xué)模型(當(dāng)Ld=Lq=Ls時為表貼式數(shù)學(xué)模型)

(6)

電磁轉(zhuǎn)矩方程可表示為

(7)

定子磁鏈方程為

(8)

式中，ψα和ψβ分別為靜止坐標(biāo)系的磁鏈方程。

磁鏈的幅值為

(9)

1.3 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control , DTC)的基本工作原理是利用Bang-Bang控制(滯環(huán)控制)產(chǎn)生PWM信號，使逆變器的開關(guān)狀態(tài)得到最優(yōu)控制，拋開矢量控制的解耦思想，轉(zhuǎn)變?yōu)閷⑥D(zhuǎn)子磁通定向改成為定子磁通定向，其核心是利用空間電壓矢量分析，把實(shí)時檢測得到的PMSM三相定子電壓和電流等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算而得出電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈的幅值，以雙閉環(huán)控制方法對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接跟蹤控制[8]。

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

礦用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。供電電路由AC380V提供供電電壓，通過IGBT整流單元將交流電變?yōu)橹绷麟?，再由IGBT逆變單元輸出可控的三相交流電，為PMSM提供能源供應(yīng)。在IGBT整流單元中由STM32F407發(fā)出PWM波，經(jīng)過整流驅(qū)動使其能達(dá)到IGBT整流需要的值，從而進(jìn)行整流環(huán)節(jié)，將AC380V轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡浑娐分械闹绷麟娍赏ㄟ^直流電壓檢測裝置采集到STM32F407控制器中，從而判斷直流電的性能參數(shù)；IGBT逆變單元將經(jīng)過整流單元得到的直流電逆變?yōu)镻MSM需要的三相交流電，IGBT逆變單元同樣需要PWM驅(qū)動電路進(jìn)行驅(qū)動；整流單元和逆變單元內(nèi)置了溫度檢測電路，將二者的溫度實(shí)時采集到STM32F407控制器的AD接口中，以便于監(jiān)測其溫度，從而保護(hù)二者的IGBT，防止其被燒毀；逆變后的三相交流電經(jīng)過電路中的傳感器檢測傳送到電機(jī)端的電壓和電流，從而確定PMSM的工作狀態(tài)；在PMSM中還要進(jìn)行電機(jī)速度和轉(zhuǎn)向的檢測從而控制電機(jī)。檢測電路將實(shí)時讀取系統(tǒng)的電壓、電流、溫度等參數(shù)傳送到STM32F407控制器中并通過RS485通信將數(shù)據(jù)傳送到顯示界面，用于閉環(huán)控制和故障檢測。主控制回路由主控芯片STM32F407、PWM驅(qū)動電路與顯示及操作按鈕等構(gòu)成，用于顯示采集到的各種參數(shù)信息和控制三相逆變電路與人機(jī)交互。

圖2 礦用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2.2 整流單元電路設(shè)計(jì)

圖3為三相整流單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理圖。由AC380V作為電源輸入，在整流單元之前加入以電感L為主的濾波單元，V1、V3、V5為上橋臂開關(guān)管，V4、V6、V2為下橋臂開關(guān)管，C為直流側(cè)支撐電容，R為直流側(cè)負(fù)載電阻。上、下橋臂開關(guān)管由六個全控性IGBT組成，此法可使輸入側(cè)電流諧波抑制、功率因數(shù)矯正等問題得到改善，而且電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高，控制變換器交流側(cè)輸入電壓也可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動[9]。

圖3 三相整流單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路

2.3 逆變單元電路設(shè)計(jì)

圖4為三相逆變單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路，是典型的兩電平三相電壓源逆變電路，主開關(guān)元件采用六個分別命名為V1′、V3′、V5′、V4′、V6′、V2′的全控性IGBT構(gòu)成逆變橋，其中Udc為直流母線電壓，通過PWM驅(qū)動電路進(jìn)行驅(qū)動使六個全控性IGBT按照一定的算法得到驅(qū)動信號，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電壓的逆變功能，為PMSM供電。

圖4 三相逆變單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路

2.4 電壓與電流檢測電路設(shè)計(jì)

網(wǎng)側(cè)電壓和電流檢測電路與經(jīng)過逆變后的電機(jī)側(cè)的電壓電流檢測電路可以采用同一種電路檢測方法。在三相平衡電網(wǎng)系統(tǒng)中，線電壓值為380 V且單相最大電流小于100 A，因此可選用TBC100EH3型三相交流電流傳感器來實(shí)現(xiàn)電流的檢測，檢測范圍可達(dá)到300 A，并且可檢測直流、交流。將電源的三相線連接到3個測量孔中，由傳感器的M1、M2、M3輸出測量的三相電流。電流檢測電路如圖5(a)所示，以其中一相電流調(diào)理電路為例，各相電流檢測值須經(jīng)過抗高頻干擾與尖峰后到達(dá)采樣電阻，將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺俳?jīng)過TL082運(yùn)放和DAN217到達(dá)控制芯片的AD采樣接口。網(wǎng)側(cè)電壓中線電壓為380 V可選擇型號為TBV10/25A，用于測量交流電壓，檢測電路圖如圖5(b)所示，兩路線電壓經(jīng)過傳感器輸入側(cè)限流電阻和采樣電阻后轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，再?jīng)過電容濾波由TL082運(yùn)算輸入到STM32F407芯片的采樣接口[10]。

圖5 電流電壓檢測電路

2.5 整流驅(qū)動電路和逆變驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)

整流驅(qū)動電路和逆變驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)需要依據(jù)IGBT的靜態(tài)特性和開關(guān)暫態(tài)特性的參數(shù)，并考慮IGBT的有效工作區(qū)[11]，設(shè)計(jì)驅(qū)動電路的原則是：①能夠提供可靠的驅(qū)動信號，盡量滿足IGBT并使其能夠達(dá)到理想的通斷狀態(tài)，在開通時能滿足所需的柵極電壓和柵極驅(qū)動電流，從而減少其開通損耗，在關(guān)斷時滿足柵極所需反偏電壓，從而確保IGBT及時關(guān)斷；②所提供的驅(qū)動信號必須保證平穩(wěn)，不能有突變，也不能太平緩，從而防止增大開關(guān)損耗；③IGBT的控制電路與功率電路之間最好滿足一定的電氣隔離能力和一定程度的共模抑制比；④要有足夠快速、高效的外圍故障保護(hù)電路，如短路保護(hù)和過、欠壓保護(hù)等，用來對應(yīng)IGBT高速開關(guān)特性，同時能將這些故障信號反饋給控制系統(tǒng)。滿足這些需求的驅(qū)動電路能夠有效保證以IGBT為核心器件的整流單元和逆變單元的穩(wěn)定運(yùn)行，使其能在礦井下復(fù)雜惡劣的環(huán)境里可靠安全的高效運(yùn)行[12-14]。

圖6為所設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路的方案框圖，主要包括驅(qū)動轉(zhuǎn)接電路、驅(qū)動核及外圍保護(hù)電路。其工作原理是：由STM32F407主控制板生成PWM脈沖信號傳輸給驅(qū)動轉(zhuǎn)接板，驅(qū)動轉(zhuǎn)接板再將電信號發(fā)送給驅(qū)動核，經(jīng)外圍驅(qū)動放大電路將信號放大后，再把穩(wěn)定可靠的PWM波發(fā)送給IGBT，使IGBT得到可靠且有效的開通和關(guān)斷信號。同時若IGBT發(fā)生故障，其故障信號經(jīng)過與上述PWM傳輸信號相反的路徑傳輸給STM32F407控制器，主控芯片依據(jù)相應(yīng)的故障信號立即做出相應(yīng)的動作處理。驅(qū)動核可選用QD30A17K-I，它包含大部分智能驅(qū)動所需的功能：具有雙通道輸入驅(qū)動；達(dá)到單通道4W輸出的功率；具有欠過壓、短路檢測保護(hù)功能；有一個完整的DC/DC隔離電源；還具有一個極快的“軟關(guān)斷”功能。使用此驅(qū)動核可完全滿足設(shè)計(jì)需要。

圖6 IGBT驅(qū)動電路

2.6 溫度檢測電路設(shè)計(jì)

如圖7是溫度檢測電路的原理圖。整流單元的溫度檢測和逆變單元的溫度檢測是非常關(guān)鍵的，確保IGBT的工作溫度是保證電路正常工作的重要因數(shù)之一。溫度檢測電路采用溫度傳感器PT100作為檢測元件。PT100溫度傳感器由金屬鉑制作而成，是一種電阻式溫度檢測器，當(dāng)對測量精度無極高測量要求時，可將電阻值與溫度的函數(shù)關(guān)系近似表示為[15]：

Rt=R0(1+AT)

(10)

圖7 溫度檢測電路

式中，T是所測環(huán)境攝氏溫度；A取3.9083×10-3；Rt為環(huán)境攝氏溫度為T時的電阻值；R0為0℃下的電阻值100 Ω。

當(dāng)IGBT的溫度發(fā)生變化時會使PT100的阻值也發(fā)生變化，電路中由TL082和電阻R22、R23構(gòu)成恒流源電路，穩(wěn)定輸出電流值為2 mA，即可近似認(rèn)為通過PT100的電流為恒定的2 mA，根據(jù)歐姆定律可知，PT100上的電壓表達(dá)式為：

U=R0I+R0IAT

(11)

式中，I為恒流源電路中2 mA電流；U為PT100上的電壓。

于是可將溫度傳感器變化的阻值轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，再由AD620進(jìn)行計(jì)算放大，將信號送入STM32F407芯片的A/D采集口，從而測得IGBT的溫度。

2.7 顯示及速度檢測設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的顯示部分采用RS485通信實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能。RS485采用光纖傳輸，將RS485信號轉(zhuǎn)換成光信號遠(yuǎn)距離傳輸后再還原為RS485信號與顯示單元通信[16]。轉(zhuǎn)速檢測利用增量式光電編碼器實(shí)現(xiàn)，其檢測電路圖如下圖8所示，將增量式光電編碼器安裝在PMSM的軸上，實(shí)時監(jiān)控電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。編碼器共輸出三路脈沖信號，分別為A、B、Z，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個增量位移時A相和B相就會輸出一個脈沖信號，同時A、B相位互差90°，即兩組正交輸出信號，相位之差可用來判別出電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時Z相會產(chǎn)生一個脈沖，用來指示轉(zhuǎn)子的機(jī)械位置。其中，A、B、Z信號分別經(jīng)過RC濾波和光耦隔離，再通過74HC14整形電路將信號送到STM32F407芯片的A/D采集口進(jìn)行處理。芯片內(nèi)部計(jì)算每個通道采集2次信號之間的時間差即可確定轉(zhuǎn)子的速度與位置。

圖8 轉(zhuǎn)速檢測電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分是永磁同步電機(jī)控制中的重要部分?？傮w上將程序分為主程序和中斷處理程序。依賴于ST官方提供的強(qiáng)大運(yùn)算能力，采用C語言在Keil μ Vision5 MDK版環(huán)境下進(jìn)行編寫，并通過仿真器燒錄到STM32F407芯片內(nèi)部，由芯片執(zhí)行程序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個PMSM控制系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)。

3.1 系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，在主程序在執(zhí)行中，先要調(diào)用初始化程序。在系統(tǒng)剛一上電時，主程序便開始初始化STM32F407內(nèi)部系統(tǒng)時鐘、I/O口、控制變量和參數(shù)、內(nèi)部寄存器和其他各功能模塊，其中包括PWM輸出、A/D采樣模塊、RS485通信等模塊。初始化完畢開始啟動自檢工作，檢測電源與電路是否處于正常工作狀態(tài)，這很有必要，是保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提。

3.2 系統(tǒng)中斷處理程序的設(shè)計(jì)

中斷處理程序主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電壓和電流A/D采樣計(jì)算、溫度檢測、磁鏈及轉(zhuǎn)矩估算、磁鏈及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較、電流與速度環(huán)的算法控制、速度測量計(jì)算、PWM信號輸出以及RS485總線通訊的顯示等。當(dāng)系統(tǒng)處于正常的工作狀態(tài)時，程序會根據(jù)各自的中斷響應(yīng)進(jìn)入中斷處理子程序，執(zhí)行完其設(shè)定功能后便返回繼續(xù)等待下一個中斷。值得注意的是確定轉(zhuǎn)子磁極的初始位置是進(jìn)行DTC控制的關(guān)鍵，DTC控制算法主要包括定子相電壓、相電流的坐標(biāo)變換，磁鏈觀測，滯環(huán)控制等部分，這些算法將在中斷服務(wù)函數(shù)中被執(zhí)行。通過確定轉(zhuǎn)子磁極的初始位置進(jìn)而可確定逆變單元需要的初始電壓矢量。可采用的方法是使用恒定的定子磁場將轉(zhuǎn)子磁極固定到特定的位置上再給定初始電壓矢量來控制。實(shí)現(xiàn)過程中，可先只對逆變單元的A相給定方波電壓，將轉(zhuǎn)子磁極固定在A相繞組對應(yīng)的磁極方向上，以獲取轉(zhuǎn)子磁極位置信號，之后再給定初始電壓矢量來起動電機(jī)。

4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 仿真模型的搭建

根據(jù)三相PMSM傳統(tǒng)的DTC控制原理，搭建模型時主要包括四個模塊；轉(zhuǎn)速環(huán)控制模塊、Bang-Bang控制模塊、開關(guān)表模塊、磁鏈估計(jì)和轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊。在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建仿真模型，參數(shù)設(shè)置如表1和表2所示，采用變步長ode23tb算法，相對誤差為0.01%進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)[17]。圖9是搭建的仿真模型原理圖。

表1 永磁同步電機(jī)在MATLAB/Simulink環(huán)境下設(shè)置的仿真參數(shù)1

表2 永磁同步電機(jī)在MATLAB/Simulink環(huán)境下設(shè)置的仿真參數(shù)2

圖9 三相PMSM采用DTC控制仿真模型

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖10(a)是逆變單元輸出的部分三相電壓波形，逆變后的三相電供電給永磁同步電機(jī)，從而為PMSM提供動力，由波形圖可以看出，PMSM工作時得到穩(wěn)定的電壓。圖10(b)是輸入電機(jī)的電流波形，電壓和電流的共同作用，實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)的控制。

圖10 逆變單元電壓電流波形

圖11(a)(b)(c)分別是電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速、磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩的波形圖。給定電機(jī)的轉(zhuǎn)速為800 rpm/min，磁鏈參考值為0.3 Wb,初始時刻不加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，在0.3 s時刻給定2 N·m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。從轉(zhuǎn)速的波形圖中可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速在啟動0.1s后穩(wěn)定在設(shè)定值800 rpm/min，在0.3 s時有轉(zhuǎn)速波動證明有負(fù)載轉(zhuǎn)矩加入；從磁鏈的波形圖可以看出，磁鏈幾乎在啟動之后的瞬間維持在恒定值不變；從電磁轉(zhuǎn)矩的波形圖可以看出，初始轉(zhuǎn)矩為0 N·m，在0.3 s時變?yōu)? N·m。

圖11 電機(jī)控制參數(shù)仿真圖

5 結(jié)論

(1) 文中針對煤礦井下特殊的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)了礦用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，控制核心采用STM32芯片，軟件部分和硬件部分的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)。

(2) 軟件部分依據(jù)DTC控制方法，主要設(shè)計(jì)主程序及中斷服務(wù)程序和各采樣部分的開發(fā)，完成系統(tǒng)初始化變量和數(shù)據(jù)設(shè)置，采集各種參數(shù)并在內(nèi)部進(jìn)行計(jì)算，同時實(shí)現(xiàn)通信的功能。在可接受的誤差范圍內(nèi)，能夠有效的實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的控制。

(3) 控制算法通過在MATLAB中搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，控制系統(tǒng)策略采用直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行電機(jī)的驅(qū)動，符合設(shè)計(jì)的預(yù)期結(jié)果，具備一定的工程應(yīng)用前景，未來還可在減小電機(jī)的擾動、增強(qiáng)穩(wěn)定性以及調(diào)速性能等方面進(jìn)行更加深入的研究。