基于滑模直接轉(zhuǎn)矩的PMSM實驗平臺設(shè)計與實現(xiàn)

王業(yè)鈞,楊德航,李亞楠

(1.多電源地區(qū)電網(wǎng)運行與控制湖南省重點實驗室,湖南 邵陽,422000;2.邵陽學(xué)院 電氣工程學(xué)院,湖南 邵陽,422000;3.邵陽資水科技有限公司,湖南 邵陽,422000)

隨著電力電子技術(shù)與智能技術(shù)的發(fā)展,機器人技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。電機控制技術(shù)作為機器人驅(qū)動與控制的主要方法之一,成為國內(nèi)外學(xué)者研究的焦點。永磁同步電機具有體積小、功率密度大、可靠性高等優(yōu)越性能逐漸成為市場的主流[2]。本文設(shè)計實現(xiàn)了基于數(shù)字信號處理器(digital signal processing,DSP)的永磁同步電機實驗平臺。該平臺以TMS320F28335DSP為核心[3],設(shè)計開發(fā)了驅(qū)動單元、光耦保護(hù)單元、整流濾波和逆變電路等硬件模塊,還設(shè)計開發(fā)了基于DSP代碼生成程序和上位機監(jiān)控界面等軟件平臺[4-6]。實現(xiàn)了永磁同步電機基于滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制策略的實驗。為開展高性能控制策略提供了較好的實驗條件[7]。

1 PMSM基于滑模變結(jié)構(gòu)的直接轉(zhuǎn)矩控制

1.1 PMSM數(shù)學(xué)模型

d-q軸坐標(biāo)系下永磁同步電機的定子電壓方程為

(1)

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

(2)

磁鏈方程為

(3)

運動方程為

(4)

式中:ud、uq和id、iq分別為定子電壓、d-q軸電流分量;ψd、ψq分別為定子磁鏈的d-q軸分量;Ld、Lp分別為軸電感、交軸電感;TL、Te分別為負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩;ωe、ωm分別為電角度、機械角速度;R為定子電阻;J為轉(zhuǎn)動慣量;B為阻尼系數(shù);P為電機的極對數(shù);ψf為永磁體磁鏈。

由于永磁同步電機(permanent magnet synchronous motor,PMSM)的定子電感Ld=Lq,且采用id=0的控制方法,則電磁轉(zhuǎn)矩方程可變?yōu)?/p>

(5)

1.2 直接轉(zhuǎn)矩控制器設(shè)計

在d-q軸坐標(biāo)系下,三相PMSM電磁轉(zhuǎn)矩Te的公式如下:

(6)

ψr=ψd,定子磁鏈幅值可表示為

(7)

動態(tài)系統(tǒng)中,滑?？刂扑惴〝?shù)學(xué)模型可描述為

(8)

模型中的滑動變量函數(shù)與導(dǎo)函數(shù)的表達(dá)式

(9)

定義磁鏈的滑模面函數(shù)為

(10)

根據(jù)滑模原理設(shè)計的磁鏈環(huán)控制器的公式如下:

(11)

(12)

式中:Kp、Ki為待設(shè)計參數(shù),且Kp、Ki為正數(shù)。

同理,根據(jù)滑模原理設(shè)計的轉(zhuǎn)矩環(huán)控制器公式如下:

(13)

(14)

式中:ST為轉(zhuǎn)矩的滑模面函數(shù)。

令r=0.5,優(yōu)化后的直接轉(zhuǎn)矩控制模型框圖見圖1。

圖1 基于滑?？刂频闹苯愚D(zhuǎn)矩框圖Fig.1 Direct torque block diagram based on sliding modecontrol

2 實驗平臺硬件電路設(shè)計

2.1 逆變電路

實驗平臺中的逆變電路部分是核心部件之一。逆變電路是將控制電路中的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率和電壓都能任意調(diào)節(jié)的交流電。控制電路采用電壓空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse wdth modulation,SVPWM)控制技術(shù),控制6個絕緣柵雙極型晶體管(isulated gate bipolar tansistor,IGBT)功率開關(guān)管的交替導(dǎo)通和關(guān)斷。

IGBT是全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件,它具有自關(guān)斷、開關(guān)速度高、載流密度大、驅(qū)動功率小等特點。但I(xiàn)GBT的熱時間常數(shù)較小,若承受較大過載,會迅速發(fā)熱而大幅降低其最大輸出電流能力。因此,在實際選擇功率元件時應(yīng)留有足夠的余量并配備良好的冷卻措施,故在6片IGBT上都加裝了散熱片。

2.2 光耦隔離電路

為增強實驗平臺的信噪比保護(hù)控制電路,故在主電路和控制電路之間以光電隔離器隔離開來。本實驗平臺采用6N137光電隔離器來實現(xiàn)光耦隔離。光電隔離器6N137應(yīng)用見圖2。在輸出端電源(腳8)和地(腳5)之間必須接一個高頻特性良好的瓷片去耦電容C4,其取值為0.1 μF,作為旁路電容以減少對電源的干擾。輸入端限流電阻R1與輸出端上拉電阻R2均選用1 kΩ,C3是輸出負(fù)載的等效電容,其與輸出端上拉電阻一同影響光耦的響應(yīng)時間,C3取值為1 μF。

圖2 光耦隔離電路原理圖Fig.2 Optocoupler isolation circuit schematic

2.3 驅(qū)動電路

本實驗平臺采用了IR2110S作為驅(qū)動芯片。IR2110S的引腳說明見表1。DSP控制板發(fā)出六路PWM脈沖分別輸入IR2110S的HIN和LIN引腳,驅(qū)動IGBT的通斷每對IGBT可以共用一片IR2110S驅(qū)動芯片,且驅(qū)動芯片統(tǒng)一由一路獨立電源供電。

SD為關(guān)斷信號,當(dāng)該關(guān)斷信號輸入為高電平時,IR2110將輸出低電平;該關(guān)斷信號輸入低電平時,IR2110的輸出將跟隨邏輯高、低端的輸入,即HIN腳及LIN腳。本實驗平臺中,SD將故障保護(hù)電路作為保護(hù)信號輸入端。

3 實驗平臺軟件設(shè)計

3.1 DSP代碼生成流程及主程序設(shè)計

DSP代碼的過程主要分為3步:(1)根據(jù)需要,新建工程模型;(2)進(jìn)行MATLAB環(huán)境設(shè)置;(3)在Simulink環(huán)境中搭建算法模型。

主程序利用Simulink模塊中的“Embedded Coder Support Package for Texas Instruments C2000 Processors”支持包中C2833x相關(guān)的代碼生成模塊來搭建算法程序。主程序流程圖見圖3。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Main program flowchart

在Simulink模塊中搭建PMSM基于滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主程序見圖4。其中轉(zhuǎn)速閉環(huán)程序與電流采集程序在SVPWM中斷服務(wù)函數(shù)中,轉(zhuǎn)速采集程序在QEP中斷服務(wù)函數(shù)中。其中:state為軟件啟停;speed_base為轉(zhuǎn)速計算參數(shù);tmpg為單位時間脈沖個數(shù);rpm_ref為轉(zhuǎn)速給定;rpm_kp、rpm_ki、Te_kp、Te_ki、flux_kp、flux_ki為滑?？刂破鲄?shù);tr為轉(zhuǎn)子時間常數(shù);usdlimit、usqlimit為勵磁電壓和轉(zhuǎn)矩電壓的限幅;rpm為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的反饋值;ia、ib;ic為三相電流;aaa、bbb為A、B相電流數(shù)字量;ia_k、ib_k為A、B電流數(shù)字量補償。

圖4 PMSM基于滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主程序Fig.4 PMSM are based on the main program of sliding mode direct torque control system

3.2 上位機監(jiān)控界面設(shè)計

為簡單直觀觀察電機實時動態(tài)、改變電機參數(shù)和實驗分析,本實驗平臺基于LabVIEW軟件設(shè)計了上位機監(jiān)控界面。其功能為建立上、下位機的通信和數(shù)據(jù)傳輸。串行口中斷設(shè)計功能是與PC機交換數(shù)據(jù),實現(xiàn)界面顯示和參數(shù)變量在線修改。其UI界面見圖5。

圖5 上位機監(jiān)控UI界面Fig.5 Host computer monitoring UI interface

上位機界面主要由通信設(shè)置、啟停開關(guān)、參數(shù)調(diào)節(jié)和波形顯示等4部分組成。其中:通信設(shè)置含有VISA資源名稱即串口端口選擇,設(shè)置波特率為115 200 bps,數(shù)據(jù)位設(shè)置為8,校驗位設(shè)置為None,停止位設(shè)置為1.0,數(shù)據(jù)流控制設(shè)置為0;啟停按鈕即為state控件,單擊亮起時state值置1,熄滅時state值為0;參數(shù)調(diào)節(jié)部分主要包括a相電流數(shù)字量、b相電流數(shù)字量、a相電流漂移量補償、b相電流漂移量補償、usd電壓限幅、usq電壓限幅、速度環(huán)kp、速度環(huán)ki、轉(zhuǎn)矩電環(huán)kp、轉(zhuǎn)矩環(huán)ki、磁鏈環(huán)kp、磁鏈環(huán)ki和給定轉(zhuǎn)速。a相電流漂移量補償和b相電流漂移量補償應(yīng)等于a相電流數(shù)字量和b相電流數(shù)字量,以對霍爾電流傳感器零點漂移進(jìn)行補償;控制器的PI參數(shù)實時調(diào)節(jié)可方便觀察PI參數(shù)的改變對調(diào)速系統(tǒng)的影響;圖形顯示部分以波形圖表的形式動態(tài)顯示采取的數(shù)據(jù),包含了轉(zhuǎn)速采樣和相電流采樣等。

4 實驗與分析

本實驗平臺系統(tǒng)由上位機、基于DSP的PMSM實驗箱、表貼式PMSM臺架組成,見圖6。

圖6 基于滑?？刂频腜MSM直接轉(zhuǎn)矩控制實驗系統(tǒng)Fig.6 Direct torque control experimental system for PMSM based on sliding mode control

實驗開始前,完成基于滑?？刂频腜MSM直接轉(zhuǎn)矩控制實驗系統(tǒng)所必須的連線,其次,完成上電操作。在通信成功后,串口緩沖區(qū)字節(jié)數(shù)有數(shù)字變化,且指示燈點亮。首先,需進(jìn)行電流傳感器補償,將數(shù)字量調(diào)零;其次,更改電壓限幅值;再次,調(diào)整控制器參數(shù);最后,按下啟停按鈕并給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行實驗。通過界面可以在線觀測轉(zhuǎn)速、三相電流、勵磁電流、轉(zhuǎn)矩電流、勵磁電壓和轉(zhuǎn)矩電壓的波形,并實時更改控制器參數(shù)優(yōu)化控制策略。

實驗電機參數(shù)為:UN=220 V,PN=200 W,IN=1.27 A,給定轉(zhuǎn)速為300 r/min。實驗結(jié)果見圖7。實驗結(jié)果表明,本實驗平臺控制系統(tǒng)具有較好的可靠性、較快的響應(yīng)速度和良好的穩(wěn)定性,其總體控制性能良好,可滿足實際實驗需求。

圖7 基于滑模直接轉(zhuǎn)矩控制策略實驗結(jié)果Fig.7 Based on the experimental results of sliding mode direct torque control strategy

5 結(jié)論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了永磁同步電機基于DSP的滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的實驗平臺。本實驗平臺采用基于DSPTMS320F28335和MATLAB的快速控制原型開發(fā)系統(tǒng),可以直接在MATLAB/Simulink上進(jìn)行高性能控制算法的設(shè)計和研究,隨后自動生成代碼,控制永磁同步電機運行。該實驗平臺可以通過上位機觀測器在線觀測轉(zhuǎn)速、三相電流、勵磁電流、轉(zhuǎn)矩電流、勵磁電壓和轉(zhuǎn)矩電壓的波形,并實時更改控制器參數(shù)優(yōu)化控制策略。實驗證明,該實驗平臺具有良好的可擴展性,對繼續(xù)研究永磁同步電機高性能控制策略具有非常高的實用價值。