基于DSP及IPM的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

1、基于D SP 及IP M 的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)肖禮飛, 鄭黎明伺服控制SERVO TECHN IQUE基于D SP 及IP M 的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)肖禮飛, 鄭黎明(廣東汕頭大學(xué)能源研究所, 汕頭, 515063摘要:在分析永磁同步電機(jī)(P M S M 直接轉(zhuǎn)矩控制理論的基礎(chǔ)上, 介紹了一種基于D SP 及智能功率模快(IP M 的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案, 詳述了該方案的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用TM S 320L F 2407構(gòu)成核心控制電路, 以智能功率模塊P M 30CSJ 060構(gòu)成逆變主電路。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行表明, 方案合理, 結(jié)構(gòu)通用緊湊。關(guān)鍵詞:永磁同步電機(jī); D

2、 SP ; 智能功率模塊; 直接轉(zhuǎn)矩控制中圖分類號(hào):TM 351文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1001-6848(2005 03-0061-04D irect Torque Con trol Syste m of P M S M Ba sed on D SP and IP MX I AO L i -fei , ZH EN G L i -m (Guangdong Shan tou U n iversity , tou Abstract :T h is paper analyzed the D irect To rque tro (of P M S M D of P M S M based on D

3、SP and in tellectual pow er (is p sed , the of the system of the system and . con tro l part of system is con sisted of T I D SP the softw are in TM S 320L F ain part is m ade up of IP M P M 30CSJ 060. Experi m en t indicates that schem e is rati onal and the system atic structu re is un iversal and

4、 compact . Key words :P M S M ; D SP ; IP M ; D TC ;0引言直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)成為繼矢量控制技術(shù)之后又一種交流電機(jī)高性能控制技術(shù)。直接轉(zhuǎn)矩控制理論以其新穎簡(jiǎn)單的控制思想, 簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu), 優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)性能得到了關(guān)注和迅速發(fā)展。近年來, 一些學(xué)者致力于該控制方式在同步電機(jī)上的拓展。初步實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制1。這些工作使直接轉(zhuǎn)矩控制理論得到的進(jìn)一步完善。隨著微電子技術(shù)和功率電子技術(shù)的飛速發(fā)展, 交流伺服系統(tǒng)中采用數(shù)字信號(hào)處理器2(D SP 及智能功模塊3(IPM 等新穎器件, 使控制系統(tǒng)向數(shù)字化、智能化、小型化方向發(fā)展。文中給出了一

5、種基于D SP 及智能功率模塊(IPM 的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。實(shí)驗(yàn)表明, 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊, 電路原理可靠, 具有優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速性能。永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)借鑒于異步電機(jī)D TC 的控制思想1, 但又有自身的理論基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)方法。由永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型中的轉(zhuǎn)矩方程式可知, 當(dāng)定子磁鏈保持恒定時(shí), 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩因?yàn)檗D(zhuǎn)矩角的變化而變化, 由于電機(jī)機(jī)械時(shí)間常數(shù)大于電磁時(shí)間常數(shù), 亦即定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度比轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度容易改變, 因而轉(zhuǎn)矩角的改變可通過改變定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度和方向得以實(shí)現(xiàn)。因此, 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論基礎(chǔ)為:保持定子磁鏈幅值不變的情況下, 控制定、轉(zhuǎn)子磁

6、鏈之間夾角即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩, 快速改變轉(zhuǎn)矩角可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。圖1所示為永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理框圖。整個(gè)系統(tǒng)由磁閉環(huán)和轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)兩個(gè)控制環(huán)組成。其工作原理為:控制系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)三相電流和電壓值, 利用磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型分別實(shí)時(shí)計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩及定子磁鏈所在扇區(qū), 而后將給定轉(zhuǎn)矩(由速度誤差經(jīng)P I 整定調(diào)節(jié)輸出 和給定磁鏈分別與它們實(shí)時(shí)計(jì)算值進(jìn)行滯環(huán)比較, 根據(jù)比較狀態(tài)選擇逆變器的開關(guān)矢量, 使電機(jī)能按控制要求調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩, 最終達(dá)到調(diào)速目的。611PM S M 直接轉(zhuǎn)矩控制理論收稿日期:2004-07-29 在本系統(tǒng)中提任著重要的控制角色。3 片內(nèi)集成的串行通訊接口(S

7、C I 及串行外設(shè)接口(SP I 可用于與上位機(jī)、外設(shè)及多處理器之間的通訊。2. 2IPM (PM 30CSJ 060 功率變換單元3圖1永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理框圖2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)PM S M 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主結(jié)構(gòu)如圖2所示。智能功率模塊IPM (In telligen t Pow er M odu les 與普通的IGB T 模塊相比, 是一種將功率開關(guān)器件及其驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、測(cè)控電路、甚至與微機(jī)的接口電路集成在同一封裝內(nèi)的集成模塊 。系統(tǒng)由基于D SP 的運(yùn)算控制單元、基于三菱IPM 的主回路功率變換單元和基于H all 效應(yīng)傳感器和光電碼盤的反饋信號(hào)檢測(cè)單元組成 。3-直-

8、交電壓源變頻變壓電路, 如圖3所示。基于直接轉(zhuǎn)矩控制快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的特點(diǎn), 本系統(tǒng)采用三菱公司的高速智能功率模塊3。PM 30CSJ 060屬于第三代高頻IPM 產(chǎn)品, 額定電壓為600V , 額定電流30A , 適用功率為2. 2k W 。該芯片采用絕緣基板工藝, 內(nèi)部集成了6個(gè)IGB T 及優(yōu)化后的柵極驅(qū)動(dòng)和故障監(jiān)測(cè)保護(hù)電路, 諸如:過電流(O C 、短路(SC 、過熱(O H 和欠壓保護(hù)(U V 等。功率變換單元值得注意的兩點(diǎn):1 系統(tǒng)要求IPM 的PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)通道和保護(hù)信號(hào)輸出通道必須采用高速光耦隔離, 4路FAU L T 信號(hào)再通過或非門輸出到D SP 控制板的PD P I N T

9、 x 引腳, 以確保當(dāng)存在任何一路FAU L T 輸圖2系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)2. 1D SP (TM S 320L F 2407 運(yùn)算控制單元2該芯片作為D SP 控制器24X 系統(tǒng)的新成員, 是電機(jī)數(shù)字化控制的升級(jí)產(chǎn)品。該款D SP 芯片還集成了許多模塊化外設(shè):1 片內(nèi)有高達(dá)32kB 的FLA SH 程序儲(chǔ)器, 高達(dá)1. 5kB 的數(shù)據(jù) 程序RAM , 544字雙口RAM (DA RAM 和2kB 的單口RAM (SA RAM 2 兩個(gè)事件管理器EVA 和EVB 模塊, 它們出時(shí)能封鎖PWM 的輸出。(本系統(tǒng)選用HCPL 4504高速光耦, 而保護(hù)信號(hào)選用PC 817高速光耦, 或門采用CD 4

10、0782 PM 30CSJ 060需要獨(dú)立隔離的+15V 電源驅(qū)動(dòng)。本系統(tǒng)采用三菱公司的電源模塊M 57140-01, 輸入+20V 直流穩(wěn)壓電源, 即可得到4組隔離的+15V 電源, 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。2. 3反饋信號(hào)檢測(cè)單元1 系統(tǒng)速度實(shí)時(shí)檢測(cè)采用精度為1024pp r 光均包括兩個(gè)16位通用定時(shí)器、8個(gè)16位的脈寬調(diào)制(PWM 通道, 支持三相反相控制器; PWM 的對(duì)稱和非對(duì)稱波形; 當(dāng)外部引腳PD P I N T x 出現(xiàn)低電平時(shí)快速關(guān)閉PWM 通道; 可編程的PWM 死區(qū)控制以防止上下橋臂同時(shí)觸發(fā)脈沖; 三個(gè)捕獲單元; 片內(nèi)光電編碼器接口電路; 16通道A D 轉(zhuǎn)換器。該模塊62電

11、碼盤來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置, 碼盤輸出的兩路正交脈沖信號(hào)直接連接到TM S 320L F 2407的正交編碼脈沖輸入單元(Q EP , Q EP 對(duì)脈沖前后沿計(jì)數(shù), 進(jìn)行倍頻后, 由定時(shí)計(jì)數(shù)器T 3CN T 對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù), 并由M 法計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻的轉(zhuǎn)子角速度。2 由于系統(tǒng)D TC 算法需要準(zhǔn)確的初始轉(zhuǎn)子位置信息, 所以系統(tǒng)需要絕對(duì)式碼盤信號(hào)進(jìn)行定位。所幸的是本系統(tǒng)永磁同步電機(jī)內(nèi)部集成了光電碼盤并帶有U VW 絕對(duì)信號(hào)輸出, 提供了轉(zhuǎn)子初始位置定位信號(hào)。以便提供給算法中需要的定子初始磁鏈的計(jì)算。3 系統(tǒng)中永磁同步電機(jī)采用星形無中線接法, 只需要采用霍爾電流互感器來測(cè)量主電路的兩相電流, 通過匹配轉(zhuǎn)

12、換(放大濾波限幅等 電路產(chǎn)生在0V -5V 之間的兩個(gè)電壓信號(hào)送入ADC 。所以系統(tǒng)采用兩路電流傳感器檢測(cè)相電流, 并采用一路電壓傳感器檢測(cè)直流母線電壓。圖4P WM 中斷服務(wù)子程序程程序框圖。其中D 、Q 表示定子磁鏈變換到靜止坐標(biāo)中的分量值 。3系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)PM S M 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)軟件由D SP 的主程序及D SP 控制程序由4功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷程序; 通訊中斷程序。在主程序中完成D SP 系統(tǒng)以及外設(shè)部件的初始化、節(jié)電模I O 控制信號(hào)管理、式管理、故障檢測(cè)及處理等。在PWM 定時(shí)中斷程序中實(shí)現(xiàn)電流環(huán)采樣及控制、磁鏈及轉(zhuǎn)矩估算、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較、磁鏈滯環(huán)比較、開關(guān)電壓矢量計(jì)算及選擇、PW

13、M 信號(hào)生成; 通訊中斷程序主要實(shí)現(xiàn)接收并刷新伺服控制參數(shù)、設(shè)置伺服運(yùn)行模式; 光電編碼器零脈沖捕獲中斷程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)編碼器反饋零脈沖精確地捕獲, 得到交流永磁同步電機(jī)初始位置角及實(shí)時(shí)速度計(jì)算值。功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷程序則檢測(cè)智能功率模塊的故障輸出, 當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí), D SP 的PWM 通道將封鎖, 強(qiáng)制輸出變成高阻態(tài)。圖6定子磁鏈區(qū)間判斷程序框圖圖5 基本電壓矢量及定子磁鏈分區(qū)圖3. 1D TC 算法的軟件實(shí)現(xiàn)D TC 控制算法主要有以下幾個(gè)部分:定子相電壓、相電流的坐標(biāo)變換, 磁鏈觀測(cè), 滯環(huán)控制, 定子磁鏈分區(qū)的實(shí)現(xiàn)和電壓矢量的選擇。這些部分的實(shí)現(xiàn)由PWM 中斷服務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)(圖4 。實(shí)現(xiàn)控制I

14、PM 開關(guān)的PWM 信號(hào)以空間電壓矢量作為輸入, 以直流母線電壓為參數(shù), 來給出3組互補(bǔ)的PWM 信號(hào)輸出。假設(shè)定子磁鏈按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn), 圖5給出了為8個(gè)基本電壓空間矢量及定子磁鏈區(qū)間分配。圖6 給出了定子磁鏈區(qū)間判斷流系統(tǒng)通過采樣計(jì)算值和給定值比較, 判斷定子磁鏈幅值的變化情況。輸出“1”表示需要增加定子磁鏈幅值, 輸出“0”時(shí)則表示需要減小定子磁鏈。轉(zhuǎn)矩控制的工作原理也是如此。根據(jù)磁鏈比較狀態(tài)、轉(zhuǎn)矩比較狀態(tài)和定子磁鏈所在區(qū)間從表2中選擇基本電壓矢量。永磁同步電機(jī)零矢量對(duì)轉(zhuǎn)矩的貢獻(xiàn)不大1, 本系統(tǒng)不采用零電壓矢量。系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速P I 調(diào)節(jié)器的輸入量為給定轉(zhuǎn)速與采樣轉(zhuǎn)速的偏差信號(hào), 輸出量為轉(zhuǎn)

15、矩給定值。由于直接轉(zhuǎn)矩控制算法中負(fù)載角需要有限制, 而這種限制可以通過對(duì)給定轉(zhuǎn)矩限制實(shí)63微電機(jī)2005年第38卷第3期(總第144期現(xiàn), 所以P I 調(diào)節(jié)器得到的給定轉(zhuǎn)矩信號(hào)需要限幅。如果轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)保持時(shí)間過長(zhǎng), 由于P I 調(diào)節(jié)中積分的作用, 將會(huì)引起積分器的過飽和, 使系統(tǒng)出現(xiàn)大的超調(diào)和震蕩, 采用分段離散P I 的方法克服以上問題。在偏差進(jìn)入比較小的范圍內(nèi), 再引入積分項(xiàng)。其表達(dá)式如下:表1電壓空間矢量表磁鏈轉(zhuǎn)矩比較比較狀態(tài)狀態(tài)11010010磁鏈所在扇區(qū)123V 56234V 61345V 12456V 23561V 34612V 45額定功率:0. 6-2k W ; 頻率:10H

16、 z -50H z ; 額定電壓:76V -380V ; 額定電流:6. 2A文中永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)選用智能功率模塊IPM 和D SP 控制器, 充分利用D SP 高速運(yùn)算能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)資源, 結(jié)合IPM 簡(jiǎn)單緊湊的逆變主電路, 保證了伺服控制的實(shí)時(shí)性, 有效的簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì), 提高了系統(tǒng)的可靠性, 使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔緊湊。實(shí)驗(yàn)表明, 該系統(tǒng)運(yùn)行可靠, 控制平穩(wěn), 將用于我們實(shí)驗(yàn)室風(fēng)輪模擬實(shí)驗(yàn)。參考文獻(xiàn)1田淳, 胡育文. 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)理論及控制方案的研究J . 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2002, 17(1 :7-112劉和平等編著. TM S 320L F 240X D

17、 SP 結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用M . 北京航空航天大學(xué)出版社, 20023IT SUB ISH I I CTOR SM . D SP 的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的研POW ERI N T ELL IGEN T3. 2轉(zhuǎn)速P I 調(diào)節(jié)器軟件設(shè)計(jì)u (k =K P e (k e (n e m axu (k =K P e (k -e (k -1 +K i e (k +u (k -1e (n < e m 其中, e (k k 差。e m ax 文獻(xiàn)2D SP 的P I 離散實(shí)現(xiàn)算法; 程序的入口參數(shù)為:速度參考值V ref , 速度采樣測(cè)量值V fbk ; 程序出口參數(shù)為:t =K T 時(shí)的控制量u (

18、k 作為給定轉(zhuǎn)矩送給下一級(jí)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較。究D . 西安理工大學(xué), 20025李葉松等. 交流永磁同步電機(jī)全數(shù)字伺服控制器設(shè)計(jì)J . 微電機(jī), 2003, 36(6 :25-276張興華. 基于D SP 和IP M 的感應(yīng)電機(jī)直接矢量控制系統(tǒng)J . 電力電子技術(shù), 2003, 37(5 :44-46作者簡(jiǎn)介:肖禮飛(1980- , 男, 廣東汕頭大學(xué)機(jī)電系碩士研究生, 研究方向?yàn)闄C(jī)電控制。4實(shí)驗(yàn)及結(jié)論系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中三相永磁同步電機(jī)參數(shù)為:(上接第83頁技術(shù)和綜合技術(shù)等, dsP I C 一定會(huì)得到廣大用戶的青睞。參考文獻(xiàn)1dsP I C 30F 2010D ata Sheet M . M icroch i p T echno logyInc . 20042張琛. 直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用M . 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 20013M C 33039N CV 33039, C lo sed L oop B ru sh