基于DSP的無(wú)位置傳感器永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)

1、收稿日期:2002-06-21基于DSP 的無(wú)位置傳感器永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)趙建中,譚娃,金如麟,姚若萍(上海交通大學(xué),上海200240A Perm anent Magnet Synchronous Motor Control SystemB ased on DSP for Sensorless Speed ControlZH AO Jian -zhong ,T AN Fu -wa ,JIN Ru -lin ,Y AO Ruo -ping(Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200240,China 摘要:介紹了一種采用DSP 芯片T MS32

2、0C24x 實(shí)現(xiàn)的永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制方案。所采用的磁場(chǎng)定向控制策略,在較寬的速度范圍內(nèi)有效。文章著重介紹了一種改進(jìn)算法,即取消相電流傳感器且采用滑模觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器速度控制。關(guān)鍵詞:無(wú)傳感器;永磁同步電機(jī);磁場(chǎng)定向控制;滑模觀測(cè)器;砰-砰控制中圖分類號(hào):TM341文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1004-7018(200302-0016-03Abstract :A s olution to control a permanent magnet synchronous m otor using the T MS320C24x is described.The control method

3、pre 2sented relies on the field orientated control.This alg orithm maintains efficiency in a wide range of speeds by controlling the rotor flux di 2rectly.Within this report different enhanced alg orithms are presented.Am ong the s olutions proposed are ways to suppress phase current sen 2s ors and

4、using a sliding m ode observer for sens orless speed control.K eyw ords :sens orless ;P MS M;field orientoted control ;sliding m ode observer ;bang -bang control1引言永磁同步電機(jī)(PMS M 是近年來(lái)發(fā)展較快的一種電機(jī),由于其轉(zhuǎn)子采用永磁鋼,屬于無(wú)刷電機(jī)的一種,具有一般無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)1。本文討論空間矢量控制的永磁同步電機(jī),采用磁場(chǎng)定向算法借助DSP 高速度實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制。由于控制算法必須獲取轉(zhuǎn)子位置信息,

5、所以傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)都需要以光電編碼器等作為轉(zhuǎn)子位置傳感器。為了最大限度減少傳感器,本文從改變相電流檢測(cè)方法入手,建立采用砰-砰控制的滑模觀測(cè)器,介紹一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)的模型。2磁場(chǎng)定向原理磁場(chǎng)定向控制,簡(jiǎn)稱FOC 。如圖1所示,兩直角坐標(biāo)系:坐標(biāo)系為定子靜止坐標(biāo)系,軸與定子繞組a 相軸重合;dq 為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,d 軸與轉(zhuǎn)子磁鏈方向重合,并以同步速r 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。兩坐標(biāo)系之間的夾角為e ?？梢园讯ㄗ与娏骶C合矢量i s 在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq 軸上分解。如式(1:i s =i sd +i sq(1 圖1P MS M 磁場(chǎng)定向控制矢量圖在交流永磁同步電機(jī)中,轉(zhuǎn)子為永磁鋼,可認(rèn)為轉(zhuǎn)子電流綜合矢量的模大小不變,

6、常用常數(shù)值I F 代表。根據(jù)交流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T 與定轉(zhuǎn)子電流綜合矢量的普遍關(guān)系式2:T =32p L 12|i 1|i 2|sin (2其中:p 為極對(duì)數(shù),L 12為定轉(zhuǎn)子互感,i 1為定子電流綜合矢量,i 2為轉(zhuǎn)子綜合矢量,為定轉(zhuǎn)子綜合矢量間夾角。這樣電磁轉(zhuǎn)矩只隨|i 1|和角變化。為了獲得簡(jiǎn)單可控的轉(zhuǎn)矩特性,可以給定定子電流綜合矢量指令使其始終在q 軸上,即=90°,從而得:T =32p L 12I F I s(3I s 為定子電流綜合矢量的模。按上式可以實(shí)現(xiàn)用定子電流綜合矢量的模來(lái)直接控制電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩,從而使永磁同步電動(dòng)機(jī)獲得類似直流電動(dòng)機(jī)的伺服性能,并可得到快速無(wú)靜差的調(diào)節(jié)

7、特性。圖2為系統(tǒng)控制框圖 :圖2系統(tǒng)控制框圖該速度控制系統(tǒng)由速度、電流雙閉環(huán)實(shí)現(xiàn),采用的算61微特電機(jī)2003年第2期D驅(qū)動(dòng)控制riv e and co nt rol法由相應(yīng)的模塊實(shí)現(xiàn),包括:PARK 變換模塊,C LARK 變換模塊,反PARK 變換模塊,轉(zhuǎn)子位置角估計(jì)模塊,轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊,弱磁控制模塊,PI 調(diào)節(jié)模塊,空間矢量PW M 生成模塊等。整個(gè)控制系統(tǒng)以DSP 芯片為核心再配以簡(jiǎn)單的外圍電路的,其復(fù)雜的控制算法及功能全部由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中每一個(gè)控制模塊,對(duì)應(yīng)一C 調(diào)用函數(shù),主函數(shù)流程用C 語(yǔ)言編制。與有位置傳感器的控制系統(tǒng)相比,無(wú)位置傳感器系統(tǒng)僅在對(duì)反饋量的處理中采用了轉(zhuǎn)角觀測(cè)器模塊

8、函數(shù),而對(duì)其他控制模塊,兩系統(tǒng)可以以完全相同的方法實(shí)現(xiàn),這更顯示了軟件構(gòu)成系統(tǒng)的靈活性。2無(wú)傳感器算法2.1減少一路電流傳感器方法在逆變器控制中都需要相電流信息,傳統(tǒng)采用的方法是直接用傳感器獲得需要的相電流,這種方法依賴負(fù)載的布置,并且至少需要兩個(gè)傳感器直接應(yīng)用于電機(jī)相繞組。本文介紹的方法是僅通過(guò)采集直流側(cè)母線電流信息,來(lái)估計(jì)交流側(cè)三相電流值。因?yàn)槟孀兤鏖_關(guān)狀態(tài)是我們直接控制的,所以輸入電流的路徑,即輸入線電流和電機(jī)相電流間的關(guān)系是已知的。這樣在通常八個(gè)開關(guān)狀態(tài)中除(0,0,0和(1,1,1之外,在其他六個(gè)開關(guān)狀態(tài)下,直流側(cè)線電流信息總對(duì)應(yīng)a ,b ,c 中某一路相電流值。在圖3所示的開關(guān)狀態(tài)

9、(S a ,S b ,Sc =(0,0,1下,相電流i c 等于直流線電流,另外兩相電流i a ,i b 則等于直流線電流的一半。這樣線電流信號(hào)經(jīng)一路AD 通道,送給DSP ,再經(jīng)過(guò)適當(dāng)計(jì)算即可獲三相電流信息4。圖3任意開關(guān)狀態(tài)下三相電流信息的獲取2.2無(wú)位置傳感器算法為了獲取低轉(zhuǎn)速甚至零轉(zhuǎn)速下的優(yōu)良轉(zhuǎn)矩控制性能,也為了提高系統(tǒng)的效率、可靠性、機(jī)械強(qiáng)度,降低成本,需要取消位置傳感器。此時(shí)必要的位置、速度信息可以通過(guò)滑模觀測(cè)器來(lái)獲取。該方法具有較強(qiáng)的魯棒性且易于實(shí)現(xiàn)。觀測(cè)器是一個(gè)依賴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的數(shù)學(xué)模型,通過(guò)DSP 軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。模型通過(guò)獲取估計(jì)值和測(cè)量實(shí)際值之差來(lái)糾正模型,使兩者之間差值

10、消失。如估計(jì)電流i 和實(shí)測(cè)定子電流i 之差,帶入符號(hào)函數(shù)sign (,再乘以常系數(shù)K ,之后用自適應(yīng)濾波器補(bǔ)償數(shù)字濾波器的相移影響,這樣的輸出結(jié)果即是轉(zhuǎn)子位置角的正余弦函數(shù)。圖4為PMS M 的主要變量v s 、i s 、e s 、以綜合矢量和其分量的形式在靜止坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)dq 坐標(biāo)系中的表示。式(7為PMS M 的數(shù)學(xué)模型:d i sd t=Ai s +B ( v s -e s (7其中:A =-R L I 2,B =1L I 2,L =32L m ,L m為定子相激磁電感,R 為定子相電阻,I 2為二階單位陣。轉(zhuǎn)角觀測(cè)器模塊是基于滑模電流觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)子磁鏈估計(jì)。圖4在abc 坐標(biāo)系、坐標(biāo)

11、系、dq 坐標(biāo)系中的P MS M 矢量圖圖5轉(zhuǎn)子位置角估計(jì)模塊圖模塊的主要部分為滑模電流觀測(cè)器,輸出砰-砰控制變量z ,z 經(jīng)過(guò)低通濾波得到反電勢(shì)估值e s ,通過(guò)對(duì)e s 分量的計(jì)算可得到轉(zhuǎn)角估值eu ,再對(duì)該估值加入頻率補(bǔ)償,最終得到校正后的轉(zhuǎn)子位置角估值e 。(1滑模電流觀測(cè)器原理3d d ti s =A i s +B (v 3s -e s (8z =K sign (i s -i s (9式(8為基本電流觀測(cè)器,式(9為砰-砰控制器。兩者組成滑模電流觀測(cè)器,目的是通過(guò)適當(dāng)選擇z 和估計(jì)反電勢(shì),使估計(jì)電流和實(shí)測(cè)電流誤差為零。兩者離散形式為:i s (n +1=Fi s (n +G V 3s

12、 (n -e s (n -z (n (10z (n =K signi s (n -i s (n (11其中:F =e -RL T s I 2,G =1R1-e -RL T sI 2,T s 為采樣周期。(2估計(jì)反電勢(shì)反電勢(shì)估值e s 由砰-砰控制的輸出z ,再經(jīng)低通濾波實(shí)現(xiàn):d d te s =-0e s +0z (12式中:0=2f 0,其中f 0為濾波器截止頻率。離散形式:e s (n +1=e s (n +2f 0(z (n -e s (n (13(3轉(zhuǎn)子磁鏈位置估算由反電勢(shì)來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)子磁鏈位置角,式(14為反電勢(shì)綜合矢量表達(dá)式,可根據(jù)反電勢(shì)在、軸上的分量來(lái)求解轉(zhuǎn)子磁鏈位置角,即:71基于

13、DSP 的無(wú)位置傳感器永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)D驅(qū)動(dòng)控制riv e and co nt role s =32k e -sin e cos e(14eu =arctan (-e s,e s (15(4轉(zhuǎn)子磁鏈位置校正采用低通濾波器來(lái)獲得反電勢(shì),引入了相延遲。該延遲與低通濾波器的相位響應(yīng)直接相關(guān),其截止頻率越低,對(duì)應(yīng)固定頻率的相延遲越大?；诘屯V波器的相位響應(yīng),做一個(gè)相延遲表,可以通過(guò)查表求得運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)指令速度(頻率的相移角。該相移角加上eu 得到e 。圖6主程序流程4系統(tǒng)軟件流程主程序流程如圖6所示,只完成系統(tǒng)硬件和軟件的初始化任務(wù),然后處于等待狀態(tài)。完整的FOC 控制算法在PW M 中斷

14、服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)中斷周期內(nèi),流程依照系統(tǒng)控制框圖(圖2從一路AD 采樣電流,計(jì)算轉(zhuǎn)子位置角,計(jì)算轉(zhuǎn)速,完成所有反饋通道計(jì)算后,再調(diào)用正向通道中計(jì)算模塊函數(shù),最后輸出三相逆變橋的空間矢量PW M 波信號(hào)。5涉及的硬件直流電壓供電的三相逆變橋輸出接星型接法的三相電機(jī)定子繞組。DSP 提供的六個(gè)PW M 輸出經(jīng)光耦隔離以驅(qū)動(dòng)三相逆變橋開關(guān)器件。置于直流回路的電阻傳感器,提供電機(jī)線電流電壓信號(hào),該信號(hào)經(jīng)放大后送入DSP 的ADC 通道。在實(shí)現(xiàn)控制算法時(shí),由T MS320C24x 控制器的EVM 事件觸發(fā)中斷進(jìn)行AD 采樣。在每個(gè)對(duì)稱空間矢量PW M 周期的前半周期開關(guān)狀態(tài)(S a ,S b ,S

15、 c 從(0,0,0變到(1,1,1,在這一過(guò)程的兩個(gè)中間狀態(tài)采樣線電流信號(hào),在圖7中為(1,0,0和(1,1,0,結(jié)合圖3定義的三相橋臂開關(guān)狀態(tài),(1,0,0時(shí)線電流對(duì)應(yīng)a 相電流值i a ,(1,1,0時(shí)線電流對(duì)應(yīng)c 相電 流值-i c ,這樣在一個(gè)周期內(nèi)兩次采樣分別得到兩相電流值,另一路由i a +i b +i c =0得到。圖7任意空間矢量狀態(tài)下線電流信息的采集6結(jié)論本文介紹了一種對(duì)PMS M 采用DSP 控制器的方案。利用T MS320C24x 控制器的DSP 結(jié)構(gòu)及優(yōu)化的微控制器外圍電路,采用智能控制策略,以獲得轉(zhuǎn)子位置和速度信息,從而取消轉(zhuǎn)子位置傳感器。對(duì)設(shè)計(jì)PMS M 控制系統(tǒng)

16、,降低系統(tǒng)成本,提高系統(tǒng)可靠性提供了一種新思路。參考文獻(xiàn):1TI.DSP S olution for Permanent M agnet Synchronous M otorM.Litera 2ture number :BPRA044.1996.2譚娃,金如麟.大功率電子學(xué)和電機(jī)控制M.上海交通大學(xué)出版社,1999:181-184,218-219.3TI.Sens orless Field Oriented C ontrol for 3-Phase PM Synchronous M o 2torM.Literature number :SPRU441.2001.4TI.3-phase Curr

17、ent M easurements using a S ingle Line Resistor on theT MS320F240DSPM.Literature number :BPRA077.1998,5.5TI.Im plementation of a Sens orless S peed C ontrolled BLDC Drive usingT MS320F240M.Literature number :BPRA072.1997,12.作者簡(jiǎn)歷:趙建中(1977-,男,碩士,主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)及微特電機(jī)控制。(上接第15頁(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所制作的驅(qū)動(dòng)電路能夠使單定子三自由度超聲電機(jī)實(shí)現(xiàn)三

18、個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng);所采用的控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)該電機(jī)的位置控制。參考文獻(xiàn):1趙淳生.超聲電機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用J .測(cè)控技術(shù),1996,15(1:8-10.2河井元良,巖附信行.超音波 用三自由度球面 研究J .精密工學(xué)會(huì)志,1995,59(3:37-42.3佐佐江啟介,五百井清,大筑康生等.3自由度小型 開發(fā)(第1報(bào)J .精密工學(xué)會(huì)志,1995,61(3:386-390.4Antoine Ferreira ,Patrice M inotti ,Patrice Le M odal.New Multi -degreeof Freedom Piez oeletric M icrom otors for M icromanipulator Applications J .1995IEEE U LTRAS ONIC SY SPOSIUM ,Seattle US A :417-422.5T oyama Shig