永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制,硬件部分

./3.1DSP芯片的基本特征數(shù)字信號(hào)處理器<DigitalSignalPrcessor>,是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器。自1979年誕生以來,短短二十年時(shí)間,DSP顯示了巨大的應(yīng)用潛力,在信號(hào)處理、通信、語言、圖形圖像、軍事、儀器儀表、自動(dòng)控制、家用電器等領(lǐng)域,得到廣泛的應(yīng)用,起著不可替代的作用,其主要應(yīng)用特點(diǎn)是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。DSP一般具有如下一些特點(diǎn)：<1>在一個(gè)指令周期可完成一次乘法和一次加法；<2>程序和數(shù)據(jù)空間分離,可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)；<3>片具有快速RAM,通?？赏ㄟ^獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問；<4>具有低開銷或大開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；<5>具有在單周期操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器,可以并行執(zhí)行多個(gè)操作；支持流水線操作,使取值、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中,DSP的高速計(jì)算能力顯示了比一般微處理器更多的優(yōu)點(diǎn),具有廣闊的應(yīng)用前景。利用DSP的高速計(jì)算能力可以增加采樣速度和完成復(fù)雜的信號(hào)處理和控制算法,Kalman濾波、自適應(yīng)控制矢量控制、狀態(tài)觀測器等復(fù)雜算法利用DSP芯片可以方便地實(shí)現(xiàn)。DSP的信號(hào)處理能力還可用來減少位置、速度、磁通等傳感器,無傳感器運(yùn)行之所以成為可能。在自適應(yīng)系統(tǒng)中,系統(tǒng)參數(shù)和狀態(tài)變量通過狀態(tài)觀測器的計(jì)算可采用DSP有效地實(shí)現(xiàn)。同樣,由于高運(yùn)算速度,DSP也可有效地用于神經(jīng)之網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯化地運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。在實(shí)際工程應(yīng)用中,DSP的高速能力還可以消除噪聲污染和不精確的輸入及反饋信號(hào)數(shù)據(jù),對要求速度較快的PWM控制算如空間矢量算法。3.2DSP在電機(jī)矢量控制中所起的作用<1>接收由光學(xué)編碼器輸入的兩相增量數(shù)字脈沖信號(hào)A、B；a．將兩相信號(hào)進(jìn)行四倍頻；b．形成位置信號(hào)C．形成速度信號(hào)d．根據(jù)兩相信號(hào)邊沿變化的先后次序,判別電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。<2>根據(jù)光學(xué)編碼器輸人的信號(hào)A、B、U、V、W粗略確定和精確確定轉(zhuǎn)子磁極軸線相對于A相繞組軸線的轉(zhuǎn)角。<3>速度比較,并給出轉(zhuǎn)矩參數(shù)數(shù)據(jù)及作校正補(bǔ)償計(jì)算。<4>接受模擬量的實(shí)際的三相電流,并將其作數(shù)字化處理,然后作三相／兩相變換。<5>將電流命令信號(hào)與實(shí)際電流相比較,然后進(jìn)行校正補(bǔ)償處理,作三相／兩相變換。最后確定PWM的脈寬系數(shù),進(jìn)而輸出六路信號(hào)至功放級(jí)。<6>接受故障信號(hào),執(zhí)行中斷,首先切斷主電源,并同時(shí)中斷PWM輸出,發(fā)出中斷命令,同時(shí)進(jìn)行故障診斷,判別并輸出故障種類信號(hào)至顯示電路。3.3硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)采用交-直-交電壓型電路,如圖5-1所示：主回路由濾波電路以及智能功率模塊IPM逆變電路組成,控制部分以TMS320F2812DSP控制器芯片為核心,用來完成電流環(huán)、速度環(huán)的算法實(shí)現(xiàn)、空間矢量PWM波形〔SVPWM的產(chǎn)生等,輔助電路由轉(zhuǎn)子位置檢測、電流檢測、故障檢測保護(hù)、鍵盤和顯示等電路組成圖5-1永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)硬件框圖圖5-1中為一個(gè)具有轉(zhuǎn)速和電流反饋的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)參數(shù)可由鍵盤輸入,DSP負(fù)責(zé)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的計(jì)算,應(yīng)用矢量控制和SVPWM控制策略,生成PWM控制信號(hào),再經(jīng)過光耦隔離電路后,驅(qū)動(dòng)IPM功率開關(guān)器件。DSP還負(fù)責(zé)系統(tǒng)的保護(hù)和監(jiān)控,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過壓、過流和欠壓等故障時(shí),DSP將封鎖PWM的輸出信號(hào),以保護(hù)IPM模塊。3.4主電路功率驅(qū)動(dòng)電路主電路的作用是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī),主要由整流電路、中間直流電路和逆變器三個(gè)環(huán)節(jié)組成,如圖5-2所示圖5-2系統(tǒng)主電路該系統(tǒng)中,整流電路采用富士公司的IGBT模塊7MBR10SA120,其含三相整流橋。整流電路為三相橋式全波整流電路,耐壓高,可達(dá)1600V,輸入是單相交流電,單相輸入為220V,50Hz。整流電路輸出的電壓是有脈動(dòng)的直流電壓,必須加以濾波,這通過濾波電容來實(shí)現(xiàn)。濾波電容除了起到穩(wěn)壓和濾除整流后的電壓紋波外,還在整流電路和逆變電路之間起去耦作用,以消除相互干擾,為感性負(fù)載的電動(dòng)機(jī)提供必要的無功功率。220V正弦交流電經(jīng)兩相不可控整流橋整流,再經(jīng)電容C1、C2濾波后作為三相逆變橋的直流電壓源。電容C1既作為濾波電容濾除電壓中的低次諧波,又作為儲(chǔ)能電容儲(chǔ)存電機(jī)繞組續(xù)流時(shí)回饋的能量。電容C1一般選取容值大、耐壓高的電解電容,具體數(shù)值可根據(jù)直流母線電壓波形的好壞和電壓等級(jí)來確定。C1的容值越大,直流母線電壓越平穩(wěn),直流電質(zhì)量越好。實(shí)際應(yīng)用中由于對控制器的體積有一定的要求,故C1不能太大,在直流母線電壓質(zhì)量允許的條件下,C1又越小越好。由于電容儲(chǔ)能較大,加之在接入電源時(shí)電容器兩端的電壓為零,故當(dāng)剛合上電源的瞬間,濾波電容器的充電電流很大,過大的沖擊電流將可能使整流橋的二極管損壞。為了保護(hù)整流橋,在剛接通電源的一段時(shí)間里,在電路串入限流電阻,其作用是把電容器的充電電流限制在允許的圍。開關(guān)K的功能是：當(dāng)濾波電容充電到一定程度時(shí),令K接通,將RL短路。如前所述,IPM部已經(jīng)包含功率器件的驅(qū)動(dòng),使用時(shí)另需提供驅(qū)動(dòng)電源和PWM波形的開關(guān)控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電源需要4路相互獨(dú)立的電源,其中3路獨(dú)立電源分別提供給逆變器上橋臂的3個(gè)開關(guān)器件,而下橋臂的3個(gè)開關(guān)器件共用另1路電源。驅(qū)動(dòng)電源的典型電壓值15V,由于功率器件采用IGBT,每一個(gè)含IGBT的驅(qū)動(dòng)功率約為0.25W,因此總驅(qū)動(dòng)功耗小于2W,驅(qū)動(dòng)電源同時(shí)還需要為保護(hù)電路提供電源。考慮到IPM的高頻開關(guān)工作能力,PWM波形的開關(guān)控制信號(hào)的傳輸隔離電路應(yīng)具有盡可能段的傳輸延遲時(shí)間,以提高驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)的一致性。3.5控制電路矢量控制的基本思想是在三相永磁同步電動(dòng)機(jī)上設(shè)法模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律,在磁場定向坐標(biāo)上,將電流矢量分量分解成產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量id和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流iq分量,并使兩分量互相垂直,彼此獨(dú)立。當(dāng)給定Id=0,這時(shí)根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式可以得到轉(zhuǎn)矩與主磁通和iq乘積成正比。由于給定Id=0,那么主磁通就基本恒定,這樣只要調(diào)節(jié)電流轉(zhuǎn)矩分量iq就可以像控制直流電動(dòng)機(jī)一樣控制永磁同步電機(jī)。根據(jù)這一思想,設(shè)想系統(tǒng)的主要組成部分為：主控制板部分,電源及驅(qū)動(dòng)板部分,輸入輸出部分。其中主控制板部分即DSP板,根據(jù)控制指令和位置速度傳感器以及采集的電壓電流信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算,并輸出用于控制逆變器部分的控制信號(hào)。電源和驅(qū)動(dòng)板部分主要負(fù)責(zé)給各個(gè)部分供電,并提供給逆變器部分相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào),以及將控制信號(hào)與主回路的高壓部分隔離開。輸入輸出部分用來輸入控制量,顯示實(shí)時(shí)信息等?；究刂七^程：速度給定信號(hào)與檢測到的轉(zhuǎn)子信號(hào)相比較,經(jīng)過速度控制器的調(diào)節(jié),產(chǎn)生定子電流轉(zhuǎn)矩分量Isq_ref,用這個(gè)電流量作為電流控制器的給定信號(hào)。勵(lì)磁分量Isd_ref由外部給定,當(dāng)勵(lì)磁分量為零時(shí),從電機(jī)端口看,永磁同步電機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)他勵(lì)直流電機(jī),磁通基本恒定,簡化了控制問題。另一端通過電流采樣得到三相定子電流,經(jīng)過Clarke變換將其變?yōu)棣?β兩相靜止坐標(biāo)系下的電流,再通過park變換將其變?yōu)閐-q兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流Isq,Isd,分別與兩個(gè)調(diào)節(jié)器的參考值比較,經(jīng)過控制器調(diào)節(jié)后變?yōu)殡妷盒盘?hào)Vsd_ref和Vsq_ref,再經(jīng)過park逆變換,得到Vsa_ref和Vsb_ref作為SVPWM的控制信號(hào),然后產(chǎn)生6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制IGBT逆變器,再供給同步電機(jī),控制其轉(zhuǎn)速及位置。原理框圖如下：PI交流220V/50Hz整流器兩相靜止變兩相旋轉(zhuǎn)Park變換三相靜止變兩相靜止Clarke變換轉(zhuǎn)速位置傳感器逆變器SVPWMPark逆變換PIn_refIsq_refVsq_refVsa_refPI交流220V/50Hz整流器兩相靜止變兩相旋轉(zhuǎn)Park變換三相靜止變兩相靜止Clarke變換轉(zhuǎn)速位置傳感器逆變器SVPWMPark逆變換PInIsq三相永磁同步電機(jī)PIIsd_refVsd_refVsb_ref三相永磁同步電機(jī)PIIsdIsaIsbθ3.5電流檢測電路電流采樣電路如圖所示,以三相電流采樣中的A相為例,霍爾電流傳感器是目前普遍采用的電流檢測元件,其特點(diǎn)是測量精度高、線性度好、響應(yīng)速度快以及電隔離性能好。本文采用LEM模塊檢測永磁同步電動(dòng)機(jī)的三相電流,并按照1000：1的比例變至副邊,采樣信號(hào)經(jīng)電阻采樣、分壓及偏置處理,由DSP的A/D口進(jìn)行采樣。采用二極管DA1、DA2對輸入到A/D轉(zhuǎn)換口的電流信號(hào)進(jìn)行限幅處理,防止過高電壓擊穿DSP的A/D。圖3.3電流檢測電路3.6系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路本系統(tǒng)采用具有自舉技術(shù)的集成驅(qū)動(dòng)電路IR2110,其連接電路如圖3-5所示。IR2110是美國國際整流器<IR>公司利用自身獨(dú)有的高壓集成電路及CMOS技術(shù),生產(chǎn)的大功率MOSFET和IGBT專用驅(qū)動(dòng)集成電路。IR2110部應(yīng)用自舉技術(shù)來實(shí)現(xiàn)同一集成電路可同時(shí)輸出兩個(gè)驅(qū)動(dòng)逆變橋中高端和低端的通道信號(hào),它的部為自舉操作設(shè)計(jì)了懸浮電源,懸浮電壓保證了IR2110直接可用于母線電壓為-4~+500V的系統(tǒng)中來驅(qū)動(dòng)功率MOSFET或IGBT。同時(shí)器件本身允許驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓上升率達(dá)正負(fù)50V/ns,故保證了芯片自身有整形功能,實(shí)現(xiàn)了不論其輸入信號(hào)前后沿的陡度如何,都可保證加到被驅(qū)動(dòng)MOSFET或IGBT柵極上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)前后沿很陡,因而可極減少被驅(qū)動(dòng)功率器件的開關(guān)時(shí)間,降低開關(guān)損耗。IR2110的功耗很小,可極減小應(yīng)用它來驅(qū)動(dòng)功率器件時(shí)的電源容量,從而可減小柵極驅(qū)動(dòng)電路的體積尺寸。當(dāng)其工作電源電壓為15V時(shí),其功耗僅為1.6mW。此外IR2110還具有工作電壓圍寬、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。圖3-4中,電阻R1、R2為上拉電阻,把輸入PWM信號(hào)的高電平上拉到15V,使其滿足IR2110對輸入信號(hào)的電壓要求。R3、R4為驅(qū)動(dòng)電阻,E1為自舉電容,D1為防止反充的自舉二極管。圖3.4自舉驅(qū)動(dòng)電路3.7系統(tǒng)保護(hù)電路隨著永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究的不斷深入,系統(tǒng)保護(hù)環(huán)節(jié)的合理設(shè)計(jì)成為非常重要的容之一。一個(gè)控制系統(tǒng)能否正?？煽康倪\(yùn)行,除了各環(huán)節(jié)能保證正常工作外,還要考慮一些外在干擾因素對系統(tǒng)的影響,系統(tǒng)應(yīng)具有自我保護(hù)功能。完善的保護(hù)環(huán)節(jié),不僅可延長裝置的使用壽命,也使其可靠性大為提高,甚至在關(guān)鍵時(shí)刻能避免一些重大安全事故的發(fā)生。一個(gè)實(shí)用的調(diào)速系統(tǒng),各環(huán)節(jié)之間的設(shè)計(jì)參數(shù)不會(huì)絕對匹配,加之外界干擾的影響,有可能發(fā)生故障。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí),如不及時(shí)處理,便會(huì)造成損壞功率開關(guān)元件和其它設(shè)備的嚴(yán)重后果。所以必須設(shè)置保護(hù)環(huán)節(jié),當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)檢測出來并封鎖系統(tǒng)輸出,切斷主回路電源,使系統(tǒng)停止工作,以保證開關(guān)元件不受損壞。本系統(tǒng)設(shè)置了過壓、欠壓、過流、過熱等保護(hù)環(huán)節(jié),以下以過流和欠過壓保護(hù)環(huán)節(jié)為例說明的工作原理。3.7.1過流保護(hù)電路當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí),主回路會(huì)流過很大的起動(dòng)電流,此外因控制回路、驅(qū)動(dòng)回路等人工誤操作、誤配線等,會(huì)造成支路短路、輸出短路等故障,過電流流過功率變換器開關(guān)元件IGBT,發(fā)生短路時(shí),電流變化非?？?功率開關(guān)器件要承受高電壓、大電流,這就要快速檢測過電流,在IGBT還沒有損壞時(shí)自行關(guān)斷,具體如圖5-3所示。圖5-5過流保護(hù)電路圖5-5中IVO是電流霍爾傳感器的輸出信號(hào),與參考電壓VREF進(jìn)行比較。當(dāng)IVO低于VREF時(shí),系統(tǒng)正常運(yùn)行,比較器輸出高電平；當(dāng)IVO高于VREF時(shí),電機(jī)繞組過流比較器輸出低電平。將此信號(hào)送DSP的PDPINTA引腳,及時(shí)封鎖PWM1~6的輸出,從而起到保護(hù)IGBT的作用。3.7.2過欠壓保護(hù)電路過欠壓保護(hù)是針對電源異常、主回路電壓超過一定數(shù)值時(shí)考慮的。通常系統(tǒng)輸入電源允許波動(dòng)的圍一般是額定輸入電壓的±10%。通常情況下,主回路直流環(huán)節(jié)的電壓與輸入電壓保持固定關(guān)系。當(dāng)輸入電源電壓過高,將使直流側(cè)電壓過高,過高的直流電壓對IGBT的安全構(gòu)成威脅,很可能超過IGBT的最大耐壓而將其擊穿,造成永久損壞。當(dāng)輸入電壓過低時(shí),雖不會(huì)對主回路元件構(gòu)成直接威脅,但太低的輸入電壓很可能使控制回路工作不正常,而使系統(tǒng)紊亂,導(dǎo)致控制器輸出錯(cuò)誤的控制信號(hào),造成主回路"直通"而燒毀IGBT,而且較低的輸入電壓也使系統(tǒng)的抗干擾能力下降。因此,有必要對系統(tǒng)的輸入電壓進(jìn)行保護(hù)。