DSP的永磁同步电机控制器研究范文

《机电技术杂志》2014年第二期

1控制器硬件系统

本控制器系统主要包括主功率电路、电机本体、控制回路等。其中控制回路主要由主控DSP芯片和采样检测电路组成。这里核心控制器采用频率150MHz的电机控制领域最先进的控制芯片TMS320F2812DSP，该控制芯片在高精度伺服控制、可变频电源等领域广泛应用，同时是电机等数字化控制的最佳选择。系统硬件结构框图如图2所示，将220V交流电经整流电路整流，滤波电容滤波，获得平滑的直流电输出，最后经逆变电路转换成三相对称的交流电供给永磁同步电机。系统利用霍尔电流传感器将检测到的定子相电流信号经ADC模块送入DSP，构成系统的电流闭环控制环。光电编码器检测到的电机转子转速和位置信号通过QEP模块输入到DSP中，构成电机的转速环和位置环控制。在DSP中应用软程序对检测到信号进行相应的运算转换，生成控制所需的SVPWM脉冲驱动信号，经过光耦隔离电路，驱动IPM智能功率模块，控制IGBT的导通和关断的时间，从而产生相应的电压信号控制电机运转。当系统检测到故障信号时，通过光耦隔离电路将故障信号传输到DSP功率保护输入中断引脚（PDPITNT），产生功率保护中断信号，从而关断6路PWM信号的输出脉冲信号，以实现系统的故障保护。另外，通过DSP的SPI、SCI、GIPO等接口实现了DA转换、上位机连接等辅助电路。

1.1主功率电路设计系统的主功率电路由整流电路、滤波电路和IPM模块组成。整流部分采用单相不可控整流模块GBJ25M，GBJ25M最大输出电流为25A（电阻或电感性负载）/20A（容性负载），可承受的最大正常工作电压为1000V。在50Hz市电条件下带额定负载时，正常耐压范围之内管子能够承受的最大浪涌电流为350A。市电经整流后输出直流电，其电压最大值为2×220=311V，GBJ25M整流模块完全能满足要求。为滤除整流后的谐波干扰并保证供给IPM的直流电压的稳定性，整流桥和逆变桥之间还需并联一个大电容，理论上电容值越大越好。但一般工程中需要给电容的耐压留有1.2倍的裕量，因此滤波电容的耐压至少为375V。又因为市电输入时存在电压波动，假定电压波动为±20V，则对应的最大输入电压240V经整流后输出电压峰值为340V。功率因数取0.9，那么电容吸收的能量为：本文逆变电路部分采用的是IPM（智能功率模块）PS21964，它将高压功率晶体管和驱动电路集成在自身内部，并且通过内置过压、过流和过热等故障检测电路，集成在一起，确保操作安全和控制器的可靠运行。此外，该模块需要一个+15Vdc电源来提供工作电压，用以简化模块在电机驱动应用中的使用。

1.2控制回路设计控制回路主要是实现电流环、速度环、位置环的三闭环控制，DSP将检测到的电流信号、速度信号和位置信号经过程序运算处理，由事件管理器EVA和EVB产生6路PWM信号控制逆变桥的导通关断。

1.2.1相电流检测电路永磁同步电机矢量控制系统采用id=0控制策略，本文利用TBC15P闭环霍尔电流传感器适时检测星接永磁同步电机任意两项定子的相电流如图3所示，以实现电流闭环控制。系统利用TMS320F2812具有的12位高分辨率的AD转换器，提高电流采样的准确性和实时性。由于DSP的ADC输入电压的范围是[0,3.3V]，而霍尔电流传感器输出的电流则是双极性信号，因此需要通过转换电路将检测的电流转换为DSP能识别的电压信号。电流传感器检测到的电流信号先经过线性隔离放大器HCPL7840隔离，输出信号再经过RC滤波，然后通过运放电路进行直流偏置，最后通过一级比例运算，转换到[0，3.3V]的范围。其中，偏置电压为+5V，运放电路选择TLE2142高速双运放芯片。两个反串联的二极管起电压嵌位的作用，防止电压超过3.3V。

1.2.2位置检测电路位置检测主要是通过光电编码器完成，本文选用混合式光电编码器，单圈脉冲数为2000，信号采用差分驱动输出减少了信号传输的共模干扰。电机转子位置检测电路如图4所示。电机启动后可以根据U、V、W信号的边沿触发信号确定转子所处的初始位置。编码器输出的U、V、W信号，经过MM74HC14，输出为3路互差120∘电角度、宽度为180∘电角度的方波信号，再经过高速光耦6N137隔离后，通过施密特触发器74HC14对信号进行整形，保证了位置检测的准确性。最后通过QEP模块输入到TMS320F2812中，DSP根据捕获端口电平变化情况判断转子所处相位区间，从而确定转子的角度。

1.2.3转速检测电路光电编码器输出为6路差分信号A±、B±、Z±，输出电压的范围为[0,5V]，通过差分接收器对信号进行转换，转速检测电路如图5所示。本文采用DS3486把编码器各路脉冲信号转换成单路输出，然后经过光耦6N137隔离后，通过施密特触发器74HC14对信号的整形，最后通过QEP模块输入到TMS320F2812中。

2控制器建模及仿真结果分析

运用Matlab/simulink可以准确地建立基于磁场定向的永磁同步电机矢量控制系统仿真模型。三闭环控制系统的控制过程是：由位置指令值与位置反馈值比较后，经位置调节器求得速度指令值。速度指令值与速度反馈值比较后，经速度调节器求得电流（矢量）大小的指令值。根据电流指令值与实际位置值计算得出三相电流瞬时指令值，在经过电流闭环控制，使各相定子电流接近指令值。电流调节器输出值经过SVPWM模块，输出6路PWM波控制逆变模块，产生期望的相电流供给PMSM。永磁同步电动机三闭环矢量控制仿真模型的系统框图如图6所示。本文选用的电机额定转速为1000rad/s，极对数为4，位置给定值设置为400rad,仿真时间设定为0.5s。转速响应波形如图7所示，可以看出电机空载时能很快达到最大转速，略有波动后稳定在额定转速1000rad/s，在0.1s时加载4N•m负载，转速略有波动，但很快稳定在1000rad/s，当将到达设定位置400rad时，电机转速迅速下降，同时将4N•m的负载卸载，下降过程中转速响应快，略有波动，最终在0.5s时，转速稳定在0rad/s而停车。电流的转矩分量与励磁分量波形如图8所示，定子电流的转矩分量和励磁分量在电机启动和停止时，都有波动；在电机稳定运行时，波动小；0.1s加入负载时，转矩分量迅速响应，有一个较大波动然后稳定运行；最后电机转速下降并最终停止转动，在电机制动的过程中电流的转矩分量和励磁分量都有一个较大的波动，最终两分量都降为0A。电磁转矩和负载转矩波形如图9所示，由图可以看出电机的电磁转矩始终围绕在负载转矩周围上下波动；电机启动时电磁转矩有较大波动产生启动转矩，0.1s加入4N•m负载时，电磁转矩迅速响应达到4N•m，电机转速下降并最终停止转动时，电磁转矩迅速下降并产生反向的制动力矩，最终稳定在0N•m。三相定子电流波形如图10所示，从图中可以看出，电机起动时电流有波动；当电机空载稳定运行时，电流值很小接近0A；0.1s时加入负载，三相电流值迅速上升；当转速突然下降并最终降为0rad/s时，定子各相电流先是存在小的波动，然后趋于平稳，并最终各相电流值降为零。由仿真实验波形可见，电机的启动速度很快，且能准确快速跟踪给定速度。在加负载的情况下，速度经短暂的波动后可以跟踪速度给定，转速波动很小。调试系统中，电机的起动—停止过程的转速曲线表明，电机可以按额定转速迅速到达指定位置，且能够准确定位停车。控制系统可迅速达到稳态，超调及稳态误差都很小，实验结果表明本控制器设计合理，具有良好的动静态性能。

3结论

本文使用先进的数字信号处理芯片，设计了一种永磁同步电动机数字控制器，通过对永磁同步电动机模型及控制策略的分析，提出了永磁同步电机的控制器的主要硬件结构部分并搭建了控制器的仿真模型。通过对仿真模型进行了一系列的实验研究，包括永磁同步电机伺服系统的启动、运行和停车仿真实验研究。实验结果表明：该系统运行的整个过程转速平稳，转矩波动小，超调量小，且可精确定位，即系统控制器设计合理，具有良好的动静态性能。

作者：李万魁单位：晋城煤炭规划设计院