樊生文,劉海山

(北方工業(yè)大學 電力電子及電氣傳動工程研究中心,北京 100144)

1 引言

交流永磁同步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單,體積小,效率高,轉(zhuǎn)矩電流比高,轉(zhuǎn)動慣量低,易于散熱及維護保養(yǎng)等優(yōu)點,在現(xiàn)代交流調(diào)速中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。特別是數(shù)字信號處理器DSP的出現(xiàn),使得矢量控制理論廣泛應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng),進一步提高了永磁同步電動機伺服系統(tǒng)的性能[3-5]。本文充分利用TMS320F2808的片上資源,應(yīng)用矢量控制原理,設(shè)計了三相永磁同步電動機交流伺服系統(tǒng)。系統(tǒng)采用M法和T法[6]相結(jié)合的測速方法,在實驗中實現(xiàn)了高性能的位置跟蹤及動、靜態(tài)特性。目前已成功裝配一臺樣機。

2 永磁同步電動機矢量控制原理

通過引入Clarke和Park變換,可以得到定位在定子d-q坐標系下(如圖1所示)的交流永磁同步電動機電壓及轉(zhuǎn)矩方程[7]:

圖1 永磁同步電機d-q變換模型Fig.1 d-q axis transformation model of PMSM

上式右邊第1項為永磁體與q軸電流作用產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩;第2項為凸極效應(yīng)產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩。

系統(tǒng)中伺服電機為三相表面貼裝式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),不存在凸極效應(yīng),即d,q軸的自感相等(=Lq=L),故電磁轉(zhuǎn)矩方程可簡化為

此時電磁轉(zhuǎn)矩只與定子電流的q軸分量有關(guān),且呈正比關(guān)系,因此控制定子電流q軸分量就可以很好地控制永磁同步電動機的輸出轉(zhuǎn)矩。永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)特點決定了其適合于采用按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制,通過對定子電流的控制來實現(xiàn)交流PMSM的轉(zhuǎn)矩控制。由于保持d軸電流為0的id=0控制使定子電流產(chǎn)生的電樞磁動勢與轉(zhuǎn)子勵磁磁場間的角度β為90°,即保持正交,從而實現(xiàn)了定子繞組與d軸完全解耦。

圖2為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,該系統(tǒng)采用三閉環(huán)控制,即位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)。位置信號指令θ*與正交編碼器反饋回來的轉(zhuǎn)子位置θ相比較,其差值經(jīng)過位置環(huán)PI控制器調(diào)節(jié)后,輸出速度控制器的指令信號ω*,位置信號θ經(jīng)轉(zhuǎn)速計算環(huán)節(jié)計算后,得出轉(zhuǎn)速反饋信號 ω,速度指令信號ω*與速度反饋信號 ω相比較,其差值經(jīng)過速度環(huán)PI控制器調(diào)節(jié)后,輸出控制轉(zhuǎn)矩的電流分量給定信號,電流分量給定信號與經(jīng)過坐標變換計算出來的電機實際電流分量比較,其差值通過電流控制器調(diào)節(jié)后,其輸出量uq經(jīng)Park逆變換得到α,另外,為了保證轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場正交,勵磁電流分量給定信號=0,與經(jīng)過坐標變換計算出來的電機實際電流分量id比較,其差值經(jīng)過電流控制器調(diào)節(jié)后,其輸出量經(jīng)過Park逆變換得到,定子相電壓矢量和其所在的扇區(qū)數(shù)已知時,就可以利用電壓空間矢量SVPWM技術(shù),產(chǎn)生PWM控制信號來控制逆變器,產(chǎn)生可變頻率和幅值的三相正弦電流輸入電機定子,驅(qū)動電機工作[8]。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure diag ram of control system

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)硬件電路可分成3部分,即主電路、控制電路以及介于主電路和控制電路之間的檢測與驅(qū)動電路。其中主電路由逆變電路、永磁同步電機、轉(zhuǎn)子位置傳感器等組成。控制電路主要由TMS320F2808 DSP芯片和外圍電路組成,包括上電復(fù)位電路,鍵盤顯示電路,兩相電流采樣電路,溫度保護電路,QEP正交編碼信號處理電路,直流母線電壓采樣電路,過電流保護與過電壓保護電路,外部輸入輸出接口電路等。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 The hardware structure block diagram of control system

3.1 驅(qū)動及逆變電路

驅(qū)動及逆變電路是主回路的重要組成部分。其中驅(qū)動芯片選用IR2101S,可以同時控制上下橋臂。逆變器是由IGBT組成的三相全橋逆變電路,IGBT選用的是IRG4BC20UD,耐壓值 600 V,連續(xù)集電極電流13 A,開關(guān)頻率可達到40 kHz。其中3組橋臂的下橋臂分別串有電流采樣電阻。U相驅(qū)動及逆變電路原理圖如圖4所示。

圖4 U相驅(qū)動及逆變電路原理圖Fig.4 The schematic of drive and inverter circuit of U-phase

3.2 電流及電壓采樣電路

電流檢測是采集采樣電阻上流過的電流再經(jīng)過信號調(diào)理電路調(diào)整后得到的,由于TMS320F2808芯片的A/D輸入信號范圍為0～3V,所以需要將檢測信號經(jīng)放大濾波調(diào)整為0～3V變化的模擬電壓信號,輸入到DSP片內(nèi)的12位A/D轉(zhuǎn)化器中,從而獲得電機的實際電流值。電流檢測電路原理圖如圖5所示。

圖5 電流檢測電路Fig.5 The diag ram of current detection circuit

電壓檢測就是通過在直流母線與地之間串入電阻限流分壓后,經(jīng)運算放大器放大隔離后輸入到DSP片內(nèi)的12位A/D轉(zhuǎn)化器中,從而獲得實際的直流母線電壓。電壓檢測電路原理圖如圖6所示。

圖6 電壓檢測電路Fig.6 T he diag ram of voltage detection circuit

3.3 位置與速度檢測電路

位置和速度是本系統(tǒng)需要檢測的兩個重要參數(shù),它們是為了實現(xiàn)位置、速度控制以及坐標變換的需要。能否準確地檢測位置和速度,直接影響著系統(tǒng)的控制性能。本系統(tǒng)選用2 500線的增量式光電編碼器作為機械轉(zhuǎn)子位置傳感器。光電編碼器的輸出信號為用于檢測轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的兩個頻率變化且正交的A,B脈沖及其定位Z脈沖。編碼器的輸出通過接口電路與DSP的正交編碼脈沖(QEP)電路相連接。QEP電路設(shè)置為定向增/減計數(shù)模式的通用定時器的時鐘源,QEP電路的方向檢測邏輯確定哪個脈沖序列相位超前,然后產(chǎn)生一個方向信號作為通用定時器的方向輸入。因此,電動機的旋轉(zhuǎn)方向就可以通過計數(shù)方向來判定,而轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度可以由計數(shù)值來確定。其接口電路如圖7所示,A+,A-,B+,B-,Z+,Z-差分信號經(jīng)過26LS32差分轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換再經(jīng)數(shù)字隔離器ISO7230ADW隔離后,將ENCA1,ENCB1,ENCZ1送到DSP的QEP接口。

圖7 編碼器接口電路Fig.7 T he encoder interface circuit

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的控制軟件采用模塊化設(shè)計機構(gòu),主要由3部分組成:初始化程序、主程序、中斷服務(wù)程序。初始化程序?qū)崿F(xiàn)對DSP片上外設(shè)資源的工作模式以及各變量進行初始化,初始化完成后,系統(tǒng)進入主程序執(zhí)行。主程序主要執(zhí)行鍵盤掃描、數(shù)碼管顯示、通訊等子程序,完成數(shù)據(jù)的輸入、狀態(tài)及參數(shù)的顯示、與上位機的通訊等任務(wù)。中斷服務(wù)程序是軟件的核心部分,主要完成系統(tǒng)控制算法、數(shù)據(jù)采集、保護以及故障處理等。軟件執(zhí)行流程圖如圖8所示。

圖8 軟件執(zhí)行流程圖Fig.8 The flow chart of software implementation

為了獲得較寬的調(diào)速范圍,在速度模式中,轉(zhuǎn)速分為高速段和低速段,在高速段采用M法測速,在低速段采用T法測速,兩種方法分別對應(yīng)著兩套不同的PI調(diào)節(jié)器參數(shù),在程序中,對反饋回來的轉(zhuǎn)速進行判斷,確定系統(tǒng)處于哪一速度范圍并切換到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器參數(shù),為消除在參數(shù)切換時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速振蕩,在切換時引入一斜坡函數(shù),實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的平滑過渡。為獲得整個調(diào)速范圍內(nèi)的平滑轉(zhuǎn)速,我們采用算數(shù)平均濾波與低通濾波兩種數(shù)字濾波器結(jié)合的方式,使試驗中獲得了較佳的效果。

5 實驗結(jié)果

根據(jù)上述硬件電路及軟件編程,對交流永磁同步電動機伺服系統(tǒng)進行了測試實驗,試驗參數(shù)為:電機額定電壓220 V,額定電流3.14 A,額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min,額定轉(zhuǎn)矩 1.3 N?m,極對數(shù)4對,額定功率400 W。軟件程序中設(shè)定中斷頻率為10 kHz,死區(qū)時間為4 μ s。實驗結(jié)果為最低速度可達到0.3 r/min,最高轉(zhuǎn)速可達額定轉(zhuǎn)速,即3000 r/min。圖9給出了實驗波形。

圖9 電流實驗波形Fig.9 Wavefo rms of current experiment

6 結(jié)論

本文采用TMS320F2808 DSP設(shè)計了交流永磁同步電機伺服系統(tǒng),實現(xiàn)了對永磁同步電機伺服的速度、位置的矢量控制,充分發(fā)揮了矢量控制的作用,提高了控制速度和精度。實驗結(jié)果證明,所設(shè)計的伺服系統(tǒng)硬件和軟件能夠可靠運行,控制系統(tǒng)動靜態(tài)性能良好。本系統(tǒng)硬件設(shè)計簡單,并具有體積小、重量輕、效率高、輸出轉(zhuǎn)矩大、過載能力強和性價比高等優(yōu)點。

[1] 寇寶泉,程樹康.交流伺服電機及其控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[2] 王成元,夏加寬,楊俊友,等.電機現(xiàn)代控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

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修改稿日期:2010-09-11