吳一鳴，劉景林

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710072）

這些年來，由于集成電路與計算技術(shù)的發(fā)展，同時伴隨著耐熱性及磁性能較高的稀土永磁體的發(fā)明與應(yīng)用，越來越多結(jié)構(gòu)簡單的永磁同步電動機矢量控制器被廣泛應(yīng)用于機器人及數(shù)控機床等領(lǐng)域。眾所周知，永磁同步電動機擁有這幾個特點：損耗低、體積小、重量輕、運行較為可靠、結(jié)構(gòu)簡單、功率因數(shù)高[1-2]，在一些對精度、動態(tài)性能及體積限制要求較高的場合，永磁同步電動機（PMSM）伺服控制系統(tǒng)相對于其他類型電機的控制系統(tǒng)有明顯的優(yōu)勢。本文主要介紹以TMS320F2812為核心的永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)。

1 永磁同步電動機矢量控制策略

1.1 永磁同步電動機數(shù)學(xué)模型

眾所周知，永磁同步電動機的定子是三相對稱繞組。通常，我們按照電動機慣例對各物理量的正方向進行規(guī)定。

在建立數(shù)學(xué)模型之前，我們需做出以下幾個假設(shè)[3]：

1）轉(zhuǎn)子上永磁體產(chǎn)生的空間磁場分布為正弦波，同時，在定子電樞繞組中所感應(yīng)的電動勢也為正弦波；

2）假定磁路線性，這時我們需要忽略定子鐵心的飽和現(xiàn)象，此外，定子繞組的電感參數(shù)不變；

3）忽略鐵芯的渦流與磁滯等損耗；

4）轉(zhuǎn)子內(nèi)沒有嵌放阻尼繞組。

經(jīng)過Clarke和Park坐標(biāo)解耦變換，我們可以得到永磁同步電動機的電壓方程為：

1.2 矢量控制策略

從圖1可以看出，這是一個電流內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速外環(huán)的雙閉環(huán)系統(tǒng)[4]。要實現(xiàn)永磁同步電動機的矢量控制策略，首先，需通過相電流檢測電路提取iA，iB，經(jīng)過Clark變換將它們轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系中，計算出iα和iβ，由 Position Sensor的反饋值θ計算出sinθ和cosθ，進行Park變換，將它們轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，從而計算出id和iq；之后，根據(jù)檢測到的電機轉(zhuǎn)速和輸入的參考轉(zhuǎn)速誤差，利用轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，通過轉(zhuǎn)速控制器ASR計算得到定子電流iq的參考輸入iqref；然后將id、iq分別與參考輸入idref、iqref相比較，誤差在通過電流控制器ACR的計算后， 得到 Vd、Vq的參考值 Vdref、Vqref； 最后， 通過Park逆變換得到Vαref和 Vβref，由 SVPWM模塊輸出的 PWM 波來控制三相逆變器，從而控制定子三相對稱繞組的電流。永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

圖1 永磁同步電動機矢量控制原理框圖Fig.1 Layout of the vector control system of PMSM

2 硬件設(shè)計

2.1 硬件總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖如圖2所示，主要包含控制板、功率驅(qū)動板和輔助電源板3大部分。整個控制器以TMS320F2812芯片為核心再配以簡單的外圍電路，系統(tǒng)的速度控制和電流控制功能均采用軟件實現(xiàn)。

圖2 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of the hardware of the control system

2.2 數(shù)字控制單元模塊

TMS320F2812系列DSP被大家所熟知，它是一種32位的定點數(shù)字信號處理器，同時，由于它整合了DSP和MCU的最佳性能，使得在它在一個周期內(nèi)即可完成一個32×32位乘法運算，或者兩個16×16位乘法運算。此外，由于快速終端管理單元也被集成在DSP內(nèi)，這樣就會使得終端的輸入延時大幅減小，可以更佳地滿足實施控制的需求。由于2812系列DSP具有較高的性能，它可以在一個周期時間內(nèi)完成對任一內(nèi)存或地址的寫入、修改或讀取等操作，而且它自身還集成有多個缺省指令集，這些指令一方面可以使得程序開發(fā)變得更加簡單，另一方面還提高了程序執(zhí)行時的效率[5-6]。

2.3 電流檢測電路

對于三相永磁同步電動機來說，當(dāng)三相電流沒有零序分量時（當(dāng)電動機三相繞組是星形連接而中點不外接時此條件即可滿足），由于iA+iB+iC=0，只要需將其中任意兩路電流進行采樣，即可得到全部三相電流的值。電流采樣應(yīng)用霍爾元件來采樣主回路的信號，這個控制系統(tǒng)中選用的傳感器型號為LA28-NP。TMS320F2812的芯片內(nèi)部包含A/D轉(zhuǎn)換模塊，采樣部分共有16路通道，轉(zhuǎn)換最小時間為60 ns，然而由于其A/D轉(zhuǎn)換模塊所需輸入為單極性 [0～3 V]，故需要將從LEM輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成 [-1.5～+1.5 V]電壓信號。然后再經(jīng)過+1.5 V的偏移將其提升至[0～3 V]范圍內(nèi)，才可為DSP所接受，之后輸入到12位的A/D轉(zhuǎn)換器中，獲得電機的實際電流值。本系統(tǒng)設(shè)計有二級管組成的限幅電路，防止電壓過高或過低。電流檢測電路如圖3所示。

圖3 電流檢測電路Fig.3 Layout of the current sense circuit

2.4 機械位置檢測模塊

該模塊可以將增量式光電編碼器送過來的脈沖信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子軸的絕對機械位置，之后，其絕對的機械位置被存放在變量θm中。通過轉(zhuǎn)子的一個已知位置，根據(jù)增量式光電編碼器的數(shù)值就可以得到轉(zhuǎn)子軸的絕對機械位置。

電動機每旋轉(zhuǎn)一周，接收端就會產(chǎn)生1 024個脈沖，每個縫隙有4個邊緣，2個通道各有1個上升沿和1個下降沿。即電動機每旋轉(zhuǎn)一周，QEP就會檢測到4 096個邊沿數(shù)。QEP通過檢測2個通道的先后次序，從而對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向進行判斷。邊沿數(shù)存儲在T3CNT中，根據(jù)所選旋轉(zhuǎn)的方向來確定T3CNT是增量式還是減量式。一旦選定了QEP模式，當(dāng)T3計數(shù)器值超過FFFFh時，T3歸零并重新計數(shù)。

光電編碼器有A、B、Z三路輸出信號，其中A、B兩路信號的相位相差90°，Z信號又被稱為零位信號，是每轉(zhuǎn)輸出一個脈沖的零位參考信號，光電編碼器輸出的三路脈沖信號在經(jīng)過光電隔離和脈沖整形之后即直接送入DSP的QEP/捕獲單元引腳。高速光耦（TLP550）用來實現(xiàn)數(shù)字電路和模擬電路的隔離，高速反相器（74HC14）用來對輸入脈沖信號進行整形，脈沖整形電路如圖4所示。

圖4 脈沖整形電路Fig.4 The interface circuit of the optical encoder

2.5 電源供電電路

與一般的DSP不同，2812的上電次序是外圍先上電，內(nèi)核后上電，即3.3 V先上電，1.8 V后上電，TPS767D318本身并不具備自動控制3.3 V與1.8 V上電時序的功能，但是它為3.3 V和1.8 V各提供了一個使能引腳，可以分別使能。這是一個可以利用的途徑。將3.3 V的使能引腳使能（接地），則上電時3.3 V正常啟動。將3.3 V通過R1R2兩個電阻合理分壓后，驅(qū)動一個MOSFET（BSS138）的門極，如圖 5中電路所示，1.8V的使能引腳被一個10 kΩ電阻上拉，當(dāng)3.3V上電后，MOSFET導(dǎo)通，1.8 V的使能引腳才被拉低而使能。這樣就保證了1.8V慢于3.3V而上電。即，外圍3.3V先上電，內(nèi)核1.8V后上電。

圖5 電源供電電路Fig.5 The layoutof power supply of TMS320F281

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用DSP2812數(shù)字處理器作為核心控制芯片，該芯片主頻高達150 mHz，滿足控制系統(tǒng)需求。系統(tǒng)軟件主要包括主程序、中斷處理子程序和捕捉中斷處理子程序3個部分。主程序在工作周期內(nèi)不斷地循環(huán)采樣參考給定，如有中斷發(fā)生，它會立即停止循環(huán)采樣并對中斷進行相應(yīng)；定時器的中斷處理子程序是整個控制系統(tǒng)中最核心的部分，系統(tǒng)的閉環(huán)控制計算及PWM波的輸出任務(wù)都由它來完成，它在每一個PWM周期完成時進行一次電流環(huán)的采樣和控制 （對速度環(huán)的采樣控制周期為10個PWM波），然后在一個PWM周期剩下的時間內(nèi)空循環(huán)；本系統(tǒng)有兩個捕獲中斷：CAP3_ISR和CAP6_ISR，捕獲中斷3用來捕獲光碼盤的正交編碼脈沖信號，然后進行T法測速，之后便于進行速度顯示，Z脈沖信號可以觸發(fā)捕獲中斷6，它用來矯正角度計算的基準(zhǔn)值和初始位置角θ0。主程序、定時器中斷程序和捕獲中斷程序的框圖如圖6所示。

4 仿真及實驗研究

首先，根據(jù)實驗室內(nèi)一臺5.5 kW的內(nèi)嵌式永磁同步電動機的電氣參數(shù)在Matlab中搭建其模型，以額定轉(zhuǎn)速3 000 r/m in進行啟動升速，大約在2.2 s左右即可穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速，穩(wěn)速后，在3 s時加載額定轉(zhuǎn)矩17.5 Nm。從圖中可以看到加載時及之后轉(zhuǎn)速較為平穩(wěn)，一直穩(wěn)定在3000±30 r/min。可以看出，永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)具有較好的動態(tài)響應(yīng)特性和速度控制特性。轉(zhuǎn)速圖如圖7所示。

圖7 額定帶載下的轉(zhuǎn)速-時間曲線Fig.7 The relationship between n and t under rated condition

之后，選取該樣機利用加載臺對其進行額定狀態(tài)下的加載測試，該電機定子三相電流如圖8所示，其中，電流鉗選取10 mV/A檔位，示波器每格對應(yīng)電流50 A，可以觀測到三相電流峰值約為25 A，此外，可以看出三相電流波形正弦度較好，說明電機額定帶載運行很平穩(wěn)，控制器滿足實際要求。

5 結(jié)束語

文中在簡要介紹了永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，分析了永磁同步電動機的矢量控制原理及控制方法，重點介紹了TMS320F2812處理器的特點，詳細敘述了控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，另外對此控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計進行了介紹，最后利用5.5 kW的樣機對該控制系統(tǒng)進行了測試，實驗表明此控制系統(tǒng)有較高的動態(tài)響應(yīng)特性，電機帶載時運行平穩(wěn)，電流波形正弦度較好，控制器滿足實際需求。

圖8 額定加載下的三相電流波形Fig.8 Figure of the three phase current under rated condition

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