黃 斌，潘云蛟

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心，云南 昆明 650010)

PMSM 磁場定向控制設(shè)計(jì)

黃 斌，潘云蛟

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心，云南 昆明 650010)

本文通過研究電機(jī)的驅(qū)動控制原理，建立仿真模型，分析和相應(yīng)實(shí)驗(yàn)說明，本文設(shè)計(jì)的控制策略可行。同時(shí)利用一種新方法尋找電機(jī)的初始角度和計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案在水下航行體中具有啟動快和調(diào)速性能好。

永磁同步電動機(jī)；矢量控制；雙閉環(huán)系統(tǒng)

0 引 言

UUV 推進(jìn)電機(jī)在前幾年由于電子元器件的發(fā)展不成熟，影響了控制的精度，多采用直流電機(jī)，而直流電機(jī)在結(jié)構(gòu)上有換向器和電刷，該部分使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)龐大，電機(jī)使用時(shí)影響整個(gè)控制系統(tǒng)效率低。隨著電子元器件的發(fā)展成熟，控制算法也同樣發(fā)展，使得永磁同步電機(jī)替代直流電機(jī)作為動力輸入成為了一種趨勢[1]。目前還沒有人把這種和永磁同步電機(jī)結(jié)合的控制方法運(yùn)用在水下航行體中，這一領(lǐng)域只是進(jìn)行算法的理論研究，考慮電機(jī)的效率由電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制器的控制算法所影響，所以需要注意2個(gè)方面：一是如何確定電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到了最優(yōu)；二是設(shè)計(jì)出的電機(jī)需要和相應(yīng)的控制器進(jìn)行合理的匹配，以使整個(gè)驅(qū)動系統(tǒng)總的效率最大[2]。

1 系統(tǒng)控制策略

本文不以電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主，重點(diǎn)關(guān)注控制算法的實(shí)現(xiàn)。永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)由 TMS320F 28335作為主控部分，選用 IPM 為主驅(qū)動模塊，光電隔離電路部分，電流檢測和信號處理電路，保護(hù)電路構(gòu)成。軟件算法程序通過 CCS 實(shí)現(xiàn)，TMS320F28335 控制芯片是目前已經(jīng)使用比較成熟的2812芯片的升級。

2 PMSM 驅(qū)動系統(tǒng)控制策略實(shí)現(xiàn)

在 Matlab 2010a 中建立 Foc 控制系統(tǒng)（磁場定向控制）的 simulink 仿真模型，對控制算法的可能性進(jìn)行驗(yàn)證，在算法得到驗(yàn)證的基礎(chǔ)上再進(jìn)行代碼部分的編寫。

從圖1可看出，該控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，給定的參考轉(zhuǎn)速是900rpm；速度通過 PI 調(diào)節(jié)模塊，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制策略，該調(diào)節(jié)采用輸出限幅。接電流 PI 調(diào)節(jié)器模塊構(gòu)成電流的閉環(huán)控制，輸出定子的電壓 dq 軸分量 ud和 uq；I-park 逆變器模塊將兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系（dq）下的值向兩相靜止坐標(biāo)系（αβ）下變化，它的輸出是 αβ 軸的定子電壓分量參考值 Uα和 Uβ；SVPWM 和逆變模塊用于實(shí)現(xiàn)參考電壓逆變及其調(diào)

制，從而可以直接通給電機(jī)；PMSM 是永磁同步電機(jī)模塊，負(fù)載轉(zhuǎn)矩是模塊 Tm。反饋通道模塊為：Clark變換模塊：實(shí)現(xiàn)三相坐標(biāo)系（ABC）向兩相靜止坐標(biāo)系（αβ）的轉(zhuǎn)換，Parke 變換模塊：把兩相靜止坐標(biāo)系（αβ）向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換（dq），從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電機(jī)參數(shù)的解耦。所謂的磁場定向控制就是把電機(jī)的三相電流轉(zhuǎn)換為相互垂直的電流，而使其中一個(gè)電流為 0[3]。這樣通過控制另一個(gè)電流而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，用傳統(tǒng)直流電機(jī)的方法來控制交流電機(jī)，使得控制方法簡單。

永磁同步電機(jī)中的相電流值呈現(xiàn)正弦波，所以相應(yīng)的控制系統(tǒng)要求相電流也是正弦波，通過 SVPWM來控制逆變器的6個(gè)功率管開合和關(guān)閉進(jìn)而達(dá)到變頻的目的。相應(yīng)的構(gòu)成模塊有：扇區(qū)判斷、XYZ 計(jì)算、基本矢量時(shí)間分配、賦值模塊及 PWM 波形產(chǎn)生（見圖 2）。

圖1 調(diào)速系統(tǒng)圖Fig.1Speed control system diagram

圖2 SVPWM 模塊仿真圖Fig.2Simulation diagram of SVPWM module

SVPWM 模塊通過 Ipark 變化輸出值 Ua，Uβ對逆變橋的6個(gè)功率管進(jìn)行導(dǎo)通或者關(guān)閉來使得永磁同步電機(jī)的定子合成磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互作用[4]。

PID 模塊的結(jié)構(gòu)如圖3所示：PID 控制器工作機(jī)制是對閉環(huán)控制中誤差信號進(jìn)行響應(yīng)，嘗試對控制量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而獲得期望的系統(tǒng)響應(yīng)。被控參數(shù)可以是任何可測量系統(tǒng)量，本系統(tǒng)中的被控參數(shù)是轉(zhuǎn)速 id和 iq值[5]，而實(shí)際使用時(shí)，由于考慮系統(tǒng)的相應(yīng)速度在比例

和積分參數(shù)介入的情況下已經(jīng)滿足要求，所以設(shè)計(jì)微分參數(shù)為 0。

圖3 PI 控制算法原理結(jié)構(gòu)圖Fig.3Structure chart of conventional digital PI control algorithm

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過輔助工具 ccs3.3，采用 c 代碼編寫控制程序，軟件計(jì)時(shí)和總體框圖如圖4所示。

電動機(jī)控制的中斷子程序是利用 ePWM1 作為中斷源，時(shí)基是由一個(gè) PWM 下溢中斷的等待環(huán)（TBCTR = 0x0000 時(shí)產(chǎn)生事件），當(dāng)定時(shí)器達(dá)到預(yù)設(shè)定時(shí)就會向CPU 提出中斷請求[6]，當(dāng) CPU 響應(yīng)中斷時(shí)，對永磁同步電機(jī)控制的一系列程序就會執(zhí)行[7]。在此程序中采用以速度環(huán)為外環(huán)、電流環(huán)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，對電流和速度進(jìn)行控制[8]，其軟件流程如圖5所示。

圖4 軟件總體流程圖及計(jì)時(shí)時(shí)序Fig.4Flow chart of software design and timing order

解決的幾個(gè)重要難點(diǎn)如下：

1）在 SVPWM 算法中把電機(jī)劃分成6個(gè)扇區(qū)，并在算法中給了1個(gè)參數(shù) n，通過參數(shù) n 就能知道電機(jī)合成磁場所在的扇區(qū)（見圖 6）。參數(shù) n 與扇區(qū)之間的關(guān)系見表 1。

用手去旋轉(zhuǎn)電機(jī)，會發(fā)現(xiàn)參數(shù)的變化是 3，1，5，4，6，2 依次重復(fù)，可以對應(yīng) U3，U1，U5，U4，U6，U2。當(dāng)電機(jī)在各種扇區(qū)時(shí)，會出現(xiàn)相應(yīng)的比較值 Ta，Tb，Tc大于該比較值輸出高電平，然后通過此來判斷相應(yīng)矢量的作用長度。動作輸出高電平還是低電平由AQCTLA 寄存器相應(yīng)位來決定相應(yīng)動作。在控制系統(tǒng)中取 7500 為計(jì)數(shù)器的最大值，TBCLK=2×7500 × 1/150 μs= 100 μs，f =10kHz，其中 150 是 dsp 的頻率 PWM 波形采用遞增與遞減格式，10 μs 是 isr 這個(gè)中斷進(jìn)入的時(shí)間[9]。

圖5 軟件流程圖（TMS320F281X 系列）Fig.5Software flowchart（TMS320F281x series）

圖6 基本空間電壓矢量圖Fig.6Basic voltage space vector

表1 SVPWM 計(jì)算的參數(shù) n 與扇區(qū)關(guān)系Tab.1relationship between n and sector in SVPWM

式中：T1為 pwm.periodmax；T 為周期，10 μs；f=10 kHz 為時(shí)鐘頻率。

式中 T2為 SYSTEM_FREQUENCY 寄存器時(shí)間，用的是系統(tǒng)寄存器計(jì)時(shí)時(shí)間，當(dāng)計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，發(fā)生中斷進(jìn)入，時(shí)間是按照 150 ×5000/150 μs =5000 μs，約為 0.005 s時(shí)間。

2）電機(jī)初始角度即尋找電角度

如果多次實(shí)驗(yàn)證明電機(jī)的初始角度有問題，電機(jī)就無法平穩(wěn)運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)采用12位的旋變，精度為1/4 096 = 0.000 244 140 6。由此可知該精度完全可以達(dá)到推進(jìn)系統(tǒng)的要求。360° 對應(yīng)4096，一個(gè)周期是6個(gè)sector，19 對極電機(jī)1個(gè)電氣周期對應(yīng)的編碼器是360/19 = 18.947°，屬于一個(gè)扇區(qū) 18.947/6 = 3.157 89°，對應(yīng)的編碼器是 360°/4 096 × 3.157 89 = 36。電機(jī)的初始角度在 36 個(gè)編碼器數(shù)值內(nèi)變動，即：19 對極，1 個(gè)電氣周期占的機(jī)械角 360/19 = 18.95，1 個(gè) sector 占3.157 89°，對應(yīng)12bit 為 36。機(jī)械角度是 P1–P0，P1是旋變反饋的當(dāng)前位置數(shù)，P0是初始角度對應(yīng)的編碼，360° 對應(yīng)4096 輸出，令 X = （P1– P0）/4 096，P3是電機(jī)當(dāng)前編碼器輸出值，P4是初始編碼器輸出值，電角度取得值是標(biāo)幺值，P 是電角度的值，本電機(jī)是 19對極，由于電角度是機(jī)械角度的19倍，19 對極電機(jī)的電氣角度為：

式（3）是電機(jī)正傳時(shí)的值，式（4）是電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)的采樣計(jì)算值。

電機(jī)初始角的確定方法，在 SVPWMISR（void）中斷函數(shù)中設(shè)置：

這樣設(shè)定以后，給磁場一個(gè)固定的方向，讓電機(jī)的電流從 u 相流進(jìn)，vw 相流出，此時(shí)給電機(jī)一個(gè)不大的電流，電機(jī)會被鎖定在一個(gè)固定的位置，電流給定后用手去旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸[6]，找出 19 個(gè)固定位置并讀出相應(yīng)的位置（19 對極電機(jī)有 19 個(gè)初始角度），電機(jī)相應(yīng)的會被鎖定在19個(gè)位置，每個(gè)位置之間相隔36 個(gè)編碼數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電機(jī)的初始角如圖7所示：

由圖7可知，1 個(gè)電氣周期對應(yīng)的數(shù)是4096/19 = 215.57，由6個(gè)扇區(qū)構(gòu)成，一個(gè)扇區(qū)為 35.929 8，首先看哪個(gè)扇區(qū)是正轉(zhuǎn)，哪個(gè)扇區(qū)反轉(zhuǎn)。再在正轉(zhuǎn)的扇區(qū)，找穩(wěn)定的初始角度。初始實(shí)驗(yàn)值從電機(jī)鎖定的幾個(gè)值對應(yīng)的編碼器值來選取[10]。選取不同的角度作為初始角，進(jìn)行對比后最終選擇出最合適的角度作初始角。

3）通過角度計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖7 電機(jī)初始角圖Fig.7initial angle of motor

由于中斷函數(shù)時(shí)間設(shè)置為5ms 計(jì)算1次，此時(shí)電機(jī)反饋的編碼數(shù)是 n，1 s 對應(yīng)200n，則算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：

在 CCS 中的程序是：

對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行濾波后：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖8 電機(jī)零速啟動圖Fig.8Motor starting speed wave

圖9電機(jī)角度圖Fig.9Motor angle wave

圖8 是電機(jī)從零速啟動, 圖9是電機(jī)的角度圖，通過 CCS 中的 DATALOG 模塊設(shè)置，就可以直接在 CCS

中繪圖，圖10電機(jī)在900rpm 時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線，圖8～圖11是通過實(shí)際的物理實(shí)驗(yàn)得到的真實(shí)數(shù)據(jù)，對相應(yīng)電機(jī)進(jìn)行 Simulink 仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

圖10 電機(jī) 900 rpm 時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線Fig.10Speed wave on900rpm

圖11 電機(jī) 450 rpm 的轉(zhuǎn)速曲線Fig.11Speed wave on450rpm

圖12 電機(jī)靜止三相電流Fig.12Motor’s stator three phase current

通過實(shí)驗(yàn)和 Simulink 仿真分析可知，電機(jī)有較好的動態(tài)性能，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行波動小，對于 UUV 推進(jìn)電機(jī)而言完全滿足使用要求。

把工業(yè)中的控制方法運(yùn)用在水下航行器同時(shí)用永磁同步電機(jī)提到直流電機(jī)做動力輸入是本文的創(chuàng)新點(diǎn)，用更簡單的方法尋找電機(jī)的初始角度并計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速，節(jié)省了編寫復(fù)雜代碼的時(shí)間，對于處理器而言節(jié)省了程序的存儲空間，使得效率更高。

圖13 電機(jī)的速度曲線Fig.13Motor’s speed curve

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Design of field-oriented controllers on PMSM

HUANG Bin, PAN Yun-jiao
(Kunming Shipbrone Equipment Research &Test Center, Kunming 650010, China)

This paper established simulation mode and through the study of the motor drive control principle, proveing the control strategy is feasible. A new method for seeking initial angle of the motor and the motor speed calculation, It shows that the scheme can effectively achieve stable control of the control system.

permanent magnet synchronous motor；FOC control；double loop system

TM32

A

1672 – 7619(2016)11 – 0133 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.11.028

2016 – 05 – 10；

2016 – 06– 30

黃斌(1986 – )，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向?yàn)槟茉磁c動力。