謝瑞　王旭東　周凱　王碩　盛炎春

摘要：為了研究如何加快永磁同步電機對于轉(zhuǎn)矩變化的響應(yīng)，介紹了一種基于TC1782的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以英飛凌TC1782數(shù)字信號處理器為控制中心，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7606同時采集電機相電流，采用旋變解碼芯片AD2S1210與旋變結(jié)合獲得轉(zhuǎn)子的位置和角度信號。使用ETAS公司的LABCAR電機仿真機柜作為硬件仿真平臺，與控制部分結(jié)合構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過實驗驗證，該設(shè)計運行穩(wěn)定，由于加入了反饋線性化模塊，系統(tǒng)具有快速的動態(tài)響應(yīng)特性，而且轉(zhuǎn)矩脈動較小，速度和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)跟隨性好，可以滿足永磁同步電機的控制要求。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機；直接轉(zhuǎn)矩控制；旋轉(zhuǎn)變壓器

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.014

中圖分類號： TP273

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）01-0075-06

Abstract：In order to study how to accelerate the response of permanent magnet synchronous motor to torque variation， a direct torque control system of permanent magnet synchronous motor based on TC1782 is introduced in this paper.The control center of the system is infineon TC1782.It uses ADC chip named AD7606 to acquire the motor phase current simultaneously， and uses resolver chip named AD2S1210 and resolver to obtain the position and angle of the signal rotor. LABCAR motor simulation device， as a hardware simulation platform， combined with the control portion， constitutes a closed loop control system. Through the experiment， we know this design is stable. Because of incorporating the feedback linearization module， the system has fast dynamic response characteristics and smaller torque ripple. Speed and torque can follow the system. This design can meet the requirements of controlling permanent magnet synchronous motor.

Keywords：permanent magnet synchronous motor； direct torque control； resolver

0引言

永磁同步電機（permanent magnet synchronous motor，PMSM）在作為伺服控制系統(tǒng)在工業(yè)、航天和汽車等領(lǐng)域得到了很廣泛的應(yīng)用[1-2]。為了使伺服單元更好的工作，人們不斷提出各種控制方法，如矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制（direct torque control，DTC）、無傳感器控制和智能控制。新型的智能控制算法無法在現(xiàn)有的控制器上穩(wěn)定的運行，所以在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用不是十分廣泛。但是這是未來的一個發(fā)展趨勢。經(jīng)典的矢量控制在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，但是它存在著電流采樣反饋時滯的問題。為了解決這一問題，人們提出了直接轉(zhuǎn)矩控制的方法，使得系統(tǒng)得以簡化，并且提高了快速響應(yīng)能力[2]。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制采用轉(zhuǎn)矩和磁鏈雙滯環(huán)調(diào)節(jié)來得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制信號，這種方法的缺點是穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動較大[3]。所以又出現(xiàn)了直接轉(zhuǎn)矩控制和空間電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（space vector pulse width modulation，SVPWM）算法相結(jié)合的控制方法，這有效地減小了轉(zhuǎn)矩和磁鏈的脈動。本文就是基于這一控制方法，并將轉(zhuǎn)矩和磁鏈進行反饋線性化解耦，使轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可以準確地跟蹤準確值，最終實現(xiàn)永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制[4-6]。

1永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)分析

1.1永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)包括：坐標變換單元、轉(zhuǎn)矩與磁鏈計算單元、磁鏈調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)、反饋線性化控制單元和SVPWM模塊等。

2.1控制核心TC1782

TC1782是32位微控制器芯片，集成了CPU、程序和數(shù)據(jù)存儲器、總線仲裁、中斷控制器、外設(shè)控制處理器和多種片上外設(shè)，用于滿足高要求的嵌入式控制系統(tǒng)應(yīng)用的需求，具有性價比高、實時響應(yīng)速度快和計算能力強大等特性。主頻高達180M，片上FLASH容量2.5M，具有DSP浮點運算的功能，豐富的IIC、SPI、定時器和CAN接口，非常適用于汽車電子電機控制和電源控制領(lǐng)域[7]。本設(shè)計用到了英飛凌TC1782的GPTA定時器模塊，用來生成6路互補PWM信號、定時器中斷[8]。用到SPI模塊，用來串行讀取AD7606采樣的電流。用到了GPIO，并行處理旋變解碼AD2S1210的并行信息，解算出位置和角度。

2.2AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

AD7606模塊的原理圖如圖3所示。AD7606是16位可以同時8通道采集信息的ADC芯片。通過配置RANGE引腳可以選擇正負10V或正負5V的輸入范圍[9]。我們將機柜電機相電流經(jīng)過一階濾波電路和偏置電路采樣范圍限制在自己配置的電壓范圍內(nèi)，然后將處理過的信號送到AD7606中，TC1782通過串行方式讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過量化轉(zhuǎn)換后得到實際結(jié)果。之后開始系統(tǒng)的其他運算。本設(shè)計的AD7606采用串行接口方式與TC1782進行連接，相應(yīng)的連接圖如圖4所示。

2.3AD2S1210旋變解碼模塊

AD2S1210旋變解碼模塊如圖5所示。AD2S1210用來對電機的位置和轉(zhuǎn)速進行解碼，它是一款10位至16位分辨率旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器，集成片上可編程正弦波振蕩器，為旋變器提供正弦波激勵。TypeII伺服環(huán)路可以跟蹤輸入量，把輸入端的信息轉(zhuǎn)化成角度和速度對應(yīng)的數(shù)字量[10]。

3控制系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計

3.1使用ASCET軟件生成反饋線性化模塊的程序

ASCET軟件是ETAS的發(fā)動機控制功能圖形化建模工具，可以將圖形化的模型自動生成C代碼，類似于MATLAB，從使用上來說ASCET偏向于邏輯控制，它可以設(shè)置生成代碼的順序，而MATLAB/Simulink著重于數(shù)學運算，生成的代碼執(zhí)行順序有一定的不確定性，所以ASCET生成的代碼比Simulink的代碼效率高、更簡潔易懂。所以選用前者進行代碼生成功能。

ASCETV6.2.1的模型搭建軟件界面如圖6所示。在一個新的database中建立工程文件，并對基于直接轉(zhuǎn)矩控制的反饋線性化系統(tǒng)模型進行搭建，系統(tǒng)模型中的反饋線性化模塊fbl1、fbl2和fbl3如圖7～9所示。

搭建完整個控制系統(tǒng)的仿真模型后，對其進行編譯，如無錯誤，便可以自動生成可執(zhí)行反饋線性化模塊的程序。

3.2系統(tǒng)主體程序流程圖

系統(tǒng)主體流程圖如圖10所示。

3.3定時器中斷程序流程圖

定時器中斷服務(wù)程序流程圖如圖11所示。

4LABCAR硬件仿真實驗

4.1實驗平臺的搭建

采用ETAS公司的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)LABCAR來實現(xiàn)對基于直接轉(zhuǎn)矩控制的永磁同步電機反饋線性化控制系統(tǒng)的仿真實驗。在硬件在環(huán)仿真實驗過程中，實際控制器先對虛擬電機發(fā)出控制指令，HIL機柜中的FPGA板卡接收到虛擬電機運行時的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生傳感器信號回饋給實際控制器，再通過軟件把數(shù)據(jù)讀取出來，并分析實驗波形，解決真正的實驗平臺搭建前可能出現(xiàn)的問題。硬件在環(huán)實驗平臺如圖12所示。

這里HIL機柜采用的FPGA板卡為ES5340電動仿真板卡（包含電機和逆變器模型），它可以測量ECU驅(qū)動的IGBT門極信號，使它的傳感器產(chǎn)生轉(zhuǎn)速、位置和電流等相關(guān)信號。它還可以對永磁同步電機進行模擬，模型還細致的考慮到了電機參數(shù)飽和和溫度效應(yīng)等因素，而且電機參數(shù)可以實時在線修改，易于實現(xiàn)精確計算。

4.2直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的驗證

硬件在環(huán)實驗平臺搭建完畢后，在TASKING軟件中，將ASCET軟件生成的控制算法C語言代碼和DAVE軟件生成的外設(shè)配置C語言代碼結(jié)合在一起，并進行編譯，編譯成功后燒入控制芯片TC1782中，然后將模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7606、旋變解碼芯片AD2S1210與TC1782和HIL機柜正確連接，運用 LABCAR OPERATOR軟件對系統(tǒng)進行硬件在環(huán)仿真實驗。該軟件通過用戶界面對LABCAR的硬件進行配置，并控制電機啟停，生成可以執(zhí)行的測試代碼。圖13為LABCAR OPERATOR的實驗環(huán)境界面。

基于硬件在環(huán)測試系統(tǒng)LABCAR仿真平臺，電機負載給定為40N·m，給定轉(zhuǎn)速為1500r/min時的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和相電流響應(yīng)波形如圖14～16所示。

從仿真波形圖中可以看出，基于直接轉(zhuǎn)矩控制的永磁同步電機寬調(diào)速范圍反饋線性化控制系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波形比較平穩(wěn)，脈動比較小，輸出相電流波形較接近正弦波，驗證了本文設(shè)計控制方法的可行性。

圖17基于直接轉(zhuǎn)矩控制的永磁同步電機控制系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩波形圖，圖18為相應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化波形圖。在t=30s時刻，給定轉(zhuǎn)速為1500r/min，負載轉(zhuǎn)矩由18N·m降至10N·m。由圖可見，當負載突變時，反饋轉(zhuǎn)速和給定速度之間的誤差變大，經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器后將誤差送給轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)后送入后面的環(huán)節(jié)，最終使得系統(tǒng)重新恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。本文設(shè)計的控制系統(tǒng)受電動機轉(zhuǎn)子參數(shù)影響較小，動態(tài)響應(yīng)好，可獲得快速的轉(zhuǎn)矩相應(yīng)，控制算法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，而且轉(zhuǎn)矩脈動更小。

5結(jié)語

本文通過硬件在環(huán)測試系統(tǒng)LABCAR搭建了基于直接轉(zhuǎn)矩控制的永磁同步電機寬調(diào)速范圍反饋線性化控制系統(tǒng)的仿真平臺，并對該系統(tǒng)進行了硬件在環(huán)仿真測試。通過實驗波形可知，本設(shè)計的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控控制系統(tǒng)具有快速的動態(tài)響應(yīng)特性，而且轉(zhuǎn)矩脈動較小。

參 考 文 獻：

[1]李謨發(fā)，彭曉，李永堅，等.基于模糊PI調(diào)節(jié)器的無刷雙饋電機直接轉(zhuǎn)矩控制[J].電機與控制應(yīng)用，2012（10）：30-33.

[2]楊健飛. 永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)若干關(guān)鍵問題研究[D]. 南京：南京航空航天大學，2011：5-8.

[3]ZHANG Y，ZHU J.Direct Torque Control for Permanent Magnet Synchronous Motor With Reduced Torque Ripple and Commutation Frequency[J].IEEE Transactions On Power Electronics，2011，26（1）： 235-248.

[4]JASWANT S，SINGH B，SINGH S P.Performance Evaluation of Direct Torque Control with Permanent Magnet Synchronous Motor[J].Bulletin of Electrical Engineering and Informatics，2012，1（2）：165-178.

[5]謝愛華. 基于空間矢量調(diào)制技術(shù)的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究[D]. 杭州：浙江工業(yè)大學，2009：68-71.

[6]VENUGOPAL R. Feedback LinearizationBased Position Control of an Electrohydraulic Servo System With Supply Pressure Uncertainty[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology，2012，20（4）：1092-1099.

[7]韓洪洪，夏超英. 基于Infineon TC1782的電機控制器設(shè)計[J]. 電源技術(shù)，2014（1）：120-122.

[8]龐博. TC1782在車用永磁同步電機控制中的應(yīng)用[D]. 大連：大連理工大學，2013：6-32.

[9]陶海軍，張一鳴. 基于AD7606的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 工礦自動化，2013，39（12）：110-113.

[10]梁家威，鐘漢如. 基于AD2S1210的轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)速檢測方法研究[J]. 微電機，2013，46（5）：48-49.

（編輯：溫澤宇）