李 坤

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無(wú)錫機(jī)電分院 自動(dòng)化工程系，江蘇 無(wú)錫 214028）

1 引言

面對(duì)環(huán)境污染、能源緊缺等現(xiàn)象，發(fā)展以電動(dòng)車(chē)用作為主力軍的新能源汽車(chē)成為必然的選擇趨勢(shì)[1]。電機(jī)及其控制系統(tǒng)作為電動(dòng)車(chē)用的關(guān)鍵，直接關(guān)乎到它的整體系統(tǒng)性能。永磁同步電機(jī)（PMSM）因其高效率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，而受到普遍重視，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)上。

目前，對(duì)PMSM及其控制系統(tǒng)的研究日趨成熟。文獻(xiàn)[2]提出了以80C196MC單片機(jī)為核心處理器的永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，采用U/F控制方法原理。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了PI控制器，將該控制器用于永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]介紹了一種利用永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的大型風(fēng)扇，采用變頻控制技術(shù)進(jìn)行調(diào)速。

本文針對(duì)電動(dòng)車(chē)用領(lǐng)域，提出永磁同步電機(jī)變頻控制系統(tǒng)。利用永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，分析其數(shù)學(xué)模型，然后對(duì)電動(dòng)車(chē)用永磁同步電機(jī)變頻控制系統(tǒng)分別進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提系統(tǒng)的可行性和可靠性。

2 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

為簡(jiǎn)化分析，通常假設(shè)三相繞組對(duì)稱(chēng)分布，永磁材料的電阻率無(wú)窮大，忽略PMSM的磁飽和效應(yīng)、渦流和磁滯損耗[5]，其簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型一般包括三種。圖1所示為永磁同步電機(jī)空間矢量圖。

圖1 永磁同步電機(jī)空間矢量圖

αβ坐標(biāo)系下的PMSM數(shù)學(xué)模型表示如下。定子磁鏈方程：

式中，ψα、ψβ為定子磁鏈α軸和β軸分量，LS為電機(jī)電感。

定子電壓方程：

式中，iα、iβ為定子電流 α 軸和 β 軸分量，uα、uβ為定子電壓α軸和β軸分量。

狀態(tài)方程：

dq坐標(biāo)系下的PMSM數(shù)學(xué)模型表示如下。

定子磁鏈方程：

式中，Ld和Lq分別為定子d、q軸電感。

定子電壓方程：

式中，Rs為定子電阻，ud和uq為定子電壓d軸和q軸分量，ψq和ψd為定子磁鏈q軸和d軸分量。

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

式中，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，Pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

運(yùn)動(dòng)方程：

式中，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，B為粘滯摩擦系數(shù)，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ωr為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度。

3 變頻控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于DSP TMS320LF2407的永磁同步電機(jī)變頻控制系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。

圖2 永磁同步電機(jī)變頻控制系統(tǒng)硬件框圖

由圖可以看出，整個(gè)變頻控制系統(tǒng)主要由控制電路和主電路構(gòu)成。電動(dòng)車(chē)用供電為直流電，因此，首先輸入的為直流電源，然后采取濾波環(huán)節(jié)，接著到達(dá)預(yù)充電模塊，給母線電容進(jìn)行預(yù)充電，從而減小上電過(guò)程對(duì)其所造成的較大沖擊電流?？刂颇K以DSP為核心，通過(guò)母線電壓傳感器來(lái)檢測(cè)電容充電是否完成，若檢測(cè)到其已完成，則控制繼電器吸合，從而預(yù)充電電阻旁路。

上述介紹的主要是整個(gè)變頻控制系統(tǒng)的前端電路，其后端電路主要包括了IPM模塊、交流濾波模塊、相電流檢測(cè)模塊。IPM模塊主要是為了實(shí)現(xiàn)在PWM信號(hào)的控制下對(duì)直流輸入電壓的逆變，從而得到三相交流電。因?yàn)檩敵龅娜嘟涣麟娝尸F(xiàn)的不是良好的正弦波，存在著各次諧波、尖峰等，所以為了最大程度的得到高質(zhì)量波形，需要經(jīng)過(guò)交流濾波模塊來(lái)進(jìn)行濾波。由PMSM數(shù)學(xué)模型可發(fā)現(xiàn)，定子相電流檢測(cè)的是否準(zhǔn)確直接關(guān)乎到整個(gè)變頻控制系統(tǒng)的精確性，因此，相電流檢測(cè)模塊的作用是將相電流轉(zhuǎn)化為與其相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼，從而有利于控制過(guò)程中的處理。

4 變頻控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

永磁同步電機(jī)變頻控制系統(tǒng)采用DSP作為主控制芯片，控制程序由主程序和中斷子程序構(gòu)成。如圖3所示，為永磁同步電機(jī)變頻控制系統(tǒng)主程序流程圖。首先進(jìn)行的是系統(tǒng)初始化和時(shí)鐘初始化操作，成功后進(jìn)入下一步，若失敗則報(bào)錯(cuò)并退出系統(tǒng)。接著通過(guò)看門(mén)狗指令監(jiān)視程序的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)的采樣時(shí)鐘頻率設(shè)置為150MHz，從而使整體系統(tǒng)的可靠性獲得了有效得提升。然后開(kāi)始系統(tǒng)循環(huán)等待，直至功能鍵按下進(jìn)入控制中斷服務(wù)程序，或按下退出中斷程序，結(jié)束運(yùn)行并退出系統(tǒng)。

圖3 永磁同步電機(jī)變頻控制系統(tǒng)主程序流程圖

DSP主程序能夠被中斷指令進(jìn)行中斷，等到它執(zhí)行完成后自動(dòng)地回到斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行主程序。

中斷子程序的作用是根據(jù)控制算法進(jìn)行PMSM變頻控制，是整個(gè)控制程序的核心部分。內(nèi)部功能包含采樣相電流信號(hào)、計(jì)算電機(jī)位置以及轉(zhuǎn)速、實(shí)現(xiàn)控制算法等，其流程圖如圖4所示。

圖4 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)子程序流程圖

5 結(jié)果與分析

變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在PMSM調(diào)速平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以驗(yàn)證其是否滿(mǎn)足性能和使用要求。所用PMSM主要參數(shù)如下：直流母線電壓352 V，額定功率15kW，額定轉(zhuǎn)速3000r/min。圖5、圖6所示為電機(jī)相電流的波形，給定轉(zhuǎn)速分別為1500rpm、2000rpm。由圖可見(jiàn)，波形呈現(xiàn)出穩(wěn)定的正弦波，說(shuō)明該系統(tǒng)的正確可靠性。

圖5 轉(zhuǎn)速為1500rpm時(shí)的相電流波形

圖6 轉(zhuǎn)速為2000rpm時(shí)的相電流波形

6 總結(jié)

本文針對(duì)電動(dòng)車(chē)用領(lǐng)域，提出永磁同步電機(jī)變頻控制系統(tǒng)。利用永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合了它的數(shù)學(xué)模型，對(duì)電動(dòng)車(chē)用永磁同步電機(jī)變頻控制系統(tǒng)分別進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。最后，對(duì)所提系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其可行性和可靠性。