基于DSP的PMSM矢量控制在電梯控制中的應(yīng)用*

陳應(yīng)豪，羅 飛，許玉格

(華南理工大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，廣州510640)

1 引言

三相永磁同步電機(jī)是從繞線式轉(zhuǎn)子同步伺服電動(dòng)機(jī)發(fā)展而來的，它克服了交流同步伺服電動(dòng)機(jī)一些致命的弱點(diǎn)，而又同時(shí)兼有體積小、慣性低、效率高等特點(diǎn)。而直到20世紀(jì)70年代以后，由于計(jì)算機(jī)以及近20多年來新型的快速電力電子元件的不斷出現(xiàn)，交流異步電機(jī)的調(diào)速才成為可能。并且在基于成熟的理論前提下，利用高速處理器DSP可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。同步電機(jī)相比異步電機(jī)，磁鏈位置與轉(zhuǎn)子位置同步，在實(shí)際控制時(shí)直接檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置就可以得到磁鏈的位置，因此控制起來更加簡單。同步電機(jī)在數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械、儀器儀表、微型汽車、工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域中都得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)于電梯曳引機(jī)，要求振動(dòng)小、噪聲低和足夠的轉(zhuǎn)矩。下面就介紹永磁同步電機(jī)的矢量變化控制在電梯控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的應(yīng)用。

2 矢量變換控制技術(shù)的引出

從電源角度出發(fā)的SPWM控制技術(shù)雖然控制線性度好并且容易實(shí)現(xiàn)，但是也有明顯的缺點(diǎn)—電壓利用率太低，因此人們就提出了現(xiàn)在最流行、效果最好的電壓空間矢量PWM技術(shù)—磁鏈軌跡法。SVPWM技術(shù)從電動(dòng)機(jī)角度出發(fā)，通過控制加在定子上的三相電壓，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)圓形磁場(chǎng)。

但是，相比起直流電機(jī)，交流電機(jī)的勵(lì)磁電流和負(fù)載電流都在定子電路內(nèi)，調(diào)速是比較復(fù)雜的。而基于對(duì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的等效方法的思考，德國人F.Blaschke在1971年就提出了矢量控制理論，將一個(gè)三相交流的磁場(chǎng)系統(tǒng)通過兩相交流系統(tǒng)作為過渡，變換成為一個(gè)旋轉(zhuǎn)體上的直流磁場(chǎng)系統(tǒng)。將用于控制交流調(diào)速的給定信號(hào)變換成類似于直流電機(jī)磁場(chǎng)系統(tǒng)的控制信號(hào)，控制時(shí)，可以和直流電動(dòng)機(jī)一樣，使其中一個(gè)磁場(chǎng)電流不變，而控制另一個(gè)磁場(chǎng)電流信號(hào)，從而獲得和直流電動(dòng)機(jī)類似的控制效果。

矢量變換控制的根本思路，就是以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為準(zhǔn)則，建立交、直流電動(dòng)機(jī)的等效關(guān)系，把交流電動(dòng)機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)來控制。經(jīng)過Clarke變換和Park變換之后，就可以把交流電動(dòng)機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)來控制了。

由于篇幅有限，關(guān)于Clarke變換和Park變換的內(nèi)容在此不作介紹，有興趣的讀者可以參考文獻(xiàn)5。

3 SVPWM基本原理

用三相平衡正弦電壓向交流電動(dòng)機(jī)供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈空間矢量復(fù)制恒定，并以恒速旋轉(zhuǎn)磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動(dòng)軌跡形成圓形的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。電壓空間矢量按繞組的實(shí)際空間位置來定義，三相定子位置上相差120°，而在其所施加的三相平衡電壓在相位上也是相差120°。三相電壓空間矢量相加所形成的一個(gè)合成電壓空間矢量U是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的旋轉(zhuǎn)頻率正好是電源頻率ω。而經(jīng)過推導(dǎo)電壓矢量與磁鏈?zhǔn)噶康年P(guān)系得出，磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，電壓矢量也連續(xù)地沿磁鏈圓的切線方向運(yùn)動(dòng)一周，并且運(yùn)動(dòng)軌跡和磁鏈圓重合。這樣，電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的問題就可以轉(zhuǎn)化為對(duì)電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡形狀的研究了。

控制電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡，是基于逆變器(本應(yīng)用采用IPM模塊)的幾種開關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的基本電壓空間矢量的時(shí)間線性組合。

圖1 基本電壓空間矢量及扇區(qū)

其中的U旋轉(zhuǎn)角速度即為輸出正弦電壓的角頻率，可以由Ux和Ux+60線性時(shí)間組合來合成，它等于t1/TPWM倍的 Ux和 t2/TPWM倍的 Ux±60的矢量和。其中t1和t2分別是Ux和Ux+60的作用時(shí)間，TPWM是U作用的時(shí)間。這樣，當(dāng)TPWM取足夠小的時(shí)候，電壓空間矢量的軌跡就近似是一個(gè)圓形了。其中，TPWM可以自己選定，U也可以根據(jù)電機(jī)特性曲線確定，根據(jù)圖2所示，有

而事實(shí)上，還有兩個(gè)零基本矢量沒有標(biāo)出，U000和U111，一般在TPWM時(shí)間內(nèi)分散地插入零矢量，以提高電動(dòng)機(jī)性能。其總時(shí)間為t0，并且滿足:TPWM=t0+t1+t2，另外，要進(jìn)行矢量線性合成前需知道應(yīng)該用哪兩個(gè)基本矢量進(jìn)行合成，所以，必須知道磁鏈所在的區(qū)域。而圖中已經(jīng)將兩兩相鄰基本矢量之間的空間劃分為6個(gè)扇區(qū)。

圖2 電壓空間矢量的線性組合

以上所述的SVPWM原理，可以用軟件實(shí)現(xiàn)，而更加方便的辦法，是利用具有SVPWM硬件功能的DSP直接硬件產(chǎn)生。TI公司的TMS320F2812是電機(jī)專用的高端DSP，正確的對(duì)硬件設(shè)置可以產(chǎn)生所需要的SVPWM波，從而簡化和優(yōu)化了控制程序。圖3為第5扇區(qū)在一個(gè)TPWM周期內(nèi)(逆時(shí)針)硬件實(shí)現(xiàn)的五段式SVPWM波形。

圖3 第5扇區(qū)SVPWM波形(逆時(shí)針)

4 電梯驅(qū)動(dòng)DSP控制系統(tǒng)

圖4中IPM模塊采用三菱公司的PM50CLA060(6單元)，VDC是整流后的直流電壓。另外，除了驅(qū)動(dòng)模塊、電流傳感器、PMSM，編碼器外，圖中其他功能算法均可以由DSP實(shí)現(xiàn)。

三相繞組的U相和V相通過電流傳感器測(cè)量逆變器輸出的定子電流iU、iV，經(jīng)過DSP的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，并利用式iW=－(iU+iV)計(jì)算出iW。通過Clarke變換和Park變化將電流iU，iV，iW變化成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流分量iq、id，iq、id作為電流環(huán)的反饋量。

利用旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量電動(dòng)機(jī)的角速度ω，接著通過積分計(jì)算變換為電角θ。其中，電角θ用于參與park變換的計(jì)算，而ω用作速度的負(fù)反饋，亦即途中的給定電梯速度負(fù)反饋量。

給定的電梯運(yùn)行速度與負(fù)反饋量ω運(yùn)算后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，輸出得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中用于轉(zhuǎn)矩控制的電流q軸分量，連同旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中另一分量，(等于零)與電流反饋量iq，id運(yùn)算后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，分別輸出旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 Odq的電壓分量Uq，Ud。Uq，Ud，通過Park逆變換后得到Oαβ兩相坐標(biāo)中的電壓分量 Uα，Uβ。這時(shí) Uα，Uβ，已知，并且計(jì)算得到 Uα，Uβ所在的扇區(qū)，就可以實(shí)現(xiàn)SVPWM波形，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)模塊來控制IPM模塊，從而控制PMSM。IPM模塊是一個(gè)集成的智能模塊，整個(gè)電梯控制系統(tǒng)中，主要包括電梯信號(hào)處理的邏輯控制和電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩大模塊。而在程序設(shè)計(jì)上，兩大功能模塊均作為定時(shí)器中斷服務(wù)程序，在主程序的死循環(huán)中等待每次定時(shí)器下溢執(zhí)行。圖5中給出電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程圖。

圖4 電梯控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部分原理圖

圖5 定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程圖

流程圖中的轉(zhuǎn)子相位初始化可以通過給定子一個(gè)id=0，iq=in(額定電流)，θ= －90°的直流電來實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)束語

TMS320F2812高端DSP，由于本身已經(jīng)帶有電機(jī)控制模塊，只需通過硬件設(shè)置便可以產(chǎn)生SVPWM波，實(shí)現(xiàn)矢量控制相對(duì)簡單。PMSM的矢量控制在電梯驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用上已經(jīng)獲得良好的效果，不但振動(dòng)小、噪聲低，而且能達(dá)到精確的控制要求。隨著矢量控制技術(shù)的逐漸成熟和普及，PMSM矢量控制在其他應(yīng)用領(lǐng)域的前景也十分看好。

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