基于空間矢量脈寬調(diào)制方法的自控式永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)*

王禮鵬，張化光，侯利民，劉秀翀，韓杰

(東北大學(xué)信息與科學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽 110004)

0 引言

面貼式永磁同步電動機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、轉(zhuǎn)矩/重量比高、轉(zhuǎn)動慣量低、易于維護(hù)等特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、航空航天等領(lǐng)域。近年來，隨著永磁材料性能和電力電子器件性價比的不斷提高，微機(jī)控制技術(shù)和電機(jī)制造工藝的迅猛發(fā)展，以PMSM為動力核心的驅(qū)動系統(tǒng)逐漸受到國內(nèi)外的普遍關(guān)注。本文采用TI公司的電機(jī)控制專用芯片DSP2812，采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，主頻達(dá)150 MHz，使得指令周期縮短為6.67 ns，提高了控制器的實(shí)時控制能力。

在文獻(xiàn)[1-3]的理論基礎(chǔ)上，通過數(shù)字信號處理器(Digital Siginal Processing，DSP)和硬件電路來完成空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)方法的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，并把該方法應(yīng)用到PMSM的調(diào)速系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[4]采用旋轉(zhuǎn)變壓器來計算轉(zhuǎn)子位置角，通過給定子注入已知大小和方向的直流電進(jìn)行轉(zhuǎn)子初始定位;文獻(xiàn)[5]采用先進(jìn)行轉(zhuǎn)速開環(huán)控制然后過渡到轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的方法。與文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]比較，該系統(tǒng)采用日本多摩川公司的增量式光電編碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)子初始定位和角度計算，其中U、V、W 信號進(jìn)行轉(zhuǎn)子初始角度估計，A、B、Z脈沖信號進(jìn)行轉(zhuǎn)子角度計算，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制，可一次性完成速度閉環(huán)控制。

此外，與傳統(tǒng)的增量式PID控制器不同的是:本文采用了對增量進(jìn)行限幅的方法，使得起動電流很小，減少了起動時大電流對電機(jī)的沖擊，延長了電機(jī)的使用壽命。

1 SVPWM原理及數(shù)字化實(shí)現(xiàn)

SVPWM算法的基本步驟如下:(1)判斷空間矢量所在的扇區(qū);(2)計算相鄰兩開關(guān)電壓矢量作用的時間;(3)根據(jù)開關(guān)電壓矢量作用時間合成三相PWM信號。

再定義三個變量A、B、C，如果Ua>0，則A=1，否則 A=0;如果 Ub>0，則 B=1，否則 B=0;如果Uc>0，則C=1，否則C=0，空間矢量所在扇區(qū)可表示為:N=4C+2B+A?；臼噶靠臻g分布和切換狀態(tài)如圖1所示。

圖1 基本矢量空間分布和切換狀態(tài)

圖2 參考電壓的合成與分解

從式(2)可以求得:

如果定義:

那么對于第Ⅲ扇區(qū)的兩個空間矢量U4、U6的作用時間可以表示為T4=－Z，T6=X。同理，當(dāng)在其他扇區(qū)時，相應(yīng)的作用時間也可以用X，Y，Z表示，它們的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 T1和T2的賦值表

為了計算空間矢量比較器的切換點(diǎn)Tcm1、Tcm2、Tcm3，定義:

則扇區(qū)和比較器的切換點(diǎn)的關(guān)系如表2所示。

表2 切換點(diǎn)Tcm1，Tcm2，Tcm3的賦值表

在以上理論基礎(chǔ)上，利用 TI公司的DSP2812，通過軟件實(shí)現(xiàn)了SVPWM算法，通過阻容濾波，在PWM1引腳輸出的波形如圖3所示。

圖3 SVPWM輸出波形

從圖3可以看出，SVPWM輸出的波形是馬鞍波，相當(dāng)于在正弦波中疊加了三次諧波，可以有效提高直流母線的電壓利用率，與傳統(tǒng)的正弦脈寬調(diào)制(Sin-Wave Pulse Width Modulation，SPWM)相比，利用率提高了15.47%。

2 SVPWM方式在PMSM調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

PMSM的id=0控制實(shí)質(zhì)是一種矢量解耦控制，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩線性化控制。面貼式PMSM的Ld≈Lq，由PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩公式Te=pn[Ψfiq+(Ld－Lq)idiq]可以看出，采用id=0的控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)由最小的電流得到最大的輸出轉(zhuǎn)矩。

2.1 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

控制系統(tǒng)的硬件電路主要包括相電流檢測電路、光電碼盤接收到的脈沖信號處理電路、功率驅(qū)動和保護(hù)電路等。

相電流檢測電路如圖4所示:放大電路采用的是MC33074芯片，它把霍爾元件檢測和轉(zhuǎn)換后的小電流信號經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)阻容濾波和三級放大電路，最后得到DSP中A/D采樣可以接收的0～3 V電壓信號。

圖4 相電流檢測電路

光電編碼器采用多摩川的增量式編碼器，該編碼器的分辨率為2 500脈沖/轉(zhuǎn)，輸出信號包括A、B、Z、U、V、W 脈沖，其中 A 和 B 信號互差 90°電角度，DSP通過判斷 A和 B脈沖的相位和個數(shù)可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度。U、V、W脈沖用于在電機(jī)起動時判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，U、V、W信號每轉(zhuǎn)變化 p×360°，電機(jī)轉(zhuǎn)子360°空間被分成p等分，每一等分對應(yīng)電信號一個周期。在每一個360°電角度空間，U、V、W信號按所對應(yīng)的狀態(tài)將該空間分成6份。U、V、W狀態(tài)信號在一個周期內(nèi)為 010、011、001、101、100、110，他們各對應(yīng)電信號的60°區(qū)間。在電機(jī)初始上電時，由U、V、W狀態(tài)可以判定電機(jī)轉(zhuǎn)子所處空間位置的相應(yīng)區(qū)間，初始定位角度誤差為±30°。光電編碼器的信號接收及處理電路如圖5所示。差分信號驅(qū)動芯片AM26LS32可以減少工業(yè)現(xiàn)場中其他信號對脈沖信號的干擾，為準(zhǔn)確計算轉(zhuǎn)子角度提供了保障。

圖5 光電編碼器的信號接收電路

控制系統(tǒng)的功率驅(qū)動電路采用7個絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，其中6個IGBT作為SVPWM信號的開關(guān)管，1個IGBT作為制動單元的開關(guān)管;IGBT的信號驅(qū)動電路采用西門康公司的驅(qū)動板，該驅(qū)動板帶有故障保護(hù)、光電隔離等功能。當(dāng)有過流、過壓、欠壓信號發(fā)生時，會輸出一個低電平信號，該信號輸入到DSP2812的PDPINTA引腳，觸發(fā)故障中斷，并在軟件中進(jìn)行故障處理(封鎖驅(qū)動脈沖)。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件分為主程序和中斷服務(wù)程序。主程序內(nèi)首先完成系統(tǒng)的初始化，以及DSP內(nèi)各個控制模塊寄存器的設(shè)置等，然后進(jìn)入循環(huán)程序，等待中斷的產(chǎn)生，程序框圖如圖6(a)所示。中斷服務(wù)程序包括PDPINTA中斷服務(wù)程序、PWM中斷服務(wù)程序、Z脈沖中斷服務(wù)程序及通信中斷服務(wù)程序等。當(dāng)有故障信號到來時，進(jìn)入PDPINTA中斷服務(wù)程序，封鎖PWM驅(qū)動信號;在定時器T1下溢中斷時調(diào)用PWM中斷服務(wù)程序，中斷頻率為10 kHz，電流環(huán)的控制周期為0.000 1 s，速度環(huán)的控制周期為0.001 s，程序框圖如圖6(b)所示。當(dāng)有光電編碼器的Z脈沖到來時，進(jìn)入Z脈沖中斷服務(wù)程序，把計數(shù)器T2計的脈沖數(shù)清零，防止轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中的脈沖累積誤差;每當(dāng)上位機(jī)發(fā)送指令時，觸發(fā)SCI通信中斷，DSP根據(jù)相應(yīng)的指令發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)。

圖6 主程序和PWM中斷服務(wù)子程序

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

該系統(tǒng)的 PMSM參數(shù)如下:定子電阻為0.9 Ω，直、交軸電感為 Ld=Lq=0.8 mH，轉(zhuǎn)子磁鏈為0.328 7 Wb，額定功率為22 kW，額定頻率為50 Hz，額定電壓為400 V，額定電流為70 A，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，極數(shù)為4。

圖7所示為給定轉(zhuǎn)速1 000 r/min，起動時的轉(zhuǎn)速和A相電流波形。

圖8所示為給定轉(zhuǎn)速1 000 r/min，穩(wěn)態(tài)加載5 N·m時的轉(zhuǎn)速和A相電流波形。

圖8 1 000 r/min且加載5 N·m時速度和A相電流波形

由圖7可看出，采用增量限幅的增量式PID控制器的電動機(jī)起動電流很小，這可以大大減小起動電流對電機(jī)的沖擊，延長電機(jī)的使用壽命。

3 結(jié)語

介紹了SVPWM方法及其數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，并將該調(diào)制方法應(yīng)用到面貼式PMSM的id=0的調(diào)速控制系統(tǒng)中。采用了帶有U、V、W信號檢測的增量式光電編碼器來完成轉(zhuǎn)子的初始定位和角度測量，帶有增量限幅的PID控制器可以有效減小電機(jī)的起動電流。理論分析及試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流比，達(dá)到了較滿意的調(diào)速效果和控制性能。

[1]田亞菲，何繼愛，黃智武.電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)算法仿真實(shí)現(xiàn)及其分析[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2004，16(4):68-71.

[2]佘艷.基于SVPWM矢量控制變頻仿真分析[J].電氣傳動自動化，2009，31(5):23-26.

[3]Sharma R K，Sanadhya V，Behera L，et al.Vector control of a permanent magnet synchronous motor[C]∥India Conference，INDICON 2008，Annual IEEE，2008(1):81-86.

[4]余浩贊，王輝，黃守道.永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)[J].電力電子技術(shù)，2009，43(1):25-27.

[5]Liu Jun，Wu Chun Hua，Huang Jian Min，et al.Research on the starting method of sensorless PMSM based on electrical steady-state model[J].Industrial Electronics，2009:519-522.

[6]蘇奎峰，呂強(qiáng).TMS320F2812原理與開發(fā)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005.

[7]陳榮.基于增量式光電編碼盤的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置初始定位[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2007，34(3):32-35.

[8]Zhang B，Li Y，Zuo Y.A DSP-based fully digital PMSM servo drive using on-line self-tuning PI controller[C]∥Proc PIEMC，2000(2):1012-1017.

[9]周衛(wèi)平，吳正國，唐勁松，等.SVPWM的等效算法及SVPWM與SPWM的本質(zhì)聯(lián)系[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2006，26(2):134-137.