節(jié)能型屏蔽電泵電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林 勇 李 楊 羅 京

(合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009)

節(jié)能型屏蔽電泵在國(guó)內(nèi)外都具有廣泛的市場(chǎng)，節(jié)能主要體現(xiàn)在功率P、流量Q與壓力H三者之間的關(guān)系(P=QH)以及三者與電機(jī)轉(zhuǎn)速N之間的比例關(guān)系：流量Q正比于轉(zhuǎn)速N的一次方，壓力H正比于轉(zhuǎn)速N的平方，而輸出功率P正比于轉(zhuǎn)速N的三次方[1,2]。當(dāng)電機(jī)效率一定，調(diào)節(jié)流量Q下降，則轉(zhuǎn)速N以一次方比例下降，壓力H以二次方比例下降，則功率P以三次方比例下降，可以很大程度上提高節(jié)能效果。但是在實(shí)際應(yīng)用中流量不能減小，只能減小壓力，由于壓力與流量之間具有強(qiáng)耦合性，很難達(dá)到節(jié)能的要求[3]。

永磁同步電機(jī)以其高轉(zhuǎn)矩慣量比、高密度、高效率及易控制等優(yōu)異性能[4]，在中小功率驅(qū)動(dòng)范圍內(nèi)引起了越來(lái)越高的重視，在節(jié)能型屏蔽電泵中得到了廣泛使用。目前，國(guó)內(nèi)的屏蔽電泵的制造大多采用旋轉(zhuǎn)變壓器、光電碼盤(pán)及霍爾傳感器等位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，由于機(jī)械傳感器的存在，從而降低了系統(tǒng)的可靠性和魯棒性，并且增加了生產(chǎn)的成本。因此，筆者設(shè)計(jì)了無(wú)需傳感器的控制電路，并通過(guò)PID調(diào)節(jié)器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，為屏蔽電泵的開(kāi)發(fā)研究提供了新的策略。

1 屏蔽電泵電機(jī)控制系統(tǒng)①

屏蔽電泵電機(jī)控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)(圖1)使用單片機(jī)XC878CM作為控制系統(tǒng)的微控制器，智能功率模塊選擇FSB50450S芯片，將CUP產(chǎn)生的6路PWM信號(hào)轉(zhuǎn)變成電機(jī)調(diào)速所需的三相電壓，使用比較放大器集成模塊AD8616，為系統(tǒng)提供采樣電流，并同時(shí)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。單片機(jī)通過(guò)采樣到的電流信號(hào)進(jìn)行矢量控制運(yùn)算，通過(guò)對(duì)PWM信號(hào)的調(diào)節(jié)[5]，完成對(duì)電機(jī)三相電壓的調(diào)節(jié)，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖1 屏蔽電泵電機(jī)控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)框圖

1.1 系統(tǒng)電源模塊

該系統(tǒng)的電源模塊使用VIPER12AS芯片和TPS54231芯片分別產(chǎn)生系統(tǒng)所需的+15V和+5V電壓，為控制系統(tǒng)的CUP和其他模塊供電。VIPER12AS芯片及其電路如圖2所示，TPS54231芯片及其電路如圖3所示。

圖2 +15V電壓轉(zhuǎn)換電路

圖3 +5V電壓轉(zhuǎn)換電路

1.2 系統(tǒng)智能功率模塊

該控制系統(tǒng)采用FSB50450S智能功率模塊，將CUP產(chǎn)生的6路PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的三相電壓U、V、W，并與AD8616結(jié)合產(chǎn)生反饋電流。FSB50450S芯片及其電路如圖4所示。

圖4 三相電壓產(chǎn)生模塊

1.3 系統(tǒng)反饋電流產(chǎn)生及過(guò)流保護(hù)模塊

該系統(tǒng)選用AD8616芯片與外圍電路結(jié)合，產(chǎn)生反饋電流CurrentValue，并通過(guò)AD8616產(chǎn)生OverCurrent信號(hào)，從而達(dá)到對(duì)系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)作用。反饋電流生成和過(guò)流保護(hù)電路分別如圖5、6所示。

圖5 系統(tǒng)反饋電流生成電路

圖6 系統(tǒng)過(guò)流保護(hù)電路

1.4 系統(tǒng)CUP芯片XC878CM

該系統(tǒng)的CUP選取了英飛凌公司的XC878CM單片機(jī)，利用此單片機(jī)的PWM信號(hào)產(chǎn)生模塊CCU6產(chǎn)生6路PWM信號(hào)，通過(guò)AD采樣系統(tǒng)的反饋電流并通過(guò)磁鏈定向矢量控制方法控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。在設(shè)計(jì)中，利用GPIO模擬I2C總線和SPI總線，將CUP與EEPROM連接，并通過(guò)HC595與顯示電路連接。XC878CM及其外圍電路如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)控制芯片XC878CM單片機(jī)及其電路

2 電機(jī)控制系統(tǒng)的無(wú)傳感器矢量控制算法

該系統(tǒng)采用磁場(chǎng)定向矢量控制方法完成無(wú)傳感器控制[6]，將可采樣的定子電流通過(guò)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)子的坐標(biāo)系上，形成電流的閉環(huán)，對(duì)電流動(dòng)態(tài)跟蹤，與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的閉環(huán)一起形成雙閉環(huán)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度，使系統(tǒng)能更快速的響應(yīng)。矢量控制方法模擬直流轉(zhuǎn)矩規(guī)律，將定子電流矢量分解成產(chǎn)生磁場(chǎng)的勵(lì)磁電流id和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流iq，同時(shí)控制兩分量的相位和幅值。由電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程Te=np(Ψdiq-Ψqid)=np[Ψriq+(Ld-Lq)idiq](T為轉(zhuǎn)矩，n為轉(zhuǎn)速，Ψ為磁通，L為轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度，e、p、d、q、r均為空間矢量的方向)可知：當(dāng)id=0,iq=is時(shí)，Te=npΨriq，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，就能達(dá)到直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能。

2.1 Clarke變換和Park變換

對(duì)交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制需要轉(zhuǎn)換和簡(jiǎn)化傳統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)器[7]，因此要對(duì)采樣的電流信號(hào)CurrentValue1進(jìn)行Clarke變換和Park變換，使電流進(jìn)行從ABC坐標(biāo)系到αβ坐標(biāo)系(r坐標(biāo)系)到dq坐標(biāo)系(s坐標(biāo)系)的變換[8]，如圖8所示。

圖8 PMSM的系統(tǒng)坐標(biāo)變換

Clarke變換是將采樣的定子電流從靜止的ABC坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到靜止的αβ坐標(biāo)系(r坐標(biāo)系)，其轉(zhuǎn)換方程為：

(1)

(2)

其中，ia+ib+ic=0。

Park變換是從靜止的αβ坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系，其轉(zhuǎn)換方程為：

id=iαcosθ+iβsinθ

(3)

iq=-iαsinθ+iβcosθ

(4)

Park變換矩陣與其逆變換為：

(5)

(6)

其中，θ為轉(zhuǎn)子位置角。

2.2 系統(tǒng)的矢量控制

磁鏈定向矢量控制的系統(tǒng)原理如圖9所示。

圖9 矢量控制的系統(tǒng)原理框圖

該系統(tǒng)將采樣的定子電流經(jīng)過(guò)Clarke變換得到iα和iβ,iα和iβ與轉(zhuǎn)子位置θ結(jié)合，經(jīng)過(guò)Park變換得到id和iq，通過(guò)磁鏈定向控制估算轉(zhuǎn)子位置角θ并得出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，與參考轉(zhuǎn)速進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后得到參考轉(zhuǎn)矩電流iq，再與實(shí)際值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)并經(jīng)過(guò)Park逆變換后得到兩相靜止電壓Usα、Usβ，最后通過(guò)SVPWM控制調(diào)節(jié)電壓空間矢量，由智能功率模塊調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。重復(fù)以上過(guò)程，直到達(dá)到電流和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)控制。其中，定子磁鏈ψsα、ψsβ與定子電壓Usα、Usβ和定子電流isα、isβ的關(guān)系為：

(7)

(8)

轉(zhuǎn)子磁鏈ψrα、ψrβ為：

(9)

(10)

則轉(zhuǎn)子位置角θ為：

(11)

轉(zhuǎn)子位置角與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：

(12)

(13)

2.3 矢量控制系統(tǒng)的軟件流程

矢量控制是該系統(tǒng)控制算法的關(guān)鍵，筆者根據(jù)矢量控制系統(tǒng)的運(yùn)算過(guò)程設(shè)計(jì)其程序流程，矢量控制系統(tǒng)的軟件流程如圖10所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

節(jié)能型屏蔽電泵目前在國(guó)內(nèi)外的使用非常廣泛，具有開(kāi)闊的市場(chǎng)前景，筆者給出了節(jié)能屏蔽電泵開(kāi)發(fā)的基本硬件結(jié)構(gòu)和基本軟件設(shè)計(jì)思路，基于XC878CM的屏蔽電泵電機(jī)控制系統(tǒng)樣板已經(jīng)調(diào)試完畢，在研發(fā)的過(guò)程中解決了許多問(wèn)題，為后續(xù)的研究開(kāi)發(fā)打下了基礎(chǔ)。無(wú)傳感器的矢量控制方法在永磁同步電機(jī)調(diào)速中的實(shí)際應(yīng)用，也為國(guó)內(nèi)節(jié)能型屏蔽電泵行業(yè)的技術(shù)突破帶來(lái)可能，屏蔽電泵行業(yè)在國(guó)內(nèi)也將會(huì)有長(zhǎng)足的發(fā)展。

圖10 矢量控制系統(tǒng)軟件流程