基于DSP的永磁同步電機(jī)變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

李玉東，李 鵬，葛敬濤

（河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，焦作 454000）

0 引言

隨著我國對稀土資源的重視以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，PMSM已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)以及日常生活中，也成為當(dāng)前研究的重要領(lǐng)域[1]。PMSM用高性能的永磁體取代了電勵磁系統(tǒng)，使得永磁勵磁磁場穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時在相繞組中產(chǎn)生正弦波感應(yīng)電動勢，便于對PMSM的控制[2]。

交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中，逆變驅(qū)動技術(shù)廣泛的采用脈寬調(diào)制的控制方式。針對控制PMSM多采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）[3]、空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）等技術(shù)[4,5]。SVPWM技術(shù)相對傳統(tǒng)SPWM技術(shù)，對電機(jī)定子磁場針對性的提出旋轉(zhuǎn)圓形磁場方式，提高了直流電壓利用率以及電機(jī)控制性能，較適合PMSM的控制[6～8]。

考慮到實(shí)驗(yàn)室伺服系統(tǒng)集成化、智能化需求，本文針對PMSM變頻調(diào)速系統(tǒng)[9～11]的這些特點(diǎn)，采用SVPWM對實(shí)驗(yàn)室伺服系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，研究設(shè)計(jì)了一種基于DSP的數(shù)字化永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)平臺。系統(tǒng)平臺實(shí)現(xiàn)了電機(jī)調(diào)速范圍、控制精度等主要技術(shù)指標(biāo)的提升，解決了動態(tài)響應(yīng)慢、效率低等問題，充分驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。

1 矢量控制系統(tǒng)原理

矢量控制是基于功率守恒定律，通過坐標(biāo)變換的方式，對PMSM定子電流iS進(jìn)行矢量分解，實(shí)現(xiàn)電機(jī)勵磁磁通和電磁轉(zhuǎn)矩的相互獨(dú)立控制，近似達(dá)到了與實(shí)際他勵直流電機(jī)同樣的電流控制方式。

矢量控制坐標(biāo)變換表達(dá)式為：

在假設(shè)電機(jī)磁路線性，不考慮渦流和磁滯損耗且永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場和三相繞組產(chǎn)生的磁場在氣隙中均為正弦分布等條件下，引入PMSM在靜止ABC坐標(biāo)系下的電壓矢量表達(dá)式為：

上式中，uA、uB和uC為三相定子繞組相電壓，iA、iB和iC為三相繞組中的電流，ΨA、ΨB和ΨC為A、B、C相繞組的全磁鏈。

將PMSM在兩相旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下搭建數(shù)學(xué)模型，則PMSM定子磁鏈?zhǔn)噶勘磉_(dá)式：

上式中，Ψd、Ψq為交軸和直軸磁場全磁鏈，Ld、Lq為交軸和直軸同步電感，id、iq為交軸和直軸矢量電流分量。

PMSM電壓平衡矢量表達(dá)式為：

上式中，ud、uq為交軸和直軸電壓矢量分量，r為定子電阻，ω為轉(zhuǎn)子角速度。

PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩矢量表達(dá)式為：

小額信貸對于弱勢群體有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。它不僅能夠使其地位有所提高，還能改善生活狀況。但是，現(xiàn)階段小額信貸自身的特殊性，使得我國從事小額信貸業(yè)務(wù)的貸款公司、機(jī)構(gòu)、銀行等面臨著稅收制度、身份定位等多種問題。所以，應(yīng)該為小額貸款的發(fā)展提供良好的制度環(huán)境,使其利率能夠覆蓋風(fēng)險(xiǎn),并適當(dāng)定位小額貸款機(jī)構(gòu)的性質(zhì),讓其擁有貸款呆壞賬核銷自主權(quán),在保證其不非法集資、限制其外部性的前提下進(jìn)行制度創(chuàng)新,以滿足社會上普遍存在的大量需求。

由于在面貼式永磁同步電機(jī)（SPMSM）中Ld≈Lq。即電磁轉(zhuǎn)矩矢量表達(dá)式可簡化為式（8）。由于PMSM中Ψf恒定，Te僅與iq有關(guān)。

根據(jù)對矢量控制原理的研究，設(shè)計(jì)了PMSM變頻調(diào)速系統(tǒng)框架，系統(tǒng)采用idref=0的電流控制方式，如圖1所示。

SVPWM調(diào)制技術(shù)是通過控制三相逆變器中電橋斷開或?qū)ǖ姆绞?，使輸出的電壓空間矢量磁鏈軌跡逼近由三相對稱正弦電壓作用時電機(jī)中產(chǎn)生的圓形旋轉(zhuǎn)磁場。

如圖2所示，SVPWM模塊對三相逆變器輸入六路高頻PWM波，從而產(chǎn)生幅值、頻率可調(diào)的三相交流電驅(qū)動PMSM。轉(zhuǎn)子磁極的空間實(shí)時相位角θr保證旋轉(zhuǎn)d-q軸系是沿著轉(zhuǎn)子磁場定向的方式旋轉(zhuǎn)。閉環(huán)系統(tǒng)部分在PMSM側(cè)加裝光電編碼器，對PMSM反饋信號進(jìn)行信息采集、處理用于系統(tǒng)閉環(huán)控制。

圖1 PMSM矢量控制系統(tǒng)框圖

圖2 基本空間電壓矢量

2 矢量控制系統(tǒng)仿真

基于P M S M 矢量控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，在MATLAB8.0仿真軟件Simulink中，建立了PMSM矢量控制系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示。系統(tǒng)電機(jī)模型額定電壓uN=220V，額定功率PN=1.2kw，額定轉(zhuǎn)速nN=3000r/min，額定電流IN=5A，機(jī)械轉(zhuǎn)動慣量J=8.28kg·m2，極對數(shù)為4。

圖3 系統(tǒng)仿真模型圖

對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，額定功率下電機(jī)帶載啟動，給定轉(zhuǎn)速為3000r/min，仿真波形如圖4所示。

從系統(tǒng)仿真波形圖可以看出，電機(jī)從帶載啟動進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段的仿真波形動態(tài)響應(yīng)迅速、穩(wěn)定，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈波形較為理想，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時無靜差，驗(yàn)證了PMSM矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)可靠性。

圖4 靜止至3000r/min穩(wěn)定運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速波形

圖5 轉(zhuǎn)速為3000r/min 時U、V相電流波形

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形

圖7 SVPWM扇區(qū)N波形圖

圖8 電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

根據(jù)PMSM矢量控制系統(tǒng)仿真模型，研究設(shè)計(jì)了基于DSP的數(shù)字化永磁同步電機(jī)變頻系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計(jì)

PMSM變頻調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字集成硬件平臺如圖9所示，市電通過整流濾波電路后變換成220V直流電輸入到智能功率模塊（Intelligent Power Module,IPM）中，輸出電壓、頻率均可調(diào)的三相交流電驅(qū)動PMSM運(yùn)行。

圖9 PMSM變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件平臺

將系統(tǒng)硬件平臺進(jìn)行模塊化可有效減少相互之間的干擾。下面分別對系統(tǒng)主控制電路、系統(tǒng)功率驅(qū)動電路、系統(tǒng)信號調(diào)理電路3個主要部分介紹。

系統(tǒng)主控電路采用德州儀器公司所生產(chǎn)的TMS320F2812作為控制核心，其外圍電路部分主要由時鐘基準(zhǔn)電路、外部存儲電路、工作電源電路、仿真數(shù)據(jù)連接電路等組成。

功率驅(qū)動部分通過多個濾波電容對輸入的工頻交流電進(jìn)行濾波，系統(tǒng)在上電的瞬間，針對濾波電容可能受到的較大啟動沖擊電流問題，設(shè)計(jì)了通過繼電器控制的系統(tǒng)限流啟動電路。如圖10所示，當(dāng)濾波電容充電電壓達(dá)到預(yù)設(shè)值時，開關(guān)信號使三極管導(dǎo)通，繼電器回路接地，從而吸合開關(guān)，短路限流電阻。整流濾波后的220V直流電輸入高度集成了過壓、過流保護(hù)等功能PS21255-E中，輸出三相正弦交流電驅(qū)動PMSM運(yùn)行。

系統(tǒng)信號調(diào)理電路包括系統(tǒng)功率電路上直流母線電壓、電流檢測比較電路，輸入PMSM的U、V兩相電流檢測調(diào)理電路以及系統(tǒng)硬件保護(hù)電路。針對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障，設(shè)計(jì)了硬件保護(hù)電路，通過對單向數(shù)據(jù)傳輸芯片的封鎖或開通，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

圖10 系統(tǒng)啟動限流電路

輔助電源用于保證系統(tǒng)運(yùn)行，需要1路模擬+5V電壓，1路數(shù)字+5V電壓，4路+15V電壓用于IPM驅(qū)動電路供電，2路±15V電壓為運(yùn)算放大器等器件供電。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PMSM變頻調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如圖11所示。

圖11 主程序流程圖

3.3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)PMSM變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果以及軟、硬件設(shè)計(jì)，研制出基于DSP的PMSM變頻調(diào)速系統(tǒng)樣機(jī)，并進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)樣機(jī)如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)平臺樣機(jī)

系統(tǒng)PMSM型號為110ST-M04030LFB，電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 110ST-M04030LFB電機(jī)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)過程中，給出了永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速從靜止啟動突變至3000r/min穩(wěn)定運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速波形，如圖13所示；圖14是電機(jī)轉(zhuǎn)速升至3000r/min穩(wěn)定運(yùn)行后，電機(jī)定子U、V兩相電流波形。從初步實(shí)驗(yàn)得到的速度響應(yīng)波形和U、V兩相電流波形可以看出，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)量小，電機(jī)運(yùn)行較平穩(wěn)。該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的性能還需要更多的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。

圖13 靜止至3000r/min穩(wěn)定運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速波形

圖14 轉(zhuǎn)速為3000r/min時U、V相電流波形

4 結(jié)束語

本文針對實(shí)驗(yàn)室伺服變頻系統(tǒng)數(shù)字化、集成化、智能化等實(shí)際需求，通過對PMSM變頻系統(tǒng)的研究，采用SVPWM調(diào)制技術(shù)，研究設(shè)計(jì)出基于DSP為控制核心的永磁同步電機(jī)變頻系統(tǒng)樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室通電實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：整套系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)迅速，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。

[1]王成元,夏加寬,孫宜標(biāo).現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[2]劉美俠,孫延永.永磁同步電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)的仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2012,29(8)：401-404.

[3]季偉,林衛(wèi)星,黃偉鋒.基于DSP產(chǎn)生的SPWM波的諧波估計(jì)與分析[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2013,49(9)：211-217.

[4]黃少瑞,郝潤科,朱軍,高源炯.基于DSP的異步電機(jī)SVPWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)[J].電氣自動化,2010,32(5)：19-22.

[5]陳粟宋.基于DSP和SVPWM控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化.2011,33(9)：19-21.

[6]A.Piippo,M.Hinkkanen,J.Luomi,Analysis of an adaptive observer for sensorless control of interior permanent magnet synchronous motors[J].IEEE Transaction on Industry Electronic,2008,55(2)：570-576.

[7]宋文勝,馮曉云.一種單相三電平SVPWM調(diào)制與載波SPWM內(nèi)在聯(lián)系[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào).2012,27(6)：131-138.

[8]Gheorghe Daniel Andreescu,Cristian Ilie Pitic.Combined flux observer with signal injection enhancement for wide speed range sensorless direct torque control of PMSM drives[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2008,23：393-402.

[9]林偉杰.永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)控制策略的研究[D].杭州,浙江大學(xué),2005：66-89.

[10]姚緒梁.現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)[M].黑龍江：哈爾濱工程大學(xué)出版社,2009.

[11]Chan,T.F.,Wang,W.,Borsje,P.,Wong,Y.K.,Sensorless Permanent-magnet Synchronous Motor Drive Using a Reduced-order Rotor Flux Observer[J].IET Electric Power Applications,2008,2(5)：88-98.