基于Stm32中小功率永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)研制

楊俊翔，蔣林，李坤，劉梁鴻

（ 西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500 ）

基于Stm32中小功率永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)研制

楊俊翔，蔣林，李坤，劉梁鴻

（ 西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500 ）

針對目前中小功率永磁同步電機控制器存在通用性不強，性價比不理想及控制精度欠缺的不足，提出一種基于Stm32的永磁同步電機矢量變頻控制器，應(yīng)用于中小功率永磁同步電機?？刂破鞑捎昧舜艌龆ㄏ蛩惴?，分析了異步電機與同步電機的控制數(shù)字系統(tǒng)控制環(huán)路上的異同，實現(xiàn)了一套代碼能同時適用兩種電機的控制，并能在有無傳感器方式下運行。適合用戶不同的應(yīng)用場合與需求，高性價比的Stm32微處理器使系統(tǒng)精度提高且成本得以下降，符合技術(shù)先進性與經(jīng)濟實用性要求。通過理論分析與實驗驗證，證明了該策略的可行性。

永磁同步電機；矢量控制；無速度傳感器；恒壓頻比調(diào)速

0 引言

隨著交流電機在電力拖動領(lǐng)域使用的日益廣泛，對交流電機控制器適用性的要求也不斷提高。傳統(tǒng)的電機控制器需要對電機進行區(qū)分，永磁同步電機和異步電機存在控制策略上的差別，與之配合使用的轉(zhuǎn)速反饋傳感器增加了系統(tǒng)成本的維護困難，控制器通用性難以得到提高。為解決上述問題，提出一種以Stm32為控制核心，以IRF-N型MOS管和IR系列電橋驅(qū)動器、編碼器接口、串行通信口、電流傳感器搭建的通用交流電機控制器，該控制器核心策略能驅(qū)動永磁同步電機與異步感應(yīng)電機，支持電機在有傳感器和無傳感器模式下運行。無傳感器方式通過估算電機反電勢，設(shè)計采用滑模完成實時轉(zhuǎn)速的計算。永磁同步電機電壓型逆變策略SVPWM的輸出為恒磁鏈追蹤控制，逆變器輸出磁鏈矢量為參考圓，該方法同樣能驅(qū)動交流異步電機，通過程序?qū)崿F(xiàn)按需調(diào)用，可在對永磁同步電機控制的基礎(chǔ)上增加對異步電機進行恒磁鏈控制的功能。

1 調(diào)速理論

根據(jù)電機理論，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)差異致其二者對應(yīng)的電樞反應(yīng)不同，造成了控制方式上的不一致，使交流電機在種類上區(qū)分為同步與異步，本質(zhì)都是通過改變電源的供電頻率、相位和幅值達到對電機的控制目的。

式中 n—電機同步轉(zhuǎn)速

f—為供電頻率

p—電機極對數(shù)

式中 φf—永磁體磁鏈

Ld—直軸電感

Lq—交軸電感

2 軟件設(shè)計

通過對交流電機調(diào)速理論及其數(shù)字化實現(xiàn)進行分析和研究，對電機控制程序采用軟件查詢機制進行控制。

2.1 系統(tǒng)及模塊初始化

程序主循環(huán)前，需對系統(tǒng)進行初始化，配置合理的運行方式。包括系統(tǒng)時鐘、AD采樣方式及時間、TIM高級定時器與通用定時器的配置。AD中斷與電機控制環(huán)路執(zhí)行同頻率，高級TIM進行SVPWM三相脈沖的產(chǎn)生，CH4用以觸發(fā)AD電流采樣。相關(guān)流程見圖2。

圖1 硬件電路組成

圖2 程序流程

2.2 按鍵及串口消息解析

通過讀取I0口或串口接收到的數(shù)據(jù)。確定控制器驅(qū)動何種電機，保存相關(guān)標志位，在算法運行時通過查詢標志位完成整機算法。

2.3 坐標變換及環(huán)路調(diào)節(jié)器

對永磁同步電機控制采用Id=0的無傳感器驅(qū)動方式，在AD模塊EOC中執(zhí)行FOC控制環(huán)。AD采樣值通過Clark變換和Park變換得到同步坐標系下的直流DQ軸分量，通過查詢轉(zhuǎn)速指令，給定轉(zhuǎn)速環(huán)輸入。同樣，查詢直流D軸分量，給定磁鏈環(huán)輸入。通過離散化的PI環(huán)路調(diào)節(jié)器，最終轉(zhuǎn)換成控制參考信號，作為SVPWM的給定。

2.4 SVPWM電壓空間矢量

電壓空間矢量模塊包括扇區(qū)N，切換時間X、Y、Z及t1、t2的計算，計算完成時間更新高級定時器CH1-CH3比較寄存器值。

3 硬件設(shè)計

以Stm32單片機最小系統(tǒng)構(gòu)成控制算法執(zhí)行環(huán)節(jié)，通用輸入輸出接口完成控制信號與反饋信號的交互。

3.1 控制及驅(qū)動單元

單片機執(zhí)行控制算法，計算實時輸出控制量，由高級定時器TIM1輸出包含控制信息的互補脈沖方波。通過IR電橋驅(qū)動器增強脈沖驅(qū)動能力，完成電壓等級轉(zhuǎn)換，驅(qū)動功率MOS管。

3.2 電流采樣

電流硬件電路支持隔離型電流傳感器和低成本的采樣電阻。本硬件采用三電阻采樣，采樣后的電流輸入由運算放大器構(gòu)成的信號調(diào)理電路，調(diào)理電路由同相放大器，跟隨器及低通濾波構(gòu)成。整形后由單片機AD進行采集，以Q12格式定標成以2048為中點的數(shù)字量。

3.3 串行通信口及按鍵接口

串行接口用以接收上位機發(fā)送的控制指令和向外發(fā)送系統(tǒng)實時信息，按鍵接口提供用戶控制策略模型的切換及轉(zhuǎn)速增減操作。

3.4 霍爾接口

霍爾接口用以輸入6步霍爾脈沖，連接單片機內(nèi)部定時器XOR霍爾接口，反饋轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速與空間位置。

4 調(diào)試分析

控制器分別以永磁同步電機與異步電機進行試驗，永磁同步電機采用Id=0，傳感器與滑模轉(zhuǎn)速觀測器并聯(lián)運行。

感應(yīng)電機的參數(shù)為：額定功率PN=60 W，額定電壓UN=220 V，頻率fN=50 Hz，額定轉(zhuǎn)速nN=1 425 r/min。

永磁同步電機參數(shù)為：UN=24 V，額定功率PN=200 W，定子電阻Rs=0.985 Ω， D軸電感Ld=Q軸電感Lq=2.56 mH，永磁磁鏈φf=0.051 Wb。

設(shè)置控制器為異步電機驅(qū)動模式，三相逆變電路輸出經(jīng)過一階低通濾波，得到三相對稱正弦波，作為逆變器輸出的基波分量。頻率可通過控制SVPWM的調(diào)制波更新時間,即馬鞍波更新速率控制，電壓由調(diào)制深度控制，見圖3～圖5。

圖3 控制器三相輸出基波分量

圖4 SVPWM兩相調(diào)制波波形

圖5 AB相電壓波形

永磁同步電機實驗，電機空載啟動，參考轉(zhuǎn)速給定為n=1 420 r/min，轉(zhuǎn)速指令經(jīng)過轉(zhuǎn)速環(huán)濾波器，穩(wěn)定將電機轉(zhuǎn)速斜坡提升。在到達給定轉(zhuǎn)速后，給定n=-1 420 r/min，電機反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下降至二次給定轉(zhuǎn)速，見圖6。

圖6 實際轉(zhuǎn)速與估計轉(zhuǎn)速

滑模電流觀測器的強魯棒性，在中高速時，估算值都能很好的跟蹤實際值，反應(yīng)了轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置角辨識的準確性，見圖7。

圖7 alpha相電流觀測值與轉(zhuǎn)子磁鏈估算位置角

5 結(jié)語

本文提出一種附帶異步電機驅(qū)動功能的永磁同步電機矢量控制器，通過控制環(huán)程序的執(zhí)行與關(guān)鍵標志位的查詢，實現(xiàn)了雙電機驅(qū)動的功能。其中永磁同步電機由勵磁轉(zhuǎn)矩解耦的矢量變頻算法控制，系統(tǒng)的動態(tài)性能與控制精度達到了很大的提高。利用FOC環(huán)路中的SVPWM模塊，合理附加異步電機驅(qū)動功能，節(jié)約程序代碼且增強了通用性。在中小功率交流拖動場合，風機、泵類、壓縮機等負載通常由異步電機或永磁同步電機構(gòu)成，設(shè)計具有經(jīng)濟實用性與通用性。

[1]高嵩,史激特,李長紅,等.基于DSP的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)設(shè)計[J].測控技術(shù),2016,35(4):75-78.

[2]趙裕光.基于STM32的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].桂林理工大學(xué),2016.

[3]張慧穎,李化慶,陳偉.基于STM32無刷直流電機無傳感控制系統(tǒng)設(shè)計[J].吉林化工學(xué)院.2016.33(7):44-49.

[4]姜紅,郎孝宇,楊明,等.基于自適應(yīng)全階觀測器的永磁同步電機參數(shù)辨識策略[J].微電機,2016,49(11):37-44.

[5]邵珠榮.基于擴展卡爾曼濾波的永磁同步電機自適應(yīng)轉(zhuǎn)速控制研究[D].大連海事大學(xué),2016.

[6]兗濤,劉軍,楊明亮,等.基于高頻注入法永磁同步電機控制研究[J].電氣自動化,2015,37(3):7-9.

[7]張全,竺韻德,陳阿三,等.基于滑模觀測器的永磁同步電機無傳感器矢量控制[J].計量與測試技術(shù),2016,43(8):45-48.

[8]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng):運動控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

[9]周鶚.電機學(xué)第三版[M].北京:水利電力出版社,1995.

[10]李能.永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的建模與仿真研究[J].機械工程師,2017(2):46-48.

Realization for Small and Medium Power PMSM Vector System Basing on Stm32 Micro Controller

YangJunxiang, Jiang Lin, Li Kun, LiuLianghong
(
School of Electrical Engineering and Information, Southwest Petroleum University,Chengdu 610500, Sichuan )

In order to solve the problemsof low versatile, non-ideal in cost-effectand low control accuracy in present PMSM controller, a new frequency conversion controller basing on Stm32 is put into apply. The controller adopts the magnetic field orientation algorithm, analyzes the similarities and differences between the control loop of the control system of asynchronous motor and synchronous motor, realizes a set of codes that can be applied to two kinds of motors at the same time, and can operate in both sensor and sensorlessmode. It is suitable for different applications and needs of users. The Stm32 micro controller with high performance price ratio improves the system accuracy and costs, which meets the requirements of technology advancement and economic practicality. The feasibility of the strategy is proved by theoretical analysis and experimental verification.

PMSM; Vector control; Sensorless control; VVVF

TN876-34；TP33

A

1674-2796（2017）06-0010-04

2017-06-18

楊俊翔（1992—），男，碩士研究生，主要從事觀測器，電力電子及電氣傳動控制方向的研究。