基于-矢量控制永磁同步電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

1、-. z基于矢量控制的永磁同步電機(jī)控制器設(shè)計(jì)完成人：王 謙林泉科技2021年5月基于矢量控制的永磁同步電機(jī)控制器設(shè)計(jì)王 謙林泉科技摘要：工程為我公司開發(fā)的20KW永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)控制器，應(yīng)用先進(jìn)的TI公司TMS320F2812芯片和三菱公司智能功率模塊IPM，采用強(qiáng)弱電隔離技術(shù)構(gòu)建了控制器硬件構(gòu)造?？刂撇呗圆捎檬噶拷怦羁刂平Y(jié)合PI控制算法，對永磁同步電機(jī)進(jìn)展實(shí)時(shí)磁場定向控制(FOC)，始終保持最大轉(zhuǎn)矩輸出?？刂破魍瑫r(shí)集成了溫度檢測，電壓檢測，電流檢測，缺相保護(hù)，過載保護(hù)和功率故障保護(hù)功能。產(chǎn)品具有體積小、重量輕，控制精度高，效率高，運(yùn)行平安可靠的特點(diǎn)。關(guān)鍵字：永磁同步PMSM 矢量解

2、耦 磁場定向控制FOC引言近年來基于永磁同步電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開場廣泛應(yīng)用于快速、準(zhǔn)確的工業(yè)驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域，并且功率越來越大。其具有動(dòng)態(tài)特性優(yōu)良，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和時(shí)間常數(shù)較小，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便等特點(diǎn)。針對市場需求，以20KW功率為標(biāo)點(diǎn)開發(fā)了大功率系列永磁同步電機(jī)控制器。工程采用了當(dāng)前較先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP、智能功率模塊(IPM)等器件，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的全數(shù)字化、智能化、小型化。為了實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的高性能要求，采用了先進(jìn)的空間矢量解耦控制算法，并結(jié)合改良型PI控制策略。硬件電路設(shè)計(jì)1.1控制器硬件構(gòu)造整個(gè)控制系統(tǒng)是由速度環(huán)和電流環(huán)組成的雙閉環(huán)構(gòu)造。主控制芯片采用TI公司的新一代低功耗、高速、高精度的

3、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)TMS320F2812芯片，該芯片是工業(yè)界首批32的控制專用、含閃存以及高達(dá)150MIPS的數(shù)字信號(hào)處理器，專門為工業(yè)自動(dòng)化、光學(xué)網(wǎng)絡(luò)和電機(jī)控制等應(yīng)用而設(shè)計(jì)，芯片核是當(dāng)今數(shù)字控制應(yīng)用方面性能最高的DSP核。系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器，并采用AD公司專門的RD轉(zhuǎn)換芯片AD2S1200作為解碼芯片。旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)際上是一種精細(xì)控制微電機(jī)，具有運(yùn)行可靠的特點(diǎn)。AD2S1200置了旋變的勵(lì)磁輸出，只需要經(jīng)過放大即可，它可將旋變的正余弦輸出轉(zhuǎn)換為可配置的10位16位數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換精度高達(dá)11分。功率模塊選用了三菱公司的第五代智能功率模塊(IPM)，它將IGBT以及外圍驅(qū)動(dòng)

4、和保護(hù)電路集成在一個(gè)模塊，縮小了產(chǎn)品體積，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。DSP生成的6路電機(jī)驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)經(jīng)過光耦隔離后，送至IPM驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的強(qiáng)弱電隔離。系統(tǒng)的外部設(shè)定輸入可以通過RS422接口或者模擬設(shè)定給出。系統(tǒng)同時(shí)集成了溫度檢測，電壓檢測，電流檢測，缺相保護(hù)，過載保護(hù)和功率故障保護(hù)功能，可以通過面板LED指示并通過串口RS422上傳給上位機(jī)。圖1 硬件原理構(gòu)造圖1.2 控制器電源系統(tǒng)控制器電路為數(shù)模混合、強(qiáng)弱電混合電路，為防止功率電干擾控制電路，母線電壓采樣與主控制電路通過線性光耦隔離，PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)與IPM功率保護(hù)等采用光耦隔離，RS422通信電路與主控制電路采用光耦隔離。外部僅為電

5、子控制器提供28V控制電源和+270V功率電源，其它電源均需由部DC/DC模塊轉(zhuǎn)換獲得。電源電路方案如圖4所示。圖2 控制器電源系統(tǒng)控制策略與實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)矢量控制原理轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制是永磁同步電機(jī)使用較為廣泛的一種控制方式。其根本原理是通過坐標(biāo)變換，在轉(zhuǎn)子磁場定向的同步坐標(biāo)軸系上對電機(jī)的磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)展解耦控制，使其具有和傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)一樣的運(yùn)行性能。即在轉(zhuǎn)子磁場定向的同步坐標(biāo)軸系上，將定子電流矢量分解為磁場電流Id和轉(zhuǎn)矩電流Iq，對其分別獨(dú)立地進(jìn)展控制。對永磁同步電機(jī)，在忽略鐵芯飽和、不計(jì)磁滯損耗、轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組、永磁材料的電導(dǎo)率為零以及相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢波形是正弦的條件下

6、，假設(shè)不考慮轉(zhuǎn)子磁場的凸極效應(yīng)，即dq軸的自感相等，取永磁體基波勵(lì)磁磁場軸線為d軸(直軸，而q軸(交軸)順著旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90電角度。dq軸系隨同轉(zhuǎn)子以電角速度(電角頻率)旋轉(zhuǎn)，它的空間坐標(biāo)以d軸與參考軸as軸(as軸為A相繞組軸線)間的電角度來確定。經(jīng)過坐標(biāo)變換后的dq坐標(biāo)系中，永磁同步電動(dòng)機(jī)的根本電流方程可表示為： (1)將d，q軸系下的兩相電壓轉(zhuǎn)換為定子A、B、C相上的三相電壓：(2)電機(jī)穩(wěn)態(tài)電壓方程可表示為： (3)永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：(4)由Ld=Lq=L，可簡化為：式中，ud，id，uq，iq分別為d，q軸電壓和電流；iA，iB，iC為三相電流； pn為永磁同步電機(jī)

7、的極對數(shù)；為永磁體基波勵(lì)磁磁場鏈過定子繞組的磁鏈；e0為空載電動(dòng)勢。由上式可見，經(jīng)過坐標(biāo)變換后，永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式獲得了和直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩一樣的表達(dá)式。所以通過檢測定制繞組電流和轉(zhuǎn)子位置角度，根據(jù)帕克變換原理，可以計(jì)算出實(shí)際的id和iq ，通過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)使實(shí)際值與給定值根本相等，即可實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的矢量控制。PI控制算法PI調(diào)節(jié)的控制規(guī)律為：(4)(4)式中，為比例系數(shù)；為積分常數(shù)。對(4)式離散化處理就可以得到數(shù)字PI調(diào)節(jié)的算法：(5)(5)式中，K為采樣序號(hào)，K=1，2，； 第K次采樣時(shí)刻的輸出值； 第K次采樣輸入的偏差值；積分系數(shù)； 開場進(jìn)展PI控制時(shí)的積分系數(shù)。對(5)式進(jìn)

8、一步變化，令第K次采樣時(shí)刻的輸出值增量為：(6)即 (7)在PI調(diào)節(jié)中，P參數(shù)增大，將使系統(tǒng)動(dòng)作靈敏，運(yùn)行速度加快。在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，增大P參數(shù)，有利于減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的精度，但是隨著P參數(shù)的增大，系統(tǒng)響應(yīng)過程中的振蕩次數(shù)會(huì)增多，調(diào)節(jié)時(shí)間會(huì)增長。值太大，系統(tǒng)將趨向不穩(wěn)定。而積分常數(shù)太小時(shí)，系統(tǒng)將趨向不穩(wěn)定，振蕩次數(shù)增多；而太大時(shí)，積分作用對系統(tǒng)性能的影響將減小，不利于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，難以獲得較高的控制精度。算法實(shí)現(xiàn)和程序流程在速度控制模式下，算法實(shí)現(xiàn)步驟如下：(1) 根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器解碼數(shù)據(jù)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速和當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置角。(2) 根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定和轉(zhuǎn)速反應(yīng)值進(jìn)展速度環(huán)PI計(jì)算，并將速度環(huán)計(jì)

9、算結(jié)果作為Iq 電流環(huán)的設(shè)定值。(3) 分別獲得電機(jī)三相電流，將三相相電流測量值Ia，Ib和Ic根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置角變換為變量Id和Iq。Id和Iq變量為變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的正交電流。在穩(wěn)態(tài)條件下，Id和Iq是常量。(4)比擬Id、Iq的實(shí)際值與給定值就得到各自的誤差信號(hào)。Id給定值用以控制轉(zhuǎn)子磁通。Iq給定值則用以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出。誤差信號(hào)作為PI 控制器的輸入。控制器的輸出為Vd 和Vq，也就是加到電機(jī)上的電壓矢量。(5)將變量Vd和Vq變換至靜止參考坐標(biāo)系,計(jì)算將產(chǎn)生正交電壓值V和V。V和V值經(jīng)過反變換得到三相電壓值Va、Vb和Vc。該三相電壓值用來計(jì)算新的PWM占空比以生成所期望的電壓

10、矢量。圖3 矢量控制實(shí)現(xiàn)構(gòu)造圖圖3 顯示了坐標(biāo)變換、 PI 迭代、 反變換以及PWM產(chǎn)生的整個(gè)過程控制系統(tǒng)程序是一個(gè)多時(shí)基定時(shí)的一步事件體系。除了對串口進(jìn)展掃描并判斷命令的主程序外，包括控制程序在的多個(gè)程序模塊都是以定時(shí)器中斷方式調(diào)用的?？紤]到PWM的發(fā)生、電流采集和位置檢測都是用中斷實(shí)現(xiàn)，為盡量防止多個(gè)事件在同意時(shí)刻對DSP發(fā)出中斷請求而造成競爭冒險(xiǎn)，控制周期與PWM載波周期之間沒有倍數(shù)關(guān)系。此系統(tǒng)中，采用100us作為控制周期，采用11.5KHz作為PWM的載波頻率，采用87us作為電流和轉(zhuǎn)子位置采集的周期。速度的計(jì)算則是每10個(gè)控制周期1ms計(jì)算一次。軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。圖4 程序流

11、程圖3 設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)問題3.1電磁兼容設(shè)計(jì)電磁兼容設(shè)計(jì)是指設(shè)備在一定的電磁環(huán)境中能夠正常的工作，并且不對該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力，設(shè)計(jì)的目的就是使設(shè)計(jì)的電子設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)期的電磁環(huán)境中實(shí)現(xiàn)電磁兼容。系統(tǒng)中主要做如下考慮：(1) 印制板布線先確定元器件在板上的位置，然后布置地線、電源線，再安排高速信號(hào)線，最后考慮低速信號(hào)線。元器件的位置應(yīng)按電源電壓、數(shù)字模擬電路、速度快慢、電流大小等進(jìn)展分組，以免相互干擾。同時(shí)將所有的電連接器安排在印制板的一側(cè)，盡量防止從兩側(cè)引出電纜，減小共模輻射。(2) 屏蔽設(shè)計(jì)屏蔽用來抑制電磁干擾沿空間的傳播，即是切斷輻射干擾的傳播途徑。整個(gè)控制器機(jī)殼

12、采用全密封設(shè)計(jì)，功率驅(qū)動(dòng)與控制板之間用屏蔽板隔離。所有外接信號(hào)線都采用頻率電纜，并將屏蔽層可靠接地。(3) 降低電磁輻射 一般綜合系統(tǒng)中，電機(jī)及驅(qū)動(dòng)都作為輻射源存在。適宜的開關(guān)頻率及PWM波形可以有效的降低電磁輻射的高頻成分。另外在驅(qū)動(dòng)電路局部增加適宜的吸收電路可以有效的降低電磁輻射能量。另外控制器部的功率電路走線會(huì)極大的影響控制器的輻射量級(jí)，這是因?yàn)镻WM斬波中的高頻成分會(huì)由于導(dǎo)線上的寄生電感產(chǎn)生能量較大的高頻輻射，所以布線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少導(dǎo)線寄生電感，建議用大面積平面導(dǎo)線傳導(dǎo)電流。構(gòu)造設(shè)計(jì)上盡量防止功率電路在控制器部形成回路，而應(yīng)保持直進(jìn)直出的電路構(gòu)造。3.2 熱設(shè)計(jì)熱設(shè)計(jì)對提高產(chǎn)品的可靠

13、性至關(guān)重要，良好的散熱直接關(guān)系到產(chǎn)品的運(yùn)行狀態(tài)和壽命。設(shè)計(jì)過程中，主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)展了熱設(shè)計(jì)考慮。(1) 功率器件的冷卻電機(jī)控制中的功率器件需要流過電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流，它的開關(guān)損耗和管壓降損耗會(huì)在功率器件本身產(chǎn)生較大的熱量，一般損耗都在總功率的5%左右。設(shè)計(jì)中我們選擇液冷對功率器件進(jìn)展冷板散熱，有效的降低控制器的體積要求，并有很好的冷卻效果，保持額定負(fù)載下冷板溫升不超過20度。(2) 電解電容散熱電機(jī)控制中鋁電解電容用于濾除控制中產(chǎn)生的高次諧波，該諧波具有頻率高、能量大的特點(diǎn)，會(huì)使電容有一定的溫升，而電容的工作溫度直接關(guān)系到電容的壽命和可靠性。本次設(shè)計(jì)中將電解電容用定制的夾板固定在控制箱體上，

14、并在電解電容底部與殼體接觸部位用導(dǎo)熱硅膠固定，一來增加控制器抗振動(dòng)能力，二來降低熱阻。另外有效濾除電解電容上的高頻分量會(huì)極大程度上降低電容的損耗，設(shè)計(jì)中還選用用高頻無感CBB電容并聯(lián)在電解電容接線端上和IPM接線端上。(3) 控制板電子元器件布局印制板上的器件盡可能按其發(fā)熱量大小及散熱程度分區(qū)排列，發(fā)熱量大或耐熱性差的器件散熱較好的部位，在水平方向上將充分利用控制器殼體進(jìn)展散熱，并在控制器外殼上增加散熱筋。3.3 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)環(huán)境適應(yīng)性包括上下溫設(shè)計(jì)、抗振動(dòng)能力、防水防塵、防雨淋、煙霧等。設(shè)計(jì)中在元器件選擇上充分考慮了產(chǎn)品的上下溫適應(yīng)能力?？拐駝?dòng)方面，首先在產(chǎn)品構(gòu)造上進(jìn)展考慮，其次在裝配上給

15、予考慮。產(chǎn)品生產(chǎn)中再進(jìn)展其它防護(hù)處理。特別要強(qiáng)調(diào)的是，由于控制器應(yīng)用環(huán)境振動(dòng)量級(jí)較大，控制器構(gòu)造采用框架式構(gòu)造，即采用一體化成型的鋁制框架作為控制器整體的支撐部件，其它器件與部件均安裝在框架上?？蚣馨惭b上采用抗振膠墊在增強(qiáng)產(chǎn)品的抗高頻振動(dòng)能力。結(jié)論基于矢量控制的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，利用了先進(jìn)的TMS320F2812芯片和智能功率驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的快速，準(zhǔn)確控制，并實(shí)現(xiàn)了可靠的保護(hù)功能和良好的用戶接口。產(chǎn)品具有體積小、重量輕、控制精度高、效率高、運(yùn)行平安可靠的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于航空航天，采礦冶金，交通工具，空調(diào)制冷等行業(yè)需要高精度驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域。在此產(chǎn)品開發(fā)的根底上，還可進(jìn)展小功率和更大功率的永磁電機(jī)控制器開發(fā)，正弦波矢量解耦控制方案非常實(shí)用于高性能伺服控制產(chǎn)品。我公司正在此根底上開發(fā)了小功率伺服控制產(chǎn)品，調(diào)速比到達(dá)1000：1，產(chǎn)品具有控制精度高，調(diào)節(jié)時(shí)間快特點(diǎn)，振動(dòng)噪聲小，電磁輻