1、伺服控制SERVO TECHN IQUE 基于D SP及IP M的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)收稿日期:2004-07-29肖禮飛,鄭黎明(廣東汕頭大學(xué)能源研究所,汕頭,515063摘要:在分析永磁同步電機(P M S M直接轉(zhuǎn)矩控制理論的基礎(chǔ)上,介紹了一種基于D SP及智能功率?？?IP M的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)實現(xiàn)方案,詳述了該方案的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計。系統(tǒng)采用TM S320L F2407構(gòu)成核心控制電路,以智能功率模塊P M30CSJ060構(gòu)成逆變主電路。實驗運行表明,方案合理,結(jié)構(gòu)通用緊湊。關(guān)鍵詞:永磁同步電機;D SP;智能功率模塊;直接轉(zhuǎn)矩控制中圖分類號:TM351文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編

2、號:1001-6848(200503-0061-04D irect Torque Con trol Syste m of P M S M Ba sed on D SP and IP MX I AO L i-fei,ZH EN G L i-m ing(Guangdong Shan tou U n iversity,Shan tou515063,Ch inaAbstract:T h is paper analyzed the D irect To rque Con tro l(D TCtheo ry of P M S M.A D TC system of P M S M based on D SP

3、 and in tellectual pow er modu le(IP Mis p ropo sed,the hardw are structu re of the system of the system and the softw are design m ethod are in troduced in detail.the key con tro l part of system is con sisted of T I D SP TM S320L F2407,and m ain pow er part is m ade up of IP M P M30CSJ060.Experi m

4、 en t indicates that schem e is rati onal and the system atic structu re is un iversal and compact.Key words:P M S M;D SP;IP M;D TC;0引言直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)成為繼矢量控制技術(shù)之后又一種交流電機高性能控制技術(shù)。直接轉(zhuǎn)矩控制理論以其新穎簡單的控制思想,簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),優(yōu)良的動、靜態(tài)性能得到了關(guān)注和迅速發(fā)展。近年來,一些學(xué)者致力于該控制方式在同步電機上的拓展。初步實現(xiàn)了永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制1。這些工作使直接轉(zhuǎn)矩控制理論得到的進(jìn)一步完善。隨著微電子技術(shù)和功率電子技術(shù)

5、的飛速發(fā)展,交流伺服系統(tǒng)中采用數(shù)字信號處理器2(D SP及智能功模塊3(IPM等新穎器件,使控制系統(tǒng)向數(shù)字化、智能化、小型化方向發(fā)展。文中給出了一種基于D SP及智能功率模塊(IPM的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)實現(xiàn)方案。實驗表明,該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊,電路原理可靠,具有優(yōu)良的動、靜態(tài)調(diào)速性能。1PM S M直接轉(zhuǎn)矩控制理論永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)借鑒于異步電機D TC的控制思想1,但又有自身的理論基礎(chǔ)和實現(xiàn)方法。由永磁同步電機數(shù)學(xué)模型中的轉(zhuǎn)矩方程式可知,當(dāng)定子磁鏈保持恒定時,電機的轉(zhuǎn)矩因為轉(zhuǎn)矩角的變化而變化,由于電機機械時間常數(shù)大于電磁時間常數(shù),亦即定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度比轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度容易改變

6、,因而轉(zhuǎn)矩角的改變可通過改變定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度和方向得以實現(xiàn)。因此,永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制理論基礎(chǔ)為:保持定子磁鏈幅值不變的情況下,控制定、轉(zhuǎn)子磁鏈之間夾角即可控制電機轉(zhuǎn)矩,快速改變轉(zhuǎn)矩角可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。圖1所示為永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理框圖。整個系統(tǒng)由磁閉環(huán)和轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)兩個控制環(huán)組成。其工作原理為:控制系統(tǒng)根據(jù)電機三相電流和電壓值,利用磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型分別實時計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩及定子磁鏈所在扇區(qū),而后將給定轉(zhuǎn)矩(由速度誤差經(jīng)P I整定調(diào)節(jié)輸出和給定磁鏈分別與它們實時計算值進(jìn)行滯環(huán)比較,根據(jù)比較狀態(tài)選擇逆變器的開關(guān)矢量,使電機能按控制要求調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩,最終達(dá)到調(diào)速目的

7、。16 圖1永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理框圖2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)PM S M 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)由基于D SP 的運算控制單元、基于三菱IPM 的主回路功率變換單元和基于H all 效應(yīng)傳感器和光電碼盤的反饋信號檢測單元組成 。圖2系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)2.1D SP (TM S 320L F 2407運算控制單元2該芯片作為D SP 控制器24X 系統(tǒng)的新成員,是電機數(shù)字化控制的升級產(chǎn)品。該款D SP 芯片還集成了許多模塊化外設(shè):1片內(nèi)有高達(dá)32kB 的FLA SH 程序儲器,高達(dá)1.5kB 的數(shù)據(jù) 程序RAM ,544字雙口RAM (DA RAM 和2kB 的單口RAM (SA

8、 RAM 2兩個事件管理器EVA 和EVB 模塊,它們均包括兩個16位通用定時器、8個16位的脈寬調(diào)制(PWM 通道,支持三相反相控制器;PWM 的對稱和非對稱波形;當(dāng)外部引腳PD P I N T x 出現(xiàn)低電平時快速關(guān)閉PWM 通道;可編程的PWM 死區(qū)控制以防止上下橋臂同時觸發(fā)脈沖;三個捕獲單元;片內(nèi)光電編碼器接口電路;16通道A D 轉(zhuǎn)換器。該模塊在本系統(tǒng)中提任著重要的控制角色。3片內(nèi)集成的串行通訊接口(SC I 及串行外設(shè)接口(SP I 可用于與上位機、外設(shè)及多處理器之間的通訊。2.2IPM (PM 30CSJ 060功率變換單元3智能功率模塊IPM (In telligen t Po

9、w er M odu les 與普通的IGB T 模塊相比,是一種將功率開關(guān)器件及其驅(qū)動電路、保護(hù)電路、測控電路、甚至與微機的接口電路集成在同一封裝內(nèi)的集成模塊 。圖3變頻器主電路系統(tǒng)主電路采用交-直-交電壓源變頻變壓電路,如圖3所示?；谥苯愚D(zhuǎn)矩控制快速動態(tài)響應(yīng)的特點,本系統(tǒng)采用三菱公司的高速智能功率模塊3。PM 30CSJ 060屬于第三代高頻IPM 產(chǎn)品,額定電壓為600V ,額定電流30A ,適用功率為2.2k W 。該芯片采用絕緣基板工藝,內(nèi)部集成了6個IGB T 及優(yōu)化后的柵極驅(qū)動和故障監(jiān)測保護(hù)電路,諸如:過電流(O C 、短路(SC 、過熱(O H 和欠壓保護(hù)(U V 等。功率變

10、換單元值得注意的兩點:1系統(tǒng)要求IPM 的PWM 信號驅(qū)動通道和保護(hù)信號輸出通道必須采用高速光耦隔離,4路FAU L T 信號再通過或非門輸出到D SP 控制板的PD P I N T x 引腳,以確保當(dāng)存在任何一路FAU L T 輸出時能封鎖PWM 的輸出。(本系統(tǒng)選用HCPL 4504高速光耦,而保護(hù)信號選用PC 817高速光耦,或門采用CD 40782PM 30CSJ 060需要獨立隔離的+15V 電源驅(qū)動。本系統(tǒng)采用三菱公司的電源模塊M 57140-01,輸入+20V 直流穩(wěn)壓電源,即可得到4組隔離的+15V 電源,電路結(jié)構(gòu)簡單緊湊。2.3反饋信號檢測單元1系統(tǒng)速度實時檢測采用精度為10

11、24pp r 光電碼盤來檢測轉(zhuǎn)子位置,碼盤輸出的兩路正交脈沖信號直接連接到TM S 320L F 2407的正交編碼脈沖26輸入單元(Q EP,Q EP對脈沖前后沿計數(shù),進(jìn)行倍頻后,由定時計數(shù)器T3CN T對脈沖進(jìn)行計數(shù),并由M法計算得到當(dāng)前時刻的轉(zhuǎn)子角速度。2由于系統(tǒng)D TC算法需要準(zhǔn)確的初始轉(zhuǎn)子位置信息,所以系統(tǒng)需要絕對式碼盤信號進(jìn)行定位。所幸的是本系統(tǒng)永磁同步電機內(nèi)部集成了光電碼盤并帶有U VW絕對信號輸出,提供了轉(zhuǎn)子初始位置定位信號。以便提供給算法中需要的定子初始磁鏈的計算。3系統(tǒng)中永磁同步電機采用星形無中線接法,只需要采用霍爾電流互感器來測量主電路的兩相電流,通過匹配轉(zhuǎn)換(放大濾波限

12、幅等電路產(chǎn)生在0V-5V之間的兩個電壓信號送入ADC。所以系統(tǒng)采用兩路電流傳感器檢測相電流,并采用一路電壓傳感器檢測直流母線電壓。3系統(tǒng)軟件實現(xiàn)PM S M直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)軟件由D SP的主程序及D SP伺服中斷控制程序兩部分組成。伺服中斷控制程序由4個部分組成:PWM中斷服務(wù)子程序;光電編碼器零脈沖捕獲中斷程序;功率驅(qū)動保護(hù)中斷程序;通訊中斷程序。在主程序中完成D SP系統(tǒng)以及外設(shè)部件的初始化、I O控制信號管理、節(jié)電模式管理、故障檢測及處理等。在PWM定時中斷程序中實現(xiàn)電流環(huán)采樣及控制、磁鏈及轉(zhuǎn)矩估算、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較、磁鏈滯環(huán)比較、開關(guān)電壓矢量計算及選擇、PWM信號生成;通訊中斷程序主要實現(xiàn)

13、接收并刷新伺服控制參數(shù)、設(shè)置伺服運行模式;光電編碼器零脈沖捕獲中斷程序?qū)崿F(xiàn)對編碼器反饋零脈沖精確地捕獲,得到交流永磁同步電機初始位置角及實時速度計算值。功率驅(qū)動保護(hù)中斷程序則檢測智能功率模塊的故障輸出,當(dāng)出現(xiàn)故障時,D SP的PWM通道將封鎖,強制輸出變成高阻態(tài)。3.1D TC算法的軟件實現(xiàn)D TC控制算法主要有以下幾個部分:定子相電壓、相電流的坐標(biāo)變換,磁鏈觀測,滯環(huán)控制,定子磁鏈分區(qū)的實現(xiàn)和電壓矢量的選擇。這些部分的實現(xiàn)由PWM中斷服務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)(圖4。實現(xiàn)控制IPM開關(guān)的PWM信號以空間電壓矢量作為輸入,以直流母線電壓為參數(shù),來給出3組互補的PWM信號輸出。假設(shè)定子磁鏈按逆時針方向旋轉(zhuǎn),

14、圖5給出了為8個基本電壓空間矢量及定子磁鏈區(qū)間分配。圖6 給出了定子磁鏈區(qū)間判斷流圖4P WM中斷服務(wù)子程序程程序框圖。其中D、Q表示定子磁鏈變換到靜止坐標(biāo)中的分量值 。圖5 基本電壓矢量及定子磁鏈分區(qū)圖圖6定子磁鏈區(qū)間判斷程序框圖系統(tǒng)通過采樣計算值和給定值比較,判斷定子磁鏈幅值的變化情況。輸出“1”表示需要增加定子磁鏈幅值,輸出“0”時則表示需要減小定子磁鏈。轉(zhuǎn)矩控制的工作原理也是如此。根據(jù)磁鏈比較狀態(tài)、轉(zhuǎn)矩比較狀態(tài)和定子磁鏈所在區(qū)間從表2中選擇基本電壓矢量。永磁同步電機零矢量對轉(zhuǎn)矩的貢獻(xiàn)不大1,本系統(tǒng)不采用零電壓矢量。系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速P I調(diào)節(jié)器的輸入量為給定轉(zhuǎn)速與采樣轉(zhuǎn)速的偏差信號,輸出量為轉(zhuǎn)

15、矩給定值。由于直接轉(zhuǎn)矩控制算法中負(fù)載角需要有限制,而這種限制可以通過對給定轉(zhuǎn)矩限制實36現(xiàn),所以P I調(diào)節(jié)器得到的給定轉(zhuǎn)矩信號需要限幅。如果轉(zhuǎn)速偏差信號保持時間過長,由于P I調(diào)節(jié)中積分的作用,將會引起積分器的過飽和,使系統(tǒng)出現(xiàn)大的超調(diào)和震蕩,采用分段離散P I的方法克服以上問題。在偏差進(jìn)入比較小的范圍內(nèi),再引入積分項。其表達(dá)式如下:表1電壓空間矢量表磁鏈比較狀態(tài)轉(zhuǎn)矩比較狀態(tài)磁鏈所在扇區(qū)12345611V2V3V4V5V6V101V3V4V5V6V1V200V5V6V1V2V3V410V6V1V2V3V4V5 3.2轉(zhuǎn)速P I調(diào)節(jié)器軟件設(shè)計u(k=K P e(k e(n e m axu(k=K

16、 Pe(k-e(k-1+K i e(k+u(k-1e(n < e m ax 其中,e(k為給定轉(zhuǎn)速與k次采樣轉(zhuǎn)速計算值的偏差。e m ax為引入積分項的給定偏差臨界值。文獻(xiàn)2給出了基于D SP的P I離散實現(xiàn)算法;程序的入口參數(shù)為:速度參考值V ref,速度采樣測量值V fbk;程序出口參數(shù)為:t=K T時的控制量u(k作為給定轉(zhuǎn)矩送給下一級轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較。4實驗及結(jié)論系統(tǒng)實驗中三相永磁同步電機參數(shù)為:額定功率:0.6-2k W;頻率:10H z-50H z;額定電壓:76V-380V;額定電流:6.2A文中永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)選用智能功率模塊IPM和D SP控制器,充分利用D S

17、P高速運算能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)資源,結(jié)合IPM簡單緊湊的逆變主電路,保證了伺服控制的實時性,有效的簡化了硬件設(shè)計,提高了系統(tǒng)的可靠性,使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡潔緊湊。實驗表明,該系統(tǒng)運行可靠,控制平穩(wěn),將用于我們實驗室風(fēng)輪模擬實驗。參考文獻(xiàn)1田淳,胡育文.永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)理論及控制方案的研究J.電工技術(shù)學(xué)報,2002,17(1:7-112劉和平等編著.TM S320L F240X D SP結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用M.北京航空航天大學(xué)出版社,20023M IT SUB ISH I SE M I CONDU CTOR S POW ERM ODUL ES M O S ,U sing I N T ELL I

18、GEN TPOW ER M ODUL ES4徐艷平.基于D SP的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的研究D.西安理工大學(xué),20025李葉松等.交流永磁同步電機全數(shù)字伺服控制器設(shè)計J.微電機,2003,36(6:25-276張興華.基于D SP和IP M的感應(yīng)電機直接矢量控制系統(tǒng)J.電力電子技術(shù),2003,37(5:44-46作者簡介:肖禮飛(1980-,男,廣東汕頭大學(xué)機電系碩士研究生,研究方向為機電控制。(上接第83頁圖3位置傳感器信號加更多功能,以增強I O易用性和安全接入,dsP I C必將在高性能數(shù)字信號控制器市場占據(jù)重要一席之地。隨著多種dsP I C產(chǎn)品系列的不斷迅速開發(fā),以及愈加完善的開發(fā)工具、應(yīng)用系統(tǒng)庫,現(xiàn)場應(yīng)用工程技術(shù)和綜合技術(shù)等,dsP I C一定會得到廣大用戶的青睞。參考文獻(xiàn)1dsP