基于STM32的大扭矩永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

0引言

大扭矩永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)由于去掉了復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而消除了機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來的效率低、維護(hù)頻繁、噪聲與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大等不利因素，具有效率高、振動(dòng)與噪聲小、精度高、響應(yīng)快、使用維修方便等一系列突出優(yōu)點(diǎn)［1］。近年來，隨著電力電子技術(shù)、永磁材料、電機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、傳感技術(shù)、控制理論等的發(fā)展，大扭矩永磁同步電機(jī)在數(shù)控機(jī)床、礦山機(jī)械、港口機(jī)械等高性能系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用［2－3］。交流電機(jī)控制系統(tǒng)廣泛采用單片機(jī)、DSP、FPGA為控制系統(tǒng)核心。STM32是一種基于ARM公司Cortex-M3內(nèi)核的新型32位閃存微控制器，采用了高性能、高代碼密度的Thumb-2指令集和緊耦合嵌套向量中斷控制器，擁有豐富的外圍接口，具有高性能、低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)［4］。本文針對一種港口機(jī)械用大扭矩永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用STM32+IPM硬件構(gòu)架設(shè)計(jì)了高性能、低成本的控制系統(tǒng)。1大扭矩永磁同步電機(jī)矢量控制原理忽略電機(jī)的鐵心飽和、渦流及磁滯損耗，不計(jì)漏磁通的影響，大扭矩永磁同步電機(jī)的電壓、磁鏈、轉(zhuǎn)矩方程分別為式中，

ψd、ψq、ud、uq、id、iq、Ld、Lq分別為永磁同步電機(jī)d、q軸的磁鏈、電壓、電流和電感，Rs為電樞繞組電阻，ωr為轉(zhuǎn)子角速度，ψf為永磁體產(chǎn)生的與轉(zhuǎn)子交鏈的磁鏈，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，Pn為電機(jī)磁極對數(shù)。

由式(3)，控制id=0使定子電流矢量位于q軸，此時(shí)轉(zhuǎn)矩Te和iq呈線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制。如圖1所示，本文的永磁同步電機(jī)采用速度、電流雙閉環(huán)控制，圖中ω*為給定速度指令，ω為速度反饋，將速度誤差輸入速度控制器，輸出交軸電流指令i*q，通過電流PI控制器和坐標(biāo)變換，再利用SVPWM產(chǎn)生IPM開關(guān)信號。

圖1大扭矩永磁同步電機(jī)控制原理框圖2系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖2所示為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，本文采用STM32F103VCH6主控芯片、PM800HSA120智能功率模塊為系統(tǒng)核心，硬件控制系統(tǒng)主要有:處理器模塊;檢測模塊，主要包括霍爾電流檢測、旋轉(zhuǎn)變壓器接口電路;主電路，主要由整流、軟啟動(dòng)、濾波、制動(dòng)電路，以及PM800HSA120及其驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、吸收電路組成;開關(guān)電源及其他模塊，主要由多路DC/DC轉(zhuǎn)換、直流母線電壓保護(hù)、溫度檢測保護(hù)等電路組成。

圖2大扭矩永磁同步電機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1.1處理器模塊STM32F103VCH6是基于ARM公司Cortex-M3內(nèi)核的新型32位閃存微控制器，擁有三級流水線和分支預(yù)測功能，最高工作頻率為72MHz，可以滿足本系統(tǒng)處理速度和實(shí)時(shí)性的需求，有兩個(gè)高性能的12位的16通道A/D轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)16位專為電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的內(nèi)嵌死區(qū)控制6-PWM定時(shí)器，片上還集成有SPI、USB2.0等豐富的外設(shè)和接口［5］。如圖2所示，本系統(tǒng)充分利用了STM32的片上資源，利用它來接收、處理電流、位置等反饋信號，接收、處理各種出錯(cuò)保護(hù)信號，執(zhí)行電機(jī)控制算法等。2.1.2檢測模塊檢測模塊主要包括電流檢測電路和位置檢測電路。其中電流檢測采用萊姆電流型霍爾傳感器

LT308-S7，其具有抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、線性度好、溫漂小等優(yōu)點(diǎn)。為了減小在電流較弱時(shí)的檢測誤差，本文設(shè)計(jì)了如圖3所示的增益可調(diào)的電流檢測電路，傳感器輸出的電流信號經(jīng)過精密電阻采樣后轉(zhuǎn)換為電壓信號Vi，經(jīng)過電壓跟隨電路、三級放大電路和肖特基二極管鉗位電路，輸出電壓Vo(Vo=3nVi/20+1.5，n為放大倍數(shù))到STM32的A/D模塊進(jìn)行處理。其中開關(guān)芯片DG403由STM32控制，用于調(diào)整電流檢測電路增益，小電流選擇大增益，大電流反之。由于大扭矩電機(jī)額定電流可達(dá)232A，若檢測電路增益不可調(diào)，則當(dāng)電流較弱時(shí)檢測電路的放大增益相對較小，電流的檢測精度會降低，而采用增益可調(diào)的檢測電路可以在電流較弱時(shí)提高增益，從而減小檢測誤差，提高電流檢測的分辨率。表1為DG403控制信號與電流檢測電路增益放大倍數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。

表1DG403控制信號與增益放大倍數(shù)對應(yīng)表

考慮港口機(jī)械存在較強(qiáng)振動(dòng)和沖擊［6］，本文利用旋轉(zhuǎn)變壓器YS210XFDW9574A進(jìn)行位置檢測。其解碼電路如圖4所示，采用AD2S99芯片為旋轉(zhuǎn)變壓器提供激勵(lì)信號，AD2S90芯片作為旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)。AD2S90以同步串行方式(SPI)與控制芯片STM32之間進(jìn)行通訊，AD2S99的勵(lì)磁信號源的頻率可以通過SEL1、SEL2、FBIAS引腳進(jìn)行設(shè)置，此處激磁頻率設(shè)為10