永磁同步電動機(jī)反饋線性化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘要：永磁同步電機(jī)(PMSM)具有效率高，功率密度大等突出優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用，研究其高性能的驅(qū)動系統(tǒng)成為發(fā)展的必然趨勢。根據(jù)PMSM仿射非線性系統(tǒng)，結(jié)合微分幾何理論推導(dǎo)出當(dāng)轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈幅值線性解耦時的定子電壓方程。以TMS320F2812型DSP為核心，結(jié)合PMSM反饋線性化控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套功能完善、實(shí)時性好的PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)包括輔助電源電路、邏輯保護(hù)譯碼電路、采樣電路、驅(qū)動電路、光電編碼器信號檢測電路。編制了PMSM DTC反饋線性化算法軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：硬件系統(tǒng)工作可靠、控制響應(yīng)快。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；反饋線性化

1 引言
    目前對于PMSM所采用的高性能控制策略主要有兩種：磁場定向控制和DTC。DTC將逆變器和電機(jī)作為一個整體，采用電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈幅值雙滯環(huán)控制，利用最優(yōu)電壓矢量實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈幅值的同時控制，將不可避免地導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈控制的相互耦合，轉(zhuǎn)矩脈動較大，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為獲得高品質(zhì)的PMSM轉(zhuǎn)矩控制性能，有必要實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈控制的解耦。
    此處采用基于反饋線性化理論的PMSM DTC策略。實(shí)現(xiàn)中需準(zhǔn)確地采集定子繞組相電流、母線電壓，控制中還要實(shí)時地輸出電壓矢量，要求硬件系統(tǒng)實(shí)時性能好，穩(wěn)定性高，因此全數(shù)字控制成為該系統(tǒng)的首選控制手段。

2 PMSM-DTC反饋線性化控制策略
    根據(jù)PMSM仿射非線性系統(tǒng)，結(jié)合微分幾何理論推導(dǎo)出當(dāng)轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈幅值線性解耦時定子兩相靜止α，β坐標(biāo)系中控制電壓為：

    圖1為DTC-PMSM反饋線性化驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。由速度誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器給出，反饋線性化計(jì)算出給定電壓，送至空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)控制環(huán)節(jié)給出開關(guān)信號。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    以TMS320F2812為核心，結(jié)合多種外圍擴(kuò)展，構(gòu)成一套功能全面的永磁同步電動系統(tǒng)，其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)信號檢測主要包括通過電流傳感器得到的兩相電流ia，ib，母線電流，通過光電編碼器得到的速度n，和通過電壓傳感器得到的母線電壓Udc。將檢測到的Udc，ia，ib和轉(zhuǎn)速給定通過A／D采樣模塊再送入DSP中，結(jié)合反饋線性化軟件算法和SVPWM給出開關(guān)信號。而母線電流只用于保護(hù)。

    DSP擴(kuò)展的外圍包括：A／D采樣、PWM輸出、I／O口、RS232通信和速度檢測等模塊，為實(shí)現(xiàn)PMSM DTC反饋線性化提供了有利條件。外部擴(kuò)展的D／A輸出通道，方便了PMSM DTC反饋線性化中磁鏈等非電量的觀測及系統(tǒng)調(diào)試。主要功能模塊設(shè)計(jì)分析如下。
3．1 輔助電源設(shè)計(jì)
    輔助電源是整個系統(tǒng)正常工作的基本保障，在系統(tǒng)中，通過變壓器和三端穩(wěn)壓集成電路，得到5 V，20 V，-15 V，15 V。結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。其中，5 V再通過芯片TPS767D318轉(zhuǎn)換成3．3 V和1．8 V供給DSP，同時供給譯碼保護(hù)電路；20 V為三相逆變橋中6個IGBT的驅(qū)動電源，3路為IGBT上橋臂驅(qū)動電源并相互隔離，1路為IGBT下橋臂公共驅(qū)動電源：-15 V和15 V主要提供給A／D調(diào)理電路中運(yùn)算放大器、傳感器及故障信號處理電路的比較器使用。

    該平臺采用TPS767D318型雙端輸出電源管理芯片來實(shí)現(xiàn)5 V向3．3 V，1．8 V電壓轉(zhuǎn)換。
3．2 邏輯保護(hù)譯碼設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)中D／A輸出的譯碼信號、PWM死區(qū)保護(hù)和故障保護(hù)信號等通過一塊CPLD ISPM4A5-128／64實(shí)現(xiàn)。ISPM4A5借助于Lanice的ispLEVER軟件開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)功能和時序仿真并生成可執(zhí)行文件。其供電電壓為5 V，輸出為3．3 V，與DSP連接無需電平轉(zhuǎn)換電路。輸入信號為：IGBT功率管開關(guān)控制PWM信號、過流保護(hù)信號、過壓保護(hù)信號、譯碼地址信號、故障復(fù)位信號、電源復(fù)位信號。輸出信號為：D／A通道選擇譯碼輸出，74F245使能信號、DSP功率保護(hù)信號、故障指示信號等。其中，晶體振蕩器頻率為10 MHz。
3．3 采樣電路
    系統(tǒng)中霍爾電壓、電流傳感器采集到的信號，通過電壓跟隨器后輸出uin送至A／D調(diào)理電路。由于DSP的A／D輸入端僅能接收0～3 V信號，所以由傳感器輸出的交流信號還要經(jīng)過電平抬升電路，A／D調(diào)理電路如圖4所示。uin來自霍爾傳感器電壓跟隨器的輸出，取參考電平uref=1．5 V，通過采用運(yùn)算放大器IM324構(gòu)成同相比例運(yùn)算電路，uo送給DSP的A／D輸入端。輸入與輸出的關(guān)系為：
   
    R5與C4構(gòu)成低通濾波器，用于消除高頻開關(guān)信號干擾。二極管1N4148實(shí)現(xiàn)箝位保護(hù)功能，防止由于電壓過高而燒壞DSP。

3．4 驅(qū)動電路
    采用HCPL3120光電耦合和穩(wěn)壓二極管等器件構(gòu)成IGBT驅(qū)動電路，如圖5所示。利用光耦實(shí)現(xiàn)PWM弱信號與IGBT功率電路電氣隔離，以保證DSP控制系統(tǒng)的安全性。

    在IGBT門極與發(fā)射極之間加15 V電壓，使IGBT導(dǎo)通，加-5 V電壓時IGBT關(guān)斷。當(dāng)PWM為低電平時，光耦初級導(dǎo)通，次級輸出電壓uo=20 V，通過R3=8．2 Ω加在IGBT門極，而參考電壓為5 V，這樣IGBT門極與發(fā)射極問的電壓為15 V，IGBT導(dǎo)通。當(dāng)PWM為高電平時，光耦初級截止，IGBT門極與發(fā)射極之間的電壓為-5 V，IGBT關(guān)斷。發(fā)光二極管VD1用于指示IGBT開關(guān)情況。
3．5 光電編碼器信號檢測電路
    所使用的控制策略中需電機(jī)轉(zhuǎn)速信息。采用增量式光電編碼器對轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，系統(tǒng)采用TLP550光耦來實(shí)現(xiàn)光電編碼器與DSP之間的連接。

4 實(shí)驗(yàn)研究
    采用TYB150-4-100型PMSM參數(shù)為：額定電壓190 V，額定電流6．2 A，額定轉(zhuǎn)速1 500 r·min-1，額定功率1．5 kW，額定頻率50 Hz，極對數(shù)2，直軸電感12．765 mH，交軸電感7．695 mH，定子電阻1．2 Ω，轉(zhuǎn)子磁鏈感應(yīng)到定子側(cè)0．42 Wb。
    為驗(yàn)證該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，編制了PMSM DTC反饋線性化算法軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，定子磁鏈給定為0．42 Wb，轉(zhuǎn)矩限幅為9 N·m，DSP控制周期為100μs。轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為0．01，積分系數(shù)為0．005，k1=k2=4 000。

    電動機(jī)轉(zhuǎn)速680 r·min-1，空載時波形見圖6a。可知：①實(shí)際轉(zhuǎn)矩跟蹤給定轉(zhuǎn)矩：②α軸定子磁鏈為正弦波，幅值為0．42 Wb；負(fù)載穩(wěn)態(tài)波形見圖6b ?？芍孩賹?shí)際轉(zhuǎn)矩跟蹤給定轉(zhuǎn)矩均值為2．6 N·m；②α軸定子磁鏈為正弦波，幅值為0．42 Wb。由實(shí)驗(yàn)波形可知，硬件系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

5 結(jié)論
    以TMS320F2812型DSP為核心，設(shè)計(jì)了一套直接轉(zhuǎn)矩控制永磁同步電機(jī)反饋線性化控制系統(tǒng)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作可靠，響應(yīng)速度快，其硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將為直接轉(zhuǎn)矩控制永磁同步電機(jī)反饋線性化系統(tǒng)控制策略的深入研究奠定良好基礎(chǔ)。