基于STM32單片機的大扭矩永磁同步電機驅動系統(tǒng)

0 引言

大扭矩永磁同步電機直接驅動由于去掉了復雜的機械傳動機構，從而消除了機械結構帶來的效率低、維護頻繁、噪聲與轉動慣量大等不利因素，具有效率高、振動與噪聲小、精度高、響應快、使用維修方便等一系列突出優(yōu)點[1]。近年來，隨著電力電子技術、永磁材料、電機設計與制造技術、傳感技術、控制理論等的發(fā)展，大扭矩永磁同步電機在數(shù)控機床、礦山機械、港口機械等高性能系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應用[2 - 3]。

交流電機控制系統(tǒng)廣泛采用單片機、DSP、FPGA為控制系統(tǒng)核心。STM32 是一種基于ARM 公司Cortex-M3 內核的新型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[4]。本文針對一種港口機械用大扭矩永磁同步電機驅動系統(tǒng)，采用STM32 + IPM 硬件構架設計了高性能、低成本的控制系統(tǒng)。

1 大扭矩永磁同步電機矢量控制原理

忽略電機的鐵心飽和、渦流及磁滯損耗，不計漏磁通的影響，大扭矩永磁同步電機的電壓、磁鏈、轉矩方程分別為式中，

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

由式( 3) ，控制id = 0 使定子電流矢量位于q軸，此時轉矩Te和iq呈線性關系，實現(xiàn)電磁轉矩的解耦控制。如圖1 所示，本文的永磁同步電機采用速度、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 控制器和坐標變換，再利用SVPWM 產生IPM 開關信號。

圖1 大扭矩永磁同步電機控制原理框圖

2 系統(tǒng)設計

圖2 所示為該系統(tǒng)結構框圖， 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、旋轉變壓器接口電路; 主電路，主要由整流、軟啟動、濾波、制動電路，以及PM800HSA120 及其驅動、保護、吸收電路組成; 開關電源及其他模塊，主要由多路DC /DC 轉換、直流母線電壓保護、溫度檢測保護等電路組成。

圖2 大扭矩永磁同步電機硬件系統(tǒng)結構框圖

2. 1 硬件系統(tǒng)設計

2. 1. 1 處理器模塊

STM32F103VCH6 是基于ARM 公司Cortex-M3 內核的新型32 位閃存微控制器，擁有三級流水線和分支預測功能，最高工作頻率為72 MHz，可以滿足本系統(tǒng)處理速度和實時性的需求，有兩個高性能的12位的16 通道A/D 轉換器、兩個16 位專為電機驅動設計的內嵌死區(qū)控制6-PWM 定時器，片上還集成有SPI、USB 2. 0 等豐富的外設和接口[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、處理各種出錯保護信號，執(zhí)行電機控制算法等。

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、靈敏度高、線性度好、溫漂小等優(yōu)點。為了減小在電流較弱時的檢測誤差，本文設計了如圖3 所示的增益可調的電流檢測電路，傳感器輸出的電流信號經過精密電阻采樣后轉換為電壓信號Vi，經過電壓跟隨電路、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 模塊進行處理。其中開關芯片DG403 由STM32 控制，用于調整電流檢測電路增益，小電流選擇大增益，大電流反之。由于大扭矩電機額定電流可達232 A，若檢測電路增益不可調，則當電流較弱時檢測電路的放大增益相對較小，電流的檢測精度會降低，而采用增益可調的檢測電路可以在電流較弱時提高增益，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)的對應關系。

表1 DG403 控制信號與增益放大倍數(shù)對應表

考慮港口機械存在較強振動和沖擊[6]，本文利用旋轉變壓器YS 210XFDW9574A 進行位置檢測。其解碼電路如圖4 所示，采用AD2S99 芯片為旋轉變壓器提供激勵信號，AD2S90 芯片作為旋轉變壓器/數(shù)字轉換器( RDC) 。AD2S90 以同步串行方式( SPI) 與控制芯片STM32 之間進行通訊，AD2S99 的勵磁信號源的頻率可以通過SEL1、SEL2、FBIAS 引腳進行設置，此處激磁頻率設為10 KHz，通過AD2S99 內部處理后產生的輸出信號SYNREF 與AD2S90 的REF 腳相連，可以補償旋轉變壓器一次側到二次側的相位偏差，保證它的轉換精度。

圖3 電流檢測電路

圖4 旋轉變壓器解碼電路

圖5 所示為旋轉變壓器激勵調理電路，旋轉變壓器激勵信號由AD2S99 提供，激勵調理電路對激勵信號進行放大、濾波，激勵調理電路的外部電源采用± 15 V 雙電源供電，保證電路靜態(tài)工作點調零; Ci1為耦合電容，隔直通交; Cf1為補償相位用;NPN 和PNP 三極管構成推挽電路，用以消除交越失真。

圖5 旋轉變壓器激勵調理電路

2. 1. 3 主電路

主電路的整流電路采用了DD600N12 整流模塊; 軟啟動電路采用CM600HU-24F 型號IGBT 功率開關取代繼電器以提高系統(tǒng)可靠性，當電容器組充電到母線額定電壓的80% 時，將IGBT 接入電路; 濾波電路選擇16 個6800 μF 電解電容; 制動電路選擇CM400HU-24F 型號IGBT 作為開關元件?？紤]大電流功率器件的干擾、散熱及經濟性等因素，選擇6 個獨立單元的IPM 模塊PM800HSA120的逆變電路方案。PM800HSA120 內部集成有驅動和保護電路，具有過壓、欠壓和溫度保護功能，額定電流800 A，反偏電壓1200 V，工作頻率可達20 kHz。為了進一步提高IPM 的抗干擾性和可靠性，本文對其驅動電路和保護電路進行了加強設計和一些額外處理。如圖6 所示，對IPM 的驅動信號進行了差分處理，將控制芯片STM32 發(fā)出的六路驅動信號利用差分驅動芯片變?yōu)?2 路信號，再在IPM 驅動板上利用差分接收芯片還原為6 路驅動信號，然后經過高速光耦的隔離驅動再送給IPM，如圖7 所示，以抑制共模干擾信號，增強了IPM 驅動信號的抗干擾性。圖7( a) 所示為W 相的隔離驅動電路; 三相上橋臂采用隔離電源供電，三相下橋臂由一路15 V 供電，圖7 ( b) 所示為W 相上橋臂隔離電源電路。

IPM 的故障信號處理電路如圖8 所示，出錯信號先經過光耦隔離、濾波，然后經過反相施密特觸發(fā)器，一方面將電壓信號反向，另一方面對出錯信號進行波形整形，對干擾信號有一定的抑制作用。最后再將處理過的IPM 出錯信號輸入控制芯片STM32 做出相應處理。

圖8 IPM 出錯信號處理電路

由于IPM 的開關頻率較高，而在功率回路中存在寄生電感，在IPM 開關過程中會產生很高的浪涌電壓，造成對器件的沖擊，影響器件的性能及使用壽命。為此設計了如圖9 所示的IPM 緩沖電路，以降低IPM 開通和關斷過程的電壓和電流尖峰，從而降低器件開關損耗，保護器件安全運行。其中，選擇超快恢復二極管RM25HG-24S 作為緩沖二極管，其耐壓1200 V，最大反向恢復時間300 ns; 綜合考慮本系統(tǒng)驅動電流頻率及IPM 本身性能，將IPM 工作頻率選為8 KHz，取直流母線寄生電感50 nH，根據計算及試驗，最終選擇緩沖電容Cs = 3 μF，緩沖電阻Rs = 12 Ω。

圖9 IPM 緩沖電路

2. 2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要由主程序和中斷服務程序構成，其中主程序完成各種軟硬件的初始化、電機初始位置檢測和電機啟動等，中斷服務程序包括PWM 中斷子程序和外部中斷保護子程序等。其中PWM 中斷子程序是控制系統(tǒng)核心，主要完成對轉子電流和速度的采集與處理、PID 調節(jié)、電壓矢量的計算與選擇、PWM 發(fā)生等。外部中斷子程序主要包括母線電壓過、欠壓保護、啟動保護和溫度保護等。當IPM 有出錯信號時，STM32 控制高級控制定時器的TIM1_BKIN 信號禁止PWM 輸出，保證系統(tǒng)的安全，圖10為PWM 中斷服務程序流程圖。

圖10 PWM 中斷服務程序

3 實驗結果

如圖11 所示，為本文所設計永磁同步電機控制系統(tǒng)的STM32 控制板及IPM 驅動板實物。對一臺額定功率132 kW、額定電流232 A、輸入電壓380 V的大扭矩永磁同步電機進行了單元及系統(tǒng)實驗。圖12 所示為W 相上下橋臂的PWM 波形，測試PWM頻率為8 KHz ( 周期125 μs) ; 圖13 所示為電機空載運行時W 相的電流波形，表明控制系統(tǒng)的軟硬件模塊均可有效運行。

圖11 控制電路

4 結語

本文提出了一種基于STM32 的大扭矩永磁同步電機的控制系統(tǒng)，設計了STM32 處理器模塊、增益可調的電流檢測電路、旋轉變壓器接口電路、IPM驅動保護電路等，采用矢量控制方法，實現(xiàn)了永磁同步電機速度和轉矩控制，并進行了試驗驗證，為大扭矩永磁同步電機驅動控制提供了一種穩(wěn)定可靠、高性價比的方案。