基于DSP对永磁正弦波交流伺服电动机控制系统设计

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    Design of PMSM Speed Control System based on DSP
                                    
摘要：本文通过对永磁同步电动机调速的理论分析，以及磁场定向控制的研究，从理论上证明了磁场定向控制在交流电机调速领域上的又一次重大发展。并用DSP对一台1.05千瓦的永磁正弦波交流伺服电动机实际控制，充分验证了理论设计的可靠性和实用性。最后得出了一些重要的实验结果。
关键词：永磁同步电动机，矢量控制，磁场定向控制，逆变器
Abstract: Through the theory analyses of PMSM timing and the research of field orientable control, this paper theoretically prove another great achievement of field orientable control in the fields of AC motor timing. The reliability and practicality of this theory design are testified by experimental operation of a 1.05kW PMSM, and finally obtain some crucial experimental parameters and outcomes.
Key words: PMSM，Vector control, Field orientable control, Inverter
1 引言
永磁同步电动机主要用于千瓦级的伺服传动系统中，伺服系统常用于快速、正确、精密的位置控制场合，因此要求电动机有大的过载能力，小的转动惯量，小的转矩脉动等特性；控制系统有尽可能高的通频带和放大系数，以使整个伺服系统具有良好的动、静态性能。永磁同步电动机体积小，重量轻，效率高，转子无发热问题，控制系统较异步电动机简单。因此由永磁同步电动机组成的伺服系统已受到国内外的普遍重视，广泛用于柔性制造系统、机器人、办公室自动化、数控机床等领域。本文将对永磁同步电动机的调速系统进行设计研究。
2 系统硬件设计
    永磁同步电动机调速控制系统硬件总体设计原理框图如图1。
整个系统由主回路和控制回路两个部分组成。主回路包括：智能功率模块（IPM）、永磁同步电动机（PMSM）、转子位置和速度检测器、电流传感器、不可控三相整流电路。控制回路包括：TMS320LF2407评估板（EVM）[该评估板内含电流调节器、速度调节器、矢量变换器、PWM生成器以及转速变换器的功能]和三相门极驱动电路以及作为操作与显示单元的上位计算机。



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图 1 系统硬件总体设计原理框图

(1) 控制单元采用TMS320LF2407 EVM板，所有控制算法都由DSP控制器来完成。DSP控制器的比较单元和PWM电路生成的SVPWM信号，送入智能功率模块（IPM）后，控制IPM中的六只绝缘栅双极晶体管（IGBT）；接收电流传感器信号，位置、速度传感器信号；通过RS232接口与上位计算机进行通讯；通过JTAG口与仿真器相连。
(2) 本设计使用三菱公司推出的PS21867模块。该智能功率模块（IPM）采用第5代IGBT工艺，内置优化后的栅级驱动和保护电路，输出功率强劲的三相波形。具有低成本、小型化、高可靠性、易使用等特点。1/4开关频率可达15KHz。
(3) 检测电路：a. 两相电流由霍尔传感器检测，经电流检测电路变换为EVM A/D转换器能够接收的信号，两相电流同时转换，每次转换时间大约6.6us。b. PMSM编码器的输出直接接至DSP控制器QEP单元来获取电机转子位置和速度的信息。
3 系统软件设计
整个程序主要由系统主程序、PWM程序、定时中断程序等组成。系统主程序的流程图如图2。
首先系统对DSP及其他外围器件进行初始化；然后设置允许中断INT1、INT2和INT4，其中INT1只在PDPINT有效时被激活，INT4响应位置传感器的零标记脉冲，INT2在定时器1计数溢出时响应，执行系统的算法控制模块；此外还要进行一些运行参数和控制循环的标记的设置；最后就进入后台等待状态，随时响应各中断，运行中断服务程序。
中断服务程序的简单设计框图如图2。它们在结构上比较类似，都遵循响应中断→系统状态保存→清中断标记→执行中断服务→恢复系统状态→结束这样的基本顺序。
     


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转子相位初始化。由于在电动机转动前，转子位置是未知的。而转子磁场定向控制要求转子的位置必须是已知的。所以在电动机转动之前必须对转子的相位进行初始化。转子相位初始化采用磁定位的方法，他是通过给定子通以一个已知大小和方向的直流电，这样使定子产生一个恒定的磁场，这个磁场与转子的恒定磁场相互作用，迫使转子转到两个磁链成一线的位置而停止，从而得到转子的相位。转子相位初始化过程如图4。



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图4（1）表示转子处于一个未知位置。给定子通一个直流电流 ，这个电流 的d轴分量 =0、q轴分量 = （ 为额定电流），并且d、q坐标系的相位为 。 所产生的磁场与转子磁场作用，使转子转到图4（2）的位置。但这个位置并不是我们希望的转子磁场定向位置，因为转子的磁场方向没有与d轴重合。所以需要将d、q坐标系在 的基础上再旋转90度，如图4（3）所示，实现转子磁场定向。根据以上情况，给定子通一个 =0、 = 、 =-90度的直流电，就可以使转子转到d轴、A轴、 轴三轴都重合的位置，实现了转子相位的初始化。
4 实验及其分析
本实验采用设计的主电路和控制电路来控制一台三相永磁正弦波伺服同步电动机的转速。电机参数如下：
电源电压三相：220V            额定电流：4A
相电阻：1.88                  相电感：14.42mH
转子惯量：        磁极对数：2
额定转矩：5Nm                额定转速：2000rpm
额定功率：1.05kW              机械时间常数：1.5ms
电时间常数：2.3ms              转矩常数：0.76Nm/Arms
电压常数：65Vpk/krpm
增量式编码器的参数：2500P/r
以下是DSP控制PMSM得出的给定电流的滞环控制的一些实验曲线图和数据。
    电机起动转速实验如图5所示，实验曲线中，X轴单位为ms，Y轴单位为r/min。由图可以看出稳定速度大约1500r/min，起动时间大约2s，稳定时波动较小，但起动时有一个短时间的负值。



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从给定电流的滞环控制实验可以看出：
⑴电机起动时间较长，但起动没有超调量，稳定时波动较小，电流波形谐波也较小。
⑵电机运行正常，说明给定电流滞环控制在实际电机控制中的可行性和可靠性。
⑶与Matlab仿真曲线相比，起动时间和稳定性都有许多不足。
5 结束语
永磁同步电动机主要用于千瓦级的伺服传动系统中，要求电动机有大的过载能力，小的转动惯量，小的转矩脉动等特性；控制系统有尽可能高的通频带和放大系数，以使整个伺服系统具有良好的动、静态性能。本文通过对永磁同步电动机调速的理论分析，以及磁场定向控制的研究，并通过对一台PMSM的实际控制，充分验证了理论设计的可靠性和实用性。最后得出了一些重要的实验结果。
本文作者创新点: 论文通过对PMSM调速的理论分析及磁场定向控制研究，从理论上证明磁场定向控制在交流电机调速领域上的重大发展。并通过对一台1.05千瓦的永磁正弦波交流伺服电动机的实际控制，充分验证了理论设计的可靠性和实用性，为实际运用打下良好基础。
参考文献：
[1]符曦.高磁场永磁式电动机及其驱动系统.北京:机械工业出版社,1997
[2]钱君毅,罗利文.基于TMS320F2812的感应电机矢量控制系统[J]. 微计算机信息, 2007,3-2;162-163
[3]王兆安,黄俊 主编.电力电子技术.北京:机械工业出版社,2002
[4]唐永哲.电力传动自动控制系统.陕西:西安电子科技大学出版社,1998
[5]李永东主编.交流电机数字控制系统.北京:机械工业出版社,2002
作者简介： 胡银全，男，1978-，汉，重庆通信学院，硕士研究生，电气自动化专业，教师，研究方向为电力电子技术、DSP技术。上一页  [1] [2]
         
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