基于DSP的永磁同步电机全数字变频

    调速控制系统的设计

    景军锋¹，康雪娟²

(1西安工程大学，陕西西安710048；2西安航空技术高等专科学校，陕西西安710077)

    摘要：介绍了将先进的电机控制专用数字信号处理器(DSP)芯片和矢量控制算法相结合进行的永磁同步电机控制，开发了技术先进的伺服控制器。试验结果表明：该控制系统有较好的动态性能和稳态精度，并且具有结构简单，设计合理，控制灵活等特点。

    关键词：永磁同步电机；矢量控制；智能功率模块

    中图分类号：TM921 51：TM351  文献标识码：A文章编号：1673-6540(2010)02-0043-04

0 引言

   永磁同步电动机(PMSM)具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻，以及具有较高的效率和功率因数等优点，已广泛应用于工业机器人、数控机床、柔性制造系统等各种自动化设备领域。目前，数字化交流伺服调速系统采用的调速方法是当前理论成熟并且非常流行的矢量控制算法，即电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)。SVPWM控制方法与经典的脉宽调制(PWM)控制方法相比，具有直流电压利用率高、控制简单、损耗小、便于数字化方案实现等优点，现已有取代传统正弦脉宽调制(SPWM)控制的趋势^[1]。

    由于矢量控制算法要在很短的周期内采集PMSM转子的电流、电压等参数，并进行计算，输出控制量，一般的微处理器很难达到要求，因此本文介绍的系统采用德州仪器(TI)公司的电机专用芯片TMS320LF2407A作为主控芯片，采用三菱公司的第四代智能功率模块(IPM)PS21865，设计PMSM的全数字变频调速控制系统。利用TMS320LF2407A的高速处理能力和面向电机控制的外围接口，使得整个全数字变频调速控制系统具有控制精度高，实时陛强，硬件结构简单”。的特点。

1 PMSM数学模型及控制原理

  三相PMSM在d-q坐标系下，其定子电压方程为：

式中：u_d、i_d——定子电压和电流在d轴的分量；

      u_q、i_q——定子电压和电流在q轴的分量；

      R_s——定子相电阻；

      P——微分算子；

     ω_r——转子电角度；

     n_p——转矩绕组的极对数；

      T_L——负载转矩，其方向与电磁转矩相反；

     Ψ_d,Ψ_q——分别为定子绕组d，q轴磁链。

    电机动态特性的调节和控制完全取决于动态中能否简便而精确地控制电机电磁转矩输出。在忽略转子阻尼绕组影响的条件下，由电磁转矩方程可知，PMSM的电磁转矩基本上取决于交轴电流和直轴电流，对力矩的控制最终呵归结为对交轴和直轴电流的控制。目前PMSM的电流控制策略主要有：i_d=O控制；力矩电流比****控制；cosφ=l控制。本系统采用i_d=O控制，该方法由于电枢反应没有直轴去磁分量而不会产生去磁效应，不会出现永磁电机退磁而导致电机性能变坏的现象，能保证电机的电磁转矩和电枢电流成正比，实现了转矩的线性化控制。要实现i_d=O的解耦控制，通常有两

2系统的硬件设计

    为满足电机控制系统的发展需要，20世纪90年代末，Ⅱ公司推出了TNS320x24x系列数字信号处理器(DSP)，该系列DsP芯片专为实现高精度、种方法：电压前馈解耦控制和电流反馈跟踪控制。电压前馈解耦控制是一种完全线性化的解耦控制方案，它能使id、iq完全解耦，但其需要实时测量i。和ωr，并做npωrLqiq的乘积运算。这种方法的测量精度和控制实时性都会影响到控制性能，因此，要做到完全解耦是很困难的。电流反馈跟踪控制采用比例积分型直流控制方式，伺服系统输出电流谐波分量小，无稳态误差，稳定性好。本系统选用例积分型直流控制方式。

    从对PMSM数学模型的分析可知：定子电流在d—g轴上的分量决定电磁转矩的大小。PMSM矢量控制的实质就是通过对定子电流的控制来实现PMSM的转矩控制。转速在基数以下时，在定子电流给定的情况下，控制id=O，可以更有效地产生转矩，这时电磁转矩L就随着iq的变化而变化。在控制系统中只要控制iq大小就能控制转速，实现PMSM的矢量控制。要实现矢量控制，只要使实际的id、iq与给定的参考量id、iq相等，也就满足了实际控制的要求。在实际控制中，向电机定子注人的和从定子检测的电流都不是id、iq，而是三相电流，所以必须进行坐标变换。又因为d—g轴是定子在电机转子上的旋转坐标系，所以要实现坐标变换，必须在控制中实时检测电机转子的位置。图1就是PMSM交流伺服系统矢量控制的结构图[3]。高性能、功能多样化的单片电机控制系统或运动控制系统设计。TMS3201LF2407ADsP是TI公司推出的TMS320x240x****代表性的产品，其可达到40MIPs的运算速度，几乎所有的指令都可在一个25ns的单周期内执行完毕，提高了控制器的实时处理能力。TMS320LF2407^DsP的事件管理器与其他任何DSP均不同．这个应用优化的外围设备单元与高性能的DsP内核一起，使电机在高精度、高效、全数字控制中使用先进的控制技术成为可能。事件管理器中包括一些专用的PwM发生函数，如：一个可编程的死区函数和一个用于三相电机的空间向量PwM状态机，它们可以在功率管开关过程中提供****效率：三个独立的双向定刚器，每个都有单独的比较寄存器，可以用来支持产生不对称的或者对称的P硒M波形。四个捕获输入中的两个可直接连接来自光电编码器的正交编码器脉冲信号。从TMS320LF2407A的结构特点可以知道，把其作为本系统整个控制器核心，集成了主要的电机外设控制部件，具有高速的运算能力、较高的采样精度，外设配置性能和功能比较强，非常适合构成PMSM的伺服控制器，完成实时陛要求较高的服控制任务：

    整个系统硬件电路主要由三部分组成：控制电路、功率电路及操作面板。系统的硬件功能图如图2所示。

2．1控制电路

    控制电路以TI公司的电动机控制专用芯片TMS320L眩407A DsP为核心，配以少量的74系列芯片和可编程逻辑器件构成。其主要作用是产生sVPwM信号，该信号经34针的排线送至功电路，用来驱动三相逆变器；采用两个霍尔电流传感器检测PMsM相电流的瞬时值，送人到DSF的A／D转换模块，采用光电脉冲编码器检测PMSM的旋转角位移，以及转子速度信号经光藕隔离后接人DSt’的捕获单元。上位机可编程逻辑控制器(PLc)送来的开关信号经光偶TLP-521隔离、缓冲后接人DSP的数据总线，同样，DSP送出的开关量信号经锁存、三极管放大后再去驱动输出继电器，最终送给上位机PLc。为了调试软件的方便，还使用了具有上电、手动复位及电源电压监控功能的复位芯片MAK825S。其电源部分由Dc—Dc电源模块24 V转5 v以及Ac—Dc电源模块220 V转±15 v组成，其中5 V电源除了给板子上的5 V芯片和光电编码器信号隔离光耦的输出侧供电外，还经电源芯片TPS76833降压后给整个板子提供3．3 v电源。

2．2功率电路

    功率电路的主要作用是在PwM信号的控制下对300 V直流输入电压进行逆变，逆变后的交流电压用来驱动PMSM。三相逆变器选用了日本三菱公司生产的第五代IPMPS21865。PMSM采用的是台达ASMT07L250AK。PS21865最突出的特点是P侧的3只绝缘栅双极晶体管(IGBT)使用自举电路作为各自的驱动电源，从而可以只用一个15 V电源作为P侧的3只IGBT的控制电源，由于该15 v电源与P侧的3只IGBT的发射极互相隔离，因此也可作为N侧的3只IGBT的控制电源。这样，整个功率电路就只需一个控制电源，与以前需要4个隔离电源的IPM相比，功率电路的结构大大简化，体积也大大减小，可靠性比以前大有提高。

    在变频调速控制系统故障保护环节中，设置了主回路过压、欠压、过热、过载、制动异常、光电编码器反馈断线等保护，故障信号由软、硬件配合检测，一旦出现保护信号，通过软件或硬件逻辑立即封锁PwM驱动信号。

    电流检测模块是把三相定子电流转换成相应的二进制代码，以方便处理。根据PMSM的数学模型可知，定子电流检测的精度和实时性是整个矢量控制精度的关键，因此对电流检测要求精度高和速度快，显然普通的电流霍尔元件难以满足要求，为此本系统采用莱姆公司生产的LEM霍尔电流传感器模块LA25一NP来检测电流。LA25一NP是多量程的霍尔电流传感器，其****测量范围为0～25 A。本文所用电机的额定电流为5 A，因此电流档选用25 A，LA25一NP后端采样电阻为10n。正式投人使用可通过拨码开关来改变电流量程和采样电阻值，最后得到比例放大系数。采样电阻可以由Rm=(Vc-Vce-RiIs)／Is来决定，其中：Vc为模块电源电压，VCE为晶体管饱和压降，Is为输出电流，Ri为传感器内阻。

2．3转速和位置检测电路

    永磁交流同步电机的转速是通过光电脉冲编码器检测的，电机转速检测的正确性和精度将直接影响系统的控制精度和稳定性及电机的动态性能。当永磁交流同步电机运行时，电机的轴带动光电脉冲编码器旋转，有六路输出，分别为A相、／A相、B相、／B相、z相、／z相，其中A相、／A相、B相、／B相用于测速，它们的相位差为90。，每转一圈输出1 024个脉冲，而z相、／z相脉冲为每转一圈输出一个脉冲，用于交流伺服系统中的定位。由于光电脉冲编码器的输出是差分输出，而TMS320I胞407A的编码器接口不接收差分信号，所以必须把差分信号经过硬件电路处理后才可以连接到TMS320L，F2407A的编码器口。

2．4操作面板电路

操作面板采用接口芯片8279来完成，按键主要是完成操作命令和参数的输入，数码管主要显示系统速度、频率及故障等信息。

3控制系统软件设计

    PMSM全数字调速控制系统软件主要在DSP定时器T1下溢中断模块完成。程序根据给定PwM周期计算控制量。PwM频率的选择主要取决于永磁交流同步电机的电气常数L／R。如果PwM频率太低，电机发出噪声会被听见。通常情况下，PWM频率选择的范围在20 kHz以内。本系统选择的PwM频率是16 kHz，可以确定采样周期是60 us(16 kHz)，通过设定定时器1周期值为600(PWM[RD=600)。定时器T1被设置为工作在连续增／减汁数模式，并且在定时器Tl下溢产生中断。以TMS320LF2407A为核心组成的永磁交流伺服系统的控制电路中，TMS320LF2407A对控制电路各环节的工作进行管理、协调和监督，并参与大量的运算和处理工作，这就决定了软件的任务非常繁重，它包括：相电流检测和A／D转换模块；计算光电编码器脉冲数，计算转角增量和转子****位置，计算速度模块；电流环的PI控制模块；速度环的PI控制模块；Park变换和Park逆变换；cIarke变换模块；空间矢量产生模块。DsP PMSM全数字调速控制系统的受控状态量变化很快，这就要求系统的采样周期应该尽可能短，以便对被控状态量进行实时控制。要实现PMSM的控制，首先要提取相电流的检测量ia、ib；再读取光电编码器的脉冲数，计算转子的角位移θ和实际转速，根据实际转速与参考速度的偏移量，利用H控制算法，得到定子电流的参考输入；调用clarke变换模块把相电流矢量从三相定子。a-b-c坐标系变换到二相静止α-β坐标系；计算sinθ和cosθ，进行Park变换，把矢量从二相静止α-β坐标系变换到二相旋转d—q坐标系中；分别根据q坐标轴和d坐标轴上的相电流分量与参考电流的偏差，进行电流环PI控制，把得到的新电流通过调用Park逆变换，将其变换回二相静止α-β坐标系中；再调用sVPWM模块，计算得到PwM信号的占空比，送到TMS320~F2g07A的6路PwM控制寄存器中；将产生的PwM信号送到三相逆变器，驱动永磁交流同步电机。这就是基于DsP PMSM全数字调速控制系统的软件过程，见图3。