永磁同步电动机反馈线性化控制系统设计研究

摘要：永磁同步电机(PMSM)具有效率高，功率密度大等突出优点，因此得到了广泛应用，研究其高性能的驱动系统成为发展的必然趋势。根据PMSM仿射非线性系统，结合微分几何理论推导出当转矩和定子磁链幅值线性解耦时的定子电压方程。以TMS320F2812型DSP为核心，结合PMSM反馈线性化控制的特点，设计了一套功能完善、实时性好的PMSM直接转矩控制(DTC)系统。硬件系统包括辅助电源电路、逻辑保护译码电路、采样电路、驱动电路、光电编码器信号检测电路。编制了PMSM DTC反馈线性化算法软件进行实验研究，实验结果表明：硬件系统工作可靠、控制响应快。
关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；反馈线性化

1 引言
    目前对于PMSM所采用的高性能控制策略主要有两种：磁场定向控制和DTC。DTC将逆变器和电机作为一个整体，采用电磁转矩和定子磁链幅值双滞环控制，利用最优电压矢量实现电磁转矩和定子磁链幅值的同时控制，将不可避免地导致电磁转矩和定子磁链控制的相互耦合，转矩脉动较大，影响系统的稳定运行。为获得高品质的PMSM转矩控制性能，有必要实现电磁转矩和定子磁链控制的解耦。
    此处采用基于反馈线性化理论的PMSM DTC策略。实现中需准确地采集定子绕组相电流、母线电压，控制中还要实时地输出电压矢量，要求硬件系统实时性能好，稳定性高，因此全数字控制成为该系统的首选控制手段。

2 PMSM-DTC反馈线性化控制策略
    根据PMSM仿射非线性系统，结合微分几何理论推导出当转矩和定子磁链幅值线性解耦时定子两相静止α，β坐标系中控制电压为：

    图1为DTC-PMSM反馈线性化驱动系统结构框图。由速度误差经PI调节器给出，反馈线性化计算出给定电压，送至空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制环节给出开关信号。

3 硬件系统设计
    以TMS320F2812为核心，结合多种外围扩展，构成一套功能全面的永磁同步电动系统，其硬件系统结构框图如图2所示。系统信号检测主要包括通过电流传感器得到的两相电流ia，ib，母线电流，通过光电编码器得到的速度n，和通过电压传感器得到的母线电压Udc。将检测到的Udc，ia，ib和转速给定通过A／D采样模块再送入DSP中，结合反馈线性化软件算法和SVPWM给出开关信号。而母线电流只用于保护。

    DSP扩展的外围包括：A／D采样、PWM输出、I／O口、RS232通信和速度检测等模块，为实现PMSM DTC反馈线性化提供了有利条件。外部扩展的D／A输出通道，方便了PMSM DTC反馈线性化中磁链等非电量的观测及系统调试。主要功能模块设计分析如下。
3．1 辅助电源设计
    辅助电源是整个系统正常工作的基本保障，在系统中，通过变压器和三端稳压集成电路，得到5 V，20 V，-15 V，15 V。结构示意图如图3所示。其中，5 V再通过芯片TPS767D318转换成3．3 V和1．8 V供给DSP，同时供给译码保护电路；20 V为三相逆变桥中6个IGBT的驱动电源，3路为IGBT上桥臂驱动电源并相互隔离，1路为IGBT下桥臂公共驱动电源：-15 V和15 V主要提供给A／D调理电路中运算放大器、传感器及故障信号处理电路的比较器使用。

    该平台采用TPS767D318型双端输出电源管理芯片来实现5 V向3．3 V，1．8 V电压转换。
3．2 逻辑保护译码设计
    系统中D／A输出的译码信号、PWM死区保护和故障保护信号等通过一块CPLD ISPM4A5-128／64实现。ISPM4A5借助于Lanice的ispLEVER软件开发环境，实现功能和时序仿真并生成可执行文件。其供电电压为5 V，输出为3．3 V，与DSP连接无需电平转换电路。输入信号为：IGBT功率管开关控制PWM信号、过流保护信号、过压保护信号、译码地址信号、故障复位信号、电源复位信号。输出信号为：D／A通道选择译码输出，74F245使能信号、DSP功率保护信号、故障指示信号等。其中，晶体振荡器频率为10 MHz。
3．3 采样电路
    系统中霍尔电压、电流传感器采集到的信号，通过电压跟随器后输出uin送至A／D调理电路。由于DSP的A／D输入端仅能接收0～3 V信号，所以由传感器输出的交流信号还要经过电平抬升电路，A／D调理电路如图4所示。uin来自霍尔传感器电压跟随器的输出，取参考电平uref=1．5 V，通过采用运算放大器IM324构成同相比例运算电路，uo送给DSP的A／D输入端。输入与输出的关系为：
   
    R5与C4构成低通滤波器，用于消除高频开关信号干扰。二极管1N4148实现箝位保护功能，防止由于电压过高而烧坏DSP。

3．4 驱动电路
    采用HCPL3120光电耦合和稳压二极管等器件构成IGBT驱动电路，如图5所示。利用光耦实现PWM弱信号与IGBT功率电路电气隔离，以保证DSP控制系统的安全性。

    在IGBT门极与发射极之间加15 V电压，使IGBT导通，加-5 V电压时IGBT关断。当PWM为低电平时，光耦初级导通，次级输出电压uo=20 V，通过R3=8．2 Ω加在IGBT门极，而参考电压为5 V，这样IGBT门极与发射极问的电压为15 V，IGBT导通。当PWM为高电平时，光耦初级截止，IGBT门极与发射极之间的电压为-5 V，IGBT关断。发光二极管VD1用于指示IGBT开关情况。
3．5 光电编码器信号检测电路
    所使用的控制策略中需电机转速信息。采用增量式光电编码器对转速进行测量，系统采用TLP550光耦来实现光电编码器与DSP之间的连接。

4 实验研究
    采用TYB150-4-100型PMSM参数为：额定电压190 V，额定电流6．2 A，额定转速1 500 r·min-1，额定功率1．5 kW，额定频率50 Hz，极对数2，直轴电感12．765 mH，交轴电感7．695 mH，定子电阻1．2 Ω，转子磁链感应到定子侧0．42 Wb。
    为验证该控制系统设计的可行性，编制了PMSM DTC反馈线性化算法软件进行实验研究，定子磁链给定为0．42 Wb，转矩限幅为9 N·m，DSP控制周期为100μs。转速环PI调节器比例系数为0．01，积分系数为0．005，k1=k2=4 000。

    电动机转速680 r·min-1，空载时波形见图6a。可知：①实际转矩跟踪给定转矩：②α轴定子磁链为正弦波，幅值为0．42 Wb；负载稳态波形见图6b 。可知：①实际转矩跟踪给定转矩均值为2．6 N·m；②α轴定子磁链为正弦波，幅值为0．42 Wb。由实验波形可知，硬件系统运行可靠。

5 结论
    以TMS320F2812型DSP为核心，设计了一套直接转矩控制永磁同步电机反馈线性化控制系统。结果表明，该系统工作可靠，响应速度快，其硬件系统的设计将为直接转矩控制永磁同步电机反馈线性化系统控制策略的深入研究奠定良好基础。