基于DSP的PMSM矢量控制系统的设计与研究
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摘要:为实现对永磁同步电机(PMSM)的最优控制,设计了一种以数字信号处理器(DSP)为核心的控制器,深入分析了控制器中对电机运行精度影响较大的几个模块,并进行了优化。采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术完成了系统的硬件和软件调试,实验结果验证了所设计控制器的可行性,并能满足PMSM的高性能控制要求。
关键词:永磁同步电机;矢量控制;空间矢量脉宽调制
1 引言
PMSM具有转动惯量小、功率密度高、响应速度快等优点,在高性能的电机控制领域中得到了广泛应用。随着半导体技术的发展,电机控制的数字化已成为主流趋势,而高性能的电机控制算法都是通过主芯片实现的。目前,在电机控制领域中,最具代表性的DSP是TMS320F2000系列,其中TMS320F12812是该系列中的一款主流32位定点DSP,与TMS320F2407相比,它具有更丰富的硬件资源和更快的计算速度,可用于实现高性能电机控制系统。在此采用TMS320F2812设计了一种PMSM控制器,利用C语言编程进行软件设计,实现了系统速度、电流双闭环控制。
2 永磁同步电机矢量控制系统
矢量控制的基本思想是通过坐标变换,将电机定子电流分解成产生磁通的直轴分量和产生转矩的交轴分量,并使两分量相互垂直,彼此进行独立调节与控制。id=0控制法是目前交流电机控制中应用最广的矢量控制法。由于定子电流中只有交轴分量,没有直轴去磁分量,因而不会产生去磁效应,且电机定子磁链空间矢量和永磁体磁链空间矢量正交,从电机端口看,此时的交流PMSM相当于一台他励直流电机。该系统在矢量控制的基础上采用SVPWM技术来控制逆变器的输出电压,电机所有电流均用来产生电磁力矩,电机控制效率高,转矩特性好,可获得很宽的调速范围,PMSM矢量控制系统基本框图如图1所示。
3 系统硬件设计与分析
PMSM调速系统硬件电路如图2所示。主要包括主电路、控制电路、功率驱动电路、检测及保护电路等。主电路包括整流电路和逆变电路,其中整流部分由4个二极管构成整流桥实现;逆变电路是由6个IGBT元件构成的开关电路,可输出相位差120°的三相对称电压。
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控制电路由上位机、TMS320F2812、光电编码器、霍尔传感器等组成。其中上位机与DSP通过JTAG模块连接,可实现两者间的实时通信:QEP模块连接光电编码器,用来捕获电机转速信息,并由数码管模块显示;A/D模块与霍尔传感器相连,用来检测电路中电压、电流值的大小;事件管理器模块输出6路PWM波,经光耦隔离、功率驱动电路,输出到逆变电路的6个IGBT开关管。
3.1 A/D采样精度分析
TMS320F2812片内A/D模块分辨率为12位,但在实际应用中精度并不高。理想情况下,A/D的采样结果为:y=Gx+b。其中,y为采样结果;x为输入电压;G为增益,G=1;b为偏置,b=0。但是在采样过程中,G并不等于1,b也不等于0,其偏差如图3所示。
由于A/D采样结果的准确性将直接影响电机控制性能,因此有必要采用矫正电路来提高其转换精度,该系统设计的矫正电路如图4所示。
对于同一个排序器。其8个通道的G和b是相同的,如果给定两个通道(如A6,A7)的输入电压,则有:y6=Gx6’+b’,y7=Gx7+b’。由图4可知,A6,A7的给定是通过稳压管和电阻分压得到的,其电压值是已知的,意即x6和x7是已知的。y6和y7可从A/D结果寄存器中读取,由y6和y7,的表达式可以计算得到:
得到G’和b’后,就可通过y=Gx+b计算矫正后的采样结果。[!--empirenews.page--]
3.2 相电流检测及过热保护模块
为提高控制器的电流检测精度,该设计采用CS010GT霍尔电流传感器进行电流采样。CS010GT能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则的电流,其初级额定输入电流,Ipn=10 A,输入电流与输出电压的关系如图5所示。
为了减少高频信号以及负载效应对系统的影响,在霍尔电流传感器的输出端设计有电压跟随器。当电机长时间高速工作时,如果电路的散热条件不好,就会烧毁元件甚至造成更大损失。该设计中针对容易烧毁的大功率IGBT元件,在电机驱动板上安装了散热片,同时为了实时检测芯片温度,采用高精度温度传感器芯片LM358CAZ设计了过热保护电路,如图6所示。LM358CAZ芯片可直接采样摄氏温度,计算较方便,其额定温度范围为-55~150℃,非线性误差较小。
3.3 SVPWM实现模块
SVPWM较传统SPWM技术,具有谐波含量少、开关损耗小、直流电压利用率高等优点,在如今交流电机数字化控制中应用越来越广泛。采用TMS320F2812实现SVPWM非常方便,而且输出波形精度高。根据用户配置,DSP内部定时器能生成多种方式PWM波形,控制器生成PWM的硬件电路如图7所示。
要生成SVPWM波形需要配置DSP内部相关寄存器:当前主矢量的值要写入ACTR[12-15]中,其具体值要根据Uo的位置计算得到;生成对称或不对称的PWM波形由T1CON[11-13]位控制;通过设置DBTCON相应位来确定死区时间,当时钟周期为50ns时,可设置死区时间范围为0~102.4 μs;COMCON[9]控制PWM输出状态。3个比较寄存器CMPRx(x=1,2,3)中值的大小由非零矢量和零矢量的作用时间来确定,从而决定何时开通A,B,C三相。当定时器的计数器与CMPRx的值发生匹配时,空间矢量对应的控制信号输出就会改变。
TMS320F2812的PWM口有片内上拉电阻,高阻态时默认为高电平,而通用的IGBT元件为高电压导通,因此为防止高阻态时同一桥臂的两个IGBT同时导通的情况发生,采用SN74HOOD和SN74H10D芯片设计了PWM检测报警电路。
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4 软件设计
在系统设计中,通常总是尽可能地用软件资源代替硬件资源,以降低成本,简化系统结构,该系统软件部分采用C语言编程,主要包括上位机软件和DSP控制程序。上位机通过仿真器与DSP连接,实现了SVPWM波形输出、电流检测、过压保护等功能。DSP控制程序由两个模块组成,即主程序模块和中断服务程序模块。系统主程序流程图如图8所示。
在系统初始上电后,会首先进入系统资源初始化,然后进行PMSM转子初始位置角的检测,得到位置角信息后进入后台处理程序,等待中断处理信号用以进入系统子程序对电机进行控制。中断模块主要是进行速度环和电流环的处理以及与上位机交换数据。
5 实验结果
实验中给定直流母线电压Udc=220 V,PWM采样周期为0.2ms,电机各定子绕组R=3.1Ω,最大转速1000 r·min-1,转动惯量J=0.0036 kg·m2、极对数p=2。实验中电机以空载开始运行,图9a为电机给定转速600 r·min-1时,a,b两相电流波形图,可见,电流波形的正弦性好,精度高,能使电机平稳运行。电机在运行10 s后加2 N·m负载,图9b为电机负载转矩图,电机在空载时,其转矩波形在零附近波动,突加负载后转矩略有波动,但很快就恢复稳定,电机转矩响应时间短。实验结果表明,采用矢量控制实现的PMSM系统具有较好的动静态特性。
6 结论
设计了一种基于TMS320F2812的永磁同步电动机控制器,解决了电机控制中一些实际问题,采用矢量控制法和SVPWM技术对控制器进行了调试,由实验结果可见系统响应较快,控制精度高,稳定性好,证明了该设计的有效性和合理性。