基于DSP的PMSM矢量控制在電梯控制中的應用*

陳應豪，羅 飛，許玉格

(華南理工大學自動化科學與工程學院，廣州510640)

1 引言

三相永磁同步電機是從繞線式轉子同步伺服電動機發展而來的，它克服了交流同步伺服電動機一些致命的弱點，而又同時兼有體積小、慣性低、效率高等特點。而直到20世紀70年代以后，由于計算機以及近20多年來新型的快速電力電子元件的不斷出現，交流異步電機的調速才成為可能。并且在基于成熟的理論前提下，利用高速處理器DSP可以實現電動機的調速控制。同步電機相比異步電機，磁鏈位置與轉子位置同步，在實際控制時直接檢測轉子的位置就可以得到磁鏈的位置，因此控制起來更加簡單。同步電機在數控機床、醫療器械、儀器儀表、微型汽車、工業機器人等領域中都得到廣泛的應用。對于電梯曳引機，要求振動小、噪聲低和足夠的轉矩。下面就介紹永磁同步電機的矢量變化控制在電梯控制驅動系統上的應用。

2 矢量變換控制技術的引出

從電源角度出發的SPWM控制技術雖然控制線性度好并且容易實現，但是也有明顯的缺點—電壓利用率太低，因此人們就提出了現在最流行、效果最好的電壓空間矢量PWM技術—磁鏈軌跡法。SVPWM技術從電動機角度出發，通過控制加在定子上的三相電壓，產生旋轉圓形磁場。

但是，相比起直流電機，交流電機的勵磁電流和負載電流都在定子電路內，調速是比較復雜的。而基于對產生旋轉磁場的等效方法的思考，德國人F.Blaschke在1971年就提出了矢量控制理論，將一個三相交流的磁場系統通過兩相交流系統作為過渡，變換成為一個旋轉體上的直流磁場系統。將用于控制交流調速的給定信號變換成類似于直流電機磁場系統的控制信號，控制時，可以和直流電動機一樣，使其中一個磁場電流不變，而控制另一個磁場電流信號，從而獲得和直流電動機類似的控制效果。

矢量變換控制的根本思路，就是以產生同樣的旋轉磁場為準則，建立交、直流電動機的等效關系，把交流電動機模擬成直流電動機來控制。經過Clarke變換和Park變換之后，就可以把交流電動機模擬成直流電動機來控制了。

由于篇幅有限，關于Clarke變換和Park變換的內容在此不作介紹，有興趣的讀者可以參考文獻5。

3 SVPWM基本原理

用三相平衡正弦電壓向交流電動機供電時，電動機的定子磁鏈空間矢量復制恒定，并以恒速旋轉磁鏈矢量的運動軌跡形成圓形的空間旋轉磁場。電壓空間矢量按繞組的實際空間位置來定義，三相定子位置上相差120°，而在其所施加的三相平衡電壓在相位上也是相差120°。三相電壓空間矢量相加所形成的一個合成電壓空間矢量U是一個旋轉的空間矢量，它的旋轉頻率正好是電源頻率ω。而經過推導電壓矢量與磁鏈矢量的關系得出，磁鏈矢量在空間旋轉一周時，電壓矢量也連續地沿磁鏈圓的切線方向運動一周，并且運動軌跡和磁鏈圓重合。這樣，電機旋轉磁場的問題就可以轉化為對電壓空間矢量的運動軌跡形狀的研究了。

控制電壓空間矢量的運動軌跡，是基于逆變器(本應用采用IPM模塊)的幾種開關狀態所產生的基本電壓空間矢量的時間線性組合。

圖1 基本電壓空間矢量及扇區

其中的U旋轉角速度即為輸出正弦電壓的角頻率，可以由Ux和Ux+60線性時間組合來合成，它等于t1/TPWM倍的 Ux和 t2/TPWM倍的 Ux±60的矢量和。其中t1和t2分別是Ux和Ux+60的作用時間，TPWM是U作用的時間。這樣，當TPWM取足夠小的時候，電壓空間矢量的軌跡就近似是一個圓形了。其中，TPWM可以自己選定，U也可以根據電機特性曲線確定，根據圖2所示，有

而事實上，還有兩個零基本矢量沒有標出，U000和U111，一般在TPWM時間內分散地插入零矢量，以提高電動機性能。其總時間為t0，并且滿足:TPWM=t0+t1+t2，另外，要進行矢量線性合成前需知道應該用哪兩個基本矢量進行合成，所以，必須知道磁鏈所在的區域。而圖中已經將兩兩相鄰基本矢量之間的空間劃分為6個扇區。

圖2 電壓空間矢量的線性組合

以上所述的SVPWM原理，可以用軟件實現，而更加方便的辦法，是利用具有SVPWM硬件功能的DSP直接硬件產生。TI公司的TMS320F2812是電機專用的高端DSP，正確的對硬件設置可以產生所需要的SVPWM波，從而簡化和優化了控制程序。圖3為第5扇區在一個TPWM周期內(逆時針)硬件實現的五段式SVPWM波形。

圖3 第5扇區SVPWM波形(逆時針)

4 電梯驅動DSP控制系統

圖4中IPM模塊采用三菱公司的PM50CLA060(6單元)，VDC是整流后的直流電壓。另外，除了驅動模塊、電流傳感器、PMSM，編碼器外，圖中其他功能算法均可以由DSP實現。

三相繞組的U相和V相通過電流傳感器測量逆變器輸出的定子電流iU、iV，經過DSP的A/D轉換器轉化成數字量，并利用式iW=－(iU+iV)計算出iW。通過Clarke變換和Park變化將電流iU，iV，iW變化成旋轉坐標系中的直流分量iq、id，iq、id作為電流環的反饋量。

利用旋轉編碼器測量電動機的角速度ω，接著通過積分計算變換為電角θ。其中，電角θ用于參與park變換的計算，而ω用作速度的負反饋，亦即途中的給定電梯速度負反饋量。

給定的電梯運行速度與負反饋量ω運算后經過PI調節器，輸出得到旋轉坐標中用于轉矩控制的電流q軸分量，連同旋轉坐標中另一分量，(等于零)與電流反饋量iq，id運算后經過PI調節器，分別輸出旋轉坐標系 Odq的電壓分量Uq，Ud。Uq，Ud，通過Park逆變換后得到Oαβ兩相坐標中的電壓分量 Uα，Uβ。這時 Uα，Uβ，已知，并且計算得到 Uα，Uβ所在的扇區，就可以實現SVPWM波形，經過驅動模塊來控制IPM模塊，從而控制PMSM。IPM模塊是一個集成的智能模塊，整個電梯控制系統中，主要包括電梯信號處理的邏輯控制和電機驅動兩大模塊。而在程序設計上，兩大功能模塊均作為定時器中斷服務程序，在主程序的死循環中等待每次定時器下溢執行。圖5中給出電機驅動部分定時器中斷服務程序流程圖。

圖4 電梯控制系統驅動部分原理圖

圖5 定時器中斷服務程序流程圖

流程圖中的轉子相位初始化可以通過給定子一個id=0，iq=in(額定電流)，θ= －90°的直流電來實現。

5 結束語

TMS320F2812高端DSP，由于本身已經帶有電機控制模塊，只需通過硬件設置便可以產生SVPWM波，實現矢量控制相對簡單。PMSM的矢量控制在電梯驅動的應用上已經獲得良好的效果，不但振動小、噪聲低，而且能達到精確的控制要求。隨著矢量控制技術的逐漸成熟和普及，PMSM矢量控制在其他應用領域的前景也十分看好。

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