1KW PMSM控制器通用硬件平臺的探討

李紹卓，王 薇，廖海燕

（1. 神華國華（北京）電力研究院有限公司，北京 100025； 2. 第二炮兵裝備研究院，北京 100011）

1KW PMSM控制器通用硬件平臺的探討

李紹卓1，王 薇2，廖海燕1

（1. 神華國華（北京）電力研究院有限公司，北京 100025； 2. 第二炮兵裝備研究院，北京 100011）

0 引言

近年來，永磁同步電機(jī)(PMSM) 以其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、高轉(zhuǎn)矩/慣性比、高效率等優(yōu)點(diǎn)，在家庭、數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人以及航空航天等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。PMSM以一個(gè)與電源頻率同步的恒定速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，不受負(fù)載和線路電壓的影響，是高精度定速驅(qū)動的理想選擇。PMSM 的速度/轉(zhuǎn)矩特性非常適用于直接驅(qū)動大馬力、低轉(zhuǎn)速（rpm）的負(fù)載。同步電機(jī)能夠以較高的功率因數(shù)運(yùn)行，因此能提高整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)，進(jìn)而能消除或減少功率因數(shù)的損失。功率因數(shù)的提高還可以減少系統(tǒng)及電機(jī)終端的壓降。PMSM 舍棄了勵(lì)磁線圈，而且轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子磁場的轉(zhuǎn)速相同。PMSM 的這種設(shè)計(jì)可以消除轉(zhuǎn)子銅損，與傳統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)相比可以產(chǎn)生極高的效率峰值。PMSM的功率重量比也高于感應(yīng)電機(jī)。

本文在對PMSM的多種控制算法分析的基礎(chǔ)上，主要闡述PMSM控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的硬件平臺方案。根據(jù)本文設(shè)計(jì)方案，主要控制功率在1kw以內(nèi)的PMSM。

1 硬件平臺方案

1.1 PMSM控制器一般解決方案

PMSM控制器主要針對當(dāng)前PMSM應(yīng)用需求擴(kuò)大而設(shè)計(jì)，性價(jià)比將在方案擬定過程中是重要的參考。

在實(shí)際工程中，無刷電機(jī)控制器設(shè)計(jì)時(shí)采用比較多的是帶有位置或者速度反饋的方案：通過霍爾、光編、旋變等傳感器檢測電機(jī)運(yùn)行位置或者速度信息實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)動控制。如圖1所示。

圖1 有傳感器控制方案

電機(jī)的無傳感器控制技術(shù)始于上個(gè)世紀(jì)70年代，重點(diǎn)是通過電機(jī)運(yùn)行態(tài)的觀測和電機(jī)系統(tǒng)的辨識而實(shí)現(xiàn)電機(jī)磁鏈和速度控制，其一般過程如圖2所示。

圖2 無傳感器控制方案

圖3 通用平臺方案框圖

1.2 本系統(tǒng)方案及工作原理

1KW以內(nèi)PMSM應(yīng)用場合，對于控制器的要求各有差異，但總體上可以分為兩大類：有傳感器控制器和無傳感器控制器。前者往往注重性能：對實(shí)際能夠達(dá)到的速度、位置、力矩波動的控制參數(shù)敏感；而后者對于產(chǎn)品的直接成本更加敏感。結(jié)合實(shí)際情況，本方案擬結(jié)合上述兩種解決方案以應(yīng)對兩類不同的需求：采集相電流同時(shí)也保留常用傳感器反饋通道設(shè)計(jì)，以保持系統(tǒng)能夠適應(yīng)多種流行算法實(shí)現(xiàn)的需要。方案框圖如圖3所示。

借助諸如矢量控制等復(fù)雜的控制方法，PMSM 可以提供與高性能的四象限直流驅(qū)動相仿的控制功能。矢量控制是PMSM的一種高級控制方法，這種方法利用磁場定向的原理來控制磁通、電流和電壓的空間矢量。可以建立一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，將矢量分解成磁場產(chǎn)生的部分和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的部分。這樣，電機(jī)控制器（即矢量控制器）的結(jié)構(gòu)幾乎與分勵(lì)直流電機(jī)完全相同，從而簡化了永磁同步電機(jī)的控制。過去開發(fā)這種矢量控制技術(shù)的目的是在永磁同步電機(jī)中達(dá)到同樣出色的動態(tài)性能。在此方法中，必須將定子電流分解為產(chǎn)生磁場的部分和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的部分，以便分別控制磁通量和轉(zhuǎn)矩。要做到這一點(diǎn)，必須建立與轉(zhuǎn)子磁場關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系統(tǒng)。該坐標(biāo)系統(tǒng)通常稱為“d，q 系統(tǒng)”。將轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為定子坐標(biāo)系統(tǒng)通常需要很強(qiáng)的CPU 運(yùn)算性能。

要進(jìn)行矢量控制，必須做以下步驟的工作：

1）測量電機(jī)的數(shù)值（相電壓和電流）。

2）用 Clarker 轉(zhuǎn)換將它們轉(zhuǎn)換成2 相系統(tǒng)(α，β)。

3）計(jì)算轉(zhuǎn)子磁通空間矢量的大小和角度位置。

4）用 Park 轉(zhuǎn)換將定子電流轉(zhuǎn)換成d，q 坐標(biāo)系統(tǒng)。

5）定子電流的轉(zhuǎn)矩（isp）和磁通（isd）分量由控制器分別進(jìn)行控制。

6）用去耦模塊計(jì)算定子電壓空間矢量的輸出值。

7）通過 Park 反向轉(zhuǎn)換將定子電壓空間矢量從d，q 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換回固定于定子的2 相系統(tǒng)。

8）用正弦調(diào)制生成 3 相輸出電壓。

2 硬件平臺設(shè)計(jì)

基于上述算法實(shí)現(xiàn)的需要，結(jié)合功放驅(qū)動電路設(shè)計(jì)的一般原則，本方案電路分為三各部分：主控電路（包括主控制器、編碼器反饋回路、旋變解調(diào)、溫度反饋回路）、功率轉(zhuǎn)換電路、電源變換電路。

2.1 主控電路

2.1.1 主控制器

主控制器采用NXP公司基于ARMCortex-M3核的LPC1768微控制器,擬采用SPI0、CAN1/2、ADC、MCPWM、QEncoder、UART、I2C幾個(gè)外圍功能模塊，實(shí)現(xiàn)功能如下：

2.1.2 編碼器反饋回路

所選用主控制器外圍擴(kuò)展由兩通道的正交編碼器，能夠?qū)⒔嵌刃畔⑥D(zhuǎn)換為脈沖信號，通過檢測脈沖信號的數(shù)量和相位差，就可以實(shí)現(xiàn)位置、速度、轉(zhuǎn)向的檢測。在實(shí)現(xiàn)過程中只需增加數(shù)字整形電路即可直接介入編碼器反饋信號。

2.1.3 電流反饋回路

電機(jī)電流的監(jiān)測有兩種不同結(jié)構(gòu)：低端檢測和高端監(jiān)測。高低端檢測分別如圖4和圖5所示：

圖4 低端電流檢測

圖5 高端電流檢測

采用低端檢測方式，電路非常簡單，成本低廉，信號調(diào)理電路往往一個(gè)運(yùn)放就足以，所以一般場合的應(yīng)用常采用這種方式。高端檢測方法可以直接檢測出每相相電流。相比較而言前者成本低，電路容易實(shí)現(xiàn)，但會引入額外電阻而帶來接地噪聲。后者相對成本高一些，但可以直接得到相電流，為后期實(shí)現(xiàn)提供方便。這里擬采用高端檢測的方式，以提高系統(tǒng)帶寬和適應(yīng)性。

具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可選擇IR2177為核心器件來實(shí)現(xiàn)該檢測電路，如圖6所示。

2.1.4 旋轉(zhuǎn)變壓器解調(diào)

AMC1210的PWM輸出直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)變壓器，ADS1205的參考引腳(REF)將正弦及余弦信號的電壓限制在正確范圍之內(nèi)。由于 ADS1205參考輸出具有高阻抗特性，不能提供足夠的驅(qū)動電流，故需增加緩沖。旋轉(zhuǎn)變壓器另一側(cè)的輸出引腳的阻抗低，因而可以直接驅(qū)動調(diào)制器的輸入端。

圖6 電流反饋回路

圖7 旋轉(zhuǎn)變壓器解調(diào)回路

2.1.5 溫度反饋

電機(jī)驅(qū)動的熱設(shè)計(jì)往往是功率轉(zhuǎn)換的重要一環(huán)，除了選擇恰當(dāng)?shù)钠骷蜕嵩O(shè)計(jì)，減少本身損耗外，還應(yīng)該設(shè)計(jì)溫度反饋回路，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的過熱保護(hù)。

圖8 溫度反饋回路

由于功率轉(zhuǎn)換器件采用高性能的TMOS管PSMN020，其熱耗為小于1.4K/W。按照21A持續(xù)電流，內(nèi)阻為20mΩ來算，其熱耗引起溫升為：12K。在設(shè)計(jì)過程中如果增加覆銅面積有助于進(jìn)一步改善溫升效應(yīng)。

作為輔助的設(shè)計(jì)，這里采用二極管作為傳感器結(jié)合集成電路SA56004實(shí)現(xiàn)溫度的反饋，能夠?qū)崿F(xiàn)-40℃～125℃范圍內(nèi)的溫度探測。

2.2 功放驅(qū)動

為簡化電源設(shè)計(jì)，在現(xiàn)在的PWM功率驅(qū)動設(shè)計(jì)中幾乎全部采用橋式結(jié)構(gòu)。本驅(qū)動器控制的目標(biāo)為功率1kw左右的永磁同步直流電機(jī)，在大多數(shù)場合有雙向應(yīng)用需求。因此本方案擬采用全橋驅(qū)動結(jié)構(gòu)：

圖9 全橋驅(qū)動結(jié)構(gòu)

本方案采用48V供電設(shè)計(jì)，1KW的驅(qū)動能力，則線電流將達(dá)到21A（1000W/48V）。在持續(xù)電流作用下耗散功率約為9w，增加散熱片，所以選用的開關(guān)管需滿足上述要求。根據(jù)性價(jià)對比，開關(guān)元件擬采用采用高性能MOS管PSMN020-100YS。在上述結(jié)構(gòu)中，因Q1/2/3出于高側(cè)，其驅(qū)動往往需要特別設(shè)計(jì)，所以常常使用對應(yīng)的P管來代替。考慮到實(shí)現(xiàn)算法對開關(guān)管的一致性要求，采取專用集成電路來實(shí)現(xiàn)高側(cè)管的驅(qū)動設(shè)計(jì)方案：

2.3 電源變換

出于成本方面和應(yīng)用場合的考慮，電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)不做防雷設(shè)計(jì)。系統(tǒng)用電分為三部分：主控制器邏輯供電；信號調(diào)理電路的模擬供電；功率供電。

2.3.1 主控器邏輯供電

系統(tǒng)采用LPC1768主控制器，工作電壓為3.3V，另有前向通道外圍電路工作電壓為5V和12V兩種。選用UWD240512K-15W，可提供12V和5V兩種工作壓，其中5V輸出電流為1A，12V工作輸出電流為800mA。3.3V主控器工作電壓統(tǒng)AS1117-3V3變換得到。

圖10 功放驅(qū)動回路

2.3.2 模擬供電

信號調(diào)理電路采用主要針對旋變解調(diào)電路使用，整個(gè)功耗不超過15W，這里這里選用URA4812LD-20W型號的隔離電源。

圖11 URA2412LD-15W& URA2412LD-20W效率曲線圖

2.3.3 功率供電

功率供電直接源于電源，這里可根據(jù)電機(jī)特性增加扼流圈、濾波電容，以減小引入噪聲。

2.4 抗干擾隔離措施

采用全數(shù)字脈沖調(diào)制電路驅(qū)動電機(jī)容易將為整個(gè)系統(tǒng)引入附加噪聲，同時(shí)出于安全方面的考慮，本設(shè)計(jì)方案擬在信號處理方面采用如下措施：

2.4.1 信號輸出隔離

由主控制器輸出的PWM信號采用光耦隔離，以保證隔離功率轉(zhuǎn)換電路對主控制器的干擾。

2.4.2 電源隔離

正如上文闡述，本系統(tǒng)將功率電、邏輯電、模擬電采用獨(dú)立供電方式，保證系統(tǒng)安全。

2.4.3 印制電路處理

針對各個(gè)功能模塊的特點(diǎn)，本系統(tǒng)擬將系統(tǒng)分置三個(gè)獨(dú)立電路板來共同實(shí)現(xiàn)：電源轉(zhuǎn)換板、主控電路板、功率轉(zhuǎn)換板。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，著重對地線進(jìn)行隔離處理。

3 結(jié)論

系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接與系統(tǒng)的軟、硬件平臺相關(guān)。相對硬件平臺而言，軟件工程更著重于在實(shí)踐中探索。上述章節(jié)沒有涉及軟件設(shè)計(jì)，尤其是算法設(shè)計(jì)部分，還僅限于理論仿真和對他人相關(guān)成功經(jīng)驗(yàn)的借鑒，因此在實(shí)踐中有待進(jìn)一步摸索、驗(yàn)證和改進(jìn)，以適合應(yīng)用系統(tǒng)的需要。也正因?yàn)樵谲浖O(shè)計(jì)中的這種“不確定性”，這里的硬件平臺的設(shè)計(jì)不具備性價(jià)比最優(yōu)原則和經(jīng)濟(jì)性原則，而是以為多種控制算法的實(shí)現(xiàn)運(yùn)行提供靈活的平臺為原則，同時(shí)硬件方案也為系統(tǒng)今后擴(kuò)展升級考慮，所以在部分資源的配置上留有一定的空間。

[1]NXP Semiconductors.LPC1768 Datasheet .

[2]TEXAS INSTRUMENTS.AMC1210 Datasheet.

[3]TEXAS INSTRUMENTS.ADS1205 Datasheet.

[4]NXP Semiconductors. SA56004 Datasheet .

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Research on the general hardware platform of the controller of PMSM with power under 1KW

LI Shao-zhuo1, WANG Wei2, LIAO Hai-yan1

本文在對PMSM的多種控制算法分析的基礎(chǔ)上，主要闡述PMSM控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的通用硬件平臺方案。根據(jù)本文設(shè)計(jì)方案，主要控制功率在1kw以內(nèi)的PMSM。

PMSM；控制算法

李紹卓（1977 -），男，貴州人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)楣I(yè)信息化及嵌入式控制技術(shù)。

TP273

A

1009-0134(2011)4(上)-0067-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).22

2010-10-23