高性能PMSM矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張永春

（常州工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，常州 213002）

0 引言

電機(jī)作為電能與機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸以及日常生活中都發(fā)揮著重要作用，其中永磁同步電機(jī)（PMSM）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率密度高、損耗小、效率高和控制性能好的特點(diǎn)，在各行業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面獲得了廣泛應(yīng)用[1,2]。為了獲得良好的調(diào)速特性，在高性能永磁同步電機(jī)控制中，一般需要轉(zhuǎn)子的位置和速度信號(hào)，傳統(tǒng)方法是在軸上安裝傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度，這些裝置不僅增加了系統(tǒng)的成本，還使電機(jī)的整體尺寸和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大，降低了系統(tǒng)的可靠性，從而使PMSM在一些領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。隨著控制理論的發(fā)展及各種專用電動(dòng)機(jī)控制芯片的不斷出現(xiàn)，利用調(diào)速系統(tǒng)中電壓、電流等有關(guān)電信號(hào)，通過(guò)適當(dāng)方法計(jì)算出PMSM轉(zhuǎn)子的位置及速度信號(hào)，構(gòu)成高性能無(wú)傳感器PMSM調(diào)速系統(tǒng)成為電機(jī)控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3,4]。

1 矢量控制系統(tǒng)原理

1.1 坐標(biāo)變換及PMSM數(shù)學(xué)模型

電動(dòng)機(jī)的速度控制實(shí)際上是通過(guò)控制轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)的，永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)具有高精度、高動(dòng)態(tài)性能和寬范圍的調(diào)速特性，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。與永磁直流電動(dòng)機(jī)不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)的電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)與永磁磁場(chǎng)不正交，因此難以通過(guò)控制電樞電流來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩[5]。為實(shí)現(xiàn)矢量控制，應(yīng)將PMSM等效成直流電動(dòng)機(jī)物理模型，然后按照直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法進(jìn)行控制，因此需要依據(jù)合成磁動(dòng)勢(shì)等效原則和功率不變?cè)瓌t進(jìn)行坐標(biāo)變換。在PMSM矢量控制系統(tǒng)中，利用Clark變換、Park變換分別實(shí)現(xiàn)三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)BC到兩相靜止坐標(biāo)系αβ的變換，兩相靜止坐標(biāo)系αβ到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq的變換，Clark變換、Park變換如下。

式中： ia、ib、 ic—三相靜止坐標(biāo)系下電流矢量；

iα、iβ—兩相靜止坐標(biāo)系下電流矢量；

id、iq—兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流矢量。

在磁路不飽和且空間磁場(chǎng)按正弦分布、三相電流對(duì)稱、不計(jì)磁滯和渦流損耗等假設(shè)條件下，經(jīng)過(guò)Clark變換和Park變換后，可得到dq坐標(biāo)系下PMSM的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：ud、uq、id、iq為定子 d、q軸電壓、電流；

ψd、ψq為定子d、q軸磁鏈；

Ld、Lq為定子繞組d、q軸電感；

ψf為轉(zhuǎn)子永磁體基波磁場(chǎng)在定子繞組中產(chǎn)生的磁場(chǎng)；

p為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)；

Te為電磁轉(zhuǎn)矩；

r為定子繞組相電阻；

w為角頻率。

1.2 PMSM矢量控制系統(tǒng)組成

矢量控制是目前PMSM高性能控制的主要方法，其基本思想是通過(guò)空間矢量坐標(biāo)變換及磁場(chǎng)定向的方法，將PMSM轉(zhuǎn)換成類似于直流電動(dòng)機(jī)的等效模型來(lái)進(jìn)行控制，本質(zhì)上屬于一種解耦控制[6]。如前所述，在構(gòu)成傳統(tǒng)PMSM矢量控制系統(tǒng)時(shí)，需要用傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置、速度信號(hào)而導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，因此利用信息重構(gòu)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的無(wú)位置傳感器矢量控制系統(tǒng)是目前的研究重點(diǎn)。由前面電磁轉(zhuǎn)矩方程表達(dá)式可知，當(dāng)p、ψf、Ld、Lq等參數(shù)確定后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩由id、iq決定。因此通過(guò)控制id、iq即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制，進(jìn)而控制PMSM的轉(zhuǎn)速。對(duì)于表面式永磁同步電動(dòng)機(jī)，Ld與Lq相同，另id=0，則通過(guò)控制iq即可實(shí)現(xiàn)PMSM轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

圖1為無(wú)位置傳感器PMSM矢量控制系統(tǒng)原理圖，在控制方法上采用電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制技術(shù)。系統(tǒng)中整流濾波模塊、智能功率模塊連同PMSM共同構(gòu)成系統(tǒng)的主電路，利用單電阻對(duì)主電路的總線電流采樣后進(jìn)行重構(gòu)可得到逆變器的三相輸出電流ia、ib、 ic，經(jīng)CLARK變換后實(shí)現(xiàn)三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的電流矢量變換，得到αβ坐標(biāo)系下電流矢量iα、iβ。iα、iβ經(jīng)PARK變換后得到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的等效電流矢量id、iq，將其作為反饋值與給定值i d*、iq*比較后作為電流調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)，電流調(diào)節(jié)器輸出控制量為dq坐標(biāo)系下電壓矢量，為實(shí)現(xiàn)SVPWM控制，需要得到αβ坐標(biāo)系下的電壓控制矢量uα和uβ，系統(tǒng)中PARK逆變換完成該功能。由PARK變換矩陣的正交性，根據(jù)線性代數(shù)知識(shí)可知PARK逆變換矩陣可由PARK變換矩陣轉(zhuǎn)置得到。

圖1 無(wú)位置傳感器PMSM矢量控制系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心控制器及功率模塊

高性能的控制芯片是實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器PMSM矢量控制的基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)比不同控制芯片的運(yùn)算能力、存儲(chǔ)空間、抗擾性能等特點(diǎn)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了IR公司推出的IRMCF341來(lái)實(shí)現(xiàn)PMSM的矢量控制。與傳統(tǒng)單片機(jī)或DSP不同，IRMCF341內(nèi)部集成了16位的電機(jī)控制引擎（MCE）和高速8位8051微處理器。MCE包含了所有的電機(jī)控制要素、電機(jī)外設(shè)、專有的運(yùn)動(dòng)控制時(shí)序發(fā)生器及用于數(shù)據(jù)交換的雙端口RAM。工作時(shí)8051可通過(guò)雙端口RAM向MCE的寫寄存器組發(fā)送控制信息，或讀取MCE的讀寄存器組的相應(yīng)狀態(tài)信息。軟件方面，IRMCF341不需要編寫電機(jī)控制程序，其內(nèi)部嵌入了磁場(chǎng)定向控制（FOC）算法和弱磁控制算法，用戶可以通過(guò)專用的圖形編譯器在MALTAB/Simulink環(huán)境下以搭積木的方式構(gòu)建自己的電機(jī)控制系統(tǒng)。此外，用戶還能靈活的通過(guò)8051編程來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制、用戶接口、主機(jī)通訊以及上層控制任務(wù)等系統(tǒng)實(shí)際需要的功能。

逆變器作為PMSM的供電環(huán)節(jié)，其性能直接影響PMSM調(diào)速系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。為了提高系統(tǒng)整體的可靠性并簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)的逆變器采用了IR公司生產(chǎn)的IRAMX20UP60A型集成功率模塊。該智能功率模塊（IPM）集成度較高，其內(nèi)部集成了6只N型IGBT和一個(gè)前置驅(qū)動(dòng)芯片IR2136，額定開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到20kHz，輸出能力為20A/600V。由于該IPM在組件布局上做了優(yōu)化和內(nèi)部屏蔽，在使用時(shí)可有效縮短布線長(zhǎng)度，因此具有良好的抗電磁干擾性能，使系統(tǒng)的整體可靠性得到提高。此外，該模塊的內(nèi)部還集成了溫度檢測(cè)功能模塊，方便了系統(tǒng)保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。

2.2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

圖2 系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)

如圖2所示為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理圖。IRMCF341的42～47引腳為輸出引腳，在該電路中用于產(chǎn)生6路PWM門極信號(hào)，在實(shí)際使用時(shí)需外接上拉電阻。分別與IRAMX20UP60A的15～20引腳相連，并通過(guò)IRAMX20UP60A內(nèi)部集成的前置驅(qū)動(dòng)芯片IR2136產(chǎn)生三相橋式逆變器中6只IGBT所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。T/ITRIP為驅(qū)動(dòng)芯片IR2136的溫度/電流保護(hù)管腳，與IRMCF341的模擬輸入通道AIN1相連，實(shí)現(xiàn)溫度/電流信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)及保護(hù)。為便于存儲(chǔ)程序以及用戶調(diào)試、修改，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選用了2K的串行電可擦除程序存儲(chǔ)器AT24C02N，通過(guò)IRMCF341的55引腳和56引腳可完成AT24C02N的程序?qū)懭搿⒉脸δ堋?/p>

由無(wú)位置傳感器PMSM矢量控制系統(tǒng)工作原理分析可知，為實(shí)現(xiàn)PMSM的矢量控制，必須得到精確的電動(dòng)機(jī)相電流ia、ib、 ic，即逆變器的三相輸出電流，經(jīng)變換后得到閉環(huán)控制所需的電流反饋量。此外，PMSM矢量控制系統(tǒng)所需的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置也需要利用精確的電流信息進(jìn)行估算，可見(jiàn)準(zhǔn)確的電流檢測(cè)至關(guān)重要。IRMCF341芯片內(nèi)部具有一套專有的模數(shù)混合電路，用于實(shí)現(xiàn)單電阻電流采樣以及電機(jī)電流重構(gòu)算法，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)又能降低系統(tǒng)成本，具體接線方法見(jiàn)圖2。IRAMX20UP60A的12～14引腳為逆變器的直流負(fù)母線，通過(guò)采樣電阻與IRMCF341內(nèi)部電流檢測(cè)運(yùn)算放大器的輸入（IFB+、IFB-）、輸出（IFBO）相連，參考電壓由AREF引腳提供。IRMCF341完成電機(jī)的電流采樣后進(jìn)行重構(gòu)可以得到電機(jī)相電流信息ia、ib、 ic，并通過(guò)反電勢(shì)積分的方法估算出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)PMSM的矢量控制。另外，系統(tǒng)利用MAX232和光電隔離器6N137實(shí)現(xiàn)IRMCF341與PC機(jī)的通訊功能，方便了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與調(diào)試。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

IRMCF341不需要用戶編寫電機(jī)控制算法程序，只需要編寫配置電機(jī)控制參數(shù)、正反轉(zhuǎn)設(shè)定、跟蹤采樣、電機(jī)啟動(dòng)/停止、升降速等子程序，因此軟件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，系統(tǒng)軟件調(diào)試流程如圖3所示。軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，首先要對(duì)IRMCF341內(nèi)部寄存器組、電機(jī)控制相關(guān)的各寄存器組、電流取樣寄存器組等多組寄存器進(jìn)行參數(shù)配置，該項(xiàng)工作可借助IR公司提供的電機(jī)調(diào)試軟件MCE Wizard和MCE Designer完成。對(duì)于某一臺(tái)具體的電動(dòng)機(jī)，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)、計(jì)算等方法獲取矢量控制系統(tǒng)所需的信息，將這些信息逐一添加到MCE Wizard提供的對(duì)應(yīng)窗口中，計(jì)算后可以得到各寄存器所需的參數(shù)值，將參數(shù)值導(dǎo)入MCE Designer的寄存器中后，在MCE Designer環(huán)境下調(diào)試系統(tǒng)。調(diào)試過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行性能不理想的情況，這時(shí)需要根據(jù)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況、采樣信息以及MCE Designer波形窗口中的波形特點(diǎn)重新調(diào)整參數(shù)，直至獲得滿意的運(yùn)行特性。MCE Designer環(huán)境下電機(jī)能夠按照實(shí)際需要穩(wěn)定運(yùn)行后，即可圍繞MCE控制進(jìn)行電機(jī)控制時(shí)序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及其他輔助功能的8051代碼實(shí)現(xiàn)。

圖3 系統(tǒng)調(diào)試流程圖

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)選用的PMSM參數(shù)為：額定功率為3kW，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定電流10A。通過(guò)實(shí)驗(yàn)、計(jì)算后得到PMSM矢量控制系統(tǒng)所需的配置參數(shù)，主要包括總線電壓：300V；過(guò)壓水平：360V；低壓水平：240V；高壓保護(hù)：360V；極對(duì)數(shù)：8；定子電阻：0.2Ω；Q軸相電感：0.0014H；D軸相電感：0.0008；反電勢(shì)常數(shù)Ke：55.66V·min/kr；力矩常數(shù)Kt：1.68N·m/A；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.003kg·m2；最大轉(zhuǎn)速：4000 r/min；最小轉(zhuǎn)速：300 r/min；加速度：300rpm/s；減速度：300rpm/s；保護(hù)電流：100%；啟動(dòng)電流：100%；速度調(diào)整寬度：5rad/s；速度反饋時(shí)間常數(shù)：7ms；電流再生帶寬：1500rad/s；鎖相環(huán)帶寬：600rad/s；不穩(wěn)定時(shí)間估計(jì)值：0.015s；啟動(dòng)閉環(huán)臨界轉(zhuǎn)速：150r/min；停車電流：25%；停車時(shí)間：2s；第一步停車角度：90°；第二步停車角度：120°；三相到兩相門限降速：30%；三相到兩相門限升速：20%；三相最小脈沖寬度：2μs；兩相最小脈沖寬度：2μs。上述參數(shù)配置完成后啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，圖4、圖5分別為示波器觀測(cè)到的采樣電阻動(dòng)態(tài)波形和總線電壓動(dòng)態(tài)波形圖。根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行特性及示波器的觀測(cè)結(jié)果，通過(guò)調(diào)節(jié)濾波器截止頻率、電流環(huán)帶寬、速度環(huán)帶寬等控制參數(shù)，系統(tǒng)獲得了良好的運(yùn)行特性。

圖4 采樣電阻動(dòng)態(tài)波形

圖5 總線電壓動(dòng)態(tài)波形

5 結(jié)束語(yǔ)

以IRMCF341為核心控制器，與智能功率模塊IRAMX20UP60A組成無(wú)傳感器PMSM矢量控制系統(tǒng)，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且使系統(tǒng)的可靠性得以提高。IRMCF341內(nèi)部嵌入的FOC算法和弱磁控制算法以及MCE Designer調(diào)試環(huán)境方便了用戶軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試，縮短了開(kāi)發(fā)周期。實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)表明，對(duì)于某一臺(tái)具體的PMSM，通過(guò)參數(shù)配置與調(diào)整，本系統(tǒng)能夠獲得良好的運(yùn)行特性。

[1]湯曉燕.電機(jī)控制系統(tǒng)核心芯片的比較[J].沙洲職業(yè)工學(xué)院學(xué)報(bào), 2008, 3: 8-11.

[2]王春民, 嵇艷鞠, 欒卉, 等.MATLAB/SIMULINK永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2009, 1: 17-22.

[3]席惠, 馬立華, 宗劍.基于IRMCF341的永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用, 2010, 9:41-46.

[4]王軍剛, 杜坤梅, 李文娟, 等.應(yīng)用IRMCF341的無(wú)位置傳感器PMSM控制系統(tǒng)的研究[J].黑龍江水專學(xué)報(bào), 2007,3: 68-70.

[5]王秀和, 等.永磁電機(jī)(第2版)[M].北京: 中國(guó)電力出版社, 2011: 290-310.

[6]夏燕蘭.永磁同步電動(dòng)機(jī)PMSM矢量控制系統(tǒng)的研究[J].電氣技術(shù), 2008, 12: 33-35.