基于DSP的永磁同步電機變頻系統設計與研究

李玉東，李 鵬，葛敬濤

（河南理工大學 電氣工程與自動化學院，焦作 454000）

0 引言

隨著我國對稀土資源的重視以及相關產業的大力發展，PMSM已經廣泛的應用在國民經濟以及日常生活中，也成為當前研究的重要領域[1]。PMSM用高性能的永磁體取代了電勵磁系統，使得永磁勵磁磁場穩態運行時在相繞組中產生正弦波感應電動勢，便于對PMSM的控制[2]。

交流變頻調速系統中，逆變驅動技術廣泛的采用脈寬調制的控制方式。針對控制PMSM多采用正弦脈寬調制（SPWM）[3]、空間矢量脈寬調制（SVPWM）等技術[4,5]。SVPWM技術相對傳統SPWM技術，對電機定子磁場針對性的提出旋轉圓形磁場方式，提高了直流電壓利用率以及電機控制性能，較適合PMSM的控制[6～8]。

考慮到實驗室伺服系統集成化、智能化需求，本文針對PMSM變頻調速系統[9～11]的這些特點，采用SVPWM對實驗室伺服系統進行技術改造，研究設計了一種基于DSP的數字化永磁同步電機變頻調速系統平臺。系統平臺實現了電機調速范圍、控制精度等主要技術指標的提升，解決了動態響應慢、效率低等問題，充分驗證了系統的可靠性。

1 矢量控制系統原理

矢量控制是基于功率守恒定律，通過坐標變換的方式，對PMSM定子電流iS進行矢量分解，實現電機勵磁磁通和電磁轉矩的相互獨立控制，近似達到了與實際他勵直流電機同樣的電流控制方式。

矢量控制坐標變換表達式為：

在假設電機磁路線性，不考慮渦流和磁滯損耗且永磁體產生的勵磁磁場和三相繞組產生的磁場在氣隙中均為正弦分布等條件下，引入PMSM在靜止ABC坐標系下的電壓矢量表達式為：

上式中，uA、uB和uC為三相定子繞組相電壓，iA、iB和iC為三相繞組中的電流，ΨA、ΨB和ΨC為A、B、C相繞組的全磁鏈。

將PMSM在兩相旋轉d-q坐標系下搭建數學模型，則PMSM定子磁鏈矢量表達式：

上式中，Ψd、Ψq為交軸和直軸磁場全磁鏈，Ld、Lq為交軸和直軸同步電感，id、iq為交軸和直軸矢量電流分量。

PMSM電壓平衡矢量表達式為：

上式中，ud、uq為交軸和直軸電壓矢量分量，r為定子電阻，ω為轉子角速度。

PMSM的電磁轉矩矢量表達式為：

小額信貸對于弱勢群體有著重要的現實意義。它不僅能夠使其地位有所提高，還能改善生活狀況。但是，現階段小額信貸自身的特殊性，使得我國從事小額信貸業務的貸款公司、機構、銀行等面臨著稅收制度、身份定位等多種問題。所以，應該為小額貸款的發展提供良好的制度環境,使其利率能夠覆蓋風險,并適當定位小額貸款機構的性質,讓其擁有貸款呆壞賬核銷自主權,在保證其不非法集資、限制其外部性的前提下進行制度創新,以滿足社會上普遍存在的大量需求。

由于在面貼式永磁同步電機（SPMSM）中Ld≈Lq。即電磁轉矩矢量表達式可簡化為式（8）。由于PMSM中Ψf恒定，Te僅與iq有關。

根據對矢量控制原理的研究，設計了PMSM變頻調速系統框架，系統采用idref=0的電流控制方式，如圖1所示。

SVPWM調制技術是通過控制三相逆變器中電橋斷開或導通的方式，使輸出的電壓空間矢量磁鏈軌跡逼近由三相對稱正弦電壓作用時電機中產生的圓形旋轉磁場。

如圖2所示，SVPWM模塊對三相逆變器輸入六路高頻PWM波，從而產生幅值、頻率可調的三相交流電驅動PMSM。轉子磁極的空間實時相位角θr保證旋轉d-q軸系是沿著轉子磁場定向的方式旋轉。閉環系統部分在PMSM側加裝光電編碼器，對PMSM反饋信號進行信息采集、處理用于系統閉環控制。

圖1 PMSM矢量控制系統框圖

圖2 基本空間電壓矢量

2 矢量控制系統仿真

基于P M S M 矢量控制系統框架結構，在MATLAB8.0仿真軟件Simulink中，建立了PMSM矢量控制系統仿真模型，如圖3所示。系統電機模型額定電壓uN=220V，額定功率PN=1.2kw，額定轉速nN=3000r/min，額定電流IN=5A，機械轉動慣量J=8.28kg·m2，極對數為4。

圖3 系統仿真模型圖

對系統進行仿真，額定功率下電機帶載啟動，給定轉速為3000r/min，仿真波形如圖4所示。

從系統仿真波形圖可以看出，電機從帶載啟動進入穩定運行階段的仿真波形動態響應迅速、穩定，電機轉子磁鏈波形較為理想，穩態運行時無靜差，驗證了PMSM矢量控制變頻調速系統可靠性。

圖4 靜止至3000r/min穩定運行時的轉速波形

圖5 轉速為3000r/min 時U、V相電流波形

圖6 電機轉矩波形

圖7 SVPWM扇區N波形圖

圖8 電機轉子磁鏈圖

3 系統設計與實驗

根據PMSM矢量控制系統仿真模型，研究設計了基于DSP的數字化永磁同步電機變頻系統。

3.1 系統硬件平臺設計

PMSM變頻調速系統數字集成硬件平臺如圖9所示，市電通過整流濾波電路后變換成220V直流電輸入到智能功率模塊（Intelligent Power Module,IPM）中，輸出電壓、頻率均可調的三相交流電驅動PMSM運行。

圖9 PMSM變頻調速系統硬件平臺

將系統硬件平臺進行模塊化可有效減少相互之間的干擾。下面分別對系統主控制電路、系統功率驅動電路、系統信號調理電路3個主要部分介紹。

系統主控電路采用德州儀器公司所生產的TMS320F2812作為控制核心，其外圍電路部分主要由時鐘基準電路、外部存儲電路、工作電源電路、仿真數據連接電路等組成。

功率驅動部分通過多個濾波電容對輸入的工頻交流電進行濾波，系統在上電的瞬間，針對濾波電容可能受到的較大啟動沖擊電流問題，設計了通過繼電器控制的系統限流啟動電路。如圖10所示，當濾波電容充電電壓達到預設值時，開關信號使三極管導通，繼電器回路接地，從而吸合開關，短路限流電阻。整流濾波后的220V直流電輸入高度集成了過壓、過流保護等功能PS21255-E中，輸出三相正弦交流電驅動PMSM運行。

系統信號調理電路包括系統功率電路上直流母線電壓、電流檢測比較電路，輸入PMSM的U、V兩相電流檢測調理電路以及系統硬件保護電路。針對系統可能出現的故障，設計了硬件保護電路，通過對單向數據傳輸芯片的封鎖或開通，保證系統安全可靠運行。

圖10 系統啟動限流電路

輔助電源用于保證系統運行，需要1路模擬+5V電壓，1路數字+5V電壓，4路+15V電壓用于IPM驅動電路供電，2路±15V電壓為運算放大器等器件供電。

3.2 系統軟件設計

PMSM變頻調速系統系統軟件設計如圖11所示。

圖11 主程序流程圖

3.3 系統實驗

根據PMSM變頻調速系統仿真結果以及軟、硬件設計，研制出基于DSP的PMSM變頻調速系統樣機，并進行了初步實驗。系統樣機如圖12所示。

圖12 系統平臺樣機

系統PMSM型號為110ST-M04030LFB，電機參數如表1所示。

表1 110ST-M04030LFB電機參數

實驗過程中，給出了永磁同步電機的轉速從靜止啟動突變至3000r/min穩定運行時的轉速波形，如圖13所示；圖14是電機轉速升至3000r/min穩定運行后，電機定子U、V兩相電流波形。從初步實驗得到的速度響應波形和U、V兩相電流波形可以看出，所設計的系統響應快、超調量小，電機運行較平穩。該系統實驗裝置的性能還需要更多的實驗來驗證。

圖13 靜止至3000r/min穩定運行時的轉速波形

圖14 轉速為3000r/min時U、V相電流波形

4 結束語

本文針對實驗室伺服變頻系統數字化、集成化、智能化等實際需求，通過對PMSM變頻系統的研究，采用SVPWM調制技術，研究設計出基于DSP為控制核心的永磁同步電機變頻系統樣機，并進行了實驗室通電實驗。實驗結果顯示：整套系統動態響應迅速，電機運行平穩，驗證了系統的可靠性。

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