低功率永磁同步電機和無刷直流電機驅動器硬件設計

范欣林

（北京中航智科技有限公司，北京，100176）

1 電機數學模型

1.1 PMSM矢量控制原理

矢量控制的目的是改善轉矩控制性能，最終實施仍然落實到對定子電流或電壓(交流量)的控制上。由于在定子側的各個物理量，包括電壓、電流、電動勢、磁動勢等都是交流量，其矢量在空間以同步轉速旋轉，調節、控制和計算都不太方便。因此，需要借助坐標變換，使得各個物理量從靜止坐標系(0αβ軸系)轉換到轉子同步旋轉坐標系(0dq軸系)，然后，在轉子同步旋轉坐標系上進行觀察，電動機的各個空間矢量都變成了靜止矢量，電流電壓都成了直流量，可以根據轉矩公式，找到轉矩和被控矢量的各個分量之間的關系，實時計算出轉矩控制所需要的被控矢量的各個分量值，即直流給定量。按照這些給定量進行實時控制，就可以達到直流電動機的控制性能。由于這些直流給定量在物理上是不存在的，是虛構的，因此，還必須再經過坐標的逆變換過程，從旋轉坐標系回到靜止坐標系，把上述的直流給定量變換成實際的交流給定量，在三相定子坐標系上對交流量進行控制，使其實際值等于給定值。

如圖1，永磁同步電機矢量控制系統由下面幾部分組成：轉子磁極位置檢測和速度計算模塊、速度環，電流環控制器、坐標變換模塊、SVPWM模塊、整流和逆變模塊。

對PMSM模型作如下假設：①忽略鐵心飽和；②不計渦流和磁滯損耗；③永磁材料的電導率為零；④相繞組中感應電動勢波形為正弦波。

圖1 PMSM控制模型

PMSM定子三相繞組通入互差120°的三相正弦電流，在氣隙中產生旋轉磁場，而轉子為稀土永磁體，在氣隙中產生正弦磁場，采用轉子磁場定向矢量控制方法，同步旋轉軸系與轉子旋轉軸系

重合，用d-q坐標系表示

電壓方程：

磁鏈方程：

轉矩方程：

1.2 坐標變換

為簡化和求解同步電機的數學方程，必須運用電機坐標變換理論對同步電機自然坐標軸系的基本方程進行線性變換，從而實現電機數學模型的解耦。常用坐標變換有Park變換、Park逆變換以及Clark變換。從矢量合成的角度推導，一個旋轉矢量可以從一個三相坐標系(ABC)變換到兩相坐標系(0αβ)，此稱為Clark變換，如圖2所示。寫成矩陣形式為

而從αβ0軸系到dq0軸系的坐標變換稱為Park變換，反之為Park逆變換。由圖2可以推導出如下的Park變換矩陣。

同理可得Park逆變換矩陣為：

圖2 同步電機常用的各坐標系關系

2 硬件設計基礎概論

DSP處理器選用TI公司的32位定點高速芯片TMS320F2812,該芯片是針對電機控制的需要而設計的，不但具有運行速度高，處理功能強大，并且具有豐富的片內外圍設備，便于接口和模塊化設計。它既具有數字信號處理能力，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適合大批量數據處理的控制場合，如電機控制系統等。

驅動電路選用IR公司的IR2336芯片，該芯片是高壓、高速、高功率的MOSFET和IGBT門級驅動，用于三相高側和低側門級驅動輸出，用于低成本的自舉電路供電，兼容CMOS和TTL電平，可編程的FAULT信號，還具有過溫度檢測、過電流檢測、集成死區保護等功能。

模數轉換器選用ADS8364芯片，該芯片是高速、低功耗、六通道、十六位模數轉換器，具有250kSPS的同步采樣ADC轉換。六路模擬輸入（A、B和C三組）,每個輸入端都有一個保持信號來實現所有通道的同時采樣與轉換，非常適合于多路（多種）采集系統的需要。片上帶2.5V基準電壓源,可用作ADS8364的參考電壓。ADS8364還提供了一個靈活的高速并行接口，可以運行在直接尋址、循環采樣、FIFO等三種模式，每個通道的輸出數據都可直接作為一個16bit的字，可以直接與數字信號處理器DSP相連接。

電流檢測一般使用分流電阻，而分流電阻具有阻值小、功率大等優點，這樣當小電流經過電阻兩端，電壓非常微小，一般需要運算放大器將信號放大。基于以上考慮，此次選用ADI公司的AD8218作為相電壓、電流等采樣；AD8218是一款高壓、高分辨率分流放大器。設定增益為20 V/V，在整個溫度范圍內的最大增益誤差為±0.35%。緩沖輸出電壓可以直接與任何典型轉換器連接。AD8218共模電壓在4V~80V，具有出色的輸入共模抑制；它能夠在分流電阻上進行雙向電流的測量，適合各種工業和電信應用，包括電機控制、基站功率放大器偏置控制等。AD8218能提供極佳的性能，它采用零漂移內核，在整個工作溫度范圍和共模電壓范圍內，失調漂移為±100 nV/°C。此外，芯片在0 mV~250 mV的整個輸入差分電壓范圍內能保持線性輸出。AD8218同時包括一個80 mV內部基準電壓源，用于在單向電流檢測應用中提供優化的動態范圍。

2.1 ADS8364采集

任何一種電機控制系統中，都需要對相電壓、相電流、母線電壓、母線電流等精確的采集、計算和存儲，是電機狀態和故障分析的基礎。因此，AD采集成為電機控制里非常重要的一個環節，它決定了整個電機系統的精度控制和控制精度。一個先進的控制系統，需要體現出實時、準確、快速的判斷、計算和存儲。無論何種控制方式，都需要將電機的狀態如實的反饋給DSP，及時的做出校正，使電機的性能達到最佳狀態；如果不能實時反饋或者存在著延遲（不能在同一采樣周期，將所有的狀態信息反饋給DSP），導致不能精確控制，甚至是帶來災難性的后果，如：超調、過沖、飛車等現象。對于三相電機，為了避免這一現象，就需要更精確控制，所以將各相電壓、電流，母線電壓、電流都采集。在不同的控制算法中，需要的反饋量也不相同，需要將這八個量全部反饋，而ADS8364只有6個通道輸入，為了實現八個量都能夠采集，使用模擬開關ADG5434，U相電壓電流和V相電壓電流采取復用方式，通過GPIO來切換，其余的電壓、電流直接鏈接運算放大器AD8218，單端轉差分連到ADS8364。

3 結論

針對不同的電機有不同的控制方式，而每一種控制方式采集的反饋量都不相同，為了能實現兼容控制，就需要更多的反饋信息。本文介紹一種新的電機驅動方式，以DSP為核心的處理單元；信息采集系統，實現同步采樣；和驅動的模塊相結合，采用一種新的MOSFET拓撲結構方式，進行了詳細討論。既能滿足永磁同步電機的工作方式又能滿足無刷直流電機的工作方式，而且該方案還能滿足無位置傳感器的控制方式。