基于DRV8301的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)研究

高 江， 黃向慧

(西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

基于DRV8301的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)研究

高 江， 黃向慧

(西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

針對(duì)永磁同步電機(jī)(PMSM)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性和控制的精確性要求，采用TI公司的驅(qū)動(dòng)芯片DRV8301設(shè)計(jì)了一種驅(qū)動(dòng)PMSM的控制器，代替了傳統(tǒng)的多路獨(dú)立式的控制方法。該控制系統(tǒng)采用的是TMS320F28035作為主控芯片，以增量式PID算法為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制，主要設(shè)計(jì)了包括主控單元電路、驅(qū)動(dòng)單元電路、逆變單元電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)單元電路的硬件電路，在MATLAB上進(jìn)行了仿真，并且利用CCS6.0完成了軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PMSM的精確控制目的。從仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)波形可以看出，該設(shè)計(jì)方案提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，其控制精度、動(dòng)態(tài)性能等方面也有一定程度的改善，也從一定程度上證明了其可行性。

永磁同步電機(jī)； 控制器； 微處理器； 驅(qū)動(dòng)芯片

0 引言

PMSM以其高效、高能量密度等優(yōu)點(diǎn)[1-4]已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于機(jī)床、電動(dòng)車等各個(gè)領(lǐng)域。隨著各種技術(shù)的不斷發(fā)展，電機(jī)由于其廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，它的控制方法好壞影響很大，因此研究高性能的控制器和裝置就顯得很有必要了。

傳統(tǒng)PMSM的控制系統(tǒng)一般是采用多路的、獨(dú)立式的驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)的[5-6]，所以其穩(wěn)定性和效率都比較差，而且電路的設(shè)計(jì)也會(huì)比較復(fù)雜。本文選用的TMS320F28035是TI公司開(kāi)發(fā)的，作為主控制芯片，DRV8301代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多通道獨(dú)立控制模式驅(qū)動(dòng)芯片，并且結(jié)合了PID控制算法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PMSM控制的目的。

1 PMSM控制技術(shù)原理

PMSM能夠在通入三相交流電時(shí)由定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；而永磁體的轉(zhuǎn)子部分以相同的速度旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生磁場(chǎng)。兩個(gè)磁場(chǎng)的相對(duì)空間位置不斷變化，使它們的耦合關(guān)系更加復(fù)雜。為了便于解耦分析和相應(yīng)計(jì)算，在建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，做以下參數(shù)的假設(shè)：

(1)忽略渦流、鐵心飽和、磁滯損耗且磁路為線性；

(2)忽略空間磁場(chǎng)中所有的諧波；

(3)各相繞組對(duì)稱。

PMSM的數(shù)學(xué)模型以電壓方程、磁鏈方程及轉(zhuǎn)矩方程等基本方程組成。

永磁同步電機(jī)的控制方法很多，本文采用了矢量控制的方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速范圍寬。通過(guò)矢量變換的方法重構(gòu)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在同步旋轉(zhuǎn)的參考系內(nèi)，分解為相互垂直的直軸分量和交軸分量，通過(guò)解耦控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的矢量控制。由于交流量計(jì)算不方便，需要采用坐標(biāo)變換法將電機(jī)的矢量空間變?yōu)殪o止矢量。

矢量控制的方法根據(jù)被控對(duì)象的不同，主要有id=0控制、弱磁控制等，都具有各自的特點(diǎn)。id=0控制時(shí)，電機(jī)的相量圖如圖1所示，當(dāng)使用該控制方法時(shí)，直軸分量為零，定子電流中只有交軸分量，單獨(dú)控制電流中的交軸分量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制。具有簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩特性好等優(yōu)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)采用id=0控制。

圖1 id=0控制時(shí)電機(jī)的相量圖

2 PID控制算法簡(jiǎn)介

本文采用增量式PID[7-9]控制策略為基礎(chǔ)，結(jié)合了三種基本模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

增量式PID算法表達(dá)式如下：

Δu(k)=u(k)-u(k-1)=

式中：k、k-1、k-2為采用次數(shù)；e(k)、e(k-1)、e(k-2)分別為第k、k-1、k-2次的采用輸出偏差值；Δu(k)為輸出控制量的增量；Kp為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間；TD為微分時(shí)間；T為采樣周期。

這種控制算法的基本原理是把相鄰時(shí)間的兩次采樣差值作為輸出，與常規(guī)PID控制算法所不同，其無(wú)需連續(xù)相加，計(jì)算量也相對(duì)來(lái)說(shuō)較小，因此，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響也相對(duì)較小。

3 硬件設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)

3.1 PMSM控制系統(tǒng)硬件總體框圖

PMSM控制系統(tǒng)的硬件總框圖如圖2所示，由DSP控制單元、驅(qū)動(dòng)單元、逆變單元、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)單元電路等4個(gè)部分組成。

圖2 硬件框圖

主控單元電路以TMS320F28035及其最小系統(tǒng)組成，包括有有多個(gè)增強(qiáng)型外設(shè)端口、增強(qiáng)型捕捉(eCAP)等。它的CPU為32位，內(nèi)核頻率是60 MHz，有45個(gè)GPIO引腳，兩個(gè)零引腳振蕩器，三個(gè)32位CPU定時(shí)器等。極大地提高了數(shù)字信號(hào)的響應(yīng)及處理過(guò)程，增強(qiáng)了PMSM控制器對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)控能力。

驅(qū)動(dòng)單元是由集成式驅(qū)動(dòng)芯片DRV8301及其外圍電路組成。它可以提供PWM波控制輸出以及過(guò)電流、過(guò)電壓等保護(hù)，啟動(dòng)保護(hù)、死區(qū)保護(hù)電路。相對(duì)于傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路，DRV8301芯片具有更高效、更穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)控制6個(gè)MOS管達(dá)到控制電路的目的。逆變單元電路包括采樣電路和橋式逆變電路等,通過(guò)對(duì)采樣電阻的檢測(cè)以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流信號(hào)的采集；再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片中的電流分流放大器放大之后輸入到TMS320F28035芯片和DRV8301芯片的相對(duì)應(yīng)管腳中；最后再經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)化之后得到電流信息。在電機(jī)繞組回路中接入電壓檢測(cè)電路就可以實(shí)時(shí)獲得當(dāng)前的電壓值，當(dāng)端電壓超過(guò)提前設(shè)定好的電壓閾值時(shí)，DSP就會(huì)啟動(dòng)過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作。

轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)單元電路由增量式編碼器電路以及濾波電路等部分組成,采用1250線的增量編碼器，與電機(jī)的主軸相連，它隨電機(jī)的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生三組脈沖A、B和Z相，通過(guò)輸出的信號(hào)得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。經(jīng)過(guò)數(shù)字隔離器之后輸入到TMS320F28035芯片的CAP口[10-11]，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)中斷信息，得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和換向時(shí)間，輸出將通過(guò)PID調(diào)節(jié)，通過(guò)轉(zhuǎn)速信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路，完成轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)和轉(zhuǎn)速的計(jì)算。

3.2 仿真實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)仿真采用的是MATLAB軟件，它包括有算法的開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)的可視化操作以及模型的建立與仿真等多種實(shí)用的功能。如圖3所示為系統(tǒng)仿真模型。

圖3 PMSM控制系統(tǒng)的仿真模型圖

PMSM控制系統(tǒng)的仿真模型主要由PMSM、逆變器、PI調(diào)節(jié)器等部分組成。電機(jī)運(yùn)行于1 000 r/min，0.2 s負(fù)載由0.5 N·m增加至1.0 N·m時(shí)，各仿真波形如圖4～6所示，由圖中可以看出電機(jī)運(yùn)行超調(diào)量較小，響應(yīng)速度快。

圖4 轉(zhuǎn)速仿真波形示意圖

圖5 三相電流波形示意圖

圖6 交直軸電流波形示意圖

電機(jī)速度突然變化時(shí)，給定速度在0.2 s由1 000 r/min變成700 r/min時(shí)的情況如圖7所示。由圖中可以看出，雖然在速度發(fā)生變化后有短暫的波動(dòng)，但是很快適應(yīng)速度變化，積極跟隨。速度響應(yīng)可以在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定下來(lái)。

圖7 轉(zhuǎn)速突變波形示意圖

4 軟件設(shè)計(jì)

圖8所示為主程序的流程圖，由主程序、CAP捕獲中斷程序、PWM中斷程序、采樣程序等組成。采用單極性PWM控制方式控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，優(yōu)點(diǎn)在于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小。主程序?qū)崿F(xiàn)了初始化、參數(shù)設(shè)置以及故障排除和通訊功能。

圖8 主程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文采用泰克示波器TPS 2014B，由于它最多只能同時(shí)采集4路波形，因此，在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，只能在輸出端采集6路PWM信號(hào)的4路。如圖9所示為前兩路信號(hào)波形示意圖，可以根據(jù)功率管的工作特性來(lái)觀察，死區(qū)時(shí)間設(shè)置為防止上、下橋臂之間直接連接產(chǎn)生的大電流，造成驅(qū)動(dòng)芯片損壞。從DSP輸出的2路PWM信號(hào)的波形圖中能夠看出，PWM1波形是高電平狀態(tài)，而且可以確保輸出的PWM2的波形處于相應(yīng)的互補(bǔ)狀態(tài)，以達(dá)到對(duì)PMSM的精確高效換相運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也符合兩兩導(dǎo)通三相六狀態(tài)的理論分析[12-13]。相比仿真波形，實(shí)驗(yàn)波形存在誤差，波形不夠平滑，有毛刺，從功率管的準(zhǔn)確快速導(dǎo)通體現(xiàn)了控制器良好的控制精度和動(dòng)態(tài)性能。

圖9 兩路PWM信號(hào)波形示意圖

圖10是增量編碼器的信號(hào)波形示意圖，編碼器隨著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生A、B、Z相三組脈沖信號(hào)，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，A相脈沖信號(hào)的相位會(huì)超前B相90°，否則為反轉(zhuǎn)。而Z相則是作為參考零位，用以指示脈沖信號(hào)，碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，只會(huì)發(fā)出一個(gè)標(biāo)志信號(hào)，標(biāo)志信號(hào)脈沖一般是用來(lái)指示機(jī)械位置或者對(duì)累計(jì)量清零。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也符合增量編碼器變化規(guī)律，也可以看出系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性良好[14]。

圖10 增量編碼器信號(hào)波形示意圖

圖11為三相繞組首端對(duì)母線負(fù)極電壓波形示意圖。從圖中可以看出，整體上A、B、C三相波形完整度較好，保證了電機(jī)的運(yùn)行，但是有一定的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[15]存在，主要是由于電流換相造成的。

圖11 三相輸出波形

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種采用TMS320F28035芯片為核心的PMSM控制器，充分利用，DSP芯片高速運(yùn)算能力等優(yōu)點(diǎn)，采用集成驅(qū)動(dòng)電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多通道離散驅(qū)動(dòng)電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的控制精度、動(dòng)態(tài)性能等方面，也從一定程度上證明了其可行性。

[1]樊英杰，張開(kāi)如，馬慧，等.基于模糊PI永磁同步電機(jī)優(yōu)化矢量控制系統(tǒng)的研究[J].電氣傳動(dòng),2016,46(3):15-19.

[2]馬立新，范洪成，徐鎮(zhèn)乾，等.基于慣量辨識(shí)PI自整定永磁伺服電機(jī)控制[J].電力科學(xué)與工程,2015,31(9):28-32.

[3]張琳琳，張爍，董明燕，等.基于模糊積分滑模永磁同步電機(jī)的研究[J].電力科學(xué)與工程,2017,33(1):49-53.

[4]徐奔奔，周芝峰，霍文明，等.基于改進(jìn)的模糊控制PMSM矢量控制系統(tǒng)研究[J].電力科學(xué)與工程,2016,32(3):1-7.

[5]邵文權(quán)，趙肖雄，呂濤，等.新型集成式DRV8301驅(qū)動(dòng)BLDCM的控制器設(shè)計(jì)[J].電源學(xué)報(bào),2016,10.

[6]張玉地，錢煒，孫福佳，等.基于DSP的PMSM伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力科學(xué)與工程,2015,31(3):58-73.

[7]CHEN C H，CHENG M Y. Implementation of a highly reliable hybrid electric scooter drive[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2007，54(5):2462-2473.

[8]殷帥，呂彩琴，馬鐵華. 抑制無(wú)刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的新型電流控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2015，19(8):47-52.

[9]曾豪勇，周思柱，易文君.基于MATLAB的增量式PID參數(shù)整定[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2014，27(6):69-70.

[10]張叢鵬，刑慶輝.基于ARM Cortex-M4的永磁無(wú)刷直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī)，2016，44(1):90-92.

[11]趙亮，劉星橋，韓彬，等.基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2009，43(5):40-42.

[12]顏曉鵬，鐘漢如.基于TMS320F28035的小功率BLDCM速度控制系統(tǒng)[J].微特電機(jī)，2014，42(8):96-100.

[13]徐剛，袁文，陳錦杰.低壓大電流無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī)，2014，42(2):75-78.

[14]張卿杰，徐友，左楠，等.手把手教你學(xué)DSP[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

[15]李珍國(guó)，王江浩，高雪飛，等.一種合成電流控制的無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制系統(tǒng)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35(21):5592-5599.

Research on Permanent Magnet Synchronous Motor Control System Based on DRV8301

GAO Jiang， HUANG Xianghui

(Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China)

A controller based on DRV8301 drive chip of TI company drive permanent magnet synchronous motor (PMSM) is designed to meet the demands of PMSM for dynamic response speed and accuracy control requirements, which aims at replacing the traditional control method of multiple individual. Digital signal processor (DSP)TMS320F28035 is used as the main control chip of controller, and the closed-loop current and speed regulation is designed by adopting incremental PID algorithm. The design hardware circuit includes the main control unit, driver unit, inverter unit, and rotor position detection circuit unit; and simulation in Matlab is carried out and software design is completed by CCS 6.0 to achieve control purpose of PMSM. As can be seen from the simulation results and experimental waveforms, the design scheme improves the stability and reliability of the system, and its control accuracy, dynamic performance and other aspects also have a certain degree of improvement; from a certain extent, the feasibility is verified.

PMSM; controller; DSP;DRV8301

2017-06-19。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.11.002

TM383.4+2

A

1672-0792(2017)11-0007-05

高江(1992-)，男，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡姽だ碚撆c新技術(shù)；黃向慧(1967-)，女，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡姍C(jī)與電器。