基于DSP的六相永磁同步電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

吳燕峰，曾培煌

（1.閩江師范高等專科學(xué)校，福建 福州 350003；2.廈門唯質(zhì)電氣科技有限公司，福建 廈門 361021）

0 引言

大功率電力電子變換裝置給交流系統(tǒng)供電，這使得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以不受相數(shù)限制，多相電機(jī)開始普及應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。與傳統(tǒng)三相電動(dòng)機(jī)相比，多相電機(jī)應(yīng)用采用低壓、小電流的開關(guān)器件可以實(shí)現(xiàn)大功率驅(qū)動(dòng)，控制更為靈活性，系統(tǒng)運(yùn)行性能更強(qiáng)，廣泛應(yīng)用在電力機(jī)車牽引、電動(dòng)/混合燃料汽車驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。

Gopakumar和Zhao等對傳統(tǒng)SVPWM進(jìn)行了深入的研究[1-3]，取得了很好的效果，但是研究主要是針對雙三相電機(jī)的算法，仍含有較大的諧波分量。本文提出基于DSP的六相永磁同步電機(jī)控制器，是以TI公司的TMS320F28335為核心，根據(jù)六相永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與最優(yōu)開關(guān)次數(shù)六相SVPWM的算法，完成硬件平臺(tái)與軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)研究和分析驗(yàn)證電機(jī)控制器的運(yùn)行可靠性。

1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

六相永磁同步電機(jī)控制器硬件平臺(tái)由主控電路板、電源板、驅(qū)動(dòng)控制板、IGBT模塊以及外圍電路構(gòu)成[4]。電源板提供各種電壓等級(jí)的電源，為主控電路板及驅(qū)動(dòng)控制板輸入電源；主控板為該控制器的核心，與外部設(shè)備進(jìn)行信號(hào)交換與控制，比如輸入外部傳感器的信號(hào)、輸出驅(qū)動(dòng)板的驅(qū)動(dòng)信號(hào)等；驅(qū)動(dòng)控制板的功能是將主控板輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，通過該輸出的信號(hào)控制IGBT的通斷，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速控制，驅(qū)動(dòng)板同時(shí)會(huì)將IGBT的故障信號(hào)返送至主控板。

其中重要的硬件選型有：主控電路板中的DSP處理器選用的是TI公司的TMS320F28335；IGBT使用Infineon公司的FS400R07A1E3；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用成品驅(qū)動(dòng)模塊，即Power Integrations公司的6SP0110T來驅(qū)動(dòng)IGBT。硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 六相電機(jī)控制器框圖

1.1 AD采樣調(diào)理電路

基于該硬件平臺(tái)，主控板輸入的采集信號(hào)包括：六相電機(jī)的相電流信號(hào)、母線電壓和母線電流信號(hào)、IGBT溫度以及電機(jī)的溫度信號(hào)。根據(jù)不同的信號(hào)類型，需要設(shè)計(jì)不同的采樣調(diào)理電路以滿足TMS320F28335的ADC模塊的信號(hào)輸入要求。

（1）輸入電流的調(diào)理電路

硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)方案中，輸入的電流信號(hào)有電機(jī)相電流信號(hào)和母線電流信號(hào)。采樣電流信號(hào)均采用的是LEM系列HAH1DR 500-S霍爾電流傳感器，該電流傳感器的輸出為0～5 V信號(hào)，而TMS320F28335的模擬輸入電壓范圍為0 V～+3 V，則設(shè)計(jì)電流信號(hào)調(diào)理電路，如圖2所示。

（2）電壓調(diào)理電路

DSP輸入的電壓信號(hào)為直流母線電壓，但直流母線電壓是高壓，根據(jù)電磁兼容原理，需要將高壓與弱電要進(jìn)行電氣隔離，設(shè)計(jì)電壓調(diào)理電路，如圖3所示。

采樣電壓信號(hào)采用的是LEM型號(hào)為LV25-P的霍爾電壓傳感器，設(shè)計(jì)的電壓調(diào)理電路如圖3所示。其中，原邊側(cè)的限流電阻由R151和R152并聯(lián)組成，副邊側(cè)的負(fù)載電阻是R150，再串聯(lián)電阻R141輸出為電壓信號(hào)，同時(shí)加了一級(jí)電壓跟隨器進(jìn)行阻抗的隔離。

（3）溫度調(diào)理電路

DSP輸入的溫度信號(hào)包括IGBT溫度和電機(jī)溫度，其中IGBT的溫度信號(hào)傳感器是NTC電阻，電機(jī)的溫度信號(hào)是PT100/PT1000鉑熱電阻，雖然兩者的溫度特性不同，但是均是由溫度阻值對外呈現(xiàn)，則設(shè)計(jì)溫度調(diào)理電路如圖4所示。

1.2 轉(zhuǎn)子位置檢測電路

電機(jī)轉(zhuǎn)子位置是電機(jī)調(diào)速算法中關(guān)鍵信號(hào)之一，考慮抗干擾能力因素，硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)方案中采用旋轉(zhuǎn)變壓器來采集電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角。但旋轉(zhuǎn)變壓器采集后輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，DSP接收的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)。所以，需要采用專用解碼芯片AD2S1205進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置的解碼，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)與DSP進(jìn)行通信，旋變信號(hào)檢測與處理電路如圖5所示。其中，采用運(yùn)算放大器TCA0372來增強(qiáng)勵(lì)磁信號(hào)；并設(shè)計(jì)了隔離供電方式，提高SPI與DSP通信的穩(wěn)定性能。

圖2 電流信號(hào)調(diào)理電路

圖3 電壓信號(hào)調(diào)理電路

圖4 溫度信號(hào)調(diào)理電路

圖5 旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)檢測與處理電路

1.3 脈沖信號(hào)處理電路

驅(qū)動(dòng)IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)模塊6SP0110T所需電壓為15 V，而主控板DSP輸出的PWM電壓僅3.3 V左右，則需設(shè)計(jì)PWM脈沖信號(hào)處理電路，如圖6所示。

圖6 脈沖信號(hào)處理電路

電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換采用具有集電極開路高壓輸出的六路緩沖器/驅(qū)動(dòng)器SN7407，并外接15 V的上拉電阻。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)六相永磁同步電機(jī)控制的基礎(chǔ)，而軟件系統(tǒng)則是電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)的保證。軟件系統(tǒng)運(yùn)行的主循環(huán)流程圖，如圖7所示,其中有3個(gè)定時(shí)點(diǎn)，分別是1 ms、5 ms和10 ms，該定時(shí)點(diǎn)的設(shè)定由TMS320F28335的cpu_time2定時(shí)器產(chǎn)生500μs的定時(shí)中斷而設(shè)定，它們分別是500μs的整數(shù)倍，程序執(zhí)行過程中設(shè)計(jì)標(biāo)志變量，使得程序執(zhí)行時(shí)間更為準(zhǔn)確。

圖7 主循環(huán)流程圖

本文六相永磁同步電機(jī)的控制策略采用的是基于最優(yōu)開關(guān)次數(shù)的六相SVPWM算法[5]，其算法流程圖如圖8所示。

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，基于TMS320F28335的中斷函數(shù)的算法尤為關(guān)鍵，其具體的算法步驟如圖9所示。

（1）根據(jù)硬件系統(tǒng)中的AD采樣調(diào)理電路，傳感器將采集到的信號(hào)輸入DSP，包括六相電機(jī)的電流、直流母線電壓、IGBT溫度、電機(jī)溫度等信號(hào)。

（2）旋變信號(hào)采樣并啟動(dòng)AD2S1205解碼，電機(jī)轉(zhuǎn)子的原始位置角為θ，則解算后的轉(zhuǎn)子空間電角度為：

其中，Pm是電機(jī)的極對數(shù)，Prdc是旋變極對數(shù)，θe是旋變轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角差。

（3）將采集到的相電流進(jìn)行Clarke變換，得到基波平面電流和5次諧波電流iα5、iβ5。

（4）將上述（2）中得到的解碼后的轉(zhuǎn)子空間電角度θe分別對iα、iβ及iα5、iβ5進(jìn)行Park變換，得到id、iq、id5、iq5。

（5）根據(jù)電流給定，得到d-q軸的電流給定、，再構(gòu)建PI調(diào)節(jié)器[6]，使=0、，得到。

（6）利用解碼后的轉(zhuǎn)子空間電角度θe對、進(jìn)行Park逆變換，則進(jìn)一步可以得到、。

圖8 最優(yōu)開關(guān)次數(shù)的六相SVPWM算法流程圖

圖9 中斷處理流程圖

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證

基于最優(yōu)開關(guān)次數(shù)六相SVPWM調(diào)制算法[5]，設(shè)計(jì)完成DSP-TMS320F28335為核心控制器硬件平臺(tái)，完成軟件程序編寫，并將程序燒錄到硬件中。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)定負(fù)載電機(jī)為恒定轉(zhuǎn)速400 r/min，對應(yīng)六相電機(jī)的定子電流為20 Hz，且上位機(jī)設(shè)置電機(jī)的d軸電流給定為-5 A，q軸電流給定為10 A，電流環(huán)的Kp、Ki參數(shù)一致。對5次諧波電流分別進(jìn)行開環(huán)控制和閉環(huán)控制，利用示波器及上位機(jī)采集相應(yīng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析，如圖10所示，圖中縱坐標(biāo)10 A/div，橫坐標(biāo)20 ms/div。

從圖10可以看出，加入基于最優(yōu)開關(guān)次數(shù)六相SVPWM調(diào)制算法的諧波閉環(huán)控制后，相電流近似正弦波，畸變較小。利用Matlab導(dǎo)入的開環(huán)和閉環(huán)控制的波形文件，進(jìn)行FFT分析，進(jìn)一步分析諧波含量，得到結(jié)果見表1。

圖10 諧波開環(huán)與諧波閉環(huán)控制時(shí)A、B相電流波形

表1 諧波含量表

從圖10和表1的數(shù)據(jù)可以看出，基于最優(yōu)開關(guān)次數(shù)六相SVPWM調(diào)制算法的諧波閉環(huán)控制使得諧波含量大大降低，其中5次諧波含量降低最多，減少了接近95%，可以達(dá)到良好調(diào)速控制效果，提高了運(yùn)行的可靠性。

4 結(jié)語

針對六相永磁同步電機(jī)，開發(fā)基于DSP-TMS320 F28335為核心控制芯片的電機(jī)控制器，控制算法采用基于最優(yōu)開關(guān)次數(shù)六相SVPWM調(diào)制算法，并給出了主循環(huán)及中斷程序流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案開關(guān)損耗小，且有效地抑制了諧波電流含量，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。