PMSM無(wú)位置傳感器控制技術(shù)研究

張舒

（1．河海大學(xué)，江蘇 南京 211100；2．江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211170）

電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的智能化、數(shù)字化，使得性能優(yōu)越的永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）逐漸被廣泛應(yīng)用到新能源汽車(chē)、電力推進(jìn)船舶、電力飛機(jī)及家電系統(tǒng)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中[1]。因此，研究PMSM高性能控制策略對(duì)于科技的進(jìn)步和各領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義和深遠(yuǎn)影響。

閉環(huán)是實(shí)現(xiàn)電機(jī)精確控制的必要條件，傳統(tǒng)的機(jī)械式位置傳感器在使用時(shí)有增加成本、精度受影響等諸多限制，因此無(wú)位置傳感器控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[2]。無(wú)位置傳感器控制技術(shù)主要分為兩大類(lèi)：基于電機(jī)基波模型的中高速轉(zhuǎn)子位置估計(jì)和基于電機(jī)凸極特性的零低速轉(zhuǎn)子位置估計(jì)[3]。其中，滑模觀測(cè)器（Sliding Mode Observer，SMO）具有魯棒性好、控制算法簡(jiǎn)單、易于工程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于PMSM中高速轉(zhuǎn)速估計(jì)中[4]。

除了控制策略的研究，硬件控制電路的搭建也是驗(yàn)證控制算法的重要部分。本文在Altium Designer軟件中對(duì)硬件控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成并進(jìn)行調(diào)試，然后利用DSP28335對(duì)基于改進(jìn)滑模觀測(cè)器的無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

1 改進(jìn)滑模觀測(cè)器的原理

2 基于SMO的PMSM無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 硬件設(shè)計(jì)

PMSM控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖可知，PMSM控制系統(tǒng)主要包括永磁同步電機(jī)、主電路以及DSP控制電路三部分。其中，為了將轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的實(shí)際值和估計(jì)值進(jìn)行對(duì)比分析，還需要轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路。

圖1 PMSM控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

在本系統(tǒng)中，逆變電路的功率開(kāi)關(guān)管選擇型號(hào)為FGA25N120ANTD的IGBT。該IGBT內(nèi)部為反并聯(lián)二極管，工作參數(shù)符合控制需要。結(jié)合電機(jī)參數(shù)，用于穩(wěn)壓的濾波電容選取2700μF、額定電壓為450V[6]。隔離電路采用高速光耦6N137，其開(kāi)關(guān)速度可達(dá)10MHz，可用于對(duì)實(shí)時(shí)性和隔離要求很高的電機(jī)控制領(lǐng)域[7]。

因此，在本控制系統(tǒng)臺(tái)中僅需要2片2ED020I12-FI即可驅(qū)動(dòng)一相的逆變電路。其中，芯片電壓可在[13V，18V]范圍內(nèi)變化，當(dāng)電壓低于11V時(shí)，該芯片可自行啟動(dòng)欠壓保護(hù)。此外，芯片內(nèi)部還引入了無(wú)核心變壓器CLT以保證上下橋臂之間能產(chǎn)生電氣隔離[8]。

本系統(tǒng)選用CHV-25P／100電壓傳感器檢測(cè)直流母線電壓，額定電壓100V；可測(cè)電壓范圍為0～±150V；在常溫 25℃時(shí)，檢測(cè)精度為±1%，可達(dá)到本系統(tǒng)電壓檢測(cè)要求[9]。但 CHV-25P／100 輸出為模擬信號(hào)，而DSP處理的是數(shù)字信號(hào)，故需要對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。DSP28335芯片內(nèi)部中包括A／D轉(zhuǎn)換模塊，模擬輸入為0～3V，而CHV-25P／100 輸出電壓為 0～5V，因此還需要調(diào)理電路來(lái)保證模／數(shù)轉(zhuǎn)換的順利進(jìn)行[10]。

2．2 軟件設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)完成后，需要進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，調(diào)試成功后才能進(jìn)行后續(xù)控制策略的驗(yàn)證。針對(duì)主程序部分，用模塊ePWM1配置主程序基準(zhǔn)時(shí)間，產(chǎn)生雙邊PWM，頻率設(shè)為10kHz，電流采樣周期設(shè)為100μs，控制器周期設(shè)為 100μs。通過(guò)TMS320F28335芯片中的eQEP模塊，獲得轉(zhuǎn)子位置以及轉(zhuǎn)速[11]。

中斷服務(wù)程序主要用于PMSM的電流控制及轉(zhuǎn)子位置估計(jì)。中斷響應(yīng)以后，DSP首先對(duì)直流母線電壓、三相電流以及給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行AD采樣，并進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估算。通過(guò)模塊eQEP計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速，再與估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行比較分析。其中，輸入信號(hào)為正弦波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的給定電流和計(jì)算出來(lái)的實(shí)際電流，二者經(jīng)過(guò)電流控制器，即可得到控制功率開(kāi)關(guān)管通斷的控制信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在完成上述軟硬件設(shè)計(jì)后，后續(xù)還需要進(jìn)行矢量控制、無(wú)位置傳感器控制等各種控制策略的驗(yàn)證。

編碼器的輸出信號(hào)如圖2所示，對(duì)比圖2（a）和圖2（b）可知，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后信號(hào)電壓為DSP所能接收的3．3V信號(hào)，且信號(hào)噪聲明顯減小。此外，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路之后得到的脈沖信號(hào)相位互差90°，可通過(guò)對(duì)它們的上下脈沖沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，即實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器的四倍頻，達(dá)到最終控制效果。

圖2 編碼器的輸出信號(hào)

逆變電路上下橋臂的開(kāi)關(guān)信號(hào)波形如圖3所示。圖3為A相上下橋臂的PWM波，可看出上下橋臂互補(bǔ)，且為了防止上下橋臂直通，還插入了死區(qū)時(shí)間。

圖3 逆變電路上下橋臂的開(kāi)關(guān)信號(hào)

4 結(jié)論

本文主要介紹了基于改進(jìn)滑模觀測(cè)器的PMSM無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。分別對(duì)主電路及控制電路等進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)和說(shuō)明。在此基礎(chǔ)上在CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行了電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的初步軟件調(diào)試，具有良好的控制效果，為后續(xù)進(jìn)行各種控制策略的比較驗(yàn)證奠定了基礎(chǔ)。