永磁同步电动机矢量控制,硬件部分

3、1 DSP芯片得基本特征

数字信号处理器(Digital Signal Prcessor),就是一种特别适合于进行数字信号处理运算得微处理器。自1979 年诞生以来,短短二十年时间,DSP显示了巨大得应用潜力,在信号处理、通信、语言、图形图像、军事、仪器仪表、自动控制、家用电器等领域 ,得到广泛得应用,起着不可替代得作用 ,其主要应用特点就是实时快速地实现各种数字信号处理算法。DSP一般具有如下一些特点 :

(1)在一个指令周期内可完成一次乘法与一次加法;

(2)程序与数据空间分离,可以同时访问指令与数据;

(3)片内具有快速 RAM,通常可通过独立得数据总线在两块中同时访问;

(4)具有低开销或大开销循环及跳转得硬件支持;

(5)具有在单周期内操作得多个硬件地址产生器,可以并行执行多个操作;支持流水线操作,使取值、译码与执行等操作可以重叠执行。

在自动控制系统中,DSP得高速计算能力显示了比一般微处理器更多得优点 ,具有广阔得应用前景。利用DSP得高速计算能力可以增加采样速度与完成复杂得信号处理与控制算法,Kalman滤波、自适应控制矢量控制、状态观测器等复杂算法利用 DSP芯片可以方便地实现。DSP得信号处理能力还可用来减少位置、速度、磁通等传感器,无传感器运行之所以成为可能。在自适应系统中,系统参数与状态变量通过状态观测器得计算可采用DSP有效地实现。同样,由于高运算速度,DSP也可有效地用于神经之网络与模糊逻辑化地运动控制系统。在实际工程应用中,DSP得高速能力还可以消除噪声污染与不精确得输入及反馈信号数据,对要求速度较快得 PWM控制算如空间矢量算法。

3、2 DSP在电机矢量控制中所起得作用

(1)接收由光学编码器输入得两相增量数字脉冲信号 A、B;

a.将两相信号进行四倍频;

b.形成位置信号

C.形成速度信号

d.根据两相信号边沿变化得先后次序,判别电机旋转方向。

(2)根据光学编码器输人得信号 A、B、U、V、W粗略确定与精确确定转子磁极轴线相对于A相绕组轴线得转角。

(3)速度比较,并给出转矩参数数据及作校正补偿计算。

(4)接受模拟量得实际得三相电流,并将其作数字化处理,然后作三相／两相变换。

(5)将电流命令信号与实际电流相比较,然后进行校正补偿处理,作三相／两相变换。最后确定PWM得脉宽系数,进而输出六路信号至功放级。

(6)接受故障信号,执行中断,首先切断主电源,并同时中断PWM输出,发出中断命令,同时进行故障诊断,判别并输出故障种类信号至显示电路。

3、3硬件系统总体结构

本系统采用交直交电压型电路,如图 51 所示:主回路由滤波电路以及智能功率模块 IPM 逆变电路组成,控制部分以 TMS320F2812 DSP 控制器芯片为核心,用来完成电流环、速度环得算法实现、空间矢量 PWM 波形(SVPWM)得产生等,辅助电路由转子位置检测、电流检测、故障检测保护、键盘与显示等电路组成

图51 永磁同步电动机控制系统硬件框图图51 中为一个具有转速与电流反馈得双闭环控制系统。系统参数可由键盘输入,DSP 负责进行A/D 转换、转子位置与转速得计算,应用矢量控制与SVPWM 控制策略,生成PWM 控制信号,再经过光耦隔离电路后,驱动IPM 功率开关器件。DSP 还负责系统得保护与监控,当系统出现过压、过流与欠压等故障时,DSP 将封锁PWM 得输出信号,以保护IPM 模块。

3、4主电路功率驱动电路

主电路得作用就是进行能量转换与驱动伺服电机,主要由整流电路、中间直流电路与逆变器三个环节组成,如图 52 所示

图52 系统主电路

该系统中,整流电路采用富士公司得IGBT 模块7MBR10SA120,其内含三相整流桥。整流电路为三相桥式全波整流电路,耐压高,可达1600V,输入就是单相交流电,单相输入为220V,50Hz。

整流电路输出得电压就是有脉动得直流电压,必须加以滤波,这通过滤波电容来实现。滤波电容除了起到稳压与滤除整流后得电压纹波外,还在整流电路与逆变电路之间起去耦作用,以消除相互干扰,为感性负载得电动机提供必要得无功功率。220V 正弦交流电经两相不可控整流桥整流,再经电容C1、C2 滤波后作为三相逆变桥得直流电压源。电容C1 既作为滤波电容滤除

电压中得低次谐波,又作为储能电容储存电机绕组续流时回馈得能量。电容C1 一般选取容值大、耐压高得电解电容,具体数值可根据直流母线电压波形得好坏与电压等级来确定。C1 得容值越大,直流母线电压越平稳,直流电质量越好。实际应用中由于对控制器得体积有一定得要求,故C1 不能太大,在直流母线电压质量允许得条件下,C1 又越小越好。

由于电容储能较大,加之在接入电源时电容器两端得电压为零,故当刚合上电源得瞬间,滤波电容器得充电电流很大,过大得冲击电流将可能使整流桥得二极管损坏。为了保护整流桥,在刚接通电源得一段时间里,在电路内串入限流电阻,其作用就是把电容器得充电电流限制在允许得范围内。开关K 得功能就是:当滤波电容充电到一定程度时,令K 接通,将RL 短路。如前所述,IPM 内部已经包含功率器件得驱动,使用时另需提供驱动电源与PWM 波形得开关控制信号。驱动电源需要4 路相互独立得电源,其中3路独立电源分别提供给逆变器上桥臂得 3 个开关器件,而下桥臂得 3 个开关器件共用另 1 路电源。驱动电源得典型电压值15V,由于功率器件采用IGBT,每一个内含IGBT 得驱动功率约为0、25W,因此总

驱动功耗小于2W,

驱动电源同时还需要为保护电路提供电源。考虑到IPM 得高频开关工作能力,PWM 波形得开关控制信号得传输隔离电路应具有尽可能段得传输延迟时间,以提高驱动电路参数得一致性。

3、5 控制电路

矢量控制得基本思想就是在三相永磁同步电动机上设法模拟直流电动机转矩控制得规律,在磁场定向坐标上,将电流矢量分量分解成产生磁通得励磁电流分量id与产生转矩得转矩电流iq分量,并使两分量互相垂直,彼此独立。当给定Id=0,这时根据电机得转矩公式可以得到转矩与主磁通与iq乘积成正比。由于给定Id=0,那么主磁通就基本恒定,这样只要调节电流转矩分量iq就可以像控制直流电动机一样控制永磁同步电机。

根据这一思想,设想系统得主要组成部分为:主控制板部分,电源及驱动板部分,输入输出部分。

其中主控制板部分即DSP板,根据控制指令与位置速度传感器以及采集得电压电流信号进行运算,并输出用于控制逆变器部分得控制信号。

电源与驱动板部分主要负责给各个部分供电,并提供给逆变器部分相应得驱动信号,以及将控制信号与主回路得高压部分隔离开。

输入输出部分用来输入控制量,显示实时信息等。

基本控制过程:速度给定信号与检测到得转子信号相比较,经过速度控制器得调节,产生定子电流转矩分量Isq_ref,用这个电流量作为电流控制器得给定信号。励磁分量Isd_ref由外部给定,当励磁分量为零时,从电机端口瞧,永磁同步电机相当于一台她励直流电机,磁通基本恒定,简化了控制问题。另一端通过电流采样得到三相定子电流,经过Clarke变换将其变为αβ两相静止坐标系下得电流,再通过park变换将其变为dq两相旋转坐标系下电流Isq,Isd,分别与两个调节器得参考值比较,经过控制器调节后变为电压信号Vsd_ref与Vsq_ref,再经过park逆变换,得