基于DSP的永磁同步电动机矢量控制系统_图文

1、第26卷第5期2009年5月机电工程Mechanical &Electrical Engineering MagazineVol . 26No . 5May 2009收稿日期:2008-10-16作者简介:张鹏飞(1981- , 男, 河北承德人, 主要从事自动控制和计算机测控方面的研究. E 2mail:zhangpf2006yahoo . com. cn 通信联系人:杜坚, 男, 教授, 博士生导师. E 2mail:dujs wpu . edu . cn基于D SP 的永磁同步电动机矢量控制系统张鹏飞, 杜坚, 罗宾, 叶洪海, 王红霞(西南石油大学电子信息工程学院, 四川成都6

2、10500摘要:为了实现对永磁同步电动机的最优控制, 设计了一种基于T MS320F2812的永磁同步电动机矢量控制系统。该系统选用T MS320F2812数字信号处理器(DSP 芯片为主控制器; 的控制原理, 实现了电机的位置、; 计的控制器的硬件组成结构及软件设计流程; 最后, :可行。关键词:T MS320F2812; ; ; ; 仿真; 数字信号处理器中图分类号:TP273:A 文章编号:1001-4551(2009 05-0082-04m of per manen t magnet synchron is m m otor ba sed on D SPHANG Peng 2fei,

3、DU J ian, LUO B in, YE Hong 2hai, WANG Hong 2xia(School of Electronic and Infor m ation Engineering, Southw est Petroleum U niversity, Chengdu 610500, China Abstract:A i m ing at realizing the op ti m al contr ol on per ma ment magnet synchr onous mot or (P MS M , the vect or contr ol syste m of P M

4、S M based on T M S320F2812was designed . T M S320F2812was app lied as its p ri m arily contr oller . By using the magnetic field directi on detecti on contr oller s contr ol p rinci p le and three cl osed l oop vect or contr ol strategy, the pur pose t o contr ol the electrical machinery s positi on

5、, s peed and the strength of electric current was accomp lished . The contr oller s hard ware structure and the s oft w are design fl ow about the magnetic field orientati on contr ol p rinci p le were als o given . The system si m ulati on shows that, it already supports the functi on of this contr

6、 ol syste m.Key words:T M S320F2812; per manentmagnet synchr onousmot or (P M S M ; vect or contr ol; s pace vect or pulse width modulati on (S VP WM ; si m ulati on; digital siginal p r ocess or (DSP 0引言近年来, 交流调速系统已广泛应用于准确、快速、高精密等控制场合。从静态或动态特性来看, 要求交流调速系统能够实现良好的速度控制、高精度的定位以及具有宽调速范围等, 其最关键部分是控制系统的实现

7、。随着高新技术的飞速发展, 在交流调速控制系统中采用了各种新颖的器件, 如数字信号处理器(DSP 、智能功率模块(I P M 等, 促使交流调速控制系统向全数字化、智能化、小型化、高速、高精度方向发展。为了实现交流调速控制系统的这些高性能要求, 本研究采用TI 公司的新一代低功耗、高速、高精度的数字信号处理器T MS320F2812, 并应用空间矢量控制算法, 实现交流永磁同步电机控制系统的高性能123。1永磁同步电动机的矢量控制1. 1永磁同步电动机的数学模型为建立正弦波永磁同步电动机(P MS M 的数学模型, 首先假设:(1 忽略电动机磁路中铁心的永磁饱和;(2 不计电动机铁心的涡流损耗

8、与磁滞损耗; (3 定子电枢绕组的空载电势是正弦波, 电动机的电流为对称的三相正弦电流;(4 转子上无阻尼绕组。同步电机电压方程为:u d =L d pi d +pf -r L q i q +R s i d u q =L q pi q +r L d i d +rf +R s (1电磁转矩方程为:T e m =p n f i s sin +2(L d -L q i 2s sin 2(21. 2永磁同步电动机的矢量控制方法P MS M 矢量控制实际上是对同步电动机定子电流矢量幅值和相位的控制。当永磁体的励磁磁链和直、交轴电感确定后, 电动机的转矩取决于定子电流的空间矢量i s , 而i s 的大小

9、和相位又取决于i d 和i q , 即通过控制i d 和i q 便可以控制电动机的转矩。一定的转速和转矩对应一定的i d 和i q , 通过对这两个电流的控制, 使实际i d 和i q 跟踪指令值i 3d 和i 3q , 实现了电动机位置和速度的控制。永磁同步电动机的应用场合不同, 矢量控制方法也不尽相同。:i d = 0的控制、co s <=1最大转矩控制/。不同22. 1磁场定向控制系统原理永磁同步电动机的磁场定向控制系统结构框图如图1所示。图1磁场定向空间矢量控制结构框图BQ 位置传感器; FBS 测速反馈环节系统通过电流传感器测量逆变器输出的定子电流i a , i b , 经过D

10、 SP 的A /D转换器转换为数字量, 并利用公式i c =-(i a +i b 计算出i c 。通过C larke 变换和Park 变换将电流i a 、i b 、i c 变换成旋转坐标系中的直流分量i sq 、i sd , 并以i sq 、i sd 作为电流环的负反馈量。系统利用增量式编码器测量电动机的机械转角位移c , 并将其转换成电角度c 和转速n 。转速n 作为速度环的负反馈量。电角度c 用于参与Park 变换和Park 逆变换的计算。给定转速n ref 与转速负反馈量n 比较得到的偏差经过P I 速度调节器, 其输出作为用于转矩控制的电流q 轴电流参考分量i sq ref 。i sq

11、 ref 和i sd ref (等于零 与电流负反馈量i sq 、i sd 比较得到的偏差经过P I 电流调节器, 分别输出0dq 旋转坐标系的相电压分量V sq ref 和V sd ref 、V sq ref和V sd ref 。再经过Park 逆变换转换成0直角坐标系的定子相电压矢量V s ref 和V s ref 。通过电压空间矢量的S VP WM 技术, 产生控制逆变器的P WM 控制信号425。整个控制器以DSP 芯片为核心再配以简单的外围电路, 实现。2. C , 最终转化为正交变量(相关系数为0 , 达到完全解耦的目的, 然后采用适当的控制算法, 最后将控制调节结果经过相反的过程

12、进行变换, 得到执行机构(电动机 的输入量, 从而完成该控制过程。Clarke 和Park 变换映射图如图2所示。图2C l arke 和Park 变换(a, b, c (, :Clarke 变换; ( 、 (d, q :Park 变换Clarke 变换思想就是将基于3轴、2维的定子静止坐标系的各物理量变换到2轴的定子静止坐标系中。Clarke 变换变换矩阵如下:i s i s i 0=31- 2-202-222i A i B =C 3s /2i Ai Bi (3Park 变换思想是将已获得基于、轴正交坐标系的定子电流矢量变换至随转子磁通同步旋转的 2轴系统中。Park 变换矩阵如下:i sd

13、 i =cos e sin e-sin e cos i s i s =C 2s/2i s i s(4 Park 反变换矩阵如下:38第5期张鹏飞, 等:基于DSP 的永磁同步电动机矢量控制系统 i s i s =cos e -sin esin ecos ei sd i =C 2r/2 si sd i (53永磁同步电动机控制系统的硬件结构和实现永磁同步电机磁场定向控制器以DSP 为核心, 其硬件结构框图如图3所示。图3基于T 框图应用高速数字信号处理器, 可使系统朝着高可靠、高性能和维护方便的全数字化方向发展。本研究采用交流伺服系统的磁场定向空间矢量(S VP WM 的电流环调节方式, 并采用

14、T MS320F2812定点数字信号处理器为主控芯片, 以完成电流环、速度环、位置环的算法实现及其控制。由于T MS320F2812的高集成、高性能特点, 使得控制系统具有控制精度高、硬件简单、可靠性能高等优点。3. 1T M S320F2812的基本结构本研究使用事件管理器控制逆变器, 并通过正交编码电路接口检测电机的位置和速度信号, 采用F2812处理器的A /D单元检测电流信号。3. 2高速数据采集电路该系统中的电动机转子位置和转速检测使用的是增量式光电编码器。其输出信号送入T MS320F2812的I/O和QEP 单元后, 即可通过位置的微分运算得到转速信号。而用霍尔电流传感器采样A

15、、B 两相电流后即可获得实时的电流信息。3. 3主电源电路控制系统的主回路逆变器采用智能功率模块P M30CSJO60, 该模块采用30A /600V I G BT 功率管, 它内含驱动电路, 还有过压、过流、过热、欠压等故障检测保护电路。系统还设计了软启动电路以减少强电对主回路的冲击, 同时系统还专门设计了检测保护电路, 根据变频器反馈回来的故障信号以及从主回路反馈回来的过压、欠压、过流、过热等故障信号, 由或门综合后, 经过光电隔离送到DSP 的P DP I N T 引脚, 以对系统进行及时的保护629。4软件设计软件部分采用模块化的设计结构, 并根据算法编制控制程序。算法程序主要包括:电

16、流和速度环的数字P I 控制、S VP WM 波产生、电流和速度采样、电流各种坐标变换、转速和位置计算、控制量计算等。软件主程序框图如图4所示。图4软件主程序框图5基于M a tl ab /Si m uli n k 的系统仿真本次系统设计在基于Matlab /Sim ulink 的系统中进行仿真, P WM 发生器子系统模块图如图5所示, 其仿真结果如图6图9所示。图5P WM 发生器子系统模块图电动机参数:S N =2238VA , U N =220V , I N =6. 75A , N=0. 87, R s =2. 857, L d =0. 0085H , L q =0. 0085H ,

17、p =4, J =0. 175kg m 2。系统为无静差系统; 调速范围D 20, 电流超调量5%。仿真单元中主要包括三相电源系统、整流及滤波环节、三相桥式I G BT 逆变环节、永磁同步电动机、电机测量模块、给定及反馈环节、P I 调节器、坐标变换环节、P WM 发生器子系统模块等。48机电工程第26卷 由图6可知, 比较P WM 发生器子系统所产生的脉冲波形, 经放大后观测发现, 经过增益模块和输出限饱和模块所产生的波形更符合触发P WM 所需要的脉冲; 而图7所示的是经过abc 三相电流到dq 轴坐标变换后输出的直流电流波形I sq 1与加载在电动机上进行矢量变换控制电动机的电流I sq

18、 进行比较, 波形基本一致, 电机控制和运行性能良好。如果两波形不一致, 将会影响到电动机的控制以及运行性能。图8所示为电动机运行的转矩特性, 用转矩角间接描述, 从仿真的波形图来看, 转矩角是缓慢增大, 最后逐渐达到符合电动机的实际运行转矩, 从而保证了同步电动机的稳定运行, 不会出现失步等异常现象; 图9(a 所示为三相交流电流经过整流变为直流的波形示意图, 从图可看出交流电流逐渐转变为直流电流, 当达到稳定后, 电流几乎变成一条直线, 从而保证了同步电动机的直流电流供给, 如果供电电流中含有交流成分, 有可能会导致同步电动机的振荡, 导致不稳定运行。仿真结果表明:系统输出能够较快地响应输入, 具有较好的稳定性, 同时也表明该系统具有较强的抗干扰性和鲁棒性, 价值。6、数控机床等技术的发展, 人们对高性, 而永磁同步电动机控制系统能实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制, 因此永磁同步电动机控制系统已经成为中小容量交流控制系统研究的重点之一。仿真结果表明, 系统控制方案合理, 能达到工业控制系统的要求, 因此基于T MS320F2812的永磁同步电动机控制系统的研究具有一定的理论意义和实