外轉子永磁電動機矢量控制系統(tǒng)設計
董海軍，葉云岳，范承志
(浙江大學，浙江杭州310027)
摘要：介紹了外轉子永磁電動機結構及其特點，并應用高性能電動機控制DSP，設計了電動機的矢量控制系統(tǒng)，電動機轉矩和控制性能是好。
關鍵詞：外轉子；永磁電動機；大轉矩；矢量控制；DSP
中圖分類號：TM351 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7018(2008)07-0036-03
0 引 言
新型的釹鐵硼永磁材料由于其高矯頑力、高磁能積的性能，在中小容量電動機的研制和開發(fā)中正得到廣泛的運用。外轉子電動機是一種將定子固定在內部、轉子在外的電動機。和內轉子電動機相比，在相同外部尺寸的情況下，外轉子電動機的轉矩比內轉子的要大。外轉子電動機因其低速大轉矩等特點在很多場合得到應用。如在風力發(fā)電領域，風葉負載可以直接嵌在電動機轉子上，省去了中間的機械變速傳動機構，滿足了一定功率的小體積整機安裝尺寸要求，并且提高了效率[1]。當前數(shù)控機床主軸傳動呈現(xiàn)無級調速直接傳動取代齒輪箱變速間接傳動、交流傳動取代直流傳動、主軸傳動向超高速和超低速兩極發(fā)展，主軸出力向低速滿出力、高速大功率的方向發(fā)展的趨勢[4]。本文的外轉子永磁電動機正可以用到機床等低速直接傳動場合。
本文在介紹外轉子永磁電動機及其結構的基礎上，采用矢量控制策略，應用高性能電動機控制數(shù)字信號處理器TMS320LF2407，設計并實現(xiàn)電動機控制系統(tǒng)的軟硬件結構，電動機運行良好，轉矩和控制性能優(yōu)越。
1 外轉子永磁電動機
根據(jù)電動機轉子的位置，可以把電動機磁路結構簡單地分為外轉子和內轉子結構。目前稀土永磁電動機多采用外貼式內轉子結構。當電動機高速旋轉時，為防止永磁體在承受較大離心力下被甩出或損傷，通常需要對永磁體進行固定防護，因而電動機定轉子之間的氣隙需要設計得較大，引起主磁路磁阻和漏磁系數(shù)增加，降低了永磁材料的利用率和電動機的力能密度。
但是，外轉子電動機的永磁體只要貼在轉子軛內表面即可，對永磁體不需要采用另外的固定措施，因而氣隙可以選得相對較小，這是外轉子永磁電動機的優(yōu)點之一。而且，在相同外部尺寸的情況下，外轉子電動機的轉矩比內轉子的要大。外轉子永磁電動機結構如圖1所示，轉子通過兩個軸承分別在徑向和軸向進行支撐，瓦楞型磁鋼相應地在外轉子上排布。
2 外轉子永磁電動機矢量控制系統(tǒng)硬件部分
外轉子永磁電動機控制系統(tǒng)以TMS320LF2407為控制核心，采用了智能功率模塊(IPM)，控制算法采用的是矢量變換控制。
系統(tǒng)的硬件結構主要包括控制和功率兩部分：控制部分主要由DSP最小系統(tǒng)、信號檢測電路、接口電路以及光電編碼器等組成；功率部分主要由IPM逆變電路、IGBT隔離驅動電路、功率電源整流濾波、過電壓泄放電路等組成。系統(tǒng)的硬件結構框圖如圖2所示。
2.1 TMS320LF2407控制芯片
DSP最小系統(tǒng)采用了TI公司的高性能16位定點芯片TMS320LF2407。使用這種芯片主要出于兩方面的考慮：首先，該芯片主頻可以達到40 MHz，有強大的處理能力，完全可以滿足系統(tǒng)實時性要求；其次，該芯片有內部專用外設模塊一事件管理器，事件管理器提供了高性能的電動機數(shù)字控制方案的核心部分，它可以產(chǎn)生用于驅動絕大多數(shù)電動機的PWM脈沖信號。
2.2主電路智能功率模塊和隔離驅動電路
控制系統(tǒng)中另一個關鍵器件是逆變功率器件。這里我們采用了三菱公司的智能功率模塊PM50RSA120。它由高速、低功耗的IGBT芯片和優(yōu)選的門極驅動及保護電路構成。與分離功率器件和其它功率模塊相比，智能功率模塊可以使系統(tǒng)硬件電路簡單緊湊、尺寸減小，可靠性提高，并縮短系統(tǒng)的開發(fā)時間。 |
