永磁同步電機直接轉矩控制系統(tǒng)設計
張嵩1，楊霞2，肖竹2
(1．遼寧省高速公路管理局丹東管理處，遼寧丹東118000；2．沈陽工業(yè)大學，遼寧沈陽110870)
摘要：文章介紹了永磁同步電動機模型和直接轉矩控制原理。在直接轉矩控制理論的基礎上，本文采用空間矢量調制技術，實現(xiàn)全數(shù)字化控制。本系統(tǒng)采用TI公司的數(shù)字信號處理器-TMS320F2812型做為核心控制器件，并分別從硬件和軟件流程上進行說明。實驗結果表明，該方法具有良好的動態(tài)響應和調速性能。
關鍵詞：永磁同步電動機；直接轉矩控制；數(shù)字信號處理器
O引言
直接轉矩控制(DTC)摒棄了傳統(tǒng)矢量控制的解耦思想，采用定子磁鏈定向，直接控制定子磁鏈和轉矩，使其具有控制結構簡單、動態(tài)性能好等優(yōu)點。
本文采用空間矢量脈寬調制技術(SVF·WM)，以降低電機轉矩脈動，減少電流畸變。控制器采用的DSP為TI公司的專用電機控制芯片，對永磁同步電動機進行直接轉矩控制，實現(xiàn)了永磁同步電動機的全數(shù)字控制。
1永磁同步電動機數(shù)學模型
假設永磁同步電機具有正弦形的反電動勢波形，不考慮磁路飽和，忽略電機中的渦流損耗和磁滯損耗，可得到其在轉子同步旋轉坐標系出d-q軸系下的數(shù)學模型為：
式中，ud、uq、ψd、ψq分別為d-q軸上的定子電壓和磁鏈：Ld、Lq分別為d—q軸定子電感；
ψf為永磁體磁鏈：ωr為轉子電角頻率；p為磁極對數(shù)；Rs為定子繞組電阻；te為輸出電磁轉矩；tL為負載轉矩；J為轉動慣量；Ωr為轉子機械角速度；RΩ為阻尼系數(shù)。
2永磁同步電動機直接轉矩控制
直接轉矩控制采用控制定子電壓矢量來控制定子磁鏈：通過定子電壓矢量的徑向分量usr控制幅值ψs的變化，而利用其切向分量控制ψs的轉速ωs，如式(7)所示。
在定子DQ中，定子磁鏈矢量Ψs的兩個分量ΨD，和ΨQ，由式(8)、(9)估計出來，以求出幅值估計值Ψs和轉矩估計值te。
空間矢量調制技術(SVPWM)就是使電機獲得一個恒定的圓形磁場。其不同開關組合電壓向量表如表l所示。其扇區(qū)分布圖如圖l所示，共6個扇區(qū)，8個電壓矢量。
3永磁同步電動機直接轉矩控制硬件設計
硬件設計上，采用TI公司的DSP的2000系列TMS320F2812，采用IPM智能功率模塊作為整流和逆變單元，即DSP+IPM的模式。其中DSP TMS320F2812實現(xiàn)的功能主要有：I/O處理(包括控制信號：起、停，正反轉等)；位置、速度、電流檢測計算；Park反變換和Clark變換；轉矩和磁鏈估計算法；速度、轉矩、磁鏈調節(jié)器；電壓空間矢量SVPWM控制。電壓型逆變器由智能功率模塊(IPM)來完成。。IPM主要接收DSP發(fā)送的SVPWM信號，控制IPM內部的6個IGBT功率開關管組成的逆變電路的通斷，產生電壓空間矢量。電動機的檢測電路由相電流檢測和速度(或位置)檢測組成。電流檢測電路由霍爾傳感器將檢測到的A、B、C相電流經過隔離放大后轉換為電壓信號，輸入DSP，內的A／D模塊進行處理，等待Clark程序模塊處理。速度(或位置)檢測電路選用多摩川2500線的增量式光電編碼器來完成。從編碼器輸出的兩路正交信號直接與TMS320F2812的正交編碼脈沖(QEP)相連接。從而計算出轉子角位置及轉速。圖2為永磁同步電
機直接轉矩控制系統(tǒng)框圖。
SVM-DTC控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，其中參考電壓矢量計算單元和空間電壓矢量調制單SVM替代了常規(guī)DTC中的磁鏈、轉矩滯環(huán)比較器和開關表。
在圖2中，參考角速度ωrx與反饋角速度ωr之差經轉速調節(jié)器輸出參考轉矩指令tex，參考轉矩指令tex與估計出的轉矩te。之差經過轉矩調節(jié)器輸出交軸電壓uq；參考定子磁鏈幅值Ψsx與估計定子電壓幅值Ψs之差經過磁鏈調節(jié)器輸出直軸電壓udx，udx和uqx經過反Park變換后，生成DQ軸系下的“uD和“uQx，輸出給空間矢量控制單元，產生期望定子電壓矢量。
4永磁同步電動機直接轉矩控制軟件設計
本系統(tǒng)控制軟件主要采用匯編語言和c語言混合編程。電機控制算法均在TMS320F2812中實現(xiàn)，DSP通過配置事件管理器(EVA)，使其定時器產生20kHz的PWM算法周期。如圖3所示為速度調節(jié)中斷程序。進入程序開始，完成位置速度檢測，然后進行轉速調節(jié)，Park反變換，輸出6路PWM，之后執(zhí)行ADC模塊，在進行Clark變換，執(zhí)行轉矩和磁鏈估計模塊，執(zhí)行QEP和速度變換程序完成一次中斷。DSP程序中還包括速度給定的處理，由外部鍵盤輸入DSP的l/O口，查表執(zhí)行產生相應的轉速，在這里程序流程圖略。DSP軟件相對比較復雜，需要在程序中設置了多個標志位，用來判斷程序的流程。圖4為采用QEP單元檢測轉子轉速和位置程序流程圖。
5實驗結果與分析
本控制系統(tǒng)所采用的永磁同步電機參數(shù)為：額定電壓為220V；額定轉速1500r/min; 極對數(shù)p=4；Rs=1．86Ω；Ld=5.9mH，Lq=5．9mH；Ψf=0.185Wb。空載啟動，初始轉速300rad/s,
1s階躍至400rad／s，在2s時突加負載至2N·m，****轉矩限定為3N.m。
6結論
本文闡述了PMSM的直接轉矩控制系統(tǒng)實現(xiàn)。采用空間矢量調制技術，實驗結果表明該系統(tǒng)具有較小的轉矩脈動，以及較快的速度響應，達到了要求的控制效果。
參考文獻
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本課題為：遼寧省教育科學“十一五”規(guī)劃立項課題。 |
