节能型屏蔽电泵电机控制系统设计

林 勇 李 杨 罗 京

(合肥工业大学，合肥 230009)

节能型屏蔽电泵在国内外都具有广泛的市场，节能主要体现在功率P、流量Q与压力H三者之间的关系(P=QH)以及三者与电机转速N之间的比例关系：流量Q正比于转速N的一次方，压力H正比于转速N的平方，而输出功率P正比于转速N的三次方[1,2]。当电机效率一定，调节流量Q下降，则转速N以一次方比例下降，压力H以二次方比例下降，则功率P以三次方比例下降，可以很大程度上提高节能效果。但是在实际应用中流量不能减小，只能减小压力，由于压力与流量之间具有强耦合性，很难达到节能的要求[3]。

永磁同步电机以其高转矩惯量比、高密度、高效率及易控制等优异性能[4]，在中小功率驱动范围内引起了越来越高的重视，在节能型屏蔽电泵中得到了广泛使用。目前，国内的屏蔽电泵的制造大多采用旋转变压器、光电码盘及霍尔传感器等位置传感器检测转子位置，由于机械传感器的存在，从而降低了系统的可靠性和鲁棒性，并且增加了生产的成本。因此，笔者设计了无需传感器的控制电路，并通过PID调节器对电机转速进行控制，为屏蔽电泵的开发研究提供了新的策略。

1 屏蔽电泵电机控制系统①

屏蔽电泵电机控制系统硬件系统(图1)使用单片机XC878CM作为控制系统的微控制器，智能功率模块选择FSB50450S芯片，将CUP产生的6路PWM信号转变成电机调速所需的三相电压，使用比较放大器集成模块AD8616，为系统提供采样电流，并同时进行过流保护。单片机通过采样到的电流信号进行矢量控制运算，通过对PWM信号的调节[5]，完成对电机三相电压的调节，从而控制电机转速。

图1 屏蔽电泵电机控制系统硬件系统框图

1.1 系统电源模块

该系统的电源模块使用VIPER12AS芯片和TPS54231芯片分别产生系统所需的+15V和+5V电压，为控制系统的CUP和其他模块供电。VIPER12AS芯片及其电路如图2所示，TPS54231芯片及其电路如图3所示。

图2 +15V电压转换电路

图3 +5V电压转换电路

1.2 系统智能功率模块

该控制系统采用FSB50450S智能功率模块，将CUP产生的6路PWM信号转换为电机驱动所需的三相电压U、V、W，并与AD8616结合产生反馈电流。FSB50450S芯片及其电路如图4所示。

图4 三相电压产生模块

1.3 系统反馈电流产生及过流保护模块

该系统选用AD8616芯片与外围电路结合，产生反馈电流CurrentValue，并通过AD8616产生OverCurrent信号，从而达到对系统的过流保护作用。反馈电流生成和过流保护电路分别如图5、6所示。

图5 系统反馈电流生成电路

图6 系统过流保护电路

1.4 系统CUP芯片XC878CM

该系统的CUP选取了英飞凌公司的XC878CM单片机，利用此单片机的PWM信号产生模块CCU6产生6路PWM信号，通过AD采样系统的反馈电流并通过磁链定向矢量控制方法控制电机转速。在设计中，利用GPIO模拟I2C总线和SPI总线，将CUP与EEPROM连接，并通过HC595与显示电路连接。XC878CM及其外围电路如图7所示。

图7 系统控制芯片XC878CM单片机及其电路

2 电机控制系统的无传感器矢量控制算法

该系统采用磁场定向矢量控制方法完成无传感器控制[6]，将可采样的定子电流通过坐标变换转移到转子的坐标系上，形成电流的闭环，对电流动态跟踪，与转子转速的闭环一起形成双闭环，提高了系统的稳定性和控制精度，使系统能更快速的响应。矢量控制方法模拟直流转矩规律，将定子电流矢量分解成产生磁场的励磁电流id和产生转矩的转矩电流iq，同时控制两分量的相位和幅值。由电机转矩方程Te=np(Ψdiq-Ψqid)=np[Ψriq+(Ld-Lq)idiq](T为转矩，n为转速，Ψ为磁通，L为转子长度，e、p、d、q、r均为空间矢量的方向)可知：当id=0,iq=is时，Te=npΨriq，控制电机的转矩，就能达到直流调速系统的动、静态性能。

2.1 Clarke变换和Park变换

对交流永磁同步电机驱动系统的控制需要转换和简化传统的控制调节器[7]，因此要对采样的电流信号CurrentValue1进行Clarke变换和Park变换，使电流进行从ABC坐标系到αβ坐标系(r坐标系)到dq坐标系(s坐标系)的变换[8]，如图8所示。

图8 PMSM的系统坐标变换

Clarke变换是将采样的定子电流从静止的ABC坐标系转换到静止的αβ坐标系(r坐标系)，其转换方程为：

(1)

(2)

其中，ia+ib+ic=0。

Park变换是从静止的αβ坐标系转换到旋转的dq坐标系，其转换方程为：

id=iαcosθ+iβsinθ

(3)

iq=-iαsinθ+iβcosθ

(4)

Park变换矩阵与其逆变换为：

(5)

(6)

其中，θ为转子位置角。

2.2 系统的矢量控制

磁链定向矢量控制的系统原理如图9所示。

图9 矢量控制的系统原理框图

该系统将采样的定子电流经过Clarke变换得到iα和iβ,iα和iβ与转子位置θ结合，经过Park变换得到id和iq，通过磁链定向控制估算转子位置角θ并得出相应的转速，与参考转速进行PI调节后得到参考转矩电流iq，再与实际值进行PI调节并经过Park逆变换后得到两相静止电压Usα、Usβ，最后通过SVPWM控制调节电压空间矢量，由智能功率模块调节电机转速。重复以上过程，直到达到电流和转速的双闭环控制。其中，定子磁链ψsα、ψsβ与定子电压Usα、Usβ和定子电流isα、isβ的关系为：

(7)

(8)

转子磁链ψrα、ψrβ为：

(9)

(10)

则转子位置角θ为：

(11)

转子位置角与转速之间的关系为：

(12)

(13)

2.3 矢量控制系统的软件流程

矢量控制是该系统控制算法的关键，笔者根据矢量控制系统的运算过程设计其程序流程，矢量控制系统的软件流程如图10所示。

3 结束语

节能型屏蔽电泵目前在国内外的使用非常广泛，具有开阔的市场前景，笔者给出了节能屏蔽电泵开发的基本硬件结构和基本软件设计思路，基于XC878CM的屏蔽电泵电机控制系统样板已经调试完毕，在研发的过程中解决了许多问题，为后续的研究开发打下了基础。无传感器的矢量控制方法在永磁同步电机调速中的实际应用，也为国内节能型屏蔽电泵行业的技术突破带来可能，屏蔽电泵行业在国内也将会有长足的发展。

图10 矢量控制系统软件流程