基于DSP的永磁同步电机变频系统设计与研究

李玉东，李 鹏，葛敬涛

（河南理工大学 电气工程与自动化学院，焦作 454000）

0 引言

随着我国对稀土资源的重视以及相关产业的大力发展，PMSM已经广泛的应用在国民经济以及日常生活中，也成为当前研究的重要领域[1]。PMSM用高性能的永磁体取代了电励磁系统，使得永磁励磁磁场稳态运行时在相绕组中产生正弦波感应电动势，便于对PMSM的控制[2]。

交流变频调速系统中，逆变驱动技术广泛的采用脉宽调制的控制方式。针对控制PMSM多采用正弦脉宽调制（SPWM）[3]、空间矢量脉宽调制（SVPWM）等技术[4,5]。SVPWM技术相对传统SPWM技术，对电机定子磁场针对性的提出旋转圆形磁场方式，提高了直流电压利用率以及电机控制性能，较适合PMSM的控制[6～8]。

考虑到实验室伺服系统集成化、智能化需求，本文针对PMSM变频调速系统[9～11]的这些特点，采用SVPWM对实验室伺服系统进行技术改造，研究设计了一种基于DSP的数字化永磁同步电机变频调速系统平台。系统平台实现了电机调速范围、控制精度等主要技术指标的提升，解决了动态响应慢、效率低等问题，充分验证了系统的可靠性。

1 矢量控制系统原理

矢量控制是基于功率守恒定律，通过坐标变换的方式，对PMSM定子电流iS进行矢量分解，实现电机励磁磁通和电磁转矩的相互独立控制，近似达到了与实际他励直流电机同样的电流控制方式。

矢量控制坐标变换表达式为：

在假设电机磁路线性，不考虑涡流和磁滞损耗且永磁体产生的励磁磁场和三相绕组产生的磁场在气隙中均为正弦分布等条件下，引入PMSM在静止ABC坐标系下的电压矢量表达式为：

上式中，uA、uB和uC为三相定子绕组相电压，iA、iB和iC为三相绕组中的电流，ΨA、ΨB和ΨC为A、B、C相绕组的全磁链。

将PMSM在两相旋转d-q坐标系下搭建数学模型，则PMSM定子磁链矢量表达式：

上式中，Ψd、Ψq为交轴和直轴磁场全磁链，Ld、Lq为交轴和直轴同步电感，id、iq为交轴和直轴矢量电流分量。

PMSM电压平衡矢量表达式为：

上式中，ud、uq为交轴和直轴电压矢量分量，r为定子电阻，ω为转子角速度。

PMSM的电磁转矩矢量表达式为：

小额信贷对于弱势群体有着重要的现实意义。它不仅能够使其地位有所提高，还能改善生活状况。但是，现阶段小额信贷自身的特殊性，使得我国从事小额信贷业务的贷款公司、机构、银行等面临着税收制度、身份定位等多种问题。所以，应该为小额贷款的发展提供良好的制度环境,使其利率能够覆盖风险,并适当定位小额贷款机构的性质,让其拥有贷款呆坏账核销自主权,在保证其不非法集资、限制其外部性的前提下进行制度创新,以满足社会上普遍存在的大量需求。

由于在面贴式永磁同步电机（SPMSM）中Ld≈Lq。即电磁转矩矢量表达式可简化为式（8）。由于PMSM中Ψf恒定，Te仅与iq有关。

根据对矢量控制原理的研究，设计了PMSM变频调速系统框架，系统采用idref=0的电流控制方式，如图1所示。

SVPWM调制技术是通过控制三相逆变器中电桥断开或导通的方式，使输出的电压空间矢量磁链轨迹逼近由三相对称正弦电压作用时电机中产生的圆形旋转磁场。

如图2所示，SVPWM模块对三相逆变器输入六路高频PWM波，从而产生幅值、频率可调的三相交流电驱动PMSM。转子磁极的空间实时相位角θr保证旋转d-q轴系是沿着转子磁场定向的方式旋转。闭环系统部分在PMSM侧加装光电编码器，对PMSM反馈信号进行信息采集、处理用于系统闭环控制。

图1 PMSM矢量控制系统框图

图2 基本空间电压矢量

2 矢量控制系统仿真

基于P M S M 矢量控制系统框架结构，在MATLAB8.0仿真软件Simulink中，建立了PMSM矢量控制系统仿真模型，如图3所示。系统电机模型额定电压uN=220V，额定功率PN=1.2kw，额定转速nN=3000r/min，额定电流IN=5A，机械转动惯量J=8.28kg·m2，极对数为4。

图3 系统仿真模型图

对系统进行仿真，额定功率下电机带载启动，给定转速为3000r/min，仿真波形如图4所示。

从系统仿真波形图可以看出，电机从带载启动进入稳定运行阶段的仿真波形动态响应迅速、稳定，电机转子磁链波形较为理想，稳态运行时无静差，验证了PMSM矢量控制变频调速系统可靠性。

图4 静止至3000r/min稳定运行时的转速波形

图5 转速为3000r/min 时U、V相电流波形

图6 电机转矩波形

图7 SVPWM扇区N波形图

图8 电机转子磁链图

3 系统设计与实验

根据PMSM矢量控制系统仿真模型，研究设计了基于DSP的数字化永磁同步电机变频系统。

3.1 系统硬件平台设计

PMSM变频调速系统数字集成硬件平台如图9所示，市电通过整流滤波电路后变换成220V直流电输入到智能功率模块（Intelligent Power Module,IPM）中，输出电压、频率均可调的三相交流电驱动PMSM运行。

图9 PMSM变频调速系统硬件平台

将系统硬件平台进行模块化可有效减少相互之间的干扰。下面分别对系统主控制电路、系统功率驱动电路、系统信号调理电路3个主要部分介绍。

系统主控电路采用德州仪器公司所生产的TMS320F2812作为控制核心，其外围电路部分主要由时钟基准电路、外部存储电路、工作电源电路、仿真数据连接电路等组成。

功率驱动部分通过多个滤波电容对输入的工频交流电进行滤波，系统在上电的瞬间，针对滤波电容可能受到的较大启动冲击电流问题，设计了通过继电器控制的系统限流启动电路。如图10所示，当滤波电容充电电压达到预设值时，开关信号使三极管导通，继电器回路接地，从而吸合开关，短路限流电阻。整流滤波后的220V直流电输入高度集成了过压、过流保护等功能PS21255-E中，输出三相正弦交流电驱动PMSM运行。

系统信号调理电路包括系统功率电路上直流母线电压、电流检测比较电路，输入PMSM的U、V两相电流检测调理电路以及系统硬件保护电路。针对系统可能出现的故障，设计了硬件保护电路，通过对单向数据传输芯片的封锁或开通，保证系统安全可靠运行。

图10 系统启动限流电路

辅助电源用于保证系统运行，需要1路模拟+5V电压，1路数字+5V电压，4路+15V电压用于IPM驱动电路供电，2路±15V电压为运算放大器等器件供电。

3.2 系统软件设计

PMSM变频调速系统系统软件设计如图11所示。

图11 主程序流程图

3.3 系统实验

根据PMSM变频调速系统仿真结果以及软、硬件设计，研制出基于DSP的PMSM变频调速系统样机，并进行了初步实验。系统样机如图12所示。

图12 系统平台样机

系统PMSM型号为110ST-M04030LFB，电机参数如表1所示。

表1 110ST-M04030LFB电机参数

实验过程中，给出了永磁同步电机的转速从静止启动突变至3000r/min稳定运行时的转速波形，如图13所示；图14是电机转速升至3000r/min稳定运行后，电机定子U、V两相电流波形。从初步实验得到的速度响应波形和U、V两相电流波形可以看出，所设计的系统响应快、超调量小，电机运行较平稳。该系统实验装置的性能还需要更多的实验来验证。

图13 静止至3000r/min稳定运行时的转速波形

图14 转速为3000r/min时U、V相电流波形

4 结束语

本文针对实验室伺服变频系统数字化、集成化、智能化等实际需求，通过对PMSM变频系统的研究，采用SVPWM调制技术，研究设计出基于DSP为控制核心的永磁同步电机变频系统样机，并进行了实验室通电实验。实验结果显示：整套系统动态响应迅速，电机运行平稳，验证了系统的可靠性。

[1]王成元,夏加宽,孙宜标.现代电机控制技术[M].北京：机械工业出版社,2008.

[2]刘美侠,孙延永.永磁同步电机无传感器控制系统的仿真研究[J].计算机仿真,2012,29(8)：401-404.

[3]季伟,林卫星,黄伟锋.基于DSP产生的SPWM波的谐波估计与分析[J].计算机工程与应用,2013,49(9)：211-217.

[4]黄少瑞,郝润科,朱军,高源炯.基于DSP的异步电机SVPWM控制技术实现[J].电气自动化,2010,32(5)：19-22.

[5]陈粟宋.基于DSP和SVPWM控制的变频调速系统设计及实现[J].制造业自动化.2011,33(9)：19-21.

[6]A.Piippo,M.Hinkkanen,J.Luomi,Analysis of an adaptive observer for sensorless control of interior permanent magnet synchronous motors[J].IEEE Transaction on Industry Electronic,2008,55(2)：570-576.

[7]宋文胜,冯晓云.一种单相三电平SVPWM调制与载波SPWM内在联系[J].电工技术学报.2012,27(6)：131-138.

[8]Gheorghe Daniel Andreescu,Cristian Ilie Pitic.Combined flux observer with signal injection enhancement for wide speed range sensorless direct torque control of PMSM drives[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2008,23：393-402.

[9]林伟杰.永磁同步电机伺服系统控制策略的研究[D].杭州,浙江大学,2005：66-89.

[10]姚绪梁.现代交流调速技术[M].黑龙江：哈尔滨工程大学出版社,2009.

[11]Chan,T.F.,Wang,W.,Borsje,P.,Wong,Y.K.,Sensorless Permanent-magnet Synchronous Motor Drive Using a Reduced-order Rotor Flux Observer[J].IET Electric Power Applications,2008,2(5)：88-98.