交流永磁同步电机的PCI总线计算机控制及组态仿真

张涛

(华北科技学院，河北 三河 065201)

交流永磁同步电机的PCI总线计算机控制及组态仿真

张涛

(华北科技学院，河北 三河 065201)

针对交流永磁同步电机具有控制算法复杂、控制参数较多等特点，提出采用计算机为控制系统核心、采用高速PCI总线数据卡为通讯媒介构建交流永磁同步电机控制系统方案。给出交流永磁同步电机控制系统结构组成及其主要硬件装置。阐述交流永磁同步电机的磁场定向控制策略及其实现步骤。使用组态软件设计交流永磁同步电机控制系统的组态画面，生动直观地显示交流永磁同步电机控制系统的控制全过程。

交流永磁同步电机;PCI数据总线;计算机控制;磁场定向控制;组态仿真

0 引言

近年来，随着钕铁硼等永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善，以及永磁材料价格的逐步降低，我国的稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研都达到了较高水平。特别是永磁同步电机(PermanentMagnet Synchronous Motor，简称PMSM)，它具有控制系统简单、运行效率高、运行速度快和转子无发热问题等优点，使得永磁同步电机在数控机床、机器人等中小功率应用场合获得了广泛的使用。

本文提出以交流永磁同步电机的速度调节为被控参数;以计算机为控制系统的核心，在计算机中完成交流永磁同步电机的磁场定向控制运算过程;利用组态软件监测交流永磁同步电机的控制参数，并显示交流永磁同步电机控制过程曲线的电机综合控制方案［1－3］。

1 交流永磁同步电机控制系统的结构设计

交流永磁同步电机控制系统是以计算机为控制核心，主要完成永磁同步电机的速度、电流等参数的设置、控制、显示等功能的控制系统。据此，设计的交流永磁同步电机控制系统结构框图如图1所示。

交流永磁同步电机控制系统主要由三部分组成:一是由整流器、逆变器、永磁同步电机所构成的主电路部分;二是由计算机、PCI总线数据卡、数据采集隔离电路、数据驱动隔离电路等构成的控制电路部分;三是由电流传感器、速度传感器构成的参数检测电路部分［4－5］。

图1 交流永磁同步电机控制系统的结构框图

2 交流永磁同步电机控制系统的主要硬件装置

2.1 整流器与逆变器

整流器由三相整流电桥、滤波电感、滤波电容等电路组成，完成三相交流电变换为直流电的过程。

逆变器由智能功率模块(Intelligent Power Module，简称IPM)、开关电源、保护电路等部分组成，完成驱动控制永磁同步电机的功能。

智能功率模块(IPM)选用三菱公司生产的PS212552E。IPM模块PS212552E是将6只IGBT封装在一起，组成三相全桥逆变电路，内部具有开关驱动电路。IPM模块PS212552E具有体积小、重量轻等优点，并设计有过压、过流、过热及欠电流保护电路，是驱动永磁同步电机的理想元件。

IPM模块PS212552E驱动永磁同步电机的应用电路如图2所示。图中，IPM模块 PS212552E的 P、N端口分别接整流器输出的直流电压信号;Up、Vp、Wp、Un、Vn、Wn 端口的前端均设有驱动隔离电路，它们分别接收来自计算机计算的、由PCI总线数据卡输出的6路PWM输出信号;A、B、C端口输出永磁同步电机的控制信号，完成对永磁同步电机的控制功能。

图2 IPM模块PS212552E驱动PMSM的应用电路

2.2 计算机与PCI总线数据卡

计算机为交流永磁同步电机控制系统的核心控制器，主要完成检测数据的分析比较、控制信号的计算与输出等功能，实现对永磁同步电机的控制策略。

PCI是外部设备互相联接(Peripheral Component Interconnect)的简称，它是一种连接电子计算机主板和外部设备的总线标准。PCI总线数据卡是具有PCI总线的数据采集与控制卡，可以直接安装在计算机的主板上。PCI总线数据卡负责完成数据采集任务，并将数据采集结果传递给计算机，以便于计算机作进一步处理;同时，PCI总线数据卡负责完成数据输出任务，将计算机的控制指令传递给逆变器电路。

本设计的PCI总线数据卡选用研华公司生产的PCI－1716。PCI－1716是一款功能强大的低成本多功能PCI总线数据采集与控制卡，其内部含有250k/s的16位A/D转换器。PCI－1716提供16路单端模拟量输入或8路差分模拟量输入，2路16位D/A模拟量输出通道，16路数字量输入通道，16路数字量输出通道，以及1个10MHz时钟的16位多功能计数器通道。

PCI－1716数据采集与控制卡为68针I/O接口，其主要信号端口包括:AI0～AI15为模拟量输入通道0～15，AO0_OUT、AO1_OUT为模拟量输出通道0～1，DI0～DI15为数字量输入通道0～15，DO0～DO15为数字量输出通道0～15。对于本设计，AI1、AI2分别接永磁同步电机的A相、B相电流输入信号，它们均利用PCI－1716内部的A/D转换器转换为数字量信号。DI0～DI5分别接收光电编码器的6路输出信号U、V、W、A、B、Z，在计算机内部完成电机转速测量的计算。DO0～DO5分别接IPM模块PS212552E 的 Up、Vp、Wp、Un、Vn、Wn 端口，用于输出 6 路 PWM信号控制永磁同步电机的运转。

2.3 参数检测

矢量变换要求获得永磁同步电机定子三相电流，实际检测时只要检测其中两相即可，另外一相可以由计算得出。电流检测可采用目前广泛使用的是磁场平衡式霍尔电流检测器(LEM模块)。该LEM模块将电流互感器、磁放大器、霍尔元件和电子线路集成在一起，具有测量、反馈、保护三重功能。霍尔电流检测器检测的A相、B相电流，经放大电路处理后，分别送到PCI总线数据卡PCI－1716的AI1、AI2通道，然后经PCI总线数据卡PCI－1716内部的A/D转换器变换为数字量。

目前，广泛用于交流伺服电机的速度检测和位置检测的方法是采用光电编码器来检测。采用光电编码器从电机共检测到6路信号，它们分别为:检测转子空间绝对位置的互差120°的U、V、W脉冲信号，该组信号与电机对应相的反电势同相位、同频率;用于检测转子旋转速度的两个频率变化且正交的A、B脉冲信号;每转一个周期的Z信号脉冲，该信号通常配置在U信号的上升沿处。将这6路信号经隔离后分别送至PCI总线数据卡PCI－1716的DI1～DI6通道，然后采用M/T混合法计算电机的转速，即在高速时(500 r/min以上)用M法测速，在低速时(500 r/min以下)用T法测速，可准确地获得永磁同步电机的转速［6］。

3 交流永磁同步电机的磁场定向控制策略

为了实现类似控制直流电机的方式来控制交流电机，20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术。磁场定向控制策略的思路是:通过坐标变换，把合成定子电流矢量从静止坐标系变换到旋转坐标系上;在旋转坐标系中，计算出实现力矩控制所需要的定子合成电流的数值;然后将这个电流值再反变换到静止坐标系中，将虚拟的合成电流转换成实际的绕组电流，从而实现交流电机力矩的控制［7－8］。

按照磁场定向控制策略的思路，交流永磁同步电机的磁场定向控制策略框图如图3所示，其具体控制策略的步骤包括:

(1)通过磁场平衡式霍尔电流检测器(LEM模块)电流读取相电流iA和iB，经过Clark变换(3s/2s坐标变换)，将电流从三相静止坐标系变换到两相静止坐标系中的iα和iβ;

(2)通过光电编码器测量转子角位置φ，并与iα和iβ相结合，经过Park变换(2s/2r坐标变换)，将电流从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系中的id和iq;

(3)通过光电编码器测量转子角速度ωr，测量的转子角角速度ωr与参考的转子角速度ω*r进行比较，并通过PI调节器产生交轴参考电流i*q;令直轴参考电流i*d=0;(4)交轴参考电流i*q与交轴反馈电流iq相比较，经过PI调节器运算后转化为交轴电压uq;类似地，直轴参考电流i*d与直轴反馈电流id相比较，经过PI调节器运算后转化为直轴电压ud;

(5)直轴电压ud、交轴电压uq与检测到的转子角位置φ相结合，进行Park逆变换(2r/2s坐标变换)，将直轴电压ud和交轴电压uq从两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系中的uα和uβ;

(6)电压uα和uβ经过PWM模块调制为六路开关信号，从而控制三相逆变器的开通与关断，实现永磁同步电机的转速、电流双闭环控制。

4 交流永磁同步电机控制系统的组态仿真

为直观显示永磁同步电机的参数在控制时的变化过程，本文使用组态王编程软件设计了交流永磁同步电机控制系统的组态仿真画面。在交流永磁同步电机控制系统的组态仿真画面中，可以实现组态画面编辑、运行参数设置、运行数据保存、运行曲线显示等交互控制功能［9－12］。

图3 交流永磁同步电机的磁场定向控制策略框图

永磁同步电机的主要参数如下:每相定子电阻为1.17Ω，定子电感为4.2mH，转动惯量为0.0009 kg·m2。控制要求的主要参数包括:直轴(d轴)磁链最终稳定在0.5Wb，交轴(q轴)磁链最终稳定在0Wb;永磁同步电机带额定负载启动，初始角速度为0 rad/s，目标角速度为100 rad/s(相当于电机转速为955 r/min)。

交流永磁同步电机的直轴(d轴)磁链定向控制过程如图4所示，直轴(d轴)磁链最终稳定在0.5Wb(韦伯);交轴(q轴)磁链定向控制过程如图5所示，交轴(q轴)磁链最终稳定在0Wb(韦伯)。

图4 直轴(d轴)磁链定向控制过程

图5 交轴(q轴)磁链定向控制过程

交流永磁同步电机的角速度控制过程如图6所示，可见经过约5分钟后，电机设定的目标角速度达到100 rad/s，实现交流永磁同步电机的目标角速度控制目标。

图6 角速度控制过程

5 结束语

本文提出了交流永磁同步电机的综合控制方案，其结论如下:

(1)采用PCI总线数据卡作为数据采集与控制的通信媒介，给出主要硬件器件的应用过程，构建交流永磁同步电机控制系统的硬件系统方案。

(2)以计算机为控制系统的核心，在计算机中完成传感器数据的分析提取、交流永磁同步电机的磁场定向控制、PWM输出信号生成等一系列运算，充分发挥计算机在复杂运算方面的优势，体现计算机控制系统的固有特点。

(3)使用组态编程软件设计交流永磁同步电机控制系统的组态画面，绘制交流永磁同步电机的控制参数变化曲线，直观生动地显示交流永磁同步电机的参数在控制时的变化全过程。

本文提出的交流永磁同步电机的综合控制方案，可以实现电机转速、转子磁链和坐标轴定向过程的三闭环控制，具有采用先进高速通讯装置、以计算机为控制系统核心、利用组态软件显示参数控制过程等特点。

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PCIBus Com puter Control and Configuration Simulation for AC Permanent Magnet Synchronous Motors

ZHANG Tao
(North China Institute of Science＆Technology，Sanhe Hebei065201，China)

Considering complex control algorithm and quite a number of control parameters of the AC permanent magnet synchronous motor(PMSM)，this paper proposes an AC PMSM control system using the computer as the core of the control system and the high-speed PCIbus data card as communication media.It gives the structure and main hardware devices of the AC PMSM，discusses its fieldoriented control strategy and implementation steps.Configuration software is used to design the configuration screen of the control system of the AC PMSM motor，which enables a vivid intuitive display of the whole control process of the control system.

AC permanentmagnet synchronousmotor(PMSM);PCIdata bus;computer control;field oriented control;configuration simulation

10.3969/j.issn.1000 －3886.2015.06.008

TP276

A

1000－3886(2015)06－0024－03

定稿日期:2014－12－25

中央高校基本科研业务费资助项目(3142014126);华北科技学院教研基金资助项目(HKJY201410)

张涛(1972－)，男，黑龙江拜泉人，阜新矿业学院学士，辽宁工程技术大学硕士，浙江大学博士，华北科技学院自动化系主任，副教授、工程师。研究方向:自动控制、计算机控制系统、煤矿安全生产监控系统。