基于DSP的永磁同步电机控制研究

2018-01-26肖丽佳

湖南工业职业技术学院学报 2017年6期

肖丽佳

（福建水利电力职业技术学院，福建三明，366000）

永磁同步电机的结构十分简单，并且造价低廉、能量利用率高、空间占用率小、工作稳定性高及易维护等多项优点，因此具有十分广阔的应用范围。同时，随着电工电子技术、计算机技术、自动控制技术等科学技术的发展，永磁同步电机控制系统也越来越先进[1]。

DSP在全数字电机控制系统中存在巨大的优势，特别是在交流电机控制方面[2]，由于处理的对象模型非常复杂，是高度非线性的，一般的传统控制器在计算能力上本身存在不少限制，无法达到控制要求[3]，因此本文使用TI公司的DSP控制器进行电机控制研究，并利用DSP实现对电机的高精和快速反馈控制。

1永磁同步电机的调速原理

1.1永磁同步电动机的结构

基于不同种类的磁性材料，永磁同步电机的设计也各不相同。只要设计合理，它就能避免由于短路而产生意外退磁的危险，此外，转子表?面式安装的永久磁钢能够使转矩/重量比大大提高，并且得到足够的磁通密度和高矫顽力的特性。磁钢在磁极下能够是整块式的，亦为细条式的。由于齿槽效应将会带来转矩和转矩脉动不规则的影响，为了消除影响，解决方法是将定子开斜槽（就是一个斜齿距）。另外，永磁同步电动机的转子磁钢在气隙中产生的磁通密度是呈正弦形分布的，它的形状呈抛物线形，定子电枢绕组使用的是一种短距的分布式绕组，可以最大程度的使谐波磁动势消失。

1.2永磁同步电动机调速控制系统基本组成

永磁同步电动机调速控制系统的主回路由脉宽调制[PWM]变频器、永磁同步电动机、转子位置检测器、电流传感器及速度传感器组成。控制回路由速度调节器、矢量变换电路、电流调节器、PWM生成器及驱动电路、转速变换电路组成。

由于系统主回路结构特性，使得变频器采用交流-直流-交流的电压型逆变器，电压成为其控制目标。所以，我们必须将此电压式的逆变器转变成电流式的逆变器。那么我们考虑以下两种方法：其中一个简单的方法就是转变为电流跟踪型的PWM逆变器，其能够把输出的电流控制于合适的误差范围之内，使其依着所给的电流的改变而改变；第二种方法是依照电流矢量在空间的位置得以计算得到逆变器各个开关在哪个时刻开通以及彼此导通之间的间隔时间，从而用以控制逆变器各相的输出电流。因为对于永磁同步电动机定子来说，其三相一般是呈Y形连接，并且中点是悬空的，所以在三相中将有一相是相关的、不独立的，鉴于三相平衡的原理，因此在这个回路中只有两相能够为电流所检测，而对于另外一相的反馈电流则需要通过之前能够被测得的两相电流相加之后取反才能获得。

在确定了三相电流瞬时给定的值后，可通过PWM逆变器输出三相对称的交流电，让永磁同步电机慢慢启动同时作正向运行。倘若转子d轴与合成的电流矢量是成垂直的并且落后，那么电动机的转矩方向是相反的，从而使电动机制动。在此制动模式下，必须考虑到在硬件设计中此反转发电所导致的不良后果，因此必须设计电流旁路，以防滤波电容的击穿。

根据上述的讨论，只要我们改变速度控制器的设定值的极性以及大小，就能保证在四象限运行的永磁同步电动机控制系统的稳定性，同时又满足一定高精度的位置和速度要求。

1.3永磁同步电动机的调速原理

对于永磁同步电机转速的调节，其主要在于对转矩的控制，因为一切电动机只有通过主磁场与电枢磁场互相作用才能生成电磁转矩。

对于永磁同步电机的调速方法，一般是利用安装在电动机轴上的转子磁极位置检测器，从而能够准确检测出转子的磁极位置，而定子侧变流器的电流功率以及相位也得以控制，由于定子电流和转子磁链总是以确定的关系存在，因此能够产生恒定的转矩。对于高效率的永磁同步电动机调速系统一般都使用转子磁场定向的矢量控制技术进行控制，并且这种电动机矢量控制的d-q模型，其转矩方程为

2 DSP在电动机控制领域中的应用

2.1永磁同步电机速度FOC的控制过程

永磁同步电机速度FOC的控制过程可以简单地描述成下面的过程:

首先，依据所检测得到的电机旋转速度与输入的参考的转速，依据转速和转矩之间的关系，经过速度PI控制器的计算所得的定子电流参考输入。定子的相电流与通过其相电流的检测电路将会被提出来，之后再用Clarke变换把它们变换到定子的两相坐标轴之中，运用Park变换之后再把它们变换到d-q轴旋转坐标系之中。d-q坐标系之中的电流信号和它们的参考输入值iSqref与iSdref对比，当中，iSdref=0，之后通过PI控制器就能获得想要的控制量。最后，控制信号通过Park逆变换，再送回到PWM逆变器中，从而能得到控制定子三相对称绕组实际的电流。

通过上述的分析，基本能够确定系统设计分为以下几个模块环节:

①对于DSP自身和外部芯片的接口设计；

②设计相电流的检测部分；

③检测转子位置的角度与速度信号；

④设计PI控制器；

⑤矢量于坐标系之间的转换；

⑥空间矢量PWM信号的产生；

⑦电动机功率驱动模块的设计。

2.2 TMS320F2812芯片的介绍

TMS320F2812芯片是以TMS320C2xx内核的定点为基础的数字信号处理器。其整合了DSP及微控制器的最佳特性，器件上含有多种先进的外部设备，主要使用在嵌入式控制应用，如数字电机控制、资料汲取和I/O控制等领域，其为实现对电机的精准快速控制操作提供了良好的控制平台。在芯片中整合了128KB的闪存器和4KB的运行存储器，进而显著提升了系统操作控制的灵活性。归纳起来，TMS320F2812系列DSP有以下特点[4]：

（1）采用高性能的静态CMOS制造工艺：高达150MHZ的主频(时钟周期为6.67ns)；能耗少（当频率为150MHz时的核电压为1.9V，而频率在135MHz以下时核电压为1.8V，电压为3.3V的I/O口）；编程电压3.3V的Flash存储器；支持JTAG边沿扫描；

（2）32位的高性能CPU：具有16×16和32×32乘积累加操作性能；16×16双乘积累加器；程序与数据空间是分开寻址的；具有快速响应与处理中断的功能；寄存器编程模式统一；线性数据地址及其程序地址达到4M；能够支持C/C++和汇编语言的代码转换能力效率高；

（3）片上存储器：FLASH存储器高达128K×16空间、ROM空间为128K×16；

（4）外部存储器接口：寻址空间为1MB；三个片选端是独立分开的；

（5）时钟和系统控制：具有改变动态的锁相环(PLL)的频率；

（6）具有三个外部中断以及三个32位的CPU定时器；

（7）对于外部的中断扩展功能（PIE）模块，最多能够支持多达45个外部中断；

（8）128位密钥 /锁：保护 FLASH/ROM；保证ROM中固化的程序的安全、不被盗；

（9）串口外围设备：包括串行外部设备接口(SPI)；两个串行通信接口（SCIs）；

（11）16个通道的12位的ADC：2个8通道的输入多路选择器；两个采样保持器；单/连续通道转换；80ns/12.5MSPS(兆采样每秒)的快速转换率；

（12）能够设置56个可独立编程且用途多样的输入/输出(GPIO)引脚。