基于嵌入式芯片的永磁同步电动机的矢量控制及控制系统

2019-07-01张娜

智能计算机与应用 2019年3期

张娜

摘要：C8051F021是美国Cygnal公司生产的单片机。本文采用C8051F021作为嵌入式芯片搭建嵌入式控制平台，以工控机为上位机通讯设备对永磁同步电动机进行矢量控制，改善其转矩控制性能。

关键词： C8051F021;永磁同步电动机;矢量控制

文章编号： 2095-2163（2019）03-0289-02 中图分类号： TP273 文献标志码： A

0 引言

作为时下流行的嵌入式芯片，C8051F021具有片上资源丰富、低功耗、高速度等优点，应用于多个控制领域系统中。永磁同步电动机（PMSM）矢量控制则致力于改善转矩控制性能，具体是用PMSM模拟直流电动机的转矩控制规律。在矢量控制系统中，PMSM转子空间位置主要是通过光电编码器等位置检测传感器实测得到，通过调节器产生电压、电流等控制变量，再经逆变器输出电流控制PMSM旋转[1]。本文采用id=0的电流控制方式。对此内容，本文将做出研究阐述如下。

1 硬件结构

嵌入式芯片的永磁同步电动机的矢量控制系统硬件结构即由如下部分组成：C8051F021 微控制器、A/D转换模块、编码器接口、PWM接口、驱动模块、矢量控制电路及永磁同步电动机（PMSM）。该硬件结构原理设计如图1所示。

由图1研究可知，C8051F021是由美国Cygnal公司推出的高度集成的片上系统，也是混合信号的系统芯片。指令结构中70% 的指令执行时间为1个或2个系统时钟周期;且在其中嵌入了一款高速、低功耗、高性能的8位微处理器，由此就使得高速指令处理能力成为其尤显突出的特点与优势[2]。32个I/O口线;I/O口线均容许5 V电压。 C8051F021本身带有串行口，为系统设计省去了外围电路、减小了体积，为外围电路拓展提供方便。可同时使用的硬件包括 SMBusTM、I2CTM、兼容SPITM及2个UART串口，可以方便地实现与上位机的通讯。

驱动电路是将STM32输出的PWM信号进行功率放大，其工作原理是依据PWM触发信号的状态，导通或关断功率管，实现直流逆变并给电机定子绕组馈电的功能。驱动模块采用DR30，是一款IPM模块。该模块内部配有开关电源、高速光耦、保护电路、外围接口以及散热器等一系列功能电路，是一个全功能的驱动器。该产品具有多重优点，性能稳定且利于开发，其完善性的应用功能适用于各种要求下的电路设计。DR30驱动器有4种电路保护，分别为：过流保护、过热保护、欠热保护和过压保护。CPU的供电电压是+5 V。

DR30包括2个用户接口端子JP1和JP2。而JP1 、JP2的设计原理分别参见图2和图3。

2 永磁同步电动机

永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor， PMSM）是電励磁三相同步电动机，使用永磁体而剔除了电励磁系统，因而也无需涉及励磁绕组、集电环和电刷的设计，同时定子是不变的[3]。二极面装式永磁同步电动机的物理模型如图4所示。

图4中，考虑到将位于永磁励磁磁场轴线的线圈作为等效励磁绕组的表示形式，就可以将面装式PMSM等效成为电励磁三相同步电动机。

在图4中，永磁励磁磁场轴线定义为d轴，沿着d轴旋转方向超前90°电角度即为q轴。fs是定子三相绕组产生的磁动势矢量，同时is则是定子电流矢量[3]。产生is（fs）的等效单轴线圈位于有效匝数为相绕组的3/2倍的is（fs）轴上。

3 永磁同步电动机矢量控制

永磁同步电动机矢量控制系统中包括了永磁同步电动机、驱动电路、主电路以及C8051F021 微控制器，其模型设计详见图5。

PMSM矢量调速控制系统三相交流电机通过整流滤波电路转化为直流，设计中使用直流模拟交流展开控制过程，再将直流经过逆变电路转换成交流，并且输出到永磁同步电动机，从而实现驱动永磁同步电动机调速控制的目的。

4 结束语

本文对嵌入式平台中永磁同步电动机的适量控制系统搭建进行了探讨与分析，包括介绍嵌入式芯片C8051F021、永磁同步电动机及永磁同步电动机的矢量控制。

参考文献

[1]刘军. 永磁电动机控制系统若干问题的研究[D]. 上海：华东理工大学，2010.