基于矢量控制的永磁同步电机控制器设计

基于矢量控制的永磁同步电机控制器设计完成人：王谦北京林泉科技有限公司2011年5月基于矢量控制的永磁同步电机控制器设计王谦北京林泉科技有限公司摘要：项目为我公司开发的20KW永磁同步电动机(PMSM)控制器，应用先进的TI公司TMS320F2812芯片和三菱公司智能功率模块（IPM），采用强弱电隔离技术构建了控制器硬件结构。控制策略采用矢量解耦控制结合PI控制算法，对永磁同步电机进行实时磁场定向控制(FOC)，始终保持最大转矩输出。控制器同时集成了温度检测，电压检测，电流检测，缺相保护，过载保护和功率故障保护功能。产品具有体积小、重量轻，控制精度高，效率高，运行安全可靠的特点。关键字：永磁同步PMSM矢量解耦磁场定向控制FOC引言近年来基于永磁同步电机的功率驱动系统开始广泛应用于快速、精确的工业驱动控制领域，并且功率越来越大。其具有动态特性优良，转动惯量和时间常数较小，运行可靠，维护方便等特点。针对市场需求，以20KW功率为标点开发了大功率系列永磁同步电机控制器。项目采用了当前较先进的数字信号处理器(DSP）、智能功率模块(IPM)等器件，实现了产品的全数字化、智能化、小型化。为了实现控制系统的高性能要求，采用了先进的空间矢量解耦控制算法，并结合改进型PI控制策略。1硬件电路设计1.1控制器硬件结构整个控制系统是由速度环和电流环组成的双闭环结构。主控制芯片采用TI公司的新一代低功耗、高速、高精度的数字信号处理器(DSP)——TMS320F2812芯片，该芯片是工业界首批32的控制专用、内含闪存以及高达150MIPS的数字信号处理器，专门为工业自动化、光学网络和电机控制等应用而设计，芯片内核是当今数字控制应用方面性能最高的DSP内核。系统采用旋转变压器作为电机转子位置传感器，并采用AD公司专门的RD转换芯片AD2S1200作为解码芯片。旋转变压器实际上是一种精密控制微电机，具有运行可靠的特点。AD2S1200内置了旋变的励磁输出，只需要经过放大即可，它可将旋变的正余弦输出转换为可配置的10位~16位数据，转换精度高达11分。功率模块选用了三菱公司的第五代智能功率模块(IPM)，它将IGBT以及外围驱动和保护电路集成在一个模块内，缩小了产品体积，缩短了产品开发周期。DSP生成的6路电机驱动PWM信号经过光耦隔离后，送至IPM驱动，实现了控制系统内的强弱电隔离。系统的外部设定输入可以通过RS422接口或者模拟设定给出。系统同时集成了温度检测，电压检测，电流检测，缺相保护，过载保护和功率故障保护功能，可以通过面板LED指示并通过串口RS422上传给上位机。DSP2812RS422通信光耦隔离励磁及解码器欠压、过压、过载、过流、过热、超温故障指示灯智能功率驱动模块IPM旋转变压器LED驱动电路温度检测电路电平转换两相电流采样调理电路母线电压与温度采样运放电路模拟速度给定模拟调理电路两相电流霍尔电路母线电压采样电路线性光耦隔离PWM控制信号隔离IPM保护信号隔离图1硬件原理结构图1.2控制器电源系统控制器电路为数模混合、强弱电混合电路，为避免功率电干扰控制电路，母线电压采样与主控制电路通过线性光耦隔离，PWM驱动信号与IPM功率保护等采用光耦隔离，RS422通信电路与主控制电路采用光耦隔离。外部仅为电子控制器提供28V控制电源和+270V功率电源，其它电源均需由内部DC/DC模块转换获得。电源电路方案如图4所示。+5VDC-DC24--05DC-DC24--+/-15DC-DC24--05+/-15VIPM驱动电源DC28V母线电压采样隔离前级电路电流霍尔电路串口422通信电路4路15V电源模块+5VDC-DC24--05DSP主控制电路+5V15V图2控制器电源系统2控制策略与实现2.1永磁同步电机矢量控制原理转子磁场定向矢量控制是永磁同步电机使用较为广泛的一种控制方式。其基本原理是通过坐标变换，在转子磁场定向的同步坐标轴系上对电机的磁场电流和转矩电流进行解耦控制，使其具有和传统直流电动机相同的运行性能。即在转子磁场定向的同步坐标轴系上，将定子电流矢量分解为磁场电流Id和转矩电流Iq，对其分别独立地进行控制。对永磁同步电机，在忽略铁芯饱和、不计磁滞损耗、转子上没有阻尼绕组、永磁材料的电导率为零以及相绕组中感应电动势波形是正弦的条件下，若不考虑转子磁场的凸极效应，即dq轴的自感相等，取永磁体基波励磁磁场轴线为d轴(直轴），而q轴(交轴)顺着旋转方向超前d轴90°电角度。dq轴系随同转子以电角速度(电角频率)旋转，它的空间坐标以d轴与参考轴as轴(as轴为A相绕组轴线)间的电角度θ来确定。经过坐标变换后的dq坐标系中，永磁同步电动机的基本电流方程可表示为：CBArrrrrrqdiiiii)32sin()32sin(sin)32cos()32cos(cos32(1)将d，q轴系下的两相电压转换为定子A、B、C相上的三相电压：021)32sin()32cos(21)32sin()32cos(21sincos32qdrrrrrrCBAuuUUU(2)电机稳态电压方程可表示为：qqrdsdrddrqsqILiRuILiRu(3)永磁同步电动机的电磁转矩可表示为：|)(|qdqdqfnemiiLLipT(4)由Ld=Lq=L，可简化为：qfnemipT式中，ud，id，uq，iq分别为d，q轴电压和电流；iA，iB，iC为三相电流；pn为永磁同步电机的极对数；f为永磁体基波励磁磁场链过定子绕组的磁链；e0为空载电动势。由上式可见，经过坐标变换后，永磁同步电机的电磁转矩公式获得了和直流电动机转矩一样的表达式。所以通过检测定制绕组电流和转子位置角度，根据帕克变换原理，可以计算出实际的id和iq，通过PI调节器调节使实际值与给定值基本相等，即可实现永磁同步电机的矢量控制。2.2PI控制算法PI调节的控制规律为：00)(1)()(udtteTtektutIp(4)(4)式中，pk为比例系数；IT为积分常数。对(4)式离散化处理就可以得到数字PI调节的算法：00)(ueTTekukjjIkpk(5)(5)式中，K为采样序号，K=1，2，…；ku第K次采样时刻的输出值；ke第K次采样输入的偏差值；Ik积分系数；0u开始进行PI控制时的积分系数。对(5)式进一步变化，令第K次采样时刻的输出值增量为：kIkkpkkkeTKeekuuu)(11(6)即121kkIkkeKeKuu(7)在PI调节中，P参数增大，将使系统动作灵敏，运行速度加快。在系统稳定的情况下，增大P参数，有利于减小稳态误差，提高系统的精度，但是随着P参数的增大，系统响应过程中的振荡次数会增多，调节时间会增长。pk值太大，系统将趋向不稳定。而积分常数IT太小时，系统将趋向不稳定，振荡次数增多；而IT太大时，积分作用对系统性能的影响将减小，不利于消除系统的稳态误差，难以获得较高的控制精度。2.3算法实现和程序流程在速度控制模式下，算法实现步骤如下：(1)根据旋转变压器解码数据计算电机转速和当前转子位置角。(2)根据转速设定和转速反馈值进行速度环PI计算，并将速度环计算结果作为Iq电流环的设定值。(3)分别获得电机三相电流，将三相相电流测量值Ia，Ib和Ic根据当前转子位置角变换为变量Id和Iq。Id和Iq变量为变换到旋转坐标系下的正交电流。在稳态条件下，Id和Iq是常量。(4)比较Id、Iq的实际值与给定值就得到各自的误差信号。Id给定值用以控制转子磁通。Iq给定值则用以控制电机的转矩输出。误差信号作为PI控制器的输入。控制器的输出为Vd和Vq，也就是加到电机上的电压矢量。(5)将变量Vd和Vq变换至静止参考坐标系,计算将产生正交电压值Vα和Vβ。Vα和Vβ值经过反变换得到三相电压值Va、Vb和Vc。该三相电压值用来计算新的PWM占空比以生成所期望的电压矢量。图3矢量控制实现结构图图3显示了坐标变换、PI迭代、反变换以及PWM产生的整个过程控制系统程序是一个多时基定时的一步事件体系。除了对串口进行扫描并判断命令的主程序外，包括控制程序在内的多个程序模块都是以定时器中断方式调用的。考虑到PWM的发生、电流采集和位置检测都是用中断实现，为尽量避免多个事件在同意时刻对DSP发出中断请求而造成竞争冒险，控制周期与PWM载波周期之间没有倍数关系。此系统中，采用100us作为控制周期，采用11.5KHz作为PWM的载波频率，采用87us作为电流和转子位置采集的周期。速度的计算则是每10个控制周期1ms计算一次。软件实现流程如图4所示。主程序各项变量声明和声明设定DSP的工作环境由定时器1设定PWM周期由定时器2设定控制周期响应控制中断接收上位机串口命令给相关变量赋值串口中断将需要上传信息通过串口上传reture控制周期中断根据速度设定和反馈进行PI运算reture读取旋变数据，计算速度和角度读取电机三相电流并根据角度计算Id和Iq分别进行Id和Iq的PI计算将计算结果Vd和Vq进行帕克变换得到Ua，Ub和Uc给出占空比数据，进行PWM调制图4程序流程图3设计中的重点问题3.1电磁兼容设计电磁兼容设计是指设备在一定的电磁环境中能够正常的工作，并且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力，设计的目的就是使设计的电子设备或系统在预期的电磁环境中实现电磁兼容。系统中主要做如下考虑：(1)印制板布线先确定元器件在板上的位置，然后布置地线、电源线，再安排高速信号线，最后考虑低速信号线。元器件的位置应按电源电压、数字模拟电路、速度快慢、电流大小等进行分组，以免相互干扰。同时将所有的电连接器安排在印制板的一侧，尽量避免从两侧引出电缆，减小共模辐射。(2)屏蔽设计屏蔽用来抑制电磁干扰沿空间的传播，即是切断辐射干扰的传播途径。整个控制器机壳采用全密封设计，功率驱动与控制板之间用屏蔽板隔离。所有外接信号线都采用频率电缆，并将屏蔽层可靠接地。(3)降低电磁辐射一般综合系统中，电机及驱动都作为辐射源存在。合适的开关频率及PWM波形可以有效的降低电磁辐射的高频成分。另外在驱动电路部分增加合适的吸收电路可以有效的降低电磁辐射能量。另外控制器内部的功率电路走线会极大的影响控制器的辐射量级，这是因为PWM斩波中的高频成分会由于导线上的寄生电感产生能量较大的高频辐射，所以布线设计时应尽量减少导线寄生电感，建议用大面积平面导线传导电流。结构设计上尽量避免功率电路在控制器内部形成回路，而应保持直进直出的电路结构。3.2热设计热设计对提高产品的可靠性至关重要，良好的散热直接关系到产品的运行状态和寿命。设计过程中，主要在以下几个方面进行了热设计考虑。(1)功率器件的冷却电机控制中的功率器件需要流过电机的驱动电流，它的开关损耗和管压降损耗会在功率器件本身产生较大的热量，一般损耗都在总功率的5%左右。设计中我们选择液冷对功率器件进行冷板散热，有效的降低控制器的体积要求，并有很好的冷却效果，保持额定负载下冷板温升不超过20度。(2)电解电容散热电机控制中铝电解电容用于滤除控制中产生的高次谐波，该谐波具有频率高、能量大的特点，会使电容有一定的温升，而电容的工作温度直接关系到电容的寿命和可靠性。本次设计中将电解电容用定制的夹板固定在控制箱体上，并在电解电容底部与壳体接触部位用导热硅胶固定，一来增加控制器抗振动能力，二来降低热阻。另外有效滤除电解电容上的高频分量会极大程度上降低电容的损耗，设计中还选用用高频无感CBB电容并联在电解电容接线端上和IPM接线端上。(3)控制板电子元器件布局印制板上的器件尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列，发热量大或耐热性差的器件散热较好的部位，在水平方向上将充分利用控制器壳体进行散热，并在控制器外壳上增加散热筋。3.