苗鑫

（遼寧石油化工大學(xué) 職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

基于DSP的六相永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

苗鑫

（遼寧石油化工大學(xué) 職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

根據(jù)多相永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）的調(diào)速系統(tǒng)特性建立數(shù)學(xué)模型，并搭建了基于dq坐標(biāo)系的六相PMSM磁場定向控制的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型。在仿真模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP TMS320LF2407A）的六相PMSM調(diào)速系統(tǒng)控制器，并且對工程實(shí)現(xiàn)的若干問題進(jìn)行了闡述，詳細(xì)地設(shè)計(jì)了相關(guān)硬件電路和軟件部分。通過系統(tǒng)仿真以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明系統(tǒng)建模和算法都是正確的。

永磁同步電動(dòng)機(jī)；調(diào)速系統(tǒng)；建模；矢量控制；工程實(shí)現(xiàn)

1 引言

永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）具有體積小，性能好，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠性高，輸出轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)［1］。同時(shí)，相比較三相系統(tǒng)，多相系統(tǒng)具有以低壓電器實(shí)現(xiàn)大功率；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小，系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)特性提高；系統(tǒng)整體可靠性提高；轉(zhuǎn)子諧波損耗減小，每安培轉(zhuǎn)矩輸出增加等優(yōu)點(diǎn)，因此，多相永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)引起了電機(jī)設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究人員的廣泛關(guān)注和重視，并得到了廣泛的應(yīng)用［2-3］。

有關(guān)多相PMSM矢量控制及仿真、故障分析解決方案和多相電機(jī)的逆變器調(diào)制策略［4-6］的文獻(xiàn)很多，因此，本文在充分考慮系統(tǒng)可靠性和故障解決問題的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了硬件和軟件設(shè)計(jì)。

2 多相永磁同步電動(dòng)機(jī)建模

在磁動(dòng)勢和功率不變的原則下，利用坐標(biāo)變換從多相靜止坐標(biāo)系下得到的dq軸數(shù)學(xué)模型。假設(shè)：1）不計(jì)定子表面齒、槽的影響；2）不考慮溫度及頻率對電機(jī)各參數(shù)影響；3）電機(jī)定子繞組產(chǎn)生的磁場在空間上都按正弦分布；4）忽略電機(jī)磁路飽和，磁路線性。

在上述前提下，經(jīng)過坐標(biāo)變換可以得到dq坐標(biāo)系下六相PMSM的磁鏈方程、電壓方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程分別為

式中：ud，uq，id，iq，Ld，Lq，Ψd，Ψq分別為定子電壓、電流、電感和磁鏈的dq軸分量；Rs為定子相電阻；ωs為電角速度；Ψf為永磁磁鏈；np為電機(jī)極對數(shù)；Tem為電磁轉(zhuǎn)矩；Tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Rω為阻力系數(shù)；ω為機(jī)械角速度；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

3 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真分析

3.1 六相永磁同步電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)磁場定向控制

為了對多相PMSM控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，文中建立了六相PMSM基于式（1）～式（4）的仿真模型。采用雙閉環(huán)的磁場定向控制方式，簡化的控制框圖如圖1所示。

圖1 雙閉環(huán)控制框圖Fig.1 Two closed loops control block diagram

為了工程實(shí)現(xiàn)上的簡單化，采用電流滯環(huán)的PWM調(diào)制方式，該方式對可以適合各種多相電機(jī)直接控制，而且電流滯環(huán)的快速性得到了很好的體現(xiàn)。其中，idref一般情況下為0，從而實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制。

利用Matlab／Simulink建立上述控制過程模型，其中選用的六相PMSM電機(jī)參數(shù)為：直軸電感Ld＝10.03mH，交軸電感Lq＝8.09mH，轉(zhuǎn)子磁鏈Ψf＝0.144Wb，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J＝0.026kg·m2，阻力系數(shù)RΩ＝0，電阻R＝2.21Ω，極對數(shù)np＝11。

3.2 仿真結(jié)果分析

基于Matlab／Simulink建立模型的仿真結(jié)果如圖2～圖5所示，其中圖2為采用電流滯環(huán)控制的電機(jī)六相電流波形，可以看出，在0.01s加載后，電流能夠快速的得以穩(wěn)定，而且正弦度較好。

圖2 PMSM六相電流波形Fig.2 Currents of sixphase PMSM

圖3 PMSM電磁轉(zhuǎn)矩波形Fig.3 Electromagnetic toque of PMSM

圖4 id和iq電流Fig.4 Current idand iq

圖5 轉(zhuǎn)速曲線Fig.5 Curve of speed

圖3是電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線，從圖3中可以看出，啟動(dòng)初期電磁轉(zhuǎn)矩有所波動(dòng)，不過在極短的時(shí)間內(nèi)能夠迅速實(shí)現(xiàn)平滑，而且加載后，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比較小。從圖4中的id和iq電流曲線可以看到，磁場定向控制能夠?qū)崿F(xiàn)較好的解耦控制。圖5是速度響應(yīng)曲線，可以看到，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)有一定的超調(diào)，不過在0.01s加載階段則超調(diào)很小。

4 工程實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 多相永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)問題

多相PMSM工程化問題主要體現(xiàn)在根據(jù)應(yīng)用環(huán)境下的編碼器、電流、電壓傳感器等檢測元件的安裝，供電回路的布線走向，高頻電磁脈沖干擾對控制系統(tǒng)的影響等。

在速度和電流雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)速度的實(shí)時(shí)檢測，采用編碼器來捕獲電機(jī)轉(zhuǎn)速和磁場位置，而采用電流和電壓傳感器實(shí)現(xiàn)電流和電壓等電量的采集，為控制系統(tǒng)提供電流內(nèi)環(huán)反饋信號(hào)和電壓檢測等。為了避免控制系統(tǒng)高頻電磁干擾問題，通常要兼顧高壓線路布線對控制電路的影響和控制電路自身抗干擾設(shè)計(jì)。

4.2 系統(tǒng)部分硬件電路設(shè)計(jì)

電流采樣電路如圖6所示。為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集的準(zhǔn)確性，采樣部分采用二級(jí)運(yùn)放跟隨器的方式，同時(shí)，圖6中U1是電壓提升部分，以實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)滿足DSP運(yùn)算要求。D1為3.3V的一個(gè)穩(wěn)壓二極管，目的是限制輸入信號(hào)過限。

圖6 電流采樣電路Fig.6 Current sampling circuit

圖7 電流保護(hù)電路Fig.7 Current protect circuit

電流保護(hù)電路如圖7所示。其中ia和ib是電流經(jīng)過互感器或是傳感器得到的電機(jī)相電流值，經(jīng)過二極管整流后與參考電壓進(jìn)行比較，然后，由比較器LM339輸出故障信號(hào)。該信號(hào)參與下面的故障電流處理部分。也就完成了硬件電流保護(hù)。

4.3 系統(tǒng)主要軟件設(shè)計(jì)

為完成調(diào)速功能，系統(tǒng)的主程序和中斷子程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序和中斷子程序流程圖Fig.8 Flow chart of main and interrupt programs

為了提高響應(yīng)速度，故障處理設(shè)計(jì)采用最為簡單的多路與門方式，當(dāng)電流、電壓、功率模塊和溫度故障信號(hào)發(fā)生電平跳轉(zhuǎn)時(shí)，即可認(rèn)為是系統(tǒng)故障，隨即輸出封橋信號(hào)送DSP，如圖9所示。

圖9 故障處理Fig.9 Fault handling

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.10 Experimental platform

六相PMSM調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖10所示，電網(wǎng)電壓經(jīng)過變壓器變壓，再經(jīng)由二極管整理后得到整定的交流電，以此提供直流母線電壓。本文在此系統(tǒng)硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上完成了整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測試。圖11是電機(jī)A相電流波形及其THD，可以看到，電流的THD很小，滿足調(diào)速系統(tǒng)要求。

圖11 A相電流及其THD波形Fig.11 Phase Acurrent and THD waves

5 結(jié)論

通過對多相永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）的數(shù)學(xué)建模，設(shè)計(jì)了六相PMSM基于磁場定向控制的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，同時(shí)對其進(jìn)行了基于 Matlab／Simulink的分析。本文探討了多相PMSM調(diào)速系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)的一些問題，設(shè)計(jì)了采樣、保護(hù)，故障處理等硬件電路和中斷處理、故障診斷等軟件部分，實(shí)現(xiàn)了基于DSP TMS320LF2407的數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。最后，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了系統(tǒng)建模和算法的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)性能較好。

［1］ Miller THE.Brushless Permanent Magnet Reluctance Motor Drives［M］.Oxford New York：Clarendon Press，1989.

［2］ 唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［3］ Leila Parsa.On Advantages of Multi-phase Machine［C］∥31stAnnual Conference of IEEE Industrial Electronics Society，2005：1574-1579.

［4］ Casadei D，Serra G，Tani A，etal.General Inverter Modulation Strategy for Multi-phase Motor Drives［C］∥IEEE International Symposium on Industrial Electronics4-7June 2007：1131-1137.

［5］ 周馬山，歐陽紅林，童調(diào)生，等.不對稱多相PMSM的矢量控制［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，19（20）：37-41.

［6］ Martin J P，Meibody Tabar F，Davat B.Multiple-phase Permanent Magnet Synchronous Machine Supplied By VSIS，Working Under Fault Conditions［J］.IEEE IAS Annual Meeting，2000：1710-1717.

修改稿日期：2010-12-10

Realization of Six Phase PMSM Variable Speed System

MIAO Xin

（InstituteSchoolofVocationalTechnology，LiaoningShihuaUniversity，F(xiàn)ushun113001，Liaoning，China）

The mathmatical model was established based on analyzing the characters of variable speed system of multiphase PMSM.Furthermore，simulation model has been built up on the basis of the two closed loops control modulation system for the six phase PMSM based on field oriented control.On this basis，designing realizes six phase PMSM variable speed system based on DSP TMS320LF2407A.Meanwhile，it analyzes some problems in engineering realization and designs hardware circuit and software in more detail.Finally，the simulation and experimental results prove the veracity and feasibility of modeling and algorithm.

permanent magnet sgnchronous motor（PMSM）；variable speed system；modeling；vector control；engineeringrealization

TM351

A

苗鑫（1983-），男，研究生，助教，Email：stiven99999＠163.com

2010-08-30