張永春

（常州工學院 電子信息與電氣工程學院，常州 213002）

0 引言

電機作為電能與機械能的能量轉換裝置，在工業(yè)、農業(yè)、交通運輸以及日常生活中都發(fā)揮著重要作用，其中永磁同步電機（PMSM）具有結構簡單、功率密度高、損耗小、效率高和控制性能好的特點，在各行業(yè)生產和日常生活等方面獲得了廣泛應用[1,2]。為了獲得良好的調速特性，在高性能永磁同步電機控制中，一般需要轉子的位置和速度信號，傳統(tǒng)方法是在軸上安裝傳感器檢測轉子的位置和速度，這些裝置不僅增加了系統(tǒng)的成本，還使電機的整體尺寸和轉動慣量增大，降低了系統(tǒng)的可靠性，從而使PMSM在一些領域的應用受到限制。隨著控制理論的發(fā)展及各種專用電動機控制芯片的不斷出現(xiàn)，利用調速系統(tǒng)中電壓、電流等有關電信號，通過適當方法計算出PMSM轉子的位置及速度信號，構成高性能無傳感器PMSM調速系統(tǒng)成為電機控制領域的研究熱點[3,4]。

1 矢量控制系統(tǒng)原理

1.1 坐標變換及PMSM數學模型

電動機的速度控制實際上是通過控制轉矩來實現(xiàn)的，永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)具有高精度、高動態(tài)性能和寬范圍的調速特性，受到國內外學者的重視。與永磁直流電動機不同，永磁同步電動機的電樞反應磁動勢與永磁磁場不正交，因此難以通過控制電樞電流來調節(jié)電動機的轉矩[5]。為實現(xiàn)矢量控制，應將PMSM等效成直流電動機物理模型，然后按照直流電動機的調速方法進行控制，因此需要依據合成磁動勢等效原則和功率不變原則進行坐標變換。在PMSM矢量控制系統(tǒng)中，利用Clark變換、Park變換分別實現(xiàn)三相靜止坐標系ABC到兩相靜止坐標系αβ的變換，兩相靜止坐標系αβ到兩相旋轉坐標系dq的變換，Clark變換、Park變換如下。

式中： ia、ib、 ic—三相靜止坐標系下電流矢量；

iα、iβ—兩相靜止坐標系下電流矢量；

id、iq—兩相旋轉坐標系下電流矢量。

在磁路不飽和且空間磁場按正弦分布、三相電流對稱、不計磁滯和渦流損耗等假設條件下，經過Clark變換和Park變換后，可得到dq坐標系下PMSM的數學模型如下：

式中：ud、uq、id、iq為定子 d、q軸電壓、電流；

ψd、ψq為定子d、q軸磁鏈；

Ld、Lq為定子繞組d、q軸電感；

ψf為轉子永磁體基波磁場在定子繞組中產生的磁場；

p為轉子極對數；

Te為電磁轉矩；

r為定子繞組相電阻；

w為角頻率。

1.2 PMSM矢量控制系統(tǒng)組成

矢量控制是目前PMSM高性能控制的主要方法，其基本思想是通過空間矢量坐標變換及磁場定向的方法，將PMSM轉換成類似于直流電動機的等效模型來進行控制，本質上屬于一種解耦控制[6]。如前所述，在構成傳統(tǒng)PMSM矢量控制系統(tǒng)時，需要用傳感器檢測轉子位置、速度信號而導致系統(tǒng)性能下降，因此利用信息重構技術發(fā)展起來的無位置傳感器矢量控制系統(tǒng)是目前的研究重點。由前面電磁轉矩方程表達式可知，當p、ψf、Ld、Lq等參數確定后，電動機的轉矩由id、iq決定。因此通過控制id、iq即可實現(xiàn)轉矩控制，進而控制PMSM的轉速。對于表面式永磁同步電動機，Ld與Lq相同，另id=0，則通過控制iq即可實現(xiàn)PMSM轉速調節(jié)。

圖1為無位置傳感器PMSM矢量控制系統(tǒng)原理圖，在控制方法上采用電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制技術。系統(tǒng)中整流濾波模塊、智能功率模塊連同PMSM共同構成系統(tǒng)的主電路，利用單電阻對主電路的總線電流采樣后進行重構可得到逆變器的三相輸出電流ia、ib、 ic，經CLARK變換后實現(xiàn)三相靜止坐標系到兩相靜止坐標系的電流矢量變換，得到αβ坐標系下電流矢量iα、iβ。iα、iβ經PARK變換后得到兩相同步旋轉坐標系下的等效電流矢量id、iq，將其作為反饋值與給定值i d*、iq*比較后作為電流調節(jié)器的輸入信號，電流調節(jié)器輸出控制量為dq坐標系下電壓矢量，為實現(xiàn)SVPWM控制，需要得到αβ坐標系下的電壓控制矢量uα和uβ，系統(tǒng)中PARK逆變換完成該功能。由PARK變換矩陣的正交性，根據線性代數知識可知PARK逆變換矩陣可由PARK變換矩陣轉置得到。

圖1 無位置傳感器PMSM矢量控制系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 核心控制器及功率模塊

高性能的控制芯片是實現(xiàn)無位置傳感器PMSM矢量控制的基礎，通過對比不同控制芯片的運算能力、存儲空間、抗擾性能等特點，本系統(tǒng)設計時采用了IR公司推出的IRMCF341來實現(xiàn)PMSM的矢量控制。與傳統(tǒng)單片機或DSP不同，IRMCF341內部集成了16位的電機控制引擎（MCE）和高速8位8051微處理器。MCE包含了所有的電機控制要素、電機外設、專有的運動控制時序發(fā)生器及用于數據交換的雙端口RAM。工作時8051可通過雙端口RAM向MCE的寫寄存器組發(fā)送控制信息，或讀取MCE的讀寄存器組的相應狀態(tài)信息。軟件方面，IRMCF341不需要編寫電機控制程序，其內部嵌入了磁場定向控制（FOC）算法和弱磁控制算法，用戶可以通過專用的圖形編譯器在MALTAB/Simulink環(huán)境下以搭積木的方式構建自己的電機控制系統(tǒng)。此外，用戶還能靈活的通過8051編程來實現(xiàn)時序控制、用戶接口、主機通訊以及上層控制任務等系統(tǒng)實際需要的功能。

逆變器作為PMSM的供電環(huán)節(jié)，其性能直接影響PMSM調速系統(tǒng)的可靠運行。為了提高系統(tǒng)整體的可靠性并簡化電路結構，本系統(tǒng)的逆變器采用了IR公司生產的IRAMX20UP60A型集成功率模塊。該智能功率模塊（IPM）集成度較高，其內部集成了6只N型IGBT和一個前置驅動芯片IR2136，額定開關頻率達到20kHz，輸出能力為20A/600V。由于該IPM在組件布局上做了優(yōu)化和內部屏蔽，在使用時可有效縮短布線長度，因此具有良好的抗電磁干擾性能，使系統(tǒng)的整體可靠性得到提高。此外，該模塊的內部還集成了溫度檢測功能模塊，方便了系統(tǒng)保護環(huán)節(jié)的設計。

2.2 系統(tǒng)硬件構成

圖2 系統(tǒng)的硬件電路結構

如圖2所示為系統(tǒng)的硬件結構原理圖。IRMCF341的42～47引腳為輸出引腳，在該電路中用于產生6路PWM門極信號，在實際使用時需外接上拉電阻。分別與IRAMX20UP60A的15～20引腳相連，并通過IRAMX20UP60A內部集成的前置驅動芯片IR2136產生三相橋式逆變器中6只IGBT所需的驅動信號。T/ITRIP為驅動芯片IR2136的溫度/電流保護管腳，與IRMCF341的模擬輸入通道AIN1相連，實現(xiàn)溫度/電流信號的實時檢測及保護。為便于存儲程序以及用戶調試、修改，本系統(tǒng)設計時選用了2K的串行電可擦除程序存儲器AT24C02N，通過IRMCF341的55引腳和56引腳可完成AT24C02N的程序寫入、擦除功能。

由無位置傳感器PMSM矢量控制系統(tǒng)工作原理分析可知，為實現(xiàn)PMSM的矢量控制，必須得到精確的電動機相電流ia、ib、 ic，即逆變器的三相輸出電流，經變換后得到閉環(huán)控制所需的電流反饋量。此外，PMSM矢量控制系統(tǒng)所需的轉速和轉子位置也需要利用精確的電流信息進行估算，可見準確的電流檢測至關重要。IRMCF341芯片內部具有一套專有的模數混合電路，用于實現(xiàn)單電阻電流采樣以及電機電流重構算法，簡化系統(tǒng)設計的同時又能降低系統(tǒng)成本，具體接線方法見圖2。IRAMX20UP60A的12～14引腳為逆變器的直流負母線，通過采樣電阻與IRMCF341內部電流檢測運算放大器的輸入（IFB+、IFB-）、輸出（IFBO）相連，參考電壓由AREF引腳提供。IRMCF341完成電機的電流采樣后進行重構可以得到電機相電流信息ia、ib、 ic，并通過反電勢積分的方法估算出轉子位置和轉速，以實現(xiàn)PMSM的矢量控制。另外，系統(tǒng)利用MAX232和光電隔離器6N137實現(xiàn)IRMCF341與PC機的通訊功能，方便了系統(tǒng)的開發(fā)與調試。

3 系統(tǒng)軟件設計

IRMCF341不需要用戶編寫電機控制算法程序，只需要編寫配置電機控制參數、正反轉設定、跟蹤采樣、電機啟動/停止、升降速等子程序，因此軟件設計比較簡單，系統(tǒng)軟件調試流程如圖3所示。軟件開發(fā)時，首先要對IRMCF341內部寄存器組、電機控制相關的各寄存器組、電流取樣寄存器組等多組寄存器進行參數配置，該項工作可借助IR公司提供的電機調試軟件MCE Wizard和MCE Designer完成。對于某一臺具體的電動機，可以通過實驗、計算等方法獲取矢量控制系統(tǒng)所需的信息，將這些信息逐一添加到MCE Wizard提供的對應窗口中，計算后可以得到各寄存器所需的參數值，將參數值導入MCE Designer的寄存器中后，在MCE Designer環(huán)境下調試系統(tǒng)。調試過程中會出現(xiàn)系統(tǒng)運行性能不理想的情況，這時需要根據電機的實際運行情況、采樣信息以及MCE Designer波形窗口中的波形特點重新調整參數，直至獲得滿意的運行特性。MCE Designer環(huán)境下電機能夠按照實際需要穩(wěn)定運行后，即可圍繞MCE控制進行電機控制時序、電機驅動及其他輔助功能的8051代碼實現(xiàn)。

圖3 系統(tǒng)調試流程圖

4 系統(tǒng)實驗

實驗時選用的PMSM參數為：額定功率為3kW，額定轉速3000r/min，額定電流10A。通過實驗、計算后得到PMSM矢量控制系統(tǒng)所需的配置參數，主要包括總線電壓：300V；過壓水平：360V；低壓水平：240V；高壓保護：360V；極對數：8；定子電阻：0.2Ω；Q軸相電感：0.0014H；D軸相電感：0.0008；反電勢常數Ke：55.66V·min/kr；力矩常數Kt：1.68N·m/A；轉動慣量：0.003kg·m2；最大轉速：4000 r/min；最小轉速：300 r/min；加速度：300rpm/s；減速度：300rpm/s；保護電流：100%；啟動電流：100%；速度調整寬度：5rad/s；速度反饋時間常數：7ms；電流再生帶寬：1500rad/s；鎖相環(huán)帶寬：600rad/s；不穩(wěn)定時間估計值：0.015s；啟動閉環(huán)臨界轉速：150r/min；停車電流：25%；停車時間：2s；第一步停車角度：90°；第二步停車角度：120°；三相到兩相門限降速：30%；三相到兩相門限升速：20%；三相最小脈沖寬度：2μs；兩相最小脈沖寬度：2μs。上述參數配置完成后啟動電機運行，圖4、圖5分別為示波器觀測到的采樣電阻動態(tài)波形和總線電壓動態(tài)波形圖。根據實驗過程中電機的實際運行特性及示波器的觀測結果，通過調節(jié)濾波器截止頻率、電流環(huán)帶寬、速度環(huán)帶寬等控制參數，系統(tǒng)獲得了良好的運行特性。

圖4 采樣電阻動態(tài)波形

圖5 總線電壓動態(tài)波形

5 結束語

以IRMCF341為核心控制器，與智能功率模塊IRAMX20UP60A組成無傳感器PMSM矢量控制系統(tǒng)，不僅簡化了系統(tǒng)結構，并且使系統(tǒng)的可靠性得以提高。IRMCF341內部嵌入的FOC算法和弱磁控制算法以及MCE Designer調試環(huán)境方便了用戶軟件設計、調試，縮短了開發(fā)周期。實驗結構表明，對于某一臺具體的PMSM，通過參數配置與調整，本系統(tǒng)能夠獲得良好的運行特性。

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