張濤

(華北科技學院，河北 三河 065201)

交流永磁同步電機的PCI總線計算機控制及組態(tài)仿真

張濤

(華北科技學院，河北 三河 065201)

針對交流永磁同步電機具有控制算法復雜、控制參數(shù)較多等特點，提出采用計算機為控制系統(tǒng)核心、采用高速PCI總線數(shù)據(jù)卡為通訊媒介構(gòu)建交流永磁同步電機控制系統(tǒng)方案。給出交流永磁同步電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及其主要硬件裝置。闡述交流永磁同步電機的磁場定向控制策略及其實現(xiàn)步驟。使用組態(tài)軟件設(shè)計交流永磁同步電機控制系統(tǒng)的組態(tài)畫面，生動直觀地顯示交流永磁同步電機控制系統(tǒng)的控制全過程。

交流永磁同步電機;PCI數(shù)據(jù)總線;計算機控制;磁場定向控制;組態(tài)仿真

0 引言

近年來，隨著釹鐵硼等永磁材料的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善，以及永磁材料價格的逐步降低，我國的稀土永磁材料和稀土永磁電機的科研都達到了較高水平。特別是永磁同步電機(PermanentMagnet Synchronous Motor，簡稱PMSM)，它具有控制系統(tǒng)簡單、運行效率高、運行速度快和轉(zhuǎn)子無發(fā)熱問題等優(yōu)點，使得永磁同步電機在數(shù)控機床、機器人等中小功率應用場合獲得了廣泛的使用。

本文提出以交流永磁同步電機的速度調(diào)節(jié)為被控參數(shù);以計算機為控制系統(tǒng)的核心，在計算機中完成交流永磁同步電機的磁場定向控制運算過程;利用組態(tài)軟件監(jiān)測交流永磁同步電機的控制參數(shù)，并顯示交流永磁同步電機控制過程曲線的電機綜合控制方案［1－3］。

1 交流永磁同步電機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

交流永磁同步電機控制系統(tǒng)是以計算機為控制核心，主要完成永磁同步電機的速度、電流等參數(shù)的設(shè)置、控制、顯示等功能的控制系統(tǒng)。據(jù)此，設(shè)計的交流永磁同步電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

交流永磁同步電機控制系統(tǒng)主要由三部分組成:一是由整流器、逆變器、永磁同步電機所構(gòu)成的主電路部分;二是由計算機、PCI總線數(shù)據(jù)卡、數(shù)據(jù)采集隔離電路、數(shù)據(jù)驅(qū)動隔離電路等構(gòu)成的控制電路部分;三是由電流傳感器、速度傳感器構(gòu)成的參數(shù)檢測電路部分［4－5］。

圖1 交流永磁同步電機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 交流永磁同步電機控制系統(tǒng)的主要硬件裝置

2.1 整流器與逆變器

整流器由三相整流電橋、濾波電感、濾波電容等電路組成，完成三相交流電變換為直流電的過程。

逆變器由智能功率模塊(Intelligent Power Module，簡稱IPM)、開關(guān)電源、保護電路等部分組成，完成驅(qū)動控制永磁同步電機的功能。

智能功率模塊(IPM)選用三菱公司生產(chǎn)的PS212552E。IPM模塊PS212552E是將6只IGBT封裝在一起，組成三相全橋逆變電路，內(nèi)部具有開關(guān)驅(qū)動電路。IPM模塊PS212552E具有體積小、重量輕等優(yōu)點，并設(shè)計有過壓、過流、過熱及欠電流保護電路，是驅(qū)動永磁同步電機的理想元件。

IPM模塊PS212552E驅(qū)動永磁同步電機的應用電路如圖2所示。圖中，IPM模塊 PS212552E的 P、N端口分別接整流器輸出的直流電壓信號;Up、Vp、Wp、Un、Vn、Wn 端口的前端均設(shè)有驅(qū)動隔離電路，它們分別接收來自計算機計算的、由PCI總線數(shù)據(jù)卡輸出的6路PWM輸出信號;A、B、C端口輸出永磁同步電機的控制信號，完成對永磁同步電機的控制功能。

圖2 IPM模塊PS212552E驅(qū)動PMSM的應用電路

2.2 計算機與PCI總線數(shù)據(jù)卡

計算機為交流永磁同步電機控制系統(tǒng)的核心控制器，主要完成檢測數(shù)據(jù)的分析比較、控制信號的計算與輸出等功能，實現(xiàn)對永磁同步電機的控制策略。

PCI是外部設(shè)備互相聯(lián)接(Peripheral Component Interconnect)的簡稱，它是一種連接電子計算機主板和外部設(shè)備的總線標準。PCI總線數(shù)據(jù)卡是具有PCI總線的數(shù)據(jù)采集與控制卡，可以直接安裝在計算機的主板上。PCI總線數(shù)據(jù)卡負責完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，并將數(shù)據(jù)采集結(jié)果傳遞給計算機，以便于計算機作進一步處理;同時，PCI總線數(shù)據(jù)卡負責完成數(shù)據(jù)輸出任務(wù)，將計算機的控制指令傳遞給逆變器電路。

本設(shè)計的PCI總線數(shù)據(jù)卡選用研華公司生產(chǎn)的PCI－1716。PCI－1716是一款功能強大的低成本多功能PCI總線數(shù)據(jù)采集與控制卡，其內(nèi)部含有250k/s的16位A/D轉(zhuǎn)換器。PCI－1716提供16路單端模擬量輸入或8路差分模擬量輸入，2路16位D/A模擬量輸出通道，16路數(shù)字量輸入通道，16路數(shù)字量輸出通道，以及1個10MHz時鐘的16位多功能計數(shù)器通道。

PCI－1716數(shù)據(jù)采集與控制卡為68針I(yè)/O接口，其主要信號端口包括:AI0～AI15為模擬量輸入通道0～15，AO0_OUT、AO1_OUT為模擬量輸出通道0～1，DI0～DI15為數(shù)字量輸入通道0～15，DO0～DO15為數(shù)字量輸出通道0～15。對于本設(shè)計，AI1、AI2分別接永磁同步電機的A相、B相電流輸入信號，它們均利用PCI－1716內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號。DI0～DI5分別接收光電編碼器的6路輸出信號U、V、W、A、B、Z，在計算機內(nèi)部完成電機轉(zhuǎn)速測量的計算。DO0～DO5分別接IPM模塊PS212552E 的 Up、Vp、Wp、Un、Vn、Wn 端口，用于輸出 6 路 PWM信號控制永磁同步電機的運轉(zhuǎn)。

2.3 參數(shù)檢測

矢量變換要求獲得永磁同步電機定子三相電流，實際檢測時只要檢測其中兩相即可，另外一相可以由計算得出。電流檢測可采用目前廣泛使用的是磁場平衡式霍爾電流檢測器(LEM模塊)。該LEM模塊將電流互感器、磁放大器、霍爾元件和電子線路集成在一起，具有測量、反饋、保護三重功能?；魻栯娏鳈z測器檢測的A相、B相電流，經(jīng)放大電路處理后，分別送到PCI總線數(shù)據(jù)卡PCI－1716的AI1、AI2通道，然后經(jīng)PCI總線數(shù)據(jù)卡PCI－1716內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器變換為數(shù)字量。

目前，廣泛用于交流伺服電機的速度檢測和位置檢測的方法是采用光電編碼器來檢測。采用光電編碼器從電機共檢測到6路信號，它們分別為:檢測轉(zhuǎn)子空間絕對位置的互差120°的U、V、W脈沖信號，該組信號與電機對應相的反電勢同相位、同頻率;用于檢測轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的兩個頻率變化且正交的A、B脈沖信號;每轉(zhuǎn)一個周期的Z信號脈沖，該信號通常配置在U信號的上升沿處。將這6路信號經(jīng)隔離后分別送至PCI總線數(shù)據(jù)卡PCI－1716的DI1～DI6通道，然后采用M/T混合法計算電機的轉(zhuǎn)速，即在高速時(500 r/min以上)用M法測速，在低速時(500 r/min以下)用T法測速，可準確地獲得永磁同步電機的轉(zhuǎn)速［6］。

3 交流永磁同步電機的磁場定向控制策略

為了實現(xiàn)類似控制直流電機的方式來控制交流電機，20世紀70年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù)，或稱磁場定向控制技術(shù)。磁場定向控制策略的思路是:通過坐標變換，把合成定子電流矢量從靜止坐標系變換到旋轉(zhuǎn)坐標系上;在旋轉(zhuǎn)坐標系中，計算出實現(xiàn)力矩控制所需要的定子合成電流的數(shù)值;然后將這個電流值再反變換到靜止坐標系中，將虛擬的合成電流轉(zhuǎn)換成實際的繞組電流，從而實現(xiàn)交流電機力矩的控制［7－8］。

按照磁場定向控制策略的思路，交流永磁同步電機的磁場定向控制策略框圖如圖3所示，其具體控制策略的步驟包括:

(1)通過磁場平衡式霍爾電流檢測器(LEM模塊)電流讀取相電流iA和iB，經(jīng)過Clark變換(3s/2s坐標變換)，將電流從三相靜止坐標系變換到兩相靜止坐標系中的iα和iβ;

(2)通過光電編碼器測量轉(zhuǎn)子角位置φ，并與iα和iβ相結(jié)合，經(jīng)過Park變換(2s/2r坐標變換)，將電流從兩相靜止坐標系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系中的id和iq;

(3)通過光電編碼器測量轉(zhuǎn)子角速度ωr，測量的轉(zhuǎn)子角角速度ωr與參考的轉(zhuǎn)子角速度ω*r進行比較，并通過PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生交軸參考電流i*q;令直軸參考電流i*d=0;(4)交軸參考電流i*q與交軸反饋電流iq相比較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器運算后轉(zhuǎn)化為交軸電壓uq;類似地，直軸參考電流i*d與直軸反饋電流id相比較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器運算后轉(zhuǎn)化為直軸電壓ud;

(5)直軸電壓ud、交軸電壓uq與檢測到的轉(zhuǎn)子角位置φ相結(jié)合，進行Park逆變換(2r/2s坐標變換)，將直軸電壓ud和交軸電壓uq從兩相旋轉(zhuǎn)坐標系變換到兩相靜止坐標系中的uα和uβ;

(6)電壓uα和uβ經(jīng)過PWM模塊調(diào)制為六路開關(guān)信號，從而控制三相逆變器的開通與關(guān)斷，實現(xiàn)永磁同步電機的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制。

4 交流永磁同步電機控制系統(tǒng)的組態(tài)仿真

為直觀顯示永磁同步電機的參數(shù)在控制時的變化過程，本文使用組態(tài)王編程軟件設(shè)計了交流永磁同步電機控制系統(tǒng)的組態(tài)仿真畫面。在交流永磁同步電機控制系統(tǒng)的組態(tài)仿真畫面中，可以實現(xiàn)組態(tài)畫面編輯、運行參數(shù)設(shè)置、運行數(shù)據(jù)保存、運行曲線顯示等交互控制功能［9－12］。

圖3 交流永磁同步電機的磁場定向控制策略框圖

永磁同步電機的主要參數(shù)如下:每相定子電阻為1.17Ω，定子電感為4.2mH，轉(zhuǎn)動慣量為0.0009 kg·m2?？刂埔蟮闹饕獏?shù)包括:直軸(d軸)磁鏈最終穩(wěn)定在0.5Wb，交軸(q軸)磁鏈最終穩(wěn)定在0Wb;永磁同步電機帶額定負載啟動，初始角速度為0 rad/s，目標角速度為100 rad/s(相當于電機轉(zhuǎn)速為955 r/min)。

交流永磁同步電機的直軸(d軸)磁鏈定向控制過程如圖4所示，直軸(d軸)磁鏈最終穩(wěn)定在0.5Wb(韋伯);交軸(q軸)磁鏈定向控制過程如圖5所示，交軸(q軸)磁鏈最終穩(wěn)定在0Wb(韋伯)。

圖4 直軸(d軸)磁鏈定向控制過程

圖5 交軸(q軸)磁鏈定向控制過程

交流永磁同步電機的角速度控制過程如圖6所示，可見經(jīng)過約5分鐘后，電機設(shè)定的目標角速度達到100 rad/s，實現(xiàn)交流永磁同步電機的目標角速度控制目標。

圖6 角速度控制過程

5 結(jié)束語

本文提出了交流永磁同步電機的綜合控制方案，其結(jié)論如下:

(1)采用PCI總線數(shù)據(jù)卡作為數(shù)據(jù)采集與控制的通信媒介，給出主要硬件器件的應用過程，構(gòu)建交流永磁同步電機控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)方案。

(2)以計算機為控制系統(tǒng)的核心，在計算機中完成傳感器數(shù)據(jù)的分析提取、交流永磁同步電機的磁場定向控制、PWM輸出信號生成等一系列運算，充分發(fā)揮計算機在復雜運算方面的優(yōu)勢，體現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)的固有特點。

(3)使用組態(tài)編程軟件設(shè)計交流永磁同步電機控制系統(tǒng)的組態(tài)畫面，繪制交流永磁同步電機的控制參數(shù)變化曲線，直觀生動地顯示交流永磁同步電機的參數(shù)在控制時的變化全過程。

本文提出的交流永磁同步電機的綜合控制方案，可以實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子磁鏈和坐標軸定向過程的三閉環(huán)控制，具有采用先進高速通訊裝置、以計算機為控制系統(tǒng)核心、利用組態(tài)軟件顯示參數(shù)控制過程等特點。

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PCIBus Com puter Control and Configuration Simulation for AC Permanent Magnet Synchronous Motors

ZHANG Tao
(North China Institute of Science＆Technology，Sanhe Hebei065201，China)

Considering complex control algorithm and quite a number of control parameters of the AC permanent magnet synchronous motor(PMSM)，this paper proposes an AC PMSM control system using the computer as the core of the control system and the high-speed PCIbus data card as communication media.It gives the structure and main hardware devices of the AC PMSM，discusses its fieldoriented control strategy and implementation steps.Configuration software is used to design the configuration screen of the control system of the AC PMSM motor，which enables a vivid intuitive display of the whole control process of the control system.

AC permanentmagnet synchronousmotor(PMSM);PCIdata bus;computer control;field oriented control;configuration simulation

10.3969/j.issn.1000 －3886.2015.06.008

TP276

A

1000－3886(2015)06－0024－03

定稿日期:2014－12－25

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(3142014126);華北科技學院教研基金資助項目(HKJY201410)

張濤(1972－)，男，黑龍江拜泉人，阜新礦業(yè)學院學士，遼寧工程技術(shù)大學碩士，浙江大學博士，華北科技學院自動化系主任，副教授、工程師。研究方向:自動控制、計算機控制系統(tǒng)、煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。