王新君，巫慶輝，申慶歡

(渤海大學，錦州 121013)

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基于DSP的PMSM矢量控制的優(yōu)化設計與實現(xiàn)

王新君，巫慶輝，申慶歡

(渤海大學，錦州 121013)

設計了基于DSP2812永磁同步電動機(PMSM)矢量控制系統(tǒng)，采用高性能的霍爾電流傳感器采集電流信號、隔離電壓傳感器采集母線電壓信號的措施對硬件進行了優(yōu)化設計，提高了硬件的效率，另外，采用片外高精度AD7606提高A/D轉(zhuǎn)換精度。在軟件上，根據(jù)有無霍爾信號提出了矢量控制中扇區(qū)的混合計算方法，提高了扇區(qū)判斷的準確性與可靠性；另外，又將算法分為實時算法和非實時算法，在實時算法中使用IQmath函數(shù)庫提高算法運算速度，提高了控制的實時性。通過MATLAB仿真及試驗驗證了系統(tǒng)良好的運行效果。

數(shù)字信號處理器;矢量控制;空間電壓脈寬調(diào)制;永磁同步電動機;優(yōu)化設計

0 引 言

近年來，隨著電力電子技術、微電子技術、新型電機控制理論，稀土永磁材料的快速發(fā)展，永磁同步電動機(以下簡稱PMSM)被廣泛的應用在工業(yè)控制領域[1]。由于其轉(zhuǎn)子不需外部勵磁，因此具有體積小、重量輕、運行效率高、動態(tài)性能好、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點[3-6]。本文從實際應用出發(fā)，通過對硬件電路和軟件算法的優(yōu)化設計，實現(xiàn)了對PMSM高精度、高動態(tài)性能控制。隨著數(shù)控機床、機器人等領域?qū)λ欧?qū)動器性能要求不斷提高，PMSM高性能控制系統(tǒng)逐漸成為交流伺服傳動系統(tǒng)的主流[7-10]。

1 PMSM矢量控制系統(tǒng)

PMSM矢量控制系統(tǒng)結構框圖如圖1所示，其控制思想是設法在三相交流電動機上模擬出直流電動機轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，通過坐標變換、磁場定向的方法將定子電流分解為勵磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量，并且兩個分量互相垂直，相互獨立，從而實現(xiàn)解耦控制[13-15]。由圖1可知，系統(tǒng)采用id=0控制，通過檢測定子電流與轉(zhuǎn)子位置，可以得到實際id，iq的大小，通過速度、電流PI雙閉環(huán)調(diào)節(jié)實現(xiàn)對PMSM的轉(zhuǎn)速控制[11]。由dq坐標系下電磁轉(zhuǎn)矩方程：

Te=pφriq

此時電機的電磁轉(zhuǎn)矩正比于iq的大小，它具有和直流電動機一樣的控制特性。

圖1 PMSM矢量控制系統(tǒng)結構框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

本文的PMSM矢量控制系統(tǒng)主要由TMS320-F2812控制芯片、IPM智能功率模塊、整流橋、穩(wěn)壓電容、光耦芯片、PMSM組成，硬件電路結構圖如圖2所示。

圖2 硬件結構框圖

2.1 電流采樣電路

為了提高檢測電流的準確性和可靠性，采用霍爾傳感器CS040GT對U，W兩相電流進行采集，采集電流范圍-80～80 A，并對電流信號濾波隔離，減少高頻信號干擾。U相霍爾電流傳感器檢測電路及隔離電路分別如圖3和圖4所示。

圖3 U相電流檢測電路

圖4 U相電流隔離濾波

2.2 片外A/D轉(zhuǎn)換電路

為了提高電流、電壓計算精度，本文采用ADI高性能同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7606，分辨率達到16位，采用單電源5 V工作方式，具有片內(nèi)濾波和高輸入阻抗，可以實現(xiàn)8路高精度同步采樣，保證了矢量控制的準確性。

2.3 母線電壓采集電路

DSP將實時檢測母線電壓的大小，為了提高系統(tǒng)的可靠性，采用HCNR200光耦隔離器實現(xiàn)電壓的采集，隔離后的電壓信號經(jīng)濾波后送入AD7606的ADCIN5接口，母線電壓采集電路如圖6所示。

圖6 母線電壓采集電路

2.4 信號接口電路

硬件設計了多種編碼器信號接口，支持差分光電增量編碼器信號、差分霍爾信號、單端霍爾信號、位置脈沖指令信號。其中輸入的差分信號經(jīng)AM26LS32轉(zhuǎn)換成單輸出信號供DSP采集，如圖7所示。

圖7 編碼器接口電路

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計采用C語言編寫，由于矢量控制程序?qū)?shù)據(jù)處理的速度和精度要求非常高，因此使用IQmath函數(shù)庫進行數(shù)據(jù)運算[2]，數(shù)據(jù)格式為_IQ15，并對數(shù)據(jù)進行標幺化處理，合理分配運算單元，同時根據(jù)電機有無霍爾信號線改進了扇區(qū)的計算方法。

3.1 程序流程圖

程序流程圖如圖8所示，主要包括程序的初始化、主程序和中斷程序等。初始化程序的作用是對系統(tǒng)和用戶的參數(shù)進行初始設置，保證各部分功能正確工作。

圖8 程序流程圖

3.2 下溢中斷程序

定時器1的下溢中斷完成了對U，W兩相電流的檢測，轉(zhuǎn)子初始位置的定位[12]，電機轉(zhuǎn)速的計算，對檢測電流進行Clarke變換，Park變換，id，iq電流環(huán)計算，速度環(huán)計算，逆Park變換，SVPWM的產(chǎn)生，PWM信號生成等。程序流程圖如圖9所示。

圖9 下溢中斷程序流程圖

3.3 SVPWM產(chǎn)生

在SVPWM算法中，根據(jù)電機有無霍爾信號改進了扇區(qū)的判斷方法，提出了矢量控制扇區(qū)的混合計算方法，提高了扇區(qū)判斷的準確性和可靠性。程序流程圖如圖10所示。

圖10 SVPWM合成流程圖

4 仿真結果

在MATLAB的Simulink模塊建立PMSM矢量控制仿真模型，仿真結果如圖11、圖12所示。由圖11、圖12知，電機起動時相電流很大，電磁轉(zhuǎn)矩達到最大值，與之對應的是轉(zhuǎn)速迅速上升，在0.02 s時達到給定轉(zhuǎn)速250 rad/s，此時電磁轉(zhuǎn)矩與定子三相電流也基本達到穩(wěn)態(tài)。之后在負載轉(zhuǎn)矩由5 N·m增加到10 N·m時，轉(zhuǎn)速略有下降，定子電流增加，電磁轉(zhuǎn)矩增加到10 N·m，轉(zhuǎn)速運行平穩(wěn)。

(a) A相電流波形

(b) B相電流波形

(a) 轉(zhuǎn)速

(b) 電磁轉(zhuǎn)矩

5 實驗結果

圖13為PMSM矢量控制硬件設計實物圖，電機為DBL032PMSM，電機參數(shù)如表1所示。通過實際運行，在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)下，經(jīng)示波器檢測定子兩相電流波形，結果如圖14所示，電流波形變化

圖13 硬件實物圖

圖14 定子U,V兩相電流波形

參數(shù)值供電電壓U/V24額定功率Pe/W)32額定力矩Te/(N·m)0．1峰值力矩Tm/(N·m)0．3額定轉(zhuǎn)速ne/(r·min-1)3000額定電樞電流Ie/A1．56力矩系數(shù)/(N·m·A-1)0．057磁極數(shù)8編碼器/線1000

平穩(wěn)，電流的正弦性較好，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行，證明硬件和軟件設計的正確性。

6 結 語

本文從硬件和軟件方面對PMSM矢量控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，提高了系統(tǒng)的可靠性和控制精度，通過仿真和實際運行驗證了該閉環(huán)系統(tǒng)具有啟動快，響應快，運行穩(wěn)定的特點，系統(tǒng)獲得了良好的控制效果。

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Optimal Design and Implementation of Vector Control for PMSM Based on DSP

WANG Xin-jun，WU Qing-hui，SHEN Qing-huan

(Bohai University,Jinzhou 121013,China)

In this paper, a vector control system of permanent magnet synchronous motor (PMSM) was designed based on DSP2812. In hardware, the optimal design methods were adopted to improve the efficiency of hardware by using high performance Hall current sensor to collect current signal, using isolated voltage sensor to collect busbar voltage signal. In addition, a high precision AD7606 was utilized to improve A/D conversion accuracy. In software, a mixed calculation method of sector in vector control was put forward according to the presence of Hall signal, resulting in the better accuracy and reliability of the sector judgment. In addition, the algorithm was divided into real-time algorithm and non real time algorithm. In the real-time algorithm, the IQmath function library was applied to improve the running speed of the algorithm, and increase the real-time of the control. A good running effect of the system was verified by MATLAB simulation and actual operation.

DSP; Vector control; SVPWM; PMSM; optimal design

2015-06-26

遼寧省教育廳一般項目(L2012402)；渤海大學教學改革項目(YG13YB011)

TM341；TM351

A

1004-7018(2016)03-0062-03