楊俊翔，蔣林，李坤，劉梁鴻

（ 西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500 ）

基于Stm32中小功率永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)研制

楊俊翔，蔣林，李坤，劉梁鴻

（ 西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500 ）

針對(duì)目前中小功率永磁同步電機(jī)控制器存在通用性不強(qiáng)，性價(jià)比不理想及控制精度欠缺的不足，提出一種基于Stm32的永磁同步電機(jī)矢量變頻控制器，應(yīng)用于中小功率永磁同步電機(jī)?？刂破鞑捎昧舜艌?chǎng)定向算法，分析了異步電機(jī)與同步電機(jī)的控制數(shù)字系統(tǒng)控制環(huán)路上的異同，實(shí)現(xiàn)了一套代碼能同時(shí)適用兩種電機(jī)的控制，并能在有無(wú)傳感器方式下運(yùn)行。適合用戶不同的應(yīng)用場(chǎng)合與需求，高性價(jià)比的Stm32微處理器使系統(tǒng)精度提高且成本得以下降，符合技術(shù)先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)實(shí)用性要求。通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該策略的可行性。

永磁同步電機(jī)；矢量控制；無(wú)速度傳感器；恒壓頻比調(diào)速

0 引言

隨著交流電機(jī)在電力拖動(dòng)領(lǐng)域使用的日益廣泛，對(duì)交流電機(jī)控制器適用性的要求也不斷提高。傳統(tǒng)的電機(jī)控制器需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行區(qū)分，永磁同步電機(jī)和異步電機(jī)存在控制策略上的差別，與之配合使用的轉(zhuǎn)速反饋傳感器增加了系統(tǒng)成本的維護(hù)困難，控制器通用性難以得到提高。為解決上述問(wèn)題，提出一種以Stm32為控制核心，以IRF-N型MOS管和IR系列電橋驅(qū)動(dòng)器、編碼器接口、串行通信口、電流傳感器搭建的通用交流電機(jī)控制器，該控制器核心策略能驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)與異步感應(yīng)電機(jī)，支持電機(jī)在有傳感器和無(wú)傳感器模式下運(yùn)行。無(wú)傳感器方式通過(guò)估算電機(jī)反電勢(shì)，設(shè)計(jì)采用滑模完成實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的計(jì)算。永磁同步電機(jī)電壓型逆變策略SVPWM的輸出為恒磁鏈追蹤控制，逆變器輸出磁鏈?zhǔn)噶繛閰⒖紙A，該方法同樣能驅(qū)動(dòng)交流異步電機(jī)，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)按需調(diào)用，可在對(duì)永磁同步電機(jī)控制的基礎(chǔ)上增加對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行恒磁鏈控制的功能。

1 調(diào)速理論

根據(jù)電機(jī)理論，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)差異致其二者對(duì)應(yīng)的電樞反應(yīng)不同，造成了控制方式上的不一致，使交流電機(jī)在種類上區(qū)分為同步與異步，本質(zhì)都是通過(guò)改變電源的供電頻率、相位和幅值達(dá)到對(duì)電機(jī)的控制目的。

式中 n—電機(jī)同步轉(zhuǎn)速

f—為供電頻率

p—電機(jī)極對(duì)數(shù)

式中 φf(shuō)—永磁體磁鏈

Ld—直軸電感

Lq—交軸電感

2 軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)交流電機(jī)調(diào)速理論及其數(shù)字化實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析和研究，對(duì)電機(jī)控制程序采用軟件查詢機(jī)制進(jìn)行控制。

2.1 系統(tǒng)及模塊初始化

程序主循環(huán)前，需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，配置合理的運(yùn)行方式。包括系統(tǒng)時(shí)鐘、AD采樣方式及時(shí)間、TIM高級(jí)定時(shí)器與通用定時(shí)器的配置。AD中斷與電機(jī)控制環(huán)路執(zhí)行同頻率，高級(jí)TIM進(jìn)行SVPWM三相脈沖的產(chǎn)生，CH4用以觸發(fā)AD電流采樣。相關(guān)流程見(jiàn)圖2。

圖1 硬件電路組成

圖2 程序流程

2.2 按鍵及串口消息解析

通過(guò)讀取I0口或串口接收到的數(shù)據(jù)。確定控制器驅(qū)動(dòng)何種電機(jī)，保存相關(guān)標(biāo)志位，在算法運(yùn)行時(shí)通過(guò)查詢標(biāo)志位完成整機(jī)算法。

2.3 坐標(biāo)變換及環(huán)路調(diào)節(jié)器

對(duì)永磁同步電機(jī)控制采用Id=0的無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)方式，在AD模塊EOC中執(zhí)行FOC控制環(huán)。AD采樣值通過(guò)Clark變換和Park變換得到同步坐標(biāo)系下的直流DQ軸分量，通過(guò)查詢轉(zhuǎn)速指令，給定轉(zhuǎn)速環(huán)輸入。同樣，查詢直流D軸分量，給定磁鏈環(huán)輸入。通過(guò)離散化的PI環(huán)路調(diào)節(jié)器，最終轉(zhuǎn)換成控制參考信號(hào)，作為SVPWM的給定。

2.4 SVPWM電壓空間矢量

電壓空間矢量模塊包括扇區(qū)N，切換時(shí)間X、Y、Z及t1、t2的計(jì)算，計(jì)算完成時(shí)間更新高級(jí)定時(shí)器CH1-CH3比較寄存器值。

3 硬件設(shè)計(jì)

以Stm32單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成控制算法執(zhí)行環(huán)節(jié)，通用輸入輸出接口完成控制信號(hào)與反饋信號(hào)的交互。

3.1 控制及驅(qū)動(dòng)單元

單片機(jī)執(zhí)行控制算法，計(jì)算實(shí)時(shí)輸出控制量，由高級(jí)定時(shí)器TIM1輸出包含控制信息的互補(bǔ)脈沖方波。通過(guò)IR電橋驅(qū)動(dòng)器增強(qiáng)脈沖驅(qū)動(dòng)能力，完成電壓等級(jí)轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)功率MOS管。

3.2 電流采樣

電流硬件電路支持隔離型電流傳感器和低成本的采樣電阻。本硬件采用三電阻采樣，采樣后的電流輸入由運(yùn)算放大器構(gòu)成的信號(hào)調(diào)理電路，調(diào)理電路由同相放大器，跟隨器及低通濾波構(gòu)成。整形后由單片機(jī)AD進(jìn)行采集，以Q12格式定標(biāo)成以2048為中點(diǎn)的數(shù)字量。

3.3 串行通信口及按鍵接口

串行接口用以接收上位機(jī)發(fā)送的控制指令和向外發(fā)送系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息，按鍵接口提供用戶控制策略模型的切換及轉(zhuǎn)速增減操作。

3.4 霍爾接口

霍爾接口用以輸入6步霍爾脈沖，連接單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器XOR霍爾接口，反饋轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速與空間位置。

4 調(diào)試分析

控制器分別以永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，永磁同步電機(jī)采用Id=0，傳感器與滑模轉(zhuǎn)速觀測(cè)器并聯(lián)運(yùn)行。

感應(yīng)電機(jī)的參數(shù)為：額定功率PN=60 W，額定電壓UN=220 V，頻率fN=50 Hz，額定轉(zhuǎn)速nN=1 425 r/min。

永磁同步電機(jī)參數(shù)為：UN=24 V，額定功率PN=200 W，定子電阻Rs=0.985 Ω， D軸電感Ld=Q軸電感Lq=2.56 mH，永磁磁鏈φf(shuō)=0.051 Wb。

設(shè)置控制器為異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，三相逆變電路輸出經(jīng)過(guò)一階低通濾波，得到三相對(duì)稱正弦波，作為逆變器輸出的基波分量。頻率可通過(guò)控制SVPWM的調(diào)制波更新時(shí)間,即馬鞍波更新速率控制，電壓由調(diào)制深度控制，見(jiàn)圖3～圖5。

圖3 控制器三相輸出基波分量

圖4 SVPWM兩相調(diào)制波波形

圖5 AB相電壓波形

永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)，電機(jī)空載啟動(dòng)，參考轉(zhuǎn)速給定為n=1 420 r/min，轉(zhuǎn)速指令經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速環(huán)濾波器，穩(wěn)定將電機(jī)轉(zhuǎn)速斜坡提升。在到達(dá)給定轉(zhuǎn)速后，給定n=-1 420 r/min，電機(jī)反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下降至二次給定轉(zhuǎn)速，見(jiàn)圖6。

圖6 實(shí)際轉(zhuǎn)速與估計(jì)轉(zhuǎn)速

滑模電流觀測(cè)器的強(qiáng)魯棒性，在中高速時(shí)，估算值都能很好的跟蹤實(shí)際值，反應(yīng)了轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置角辨識(shí)的準(zhǔn)確性，見(jiàn)圖7。

圖7 alpha相電流觀測(cè)值與轉(zhuǎn)子磁鏈估算位置角

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種附帶異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能的永磁同步電機(jī)矢量控制器，通過(guò)控制環(huán)程序的執(zhí)行與關(guān)鍵標(biāo)志位的查詢，實(shí)現(xiàn)了雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功能。其中永磁同步電機(jī)由勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩解耦的矢量變頻算法控制，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能與控制精度達(dá)到了很大的提高。利用FOC環(huán)路中的SVPWM模塊，合理附加異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能，節(jié)約程序代碼且增強(qiáng)了通用性。在中小功率交流拖動(dòng)場(chǎng)合，風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)等負(fù)載通常由異步電機(jī)或永磁同步電機(jī)構(gòu)成，設(shè)計(jì)具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用性與通用性。

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Realization for Small and Medium Power PMSM Vector System Basing on Stm32 Micro Controller

YangJunxiang, Jiang Lin, Li Kun, LiuLianghong
(
School of Electrical Engineering and Information, Southwest Petroleum University,Chengdu 610500, Sichuan )

In order to solve the problemsof low versatile, non-ideal in cost-effectand low control accuracy in present PMSM controller, a new frequency conversion controller basing on Stm32 is put into apply. The controller adopts the magnetic field orientation algorithm, analyzes the similarities and differences between the control loop of the control system of asynchronous motor and synchronous motor, realizes a set of codes that can be applied to two kinds of motors at the same time, and can operate in both sensor and sensorlessmode. It is suitable for different applications and needs of users. The Stm32 micro controller with high performance price ratio improves the system accuracy and costs, which meets the requirements of technology advancement and economic practicality. The feasibility of the strategy is proved by theoretical analysis and experimental verification.

PMSM; Vector control; Sensorless control; VVVF

TN876-34；TP33

A

1674-2796（2017）06-0010-04

2017-06-18

楊俊翔（1992—），男，碩士研究生，主要從事觀測(cè)器，電力電子及電氣傳動(dòng)控制方向的研究。