中科芯集成電路有限公司 洪鋒 冒國均 陳國真

基于DSP芯片TMS320F28335設(shè)計了永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)并采用PI（比例-積分）控制器實現(xiàn)閉環(huán)控制，介紹了控制算法的軟件實現(xiàn)流程和硬件電路設(shè)計。硬件電路包括角度檢測反饋電路、電流檢測反饋電路和驅(qū)動電路。通過電流環(huán)和速度環(huán)的階躍響應(yīng)實驗，驗證了該控制系統(tǒng)的有效性。該PI矢量控制系統(tǒng)簡單有效、易于實現(xiàn)，有效的拓展了永磁同步電機(jī)在工程實踐中的應(yīng)用。

0 引言

永磁同步電機(jī)具有效率高、可靠性好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，具有較好的動態(tài)響應(yīng)性能和穩(wěn)態(tài)運動精度，在精密平臺、航空航天、電動汽車、軌道交通等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

永磁同步電機(jī)優(yōu)異的調(diào)速性能取決于控制策略的設(shè)計。矢量控制將三相交流電流轉(zhuǎn)化為解耦的d軸和q軸電流的控制，受到了眾多學(xué)者的青睞。文獻(xiàn)[1-4]在矢量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，分別采用電流預(yù)測控制器[1]、內(nèi)膜控制器[2]、自抗擾控制器[3]，模糊控制器[4]來提高永磁同步電機(jī)的性能。然而，復(fù)雜控制器的設(shè)計會導(dǎo)致算法實現(xiàn)困難，極大的限制了其在工程實踐中的應(yīng)用。PI控制器結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，在工業(yè)控制中得到了廣泛使用[5-6]。

本文以DSP芯片為主控芯片，搭建了永磁同步電機(jī)的PI矢量控制系統(tǒng)，介紹了算法實現(xiàn)流程和硬件電路設(shè)計。通過電流環(huán)和速度環(huán)的階躍響應(yīng)實驗，驗證了控制系統(tǒng)的有效性。

1 PI矢量控制器及軟件實現(xiàn)

1.1 PI矢量控制器

矢量控制在交流電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)中被廣泛使用。矢量控制將電機(jī)定子的三相交流電流（ia，ib，ic）等效成兩相:勵磁分量（id）和轉(zhuǎn)矩分量（iq），分別調(diào)整id和iq的值即可控制定子磁通和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的大小。在矢量控制中，將id設(shè)為零，即保持定子磁通不變，只需要通過調(diào)節(jié)iq即可改變轉(zhuǎn)子輸出力矩的大小。

矢量控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，包括坐標(biāo)變換、電流環(huán)和速度環(huán)。坐標(biāo)變換包括Clarke變換、Park變換和Park反變換。Clarke變換是將定子三相靜止坐標(biāo)系（A-B-C軸系）下的電流轉(zhuǎn)化為兩相靜止坐標(biāo)系（α-β軸系）下的電流。Park變換是將兩相靜止坐標(biāo)系下的電流轉(zhuǎn)化為與電機(jī)轉(zhuǎn)子同步運動的兩相坐標(biāo)系（d-q軸系）下的電流。在速度環(huán)中，電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度通過旋轉(zhuǎn)變壓器得到。通過調(diào)整PI控制器的比例增益和積分增益，根據(jù)速度誤差即可得到q軸電流的輸入指令iq。在電流環(huán)中，d軸電流的輸入指令為零，q軸電流的輸入指令為速度環(huán)的輸出值iq，分別通過PI控制器的調(diào)節(jié)而得到α-β軸系下的輸出電壓值。最后，通過Park反變換和SVPWM（空間矢量脈寬調(diào)制）算法，即可得到電機(jī)的PWM驅(qū)動信號，通過逆變器驅(qū)動電機(jī)運動。

圖1 PI矢量控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of PI vector control system

1.2 軟件程序?qū)崿F(xiàn)

在實驗中，通過CCS提供的開發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件程序的編寫。矢量控制的程序在中斷函數(shù)中實現(xiàn)，具體流程如圖2所示。（1）讀取三相電流、角度和速度的反饋值；（2）將三相電流進(jìn)行Clarke變換和Park變換，得到d軸和q軸的反饋電流；（3）通過PI控制器對速度環(huán)和電流環(huán)的速度誤差和電流誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)；（4）經(jīng)Park反變換后通過SVPWM算法得到逆變器的PWM驅(qū)動信號，從而驅(qū)動電機(jī)運動。

圖2 軟件程序?qū)崿F(xiàn)流程Fig.2 Software program implementation flow

2 硬件電路

硬件電路主要包括角度反饋檢測電路、電流反饋檢測電路和驅(qū)動電路。

2.1 角度反饋檢測電路

角度反饋檢測電路用于監(jiān)測電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度和速度，反饋角度用于Park變換和反變換，反饋速度用于實現(xiàn)速度閉環(huán)控制。

在本文中，永磁同步電機(jī)采用科爾摩根公司生產(chǎn)的AKM21G型產(chǎn)品，電機(jī)內(nèi)部自帶旋轉(zhuǎn)變壓器。采用亞德諾半導(dǎo)體公司的AD2S1210芯片來獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度和速度。AD2S1210是旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片，為電機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器提供正弦波激勵信號，芯片接收旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正弦和余弦信號，并將其轉(zhuǎn)化為角度和速度數(shù)據(jù)。

2.2 電流反饋檢測電路

電流反饋檢測電路用于監(jiān)測永磁同步電機(jī)的三相電流，將其進(jìn)行Clarke變換并實現(xiàn)電流環(huán)的閉環(huán)控制。

本文采用瑞士的萊姆電子有限公司（LEM）的霍爾電流傳感器檢測電機(jī)的三相電流，其型號為LAH25-NP。在電機(jī)的動力線中串聯(lián)接入霍爾電流傳感器，通過傳感器的霍爾效應(yīng)，得到相應(yīng)的電壓值，電壓值的大小與電機(jī)的電流和采樣電阻成正比。根據(jù)測得的電壓值可計算得到電機(jī)的電流。

2.3 驅(qū)動電路

本文采用Mitsubishi Electric有限公司生產(chǎn)的PSS20S92F6-AG型逆變器來驅(qū)動永磁同步電機(jī)，逆變器內(nèi)部含有過溫檢測保護(hù)電路。逆變器為三相電壓型橋式逆變電路，可接收從DSP28335發(fā)出的六路控制信號。逆變器的輸出電壓，分別與電機(jī)的U、V、W三相連接，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。

3 實驗驗證

本文以Ti的DSP芯片TMS320F28335為主控芯片，搭建了永磁同步電機(jī)的PI矢量控制系統(tǒng)，如圖3所示。在CCS提供的開發(fā)環(huán)境下，對控制算法進(jìn)行了實驗驗證。永磁同步電機(jī)采用科爾摩根公司生產(chǎn)的AKM21G型產(chǎn)品，電機(jī)的極對數(shù)為3。通過電流環(huán)和速度環(huán)實驗，驗證了本文設(shè)計的矢量控制系統(tǒng)的有效性。

圖3 電機(jī)控制系統(tǒng)實物圖Fig.3 Physical drawing of motor control system

3.1 電流環(huán)

電流環(huán)PI控制器的比例增益和積分增益分別為0.25和0.3。在實驗中，d軸電流目標(biāo)值為零，q軸電流目標(biāo)值為0.07（標(biāo)幺值），電流環(huán)的階躍響應(yīng)如圖4所示。由實驗結(jié)果可知，d軸和q軸的電流反饋值在目標(biāo)值附近上下波動，驗證了電流環(huán)控制系統(tǒng)的有效性。反饋電流的穩(wěn)態(tài)誤差相對較大，可通過逆變器的死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償進(jìn)行改善。

圖4 電流環(huán)階躍響應(yīng)實驗:（a）q軸;（b）d軸Fig.4 Step response experiment of current loop:（a）q axis;（b）d axis

3.2 速度環(huán)

速度環(huán)PI控制器的比例增益和積分增益分別為0.1和0.02。速度環(huán)的階躍響應(yīng)如圖5所示，反饋速度值在目標(biāo)值附近上下波動，驗證了速度環(huán)控制系統(tǒng)的有效性。

圖5 速度環(huán)階躍響應(yīng)實驗Fig.5 Speed loop step response experiment

4 結(jié)語

本文以Ti的DSP芯片TMS 320F28335為主控芯片，搭建了永磁同步電機(jī)的PI矢量控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的軟件算法實現(xiàn)和硬件電路設(shè)計。通過電流環(huán)和速度環(huán)的階躍響應(yīng)實驗，驗證了該控制系統(tǒng)的有效性。該方案具有較強(qiáng)的通用性，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制的工程實踐中。