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基于DSP的无位置传感器永磁同步_矢量控制系统

时间:2017/8/24 9:12:00   来源:本网   添加人:admin

  永磁同步电动机的电磁转矩可表示为近年来,随着永磁材料性能的不断提高和完善以及永磁电机研发技术的不断成熟,永磁电机正向微型化、大功率化和智能化方面发展。

  永磁电机由具有三相对称绕组的定子和材料为永磁磁钢的转子组成。

  当电机转子旋转时,根据其在定子上产生的反电势波形的不同,可分为梯形波的无刷直流电动机(BLDC)和正弦波的永磁无刷同步电动机(PMSM)两种本文主要讨论永磁无刷同步电动机基于DSP的无位置传感器矢童控制系统的设计。由于永磁同步电机转子的磁通位置与转子机械位置相同,通过检测转子的机械位置便可知电机转子的磁通位置。在传统的方法中主要是在电机转子轴上安装传感器,但这些器件增加了控制系统的成本而且也使得系统的可靠性有所降低,不能广泛的得到应用。本文中主要根据PMSM的基本电磁关系,通过可直接检测出的定子三相端电压和电流计箅出转子位置角0和转速控制策略采用转子磁场定向控制,利用电压空间矢量SVPWM技术产生PWM控制信号来控制功率驱动逆变电路。

  PMSM的数学模型和矢量控鹪原理我们采用理想电机模型的假设,经过一系列推导后可得到PMSM在坐标系下的数学模型如下:定子绕组磁链方程以上各:心,1为轴电压;为轴电流;为轴电感;足为定子绕组每相电阻;么水为蝻磁链;吣为转子旋藉的电角速度;勿为永磁体基波励磁磁场过定子绕组的磁链;P是撤分算子;夂为转子极对数;7二为电磁转矩。

  磁场定向矢量控制实际上是对电动机定子电流矢量相位和幅值控制,把检测到的定子相电流转化到与转子旋转磁场同步的坐标系中,并使电机转矩与励磁磁场正交,实现转矩与励磁磁场的充分解耦f2.磁场定向矢量控制图如所示,其中cl、q轴随转子以电角速度旋转;吻为定子静止坐标系,a轴与定子绕组a相轴重合;两坐标系之间夹角为e.为实现电机转矩控制与磁场控制的充分解耦,需将定子相电流经过Clarke和Park变换,转换成与电机转矩方向相同的转矩电流、和与电机励磁磁场方向相同的励磁电流可把定子电流矢量在转坐标轴d、q轴上分解可得:从式(3>中我们可以看出,当永磁体的励磁磁链和交、直轴电感确定后,电动机的转矩便取决于定子电流的空间矢量电流故控制八和人便可以控制电动机的转矩。电流k称为励磁电流,文中主要讲述=的控制策略。

  根据永磁体在电动机转子上位置的不同,可分为凸极式和嵌人式两种,以凸极式转子结构的永磁同步电动机为控制对象,这种电机的重要特点是交、直轴的主电感相等(afl,)并且只存在电磁转矩而没有磁阻转矩。当时,从电动机端口看,相当于一台他励直流电动机,定子电流只有交轴分量,且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交,电机的定子电流空间矢量与轴夹角/3=90°,由式(3)可知,此时电磁转矩中只有转矩分量,其值为也就是说定子电流矢量i,与d轴夹角芦等于90°或i,与g轴重合时可获得最大转矩,故式(5)可以改写为因为是永磁转子,是一个不变的值,所以式(6)说明了只要保持4与d轴垂直,就可以裱直流电动机控制那样,通过调整直流电流来控制转矩,从而实现三相永磁同步电动机的控制参数的解耦,实现三相永磁同步电动机转矩的线性化控制w.所示为采用策略时的一种矢量控制原理框图。

  矢最控剩系统框图从图中可看出,该控制系统由速度、电流双闭环实现,其中的模块包括Clarke变换模块,Parke变换模块,转子位置和转速估算模块,反Park变换模块,PI调节模块以及空间矢量PWM生成模块等,并且采用的算法由相应的控制模块实现。虽然各种变换需大量的计算,但DSP芯片TMS240LF2407A的每条指令33n8的篼速运算能力,再配以简单的外围电路,使复杂的控制算法和系统的实时计算成为可能,而无需采用传统的表方式,从而使控制精度更篼,并且所有功能可全部由软件来实现。

  PMSM的无传感蜃算法为提高系统的效率、可靠性、降低成本,需要取消位置传感器。无传感器控制系统是利用电机绕组的有关电信号,通过适当的方法估算出转子的位置和速度,从而实现电机的闭环控制。下面介绍基于PMSM基本电磁关系的转子位置和转速估算方法w.根据可直接测量出的定子三相端电压和电流,可以计算出转角0和转速其最直接的算法如下:由于旋转坐标系d-q和静止坐标系a下的各变量存在以下转换关系结合同步电机在d-q轴坐标系下的电压方程式(1),可推导得出:=arctan(S/N)(9)其中:由此可知转子位置角0可用定子端电压、电流以及转速来表示。对于凸极式转子结构的永磁同步电动机,由于故转速叫可以由下式将式(10)代人式(9)中则可得到转子位置角0.这种方法主要在于运算简单且无延迟,动态响应较快,重要的是运用这种方法时最好结合电机参数的在线辩识,因为此计算方法对电机参数的准确性要求很高,随着电机运行状况的变化其参数会发生一定的变化,这样便导致转速和转子位置的估箅值偏离真实值。

  PMSM控制系统的礤件组成和软件设计4、1控制系统的硬件组成由于TMS320LF2407片内集成了大1:用于电机控制的外围电路,故由其组成的系统外围电路比较简单,主要包括以下几个基本环节:主回路的功率驱动电路、电机相电流检测电路、系统保护电路以及串行通讯电路等。主回路中智能化功率模块内部集成了IGBT及驱动电路,DSP提供的六路SVPWM输出经光耦隔离以驱动三相逆变桥的功率开关元件,直流电压供电的三相逆变桥输出接星型接法的三相电机定子绕组。利用霍尔元件式电流传感器对电机的任意两相的相电流进行实时检测,经放大后通人DSP的AD通道,在实时控制时由TMS320LF2407控制器的EVM件触发中断并进行AD采样。系统还可用SCI接口完成与上位机的通讯功能。为保证系统的安全性,可利用TMS320LF2407事件管理器提供的外部中断PDPINT来实现对系统的保护,当系统出现故障时,片内的PDPINT中断程序可自动封锁系统的PWM通道,使输出变成高阻态,直到故障消失和系统复位。

  4、2控制系统的软件设计本文所讨论的PMSM矢量控制系统的控制软件,主要包括初始化程序、主程序和中断服务子程序3部分。

  系统每次复位后都开始执行初始化程序,对DSP内部各个控制模块和一些参数进行初始化设定,初始化完成后处于等待状态,等到中断开启,系统执行主程序,其主程序流程图如所示。

  断子程序流程图整个控制系统的主要控制功能由主程序、串行通讯子程序和定时中断子程序以及外部保护子程序来完成的;完整的磁场定向矢量控制的控制算法由定时中断子程序来执行;在一个中断周期内,采样两路AD上的电流并计算转角和速度,完成所有反馈通道和主通道中的计算,最后输出三相逆变器的SVPWM波信号,PWM定时中断服务子程序框图如所示。串行通讯子程序主要用来接收控制参数,而外部保护子程序则用于检测智能功率模块的故障状况,出现故障时,DSP的PWM榆出通道立即被封锁。

  本文介绍了一种基于TMS320LF2407的PMSM磁场定向矢量控制系统的设计方案,利用DSP的篼速实时运算能力,实现系统的实时性和快速性。采用优化的微控制器的外围电路,在取消转子位置传感器的情况下获取转子位置和转速信号,对设计永磁同步电机控制系统降低了其设计成本,并且为开发小体积、可靠性高的智能型永磁同步电机控制系统提供了一种新的思路。