CN102570959A

CN102570959A - 低压大电流永磁同步电机控制***及其控制方法

Info

Publication number: CN102570959A
Application number: CN2011104596496A
Authority: CN
Inventors: 吴盘龙; 杜国平; 薄煜明; 杨宝建; 张捷; 邹卫军; 朱建良; 王向民; 陈帅; 王筱莉
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2011-12-31
Filing date: 2011-12-31
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明公开了一种低压大电流永磁同步电机控制***及其控制方法，发明内容包括了控制***的总体设计、控制***的软件构成及控制流程；其中，总体设计部分详细列出了控制***所包含的硬件模块，以及硬件模块之间的连接方式；软件模块部分细述了控制软件的构成，以及控制软件的执行过程，本发明优点通过采用运算能力强的控制芯片，简化了控制***的***设备，降低了成本，所采用的控制方法执行效率较高，可以满足控制***的基本需求。

Description

低压大电流永磁同步电机控制***及其控制方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，特别是一种低压大电流永磁同步电机控制***及其控制方法。

背景技术

现代工业生产及社会的发展需要极大的推动了交流调速技术的发展，现代控制理论的发展和应用、电力电子技术的发展和应用、微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用，为交流调速的飞速发展创造了技术和物质条件。

永磁同步电动机的转子采用稀土永磁材料励磁，如铷铁硼合金，使得电动机的体积和重量大为减小，结构简单，维护方便，且效率比同容量的异步电动机提高4%-13%，功率因素提高5%-20%。近年来，加上矢量控制水平的不断提高，永磁同步电动机越来越显出它效率高、功率密度大，调速范围宽，转矩脉动小等高性能的优势，在千瓦级伺服***中，有取代直流电动机的趋势。

从20世纪30年代，人们就开始研究同步电机的速度控制器问题，目前德国KEB、日本安川、富士等公司已成功研制出多种通用型的高性能永磁同步电机控制器。这些控制器功率范围从几百瓦到数百千瓦之间，可以满足工业控制等常见控制***的需要。但在一些低压应用场合中（如电动汽车、电动叉车等），车载直流供电电源为低电压直流电源，通常只有几十伏，这样电流就要求达到几百安培才能满足***的功率需求。

发明内容

本发明的目的是针对国内现有的技术存在的不足，设计了一种低压大电流永磁同步电机控制***及其控制方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

控制***包括蓄电池、DSP控制芯片、通信接口电路、外扩RAM、负载、驱动电路、功率逆变器、永磁同步电机PMSM、电流传感器、增量式编码器、可编程逻辑控制器CPLD、控制指令输入、过流检测、控制指令输出、温度检测和速度电位器；其中DSP控制芯片包括脉宽调制发生器PWM、输入输出接口I/O、通信接口SCI/SPI/CAN、模数转换模块ADC、正交编码脉冲电路QEP；电源的输出端接DSP控制***的输入、蓄电池的输出接功率逆变器的输入，DSP控制芯片的PWM输出接驱动电路，驱动电路与功率逆变器相连，功率逆变器的输出接永磁同步电机PMSM，电流传感器采集永磁同步电机的IA、IB相电流传输给DSP控制芯片的模数转换模块ADC，增量式编码器采集永磁同步电机输出的脉冲信号传输给DSP控制芯片的正交编码脉冲电路QEP，控制指令输出、控制指令输出和过流检测均经由CPLD与DSP控制芯片相连，速度电位器的输入与DSP控制芯片的ADC相连，DSP控制芯片还扩展了外部RAM；永磁同步电机控制***运行时，首先由DSP控制芯片发出控制PWM波形给驱动电路，驱动电路将PWM控制信号接入功率逆变器，功率逆变器驱动永磁同步电机的运行；控制***执行过程中的控制指令信号，通过CPLD与DSP控制芯片实现互联，控制永磁同步电机的运行，采用霍尔传感器的电流传感器用于检测电机IA、IB两相的电流并接到DSP控制芯片的ADC输入端，将增量式编码器检测到的脉冲信号接到DSP控制芯片的QEP电路中，得出电机的转速与旋转方向。DSP控制芯片的控制指令输入、控制指令输出和功率逆变器的过流检测通过CPLD接入到DSP控制芯片的I/O口；通过速度电位器将速度给定输入到DSP控制芯片的ADC；界面的监控和控制程序的改变等皆通过SCI/SPI/CAN接口与DSP控制芯片连接。电源的输出端接DSP控制***的输入和功率逆变器的输入。

DSP 软件模块包括速度运算模块、速度调节器、磁通电流调节器、力矩电流调节器、电流矢量变换模块和PWM 生成器其中电流矢量变换模块包括克拉克Clark变换与帕克Park变换；速度运算模块的输入端接增量式编码器的输出端；电流矢量变换模块得到力矩电流反馈量与磁通电流反馈量，速度电位器的输出与速度编码器所得速度反馈接速度调节器的输入，速度调节器的输出与力矩电流反馈接力矩电流调节器的输入，磁通调节器的给定与磁通电流反馈接磁通电流调节器的输入，磁通电流调节器的输出于力矩电流调节器的输出接PWM生成器的输入，PWM 生成器的输出端串接驱动电路后接功率逆变器的输入端。

采用电流传感器测量出永磁同步电机的两相电流IA和IB、采用正交编码脉冲电路读取增量编码器的脉冲信号并计算得到永磁同步电机转子的角位移θ与转子转速；采用Clark变换模块将相电流矢量IA、IB从三相定子a-b-c坐标系变换到两相静止α-β坐标系中；计算出sin(θ)和cos(θ)，进行Park变换，把Clark变换后的相电流矢量从两相静止α-β坐标系变换到两相旋转 d-q 坐标系；然后分别根据 d 坐标轴和 q 坐标轴上的分量与参考输入电流的偏差，进行磁通电流环与力矩电流环的PI运算，把上述两个电流调节器的输出通过Park逆变换，将其变换回两相静止α-β坐标系中，从而得到 PWM生成器的输入信号；调用 PWM 生成器，输出得到 PWM 信号的占空比，将产生的PWM 信号经过驱动电路输入到功率逆变器，驱动三相永磁同步电动机，实现完整的控制。

本发明与现有技术相比，其显著优点：本发明简化了***的***设备，降低了***的损耗，目标控制***效率变得更高，永磁同步电机运行起来更安静，而且提高了***的准确性和实时性，有更好的控制效果。DSP控制器在实现全数字化电动机控制***方面有着无可比拟的优势，尤其是在交流电动机的控制方面。 TI 公司的 TMS320F2812 芯片是目前用于数字控制领域性能最好32位定点DSP芯片之一。TMS320F2812不但把许多在电机控制中常用的硬件电路固化在芯片中，并且提供了充分的程序空间、***接口和强大的运算能力，足以保证各种复杂控制算法能够在此平台上得以实现，从而满足人们对电动机控制的高性能要求。

附图说明

图1为控制***原理图。

图2为软件主程序总体设计流程图。

图3为中断服务程序流程图。

图4为控制模块流程图。

图5为启动校正流程图。

图6为转速阶跃时定子电流A相的波形图。

图7为转速阶跃时转速的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

图1为永磁同步电机控制***原理图，控制***包括蓄电池1、DSP控制芯片2、通信接口电路3、外扩RAM4、负载5、驱动电路6、功率逆变器7、永磁同步电机PMSM8、电流传感器9、增量式编码器10、可编程逻辑控制器CPLD11、控制指令输入12、过流检测13、控制指令输出14、温度检测15和速度电位器16；其中DSP控制芯片2包括脉宽调制发生器PWM21、输入输出接口I/O19、通信接口SCI/SPI/CAN18、模数转换模块ADC17和正交编码脉冲电路QEP20；电源的输出端接DSP控制***的输入、蓄电池1的输出接功率逆变器的输入，DSP控制芯片2的PWM输出接驱动电路6，驱动电路6与功率逆变器7相连，功率逆变器7的输出接永磁同步电机PMSM8，电流传感器采集永磁同步电机8的IA、IB相电流传输给DSP控制芯片2的模数转换模块ADC17，增量式编码器10采集永磁同步电机8输出的脉冲信号传输给DSP控制芯片2的正交编码脉冲电路QEP20，控制指令输出14、控制指令输入12和过流检测均经由CPLD11与DSP控制芯片2互连，速度电位器16的输入与DSP控制芯片2的ADC17相连，DSP控制芯片2还扩展了外部RAM4；永磁同步电机控制***运行时，首先由DSP控制芯片2发出控制PWM波形给驱动电路6，驱动电路6将PWM控制信号接入功率逆变器7，功率逆变器7驱动永磁同步电机8的运行；控制***执行过程中的控制指令信号，通过CPLD11与DSP控制芯片2实现互连，控制永磁同步电机8的运行，电流传感器9用于检测永磁同步电机8IA、IB两相的电流并接到DSP控制芯片2的ADC17输入端，将增量式编码器10检测到的脉冲信号接到DSP控制芯片2的QEP20电路中，得出永磁同步电机8的转速与旋转方向。DSP控制芯片2的控制指令输入12、控制指令输出14和功率逆变器7的过流检测通过CPLD11接入到DSP控制芯片2的I/O口；通过速度电位器16将速度给定输入到DSP控制芯片的ADC17；界面的监控和控制程序的改变等皆通过SCI/SPI/CAN接口18与DSP控制芯片2连接。

本发明选用的永磁同步电机生产厂家为苏州通润驱动设备有限公司，额定功率为11kW，额定电压为48V，最高转速为3000rpm，定子相感抗为0.00516H，定子阻抗为0.0011Ω，额定转距为 36N.M，极对数为4。所述逆变器采用自主研发的基于大功率金属氧化物半导体场效应管MOSFET的逆变器，MOSFET的漏源电压VDS=150V，逆变器最大续流能力Ic=780A；所述霍尔电流传感器型号为HNC-300LT，厂家为南京中旭电子科技有限公司，供电电源为15V；所述增量式编码器为ZND-BM/1-m，线数为64，厂家为长春禹横光学有限公司。

永磁同步电动机的闭环转速控制过程可以简单描述为以下：

首先，采用电流传感器测量出永磁同步电机的两相电流IA和IB、采用正交编码脉冲电路读取增量编码器的脉冲信号并计算得到永磁同步电机转子的角位移θ与转子转速；采用Clark变换模块将相电流矢量IA、IB从三相定子a-b-c坐标系变换到两相静止α-β坐标系中；计算出sin(θ)和cos(θ)，进行Park变换，把Clark变换后的相电流矢量从两相静止α-β坐标系变换到两相旋转 d-q 坐标系；然后分别根据 d 坐标轴和 q 坐标轴上的分量与参考输入电流的偏差，进行磁通电流环与力矩电流环的PI运算，把上述两个电流调节器的输出通过Park逆变换，将其变换回两相静止α-β坐标系中，从而得到 PWM生成器的输入信号；调用 PWM 生成器，输出得到 PWM 信号的占空比，将产生的PWM 信号经过驱动电路输入到功率逆变器，驱动三相永磁同步电动机，实现完整的控制。

图2为电机控制***软件总体设计框图。从图中我们可以清楚的看到***软件的主体流程。首先，***进行对 TMS320F2812 以及其他***器件的初始化工作；然后设置允许中断 INT2 和INT3 ，其中 INT3 响应光电编码器的零标记脉冲，INT2在 TIMER1 计数溢出响应，执行***的控制模块；此外还要进行一些运行参数和控制循环的标记的设置；最后就进入后台等待状态，随时响应各种中断，运行中断服务程序。

图 3 为中断服务程序的设计框图。中断服务程序在结构上都比较类似，都遵循响应中断、***状态保护、清中断标记、执行中断服务、恢复***状态、结束这样的基本顺序。

图 4为***控制主流程框图。首先，采用电流传感器测量出永磁同步电机的两相电流IA和IB、采用正交编码脉冲电路读取增量编码器的脉冲信号并计算得到永磁同步电机转子的角位移θ与转子转速；采用Clark变换模块将相电流矢量IA、IB从三相定子a-b-c坐标系变换到两相静止α-β坐标系中；计算出sin(θ)和 cos(θ)，进行Park变换，把Clark变换后的相电流矢量从两相静止α-β坐标系变换到两相旋转 d-q 坐标系；然后分别根据 d 坐标轴和 q 坐标轴上的分量与参考输入电流的偏差，进行磁通电流环与力矩电流环的PI运算，把上述两个电流调节器的输出通过Park逆变换，将其变换回两相静止α-β坐标系中，从而得到 PWM生成器的输入信号；调用 PWM 生成器，输出得到 PWM 信号的占空比，将产生的PWM 信号经过驱动电路输入到功率逆变器，驱动三相永磁同步电动机，实现完整的控制。

图5为电机启动校正流程图。首先根据永磁同步电机所带负载的大小，在电机定子上施加一个足以让电机运转起来的空间矢量电压、电角度，作用时间为200~500ms（等到电机完全停下后再发出新的校正指令，这样可以防止电机在下一次校正时转子机械上的冲击）；在给定力矩可以让电机正转的情况下，如果所得的脉冲数为零，则说明电机未启动，校正时需将启动电角度增加180°；然后继续在电机定子上施加一个足以让电机运转起来的空间矢量电压、电角度，作用时间为200~500ms；如果所得脉冲数大于零，则电机可以正常启动，不需要继续进行校正，直接切换到闭环进行控制；如果所得电机脉冲数小于零，则说明电机反转，校正时需将启动电角度增加90°，然后继续在电机定子上施加一个足以让电机运转起来的空间矢量电压、电角度，作用时间为200~500ms，以等待下一次判断；以上所述启动方法都是在所加作用电压与时间下，所得脉冲数小于3个脉冲（由电机极对数，和编码器的线数可得3个脉冲代表机械上的4.2°）的情况下进行的，不然就会下次启动时出现校正不准的情况。

图6为给定转速空载下的定子A相电流的波形图。可见，在启动的时由于转速反电动势较小，启动电流较大（为300A左右），但当超调结束、转速稳定后电流很小。

图7为转速阶跃时转速的波形图。可见转速有300rpm左右的超调，达到稳态的时间为2s左右。

Claims

1.一种低压大电流永磁同步电机控制***，其特征在于：包括蓄电池[1]、DSP控制芯片[2]、通信接口电路[3]、外扩RAM[4]、负载[5]、驱动电路[6]、功率逆变器[7]、永磁同步电机PMSM[8]、电流传感器[9]、增量式编码器[10]、可编程逻辑控制器CPLD[11]、控制指令输入[12]、过流检测[13]、控制指令输出[14]、温度检测[15]和速度电位器[16]；其中DSP控制芯片[2]包括脉宽调制发生器PWM[21]、输入输出接口I/O[19]、通信接口SCI/SPI/CAN[18]、模数转换模块ADC[17]和正交编码脉冲电路QEP[20]；电源的输出端接DSP控制***的输入、蓄电池[1]的输出接功率逆变器的输入，DSP控制芯片[2]的PWM输出接驱动电路[6]，驱动电路[6]与功率逆变器[7]相连，功率逆变器[7]的输出接永磁同步电机PMSM[8]，电流传感器采集永磁同步电机[8]的IA、IB相电流传输给DSP控制芯片[2]的模数转换模块ADC[17]，增量式编码器[10]采集永磁同步电机[8]输出的脉冲信号传输给DSP控制芯片[2]的正交编码脉冲电路QEP[20]，控制指令输出[14]、控制指令输入[12]和过流检测均经由CPLD[11]与DSP控制芯片[2]互连，速度电位器[16]的输入与DSP控制芯片[2]的ADC[17]相连，DSP控制芯片[2]还扩展了外部RAM[4]；永磁同步电机控制***运行时，首先由DSP控制芯片[2]发出控制PWM波形给驱动电路[6]，驱动电路[6]将PWM控制信号接入功率逆变器[7]，功率逆变器[7]驱动永磁同步电机[8]的运行；控制***执行过程中的控制指令信号，通过CPLD[11]与DSP控制芯片[2]实现互连，控制永磁同步电机[8]的运行，电流传感器[9]用于检测永磁同步电机[8]IA、IB两相的电流并接到DSP控制芯片[2]的ADC17输入端，将增量式编码器[10]检测到的脉冲信号接到DSP控制芯片[2]的QEP[20]电路中，得出永磁同步电机[8]的转速与旋转方向；

DSP控制芯片[2]的控制指令输入[12]、控制指令输出[14]和功率逆变器[7]的过流检测通过CPLD[11]接入到DSP控制芯片[2]的I/O口；通过速度电位器[16]将速度给定输入到DSP控制芯片的ADC[17]；DSP控制芯片[2]通过SCI/SPI/CAN接口[18]与外部实现通信。

2.根据权利要求 1所述的低压大电流永磁同步电机控制***，其特征在于：

DSP 软件模块包括速度运算模块、速度调节器、磁通电流调节器、力矩电流调节器、电流矢量变换模块和PWM 生成器；其中电流矢量变换模块包括克拉克Clark变换与帕克Park变换；速度运算模块的输入端接增量式编码器的输出端；电流矢量变换模块得到力矩电流反馈量与磁通电流反馈量，速度电位器的输出与速度编码器所得速度反馈接速度调节器的输入，速度调节器的输出与力矩电流反馈接力矩电流调节器的输入，磁通调节器的给定与磁通电流反馈接磁通电流调节器的输入，磁通电流调节器的输出于力矩电流调节器的输出接PWM生成器的输入，PWM 生成器的输出端串接驱动电路后接功率逆变器的输入端。

3.一种低压大电流永磁同步电机控制***的控制方法，其特征在于所述方法如下：

采用电流传感器测量出永磁同步电机的两相电流IA和IB、由正交编码脉冲电路QEP读取增量编码器的脉冲信号得到永磁同步电机转子的角位移θ与转子转速；采用Clark变换模块将相电流矢量IA、IB从三相定子a-b-c坐标系变换到两相静止α-β坐标系中；计算sin(θ)和 cos(θ)，进行Park变换，把Clark变换后的相电流矢量从两相静止α-β坐标系变换到两相旋转 d-q 坐标系；然后分别根据 d 坐标轴和 q 坐标轴上的分量与参考输入电流的偏差，进行磁通电流调节器与力矩电流调节器的PI运算，把上述力矩与磁通电流调节器的输出通过Park逆变换，将输出变换回两相静止α-β坐标系中，从而得到 PWM生成器的输入信号；调用 PWM 生成器，输出得到逆变器器控制信号的占空比，将产生的PWM信号经过驱动电路输入到功率逆变器，驱动三相永磁同步电动机，实现完整的控制。

4.根据权利要求3所述的低压大电流永磁同步电机控制***的控制方法，其特征在于：所述永磁同步电机启动校正方法具体如下：

首先根据永磁同步电机负载的大小，在电机两相定子绕组上施加空间矢量电压，作用时间为200~500ms；在给定力矩可以让电机正转的情况下，如果所得的脉冲数为零，则说明电机未启动，校正时需将启动电角度增加180°；然后继续在电机定子上施加空间矢量电压，作用时间为200~500ms；如果所得脉冲数大于零，则电机可以正常启动，不需要继续进行校正，直接切换到闭环进行控制；如果所得电机脉冲数小于零，则说明电机反转，校正时需将启动电角度增加90°，然后继续在电机定子上施加空间矢量电压，作用时间为200~500ms，以等待下一次判断，直至电机可以切换到闭环运行。