基于DSP的永磁電機推進(jìn)系統設計

隨著(zhù)控制理論和電力電子以及永磁材料的發(fā)展，永磁推進(jìn)電機被廣泛用于各種變速驅動(dòng)場(chǎng)合，這主要是因為永磁推進(jìn)電動(dòng)機具有結構簡(jiǎn)單、運行可靠、體積小、重量輕以及具有較高的效率和功率因數等優(yōu)點(diǎn)。

　　傳統的永磁同步電機調速系統一般采用雙閉環(huán)系統，外環(huán)的速度控制一般可以實(shí)現數字控制，而內環(huán)的電流控制一般不容易實(shí)現數字控制，這主要是因為電機的電氣時(shí)間常數比較小，對電流控制的實(shí)時(shí)性要求很高，一般的微處理器很難滿(mǎn)足要求。但是隨著(zhù)電力電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，特別是TI公司針對電機控制而推出的DSP-F240為實(shí)現全數字控制提供了比較現實(shí)的手段。DSP-F240主要由CPU、片內RAM和可編程FLASH ROM、事件管理器、片內周邊接口等部分組成，它的工作頻率比較高，一般要大于20MIPS,并且片上集成了很多面向電機控制的外圍設備，使得整個(gè)系統的實(shí)現相對比較容易。本文介紹以TMS320LF2407ADSP為核心的永磁同步電機推進(jìn)系統的硬件結構和軟件流程，并對該套方案進(jìn)行了Matlab/Simulink仿真和低速運行實(shí)驗。

　　1 永磁同步電動(dòng)機的矢量控制策略

　　矢量控制理論是由F.Blaschke于1971年提出的，其基本原理是：在轉子磁鏈dqO旋轉坐標系中，將定子電流分解為相互正交的兩個(gè)分量id和iq其中id與磁鏈同方向，代表定子電流勵磁分量，iq與磁鏈方向正交，代表定子電流轉矩分量，用這兩個(gè)電流分量所產(chǎn)生的電樞反應磁場(chǎng)來(lái)等效代替原來(lái)定子三相繞組電流ia、ib、ic所產(chǎn)生的電樞反應磁場(chǎng)，即進(jìn)行Park變換：

　　式中：γ為轉子位置角，即轉子d軸領(lǐng)先定子a相繞組中心線(xiàn)的電角度。然后分別對id和io進(jìn)行獨立控制，即可獲得像直流電機一樣良好的動(dòng)態(tài)特性。表面凸出式轉子結構的永磁同步電機d、q軸電感基本相同，因而其電磁轉矩方程為：

　　式中：pn為轉子極對數，Ψf為永磁體產(chǎn)生基波磁鏈的有效值。

　　為使定子單位電流產(chǎn)生最大轉矩，提高電機的工作效率，本文選用最大轉矩/電流矢量控制，由式（2）可知，對于表面凸出式轉子結構的永磁同步電機，可令id=0,通過(guò)調節iq來(lái)實(shí)現轉矩的控制如圖1所示，整個(gè)伺服系統由3個(gè)控制環(huán)構成。

　　1）位置環(huán)：采集電機旋轉編碼器輸出的脈沖信號，鑒相、倍頻后進(jìn)行計算，提供坐標變換所需的轉子位置信息；

　　2）速度環(huán)：比較實(shí)際轉速n與設定轉速nref所得差值經(jīng)PI調節后作為q軸電流參考值iqr再經(jīng)電流環(huán)調節后；

　　3）電流環(huán)：比較電流實(shí)際值id、iq與參考值idr、iqr,經(jīng)PI調節后產(chǎn)生d、g軸電壓參考值udr、uqr,將其轉換至靜止坐標系中得uαr、uβr按SVPWM方式生成逆變器觸發(fā)信號，驅動(dòng)電機。

　　2 系統硬件結構

　　永磁同步電動(dòng)機推進(jìn)系統的硬件結構如圖2所示，它主要提供以下3大功能：電動(dòng)機控制策略的實(shí)現、控制量的檢測采樣以及功率驅動(dòng)。

　　2.1 TMS320LF2407A DSP

　　整個(gè)系統控制策略的實(shí)現由TMS320LF2407A DSP完成，它具有低功耗和高速度的特點(diǎn)，其單指令周期最短可達25 ns片內兩個(gè)事件管理器（EVA和EVB）各有2個(gè)通用定時(shí)器，1個(gè)外部硬件中斷引腳，3個(gè)捕獲單元（CAP）和1個(gè)正交編碼單元（QEP）這些功能與串行外設接口（SPI）等模塊一起，這就方便了電機控制過(guò)程中的數據處理、策略執行及決策輸出等。

　　2.2 控制量檢測部分

　　電機機械量的采集由增量式光電編碼器來(lái)完成，其輸出包括兩組脈沖信號：A、B、Z和U、V、W,它們與DSP的連接如圖3所示其中A、B信號正交，正交編碼單元將它們四倍頻后送入相應的計數器進(jìn)行計數，計數方向由A、B信號的相位先后決定Z信號隨轉子每轉一周輸出一個(gè)脈沖，根據它們的不同狀態(tài)，可將360°電角度平面分成6個(gè)部分，用以確定電機的初始轉子位置角。

　　電機電流狀態(tài)量的采集由霍爾電流傳感器完成，其采樣電路如圖3所示，輸入輸出關(guān)系為：

　　為了保證電流較小時(shí)的采樣精度，改善電機低速、輕載下的運行情況，這里采用12 b雙A/D轉換器ADS7862來(lái)代替DSP內部10 b的模/數轉換模塊，通過(guò)DSP的外部存儲器擴展接口，將式（3）的模擬電流量轉換為數字量結果，輸入DSP。

　　2.3 功率驅動(dòng)部分

　　永磁同步電機的功率驅動(dòng)為交-直-交PWM方式，其中整流部分采用單相橋式不控整流，逆變部分采用智能功率模塊PS21869,它內部集成了6個(gè)絕緣柵雙極型晶體管及其驅動(dòng)、保護電路，由DSP的PWMl~6引腳提供觸發(fā)信號，能夠在過(guò)流或欠壓故障發(fā)生時(shí)，關(guān)閉IGBT驅動(dòng)電路，同時(shí)在相應故障引腳輸出故障信號至DSP的PDPINTA引腳，通過(guò)硬件中斷，封鎖PWM脈沖輸出。

　　3 系統軟件設計

　　永磁電機推進(jìn)系統的軟件主要由3部分組成：初始化程序、主程序和中斷服務(wù)子程序系統復位時(shí)，先執行初始化程序，檢測、設定DSP內部各模塊的工作模式和初始狀態(tài)主程序負責收集電機電流、轉速等一系列實(shí)時(shí)運行信息；定時(shí)中斷子程序則是實(shí)現電機矢量控制策略的核心程序，主要完成PI調節和SVPWM波形發(fā)生這兩大功能，其流程圖如圖4所示。