節能型循環(huán)泵控制器

　　摘要

　　為了制造出更加節能高效、調控性能良好的空調、水泵等變頻電器，設計者不斷的提高電機控制技術(shù)。永磁同步電機( permanent magnet synchronous motor, PMSM)具有體積小、效率高、控制精度高、調速范圍寬等特點(diǎn)，已成為變頻控制領(lǐng)域的主流電機之一。為了實(shí)現高性能的轉速控制，PMSM 控制系統一般安裝有機械式速度/位置傳感器。但是機械式速度/位置傳感器的使用不僅增加了系統的成本，也使得 PMSM 體積變大。同時(shí)，復雜、惡劣的工作環(huán)境大大降低了速度/位置傳感器的可靠性。因此，為了降低系統成本，提高系統的可靠性等的要求，無(wú)速度/位置傳感器(一般簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)傳感器, sensorless)控制技術(shù)成為了當前的技術(shù)熱點(diǎn)。

　　基于無(wú)傳感器技術(shù)的永磁同步電機 PMSM 矢量控制調速系統結構簡(jiǎn)單、易維護、體積小、成本低，能應用于一些特殊場(chǎng)合，因此成為了當前的研究熱點(diǎn)之一。無(wú)傳感器控制的核心是轉子位置和轉速估計，估計的精度和穩定性決定了系統控制性能的優(yōu)劣?；诨Ｓ^(guān)測器(slide mode observer, SMO)的位置估計方法結構簡(jiǎn)單、易于實(shí)現，從而得到了廣泛的應用。

　　1986 年召開(kāi)的第 25 屆決策和控制會(huì )議上，麻省理工學(xué)院的 J.J.Slotine 教授提出使用SMO 實(shí)現非線(xiàn)性估計問(wèn)題，奠定了滑模觀(guān)測器應用與轉子位置估計的基礎。SMO 是利用滑模變結構控制系統對參數擾動(dòng)魯棒性強的特點(diǎn)，將狀態(tài)觀(guān)測器中的控制回路用滑模變結構代替，從而達到良好的估計效果?；Ｗ兘Y構是為控制系統預先在狀態(tài)控制上設計一個(gè)特殊的開(kāi)關(guān)面，在系統變量從起始點(diǎn)運動(dòng)到開(kāi)關(guān)面之前，系統的控制結構維持一種形式;當系統變量達到開(kāi)關(guān)面之后，開(kāi)始自適應的調整率控制，最終使系統狀態(tài)沿著(zhù)開(kāi)關(guān)面一直滑動(dòng)到平衡點(diǎn)，此時(shí)系統的控制結構又維持另一種形式?；Ｗ兘Y構對參數變化及擾動(dòng)有良好的魯棒性，且結構簡(jiǎn)單、響應速度快，因此在 PMSM 位置估計中得到了廣泛的應用。

　　本文基于滑模觀(guān)測器在無(wú)位置傳感器電機控制系統中的應用展開(kāi)討論，并給出無(wú)傳感器系統相應的軟硬件實(shí)現。

　　1、節能型循環(huán)泵控制器硬件系統

　　某隔離電源系統完成 DC/DC 的轉換，采用全橋拓撲，輸出電壓為 12V。其中，全橋的原邊側驅動(dòng)器就采用了UCC27201，共計兩顆。

　　圖1-1 節能型循環(huán)泵控制器硬件系統

　　節能型循環(huán)泵控制器包括主電路模塊、控制電路模塊和人機交互模塊。

　　主電路模塊包括 EMC 濾波器、整流橋、集成功率器件和驅動(dòng)的 IPM模塊。230Vac 市電經(jīng)過(guò)EMC 濾波器、整流橋整流后變?yōu)楦邏褐绷麟?，三相全橋逆變電路將高壓直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟妼?shí)現對電機的控制。

　　控制電路模塊包括微控制器 F28027 的最小控制系統、兩路的定子電流檢測及調理電路、直流母線(xiàn)電壓檢測電路、過(guò)流保護電路、電源管理模塊。

　　人機交互模塊通過(guò) SPI 通信和普通 I/O 口與 MCU 進(jìn)行通信，可以實(shí)時(shí)顯示電機的轉速和電機功率等參數，也可以通過(guò)按鍵設置電機的轉速給定值和輸出功率的的最大值。

　　1.1 主控芯片

　　節能型循環(huán)泵控制器控制系統的核心采用 Piccolo F2802x 系列微控制器 F28027 ，其內核為高效 32 位中央處理單元 (CPU) (TMS320C28x)，工作頻率高達 60MHz，具有多達 22 個(gè)具有輸入濾波功能可單獨編程的多路復用 GPIO 引腳和三個(gè) 32 位 CPU 定時(shí)器，片上集成 32K 字節的FLASH，16K 字節的 SRAM，1K 字節的 BOOT ROM和片上代碼保護模塊，分別用來(lái)存儲用戶(hù)編制的程序、數據、并實(shí)現系統的不同方式引導。自帶增強型的捕獲單元(eCAP)、6 路增強型PWM 產(chǎn)生單元(ePWM)，12 位 16 通道的快速 ADC 單元以及其他一些通訊模塊如 SCI、SPI等，非常適合于電機控制。

　　F28027 芯片電路如圖 1-2 所示：

　　圖1-2 節能型循環(huán)泵控制器控制系統的核心F28027

　　1.2 定子電流檢測及調理電路

　　定子電流采樣電路將運行中的電流信號轉化為電壓信號，經(jīng)過(guò)加法和放大電路，RC 濾波后送到 F28027 的 A/D 轉換通道。電路將峰值-0.6A~+0.6A 的電流信號調理為 0~3.3V 的電壓信號，其中 0A 對應 1.65V，-0.6A 對應 0V，+0.6A 對應 3.3V。因為三相定子電流之和為 0，所以只需要測量?jì)上喽ㄗ与娏?，另外一相可通過(guò)計算得到。定子電流信號的采樣由精密電阻來(lái)實(shí)現。圖 1-3 為其中一相的電流采樣及調理電路。

　　圖1-3 定子電流檢測及調理電路