基于DSP及IPM的永磁同步电机直接转矩控制系统概要.docx

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基于DSP及IPM的永磁同步电机直接转矩控制系统概要

伺服控制・SERVOTECHNIQUE基于DSP及IPM的永磁同步电机

直接转矩控制系统

收稿日期:

2004-07-29

肖礼飞,郑黎明

（广东汕头大学能源研究所,汕头,515063

摘　要:

在分析永磁同步电机（PMSM直接转矩控制理论的基础上,介绍了一种基于DSP及智能功率模快（IPM的直接转矩控制系统实现方案,详述了该方案的硬件结构和软件设计。

系统采用TMS320LF2407构成核心控制电路,以智能功率模块PM30CSJ060构成逆变主电路。

实验运行表明,方案合理,结构通用紧凑。

关键词:

永磁同步电机;DSP;智能功率模块;直接转矩控制

中图分类号:

TM351　　　文献标识码:

A　　　文章编号:

1001-6848（200503-0061-04

DirectTorqueControlSystemofPMSMBasedonDSPandIPM

XIAOLi-fei,ZHENGLi-ming

（GuangdongShantouUniversity,Shantou515063,China

Abstract:

ThispaperanalyzedtheDirectTorqueControl（DTCtheoryofPMSM.ADTCsystemofPMSMbasedonDSPandintellectualpowermodule（IPMisproposed,thehardwarestructureofthesystemofthesystemandthesoftwaredesignmethodareintroducedindetail.thekeycontrolpartofsystemisconsistedofTIDSPTMS320LF2407,andmainpowerpartismadeupofIPMPM30CSJ060.Experimentindicatesthatschemeisrationalandthesystematicstructureisuniversalandcompact.

Keywords:

PMSM;DSP;IPM;DTC;

0　引　言

直接转矩控制技术成为继矢量控制技术之后又一种交流电机高性能控制技术。

直接转矩控制理论以其新颖简单的控制思想,简洁明了的系统结构,优良的动、静态性能得到了关注和迅速发展。

近年来,一些学者致力于该控制方式在同步电机上的拓展。

初步实现了永磁同步电机直接转矩控制[1]。

这些工作使直接转矩控制理论得到的进一步完善。

随着微电子技术和功率电子技术的飞速发展,交流伺服系统中采用数字信号处理器[2]（DSP及智能功模块[3]（IPM等新颖器件,使控制系统向数字化、智能化、小型化方向发展。

文中给出了一种基于DSP及智能功率模块（IPM的永磁同步电机直接转矩控制系统实现方案。

实验表明,该系统结构简单紧凑,电路原理可靠,具有优良的动、静态调速性能。

1　PMSM直接转矩控制理论

永磁同步电机直接转矩控制技术借鉴于异步电机DTC的控制思想[1],但又有自身的理论基础和实现方法。

由永磁同步电机数学模型中的转矩方程式可知,当定子磁链保持恒定时,电机的转矩因为转矩角的变化而变化,由于电机机械时间常数大于电磁时间常数,亦即定子磁链的旋转速度比转子旋转速度容易改变,因而转矩角的改变可通过改变定子磁链的旋转速度和方向得以实现。

因此,永磁同步电机直接转矩控制理论基础为:

保持定子磁链幅值不变的情况下,控制定、转子磁链之间夹角即可控制电机转矩,快速改变转矩角可以获得快速的转矩响应。

图1所示为永磁同步电机直接转矩控制系统原理框图。

整个系统由磁闭环和转速转矩闭环两个控制环组成。

其工作原理为:

控制系统根据电机三相电流和电压值,利用磁链模型和转矩模型分别实时计算电机的磁链和转矩及定子磁链所在扇区,而后将给定转矩（由速度误差经PI整定调节输出和给定磁链分别与它们实时计算值进行滞环比较,根据比较状态选择逆变器的开关矢量,使电机能按控制要求调节输出转矩,最终达到调速目的。

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图1　永磁同步电机直接转矩控制系统原理框图

2　系统硬件结构

PMSM直接转矩控制系统主结构如图2所示。

系统由基于DSP的运算控制单元、基于三菱IPM的主回路功率变换单元和基于Hall效应传感器和光电码盘的反馈信号检测单元组成

。

图2　系统硬件电路结构

2.1　DSP（TMS320LF2407运算控制单元[2]

该芯片作为DSP控制器24X系统的新成员,是电机数字化控制的升级产品。

该款DSP芯片还集成了许多模块化外设:

1　片内有高达32kB的FLASH程序储器,高达1.5kB的数据程序RAM,544字双口RAM（DARAM和2kB的单口RAM（SARAM

2　两个事件管理器EVA和EVB模块,它们

均包括两个16位通用定时器、8个16位的脉宽调制（PWM通道,支持三相反相控制器;PWM的对称和非对称波形;当外部引脚PDPINTx出现低电平时快速关闭PWM通道;可编程的PWM死区控制以防止上下桥臂同时触发脉冲;三个捕获单元;片内光电编码器接口电路;16通道AD转换器。

该模块在本系统中提任着重要的控制角色。

3　片内集成的串行通讯接口（SCI及串行外设接口（SPI可用于与上位机、外设及多处理器之间的通讯。

2.2　IPM（PM30CSJ060功率变换单元[3]

智能功率模块IPM（IntelligentPowerModules与普通的IGBT模块相比,是一种将功率开关器件及其驱动电路、保护电路、测控电路、甚至与微机的接口电路集成在同一封装内的集成模块

。

图3　变频器主电路

系统主电路采用交-直-交电压源变频变压电路,如图3所示。

基于直接转矩控制快速动态响应的特点,本系统采用三菱公司的高速智能功率模块[3]。

PM30CSJ060属于第三代高频IPM产品,额定电压为600V,额定电流30A,适用功率为2.2kW。

该芯片采用绝缘基板工艺,内部集成了6个IGBT及优化后的栅极驱动和故障监测保护电路,诸如:

过电流（OC、短路（SC、过热（OH和欠压保护（UV等。

功率变换单元值得注意的两点:

1　系统要求IPM的PWM信号驱动通道和保护信号输出通道必须采用高速光耦隔离,4路FAULT信号再通过或非门输出到DSP控制板的PDPINTx引脚,以确保当存在任何一路FAULT输

出时能封锁PWM的输出。

（本系统选用HCPL4504高速光耦,而保护信号选用PC817高速光耦,或门采用CD4078

2　PM30CSJ060需要独立隔离的+15V电源

驱动。

本系统采用三菱公司的电源模块M57140-01,输入+20V直流稳压电源,即可得到4组隔离的+15V电源,电路结构简单紧凑。

2.3　反馈信号检测单元

1　系统速度实时检测采用精度为1024ppr光

电码盘来检测转子位置,码盘输出的两路正交脉冲信号直接连接到TMS320LF2407的正交编码脉冲

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输入单元（QEP,QEP对脉冲前后沿计数,进行倍频后,由定时计数器T3CNT对脉冲进行计数,并由M法计算得到当前时刻的转子角速度。

2　由于系统DTC算法需要准确的初始转子位置信息,所以系统需要绝对式码盘信号进行定位。

所幸的是本系统永磁同步电机内部集成了光电码盘并带有UVW绝对信号输出,提供了转子初始位置定位信号。

以便提供给算法中需要的定子初始磁链的计算。

3　系统中永磁同步电机采用星形无中线接法,只需要采用霍尔电流互感器来测量主电路的两相电流,通过匹配转换（放大滤波限幅等电路产生在0V-5V之间的两个电压信号送入ADC。

所以系统采用两路电流传感器检测相电流,并采用一路电压传感器检测直流母线电压。

3　系统软件实现

PMSM直接转矩控制系统软件由DSP的主程序及DSP伺服中断控制程序两部分组成。

伺服中断控制程序由4个部分组成:

PWM中断服务子程序;光电编码器零脉冲捕获中断程序;功率驱动保护中断程序;通讯中断程序。

在主程序中完成DSP系统以及外设部件的初始化、IO控制信号管理、节电模式管理、故障检测及处理等。

在PWM定时中断程序中实现电流环采样及控制、磁链及转矩估算、转矩滞环比较、磁链滞环比较、开关电压矢量计算及选择、PWM信号生成;通讯中断程序主要实现接收并刷新伺服控制参数、设置伺服运行模式;光电编码器零脉冲捕获中断程序实现对编码器反馈零脉冲精确地捕获,得到交流永磁同步电机初始位置角及实时速度计算值。

功率驱动保护中断程序则检测智能功率模块的故障输出,当出现故障时,DSP的PWM通道将封锁,强制输出变成高阻态。

3.1　DTC算法的软件实现

DTC控制算法主要有以下几个部分:

定子相电压、相电流的坐标变换,磁链观测,滞环控制,定子磁链分区的实现和电压矢量的选择。

这些部分的实现由PWM中断服务子程序实现（图4。

实现控制IPM开关的PWM信号以空间电压矢量作为输入,以直流母线电压为参数,来给出3组互补的PWM信号输出。

假设定子磁链按逆时针方向旋转,图5给出了为8个基本电压空间矢量及定子磁链区间分配。

图6

给出了定子磁链区间判断流

图4　PWM中断服务子程序

程程序框图。

其中ΥD、ΥQ表示定子磁链变换到静止坐标中的分量值

。

图5

　基本电压矢量及定子磁链分区图

图6　定子磁链区间判断程序框图

系统通过采样计算值和给定值比较,判断定子磁链幅值的变化情况。

输出“1”表示需要增加定子磁链幅值,输出“0”时则表示需要减小定子磁链。

转矩控制的工作原理也是如此。

根据磁链比较状态、转矩比较状态和定子磁链所在区间从表2中选择基本电压矢量。

永磁同步电机零矢量对转矩的贡献不大[1],本系统不采用零电压矢量。

系统中转速PI调节器的输入量为给定转速与采样转速的偏差信号,输出量为转矩给定值。

由于直接转矩控制算法中负载角需要有限制,而这种限制可以通过对给定转矩限制实

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现,所以PI调节器得到的给定转矩信号需要限幅。

如果转速偏差信号保持时间过长,由于PI调节中积分的作用,将会引起积分器的过饱和,使系统出现大的超调和震荡,采用分段离散PI的方法克服以上问题。

在偏差进入比较小的范围内,再引入积分项。

其表达式如下:

表1　电压空间矢量表

磁链比较状态Υ转矩

比较

状态

Σ

磁链所在扇区

Η1Η2Η3Η4Η5Η6

11V2V3V4V5V6V1

01V3V4V5V6V1V2

00V5V6V1V2V3V4

10V6V1V2V3V4V53.2　转速PI调节器软件设计

u（k=KPe（k　　　　e（nΕemax

u（k=KP[e（k-e（k-1]+Kie（k+u（k-1

e（n

emax为引入积分项的给定偏差临界值。

文献[2]给出了基于DSP的PI离散实现算法;程序的入口参数为:

速度参考值Vref,速度采样测量值Vfbk;程序出口参数为:

t=KT时的控制量u（k作为给定转矩送给下一级转矩滞环比较。

4　实验及结论

系统实验中三相永磁同步电机参数为:

额定功率:

0.6-2kW;频率:

10Hz-50Hz;额定电压:

76V-380V;额定电流:

6.2A

文中永磁同步电机直接转矩控制系统选用智能功率模块IPM和DSP控制器,充分利用DSP高速运算能力和丰富的片内外设资源,结合IPM简单紧凑的逆变主电路,保证了伺服控制的实时性,有效的简化了硬件设计,提高了系统的可靠性,使系统结构更加简洁紧凑。

实验表明,该系统运行可靠,控制平稳,将用于我们实验室风轮模拟实验。

参考文献

[1]　田淳,胡育文.永磁同步电机直接转矩控制系统理论及

控制方案的研究[J].电工技术学报,2002,17（1:

7-

11

[2]　刘和平等编著.TMS320LF240XDSP结构原理及应用

[M].北京航空航天大学出版社,2002

[3]　MITSUBISHISEMICONDUCTORSPOWER

MODULESMOS

UsingINTELLIGENT

POWERMODULES

[4]　徐艳平.基于DSP的永磁同步电机直接转矩控制的研

究[D].西安理工大学,2002

[5]　李叶松等.交流永磁同步电机全数字伺服控制器设计

[J].微电机,2003,36（6:

25-27

[6]　张兴华.基于DSP和IPM的感应电机直接矢量控制

系统[J].电力电子技术,2003,37（5:

44-46

作者简介:

肖礼飞（1980-,男,广东汕头大学机电系硕

士研究生,研究方向为机电控制。

（上接第83页

图3　位置传感器信号

加更多功能,以增强IO易用性和安全接入,dsPIC

必将在高性能数字信号控制器市场占据重要一席之

地。

随着多种dsPIC产品系列的不断迅速开发,以

及愈加完善的开发工具、应用系统库,现场应用工程

技术和综合技术等,dsPIC一定会得到广大用户的

青睐。

参考文献

[1]　dsPIC30F2010DataSheet[M].MicrochipTechnology

Inc.2004

[2]　张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京:

机械工

业出版社,2001

[3]　MC33039NCV33039,ClosedLoopBrushlessMotor

Adapter[M].SemiconductorComponentsIndustries,

LLC,2002

作者简介:

陈继红（1979-,女,陕西省人,硕士研究生,

工作方向为研究模式识别与智能系统。

楼顺天（1962-,男,浙江省东阳市人,教授,研究模式

识别与智能系统等。

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