关键字 |
| 磁场定向控制(FOC)，直接转矩控制(DTC)，永磁同步电机(PMSM)，数字信号处理器(DSP)，空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)，代码编写器工作室(CCS)，正交编码器脉冲(QEP) |
介绍 |
| 直流电动机已经成为高性能系统中使用最广泛的选择。它们受欢迎的主要原因是由于能够轻松和独立地控制它们的扭矩和通量。但它需要经常维护，并最终更换电刷和换向器，同时输入电压也有有效的下降。交流电机相对于直流电动机的主要优点是它们不需要电机的固定部分和旋转部分之间的电气连接。因此，它们不需要任何机械换向器和电刷，导致它们是免维护的电机。它们还具有比直流电动机更高的效率和高过载能力。 |
| 永磁同步电机广泛应用于计算机外围设备、机器人、可调速驱动器和电动汽车等中低功率应用。在过去几年中，受控电气驱动领域经历了快速扩张，这主要是由于半导体在功率和信号电子方面的优势，并在微电子微处理器和dsp方面达到了顶峰。这些技术的改进使得开发真正有效的交流驱动控制成为可能，具有更低的功耗硬件和更精确的控制结构。电驱动控制变得更加精确，不仅是直流电流和电压控制，而且三相电流和电压由所谓的矢量控制管理。 |
| 本文提出，面向场控制是最有效的矢量控制方案。它基于三个主要要点:机器电流和电压空间矢量，将三相速度和时间相关系统转换为两个坐标时不变系统和有效的脉宽调制模式生成。因此，交流电机的控制获得了直流电机控制的所有优点，并摆脱了机械换向的缺点。此外，通过实现非常精确的稳态和瞬态控制，这种控制结构在响应时间和功率转换方面具有很高的动态性能。 |
文献调查 |
| 本论文的研究初衷是研究永磁同步电机传感FOC的优点和缺点。这包括学习无刷电机操作的基础知识，驱动器部分和控制算法。其他重要的主题被发现是Clarke和Park变换，空间矢量PWM，必须对传统同步电机理论进行修改，以描述PMSM和三相逆变器控制技术。 |
| 为了实现控制算法，需要高性能的数字信号处理器。因此，研究选择合适的dsp进行实时应用。厂商的各种应用说明说明了该算法如何实现。理解CCS对于软件开发是非常重要的。 |
系统模型 |
| PMSM没有与直流电动机相同的关键特性。在永磁同步电动机中，只有一个源可被控制，这就是定子电流。在永磁同步电动机上，转子励磁是由安装在轴上的永磁体提供的，唯一的功率和磁场来源是定子相电压。显然，与直流电动机相反，磁通和转矩是相互依赖的。 |
| 同步电机上的FOC的目标是分别控制转矩产生和磁化磁通组件。该控制技术模仿直流motorâ ' Â的操作，使我们能够解耦定子电流的转矩和磁化磁通分量。通过对磁化强度的解耦控制，定子磁链的转矩产生部分现在可以看作是独立的转矩控制。 |
| 为了实现转矩和磁通的解耦，需要进行多次数学变换，同时也需要高计算能力的微控制器。这些微控制器的处理能力使这些数学转换能够以极快的速度进行。这反过来意味着控制电机的整个算法可以快速执行，从而实现更高的动态性能。除解耦外，还利用电机的动力学模型计算了转子磁链角和转子转速等许多量。这意味着它们的影响被考虑在内，控制的整体质量更好。 |
| 根据电磁定律，同步电机产生的转矩等于两个现有磁场的矢量叉乘: |
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| 这个表达式表明，当定子和转子磁场正交时，转矩最大。如果能通过正确的磁链定位始终保证这一条件，则可以减小转矩脉动，获得较好的动态响应。但是，要知道转子位置的正交编码器是如何利用的。 |
| 目的是保持转子和定子磁链在正交:即。定子磁链应沿转子磁链的“q axisÃⅱÂ′Â′方向对齐，即与转子磁链正交。为此，控制定子电流分量与转子磁链正交以产生命令转矩，并将直接分量设为零。 |
技术背景 |
| FOC由控制用矢量表示的定子电流组成。FOC是基于投影，它将一个3相时间和速度相关的系统转换为一个两坐标(d和q坐标)时不变系统。这些投影导致了一个类似于直流电机控制的结构。FOC机器需要两个常数:扭矩分量(与q坐标对齐)和通量分量(与d坐标对齐)作为输入参考。由于FOC是基于投影的，控制结构处理瞬时电量。这使得控制在稳态和瞬态工作工况下都是精确的，并且不依赖于有限带宽的数学模型。因此，FOC通过以下方式解决了经典方案问题: |
| ï ·易于达到恒定参考(定子电流的转矩分量和磁通分量) |
| ï ·易于应用DTC，因为在(d, q)参考系中扭矩的表达式为: |
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| 通过将转子磁链振幅(ψR)保持在一个固定值上，我们得到了转矩与转矩分量(sq I)之间的线性关系。我们可以通过控制定子电流矢量的转矩分量来控制转矩。转子磁链位置的知识是FOC的核心。如果这个变量有误差，则转子磁链没有与d轴对齐，isd和isq是定子电流的磁链和转矩分量不正确。相量图(图1)显示了(a, b, c)， (α， β)和(d, q)参考系以及转子磁链的正确位置，定子电流和定子电压空间矢量以同步速度与(d, q)参考系旋转。 |
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| 在永磁同步电动机中，转子速度等于转子磁链速度。然后由编码器直接测量“θÃ①Â′Â′(转子磁链位置)”。因此，磁场定向控制的永磁同步电机驱动器允许电机转矩控制独立与磁通直流电机的运作。也就是说，扭矩和磁通是相互解耦的。从静止参考系到同步旋转参考系的变量转换需要转子位置。由于这种转换(所谓的Park转换)，q轴电流将控制转矩，而d轴电流被迫为零。因此，该系统的关键模块是来自QEP编码器的转子位置信息。本工程总体框图如图2所示。 |
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系统实现 |
| 由于FOC算法需要对转子位置进行瞬时反馈，控制算法采用高运算能力的DSP处理器。逆变器采用三相PWM驱动卡实现。该系统采用“CÃⅱÂ′Â′”实时控制框架对永磁同步电机的传感器磁场定向控制进行控制。“CâÂ′Â′”框架设计用于运行在基于DSP的控制器上，并基于代码编写Studio v.5.2进行实时调试。 |
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| 硬件实现采用台达精密电机(DPM)的PMSM电机。所用的永磁同步电机为8极三相电机，额定电压为24V。表一提供了(DPM) -型号:42BL61的规格。 |
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结果和讨论 |
| 图4表示项目pm_sensor .c处于调试模式时的屏幕截图。可以看到各种窗口，如表达式窗口，调试窗口，观察窗口，图形窗口，控制台窗口等。 |
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| 图5至图7为驱动板上的各种DAC输出。这些PWM dac由PWM信号的低通滤波产生，以观察示波器上的系统变量，从而易于调试控制算法。波形采集采用数字荧光粉示波器(DPO)。 |
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| 如所提议的框图所示。2、测得的两个电机相电流，分别馈送到克拉克变换模块中，由三相坐标系转换为两轴正交坐标系，称为(α， β)。这个变换的输出是isα和isβ，一个二坐标时变系统。图6:DAC2 -描述了克拉克变换块正常工作。 |
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| 来自Clarke模块的电流的两个分量是Park转换模块的输入，Park模块的输出给出了isd和isq中的电流，这是一个二坐标时不变系统。图7:DAC3 -描述了Park转换块正常工作。 |
| 图8至图9为3.3V量级控制卡和24V量级驱动板的PWM输出。 |
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结论 |
| 提出了FOC的硬件实现，并在Code Composer Studio V .5.2上使用数字信号处理器实现，并在24v永磁同步电机上进行实时调试。在高达4000 rpm的大范围转速下，获得了预期的结果。FOC算法通过处理电机的动态模型，在较宽的转速范围内保持效率，并考虑了转矩随瞬态相位的变化。 |
| Speed响应的性能主要依赖于; |
| •QEP编码器和高性能DSP处理器提供精确的转子位置角度 |
| 正确调优PI控制器 |
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参考文献 |
- E. Prasad, B. Suresh, K.Raghuveer(2012)“基于SVPWM技术的永磁同步电机磁场定向控制”，《全球先进工程技术杂志》，vol . 1, Issue2-2012, pp 39-45。
- F. Heydari, A. Sheikholeslami, K. G. Firouzjah, S. Lesan(2009)，“空间矢量调制永磁同步电机的预测磁场定向控制”，高等教育出版社和Springer-Verlag 2009。
- Atmel AVR1636:“使用XMEGA的可配置PMSM无传感器面向场控制”-应用说明，42061A-AVR-01/2013。
- 黄毅，李春泉，“基于SVPWM控制的无刷直流电动机模型与系统仿真”。发表于第二届电子机械工程与信息技术国际会议(EMEIT-2012);pp 1765-1768, 2012年9月。
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