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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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基于DSP的永磁同步电机磁场定向控制

Yadu Kiran1, p.s. puttaswamy2博士
  1. 印度曼迪亚体育工程学院电气与电子工程系学士学位学者
  2. 印度曼迪亚市体育工程学院电气与电子工程系教授
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

本文研究了采用正弦脉宽调制的永磁同步电机矢量控制。这些电机由于效率高、动态响应快、体积小等优点，在工业应用中越来越受欢迎。直到最近，这些电机的高性能控制算法的编程和实现成本一直令人望而却步。然而，硬件制造商如Microchip, Freescale, IRetc已经取得了很大的进步，以促进这些算法在他们的处理器架构中。这大大降低了开发成本，并为PMSM开辟了全新的途径。介绍了一种利用DSP实现电机磁场定向控制(FOC)的驱动系统。讨论了永磁同步电动机的数学模型，并给出了整个传动系统的Simulink模型。在不同工况下进行了仿真运行，并与实际结果进行了比较。

关键字
永磁同步电机，脉宽调制(PWM)，磁场定向控制(FoC)， PI控制器，Simulink，数字信号处理器(DSP)

介绍
电力驱动在每个行业中都扮演着关键的角色。每个行业都有自己的具体要求和经营条件。驱动系统的设计者必须适当地选择电机和控制策略，以满足所有的要求，同时保持尽可能低的支出。传动系统可分为恒速传动和变速传动。传统上，在固定频率正弦电源上工作的交流电机用于恒速驱动器，而直流电机用于变速驱动器。然而，直流电动机中换向器和电刷的存在导致维护问题，由于火花引起的损失增加，电机惯性更高，通常成本更高。永磁同步电机(PMSM)可以用来克服传统直流电机的许多缺点，由于其固有的性质的建设。
图像
在其最简单的形式中，永磁同步电机由永磁体组成，作为转子，而不是传统的转子绕组。转子周围有三个等间距的定子绕组，如图1所示。每个绕组中的电流流产生一个磁场矢量，该矢量加起来形成一个合成磁场。电机中的转矩是由净定子磁场和永磁体(即转子)产生的磁场之间的吸引或斥力产生的。通过控制三个绕组中的电流流动，定子可以产生任意方向和大小的磁场，从而控制产生的转矩。
传统的有刷电机是通过与换向器接触的电刷进行机械换向的，当电机移动时，电刷切换电流。雷竞技网页版然而，无刷电机缺乏任何形式的电刷和换向器。取而代之的是使用电力电子开关电路进行换向。因此，这些类型的电机能够提供比传统的有刷电机[2]的众多优势。它们是:
•无刷结构不会产生任何火花，消除了刷维护的需要。
•由于没有现场绕组，没有现场铜损失，从而提高了效率。
•它们能够在整个操作过程中保持恒定的速度。
•永磁电机比同等容量的感应电机体积小。
•与感应电机相比，由于没有转子笼，具有较低的转子惯性。这允许更快的响应。
这些永磁电机的唯一缺点是控制电机电流所需的算法和电子设备有些复杂。

永磁同步电机和无刷直流电动机的比较
主要有两种主要类型的无刷电机，即-无刷直流电动机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)。它们都有相同的基本结构，由转子上的永磁体和定子上的绕组组成。然而，一个主要的区别是定子中的线圈均匀地缠绕在无刷直流电机中，而在永磁同步电动机中，它们以对称的方式缠绕。结果，在无刷直流电动机中产生的反电动势本质上是梯形的，如图2所示，而在永磁同步电动机中本质上是正弦的。因此，永磁同步电机效率更高，产生的噪音和转矩波动更小。然而，永磁同步电机的固有优势确实需要更复杂的控制算法。
图像

控制策略的目标
对于转子的任何位置，定子净磁场都存在使产生的转矩[1]最大的最优方向。如果净定子磁场和转子磁场方向一致，则不会产生转矩。这是因为场的相互作用产生的力与转子的旋转轴一致，只导致电机轴承的压缩，而不是旋转。如果定子磁场垂直于转子磁场，则产生最大转矩。
任何定子磁场都可以表示为两个矢量分量的合力，一个是负责产生扭矩的正交分量(正交分量)，另一个是产生不必要的热量和压缩力的平行分量(直接分量)。因此，理想的驱动器应力求使平行分量最小化，同时使正交分量最大化。
定子磁场是由电流流过三个等距的绕组产生的，这三个绕组的机械位置相距120度。因此，它们各自产生一个场向量分量，方向彼此为120度。永磁电机的数学模型是根据绕组电流而不是定子磁场，因为它们更容易测量。电流空间向量用于根据绕组电流来模拟定子磁场。给定线圈的电流空间矢量的大小与流过线圈的电流成正比，并与该线圈产生的磁场方向成正比。这使得我们可以用电流空间矢量表示总的定子磁场，电流空间矢量是线圈的三个电流空间矢量分量的矢量和。简单地说，合成的电流空间矢量是为了产生与通过真实定子绕组的三个真实电流的组合相同的定子磁场方向和大小而需要在单个虚拟绕组中流动的电流。
就像定子磁场一样，电流空间矢量也可以分解为正交轴分量和直轴分量。正交(正交)电流分量产生一个与转子磁体成直角的场，因此产生转矩，而平行(直流)电流分量产生一个与转子磁体对齐的场，并且不产生转矩。因此，控制算法的目标是减少直流分量，从而使损耗最小化。当前空间矢量如图3所示，其中三个线圈被命名为A、b和C。
为了产生恒定的平滑转矩，理想情况下定子电流空间矢量的大小应该是恒定的，并且应该与转子一起转动，以便始终在正交方向上，与转子角度和速度无关。为了实现这一目标，各种控制算法已经被试验和开发，并取得了不同程度的成功。
图像

场向控制
无刷电机最普遍的控制策略是梯形控制，正弦控制和磁场定向控制，每一个都有自己的优点和缺点。梯形控制是相对简单，提供平稳运行在高速，但造成转矩波纹在低速。正弦控制消除了转矩脉动，并在低速时提供了有效的操作，但PI控制器的局限性使其不适合高速应用。现场导向控制(FOC)结合了前两种方法的优点，在低速和高速下都能提供平稳高效的操作和快速的动态响应。由于这个原因，我们选择在我们的驱动系统中实现FOC。
面向场控制算法与正弦控制算法有许多共同之处。然而，一些根本的不同之处使得它在高速下能获得更好的效率。正弦控制的主要缺点是由于这种控制方案试图控制电机电流的大小和方向随时间变化。随着速度和频率的增加，PI控制器由于带宽有限而无法处理操作。这个问题可以通过在两轴d-q参照系中表示和控制当前空间向量来克服。
该控制方案围绕Clarke和Park变换及其逆变换展开。通过应用这些变换，我们可以将定子的3Φ电流转换到转子的旋转框架中。
利用Clarke变换，将三相量从三相参考系转换为两轴正交平稳参考系。然而，当转子参考系不断旋转时，这些量仍然在静止的参考系中。Park的变换将这些量转换成由直轴和正交轴组成的正交参考系。这三个参考系如图4所示。
图像
组合的Clarke和Park变换可以写成矩阵形式:
图像
图像
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正如前面在第三节中提到的，直轴组件产生无用的扭矩，而交轴组件产生负责旋转的扭矩。在理想情况下，d-q坐标系中的当前空间矢量相对于转子的大小和方向(正交)是固定的，而不考虑旋转。由于d-q参照系中的当前空间向量是静态的，PI控制器现在必须对直流量而不是正弦信号进行操作，从而大大简化了控制结构。这使控制器不受时变绕组电流和电压的影响，从而消除了控制器频率响应和相移对电机转矩和速度的限制。标准FOC驱动器的框图如图5所示。
通过将PI控制器与时变电流和电压隔离，FOC算法能够提供许多优点，例如:
•高效
•在低速和高速下平稳运行，速度范围广
•将复杂耦合的交流模型转换为简单的线性系统
•动态响应快，瞬态和稳态性能好
唯一阻碍采用FOC的限制是需要处理的转换需要大量的计算能力，并且难以实现。这些天，微处理器和dsp与向量控制功能实现到体系结构本身在市场上很容易得到。由于有效的控制策略提供高效率和满足众多要求，这导致了无刷电机的使用率激增。
有几种技术可以用于生成FOC逆变电路的门控脉冲(即脉宽调制脉冲)，最著名的是正弦PWM，空间矢量PWM和三次谐波注入PWM。软计算技术，如模糊逻辑，遗传算法，神经网络等也可以用于实现对精度要求极高的应用。

传动系统概述
为了在较宽的速度范围内提供良好的动态响应，开发了一种利用16位数字信号处理器(DSP)和IGBT模块实现正弦PWM (sPWM)[5]磁场定向控制的驱动系统。系统原理图如图6所示。
系统各功能单元如下:
•永磁同步电机(PMSM):驱动系统选用的电机是Motor Power公司生产的800W、2.55 Nm永磁同步电机(PMSM)。
图像
•IGBT电源模块:IGBT模块控制流向电机的功率。模块的3Φ输入首先通过桥式整流电路整流为直流链路电压，然后由作为逆变器的IGBT桥转换为可变交流电源。igbt由DSP处理从速度传感器接收的信号后产生的PWM脉冲触发。因此，可以通过改变触发脉冲的占空比来控制机器的电压供应。这种调节交流电源充当电动机的电源输入。IGBT功率电路如图7所示。
图像
•16位数字信号处理器(DSP):数字信号处理器(DSP)是一种专门的微处理器，其架构是专门为数字信号处理而设计的。虽然大多数通用微处理器可以执行DSP算法，但由于功率和空间的限制，它们并不适合大多数应用。专门的DSP可以提供更低成本的解决方案，具有更好的性能和更低的延迟。
•在我们的案例中，我们选择了德州仪器的TMS320LF2407A DSP。DSP核心与外部外设和存储器接口。然而，由于集成了事件管理器(EV)模块，DSP核心本身能够在不借助任何外部外围设备的情况下产生多达12个PWM脉冲。
DSP在该系统中的作用是作为PI控制器，为IGBT电路产生门控脉冲，以确保电机按预期运行。电机的转速和电流值反馈给DSP，用于闭环控制。对DSP进行编程，使其对3Φ量执行Clarke和Park变换，并确定所取PWM信号所需的占空比，以便在正交方向上对准电流矢量。控制算法流程图如图8所示。
传感器:正交编码器脉冲(QEP)传感器反馈用于推断电机的速度和位置信息。PMSM电机编码器部分每转产生2000个脉冲。通过监测这些脉冲，可以计算出速度和位置。使用电流传感器测量两个电机相电流。第三阶段是前两个阶段的负和。这些信息被DSP用来将信号转换成d、q旋转参考系产生相应的控制信号。
图像
PC: PC的功能是在用户和系统之间提供一个简单的接口。它构成了系统不同组件之间交互的基础。参考输入(即所需速度)通过PC输入，然后传输到DSP。它还用于监测电机的速度，在电机运行期间绘制实际速度与参考速度。采用Visual basic语言设计了PC机与DSP之间的接口和交互。
•3Φ自耦变压器:自耦变压器用于调节3Φ交流电源输入到IGBT模块。

永磁同步电动机的数学模型
永磁同步电机在转子(dq)参考系中的电气力学方程如下:
图像
将式(1)、式(2)中的项重新排列并积分，得到直轴电流和交轴电流的方程。
图像
力学方程可以写成
图像

仿真软件的实现
所描述的驱动系统在Simulink中建模，如图9所示。
图像
每个标记块的功能如下:
1)参考速度:所需的速度设置在rpm使用常数块。
2)永磁同步电机的电气和机械方程要求速度以弧度/秒的形式表示。用户设置的速度以rpm为单位，可以通过乘以2×π /16(即增益块)转换为弧度/秒
3) PI控制块:误差信号由参考速度与实际速度相减得到。PI控件使用Matlab的默认控件。P和I参数的取值如下:
图像
4)所需的Ia,b,c子系统:该子系统的输入是所需的直轴(Id)，正轴(Iq)电流，以及反馈的θ (θ)的实时值。如第三节所述，定子电流的直轴分量产生无用的压缩力。理想情况下，我们希望直轴分量为0。因此，我们将所需的Id值设置为常量0。
该子系统主要通过对直轴和交轴电流进行逆Clarke和Park变换(如第四节所述)来计算三相电流的所需值。在蒙版下面，是如下图所示的方块:
图像
5)正弦PWM块:该子系统为IGBT桥电路生成6种PWM波形。蒙版下面的方块如下所示:
图像
载波信号基本上是由一个重复序列产生的三角形波形，其配置如下:
时间值:[0 1/(4*fs) 3/(4*fs) 1/fs]
输出值:[0 -V +V 0]
式中fs =逆变器开关频率;
V= DC Link IGBT网桥电压
图像
6) IGBT桥电路:三臂6-IGBT逆变电路采用SimPowerSystems公司提供的通用桥实现。门控脉冲(PWM)由正弦PWM控制分系统提供。
图像
7)负载:在此模型中，负载被建模为阶跃信号，其值为扭矩(Nm)。该负载转矩用于主电机子系统计算其他量。
8) PMSM子系统:该子系统实现了第六节中详细介绍的PMSM的数学模型。除了逆变器模型中的Va、Vband Vc波形和负载转矩外，该子系统的掩码中还定义了其他几个参数。这些参数是与电机规格有关的常数。这样定义的参数是:
R =定子电阻(欧姆)(Ω)
Ld =亨利直轴电感(H)
Lh =亨利正交轴电感(H)
转子磁链常数(V/rad/s)
J =转动惯量(Kgm2)
B =摩擦恶性增益(Nm/rad/sec)
P =极点数
图像
该区块被进一步划分为不同的子系统，具体如下:
8.a) Vabc to vdq子系统:该子系统通过Clarke和Park变换，将3Φ电压量从三轴静止框架转换为直交轴旋转框架。
8.b) PMSM参数计算:该子系统进行所有的计算，以获得电机的实时参数，如:直轴电流，正轴电流，电磁转矩，速度和转子位置(θ)。它被进一步分组到其他三个子系统中，如图15所示。
图像
每个子系统本质上都是使用标准Simulink块实现第六节中详细介绍的电气和机械方程。
8.c)Idq到iabc子系统:从PMSM子系统获得的电流值在直交轴参考系中。为了反馈这些值，我们需要将其转换回3Φ参考系。这个子系统本质上与第4部分中Required Ia,b,c子系统中详细描述的子系统相同。
9)由PMSM模型块计算的速度单位为弧度/秒。但是，为了方便用户，它被转换为旋转每分钟(rpm)。通过将增益块设置为60/ 2*π来实现转换
10) Scope block用于实时观察各种波形。

结果
对各种负载情况进行了模拟运行。在这里，我们介绍了两种情况，一种是电机在整个操作过程中保持恒定的负载下启动，另一种是在经过一段时间后负载增加。
案例1:参考转速设置为1500rpm，从启动开始施加3nm的负载。观测到的相电流波形如图16所示。
图像
由于高启动扭矩，初始电流超调，但很快在0.06秒内稳定到均匀的正弦波形。我们还可以观察到每个波形之间的位移为120o。
速度，扭矩，直轴和正交轴电流波形如图17所示。
图像
转速在启动时超过1610转，并略有振荡，但很快稳定到1494转，并保持稳定。当然，启动扭矩很高，但在0.13秒内就会稳定到额定值。
情况2:参考转速设置为1500rpm，启动时加载扭矩为3nm。然后在t=0.1秒时将负载增加到5 Nm。相电流如图18所示。
图像
当负载在t=0.1秒时增加时，转速下降到1460转/分，并徘徊在1460到1510转/分之间(图19中红圈突出显示)，相电流幅值也在一个小的过渡时期后增加。但在t=0.13秒内，控制器动作将速度带回1500 rpm的参考速度。电机产生的转矩也会增加，以抵消施加在其上的负载转矩，这也会导致直轴和交轴电流相应增加。
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实际的结果
在各种负载情况下对实际实现进行了测试，并在以下几个场景中获得了结果:
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设定转速为1500转/分，负载为3nm时，电机达到设定转速，只有轻微的超调，如图20所示。
图像
当负载增加到约5 Nm时，电机经历了一个持续约1秒的小暂态期，如图21中红圈所突出显示，之后它稳定下来。
图像
该系统在界面上可以方便地改变旋转方向。在图22中，电机方向颠倒。由于向前旋转产生的惯性，不能立即改变方向，需要一段时间使电机先静止，然后再反转方向。

结论
随着时间的推移，PMSM电机正在获得越来越多的关注，新的和有效的控制算法的发展将进一步加强它们作为传统感应电机的优越和经济上可行的替代品。采用磁场定向控制(FOC)的永磁同步电机驱动系统在仿真和实际实现中都取得了令人满意的性能，结果表明速度和转矩变化很小。DSP的指令集架构(ISA)及其集成外设简化了软件和硬件的开发。DSP的实时处理能力允许高度可靠的驱动器，能够在大范围的速度下有效运行，也提供了实现更先进或复杂的高性能变速驱动器控制方案的潜力。采用空间矢量PWM (SVPWM)代替传统的正弦PWM (SPWM)[11]可以实现进一步的改进。为控制算法实现软计算技术也是可能的，尽管这将需要足够的知识来开发硬件。这取决于设计者选择最优和可行的控制策略来满足他的所有要求。

参考文献











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