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基于TMS320F2808 DSP控制器的磁场定向控制策略在永磁同步电机上的应用
Asri Samat, Pais Saedin, A. Idzwan Tajudin, Nor Adni
摘要
本文介绍了一种采用磁场定向控制策略（FOC）进行控制的永磁同步电机（PMSM）控制器的应用。数字信号处理器（DSP）作为控制器用以将磁场定向控制策略应用于永磁同步电机的控制过程中。本研究中，32位DSP控制器TMS320F2808被用以控制电机驱动系统。此外，德州仪器所生产的DMC 550型逆变器被用于驱动永磁同步电机运转。结果表明，应用磁场定向控制策略的DSP控制器能使永磁同步电机在指定转子转速下正常运转。
关键词：数字信号处理器（DSP)、磁场定向控制策略（FOC)、永磁同步电机（PMSM）
1.简介
永磁同步电机（PMSM）具有重量轻、结构紧凑以及维护成本低等诸多优点，使其在工业界中的应用日益流行[1]-[3]。永磁同步电机最适用于存在高转速要求的工况之中。在整流器的作用下，永磁同步电机的工作过程比直流电机更加可靠。此外，也由于转子磁通来源于永磁体使得永磁同步电机相比交流感应电机工作效率更高。
矢量控制策略被应用于永磁同步电机的高效控制[4]，[5]。磁场控制策略是一种基于矢量控制的控制方法，其用以高效控制永磁同步电机的转子转矩以及转子磁通。磁场控制策略通过控制磁通的空间矢量，电机电流以及电压的方式以达到精准的转子转速控制。
定子电流作为磁场控制策略中的一个控制变量，在控制过程中需要将其在定子静态三坐标系下的表示形式转化到电机转子d-q旋转正交坐标系中的表示形式。永磁同步电机转子磁通的矢量方向以定子频率进行旋转。此外，电机供电电压也需首先从电机转子d-q旋转正交坐标系下转化到电机定子静态三坐标系下的表示形式，并进一步输入到空间矢量脉宽调制（SVPWM）装置以得到脉宽调制（PWM）输出信号。基于定子磁链空间矢量的电机控制策略的应用使电机能够更好地平稳运行。
为获得一个高性能的电机控制系统，选取控制系统中微处理器的步骤十分关键。市场上许多控制器都在控制驱动电机方面表现优异。其中，应用DSP型的控制器在电机控制方面较为有益，这主要是由于DSP控制器可以与诸多先进的外围电力电机设备相连接。除了能否简化控制系统的设计过程，同时其也能给电机驱动系统带来更多的功能[6]，[7]，[8]。
本文详细介绍了一种采用磁场定向控制策略的永磁同步电机控制器的应用，数字信号处理器被用以作为磁场定向控制策略以及永磁同步电机之间的链接纽带，以将该策略应用于永磁同步电机的控制过程中。整个磁场定向控制策略通过TMS320F2808 DSP控制器得以实现，该策略结构示意图见图1。
图1 永磁同步电机控制系统与驱动系统示意图
2.磁场定向控制策略
永磁同步电机的数学模型是在d-q转子旋转正交坐标系下建立的。其中，在d-q转子旋转正交坐标系下定子电压以及其磁通量可以由以下等式计算得到：
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(1) |
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(2) |
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(3) |
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(4) |
其中，和分别表示定子电压在d轴以及q轴上的分量，和分别表示定子电流在d轴以及q轴上的分量，表示定子电阻，和分别表示定子电感在d轴以及q轴上的分量，和分别表示定子磁通量在d轴以及q轴上的分量，表示电机转子转速，表示电机转子永磁体的磁通量。
通过联立等式（1）以及（2）可以得到永磁同步电机定子电流模型。其中，定子电流在d轴以及q轴上的分量和可以通过等式（5）以及（6）计算得到：
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(5) |
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(6) |
转子产生的电磁转矩可以通过以下等式进行计算：
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(7) |
此外，其也可以由以下等式进行表示：
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(8) |
根据等式（8），可以进一步得到转子转速的计算等式，如等式9所示：
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(9) |
此外转子转速也可以通过以下等式进行计算：
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(10) |
在等式（5）—（10）中，各个字母符号的含义如下所示：
表示的是永磁同步电机在运转过程中所产生的电磁转矩，表示的是电机在运转过程中所受到的负载转矩，为永磁同步电机的磁极数，为电机运转中的机械转速，为电机运转中的电子转速，为电机阻尼系数，表示的是电机转子的转动惯量。
基于磁场定向控制策略的永磁同步电机控制以及驱动系统的示意图如前文中图1所示。由图1可知，本文构建了一个闭环控制系统用以控制永磁同步电机运转。由于转子所采用的磁铁形式为永磁体形式，这使得转子的磁通在电机运转过程中始终保持不变。在本研究中，永磁同步电机的电磁力矩通过调节d轴以及q轴的定子电流来控制，其中d轴的定子电流在控制过程中需要被设定为0，这可以大大简化控制过程，使得电机的电磁转矩在电机运转过程中只与q轴的定子电流的大小有关。此外，应用空间矢量脉宽调制方法适用于逆变器电路，两者之间的关系也可以在图1中进行了阐述。
帕克变换（PARK transformation）被应用于获取定子电流在d-q转子旋转正交坐标系下的分量以及。其中以及分别可以用来解耦定子磁通量以及电机电磁转矩的方程式。当d轴定子电流分量在控制过程中被设置为0时，则根据等式（3），定子在d轴上磁通的分量保持不变，可以将等式（3）表示成如下形式：
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(11) |
根据等式（7），电磁转矩也可以进一步用以下等式进行表示：
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(12) |
为有效地控制永磁同步电机电磁转矩，电机控制系统只需要控制在d-q旋转正交坐标系中两轴向方向上的电流分量即可，这可以在定子电流以及转子磁通相互影响的过程中实现。
永磁同步电机的定子电压以及电流通过以下几种变换公式进行转换：
- Clarke变换：将物理量在定子静态三相坐标系（a-b-c）下的表示形式转换为定子静态正交坐标系（alpha;-beta;）下的表示形式。
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（2）Clarke逆变换：将物理量在定子静态正交坐标系下（alpha;-beta;）下的表示形式转换为定子静态三相坐标系（a-b-c）下的表示形式。
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（3）Park变换：将物理量在定子静态正交坐标系下（alpha;-beta;）下的表示形式转换为转子旋转正交坐标系（d-q）下的表示形式，表示的是转子旋转正交坐标系中的d轴相对于定子静态正交坐标系中的alpha;轴所转过的角度。
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(15) |
（4）Park逆变换：将物理量在转子旋转正交坐标系（d-q）下的表示形式转换为定子静态正交坐标系下（alpha;-beta;）下的表示形式。
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(16) |
本文选取TMS320F2808型数字信号处理器开展研究。作为所选取的数字信号处理器控制器，TMS320F2808应用高性能的静态CMOS技术，使得控制器的运行频率可以高达100MHz（运行一条指令的时间只需10ns）。此外，TMS320F2808型数字信号处理器的核心芯片的供电电压为1.8V，控制器周围的I/O接口供电电压为3.3V[9]。针对脉宽调制信号，在本研究构建的运行频率为100KHz控制闭环中，32位的TMS320F2808型数字信号处理器每秒提供108条指令以每秒150次检测脉宽信号数值或者提供脉宽调制信号16位精度的方式以确定脉宽调制信号边界的位置信息[10]。TMS320F2808型数字信号处理器的结构示意图如图2所示。其中，该型数字信号处理器的通讯接口包括诸多串行接口，诸如SCI（串行通讯接口）、CAN（控制器局域网络接口）、I2C（英特尔集成电路总线接口）、UART（通用异步收发传输器接口）、SPI（单程序启动接口）以及看门狗定时器接口。
图2.TMS320F2808型数字信号处理器结构示意图
在本研究中，选取DMC550型号逆变器用以驱动永磁同步电机运转，其结构示意图如图3所示。永磁同步电子转子运转时的参考速度被预先设置在数字信号控制器之中。从编码器P5所输出的脉冲信号结果被输送到TMS320F2808数字信号控制器中的QEP（正交编码脉冲电路），通过该电路对输入的脉冲信号进行译码和计数，从而获取电机转子的实际运转速度以及转子所在的位置信息。
图3.DMC550型号逆变器结构示意图
数字信号处理器会从图2所示控制器结构示意图中的GPIO（通用输入/输出接口）配置以及生成6路PWM（脉宽调制）信号，这6路信号被送往图3所示逆变器结构示意图中的DSK（信号处理评估系统）中，并且在永磁同步电机运转过程中用以改变逆变器中驱动器导通与闭合，使电机能够平稳高效运转。从驱动器中产生的电压以及电流在进入到永磁同步电机之前会先进入电机接口，与此同时，电流以及电压传感器会获取并检测定子电流以及定子电压值。定子电流以及定子电压这两个模拟量会经由数字信号处理器转变为相对应的数字信号。如图1所示，模拟量信号在数字信号处理器中会经过Park变换、Park逆变换、Clarke变换以及Clarke逆变换进行处理，并且经过PI控制器控制以及SVPWM（空间矢量脉宽调制处理）后变为传输到逆变器对永磁同步电机进行驱动的数字信号。
3.硬件实验台架搭建
本文同时针对上文所提及的控制策略进行了硬件实验台架的搭建与实验验证。图4为本研究实验所搭建的实验台架，其主要包括一个永磁同步电机、一个TMS320F2808数字信号处理器、一个DMC550逆变器。本研究所设置实验中所采用的永磁同步电机由三相输入定子电流与电压，电子转子存在8个磁极，电机拥有2000个线编码器，其由Applied Motion公司生产（电机具体型号为A0100-104-3-000）。本实验采用的电机控制系统控制器主要以数字信号开发板为基础，该数字信号处理器与三相电压源逆变器相连接。该DMC550逆变器的相关参数如表1所示。
表1.DMC550逆变器参数
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参数名称 |
参数值 |
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功率(W) |
60 |
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额定电压(V) |
24V |
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额定电流(A) |
2.5A |
图4.永磁同步电机电机驱动控制系统硬件实验台架
4.实验验证
在本研究所进行的实验过程中，主要任务是观察在数字信号处理器中预先设置的电机转速不同的情况下电机转子转速的响应情况。本实验中所采用的永磁同步电机的相关参数如表2所示。
表2. A0100-104-3-000型永磁同步电机参数
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参数名称 |
参数值 |
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电压(V) |
48 |
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输出功率(W) |
100 |
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额定转速(rpm) |
3000 |
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额定转矩(N.m) 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[136711]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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