DSP中电机弱磁控制解析ppt课件.ppt

1.研究背景和意义,近些年，永磁体材料和电子电力电子技术的不断发展，使得以永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称 PMSM）为驱动电机的调速系统迅速发展。永磁同步电机转子为永磁体，转子外围省去了电励磁装置，同时也没有电刷、换向器等不可靠的器件，使永磁电机在形状和尺寸上具有很大很灵活的选择范围。因此，永磁同步电机具有的结构等诸多优点。使得它在很多控制领域有着广泛应用。,在高精度的伺服控制系统中，如：数控机床，军工武器、电梯等。这类控制除了要求电机能平稳、快速的跟踪输入指令外，还对电机的其它控制指标，如位置、转矩脉动、调速范围等方面有着较高的要求。此外，以永磁同步电机为驱动，还存在于电动汽车及车中的辅助设备的控制系统、风力发电控制系统、大容量的舰船推进系统及常见的空调压缩机中。因此，研究永磁同步电机在调速系统中的应用具有重要而深刻的现实意义。,希望电机可以具有较宽的调速范围,从而实现高速或低速的不同控制需要。常规的变频调速控制中，通过控制频率和电压协调变化，来驱动永磁同步电机，控制电机的转速。这种方法控制简在永磁同步电机为驱动的很多控制场景中，都单，但是会受到电机基频的限制，当电机的转速运行在基频以上时，由于磁路饱和及逆变器最大输出电压的限制，定子线电压不在随之变化，维持额定电压，电机的磁通也由于磁路饱和而维持恒定，不在上升，此时，控制频率的上升必然使得永磁同步电机的电压方程不在成立.,因此为了保证电压方程成立，逆变器电压维持额定输出时，频率升高，必须控制电机磁通成反比的下降，才能保证电压不变.因此，在基速以下，控制永磁同步电机的输入电压和频率协调升高，保证电机内部磁通不变，超过基速时，电压维持恒定输出，通过减弱电机的转子磁通量，来控制频率上升。这种控制思想就是永磁电机弱磁控制的核心。,但是永磁同步电机的转子是永磁材料加工的永磁体，转子在加工成型后磁通就维持恒值了，要在控制中减弱转子的磁通量，只有在永磁体方向上施加去磁电流，等效削弱转子磁通，实现电机的弱磁控制。这种方法可以使永磁同步电机（PMSM）在逆变器输出电压达到额定输出后，控制电机转速继续上升，运行在基速以上，使电机的速度范围变宽。那么在相同的速度要求下，可以降低逆变器在设计时的容量大小。电机在基速以下则运行在恒转矩状态；而基速以上，输出功率恒定不变运行在恒功率状态。,弱磁控制在电动汽车驱动中非常重要，因为永磁同步电机采用弱磁控制后，在具备很宽的速度可控范围的同时，在低速时电机是恒转矩输出，可以输出很大的转矩，而高速下电机能保证转速稳定的同时输出一定的功率。这个重要特点与电动汽车控制要求相符合，此外，永磁同步电机的高功率密度和高效率等特点促使它逐渐成为电动汽车的驱动控制系统中的主流使用电机.丰田和尼桑等电动汽车中，都开始整合了永磁同步电机的弱磁控制来扩展电机的运行的速度范围。同样，在数控机床中，当设计的控制系统需要很宽的速度范围时，永磁同步电机也就展现了自己的优势，足以取代异步电机成为机床的驱动电机。因此，对永磁同步电机的弱磁控制系统的研究，有着重要的现实意义。,2.永磁同步电机控制理论的发展,（1）变压变频控制变压变频控制没有信号的反馈量，是一种开环控制，这种控制方法结构简单、易于实现，但是要协调好变电压和频率的变比，来维持电机的每极磁通量不变并不容易，开始启动时，电压较低需要对电压进行一定的补偿，控制中也要保证电压稳定上升。这种控制方式在电机对控制的成本和动态性能要求不高的调速领域，仍然应用广泛。,(2)矢量控制技术20 世纪 70 年代，西门子工程师提出了矢量控制理论，经过不断地发展和实践，矢量控制系统理论得到了很多的完善，被广泛使用在不同的控制场合。矢量控制引入坐标变换，在两相旋转坐标系中将定子电流矢量解耦，来分别控制电流矢量解耦后的励磁分量和转矩分量，使其具有良好的控制性能。矢量控制的永磁同步电机运行时具有较好的稳定性，但是系统的动态特性由控制器决定。,(3)直接转矩控制(DTC)1985 年，德国鲁尔大学教授 M.Depenbrock 提出了直接转矩控制(DTC),1995 年，这种控制技术在瑞士 ABB 公司的通用变频器得到了实现。永磁同步电机的直接转矩控制采用检测定子磁链和负载角的位置来实现对电机转矩的控制，需要估计定子磁链的位置信息。而对转子位置的依赖性降低，不再需要检测转子的位置，是一种无位置传感器控制文献13介绍了永磁同步电机直接转矩控制理论下，弱磁控制的实现,永磁同步电机的弱磁控制理论,永磁同步电机中的弱磁控制理论主要包含了弱磁运行下永磁同步电机的数学模型和弱磁控制中电流矢量轨迹的变化而产生的不同工作区间，以及常见的弱磁控制策略，就是通过什么方式来控制电流矢量，促使电流矢量按照应有的轨迹去运行。永磁同步电机在三相静止坐标系下的模型存在高阶耦合项，不便分析，因此，弱磁控制中使用的永磁同步电机模型是由坐标变换,将三相静止坐标系中的电机方程转化到 dq 同步旋转坐标系下来分析的。永磁同步电机按转子结构分为隐极式和凸极式，隐极式电机的交轴电感和直轴电感相等，而凸极式的交轴电感和直轴电感不同。这两种结构的电机在弱磁控制中的同与不同将在后面介绍,永磁同步电机弱磁控制的约束条件在弱磁控制中，永磁同步电机在同步旋转坐标系下的数学模型最为常用。因此，以下所有方程的分析过程都是在基于转子磁场定向的 dq 同步旋转坐标系下进行的，将 d轴放在转子磁链的方向上，就可以得到与转子同角速度转动的旋转坐标，从而建立永磁同步电机在 dq 坐标系下的数学模型。,电机的磁链方程,是电机弱磁控制系统除去弱磁部分的框图，图中包括：PI 调节器、空间矢量调制模块、电流解耦模块、坐标变换模块。矢量控制的原理是按转子磁场定向的原则，在同步旋转坐标系下，计算出 d 轴电流和 q 轴电流的给定，然后通过 PI 调节器去调节给定值和反馈值的静差，在对调节器器输出值进行电流解耦和坐标变换后，使用SVPWM 调制方法产生控制逆变器的脉冲。反馈采样环节，需要获取电机的电流和转速。下面对框图中的电流调节器、电流解耦控制、SVPWM 脉冲调制模块和电压反馈的弱磁控制进行阐述。,电流调节器的解耦,永磁同步电机模型的动态方程,定子电感的存在，使 d 轴与 q 轴相互耦合，且与转速相关，在高速时，公式中划线部分无法忽略，从而导致控制性能下降,电流反馈控制是将电流指令值和反馈电流值的静差，通过电流调节器，得到直轴电压和交轴电压 Ud Uq,由公式(3-5)知，PI 调节器实现的电流反馈控制器忽略了电机的电感和转速交叉耦合项后的结果，这种近似解耦模型，在高速运行时，无法保证系统的动态性能在永磁同步电机电流解耦的方法上有：反馈电流输入的同时引入前馈补偿及内模控制原理的控制器等，但是这些方法对电机参数比较敏感。文献使用现在控制理论设计的控制器提高了控制性能，但是增加了控制的复杂性。,PI 调节器的设计,由图 3- 1 可以看出，电流环、速度环及弱磁控制部分都需要 PI 调节器，调节器的参数设计增加了系统的复杂性。本文用工程整定法对 PI 调节器进行设计，再对设计出的参数进行调整由图 3- 3 可以看出，控制系统两个电流环的结构是基本对称的，因此设计过程中两个电流环的 PI 调节器取相同的参数。将 id电流内环结构使用传递函数表示为：,基于电压反馈弱磁控制原理框图,SVPWM 整体的模块搭建图，如下：,永磁同步电机弱磁控制系统的实现,硬件设计整体框图,将弱电的控制电路看成一体时，在结构上，该系统的可以分为主电路、控制电路和电源电路三个部分。图 5- 1 中，（1）主电路由整流电路，电容滤波电路及智能功率模块（IPM）逆变电路组成；（2）控制电路：包括了 TMS320F2812 型 DSP 芯片控制器、采样电路和信号处理电路。其中，采样电路对电流信号和转速信号进行采样；信号处理电路包括了采样输入信号处理和 PWM 脉冲输出信号处理（3）电源电路：主要为控制部分电路提供所需要的电源。,主电路,主电路采样 AC-DC-AC 逆变方式，整流电路和滤波电路将交流电变为平滑的直流电，本文结合实际条件采样的是单向不可控整流器和大电容滤波，这里对这个部分就不作详细的介绍。逆变部分，可以有两种方案：方案一是使用单独的 IGBT 开关管和续流二极,管来搭建三相逆变桥，搭建中需要考虑 IGBT 的驱动模块、缓冲电路和保护电路等，这种方案成本不高，可以有效减小控制板的面积，但是搭建过程较复杂，考虑因素较多；二是选择使用智能功率模块（IPM），这种方案将逆变桥整体封装在一起，并且可以提供的完善保护。本文使用方案二，选择富士公6MBP20RH060 型 IPM。其电气性能为：额定电流 20A，直流母线额定耐压值 450V，直流母线最大耐压值为 600V，浪涌电压为500V，最大开关频率为 20KHZ,图 5- 2 为 6MBP20RH060 的内部结构图，IPM 将六个带续流二极管的 IGBT、芯片驱动电路、保护电路集成在一起，并在脉冲输入端有稳压管钳压，防止输入脉冲电压过大。上桥臂的三个 IGBT，结构相同，需要三路独立电源供电，都包括电源输入、驱动信号输入、接地端；下桥臂将三个 IGBT 集成在一起，由一路电源供电。U、V、W 为三相交流电输入（IPM 用着可控整流时）或输出（逆变时）端子，P、N1、N2 为模块的直流输出（可控制整流时）或输入（逆变时）端子。IPM 提供了过电流、欠压、短路等很多完善的保护功能，ALM 是 IPM 的保护电路警报输出端,控制芯片 本文采用 TI 公司的 TMS320F2812 32 位高性能数字处理器来完成控制系统的控制算法。该型号 DSP 在工业控制中获得广泛的应用，集成了电机控制所需要的外设，如：定时器、PWM 波形发生器、比较单元、捕捉单元及正交编码电路等。,(1)主频高达 150MHZ，使每个时钟周期缩短到 6.67ns。采用低电压供电，主频为 150MHZ 时，内核电压 1.9V，I/O 引脚为 3.3V。（2）支持 JTAG 在线仿真接口。（3）片内存储空间：128K16 位的 Flash 存储器；128K16 位 ROM；1K16 位OTP ROM；两块 4K16 位单周期访问 RAM 等。（4）时钟和系统控制：支持动态 PLL 比率变化；片内振荡器；看门狗定时模块。（5）三个外部中断以及外设中断扩展模块（PIE）支持 45 个外设中断。（6）12 位 ADC 转换模块。（7）串行通信接口（SCI、SPI、CAN 等）。（8）56 个通用 GPIO 口。（9）128 位安全密码，可防止片内程序的非法访问。（10）宽温度范围的工作能力。,它还有以下特点:,TMS320F2812 芯片提供了丰富的外设，根据系统的调试方便和需要，文本使用了HELLODSP 公司生产的 HDSP-Basic2812 开发板，作为控制系统的控制模块。如图 5- 3所示，该系统中，集成了 DSP、SRAM、FLASH、A/D、PWM、QEF、UART、SPI、CAN 等接口，丰富和便利了二次开发，可以在电机控制、变频器、有源滤波等控制系统设计中使用,一系统采样电路 闭环控制需要对电流采样和转速采样，电流采样的方式有：霍尔电流传感器、电流互感器和电阻采样。对转速的采样和转子位置检测可由光电编码盘、霍尔传感器、旋转变压器来实现。,R2 为采样电阻，电流互感器的电流型号经过采样电阻后转化为电压信号。通过有源滤波器后，然后通过电平偏移和比例电路将双极性信号变为单极性信号，幅值限制在 0V 到 3.3V，确保 DSP 输入电压的安全。本系统中，AD 采样频率为 10KHZ，滤波器满足采样定理，采用二阶低通滤波器滤波器截止频率为 4.5KHZ。本系统中，使用 2 个电流互感器采样两路电流，再计算出第三路电流，就得到三路采样电流。,（二）转速采样电路 本课题使用的是霍尔传感器，工作时，需要提供 5V 电源，输出相位差为 120度幅值为 5V 的 ABC 三相矩形脉冲。示波器捕捉的波形如图 5- 5 所示：,三位置信号检测 矢量控制方法是基于坐标变换来实现的，坐标变换时需要转子的实时位置信息，因此对转子的实时位置信号检测的效果，直接影响着控制系统的效果。由图 5- 5 霍尔输出波形知，霍尔高低电平占空比都为 50%，忽略安装误差，可以得到霍尔信号的跳变沿和转子位置的关系。如下图所示,信号处理电路,(一)输入信号处理,（二）PWM 脉冲信号输出处理,控制电路的电源电路前面设计的控制电路的需要直流电源才能工作，本文电源的设计思路是采用三端稳压元件来得到直流电源，即是使用单向变压器对 220V 交流电压降压，全桥整流后得到直流电压，最后使用三端稳压元件得到稳定的直流电压。采样电路的运算放大器和 IPM的供电电源都是需要正负 15V 直流电源，设计图 5- 9 所示，且 IPM 供电电源要求相互隔离的 4 路 15V 电源，设计电路与图 5- 9 类似,硬件电路仿真 Multisim 是美国国家仪器公司 NI 推出的电路仿真设计软件，能完成从电路仿真设计到电路板生成的全过程。本文通过对硬件电路仿真，来简化硬件电路的调试过程，方便分析电路的参数，直接测试不同参数下电路的输出波形。对 5V、15V、3V 的电源电路仿真，仿真中使用了二极管搭建了整流桥堆，三端稳压芯片输出直流，变压器交流变压。15V，3V 电路的搭建方法与 5V 相同，在这里就不在给出它们的搭建图，只给出最后的直流波形,5V 的仿真电路如图 5- 11 所示，其直流电压波形如图 5- 12，其中通道 A 的波形是输入三端稳压稳压芯片的电压波形，通道 B 的波形是三端稳压芯片输出的 5V 直流电压波形。在调试中，滤波电容参数对输出的波形有很大的影响。同样 15V 的 DC 电压波形如图 5- 13 所示,仿真结果如图 5- 15 所示：通道 A 是模拟正负 5V 的交流电压，采样的结果连接在放大器的输出端，所以相位是相反的，通过对滤波和提升电路，将正负 5V 的双极性电压信号，转化为 0 到 3V 的单极性电压信号。这个仿真结果验证了理论设计的正确性，确定了电流采样电路中的参数问题。信号处理电路中对霍尔信号和 PWM 脉冲信号电压幅值的变换，参考前面的设计电路搭出模型如图 5- 16 模拟了 PWM 脉冲信号的转化过程，使用信号发生器模拟 DSP 处理器产生 3V 的脉冲信号，使用光耦对脉冲电压的幅值进行变换，最后得到大于 8V 的IPM 驱动脉冲信号。仿真电路验证了前面电路设计的正确性,DSP2812 及开发环境DSP2812 是 TI 公司的为电机控制产品的开发而推出的 DSP 芯片，具有非常强大的功能。下面对编写程序需要用到的芯片部分做一个简单的介绍：芯片的时钟控制系统是控制系统的“心脏”，它为系统提供时钟脉冲，在使用 AD采样、电机控制模块（EVA）等外设前，应先通过设置寄存器，给外设分配时钟信号。DSP2812 是三级中断机制，包括外设中断、PIE 级中断、CPU 级中断。外设中断一共是 96 个，包括了定时器、PWM 比较器中断等所有外部设备的中断。将外设中断分成12 组，每组 8 个，构成了 12 个 PIE 级中断（PIE1 到 PIE12），最后是 CPU 级中断，每个中断都由中断使能位控制着中断的“开关”，中断标志位表示着中断的状态,主程序的流程图如图 5- 19 所示，时钟初始化主要为事件管理器模块 EVA，AD 采样等外部设备设定时钟频率；GPIO 的初始化是为系统分配 PWM 脉冲输出口和电流采样，转速采样等输入口。三级中断的初始化方法如前面的例子所示。EVA 的初始化要设定 EVA 中定时器和比较器及捕获端口的初始值，及 PWM 的产生方式等。初始化工作完成后就等待进入中断程序.,PI 调节器及比例、积分调节器，其公式如下：,本章在硬件方面，对采样电路、驱动电路、电源电路的设计进行了详细的阐述，并使用 Multisim 软件对设计的电路进行了仿真，确定了电路中的部分参数，简化了电路的调试过程；软件方面，介绍了使用 DSP2812 编程。,总结,本文对永磁同步电机弱磁控制系统进行理论分析和基于 Matlab/Simulink 的建模与仿真，并为搭建实验平台给出了电路的硬件设计和软件流程图。本文所做的工作主要包括如下几个方面：(1) 分析了永磁同步电机的数学模型，建立了两相同步旋转坐标系下永磁同步电机的数学模型，以方便对弱磁控制系统的设计。通过文献综述，对弱磁控制进行了详细的阐述，包括了弱磁运行的约束条件和不同工作区间中的电流分配，及弱磁控制策略，还分析了电机参数对弱磁控制的影响。(2) 研究了永磁同步电机弱磁控制系统的参数设计问题。对电流环和速度环的 PI 参数进行了整定。此外，还对弱磁控制系统中的电流调节器的解耦、空间矢量调制方式、电压反馈的弱磁控制进行了详细的分析介绍。,(3)对基于电压反馈的弱磁控制系统模型进行了分析，采用电压空间矢量技术，对控制系统进行了建模与仿真研究。主要对隐极式永磁同步电机模型和凸极永磁同步电机构建的弱磁控制系统进行了分析，具体分析了电机弱磁控制的转速和流波形，仿真结果表明基于电压反馈的永磁同步电机弱磁控制系统的工作性能达到了预期的目标。(4) 本文在最后一章对弱磁控制系统的硬件和软件实现进行了设计，并搭建了硬件控制平台，采用程序递进的方法调试电机。,