基于矢量控制永磁同步电机控制器设计

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1、-基于矢量控制的永磁同步电机控制器设计完成人：王谦北京林泉科技有限公司2011年5月.---基于矢量控制的永磁同步电机控制器设计王谦北京林泉科技有限公司摘要：项目为我公司开发的20KW永磁同步电动机(PMSM)控制器，应用先进的TI公司TMS320F2812芯片和三菱公司智能功率模块（IPM），采用强弱电隔离技术构建了控制器硬件结构。控制策略采用矢量解耦控制结合PI控制算法，对永磁同步电机进行实时磁场定向控制(FOC)，始终保持最大转矩输出。控制器同时集成了温度检测，电压检测，电流检测，缺相保护，过载保护和功率故障保护功能。产品具

2、有体积小、重量轻，控制精度高，效率高，运行安全可靠的特点。关键字：永磁同步PMSM矢量解耦磁场定向控制FOC引言近年来基于永磁同步电机的功率驱动系统开始广泛应用于快速、精确的工业驱动控制领域，并且功率越来越大。其具有动态特性优良，转动惯量和时间常数较小，运行可靠，维护方便等特点。针对市场需求，以20KW功率为标点开发了大功率系列永磁同步电机控制器。项目采用了当前较先进的数字信号处理器(DSP）、智能功率模块(IPM)等器件，实现了产品的全数字化、智能化、小型化。为了实现控制系统的高性能要求，采用了先进的空间矢量解耦控制算法，并结合

3、改进型PI控制策略。1硬件电路设计1.1控制器硬件结构整个控制系统是由速度环和电流环组成的双闭环结构。主控制芯片采用TI公司的新一代低功耗、高速、高精度的数字信号处理器(DSP)——TMS320F2812芯片，该芯片是工业界首批32的控制专用、内含闪存以及高达150MIPS的数字信号处理器，专门为工业自动化、光学网络和电机控制等应用而设计，芯片内核是当今数字控制应用方面性能最高的DSP内核。系统采用旋转变压器作为电机转子位置传感器，并采用AD公司专门的RD转换芯片AD2S1200作为解码芯片。旋转变压器实际上是一种精密控制微电机，

4、具有运行可靠的特点。AD2S1200内置了旋变的励磁输出，只需要经过放大即可，它可将旋变的正余弦输出转换为可配置的10位~.---16位数据，转换精度高达11分。功率模块选用了三菱公司的第五代智能功率模块(IPM)，它将IGBT以及外围驱动和保护电路集成在一个模块内，缩小了产品体积，缩短了产品开发周期。DSP生成的6路电机驱动PWM信号经过光耦隔离后，送至IPM驱动，实现了控制系统内的强弱电隔离。系统的外部设定输入可以通过RS422接口或者模拟设定给出。系统同时集成了温度检测，电压检测，电流检测，缺相保护，过载保护和功率故障保护功

5、能，可以通过面板LED指示并通过串口RS422上传给上位机。图1硬件原理结构图1.2控制器电源系统控制器电路为数模混合、强弱电混合电路，为避免功率电干扰控制电路，母线电压采样与主控制电路通过线性光耦隔离，PWM驱动信号与IPM功率保护等采用光耦隔离，RS422通信电路与主控制电路采用光耦隔离。外部仅为电子控制器提供28V控制电源和+270V功率电源，其它电源均需由内部DC/DC模块转换获得。电源电路方案如图4所示。.---图2控制器电源系统1控制策略与实现1.1永磁同步电机矢量控制原理转子磁场定向矢量控制是永磁同步电机使用较为广泛

6、的一种控制方式。其基本原理是通过坐标变换，在转子磁场定向的同步坐标轴系上对电机的磁场电流和转矩电流进行解耦控制，使其具有和传统直流电动机相同的运行性能。即在转子磁场定向的同步坐标轴系上，将定子电流矢量分解为磁场电流Id和转矩电流Iq，对其分别独立地进行控制。对永磁同步电机，在忽略铁芯饱和、不计磁滞损耗、转子上没有阻尼绕组、永磁材料的电导率为零以及相绕组中感应电动势波形是正弦的条件下，若不考虑转子磁场的凸极效应，即dq轴的自感相等，取永磁体基波励磁磁场轴线为d轴(直轴），而q轴(交轴)顺着旋转方向超前d轴90°电角度。dq轴系随同转

7、子以电角速度(电角频率)旋转，它的空间坐标以d轴与参考轴as轴(as轴为A相绕组轴线)间的电角度θ来确定。经过坐标变换后的dq坐标系中，永磁同步电动机的基本电流方程可表示为：(1)将d，q轴系下的两相电压转换为定子A、B、C相上的三相电压：.---(2)电机稳态电压方程可表示为：(3)永磁同步电动机的电磁转矩可表示为：(4)由Ld=Lq=L，可简化为：式中，ud，id，uq，iq分别为d，q轴电压和电流；iA，iB，iC为三相电流；pn为永磁同步电机的极对数；为永磁体基波励磁磁场链过定子绕组的磁链；e0为空载电动势。由上式可见，经

8、过坐标变换后，永磁同步电机的电磁转矩公式获得了和直流电动机转矩一样的表达式。所以通过检测定制绕组电流和转子位置角度，根据帕克变换原理，可以计算出实际的id和iq，通过PI调节器调节使实际值与给定值基本相等，即可实现永磁同步电机的矢量控制。1.1PI