永磁同步电动机矢量控制-硬件部分.doc

3.1 DSP芯片的基本特征
数字信号处理器(Digital Signal Prcessor)，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器。自1979 年诞生以来，短短二十年时间，DSP显示了巨大的应用潜力，在信号处理、通信、语言、图形图像、军事、仪器仪表、自动控制、家用电器等领域 ，得到广泛的应用，起着不可替代的作用 ，其主要应用特点是实时快速地实现各种数字信号处理算法。DSP一般具有如下一些特点 ：
(1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；
(2)程序和数据空间分离，可以同时访问指令和数据；
(3)片内具有快速 RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；
(4)具有低开销或大开销循环及跳转的硬件支持；
(5)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器，可以并行执行多个操作；支持流水线操作，使取值、译码和执行等操作可以重叠执行。
在自动控制系统中，DSP的高速计算能力显示了比一般微处理器更多的优点 ，具有广阔的应用前景。利用DSP的高速计算能力可以增加采样速度和完成复杂的信号处理和控制算法，Kalman滤波、自适应控制矢量控制 、状态观测器等复杂算法利用 DSP芯片可以方便地实现。DSP的信号处理能力还可用来减少位置、速度、磁通等传感器，无传感器运行之所以成为可能。在自适应系统中，系统参数和状态变量通过状态观测器的计算可采用DSP有效地实现。同样，由于高运算速度，DSP也可有效地用于神经之网络和模糊逻辑化地运动控制系统。在实际工程应用中，DSP的高速能力还可以消除噪声污染和不精确的输入及反馈信号数据，对要求速度较快的 PWM控制算如空间矢量算法。
3.2 DSP在电机矢量控制中所起的作用
(1)接收由光学编码器输入的两相增量数字脉冲信号 A、B；
a．将两相信号进行四倍频；
b．形成位置信号
C．形成速度信号
d．根据两相信号边沿变化的先后次序，判别电机旋转方向。
(2)根据光学编码器输人的信号 A、B、U、V、W粗略确定和精确确定转子磁极轴线相对于A相绕组轴线的转角。
(3)速度比较，并给出转矩参数数据及作校正补偿计算。
(4)接受模拟量的实际的三相电流，并将其作数字化处理，然后作三相／两相变换。
(5)将电流命令信号与实际电流相比较，然后进行校正补偿处理，作三相／两相变换。最后确定PWM的脉宽系数，进而输出六路信号至功放级。
(6)接受故障信号，执行中断，首先切断主电源，并同时中断PWM输出，发出中断命令，同时进行故障诊断，判别并输出故障种类信号至显示电路。

3.3硬件系统总体结构
本系统采用交-直-交电压型电路，如图 5-1 所示：主回路由滤波电路以及智能功率模块 IPM 逆变电路组成，控制部分以 TMS320F2812 DSP 控制器芯片为核心，用来完成电流环、速度环的算法实现、空间矢量 PWM 波形（SVPWM）的产生等，辅助电路由转子位置检测、电流检测、故障检测保护、键盘和显示等电路组成

图 5-1 永磁同步电动机控制系统硬件框图
图 5-1 中为一个具有转速和电流反馈的双闭环控制系统。系统参数可由键盘输入，DSP 负责进行 A/D 转换、转子位置和转速的计算，应用矢量控制和 SVPWM 控制策略，生成 PWM 控制信号，再经过光耦隔离电路后，驱动IPM 功率开关器件。DSP 还负责系统的保护和监控，当系统出现过压、过流和欠压等故障时，DSP 将封锁 PWM 的输出信号，以保护 IPM 模块。
3.4主电路功率驱动电路
主电路的作用是进行能量转换和驱动伺服电机，主要由整流电路、中间
直流电路和逆变器三个环节组成，如图 5-2 所示

图 5-2 系统主电路
该系统中，整流电路采用富士公司的 IGBT 模块 7MBR10SA120，其内含三相整流桥。整流电路为三相桥式全波整流电路，耐压高，可达 1600V，输入是单相交流电，单相输入为 220V，50Hz。
整流电路输出的电压是有脉动的直流电压，必须加以滤波，这通过滤波电容来实现。滤波电容除了起到稳压和滤除整流后的电压纹波外，还在整流电路和逆变电路之间起去耦作用，以消除相互干扰，为感性负载的电动机提供必要的无功功率。220V 正弦交流电经两相不可控整流桥整流，再经电容C1、C2 滤波后作为三相逆变桥的直流电压源。电容 C1 既作为滤波电容滤除
电压中的低次谐波，又作为储能电容储存电机绕组续流时回馈的能量。电容C1 一般选取容值大、耐压高的电解电容，具体数值可根据直流母线电压波形的好坏和电压等级来确定。C1 的容值越大，直流母线电压越平稳，直流电质量越好。实际应用中由于对控制器的体积有一定的要求，故 C1 不能太大，在直流母线电压质量允许的条件下，C1 又越小越好。
由于电容储能较大，加之在接入电源时电容器两端的电压为零，故当刚合上电源的瞬间，滤波电容器的充电电流很大，过大的冲击电流将可能使整流桥的二极管损坏。为了保护整流桥，在刚接通电源的一段时间里，在电路内串入限流电阻，其作用是把电容器的充电电流限制在允许的范围内。开关K 的功能是：当滤波电容充电到一定程度时，令 K 接通，将 RL 短路。如前所述，IPM 内部已经包含功率器件的驱动，使用时另需提供驱动电源和 PWM 波形的开关控制信号。驱动电源需要 4 路相互独立的电源，其中 3路独立电源分别提供给逆变器上桥臂的 3 个开关器件，而下桥臂的 3 个开关器件共用另 1 路电源。驱动电源的典型电压值 15V，由于功率器件采用IGBT，每一个内含 IGBT 的驱动功率约为 0.25W，因此总驱动功耗小于 2W，
驱动电源同时还需要为保护电路提供电源。考虑到 IPM 的高频开关工作能力，PWM 波形的开关控制信号的传输隔离电路应具有尽可能段的传输延迟时间，以提高驱动电路参数的一致性。
3.5 控制电路
矢量控制的基本思想是在三相永磁同步电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分量分解成产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流iq分量，并使两分量互相垂直，彼此独立。当给定Id=0，这时根据电机的转矩公式可以得到转矩与主磁通和iq乘积成正比。由于给定Id=0，那么主磁通就基本恒定，这样只要调节电流转矩分量iq就可以像控制直流电动机一样控制永磁同步电机。
根据这一思想，设想系统的主要组成部分为：主控制板部分，电源及驱动板部分，输入输出部分。
其中主控制板部分即DSP板，根据控制指令和位置速度传感器以及采集的电压电流信号进行运算，并输出用于控制逆变器部分的控制信号。
电源和驱动板部分主要负责给各个部分供电，并提供给逆变器部分相应的驱动信号，以及将控制信号与主回路的高压部分隔离开。
输入输出部分用来输入控制量，显示实时信息等。
基本控制过程：速度给定信号与检测到的转子信号相比较，经过速度控制器的调节，产生定子电流转矩分量Isq_ref，用这个电流量作为电流控制器的给定信号。励磁分量Isd_ref由外部给定，当励磁分量为零时，从电机端口看，永磁同步电机相当于一台他励直流电机，磁通基本恒定，简化了控制问题。另一端通过电流采样得到三相定子电流，经过Clarke变换将其变为α-β两相静止坐标系下的电流，再通过park变换将其变为d-q两相旋转坐标系下电流Isq，Isd，分别与两个调节器的参考值比较，经过控制器调节后变为电压信号Vsd_ref和Vsq_ref，再经过park逆变换，得到Vsa_ref和Vsb_ref作为SVPWM的控制信号，然后产生6路驱动信号控制IGBT逆变器，再供给同步电机，控制其转速及位置。

原理框图如下：

PI
交流220V/50Hz
整流器
两相静止变两相旋转Park变换
三相静止变两相静止Clarke变换
转速位置传感器
逆变器
SVPWM
Park逆变换
PI
n_ref Isq_ref Vsq_ref Vsa_ref

n Isq

三相永磁同步电机
PI
Isd_ref Vsd_ref Vsb_ref

Isd
Isa

Isb

θ

3.5电流检测电路
电流采样电路如图所示，以三相电流采样中的 A 相为例，霍尔电流传感器是目前普遍采用的电流检测元件，其特点是测量精度高、线性度好、响应速度快以及电隔离性能好。本文采用 LEM 模块检测永磁同步电动机的三相电流，并按照 1000：1 的比例变至副边，采样信号经电阻采样、分压及偏置处理，由 DSP 的 A/D 口进行采样。采用二极管 DA1、DA2 对输入到 A/D 转换口的电流信号进行限幅处理，防止过高电压击穿 DSP 的 A/D。

图3.3 电流检测电路

3.6系统驱动电路
本系统采用具有自举技术的集成驱动电路 IR2110，其连接电路如图 3-5 所示。IR2110 是美国国际整流器(IR)公司利用自身独有的高压集成电路及 CMOS技术，生产的大功率 MOSFET 和 IGBT 专用驱动集成电路。IR2110 内部应用自举技术来实现同一集成电路可同时输出两个驱动逆变桥中高端和低端的通道信号，它的内部为自举操作设计了悬浮电源，悬浮电压保证了 IR2110 直接可用于母线电压为-4~+500V 的系统中来驱动功率 MOSFET 或 IGBT。同时器件本身允许驱动信号的电压上升率达正负 50V/ns，故保证了芯片自身有整形功能，实现了不论其输入信号前后沿的陡度如何，都可保证加到被驱动 MOSFET或 IGBT 栅极上的驱动信号前后沿很陡，因而可极大地减少被驱动功率器件的开关时间，降低开关损耗。IR2110 的功耗很小，可极大地减小应用它来驱动功率器件时的电源容量，从而可减小栅极驱动电路的体积尺寸。当其工作电源电压为 15V 时，其功耗仅为 1.6mW。此外 IR2110 还具有工作电压范围宽、驱动能力强等优点。
图 3-4 中，电阻 R1、R2 为上拉电阻，把输入 PWM 信号的高电平上拉到15V，使其满足 IR2110 对输入信号的电压要求。R3、R4 为驱动电阻，E1 为自举电容，D1 为防止反充的自举二极管。

图3.4 自举驱动电路
3.7系统保护电路
随着永磁同步电动机矢量控制系统研究的不断深入，系统保护环节的合理设计成为非常重要的内容之一。一个控制系统能否正常可靠的运行，除了各环节能保证正常工作外，还要考虑一些外在干扰因素对系统的影响，系统应具有自我保护功能。完善的保护环节，不仅可延长装置的使用寿命，也使其可靠性大为提高，甚至在关键时刻能避免一些重大安全事故的发生。 一个实用的调速系统，各环节之间的设计参数不会绝对匹配，加之外界干扰的影响，有可能发生故障。当出现故障时，如不及时处理，便会造成损坏功率开关元件和其它设备的严重后果。所以必须设置保护环节，当出现异常情况时及时检测出来并封锁系统输出，切断主回路电源，使系统停止工作，以保证开关元件不受损坏。本系统设置了过压、欠压、过流、过热等保护环节，以下以过流和欠过压保护环节为例说明的工作原理。
3.7.1过流保护电路
当电机起动时，主回路会流过很大的起动电流，此外因控制回路、驱动回路等人工误操作、误配线等，会造成支路短路、输出短路等故障，过电流流过功率变换器开关元件 IGBT，发生短路时，电流变化非常快，功率开关器件要承受高电压、大电流，这就要快速检测过电流，在 IGBT还没有损坏时自行关断，具体如图 5-3 所示。

图 5-5 过流保护电路
图 5-5 中 IVO 是电流霍尔传感器的输出信号，与参考电压 VREF 进行比较。当 IVO 低于 VREF 时，系统正常运行，比较器输出高电平；当 IVO 高 于 VREF 时，电机绕组过流比较器输出低电平。将此信号送 DSP 的PDPINTA 引脚，及时封锁PWM1~6 的输出，从而起到保护 IGBT 的作用。
3.7.2过欠压保护电路
过欠压保护是针对电源异常、主回路电压超过一定数值时考虑的。通常系统输入电源允许波动的范围一般是额定输入电压的± 10%。通常情况下，主回路直流环节的电压与输入电压保持固定关系。当输入电源电压过高，将使直流侧电压过高，过高的直流电压对 IGBT 的安全构成威胁，很可能超过 IGBT 的最大耐压而将其击穿，造成永久损坏。当输入电压过低时，虽不会对主回路元件构成直接威胁，但太低的输入电压很可能使控制回路工作不正常，而使系统紊乱，导致控制器输出错误的控制信号，造成主回路“直通”而烧毁 IGBT，而且较低的输入电压也使系统的抗干扰能力下降。因此，有必要对系统的输入电压进行保护。

图 5-6 过压保护电路
图 5-6 为控制系统的过压保护电路，其中 A、B 分别接至直流母线的两端。光耦中的发光二极管通过一定强度的电流时才能发光。如果光耦的线性度较好，输出电压会随着输入电压线性变化。因此取样电压过高时光耦器件就会导通，E 点电平从 5V 降为 0V，过压标志 0V 即从低电平跳变为高电平。图中 D8 和 D9 起钳制电位的作用。这里将过压保护的动作值整定为额定输入电压的 110%，当过压保护的动作值超过 110%时，将置过压标志。欠压保护电路的原理与过压保护电路类似。动作值整定为额定输入电压的 90%左右。