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基于DSP的永磁同步電動機直接轉矩控制研究

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:408

摘  要:分析了永磁同步電機直接轉矩控制的運行機理,提出了基于智能功率模塊IPM的保護方案以及定子電流過流檢測與保護方案,開發了一套基于TMS320F240的永磁同步電機直接轉矩控制調速系統。實驗表明,該系統具有優良的轉矩快速動態響應特性,對系統參數攝動和對外干擾具有很強的魯棒性。實驗系統安全可靠運行表明該調速系統具有優良的故障檢測和保護功能,硬件設計思想合理。

O  引  言

   永磁同步電機(PMSM)具有功率密度大、效率高、轉子損耗小、可靠性高、動態性能優良等特點,在各種要求高性能傳動的場合中得到越來越廣泛的應用,有廣闊的發展和應用前景。異步電機的直接轉矩控制(DTC)是80年代中期提出的,目前已在感應電機上得到比較成熟的應用。將其控制思想應用于PMSM,也同樣可以得到良好的動態性能。與傳統的矢量控制相比,直接轉矩控制摒棄了矢量控制的解耦思想,控制簡單,轉矩響應快,動態性能好。由于實驗常遇到因觸發脈沖狀態不定和電機過流等問題,處理不當就會導致逆變器橋臂直通而燒毀功率模塊或電機。本文在前人研究的基礎上,提出了對IPM故障信號經行處理的輔助外圍電路保護,以及基于電機定子過流檢測及保護的方案,且開發了一套基于DSP的永磁同步電機直接轉矩控制系統,在此系統上進行了實驗研究。

?永磁同步電機的數學模型

  圖1  永磁同步電機直接轉矩控制矢量圖

永磁同步電機直接轉矩控制矢量圖如圖1所示。圖中:a — b一c為三相靜止坐標系,α軸指向實際定子繞組A相軸線;α-β為兩相靜止坐標系;dr一qr為以轉子電角速度ωr旋轉的兩相旋轉坐標系,dr軸指向轉子永磁體磁鏈ΨpM方向;ds一qs為以同步速ωs旋轉的兩相坐標系,ds軸指向定子磁鏈Ψs方向;θ為dr軸相對定子A相繞組α軸的轉子空間位置角;δ為定、轉子磁鏈Ψs與ΨpM間夾角,即電機功角。轉子dr一qr坐標系下永磁同步電機的數學模

糊[4]可表示為: (1)

  (2)

式中,Ld、Lq分別為dr、qr軸電感;np為極對數;ud、uq、id、iq、Ψd、Ψq分別為dr、qr軸的電壓、電流與磁鏈分量;Te為電磁轉矩;p是微分算子。

1.1  永磁同步電機DTC機理分析

   永磁同步電機DTC系統結構圖如圖2所示。

   DTC的工作原理是直接在兩相靜止坐標系下對電磁轉矩進行計算并實施控制,不像矢量控制需將定子電流分解來間接控制轉矩。DTC具體工作過程是在定子坐標系下觀測電機定子磁鏈和電磁轉矩,將觀測的磁鏈、轉矩與給定值比較,經兩值滯環比較器后得到磁鏈和轉矩控制信號,再根據定子磁鏈的空間位置,從事先定義好的開關表中選擇適當的空間電壓矢量,控制定子磁鏈的走向,從而控制轉矩。

   圖2永磁同步電機直接轉矩控制系統

1.2  永磁同步電機的磁鏈和轉矩控制

   根據坐標變換原理,定子電壓、磁鏈等量可在各坐標系之間相互切換,因此可得隱極PMSM在靜止坐標系α-β下的電磁轉矩為:  (3)

定子磁鏈的幅值為:  (4)

同步坐標系下ds一qs的電磁轉矩為  (5)

式中,Ψsa、Ψsβ分別為Ψs在α、β軸上的分量;isaiaβ婦分別為is在α、β軸上的分量。由于轉子磁鏈幅值ΨpM為常數,若保持定子磁鏈幅值|Ψs|恒定,則轉矩與sinδ時成正比,即可通過保持定子磁鏈幅值恒定,改變定子磁鏈旋轉速度和方向來瞬時調整功角,實現轉矩的動態直接控制。動態時,定轉子磁鏈以不同速度旋轉,δ發生變化;穩態時,定轉子磁鏈均以同步轉速旋轉,δ為常數。由于電氣時間常數遠小于機械時間常數,所以可通過改變Ψs的旋轉速度來改變δ,從而控制電磁轉矩Te的變化。

   忽略定子電阻的影響,定子磁鏈方程可表示為:  (6)

這表明可通過控制電機的輸入電壓us來使得定子磁鏈Ψs按一定的軌跡和速度來運動,從而達到控制轉矩的目的。為得到較好的轉矩和磁鏈控制效果,便于電壓矢量的選擇,將復平面分為如圖3所示的6個扇區,得到如表1所示的電壓矢量開關選擇表。其中φ=1,表示實際磁鏈小于參考磁鏈;τ=1,表示真實轉矩小于參考轉矩;而當φ=0或τ=0時相反。

  圖3  磁鏈矢量扇區劃分圖

表1  電壓矢量形狀選擇表

   在實際控制中,因系統離散化及DSP數字計算精度等原因,磁鏈矢量有時會落在扇區邊界上,如果處理不當,電機將不能正常運轉。若磁鏈矢量Ψs落在第1、2扇區間邊界上,即θi=30°時,若Φ=1,τ=1,可看出此時有效電壓矢量V3(010)比V2(110)能更快地增大轉矩。以轉矩迅速改變為原則,故選擇V3(010),由此可得扇區邊界上逆變器開關表2,用作表1的補充。

表2  扇區邊界補償電壓矢量開關表

2  實驗系統的故障檢測與保護

2.1  IPM保護

   IPM自身有欠壓保護、過熱保護、過流保護、短路保護等故障保護功能,但是其故障保護不是一致動作的,也就是說當某個管子保護之后,其它管子并不會同時保護,而且輸出的報警信號具有菲保持性,即僅僅靠IPM自身的保護功能來實現系統的保護可能會導致系統出現過流振蕩現象,直至模塊損壞。因此,僅靠IPM的自我保護功能不能完

全滿足實驗系統的要求。要保證系統安全可靠地運行,必須增加輔助保護電路。

   IPM故障信號UFO、VFO、WFO、FO合成后經光耦隔離給74HC74雙D觸發器鎖存。一路經處理后送給圖4所示的PDPI,把對IPM信號隔離的光耦TLP559供電電源VCC_C變為低電平,從而徹底封鎖PWM輸出;另一路使驅動PWM信號的74HC244輸出為高阻抗,從而封鎖PWM信號;還有一路經處理后送給電源設備保護中斷PDPINTA/B,產生硬件中斷,在軟件上封鎖PWM信號輸出。

    圖4 IPM保護電路

2.2  過流檢測與保護

   過流保護原理是檢測三相電流,與事先設定好的參考值相比較,如圖5所示。一旦出現過流情況,就鎖定過流信號,并輸出報警信號給系統,一路送給電源設備保護中斷PDPINTA/B,從軟件上封鎖PWM信號,另一路使驅動PWM的74HC244的輸出為高阻抗,封鎖PWM輸出;還有一路給PDPI,如圖4所示,把對IPM信號隔離的光耦TLP559供電電源VCC_C拉低,從而切斷PWM信號。

   但是電機在起動時電流很大,這時的電流很可能在短時間內過流,是正?,F象,為了防止這時出現的過流保護起作用,如圖5所示,可將雙口觸發器74HC74的清零端在這段時間內置為低電平,從而避免系統的誤動作。其有效時間為:

 圖5過流檢測原理圖

  因此本實驗系統的保護可以歸納為3個層次,依次是IPM自身保護、硬件保護和軟件保護,如圖6所示。

   圖6  系統故障檢測與保護框圖

 3  實驗結果

本實驗系統對永磁同步電機進行了直接轉矩控制的實驗。電機參數為:額定電壓EN=128V,額定電流IN=1 5.8A,額定轉矩TN=10Nm,額定轉數nN=2000r/min,額定功率PN=2kW,極對數np一3,交、直軸電感Ld=Lq=15.3mH,定子電陽Rs=0.56Ω,永磁體磁鏈ΨpM=0.1663Wb。

圖7為給定轉速1000r/rain,電機空載運行時定子電流波形。由于電機空載運行時,定子電流很小,疊加干擾分量,致使電流波形發生畸變。圖8是電機在給定轉速1000r/min,突加負載時的定子電流波形。

   從圖中可看出系統在突加負載時,能可靠工作。圖9是電機在給定轉速1000r/min,帶負載穩定運行時的定子轉矩、轉速波形。轉矩波形有脈動,這是傳統直接轉矩控制的固有特性。圖10為電機在1000r/min穩定運行時,定子磁鏈矢量軌跡,具有圓形特征,說明磁鏈中直流分量很小,系統可靠運行。圖11為負載轉矩從3Nm突變到1Nm時轉矩響應局部放大圖??煽闯鲛D矩動態響應時間約1ms。這表明直接轉矩控制具有優良的轉矩快速動態響應性能。圖12為負載給定為3Nm時,起動過程的轉速和轉矩響應波形。轉速上升迅速,說明系統具有快速的起動能力和良好的啟動特性,體現了直接轉矩控制的轉矩響應迅速的特點。

 4  結論

1)DTC策略用于永磁同步電機直接轉矩控制,同樣具有快速的動態轉矩響應特性(1ms),系統對參數攝動、外干擾具有很強的魯棒性。

圖7  給定轉速1000r/min時電機空載運行時定子電流響應

圖8  給定轉速1000r/min時電機突加負載定子電流響應

圖9  給定轉速1000r/min時帶負載穩定運行時定子轉矩(上)、轉速(下)響應

   圖10定子磁鏈軌跡

2)對磁鏈矢量落在扇區邊界上這種特殊情況,提出一種扇區邊界上逆變器開關表,作為系統正常開關表的補充。實驗表明電機的運行性能有了較大的改善。

   

圖11  負載從3Nm突變為1Nm轉矩響應

圖12  給定負載3Nm系統起動過程中

轉速(上)、轉矩(下)響應

   3)實驗系統可靠安全運行表明,本文提出的基于IPM的保護、以及定子電流的過流檢測和保護方案是可行的;系統設計思想是有效可行的。

   4)該設計方案可用于工業變頻器的設計。

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