永磁同步电机数字信号控制系统设计.docx
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永磁同步电机数字信号控制系统设计
永磁同步电机数字控制系统设计方案
本论文提出了一种采用TMS320C24x控制永磁同步电机,这种DSP家族新的处理器使得设计无刷电机的智能控制器更加有效,将提高其操纵性,采用更少的元件,更低的系统消耗和提高了其性能。
本文提出的控制方法依据矢量控制,这种算法保持很宽的速度响应,而且考虑了由于在旋转坐标系中直接控制磁通量产生的瞬时转矩变化。
在本论文中,采用了不同的高性能的算法。
本方案采用了很多方法以不采用相电流传感器的和采用了一个滑模观察器而达到无速度传感器控制。
1简介;
电机控制工业是一个非常富有竞争性的部门。
因为每个厂家为了保持竞争力,他们则需要降低成本和电力损耗、减少电磁辐射等措施。
这些限制因素迫切需要提高算法。
DSP技术提高了高性能同时也减少了系统损耗。
TI公司提高了一种新的DSP,TMS320C240,专门用来为电机数字控制。
该系统集成了16定点DSP内核处理器和外部设备在一个芯片上,成为新一代DSP处理器。
2DSP在电机中的控制
2.1电机控制趋势
传统的电机控制采用模拟元器件,这种方法易于实现和可以采用很便宜的元器件,但是将会有很多模拟系统带来的缺陷,时间和温度将使得元器件性能漂移而需要有规律的调节整定。
模拟器件误差很多而且升级非常困难,设计是非常辛苦的。
数字系统提高了设计性能没有漂移,系统升级可以通过软件升级,元器件数量也减少了。
数字控制器提高了速度,高处理性能和无传感器算法而降低了系统成本。
提高了更加精确的。
采用1个周期的乘法和加法单元提高了dsp的运算速度。
定点dsp更利于电机控制有两个原因:
第一,定点dsp比浮点dsp成本要低;第二,对于大部分电机来说16字节足够了。
如果需要,也可以通过软件来改变浮点数的位数。
2.2DSP控制器的好处
交流同步电机非常高的依赖其控制器,DSP控制器提高了算法的实时性,对无传感器控制也是而此。
集成化也减少了元器件和优化了设计从而降低了成本。
DSP处理器将处理而下事务:
1.在所有速度范围内进行有效控制;
2.采用高水平的算法降低转矩纹动,降低振动和延长寿命。
3.通过提高算法从而减少噪声,减少滤波成本。
4.采用无传感器算法取消了速度和位置传感器。
5.减少了查表的表格从而减少存储器
6.实时性好。
7.控制逆变开关和很高的PWM输出。
8.提供单片控制系统。
对于更高级的控制,DSP控制器同样可以做到:
1、对于多变量系统和复杂系统可以采用智能控制方法,比如神经网络和模糊算法;
2、采用自适应算法,DSP的处理速度可以同时观察和控制系统,实时动态的自适应控制系统变量。
3、提供FFT频谱观察诊断功能,通过观察机械振动的频谱,可以在前期接到预测出错误的模式。
4、提供毛刺陷波滤波器以消除窄带机械谐波。
陷波滤波器将消除可能使系统失稳和产生共振的的噪声。
2.3大范围的应用
1洗衣机,送风机,压缩机
2加热,通风,空调
3工业伺服(运动控制,自动刹车,起吊控制);
3TMS320C24X家族
首先它更加适用于数字电机控制,C240同样支持通讯的开关电源,控制算法,数据通讯,系统观测功能。
TMS320C24x是一个单片处理系统,20MIPS定点DSP内核,集成有几个微处理器外设比如存储器,脉宽调制(PWM)发生器,A/D转换,提供数字运动和电机控制应用。
C24结构图
一个非常好的事件管理模块只占用很少的CPU开销产生输出和获得输入信号,4个输入和12个PWM输出,3个独立的定时器输出,每个定时器输出有6个支持异步和同步的不同模式,定时输出接近50ns,3对互补的PWM采用50ns到102us的可编程的空隙带宽,支持空间矢量调节控制三相电能逆变器转换。
本配置保护一个看门狗定时器,一个实时中断模块,看门狗监视软件和硬件操作,支持CPu和其他不同步外围设备通讯的三针SCI通讯,28个独立编程的I/O端口。
4同步电机
4.1电动机
图电动机分类
在所有市场的电动机分为三类:
带换向器的直流电机,交流同步电机,交流异步电机。
在合适的控制下,这些电机产生转矩(非常小的转矩颤动)和采用直流或交流的正弦波激励。
本出研究的电机是交流电机,其速度直接由定子的频率和极对数决定。
4.2永磁电机技术
对于大部分电机,同步电机有两个基本部分,不动的是定子,动的是转子,一般转子在定子里面。
同步电机可以有不同的结构。
让电机转动需要两个磁通量,一个是来自定子一个来自转子,只有这样其他电机的配置才有可能。
三相定子电机是最普遍的,主要两种方法产生旋转磁通量,缠绕的线圈的转子从定子产生磁场和直接采用永磁材料自身产生固定的磁通量。
采用缠绕线圈的转子产生变化的磁场需要一个电刷,电刷寿命有限,这种电机受到限制。
永磁电机使得电机不采用电刷,也使得永磁同步电机可以有非常多的极对数,现在永磁极对数从2-50个,同样大的电流极对数越多转矩力将越大,但是又受到空间限制,所以转矩不再增长。
永磁电机相对缠绕线圈的转子电机更好地使用了空间,因而减少了转子铜损耗,高级的永磁材料如Sm2Co17或者NdFeB可以减少相当大的电机空间而保持很高的动力,在嵌入式系统中,对空间要求高的时候,永磁同步电机比有刷交流同步电机更受欢迎。
在高速另一,当容量达到极限,转子在角速度上将变弱,永磁同步电机在转变角速度的时候需要对转子去磁,而转子缠绕线圈的电机保持最高效率通过调节转子电流和磁通量。
所以在高速度高效率需要的调节下,转子缠绕线圈的交流同步电机更好。
图,一个极对数的三相同步电机
永磁同步电机要考虑两个配置,一个是产生电动势的波形形式:
正弦波和阶跃梯形波,另外一个是不同的控制策略(控制的硬件),本文,永磁同步电机采用正弦波。
5电动机控制的提高
5.1矢量控制方法
矢量控制是数量和相位上控制变量。
矩阵和矢量来代替控制量。
这种方法考虑实际的描述电机的数学公式,等式是基于空间相位理论的。
这种方法比一般的控制方法需要更大量的计算,这可以使用DSP中的计算单元运算,优点如下:
a,低速全部力矩能力,
b.更好的动态性能,
c极宽的速度范围内各速度点上高效的操纵性,
d减小力矩控制和磁通量的震波性,
e短时过负荷能力,
f四象限操作,
5.2矢量控制理论
矢量控制是控制电机的定子电流,以在旋转坐标系d,q中与转子磁通量矢量表示,定子电流在旋转坐标系中被分成如下:
d,q坐标系中定子电流和磁通量矢量和在α,β坐标系的关系
d,q坐标系变换对同步电机控制是非常重要的,这种电流控制需要知道转子瞬时位置ε,ε
易于测量,两种方法可以从三相电流ia,ib,ic计算得出.Isd,isq。
第一种方法:
利用中间坐标系α,β和相电流iα,iβ,这里认为
。
Isd和isq然后可以从iα&iβ通过ε推导出来,
第二种方法:
Isd和isq直接根据普遍的Park变换从
和
得到,
根据坐标变换,同步电机的电力力矩表示如下:
在
坐标系下简化如下:
电动机的转矩只依赖于q轴电流分量(转矩分量)。
这种矢量控制方法对于感应电机控制是一样的,只不过转子的位置参考角度,因而也不需要磁通量模型。
δ是电流负荷角度,δ=0表示没有负荷,δ=π/2(orisd=0)表示电机产生最大转矩的最佳状态。
矢量控制可以达到最佳的动态性能,主要的和干扰可以在很短周期时间内得到改善。
矢量控制对同步电机速度是个非常高效的控制方法,需要一个在很大速度范围内随负荷变化的速度可调驱动器。
它的优点就是把可测量的定子量转换到旋转坐标系,使得根据当前的点射角进行闭环精确控制。
最终一个相当简单的电机控制方法相似与一个分离的直流电机可以应用到同步电机中。
矢量控制下的三相同步电机控制结构图
系统中DSP的作用是把定子变量(电流和角度)转换成旋转坐标系中,同时与参考值比较,然后更新PI控制。
经过从转子到旋转坐标系到固定坐标系的逆变换,输出的电压使逆变器输出对称的,不对称的PWM或空间矢量,DSP计算出该脉宽模式。
在一些系统中,位置是由编码器测量的,这种额外的浪费可以由一个算法做成的观测器代替。
这种算法是复杂的需要很快的处理器,一个定点的DSP可以在很短周期内处理以上所有的控制。
这里讨论的矢量控制采用正弦或准正弦电流波,磁通量分布在绕子中。
在一些情况下矢量控制也采用反馈电动势波形激励。
5.2空间矢量调制
脉宽调制技术通常提供给电机控制的电流和电压,或者是相位信号。
这种方法在谐波电流尽可能小和尽可能大的输出电压交流设备上越来越得到应用。
总之,输出PWM方案是根据三相正弦曲线波形比较从而产生交换的位置模式。
最近几年,空间矢量理论可以改善输出电压的峰值和铜线的谐波损耗。
根据空间矢量理论产生的最大的输出电压是传统正弦波模式的1.155倍,它能够给电机比副振荡器方法更高的电压,这种调节器具有高速度下的高转矩,和高效率。
由
和相对应的补
信号组成的3PWM三相换流器,为了更好的力矩空间矢量过程,用Sa代表换流器A相的开关:
Sa=1表示A相上面的晶闸管导通,Sa=0表示下面的晶体管导通,同理表示B和C.
控制下面的晶体管,与
相反,一起构成死区。
注:
死区是同一时间同一相位的上下晶体管交换差额,同一个相位的两个晶体管不能在同一时刻同时导通。
死区的目的是保护电力装置传导的时候避免交迭从而产生过高的瞬间电流。
下面的
代表开关的相应状态,
的空间矢量组合图
根据空间矢量理论,电机电压矢量可以由6个功率管组成的8个开关模式近似达到。
Us分解为:
和
是两个连续的矢量,选择三阶矢量
或者
以减少开关导通状态,表示如下:
下PWM状态图
上例中,PWM是对称的,第一个半周期内,由U0和U60建立一个PWM,相应开关状态是(0,0,1)和(1,1,1)。
第二个半周期产生相反的PWM,这个产生PWM方法描述了θ在
范围内矢量
。
TMS320C240在硬件上集成了事件管理模块,大大简化了产生对称空间矢量PWM波形。
用户只要把上面提到的两个相邻的矢量(我们的例子是U0和U60)和旋转方向写入相应的寄存器,输出的控制信号将在瞬间更新。
5.3闭环系统下高速系统中场减弱
为了取得高速,定子电流频率要增加。
反电势Us与电机磁通量ψ和角速度成正比。
通常情况下电机磁通量保持为常数。
然后当Us达到电力逆变器输出的电压极限,定子极限速度也得到。
为了达到更高速度,磁通量要减少以获得相应角速度要保持反电势为一个常数,即其极限值。
高速度下场和电压变化图
实际上,如果我们认为定子电流在d,q旋转坐标系和在α,β静止坐标参考系,在低于最大输出电压下的速度,组好的选择是δ=±π/2和isd=0.磁场减弱效应可以在δ=π/2电流矢量,得到的在负d轴上的电流。
结果isq和转矩减小,以防不超过最大输出电流is_max
两种方法可以实现场减弱,简单的一种打开d轴电流闭环控制系统。
尽管这种方法非常简单,但是有很多缺点:
1参考电流等式必须在最坏情况下设置的,它与最低线电压匹配,使得高容量的逆变器低功耗使用。
2高速度的可靠性:
为了保证高速度,必须进一步减少逆变器的电压容量。
3电流的参考方程依赖与电机的电气特性,同时要考虑其的绝对误差。
闭环系统将避免这些缺点,它由一个调节电机的d轴和q轴电压的PI调节器构成,寄生虫新的参考坐标下的起磁电流。
这个图表探索了一个完全电压容量的逆变器,独立于线电压和电机特性。
5.5最大直流电压的逆变控制
由于供给电机的电压发生变化,而相电压保持常数,逆变器的直流电压通过闭环的比较调节器调节。
这种方法把电机作为一个闸,不需要镇流器对逆变器的电能消散掉。
通过直流电压的控制可以是电机消散掉制动能力。
通过这种方法,控制制动的最大力矩保持最大的直流电压输出。
这种算法需要A/D转换器输入电压,而且可以从磁通量和速度信号计算出电压,避免多余的电压传感器。
6传感器和无传感器算法
6.1电流的遥测和计算
在大部分逆变系统中,都需要相电流信息。
第一种方法是用传感器直接测量,但是这样会增加成本,至少两个传感器,这些传感器通常都很贵。
另外一个方法是,只测量线电流,评估三相电流。
这种方法需要一个简单的SHUNT作为传感器。
电流评估概要图
当我们直接控制逆变器的开关状态,可以知道通过逆变器输入电流确切的线路。
直接把相电流和线电流联系起来。
需要测量的相电流是实际电流而不是通过放在模型得出的输出。
测量过程是独立与逆变器硬件的输入输出的。
下图给出了开关状态:
三相星型线圈逆变器
根据以上例子描述开关状态(Sa,Sb,Sc)=(0,0,1),一相电流ic与直流线电流相关联。
因此三相电流可以测量,当仅考虑直流线电流。
如果脉宽调制周期频率足够高,相电流仅仅相差一到两个PWM周期。
因此测量相电流接近实际电流。
因此DSP获得三相电流只要一个A/D通道和少量的计算,一个电阻作为电流传感器用。
然而传统的方法需要2-3个A/D通道和两个独立的传感器。
永磁同步电机遥测电流方案
6.2使用速度传感器
两个传统的测量电机轴速度的方法,通过测速电机的编码器。
对于编码器TMS320C240包含一个模块,积分编码器(Q.E.P),可以很好的掌控电机转子的位置和计算速度,旋转方向,只需要两个数字输入和一个16或32字节的内部定时寄存器。
这里有几种测速发动机;一些内部有电压比例与电机速度,其他的每转一圈产生一些脉冲信号。
第一种情况,1/16A/D转换器输入连接测速发电机的输入。
其他的情况是,霍尔传感器产生脉冲信号,信号产生一个捕获信号和软件驱动器允许测量频率。
软件执行的时候需要在固定的时间间隔测量频率,时间间隔不超过最小测量频率周期。
一些人工技术加入到速度测量中。
速度测量倍变量记住,只有当电机速度下降到预先确定的速度时候,这个变量随新速度而更新。
这种方法允许用户执行速度快速倒退。
6.3无传感器的永磁同步电机控制
在一些系统中,条件限制,效率,可靠性,和机械性能和成本都非常重要,使用速度,位置和转矩传感器变得不可能,在这些情况下,必须的信息可以通过以动态的可变观察器得到。
这些测量有很多优点,比如鲁棒性和易于执行。
我们来考虑一种正弦曲线永磁同步电机,采用矢量控制,状态变量转化为相应旋转坐标系中与转子同步。
在旋转坐标系中,永磁同步电机像一个分离的分支直流电机,转子位置值强制来控制电机的速度,转化系统的变量,获得一个很高的效率,控制方案如下:
无速度传感器矢量控制的永磁同步电机驱动器方案
观测器是一个数学模型,需要参数和控制系统结构。
模型由可测量的输入驱动,其他的可以评估。
模型的实现可以通过输出的量和实际测量的输出量比较,调整模型消除掉二者误差。
比如,估计得到的电流î和测量到的定子电流i进行比较。
∆I乘于一个K然后转化为一个联系系统中,通过一个自适应的数字滤波补偿滤波器产生的相移。
计算结果是转子位置的正弦和余弦函数。
通过计算反电势得出位置,连续的方程式模型如下:
e反电势,z是滑模自适应观察反电势模型。
7研究实例
下面是一个永磁同步电机速度控制实例,电机与交流电压连接。
三相永磁同步电机驱动器
输入滤波模块包括硬件保护,EMI滤波和任意能量修正(PFC)。
PFC有主动的和被动支付,主动模式下可以完全由DSP控制,整流模块是为了获得从交流信号输入连续的电压,带有振荡回路电容器的单相输入桥。
需要一个三相逆变器产生可变幅度的相电压和频率,这种技术基于IGBT技术。
这个系统由DSPTMS320C240.速度由测速发动机测量输入,一个电阻分配器测量总线电压(VBUS),电阻传感器测量线电流(IBUS)以计算相电流,温度传感器。
控制器采用一些通讯方式通讯。
辅助的外设输入到逆变器和逻辑电路。
7.2控制方案
系统示意图
以上系统提供了一个完全系统架构图,无传感器控制永磁同步电机。
系统采用空间矢量PWM调节器,速度,磁通量和电路控制都采用PI调节模块,双精度整数部分,坐标转换模块是标准的模块,采用旋转角转换定子相电流在d-q坐标系中,为了减少传感器数,从直流总线电流计算出相电流,系统有一个电流计算模块,模块采用一个shunt,没有采用光学编码器单元,这些都可以由DSP控制器涉及到,没有速度传感器,位置传感器由滑模观察器代替。
7.3软件实现
推荐方案采用TMS320C240.处理器,所以控制方案采用汇编语言,定点精度数据。
控制算法采用DSP内部的定时器产生中断。
相电流遥测需要采样逆变器在一些PWM周期中测直流电流,采样实际根据不同的PWM模式选择,这个驱动另外一个转换器通过另外一个中断(比较寄存器中断),结果通过一个结束转换中断产生。
7.4一些成果
整个算法计算时间小于40us,逆变器切换频率是16hz,速度控制是2us,每28个周期计算一次,1.75ms。
相电流测量需要在PWM周期内采样逆变器电流,采样周期根据不同的PWM而变化,存储器空间ROM需要低于1.2k字,100字RAM,采用70%(14MIPS)的DSP控制器。
8结论
本文提出了一种采用DSP控制器结构控制永磁同步电机的方案。
TMS320C240和优化的外围设备,通过一个智能控制的方法减少了外围设备成本和驱动系统的可靠性。
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