王偉洋，楊金波，張 錦，冀明路

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

0 引 言

內(nèi)置式永磁同步電機(jī)(以下簡稱IPMSM) 是由繞線轉(zhuǎn)子同步電動機(jī)發(fā)展而來[1]。它是用永磁體代替電勵磁系統(tǒng)，省去了集電環(huán)、電刷和勵磁繞組。與其他形式電機(jī)相比，IPMSM具有轉(zhuǎn)矩密度大、轉(zhuǎn)速范圍寬、效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)[2]，在電動汽車等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

IPMSM矢量控制系統(tǒng)具有高動態(tài)性、高準(zhǔn)確性和較寬的調(diào)速范圍[3]。本文分析了IPMSM矢量控制原理，設(shè)計了基于數(shù)字信號處理器(DSP)的矢量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子位置檢測、電流檢測、IGBT驅(qū)動、轉(zhuǎn)矩控制等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能夠?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有效控制，滿足電動汽車動力系統(tǒng)的要求。

1 IPMSM數(shù)學(xué)模型和矢量控制方法

1.1 IPMSM在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

IPMSM在d-q坐標(biāo)系下的電壓方程[3]：

(1)

磁鏈方程：

(2)

轉(zhuǎn)矩方程：

(3)

運(yùn)動方程：

(4)

式中：uq,ud為交、直軸電壓；iq,id為交、直軸電流；ψq,ψd為交、直軸磁鏈；Rs為電機(jī)相電阻；Lq,Ld為交、直軸電感；ψf為永磁體磁鏈幅值；ωe為電角頻率；B為阻尼系數(shù)；Tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;p為極對數(shù)。

穩(wěn)態(tài)時d-q坐標(biāo)系下主要矢量關(guān)系如圖1所示。

圖1 IPMSM坐標(biāo)系統(tǒng)

1.2 矢量控制方法

矢量控制又稱磁場定向控制，是IPMSM的數(shù)學(xué)模型通過坐標(biāo)變換到d-q坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)定子電流中勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量解耦。只需控制id,iq即可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制，使得IPMSM獲得類似于直流電機(jī)的控制性能[4-5]。

IPMSM通常采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制(以下簡稱MPTA)，通過合理分配id,iq，充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，在相同電流幅值下使得輸出轉(zhuǎn)矩最大，從而降低逆變器容量，提高系統(tǒng)效率。

當(dāng)IPMSM穩(wěn)定運(yùn)行時，忽略定子電阻，id,iq須同時滿足電壓極限橢圓和電流極限圓的要求。如圖2所示，當(dāng)ωe=ωe1或ωe=ωe2時，電流矢量is分別被限制在各自對應(yīng)的陰影區(qū)域內(nèi)。

(5)

(6)

MTPA控制和弱磁控制的計算過程較為復(fù)雜，很難在控制器中進(jìn)行實(shí)時計算。通常將相應(yīng)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的id,iq先計算出來，放入一個表格中，實(shí)際控制時采用查表和插值的方法來進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制。

圖2 電壓極限橢圓與電流極限圓

基于以上分析，IPMSM矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)由id和iq發(fā)生器模塊、電流PI調(diào)節(jié)模塊、坐標(biāo)變換模塊、SVPWM算法模塊、逆變器模塊等組成。id和iq發(fā)生器模塊根據(jù)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速給定經(jīng)查表計算出對應(yīng)的id和iq指令。id和iq給定與經(jīng)坐標(biāo)變換后得到的實(shí)際電流值進(jìn)行比較，經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)器后得到所需的d,q軸電壓。然后經(jīng)Park逆變換和SVPWM模塊產(chǎn)生6路PWM信號驅(qū)動逆變器工作，最終將電壓施加到電機(jī)上[7]。

圖3 IPMSM的矢量控制框圖

2 硬件電路設(shè)計

硬件系統(tǒng)由主回路、驅(qū)動電路、DSP主控單元、電流檢測電路，位置檢測電路、掉電存儲電路、通訊電路等部分組成。各部分電路互相配合，共同完成對電機(jī)的控制，總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

2.1 主回路

主回路包含母線支撐電容、三相逆變電路。該硬件系統(tǒng)主要用于控制100 kW大功率電機(jī)，輸出電流峰值在600A以上，為此選用2個600A/1200V的IGBT模塊并聯(lián)使用，以提高電流輸出能力。在大功率應(yīng)用場合，IGBT并聯(lián)方案相比單IGBT方案具有散熱效果好、布局靈活和性價比高的優(yōu)點(diǎn)。IGBT在電流較大時飽和壓降具有正溫度系數(shù)，這個特性也有助于IGBT并聯(lián)工作時實(shí)現(xiàn)均流。

2.2 DSP主控單元

DSP主控單元TMS320F28335是整個控制系統(tǒng)的核心，它主要負(fù)責(zé)信號采集、控制算法實(shí)現(xiàn)、參數(shù)管理、PWM信號生成以及與上位機(jī)通訊等工作。TMS320F28335不僅具有工作頻率高、運(yùn)算速度快、支持浮點(diǎn)運(yùn)算等特點(diǎn)，還提供了大量的外設(shè)資源，如AD轉(zhuǎn)換單元，ePWM單元、各種串行通訊單元(SPI，eCAN，IIC)，eQEP正交編碼器接口單元等。這些外設(shè)資源為電機(jī)控制提供了各類基本操作模塊，通過簡單配置寄存器即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，有助于電機(jī)控制系統(tǒng)的快速開發(fā)。

2.3 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路將DSP產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)隔離和放大后施加到IGBT上，控制IGBT通斷，從而輸出所需電壓。驅(qū)動電路以門極驅(qū)動光耦A(yù)CPL-344JT為核心，通過匹配必要的外圍器件來搭建。ACPL-344JT具有米勒電流箝位和軟關(guān)斷功能，提高了驅(qū)動電路的可靠性。除此之外，該芯片還能夠檢測IGBT飽和壓降和驅(qū)動電壓，當(dāng)飽和壓降過高或驅(qū)動電壓過低時輸出故障信號并關(guān)斷輸出，及時保護(hù)IGBT。門極驅(qū)動光耦的驅(qū)動能力一般較小，峰值電流不超過2.5 A，通常需要外加一級推挽電路以增加驅(qū)動能力。驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 IGBT驅(qū)動電路

因?yàn)椴捎肐GBT并聯(lián)方案，驅(qū)動電路應(yīng)盡可能保持一致以提高均流效果，因此采用2個IGBT共用一套驅(qū)動電路的方案。將每一個IGBT的柵極電阻拆成兩部分，分別連接到柵極和射極上，利用射極電阻的負(fù)反饋?zhàn)饔檬共⒙?lián)的IGBT的開通過程趨于一致，可進(jìn)一步改善動態(tài)均流。

2.4 電流檢測電路

IPMSM矢量控制需要測量各相電流進(jìn)行坐標(biāo)變換。根據(jù)電機(jī)最大工作電流，選用LEM公司900A量程的車用電流霍爾傳感器HAH1DRW 900-S，電流檢測電路如圖6所示。

圖6 電流檢測電路

電流霍爾傳感器采用5 V供電，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。當(dāng)電流為零時，傳感器輸出2.5 V電壓；當(dāng)電流在±900 A范圍內(nèi)變化時，電流傳感器輸出電壓范圍是0.5～4.5 V。電流檢測電路接收電流傳感器的信號并經(jīng)過運(yùn)算放大器進(jìn)行分壓，將其轉(zhuǎn)化為0.3～2.7 V以內(nèi)的信號，以滿足DSP對輸入模擬電壓0～3 V的要求。圖6中2個二極管起嵌位作用，防止電壓超過A/D接口電壓范圍。

2.5 位置檢測電路

車用驅(qū)動電機(jī)通常采用旋轉(zhuǎn)變壓器來檢測轉(zhuǎn)子位置。位置檢測電路應(yīng)能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變壓器所需要的激磁信號，并根據(jù)其反饋的正余弦信號進(jìn)行解碼，算出轉(zhuǎn)子位置。位置檢測電路如圖7所示。AD2S1205是具有12位分辨率的專用旋轉(zhuǎn)變壓器軸角轉(zhuǎn)換芯片，芯片上集成可編程正弦波振蕩器，可為旋轉(zhuǎn)變壓器提供正弦波激勵。軸角轉(zhuǎn)換器可以將正弦和余弦輸入端的信息轉(zhuǎn)換為輸入角度和速度所對應(yīng)的數(shù)字量，并通過SPI串行接口將位置信息反饋給DSP。AD2S1205激磁信號驅(qū)動能力較弱，無法直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)變壓器，且對輸入信號幅值范圍有一定要求。因此，通過一個緩沖電路對激磁信號進(jìn)行放大同時提高其驅(qū)動能力，以保證特定變比的旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號能夠滿足軸角轉(zhuǎn)換芯片的要求。

圖7 位置檢測電路

2.6 存儲與通訊電路

DSP通過IIC總線與EEPROM相連，將電機(jī)控制所需的參數(shù)都保存在EEPROM中，保證參數(shù)值在下次上電后保持不變。

控制系統(tǒng)通過CAN通訊與上位機(jī)相連。CAN通訊電路由高速光耦和CAN收發(fā)器及必要的外圍器件組成，通訊速率最高可達(dá)1 Mb/s。

3 軟件設(shè)計

IPMSM控制系統(tǒng)的主要功能通過DSP軟件編程實(shí)現(xiàn)，控制軟件由主程序和中斷服務(wù)子程序構(gòu)成。主程序完成系統(tǒng)及PWM，AD，SPI，CAN等模塊寄存器的初始化、變量及控制參數(shù)初始化、通訊等功能。主程序流程如圖8所示。在完成各類初始化操作后，程序?qū)⑦M(jìn)入一個無限循環(huán)，不斷接收上位機(jī)的控制指令并將電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流、溫度等重要信息發(fā)送給上位機(jī)。

圖8 主程序結(jié)構(gòu)流程圖

電機(jī)控制策略的實(shí)現(xiàn)過程在中斷服務(wù)程序中完成。中斷服務(wù)程序流程如圖9所示。進(jìn)入PWM周期中斷后，首先對電機(jī)相電流和母線電流進(jìn)行采樣，并讀取軸角轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的位置信息，然后計算出電機(jī)當(dāng)前速度并對電流進(jìn)行坐標(biāo)變換。根據(jù)各變量的值判斷電機(jī)是否處于過流、超速等故障狀態(tài)。如電機(jī)處于故障狀態(tài)，則立即關(guān)斷PWM輸出;如電機(jī)運(yùn)行正常，則根據(jù)轉(zhuǎn)矩指令和當(dāng)前轉(zhuǎn)速計算出電流指令值，經(jīng)電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器、電壓坐標(biāo)變換和SVPWM調(diào)制后產(chǎn)生所需的PWM信號。

圖9 中斷服務(wù)子程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，被控電機(jī)通過扭矩儀與一臺加載電機(jī)連接，被控電機(jī)工作于轉(zhuǎn)矩模式，加載電機(jī)工作于轉(zhuǎn)速模式。被控電機(jī)額定功率100kW，額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩955 N·m，額定電壓576 V(DC)，極對數(shù)6。通過加載系統(tǒng)將電機(jī)穩(wěn)定在特定轉(zhuǎn)速，控制器根據(jù)指令驅(qū)動被控電機(jī)輸出指定轉(zhuǎn)矩。圖10為1 000 r/min,1 000 N·m工作點(diǎn)的三相電流波形，圖11為此時的電壓電流矢量圖。從圖10、圖11可以看出，電流波形保持正弦，三相電壓和三相電流矢量各維持120°的相位差，具有較好的對稱性，電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

圖10 三相電流波形

圖11 三相電壓、電流矢量圖

表1列出了不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩。圖12為電機(jī)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速-最大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速-最大功率外特性曲線。隨著轉(zhuǎn)速的上升，電機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩逐漸下降，但是在1 000 r/min以上，電機(jī)輸出最大功率基本可以保持不變，維持在最大功率點(diǎn)附近，符合電機(jī)高速恒功率輸出的特點(diǎn)。

表1 不同轉(zhuǎn)速下的最大轉(zhuǎn)矩與機(jī)械功率

圖12 額定電壓下的電機(jī)外特性曲線

5 結(jié) 語

在分析IPMSM數(shù)學(xué)模型和矢量控制原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合車用驅(qū)動電機(jī)的使用要求，以TMS320F28335為主控芯片設(shè)計了IPMSM控制系統(tǒng)的軟、硬件。該控制系統(tǒng)能夠采集電流、位置等反饋信息，按上位機(jī)指令進(jìn)行運(yùn)算，輸出所需電壓，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計的電機(jī)控制系統(tǒng)能夠有效控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能夠維持一定的輸出功率，滿足車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

[1] 暨綿浩，曾岳南，曾建安，等．永磁同步電動機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)綜述和展望[J] ．電氣時代，2005，25(5)：20-23．

[2] 錢昊，趙榮祥．永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)[J]．農(nóng)機(jī)化研究， 2006(2)： 90-91．

[3] 王秀和．永磁電機(jī)[M]． 2版．北京：中國電力出版社，2011：290-316．

[4] 王成元．現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)[M] ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：106．

[5] 張鵬．永磁同步電動機(jī)弱磁調(diào)速控制方法的研究[D]．天津：天津大學(xué)，2007．

[6] LAKSHMI N S，ADHAVAN B，JAGANNATHAN V，et al．Reduction of transient and steady state speed pulsation in permanent magnet synchronous motor using Space Vector Pulse Width Modulation control[C]//2013 International Conference on Circuits，Power and Computing Technologies (ICCPCT)．IEEE，2013：252-257．

[7] YIFA S，WENZHEN Z， ZHENNAN H， et al． Field weakening operation control of permanent magnet synchronous motor for railway vehicles based on maximum electromagnetic torque at full speed[C]//2010 29th Chinese Control Conference (CCC)．IEEE，2010：1608-1613．