北京永光高特微电机有限公司
Beijing  YongGuang  Micro-Motor  Manufacturing  Co.,Ltd.
 
新闻详情

基于DSP的永磁同步电动机直接转矩控制研究

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:362

摘  要:分析了永磁同步电机直接转矩控制的运行机理,提出了基于智能功率模块IPM的保护方案以及定子电流过流检测与保护方案,开发了一套基于TMS320F240的永磁同步电机直接转矩控制调速系统。实验表明,该系统具有优良的转矩快速动态响应特性,对系统参数摄动和对外干扰具有很强的鲁棒性。实验系统安全可靠运行表明该调速系统具有优良的故障检测和保护功能,硬件设计思想合理。

O  引  言

   永磁同步电机(PMSM)具有功率密度大、效率高、转子损耗小、可靠性高、动态性能优良等特点,在各种要求高性能传动的场合中得到越来越广泛的应用,有广阔的发展和应用前景。异步电机的直接转矩控制(DTC)是80年代中期提出的,目前已在感应电机上得到比较成熟的应用。将其控制思想应用于PMSM,也同样可以得到良好的动态性能。与传统的矢量控制相比,直接转矩控制摒弃了矢量控制的解耦思想,控制简单,转矩响应快,动态性能好。由于实验常遇到因触发脉冲状态不定和电机过流等问题,处理不当就会导致逆变器桥臂直通而烧毁功率模块或电机。本文在前人研究的基础上,提出了对IPM故障信号经行处理的辅助外围电路保护,以及基于电机定子过流检测及保护的方案,且开发了一套基于DSP的永磁同步电机直接转矩控制系统,在此系统上进行了实验研究。

Ø永磁同步电机的数学模型

  图1  永磁同步电机直接转矩控制矢量图

永磁同步电机直接转矩控制矢量图如图1所示。图中:a — b一c为三相静止坐标系,α轴指向实际定子绕组A相轴线;α-β为两相静止坐标系;dr一qr为以转子电角速度ωr旋转的两相旋转坐标系,dr轴指向转子永磁体磁链ΨpM方向;ds一qs为以同步速ωs旋转的两相坐标系,ds轴指向定子磁链Ψs方向;θ为dr轴相对定子A相绕组α轴的转子空间位置角;δ为定、转子磁链Ψs与ΨpM间夹角,即电机功角。转子dr一qr坐标系下永磁同步电机的数学模

糊[4]可表示为: (1)

  (2)

式中,Ld、Lq分别为dr、qr轴电感;np为极对数;ud、uq、id、iq、Ψd、Ψq分别为dr、qr轴的电压、电流与磁链分量;Te为电磁转矩;p是微分算子。

1.1  永磁同步电机DTC机理分析

   永磁同步电机DTC系统结构图如图2所示。

   DTC的工作原理是直接在两相静止坐标系下对电磁转矩进行计算并实施控制,不像矢量控制需将定子电流分解来间接控制转矩。DTC具体工作过程是在定子坐标系下观测电机定子磁链和电磁转矩,将观测的磁链、转矩与给定值比较,经两值滞环比较器后得到磁链和转矩控制信号,再根据定子磁链的空间位置,从事先定义好的开关表中选择适当的空间电压矢量,控制定子磁链的走向,从而控制转矩。

   图2永磁同步电机直接转矩控制系统

1.2  永磁同步电机的磁链和转矩控制

   根据坐标变换原理,定子电压、磁链等量可在各坐标系之间相互切换,因此可得隐极PMSM在静止坐标系α-β下的电磁转矩为:  (3)

定子磁链的幅值为:  (4)

同步坐标系下ds一qs的电磁转矩为  (5)

式中,Ψsa、Ψsβ分别为Ψs在α、β轴上的分量;isaiaβ妇分别为is在α、β轴上的分量。由于转子磁链幅值ΨpM为常数,若保持定子磁链幅值|Ψs|恒定,则转矩与sinδ时成正比,即可通过保持定子磁链幅值恒定,改变定子磁链旋转速度和方向来瞬时调整功角,实现转矩的动态直接控制。动态时,定转子磁链以不同速度旋转,δ发生变化;稳态时,定转子磁链均以同步转速旋转,δ为常数。由于电气时间常数远小于机械时间常数,所以可通过改变Ψs的旋转速度来改变δ,从而控制电磁转矩Te的变化。

   忽略定子电阻的影响,定子磁链方程可表示为:  (6)

这表明可通过控制电机的输入电压us来使得定子磁链Ψs按一定的轨迹和速度来运动,从而达到控制转矩的目的。为得到较好的转矩和磁链控制效果,便于电压矢量的选择,将复平面分为如图3所示的6个扇区,得到如表1所示的电压矢量开关选择表。其中φ=1,表示实际磁链小于参考磁链;τ=1,表示真实转矩小于参考转矩;而当φ=0或τ=0时相反。

  图3  磁链矢量扇区划分图

表1  电压矢量形状选择表

   在实际控制中,因系统离散化及DSP数字计算精度等原因,磁链矢量有时会落在扇区边界上,如果处理不当,电机将不能正常运转。若磁链矢量Ψs落在第1、2扇区间边界上,即θi=30°时,若Φ=1,τ=1,可看出此时有效电压矢量V3(010)比V2(110)能更快地增大转矩。以转矩迅速改变为原则,故选择V3(010),由此可得扇区边界上逆变器开关表2,用作表1的补充。

表2  扇区边界补偿电压矢量开关表

2  实验系统的故障检测与保护

2.1  IPM保护

   IPM自身有欠压保护、过热保护、过流保护、短路保护等故障保护功能,但是其故障保护不是一致动作的,也就是说当某个管子保护之后,其它管子并不会同时保护,而且输出的报警信号具有菲保持性,即仅仅靠IPM自身的保护功能来实现系统的保护可能会导致系统出现过流振荡现象,直至模块损坏。因此,仅靠IPM的自我保护功能不能完

全满足实验系统的要求。要保证系统安全可靠地运行,必须增加辅助保护电路。

   IPM故障信号UFO、VFO、WFO、FO合成后经光耦隔离给74HC74双D触发器锁存。一路经处理后送给图4所示的PDPI,把对IPM信号隔离的光耦TLP559供电电源VCC_C变为低电平,从而彻底封锁PWM输出;另一路使驱动PWM信号的74HC244输出为高阻抗,从而封锁PWM信号;还有一路经处理后送给电源设备保护中断PDPINTA/B,产生硬件中断,在软件上封锁PWM信号输出。

    图4 IPM保护电路

2.2  过流检测与保护

   过流保护原理是检测三相电流,与事先设定好的参考值相比较,如图5所示。一旦出现过流情况,就锁定过流信号,并输出报警信号给系统,一路送给电源设备保护中断PDPINTA/B,从软件上封锁PWM信号,另一路使驱动PWM的74HC244的输出为高阻抗,封锁PWM输出;还有一路给PDPI,如图4所示,把对IPM信号隔离的光耦TLP559供电电源VCC_C拉低,从而切断PWM信号。

   但是电机在起动时电流很大,这时的电流很可能在短时间内过流,是正常现象,为了防止这时出现的过流保护起作用,如图5所示,可将双口触发器74HC74的清零端在这段时间内置为低电平,从而避免系统的误动作。其有效时间为:

 图5过流检测原理图

  因此本实验系统的保护可以归纳为3个层次,依次是IPM自身保护、硬件保护和软件保护,如图6所示。

   图6  系统故障检测与保护框图

 3  实验结果

本实验系统对永磁同步电机进行了直接转矩控制的实验。电机参数为:额定电压EN=128V,额定电流IN=1 5.8A,额定转矩TN=10Nm,额定转数nN=2000r/min,额定功率PN=2kW,极对数np一3,交、直轴电感Ld=Lq=15.3mH,定子电阳Rs=0.56Ω,永磁体磁链ΨpM=0.1663Wb。

图7为给定转速1000r/rain,电机空载运行时定子电流波形。由于电机空载运行时,定子电流很小,叠加干扰分量,致使电流波形发生畸变。图8是电机在给定转速1000r/min,突加负载时的定子电流波形。

   从图中可看出系统在突加负载时,能可靠工作。图9是电机在给定转速1000r/min,带负载稳定运行时的定子转矩、转速波形。转矩波形有脉动,这是传统直接转矩控制的固有特性。图10为电机在1000r/min稳定运行时,定子磁链矢量轨迹,具有圆形特征,说明磁链中直流分量很小,系统可靠运行。图11为负载转矩从3Nm突变到1Nm时转矩响应局部放大图。可看出转矩动态响应时间约1ms。这表明直接转矩控制具有优良的转矩快速动态响应性能。图12为负载给定为3Nm时,起动过程的转速和转矩响应波形。转速上升迅速,说明系统具有快速的起动能力和良好的启动特性,体现了直接转矩控制的转矩响应迅速的特点。

 4  结论

1)DTC策略用于永磁同步电机直接转矩控制,同样具有快速的动态转矩响应特性(1ms),系统对参数摄动、外干扰具有很强的鲁棒性。

图7  给定转速1000r/min时电机空载运行时定子电流响应

图8  给定转速1000r/min时电机突加负载定子电流响应

图9  给定转速1000r/min时带负载稳定运行时定子转矩(上)、转速(下)响应

   图10定子磁链轨迹

2)对磁链矢量落在扇区边界上这种特殊情况,提出一种扇区边界上逆变器开关表,作为系统正常开关表的补充。实验表明电机的运行性能有了较大的改善。

   

图11  负载从3Nm突变为1Nm转矩响应

图12  给定负载3Nm系统起动过程中

转速(上)、转矩(下)响应

   3)实验系统可靠安全运行表明,本文提出的基于IPM的保护、以及定子电流的过流检测和保护方案是可行的;系统设计思想是有效可行的。

   4)该设计方案可用于工业变频器的设计。

联系方式
 
 
 工作时间
周一至周五 :8:00-17:00
 联系方式
于海腾:010-83971821
姜宇:010-83510840
周围:010-61402950