基于双模过调制的PMSM控制系统研究与实现

2018-09-05刘细平罗振华刘章麒

微特电机 2018年8期

凌涛，刘细平，罗振华，李亚，刘章麒

(江西理工大学，赣州 341000)

0 引言

随着科技的不断进步，永磁材料的性能也取得了突破性进展，永磁同步电机(以下简称PMSM)是一类利用永磁体提供励磁磁动势的特种电机，具有结构简单、全工作区域高效和动态性能良好等优点。相较于传统电励磁，PMSM转子无绕组及无电刷，易于维护，效率高[1]，且采用矢量控制系统可对PMSM实现精确控制，具有高动态性能和较宽的调速范围，已广泛运用于各类交流传动系统中。

在基于传统SVPWM的PMSM矢量控制系统中，逆变器的输出线电压基波理论最大值为直流侧电压，但由于桥臂器件开关死区的存在会引起电压偏差[2]，从而使逆变器实际输出的基波电压幅值比理想情况有所减少，最终导致实际电压利用率很难达到理论值。为了提高电压利用率，减少损耗，文献[3]提出了一种利用多相SVPWM控制的优化方法，通过抑制共模电压提高电压利用率，但该方法实现过程较为复杂。文献[4]提出了一种SVPWM过调制方案，通过增大调制度来解决利用率问题，但是会使电流、磁链跟踪能力变差，影响系统运行性能。

本文在研究PMSM过调制的基础上，设计一种双模过调制方案，将过调制区域分为过调制模式Ⅰ和过调制模式Ⅱ[5]，分析2种模式下的各矢量作用时间及期望合成电压矢量角度切换等，以进一步有效提高直流母线电压利用率[6]。同时，以一台24 V，500 W PMSM为控制对象，设计一套基于STM32+DRV8301的PMSM控制器，通过实验验证双模过调制算法的可行性。

1 PMSM控制系统硬件

1.1 PMSM结构

PMSM与传统电励磁同步电机类似，都由电枢绕组和定子铁心构成，主要区别在于PMSM励磁绕组由永磁体代替。

按照永磁体在转子上的位置不同，PMSM的转子可分为表贴式和内置式。表贴式PMSM永磁体安装在转子表面，一般为瓦片状，提供径向磁通，且Ld=Lq。内置式PMSM的永磁体位于转子内部，通常为条状，转子磁路结构不对称，故Ld

(a) 仿真模型

(b)实物图1 内置式PMSM

1.2 控制器

1.2.1 驱动模块

驱动模块采用TI公司的DRV8301为驱动芯片，芯片外围电路如图2所示。该芯片提供3个半桥驱动器，每个驱动器都可驱动一个桥臂上的2个开关管，支持峰值达2.3 A灌电流和1.7 A的拉电流能力，且支持的电压范围为6 V～60 V。相较于一般驱动芯片，DRV8301独特的自举栅极驱动器可在电机控制时达到100%占空比。

图2 DRV8301外围电路

逆变电路采用IRF1010E型MOSFET，最大工作电压60 V，漏极电流最高可达84 A，为了保证拥有足够的电流输出能力，驱动模块采用双管并联结构[8]。电机相电流采样方面，在三相驱动电路的其中两相下桥臂分别串联一个采样康铜丝，通过换算康铜丝两端的压降即可得出电流。当康铜丝两端的压降即相电流达到设定值时，压降信号经运放产生一个高电平送到CPU捕获端口，从而便于控制系统做出相应保护处理，其中A相逆变电路如图3所示。

图3 A相逆变电路图

1.2.2 控制模块

PMSM控制模块多选用DSP为主控芯片，在一些对控制要求更高的工业伺服场合已采用DSP+FPGA组合，即利用DSP强大的数字信号处理能力来进行算法处理，FPGA用来处理底层逻辑转换[9]。但在对控制要求不是很高的场合，比如家用电器等领域，采用DSP无疑将增加成本。随着电子技术的发展，一些芯片厂商陆续推出了基于ARM的电机控制专用芯片，如意法半导体公司的STM32系列和英飞凌的XMC等系列芯片，都针对电机控制专门增强了相关外设，满足大多数电机控制要求。本文采用STM32F103ZET6作为控制模块主芯片。

1.2.3 人机交互模块

为了读取系统各参数，便于实验调试，设计了人机交互模块。选用12864液晶显示屏为显示单元，其具有显示参数多、成本低等优点，并采用6个按键来实现电机加减速、正反转和起停的控制。由于12864具有20个引脚，在实际控制时需要CPU提供多个驱动信号，并且按键也需要占用CPU资源，因此采用CH454为显示屏和按键的控制芯片，能够大量减少人机交互对CPU资源的占用。

2 PMSM控制策略

PMSM控制策略采用矢量控制，其控制系统结构框图如图4所示，在三相坐标系上将定子三相电流通过坐标变换和磁场定向分解为励磁分量和转矩分量，并实现解耦。系统采用id=0控制方法，此时励磁分量为零，电机等效于一台他励直流电机，定子电流中只有转矩分量，电机输出转矩仅与转矩电流iq有关，故具有与直流电动机一样的控制特性。电机在d，q坐标系下的电磁转矩方程：

图4 矢量控制系统结构图

Te=pφriq

(1)

2.1 转子定位设计

在电机初始化工作时，其转子初始位置的确定为必不可少的的环节，若转子初始位置检测错误，将严重影响转子位置的实时计算，以致无法正确完成电机控制的其他程序，造成电机运行紊乱。常用的位置检测元件多是编码器、霍尔传感器，或是两者结合使用。本文PMSM采用增量式光电编码器来检测转子位置。

转子初始位置检测即为检测转子d轴与定子α相绕组轴线之间的初始位置角，理想情况下是编码器的零位置与定子α相绕组轴线对齐，然而实际上编码器均为随机安装，其初始位置角并不固定。常用的检测方法有定子侧高频注入法、二分法和直流拉入法等[10]，本文采用闭环直流拉入法。图5为定位示意图，图5(a)中转子处于一个未知的位置，此时给定子通入一个直流电流is，其β轴分量为0，α轴分量等于电机额定电流，将会产生一个以α轴为轴线的磁场，并与转子磁场产生作用力，将d轴拉到α轴位置，使其与α轴重合，见图5(b)。

(a) 转子定位前

(b) 转子定位后图5 转子定位过程

2.2 双模过调制设计

为使PMSM能在基速以上运行，须采取弱磁控制，但会降低电机的输出转矩[11]，电机的输出转矩与电机定子侧电压有关。在逆变器输入电压一定的条件下，要提高电机的转矩大小，需要采用SVPWM过调制方法来提高电机定子侧电压，使其非常接近驱动器的输入电压，从而增大电压利用率[12]。

三相桥式逆变器按照三三导通方式共有8种开关状态，通过这些开关状态可组合成8个基本电压矢量，其中包括6个有效矢量(U1～U6)和2个零矢量(U0，U7)，SVPWM基本电压矢量定义如图6所示。

图6 SVPWM基本电压矢量

假设期望合成基本电压矢量位于图6的第一扇区内，设T1为矢量U1作用时间，T2为矢量U2作用时间，T0为零矢量作用时间，采样周期为Ts。则基本电压矢量作用时间T1，T2和T0分别如下：

定义调制度M：

(3)

在线性调制区内，有0≤M≤1。SVPWM调制的电压利用率m=输出线电压有效值/直流母线电压，即：

(4)

则相应的电压利用率有0≤m≤ 0.707。

随着期望电压矢量幅值的增大，SVPWM调制就会出现过调制。当期望合成电压矢量的幅值位于正六边形内切圆和其外接圆区域之间时，称为过调制模式Ⅰ，如图7所示。当期望合成电压矢量完全超过正六边形外接圆时，如图8所示，称为过调制模式Ⅱ[13]。在过调制时，实际输出的电压矢量幅值将比期望合成电压矢量要小，因而要使实际输出的电压矢量与期望合成矢量相等，须进行过调制控制。SVPWM过调制的原则是输出电压基波相等[14]，所以需在相应范围内对电压矢量进行调整以达到实际输出电压矢量与期望合成电压矢量相等目的。

(a) 转子定位前

(b) 转子定位后图7 过调制模式Ⅰ

(a)

(b)图8 过调制模式Ⅱ

在图7(a)的过调制模式Ⅰ中，期望合成电压矢量幅值介于正六边形内切圆和正六边形外接圆之间，对超过正六边形区域的部分，逆变器实际输出是达不到的。因此，需将期望合成的电压矢量控制在最大值只落在正六边形边上。如果期望合成电压矢量在正六边形与内切圆之间时即(0≤θ≤φ)∪(π/3 -φ≤θ≤ π/3) ，则通过减小其幅值，进行线性调制，从而使期望合成电压矢量与逆变器实际输出电压矢量相等。假设期望合成电压矢量位于第一扇区，则此时基本电压矢量作用时间T1，T2：

(5)

(6)

此时根据式(6)，基本电压矢量工作时间T1，T2：

(7)

根据定义，在过调制模式Ⅰ中，有1

当期望合成电压矢量Ur幅值不断增大直至完全超过外接圆时，此时系统进入模式Ⅱ，如图8(b)所示，电压矢量Ur从水平位置开始逆时针旋转。如果此时Ur位于图8(b)中的三角形ABD边上时，即φ≤θ≤ π/3,则图中的黑色粗实线即为逆变器实际输出的电压矢量轨迹；期望电压矢量Ur继续旋转，当在三角形ABD外时，则调整后的电压矢量轨迹到达A点。若期望合成电压矢量继续不断增大，直至幅值超过OD，此时逆变器将工作在方波状态。

当期望电压矢量Ur旋转到图8(b)中的b点即0≤θ≤φ时，基本电压矢量作用时间：

(8)

如果期望电压矢量Ur从b点旋转到a点即φ≤θ≤ (π/3-φ)时，基本电压矢量作用时间：

(9)

(10)

根据定义，在过调制模式Ⅱ中，有1.155 ≤M≤2，此时逆变器最大输出线电压有效值为0.78Ed，因此在该模式下，电压利用率最大为0.78。

根据上述分析，在实际编程时，只需判断零矢量大小来确定是否进入过调制以及进入何种过调制模式，其算法简单，编程易于实现。

3 实验结果

为了验证上述控制系统的效果，在一台24 V，500 W、4对极、额定转速3 000 r/min的PMSM上进行了实验，实验平台如图9所示。

图9 实验测试平台

实验测试了未加过调制算法和加过调制算法2种状态下的电机运行情况。其中每种运行状态分别在1 500 r/min和3 550 r/min 2种不同转速下进行了实验。电机起动前，首先对转子进行定位，由于实验电机为4对极，所以电机转一个机械周期的电角度为1 440°，通过串口读取定位后电机运行的角度数据，再导入MATLAB软件用PLOT函数绘制的角度波形，如图10所示。