大扭矩永磁同步电机线性化驱动系统设计郝雪梅大庆石化公司炼油.doc

大扭矩永磁同步电机线性化驱动系统设计 郝 雪 梅 （大庆石化公司炼油厂，黑龙江 大庆 163714） 摘要：传统异步电机拖动系统中的齿轮减速结构复杂、设备成本高、传动效率低。文中 设计了基于DSP数字信号处理技术和大扭矩永磁同步电机技术相结合的数字化驱动系统。 该系统采用STM32处理器，结合PMSM的永磁特性、空间磁场定性控制技术，构建了高性 能、低成本的控制系统。 关键词：DSP； 永磁同步电机； 驱动系统； STM32 永磁同步电动机以其体积小、效率高、功率密度大等优点而成为最具竞争力的电动汽车牵引电机，目前在电动汽车上已得到了广泛的应用。永磁同步电机组成的闭环调速系统可以实现优良的动态性能、高精度和很宽的调整范围，在要求高性能、快速响应的场合具有很好的应用前景[1]。 在加入了DSP数字信号处理技术后的数字化伺服驱动系统不仅改善了传统模拟驱动系统的低效率、低可靠性、分散性大等缺点，还更好的发挥了数字化控制技术在控制精度、灵敏度上的优势，使得驱动系统结构更加简单、性能却更加可靠，充分体现了数字化伺服控制系统的灵活性。 1 PMSM的矢量控制原理 假设电机的磁路不饱和，且磁滞和涡流损耗不计，空间磁场呈正弦分布的条件下，在同步旋转的d-q坐标系中, 对于永磁同步电动机, 采用磁场定向控制时,即id≡0,时的电机的数学模型为[2]： u=Ri+LPi+e u=-ωLi =(3/2) Ψ =Jp(ω/)+(ω/)+ 式中 i、i和u、u分别为d-q坐标下的电流和电压，ω为电角速度，p是电机极对数，J是转动惯量，为电机负载转矩，Ψ是电机转子永磁体产生的磁链。其矢量控制原理见图1。 图1 大扭矩永磁同步电机矢量控制原理 2 系统设计 该设计采用的是STM32-F103VCH6主控技术芯片加上PM800HSA120智能功率模块为系统核心，硬件部分的组成主要有处理器模块和检测模块，主要包括霍尔电流检测、旋转变压器接口电路；主电路，主要由整流、软启动、滤波、制动电路、开关电源及其他模块由多路AC /DC 转换、直流母线电压保护、温度检测保护等电路组成[3]。该系统的控制过程包括7项内容。 （1）对三相定子电流的测量，能够得出i和i的大小，再通过三相电流矢量和为0的关系可以得出i的值。 （2）三相电流经过CLAREK变换到二轴系统，得到变量i和i，二者是相互正交的电流矢量。 （3）按照控制环上一次迭代计算出的变换角，来旋转轴系统使之与转子磁通对齐和变量经过 Park 变换可得到 和 IqId和 Iq为变换到旋转坐标系下的正交电流，在稳态条件下，Id和 Iq是常量4）误差信号由 Id和 Iq的实际值和各自的参考值进行比较而获得。Id的参考值控制转子磁通; Iq的参考值控 制电机的转矩输出误差信号是到PI控制器的输入控制器输出的 Vd和 Vq为要施加到电机上的电压矢量θ，其中iα、iβ、Vα和Vβ通过使用新的角度θ，可将PI控制器的VdVq输出值逆变到静止参考坐标系，经Park逆变换计算出下个正交电压值Vα和VβVα和 Vβ 的值经过 Clarke 逆变换得到 3 相值 Va、Vb和 Vc，该 3 相 电压值可用来计算新的PWM占空比值，已生成所期望的电压矢量逆变主电路为交—直—交电压型，整流侧为单相二极管不可控型。这种方式不仅控制简单，而且系统 具有较高的功率因数。为减小装置体积，减少谐波，提高电流波形质量，逆变功率元件采用第代智能功率模块PM20CSJ060。该模块为六合一封装，内部为三相桥式电路结构，内部集成了高速、低功耗的IGBT芯片及其驱动、保护电路。此外，该模块还集成了过热和欠压锁定保护电路，使得系统的可靠性得到进一步提高［］。 控制电 路上的STM32F103芯片输出的空间矢量信号SVP-WM经光耦6N136实现对IPM隔离驱动，再将整流滤波后的直流电压逆变为所需的高频交流电驱动永磁同步机。系统主电路图。 4 系统软件设计 系统软件主要由主程序和中断服务程序构成，其中主程序完成各种软硬件的初始化、电机初始位置检测和电机启动等，中断服务程序包括PWM 中断子程序和外部中断保护子程序等［］ 图3 PWM服务程序 5 结束语 基于DSP数字信号处理技术应用在STM32的大扭矩永磁同步电机的线性化驱动系统，实现了STM32 处理器模块、增益可调的电流检测电路、旋转变压器接口电路、IPM驱动保护电路的联动优势。采用矢量控制方法，保证了永磁同步电机速度和转矩控制，为大扭矩永磁同步电机驱动控制提供了稳定可靠、高性价比的技术方案。 参考文献： [1] 李永乐交流电机数字控制系统北京机械工业出版社，2002．刘铁湘陈林康，曾岳南SVPWM 永磁同步电机矢量控制系统建模与仿真电力科学与工程2004：31-34. [4] 宋保维，徐德民.系统可