一种DSP控制的永磁同步电机控制系统硬件设计
日期: 2022/3/19 浏览: 5 来源: 学海网收集整理 作者: 多晓艳 李动
（衡水技师学院（衡水科技工程学校），河北省衡水， 053000）
基金项目：本文为河北省人力资源和社会保障课题《产教融合背景下技工院校实训体系构建-以工业机器人应用与维护专业为例》，课题编号“JRS-2021-7136”的研究成果。
摘要：为了改善永磁同步电机控制性能，本文以小功率电机为例，选取DSP芯片作为控制器，提出永磁同步电机控制系统硬件设计研究。该系统硬件主要由3部分组成，包括主功率电路、信号检测电路、系统供电电路，根据小功率电机作业控制要求，为各个电路选取元器件，讨论参数计算方法，并对系统设计方案加以测试分析。测试结果显示，本系统的调速作业静态性能和动态性能都很好，且满足稳压控制要求。
关键词：永磁同步电机；信号检测；功率驱动
永磁同步电机是一种作业效率较高、损耗偏低、体积较小、功率密度偏高的设备作业控制装置，在多个领域均有所应用[1]。例如，工业控制、机械制造等。为了充分发挥装置作用，需要为其配备相应的控制器，在该装置的驱动下开始高效运转[2]。目前，控制器的主要控制芯片以单片机或者DSP为主，相比之下，单片机的运算处理能力偏低，而永磁同步电机对于运算处理需求较高，所以DPS芯片成为了首要选择对象[3]。功率驱动单元作为重要组成结构，主要以IPM单元和IGBT单元为主，前者的电路相对简单，安全性能较高[4]。所以，本文尝试选择DSP作为核心控制芯片，利用IPM单元开发功率驱动模块，提出永磁同步电机控制系统硬件设计研究。
一、永磁同步电机控制系统架构设计
电机驱动控制系统主要利用DSP2812芯片进行控制，利用该芯片控制各个设备，而功率的驱动部分，则是利用IPM逆变器进行驱动，从而使得电机得以正常作业。如图1所示为电机控制系统整体架构。
图1 电机控制系统整体架构
该系统硬件架构主要分为两部分，其中一部分为控制硬件电路，另外一部分为功率驱动硬件电路。另外，辅助电路包括供电电路和信号检测电路。考虑到控制电路在作业期间容易受功率驱动电路中高压侧的干扰，所以本系统架构在两部分电路连接处增加了光耦隔离电路。本系统对于电机作业状态的控制，需要根据信号采集情况下达命令，为了实现信号处理，本系统增加了信号处理器，为其选取TMS320F2812作为核心控制芯片。对于逆变器的应用，则是以内部功率开关作为主要控制装置，通过调节电流幅值和频率，将电路中当前流动的电流转换为三相交流电源，以此驱动电机正常作业。
二、系统硬件电路设计
1、主功率电路设计
（1）整流电路
本系统选取小功率电机作为控制对象，搭建单相整流电路结构。向电路中接入220V交流电压，综合考虑二极管最大承受电源、直流母线电压波动、裕量设置等多项影响因素，系统作业电压应该在682V以上。电机开启作业瞬间，产生的电流会超出额定电流5～7倍，为了满足电路中电压和电流作业需求，最终选取KBRC3510整流桥电路作为电机控制电路。其中，额定电流为35A，额定电压为1000V。
考虑到电路中存在大容量滤波电容，系统上电瞬间会产生充电电流，由于这个电流较大，可能导致驱动回路发生短路问题，所以在此处添加限流电阻非常重要，起到一定电路保护作用。本系统针对此问题，增加了软启动电路。如图2所示为软启动电路。
图2软启动电路
图2中， 为继电器，与水泥电阻 并联，电容 和 均为大容量电解电容。该电路在开关作用下，下达控制继电器作业命令OPEN。为了暂态期间电路限流要求，本电路中添加的限流电阻 的功率偏小，选择 规格电阻作为限流电阻，采用串联方式，与直流母线建立线路连接，从而缓解主回路电流冲击问题。系统上电后，电流流经电阻 后，为电路中的电容充电。对于继电器闭合的操作，以线路中的动力电作为控制信号，如果监测到该信号，则延时500ms闭合继电器。
（2）滤波电路
为了电机作业稳定性，本系统硬件电路中添加了大电解电容，经过稳压滤波处理后，输出符合电机稳定作业的电压和电流。其中，电解电容的添加，可以采取吸收纹波能量方式，以0.5个周期作为计算周期，要求谷点电压 经过充电处理后电量可以得到电网峰值电压 对应的存储能量作为输出能量。以下为滤波电路能量关系计算公式：
公式（1）中， 代表电网频率； 代表电机额定功率； 代表峰值电压； 代表谷点电压。系统作业期间，要求电路中的纹波电压峰值不得超过40V，根据该要求，可以计算峰值电压和谷点电压：
， ，经过计算可以得到电容C为1116.84 。
线路经过滤波和整流处理后，产生母线电压最大值，该数值约为310V。为了满足电解电容控制需求，本系统在布设滤波电路时，选取规格为 电容连接到线路中，数量为2，采用的连接方式为并联，与直流母线两端点连接。另外，考虑到电解电容内部的电感参数较大，无法在高频环境中发挥作用，所以本系统在搭建滤波电路时，选择规格为 电容作为电路电解电容 ，该电容属于无级性电容，利用此电阻，滤除电路中的高频纹波。
（3）逆变电路
为了提升系统作业安全性能，本设计方案在系统硬件架构中添加了逆变电路，以PS21865作为控制器，结构如图3所示。
图3逆变电路
该电路中阻断电压最高值为600V，流经电流最大值为20A，输出功率大小为1.5kW。控制开关时间的设置，按键“开”时间设置 ，按键“关”时间设置 ，符合系统正常作业要求。该控制器内部分布多个IGBT，并且由多个逆变输入接口和输出接口与其他装置建立通信连接。其中直流母线的输入接口有两个，分别是接口P和接口N，逆变输出接口有3个，分别是接口W、接口V、接口U。其中，逆变接口与定子绕组连接。另外，线路中的故障信号输出端为 ，驱动信号输入端为 ， 相对应的桥臂电池地为 。
2、信号检测电路设计
（1）模拟信号与数字信号之间的转换
对于A/D转换，通过I/O接口，创建AD7606芯片的通信连接，实现模拟信号向数字信号的转换。该芯片支持200kb/s速率通信，可以高效处理数字信号，以并行处理的方式生成模拟信号。当CONVST引脚接收到高电平信号时，开始AD转换。
对于D/A转换，在DSP控制器串口部分连接AD5734芯片，将数字信号转换为模拟信号。该装置内部含有基准电压缓冲器，能够在当前电路环境中正常作业。
（2）检测电路
1）定子电流检测
本系统中永磁同步电机的连接方式为Y型，各线路电流之间的关系满足： 。因此，在检测定子电流时，只需要测量2相。本文以U相定子电流检测为例，设计检测电路。
该电路利用型号为CS040GT霍尔传感器采集定子电流，在一次侧输入的额定电流大小为 ，该电路环境下二次侧输出额定电压范围1.5～3.5V。两个参数之间的关系，运用软件模拟获取：
公式（2）中， 代表输出电压； 代表输入电流。
2）母线电压检测
本系统中三相定子电压，即U相、W相、V相，需要根据检测直流母线电压，结合观察当前逆变器开关作业状态计算获取。考虑到电路中的电压为直流电压，所以本系统采用电阻分压的方式采集电压信息。如图4所示为母线电压采集电路。
图4母线电压采集电路
该电路中，以直流母线电压限定范围，设定分压电阻数值，分别为 。前者为功率电阻，后者为贴片电阻。为了改善电路的阻抗性能和隔离作用，在分压电路后增加了电压跟随器，与模拟光电耦合器共同作业，调节电路中的隔离信号。该电路输出信号为模拟信号，经过A/D转换处理后生成数字信号，利用TMS320F2812计算信号数据。
3）转速检测
永磁同步电机对转速测量要求较高，普通的编码器不满足转速检测要求，本系统选择混合式编码器作为转速检测工具。
3、系统供电电路设计
本系统供电，选取直流电源作为系统中各个模块作业供电工具。为了避免各个模块之间的供电相互干扰，本系统供电采取相互隔离的方式供电，根据设备额定电压情况，分别为其配备供电电路，方案如图5所示。
图5 系统供电电路
三、系统测试分析
1、试验测试环境
本次系统测试主要是为了检验永磁同步电机控制系统功能，按照系统硬件电路设计方案连接硬件设备，搭建电机控制系统，该系统测试在CCSv3.3环境中开启。其中，电机作业功率为1.3kW，电路中连接的电机负载为1.5kW。关于电机的主要参数设置，包括额定转速、额定转矩、额定功率、额定电流和额定电压，参数数值依次为2500r/min、5 、1.3kW、5A、220V。
2、试验测试结果分析
本次试验中，设定电机的作业频率为10kHz，转速时间间隔设置为1ms，电流与电压的采样时间间隔为100 。根据电机作业环境需求，分别设置各个调节器参数数值。另外，给定电机转速750 ，单相交流电为150V。在定子磁链恒定情况下，利用示波器读取转速响应、转矩响应、直流母线电压、a相电流、稳态a相电流数据。
试验波形显示，转速响应上升耗费600ms，稳态误差和超调量都很小，产生的转矩脉动也比较小。由此可以判断，系统调速作业静态性能和动态性能都很好。另外，相电流波形与正弦规律相符，且母线电压输出波形未出现脉动，满足稳压控制要求。总体来看，本系统硬件设计方案，符合永磁同步电机控制要求，可以作为电机控制工具。
总结
本文围绕永磁同步电机控制方法展开研究，选择DSP控制器作为系统开发工具，尝试开发一套电机控制系统硬件设计方案。本系统开发以主功率电路、信号检测电路、系统供电电路为主，合理选择电路控制芯片，并为其搭建硬件电路。综合考虑系统作业对电路环境的要求，本系统添加了KBRC3510整流桥电路、软启动等多种电路。测试结果显示，本系统作业产生的稳态误差、超调量、转矩脉动较小，并且母线电压输出波形较为稳定，符合系统开发要求。
参考文献
[1]宋建国,苗世亮,张晨浩.基于DSP的双定子永磁同步电机控制系统设计[J].电力电子技术,2019,324(11):25-28,32.
[2]赵钢,朱奥辞,张世忠.基于HIL的永磁同步电机矢量控制系统的开发[J].电测与仪表, 2019,722(21):125-129,160.
[3]杨泽贤,朱雨菲,陈瑜涵,等.基于RTU平台的永磁同步电机无位置传感器控制算法[J]. 电机与控制应用,2020,361(1):32-38.
[4]孙宇航,姚文熙,吕征宇.基于电流估算的永磁同步电机伺服控制系统设计[J].微特电机, 2020,48(2):29-33.
