基于滑模直接转矩的PMSM实验平台设计与实现

王业钧,杨德航,李亚楠

(1.多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室,湖南 邵阳,422000;2.邵阳学院 电气工程学院,湖南 邵阳,422000;3.邵阳资水科技有限公司,湖南 邵阳,422000)

随着电力电子技术与智能技术的发展,机器人技术得到了广泛的应用[1]。电机控制技术作为机器人驱动与控制的主要方法之一,成为国内外学者研究的焦点。永磁同步电机具有体积小、功率密度大、可靠性高等优越性能逐渐成为市场的主流[2]。本文设计实现了基于数字信号处理器(digital signal processing,DSP)的永磁同步电机实验平台。该平台以TMS320F28335DSP为核心[3],设计开发了驱动单元、光耦保护单元、整流滤波和逆变电路等硬件模块,还设计开发了基于DSP代码生成程序和上位机监控界面等软件平台[4-6]。实现了永磁同步电机基于滑模变结构直接转矩控制策略的实验。为开展高性能控制策略提供了较好的实验条件[7]。

1 PMSM基于滑模变结构的直接转矩控制

1.1 PMSM数学模型

d-q轴坐标系下永磁同步电机的定子电压方程为

(1)

电磁转矩方程为

(2)

磁链方程为

(3)

运动方程为

(4)

式中:ud、uq和id、iq分别为定子电压、d-q轴电流分量;ψd、ψq分别为定子磁链的d-q轴分量;Ld、Lp分别为轴电感、交轴电感;TL、Te分别为负载转矩、电磁转矩;ωe、ωm分别为电角度、机械角速度;R为定子电阻;J为转动惯量;B为阻尼系数;P为电机的极对数;ψf为永磁体磁链。

由于永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)的定子电感Ld=Lq,且采用id=0的控制方法,则电磁转矩方程可变为

(5)

1.2 直接转矩控制器设计

在d-q轴坐标系下,三相PMSM电磁转矩Te的公式如下:

(6)

ψr=ψd,定子磁链幅值可表示为

(7)

动态系统中,滑模控制算法数学模型可描述为

(8)

模型中的滑动变量函数与导函数的表达式

(9)

定义磁链的滑模面函数为

(10)

根据滑模原理设计的磁链环控制器的公式如下:

(11)

(12)

式中:Kp、Ki为待设计参数,且Kp、Ki为正数。

同理,根据滑模原理设计的转矩环控制器公式如下:

(13)

(14)

式中:ST为转矩的滑模面函数。

令r=0.5,优化后的直接转矩控制模型框图见图1。

图1 基于滑模控制的直接转矩框图Fig.1 Direct torque block diagram based on sliding modecontrol

2 实验平台硬件电路设计

2.1 逆变电路

实验平台中的逆变电路部分是核心部件之一。逆变电路是将控制电路中的直流电转变为频率和电压都能任意调节的交流电。控制电路采用电压空间矢量脉宽调制(space vector pulse wdth modulation,SVPWM)控制技术,控制6个绝缘栅双极型晶体管(isulated gate bipolar tansistor,IGBT)功率开关管的交替导通和关断。

IGBT是全控型电压驱动式功率半导体器件,它具有自关断、开关速度高、载流密度大、驱动功率小等特点。但IGBT的热时间常数较小,若承受较大过载,会迅速发热而大幅降低其最大输出电流能力。因此,在实际选择功率元件时应留有足够的余量并配备良好的冷却措施,故在6片IGBT上都加装了散热片。

2.2 光耦隔离电路

为增强实验平台的信噪比保护控制电路,故在主电路和控制电路之间以光电隔离器隔离开来。本实验平台采用6N137光电隔离器来实现光耦隔离。光电隔离器6N137应用见图2。在输出端电源(脚8)和地(脚5)之间必须接一个高频特性良好的瓷片去耦电容C4,其取值为0.1 μF,作为旁路电容以减少对电源的干扰。输入端限流电阻R1与输出端上拉电阻R2均选用1 kΩ,C3是输出负载的等效电容,其与输出端上拉电阻一同影响光耦的响应时间,C3取值为1 μF。

图2 光耦隔离电路原理图Fig.2 Optocoupler isolation circuit schematic

2.3 驱动电路

本实验平台采用了IR2110S作为驱动芯片。IR2110S的引脚说明见表1。DSP控制板发出六路PWM脉冲分别输入IR2110S的HIN和LIN引脚,驱动IGBT的通断每对IGBT可以共用一片IR2110S驱动芯片,且驱动芯片统一由一路独立电源供电。

SD为关断信号,当该关断信号输入为高电平时,IR2110将输出低电平;该关断信号输入低电平时,IR2110的输出将跟随逻辑高、低端的输入,即HIN脚及LIN脚。本实验平台中,SD将故障保护电路作为保护信号输入端。

3 实验平台软件设计

3.1 DSP代码生成流程及主程序设计

DSP代码的过程主要分为3步:(1)根据需要,新建工程模型;(2)进行MATLAB环境设置;(3)在Simulink环境中搭建算法模型。

主程序利用Simulink模块中的“Embedded Coder Support Package for Texas Instruments C2000 Processors”支持包中C2833x相关的代码生成模块来搭建算法程序。主程序流程图见图3。

图3 主程序流程图Fig.3 Main program flowchart

在Simulink模块中搭建PMSM基于滑模变结构直接转矩控制系统主程序见图4。其中转速闭环程序与电流采集程序在SVPWM中断服务函数中,转速采集程序在QEP中断服务函数中。其中:state为软件启停;speed_base为转速计算参数;tmpg为单位时间脉冲个数;rpm_ref为转速给定;rpm_kp、rpm_ki、Te_kp、Te_ki、flux_kp、flux_ki为滑模控制器参数;tr为转子时间常数;usdlimit、usqlimit为励磁电压和转矩电压的限幅;rpm为转速调节器的反馈值;ia、ib;ic为三相电流;aaa、bbb为A、B相电流数字量;ia_k、ib_k为A、B电流数字量补偿。

图4 PMSM基于滑模变结构直接转矩控制系统主程序Fig.4 PMSM are based on the main program of sliding mode direct torque control system

3.2 上位机监控界面设计

为简单直观观察电机实时动态、改变电机参数和实验分析,本实验平台基于LabVIEW软件设计了上位机监控界面。其功能为建立上、下位机的通信和数据传输。串行口中断设计功能是与PC机交换数据,实现界面显示和参数变量在线修改。其UI界面见图5。

图5 上位机监控UI界面Fig.5 Host computer monitoring UI interface

上位机界面主要由通信设置、启停开关、参数调节和波形显示等4部分组成。其中:通信设置含有VISA资源名称即串口端口选择,设置波特率为115 200 bps,数据位设置为8,校验位设置为None,停止位设置为1.0,数据流控制设置为0;启停按钮即为state控件,单击亮起时state值置1,熄灭时state值为0;参数调节部分主要包括a相电流数字量、b相电流数字量、a相电流漂移量补偿、b相电流漂移量补偿、usd电压限幅、usq电压限幅、速度环kp、速度环ki、转矩电环kp、转矩环ki、磁链环kp、磁链环ki和给定转速。a相电流漂移量补偿和b相电流漂移量补偿应等于a相电流数字量和b相电流数字量,以对霍尔电流传感器零点漂移进行补偿;控制器的PI参数实时调节可方便观察PI参数的改变对调速系统的影响;图形显示部分以波形图表的形式动态显示采取的数据,包含了转速采样和相电流采样等。

4 实验与分析

本实验平台系统由上位机、基于DSP的PMSM实验箱、表贴式PMSM台架组成,见图6。

图6 基于滑模控制的PMSM直接转矩控制实验系统Fig.6 Direct torque control experimental system for PMSM based on sliding mode control

实验开始前,完成基于滑模控制的PMSM直接转矩控制实验系统所必须的连线,其次,完成上电操作。在通信成功后,串口缓冲区字节数有数字变化,且指示灯点亮。首先,需进行电流传感器补偿,将数字量调零;其次,更改电压限幅值;再次,调整控制器参数;最后,按下启停按钮并给定转速进行实验。通过界面可以在线观测转速、三相电流、励磁电流、转矩电流、励磁电压和转矩电压的波形,并实时更改控制器参数优化控制策略。

实验电机参数为:UN=220 V,PN=200 W,IN=1.27 A,给定转速为300 r/min。实验结果见图7。实验结果表明,本实验平台控制系统具有较好的可靠性、较快的响应速度和良好的稳定性,其总体控制性能良好,可满足实际实验需求。

图7 基于滑模直接转矩控制策略实验结果Fig.7 Based on the experimental results of sliding mode direct torque control strategy

5 结论

本文设计并实现了永磁同步电机基于DSP的滑模变结构直接转矩控制系统的实验平台。本实验平台采用基于DSPTMS320F28335和MATLAB的快速控制原型开发系统,可以直接在MATLAB/Simulink上进行高性能控制算法的设计和研究,随后自动生成代码,控制永磁同步电机运行。该实验平台可以通过上位机观测器在线观测转速、三相电流、励磁电流、转矩电流、励磁电压和转矩电压的波形,并实时更改控制器参数优化控制策略。实验证明,该实验平台具有良好的可扩展性,对继续研究永磁同步电机高性能控制策略具有非常高的实用价值。