270V高压大功率永磁同步电机驱动器设计

270V高压大功率永磁同步电机驱动器设计

摘要：近年来270V高压直流供电体制在各种装备上开始大量应用，本文给出了

一种由TMS320F2812、高精度转子位置速度检测装置及高压MOS管组成的高压

大功率永磁同步电机驱动控制方案，详细描述了系统的硬件组成和软件设计结构。试验结果表明，该系统较好的解决了高压供电带来的干扰问题，具有调速性能良好、效率高、抗干扰能力强等特点，满足型号的使用要求。

关键词：270V高压；永磁同步电机驱动器；抗干扰

0 引言

随着我国对高压直流电源系统的深入研究，新一代装备已开始采用270V高压直流供电系统，这种新型电源体制不但具有传输功率大、传输效率高、供电可靠

性高和电源配电重量轻的特点，而且还将大大减小低压直流供电系统的电器设备

的大电流电弧干扰，提高了武器装备的综合能力[1]。

本文给出了一种由TMS320F2812、高精度转子位置速度检测装置及高压MOS

管组成的大功率PMSM驱动控制方案，详细叙述了系统的硬件组成和软件设计结构。并在此基础上，设计了一套大功率PMSM驱动控制系统，该系统具有调速性

能良好，效率高等特点，满足型号的使用要求。

1 系统总体设计

1.1 永磁同步电机（PMSM）数学模型

永磁同步电机由于具备小体积、高效率及功率密度、调速性能良好等优点得

到了越来越广泛的应用。PMSM的数学模型包括电动机的运动方程，物理方程和

转矩方程，这些方程是永磁同步电机数学模型的基础。控制对象的数学模型能够

准确的反应被控系统的静态和动态特性。为方便分析，先做以下假设[2~4]：

1）磁路不饱和，即电机电感大小不受电流变化影响，不计涡流和磁滞损耗； 2）忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响；

3）三相绕组完全对称，永久磁钢的磁场沿气隙周围正弦分布；

4）电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；

5）驱动开关管和续流二极管为理想元件。

优化设计后的永磁同步电机经过Park变换后，其dq坐标系下的数学模型可

表示为方程式：

式1.1

式1.2

式1.3

式中：、—定子电压dq轴分量；、—定子电流dq轴分量；

—定子电阻；—转子极对数；

—转子角速度；—定子电感；

—电磁转矩；—永磁体产生的磁链，为常数；

从电磁转矩方程可以看出只要能准确地检出转子空间位置（d轴），通过控

制逆变器使三相定子的合成电流在q轴上，那么永磁同步电机的电磁转矩只与定

子电流的幅值成正比，即控制定子电流的幅值，就能很好地控制电磁转矩。

1.2 驱动控制策略

永磁同步电机的控制策略有很多种，如直接转矩控制、转子磁场定向控制等[5~6]，本系统采用转子磁场定向控制，其基本原理是通过坐标变换，在转子磁场

定向的同步坐标系上对电机的磁场电流和转矩电流进行解耦控制，使其具有和传

统直流电动机相同的运行性能。

系统采用id=0的控制策略，功能主要包括：定子电流检测、转子位置与速度

检测、位置调节器、速度调节器、电流调节器、clarke变换、park变换与逆变换、电压空间矢量SVPWM调制等环节，电流环、速度环的反馈控制均通过DSP实现，采用数字PI调节器控制，保证了系统为无静差系统，并且有较好的动态和静态特性。坐标矢量变换、空间矢量生成等由软件完成。

图1 控制系统结构框图

图2 控制器硬件设计架构图

2 硬件设计

整个电机控制系统主要包括主功率回路和控制回路两部分，控制回路以两片TMS320F2812为核心构建，1片用于电机控制算法的实现，另1片用于控制器的

健康管理，包含DSP控制电路、辅助电源电路、电流/电压采样电路、旋变解码

电路、存储电路、串口通讯等功能电路，主功率回路采用直-交电压型逆变器，在270V电源输入端设计EMI滤波、浪涌电流抑制等功能电路，确保整个系统的电

磁兼容性和供电特性满足型号的要求，功率器件采用功率MOSFET，具有驱动功

率小、开关速度高、无二次击穿问题、安全工作区宽等特点。控制器的硬件结构

框图如图2所示。

3 软件设计

电机控制系统软件设计需满足实时性、可靠性和易修改性的要求，软件运行

依赖于控制器硬件平台。控制器采用TI的DSP芯片TMS320F2812为核心，完成

控制算法的软件实现。编程语言采用C语言程序，编码量小、易读性强。为提高

程序的运行执行速度，软件采用模块化程序结构，方便控制功能的进一步扩展。

DSP控制软件包括初始化部分和控制部分。控制系统软件由系统初始化程序

模块、上电自检模块、位置检测及转速计算模块、电机转速闭环控制、RS422串

口中断服务模块6大程序模块组成。

3.1系统初始化

系统上电后，软件从DSP片内FLASH加载到RAM中开始运行，上电初始化

执行的操作是初始化各变量参数、系统时钟、中断向量表、SPI、SCI、ADC采样、EV事件管理器等，使DSP工作在设定的初始状态。系统初始化完成后，软件处于等待状态。

3.2上电自检

控制器在系统初始化完成后，需对系统的的关键参数、关键功能电路单元等

进行自检，以识别控制器是否具备正常运行控制的条件。软件对电机绕组的连接

状态、传感器、DSP的IO口、AD通道，辅助电源、CPLD、E2PROM、双口RAM

等按一定的边界条件进行自检。若自检不通过，上报自检故障，退出自检程序。

自检结果以BIT的方式通过串口上传。

3.3位置检测及转速计算

电机转子的位置检测通过对旋变信号的解码、采集实现，旋变信号的采集在Timer1中断中执行，采集周期100us。旋变解码采用AD2S1200芯片，其主要工

作特性和参数为：①（5±5％）V单电源供电；②12位分辨率的实时输出最高跟

踪速率为1000 r/s．输出12位绝对位置信息和带符号的11位速度信息，精确度

为±11 r/min；③具有可编程正弦波晶振器；④同时具有串行通讯接口和并行输

出接口；⑤励磁频率为10kHz、12kHz、15kHz、20kHz可编程。在获取角度后，