一种双定子永磁电机控制器

一种双定子永磁电机控制器收稿日期:2004-11-22吴红星,翟筱羿,邹绍琨,程树康(哈尔滨工业大学,哈尔滨　150001)摘　要:双定子电机是在无刷直流电动机的结构基础上发展起来的。

文中论述了双定子电机的工作原理,系统采用T M S320F240为控制芯片,IR2130驱动专用芯片和IGBT构成三相逆变桥,实现全数字控制。

关键词:双定子;永磁电机;D SP;数字控制中图分类号:T M351 文献标识码:A 文章编号:1001-6848(2005)06-0068-04A C ontroller of Double Stator Permanent Magnet MotorWU Hong-xing,ZHAI Xiao-yi,ZOU Shao-kun CHENG Shu-kang(Harbin institutio n o f techno log y,Har bin150001,China)Abstract:A t the basis of Brushless DC mo tor's co nst ructio n,a kind of D ouble-stat or Br ushless DC mot or is submitted by insert ing ano ther stat or.T his paper pr esents Double-st ator Brushless DC mot or's wo rking theor y, dev elo ps a D SP-based dig ital contr oller.T he co ntro l chip of system is the DSP o f T M S320F240.T he ex per t drive chip I R2130and six IG BT s for inver sion is used in sy st em.Key words:do uble stato r;per manent magnet mo to r;DSP;NC1　双定子电机的工作原理双定子永磁无刷直流电动机包括电机本体、位置传感器、驱动电路3部分。

电机本体采用永磁体作为转子,定子采用三相绕组。

定子通电初始时刻,定子磁势与转子磁场夹角为120°电角度。

由位置传感器提供转子提供位置信号,每隔六分之一电周期,功率开关换一次,使电机电流产生的磁势跳跃60°的电角度,使定子磁势与转子磁场夹角又变成120°电角度,进而使转子连续转动起来。

与传统结构永磁同步电动机不同,串联磁路结构双定子永磁同步电机是三边励磁电机,电机的外、内定子、转子上都存在磁动势。

外定子上由三相交流电流产生的旋转电枢磁动势F al及建立的电枢磁场 al,一方面切割外、内定子绕组并在外、内定子绕组中感应产生电枢反应电动势E a1、E a2,另一方面以磁拉力拖着永磁转子以同步转速旋转;内定子上由三相交流电流产生的旋转电枢磁动势F a2及建立的电枢磁场 a2,也是一方面切割外、内定子绕组并在外、内定子绕组中感应产生电枢反应电动势E a1, E a2,另一方面以磁拉力拖着永磁转子以同步转速旋转。

通过内外定子绕组的单独或共同工作,拉动转子连续转动[1]。

图1为永磁双定子电动机结构图。

2　双定子电机控制系统设计本系统是根据内、外定子分别单独或共同工作以提高调速范围,同时为保证各个运行状态之间平稳切换,需要采用更先进的算法,这就使控制器的数据处理量加大,因此采用T MS320F240控制芯片。

T M S320F240是C24X系列DSP控制器的系列产品,是专门为电机的数字化控制而设计的。

芯片集高速运算与面向电机的高速控制能力于一体,可以实现用软件取代模拟器件,方便地修改控制策略和参数,兼具故障检测、自诊断和上位机管理与通信等功能。

TM S320F240包含双10位模数转换器、同步串行外设接口,异步串行通信接口、PWM控制的管理器。

本系统由外部输入包括启动、停止、正反转、速度给定和最大电流给定等信号给DSP控制芯片。

T M S320F240的数值I/O端口模块为控制专用I/O 引脚和共享引脚的功能提供了一种灵活的方式。

CAP4/QEP4引脚用于I/O功能,检测系统的开启。

正反转通过I/O引脚ADCIN0来判断外部输入的高低电平,改变定子绕组磁势和转子磁场相对关系来改变转子的旋转方向,只要能得到空间相差180°的驱动信号去控制相应的绕组导通,就能实现正反转。

速度给定和电流给定是通过0V～5V模拟信号输入到ADCIN2和ADCIN10实现,其采样周期为1000个PWM周期。

该芯片能够最大限度的满足系统的数据处理要求,为各种先进算法的实现提供了条件。

系统原理图如图2所示。

系统包括控制器、功率驱动电路、信号检测电路及电机本体。

其中内、外定子的功率驱动电路及信号检测电路都是相对独立的[2]。

图1　永磁双定子电动机结构图图2　系统结构框图2.1　功率驱动电路双定子电机的内、外定子需要分别控制,功率驱动电路相对独立,除参数略有不同外,结构相同。

下面以外定子为例,说明其电路结构。

功率驱动电路如图3所示,采用三相全控桥的控制方式。

由于本系统的电枢电压较高(110V),并需要较高的响应速度,因此选用IGBT 器件,采用FAIRCHILD(美国快捷)公司的SGH 15N60RUF/D 。

本方案中驱动芯片采用IR2130作为全控桥的前置驱动电路。

前置驱动电路如图4所示。

IR2130的优点是内部自举技术的运用,省去了分离电源,减小了体积。

它的6路输出信号中的3路具有电平转换功能,能驱动低压侧的功率器件,也能驱动高压侧的功率器件。

IR2130还具有电流放大和过电流保护功能;欠压锁定并能指示欠压和过电流状态功能;输入端噪声抑制功能;同时还能自动产生图3　功率驱动电路上、下侧驱动所必需的死区时间(2 s )等功能。

电路的设计还保证了内部的3个通道中的高压侧驱动器与低压侧驱动器可单独使用,用户即可仅用其内部的3个高压侧驱动器,亦可以只使用其内部3个低压侧驱动器,并且输入信号与T TL 和CM OS 电平兼容。

图4　前置驱动电路2.2　电流检测由于本系统电流较小,故采用分流电阻来检测电流,电阻分别安装在内、外定子下桥臂IGBT 的发射极和功率板地线之间。

在逆变电路达到所允许的最大电流时,通过IR2130的引脚9(IT RIP)激活其内置的过流保护功能。

分流电阻上的电压降经过运放接至T M 320F 240的ADCIN 5引脚,利用双ADC 模块进行模数转换。

2.3　转子位置检测转子位置检测采用3个霍尔传感器,将DSP 的捕捉口CAP1、CAP2、CAP3设置为I/O 口,检测该口电平状态,知道那一个霍尔传感器上升沿或下降沿捕捉中断。

霍尔传感器输出3个脉宽为180°电角度的互相重叠的信号,以得到6个强制换相点。

检测到霍尔传感器输出信号的上升沿或下降沿后,发生相应的中断并执行相应的中断服务子程序,读入3个霍尔传感器的电平,从而得到转子的位置。

以下是正反转逻辑关系表:表1　根据传感器电平推导功率管开关逻辑霍尔元件信号正　转反　转u hAu hBu hc导通绕组导通管子导通绕组导通管子110AB -Q 1　Q A BA -Q 3　Q 2010AC -Q 1　Q 6CA -Q 5　Q 2011BC -Q 3　Q 6CB -Q 5　Q4001BA -Q 3　Q 2A B -Q 1　Q 4101CA -Q 5　Q 2AC -Q 1　Q 61CB-Q 5　Q 4BC-Q 3　Q 6图5　系统主程序流程图 图6　A /D 中断子程序框图图7　双闭环调速系统框图图8　双定子电机相　图9　双定子电机反 电流波形 电势波形2.4　速度检测速度反馈从位置传感器的输出信号获得。

由于每两个换相信号之间相差60°电角度,因此电机的转速可用下式表述:= !/ T (1)式中, !—转子在两个换相信号之间转过的机械角度; T —两个换相信号之间的时间差。

由于霍尔传感器的位置相对于电机固定不变,在每两个换相信号之间,电机转过的机械角度是一定的,所以通过计算两个换相信号之间的时差,就可以得到电机的转速。

为了保证转速检测的准确性,在实际系统中,显示部分显示的速度其实是 -,即数个相邻测量值的平均值。

2.5　保护环节本系统设计了完善的保护环节。

各保护动作信号(过热、欠压、过流等)通过光耦隔离送至或非门CD4078的输入,通过CD4078送入DSP 的PDPINT 引脚,当PDPINT 引脚被拉为低电平时,DSP 内部计数器立即停止计数,所有PWM 输出成高阻状态,同时产生中断信号,通知DSP 有异常情况发生,在中断处理程序中,读入相关I/O 口状态,判断发生了何种故障,并送LED显示,通过LED的状态可以判断故障原因,以便在实际中很快判断排除故障,提高了系统的整体可靠性。

3　控制系统软件设计与试验双定子电机控制系统的控制软件,包括初始化程序,主程序,中断子程序共3个部分。

实现与上位机的通信,电动机的位置检测,电流与转速的PI调节,PWM信号的生成以及故障信号的处理等功能。

设定CPUCLOCK=20M Hz,PWM载波频率= 10KHz。

系统首先执行初始化程序,设定工作模式,检测初始状态。

而后系统开始执行主程序。

使定时器1周期匹配事件启动ADC转换,使每个PWM周期对电流采样,在A/D转换中断子程序对电流进行调节,控制PWM的输出。

图5是系统主程序流程,框图6[3]为A/D中断子程序。

其中电流环的输出限幅为额定电压的1.2倍,速度环的输出限幅值为额定电流的1.5倍。

电机本体参数如下:R1=1.09∀,R2=0.63∀;L1 =31mH,L2=16mH;J=0.26N・M2;K e1=K T1= 7.32;K e2=K T2=8.56。

通过对图7整个系统的软硬件的设计与调试。

图8为系统驱动双定子电机相电流波形,图9为双定子电机反电势波形。

4　结　论本文通过对双定子永磁无刷直流电动机运行原理的研究,基于T MS320F240电机控制专用DSP 芯片,开发了电动车用双定子电动机控制器,研究表明控制器既完成了与外围电路交换数据的任务,又完成了速度环、电流环及其相关控制策略的运算处理,实现了双定子电动机的全数字化控制的目的。

参考文献[1]　柴凤.混合动力电动车用双定子一体化永磁启动-发电机的研究[D].哈尔滨工业大学博士学位论文,2003 [2]　王小明,王玲.电动机的D SP控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004[3]　张豫,陈静蔽,梁振鸿.基于DSP的永磁同步电机全数字化矢量控制[J].微电机,2003(3)作者简介:吴红星(1975-),哈尔滨工业大学讲师,研究方向为电机驱动控制。