永磁同步电机控制器设计

Parkinverse ud,uq,that_mah－－Ualfa,Ubeta
S_sub_thta_sector ud,uq,that_mah－－thta thta－－sector
由Ualfa,Ubeta－－X,Y,Z sector－－pwm_t1,Pwm_t2
Pwm_t1,pwm_t2 饱和限幅处理
sector
t1=Z t1=Y t1=-Z t1=-X t1=X t1=-Y t2=Y t2=-X t2=X t2=Z t2=-Y t2=-Z
饱和处理：
If
(t1+t2)>PWMPRD
then
t1SAT=t1*PWMPRD/(t1+t2); t2SAT=t2*PWMPRD/(t1+t2);
1Hale Waihona Puke Baidu
系统软件流程
关闭中断
速度测量初始化
DSP系统初始化
电流零漂检测
内存单元初始化
电流滤波初始化
DSP事件管理器初 始化
监控程序初始化
IO端口初始化
从ROM中读电机转 子位置
PWM初始化
合上充电电阻的继 电器
电机和变频器参数 设置
主程序流程1
开放中断
2003/1/17
1
2
主程序流程2
2 No
判断2MS是否到
Yes
判断是否有测速标 志
End
Sum_id=0
Sum_iq=0
Filter_pointer=0 filter_pointer_flag=1
Id_fed_flt=sum_id/256 Iq_fed_flt=sum_iq/256
End
Id,Iq滤波初始化程序 S_filter_average_ini
总结
本作品在经过数月的艰苦工作后已经初步做出样机，初步 的实验结果是电机系统的总效率89%，比同类型的永磁无刷直 流电机的总效率82%高的多；其在低速下运行的平稳度明显优 于永磁无刷直流电机，低速可以运行到1HZ以下；稳态运行误 差小于0.8%。 如果假以时日，此电机控制系统可以真正运行到电梯上。
周蔚
翁力
2002-11
引言
❖
永磁同步电动机具有功率密度大、效率高、转子消耗小等优 点，故在医疗器械、仪器仪表、化工轻纺以及家用电器等方面得到 广泛的应用。在电梯控制领域，越来越多的电梯电机采用了永磁同 步电机。其原因有二： 一、电机运行的效率很高，本作品中电机运行效率超过93% 。 二、电机调速范围比较宽广，且不象无刷电机一样在低速下 脉动的比较厉害。 本作品设计的三相永磁同步电机驱动器已经能够成功的驱动 15KW的永磁同步电机，拟今后用作电梯电机驱动装置。本设计方 案中电机控制采用了空间矢量控制技术。
电流采样的软件处理-2
电流采样值的滤波处理

FIR滤波 移动均值滤波

母线电压检测
SVPWM的计算原理
驱动器逆变器的功率管的开关状态 共有8种状态，除了全部开通和全部关 断的状态可以组成电压的零矢量，其余 6种状态下，定子电压综合矢量在空间 如上图所示。6个电压矢量把空间分割 成6个部分。图示在中每个部分标示的 数据代表的是扇区号。
N
End
Y Speed_fed=speed_pulse*8000H/ (6000*count_125us*125us*2*f
Count_125us=0 speed_pulse=0 speed_feedback=1
End
s_id_iq_pi_reg 子程序 增量式PI调节器
本次采样输入c(k)
计算偏差值e(k)=r(k)c(k)
N
id_fed_flt=sum_id/(filter_pointer+1) iq_fed_flt=sum_iq/(filter_pointer+1)
3
Id，Iq滤波程序流程
1
filter_pointer=256? N
Y
Filter_pointer=0
filter_pointer=255
Tmp=filter_pointer+1
Pwm_t1,pwm_t2－－ taon,tbon,tcon
Taon,tbon,tcon,sector－－ cmpr1.cmpr2,cmpr3
送出PWM波
中断返回
s_cal_feedback电流采样子程序
1
判断A/D转换结束 Y 读取采样的线电流 Iu,Iv,Iw
N
标度转换 Iu*KIAC=Iu Iv*KIAC=Iv Iw*KIAC=Iw
主控板是根据控制指令和来自位置和速度传感器以及采样的电压和 电流输出控制逆变器功率模块的控制信号。 电源和驱动板不仅给所有的电路板提供工作电源，而且使输出到逆 变器的控制信号和主回路的高压之间起隔离的作用。 输入和输出板对码盘以及其他控制指令信号（运行信号，正/反转信 号）进行处理，可以直接和的DSP驳接。
驱动器硬件 驱动器软件
系统硬件设计总体方案
VAC 输入 整流 IGBT 逆变器 PMSM 电动机
保护 电路
驱动 电路
电流检 测
码盘 信号处理
光耦隔离电路
光耦隔离电路
Fault
PWM
ADC
DSP56F805
SCI GPIO
Quadrature decoder GPIO
通讯接口
控制指令
显示电路
永磁同步电机系统
注：其中n表示电压矢量在空间的实际位置， 0~60度之间编号为1，以下每隔60度依次类推。
If Else if Else if Else if Else if Else CASE
1 2 3 4 5 6
n=1 n=2 n=3 n=4 n=5
sector=3 sector=1 sector=5 sector=4 sector=6 sector=2
计算控制量delt_u(k)= Kp[e(k)-e(k-1)]+Ki*e(k)
U(k)=u(k-1)+delt_u(k)
输出u(k)
为下一时刻作准备 e(k-1)=e(k) u(k-1)=u(k)
End
filter_pointer_flag=1? Y Filter_pointer_flag=0 filter_pointer=0 N filter_pointer<=255 Y sum_id＝sum_id+id_fed sum_iq＝sum_iq+iq_fed
N
N
驱动器主回路和功率模块
电源和驱动板
驱动电路图
DSP主控板
DSP主控板示意图
驱动器IO板
电机 矢量控制基本原理
矢量控制是一种控制永磁同步电机的实用而有效的方法。其基本思 想是在三相永磁同步电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁 场定向坐标上，将电流矢量分量分解成产生磁通的励磁电流分量id和产生 转矩的转矩电流iq分量，并使两分量互相垂直，彼此独立。当给定 Id_Ref=0，这时根据电机的转矩公式可以得到T∝φiq。由于Id_Ref=0， 那么φ就基本恒定，这样只要调节电流iq就可以象控制直流电动机一样控 制永磁同步电动机。
线电流——相电流 Iu,Iv,Iw——Ialfa,Ibeta
S_park变换 Ialfa,Ibeta——Id,Iq
S_filter_average 均值滤波——Id,Iq
End
1
采样当前脉冲数 T3new＝get（T3CNT）
计算一个125us内的脉冲数 T3delt＝T3new－T3old
计算当前thta_mah thta_mah=thta_ini+ T3new*720/encoder_pulse
Y
Tmp=0
2
2
Acc=tmp+filter_data_id_addr s_com_ax=(acc)
Acc=tmp+filter_data_iq_addr s_com_bx=(acc)
Sum_id=sum_id+id_fed-s_com_ax Sum_iq=sum_iq+iq_fed-s_com_bx
永磁同步电机变频调速控制框图
当手动控制或通过串行通讯控制命令改变给定速度值时，给定速度 值与测量速度之间相互比较将 产生速度偏差。 基于这个偏差，速度调节器产生一个对应的转矩电流Is_qRef，而定子电流的另一个分量磁通电流 Is_dRef=0。 同时，检测定子电流Is_a，Is_b和Is_c，然后经过Clark变换转换成静止的α,β坐标系的电流分量， isα,isβ,再经过park变换转换成旋转坐标系下的电流id,iq。基于旋转坐标系的给定和实际电流的偏差，电 流控制器产生输出电压Us_q和Us_d（在旋转坐标系d，q）。电压Us_q和Us_d被反变换成静止坐标系下 的电压分量。然后经过PWM计算后，给逆变器的功率模块发出合适的开关信号，使得产生的电压和计 算的数值一样。
Yes
进行速度PI计算
No
过压，过流检测
硬件故障检测
判断T1PR中断 Y S_cal_feedback三相采样电流 Iu，Iv，Iw－－Id，Iq
N
PWM计算流程
是过流中断 N
S_speed_pos速度，位置采样 n，thta_mah
过流中断服务程序 s_over_current
S_id_iq_reg id,iq的PI调节－－ud,uq
Id_fed_flt=sum_id/256 Iq_fed_flt=sum_iq/256
Acc=filter_pinter+filter_data_id_addr (acc)=id_fed acc=filter_pointer_data_iq_addr (acc)=iq_fed
Filter_pointer=filter_pointer+1
SVPWM是空间矢量PWM方法， 这种方法是把输出到电机的正弦波形 （或者称之为等幅匀速旋转的电压矢 量）Vs分解为相邻两组开关状态的电 压矢量，调节每组开关状态的导通时 间就可得到不同的定子给定电压矢量 。
PWM的计算
1 3 ⋅ V sβref ) X = K ⋅ (− ⋅ V sαref + 2 2 1 3 ⋅ V sβref ) Y = K ⋅ ( ⋅ V sαref + 2 2 Z = − K ⋅ V sαref
信号检测

位置和速度检测
三相电流检测
母线电压检测
位置速度检测
三相电流检测
电流采样的软件处理-1
1、线电流和相电流的转换 2、相电流的坐标变换
¾ Clark变换 ia,ib,ic转换成iα,iβ ¾ Park变换 iα,iβ转换成id,iq
经过坐标变换后原来消除了 原来未知的物理量i0
S_speed_pos速度，位置采样子程序
计算产生PWM波的that_pwm thta_pwm=thta_mah+w*t
开关导通 Y
N
End
Count_125us=count_125us+1 speed_pulse=speed_pulse+T3delt
Abs(speed_pulse)>=100 或 count_125us>=8000
系统介绍
❖ ❖
1、永磁同步电动机 2、电机驱动器
2.1
z z z z z z z 电机控制器设计要求和达到的运行指标： 启动/停止 正向/反向运转 串行通讯命令输入接口 过压、欠压、过流和过热故障保护 调速范围：15-1500rpm 过载能力：150%，1分钟 调速精度：0.5%以上
2.2 2.3
永磁同步电机
三相永磁同步电机基本参数： 额定电压：380VAC 额定功率：15kW 额定转速：1500rpm 额定转矩：118N.m
硬件设计规划
根据硬件的总体框架，控制电路分为四块电路板组成，一块是主 控板，第二块是电源和驱动板，第三块是键盘输入和显示板，第四块是 输入，输出电路板（IO板）。
N