CN102957372A

CN102957372A - 一种永磁同步电机双闭环控制系统

Info

Publication number: CN102957372A
Application number: CN2011102433403A
Authority: CN
Inventors: 陈晓丽
Original assignee: Shanghai University of Engineering Science
Current assignee: Shanghai University of Engineering Science
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2013-03-06

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机双闭环控制系统，该控制系统为双闭环结构，该双闭环结构可根据需要设置为转速电流双闭环结构或转矩电流双闭环结构；所述的控制系统采用DSP作为核心CPU，对转子磁场定向矢量控制、SVPWM调制，转子磁场检测、双闭环控制结构及PID算法进行了模块化的编程实现，控制系统结构可以根据应用需要灵活选择外环是转速还是转矩环，甚至可以将转速和转矩闭环并联，根据生产工艺要求进行切换。与现有技术相比，本发明可提高控制系统的响应速度和控制精度，且大大提高系统的抗干扰能力，具有良好的扩展性。

Description

一种永磁同步电机双闭环控制系统

技术领域

本发明涉及一种电机控制系统，尤其是涉及一种永磁同步电机双闭环控制系统。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)控制系统具有高效率、高控制精度、高转矩密度、转矩平稳性好，振动噪声低等优点，在许多领域有良好的应用前景，广泛应用于电动汽车、工业缝纫机、空调、电梯以及更高精度的数控机床及机器人等应用场合。其中永磁同步电机制造技术以及永磁同步电机的控制技术是决定永磁同步电机驱动控制系统性能的两大关键技术。永磁同步电动机是一个强耦合、时变、非线性系统，控制复杂，目前常用的变频调速方式有恒压频比控制、转差频率控制、直接转矩控制以及基于磁场定向的矢量控制。

恒压频比控制方法是通过控制V/f恒定，使磁通保持不变，并以控制转差频率来控制电机的转矩和转速。这种控制方法低速带载能力不强，不能调节转矩，故性能不高。但该方法由于实现简单、稳定可靠，调速方便，所以常应用于一些对动态性能要求不太高的场合，如对通风机、水泵等的控制。转差频率控制的突出优点就在于频率控制环节的输入是转差信号，而频率信号是由转差信号与实际转速信号相加后得到的，尽管转差频率控制能够在一定程度上控制电机转矩，但它依据的只是稳态模型，并不能真正控制动态过程中的转矩，从而得不到很理想的动态控制性能。直接转矩控制技术最早应用在感应电机中，随后应用到永磁同步电动机控制系统中。永磁同步电动机直接转矩控制不需要复杂的坐标变换，采用定子磁场定向，减弱了对电机参数的依赖性，控制简单，转矩响应快，但会产生较大的转矩波动，限制了其应用范围。

矢量控制理论的提出使交流电机控制理论获得了一次质的飞跃。采用矢量控制理论进行控制时具有和直流电动机类似的调速特性。矢量控制的优点在于调速范围宽，动态性能较好；缺点是矢量控制方法在实现时要进行复杂的坐标变换，并需准确观测转子磁链，而且对电机的参数依赖性很大，难以保证完全解耦，按转子磁链定向会受电动机参数变化的影响而失真，从而降低了系统的调速性能。解决方法是采用智能化调节器提高系统的调速性能和鲁棒性。

为了提高系统动态调速性能，工程上常采用闭环控制结构。闭环结构可以有效改善系统的鲁棒性，智能化调节器如PID调节器等可以显著提高系统的响应速度和控制精度，从而实现高性能的电机驱动控制要求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可提高控制系统的响应速度和控制精度，且大大提高系统的抗干扰能力，具有良好的扩展性的永磁同步电机双闭环控制系统。

本发明采用TI公司的DSP(TMS320F2812)作为核心CPU，开发了一套高性能的永磁同步电机驱动控制系统，该系统采用的是转子磁场定向矢量控制算法及SVPWM调制方法，设计了电流、转速(或转矩)双闭环结构，其中电流控制器与转速控制器均采用PID算法，详细技术方案及具体特征如下：1)采用直轴电枢电流为零(id＝0)的控制策略，为了保证具有较高的响应速度和准确的调速性能，整个系统采用了电流与转速(或转矩)双闭环结构，外环为速度(或转矩)闭环、内环为d、q轴的电流闭环，可以根据应用需要选择外环是转速环还是转矩环，也可以将转速和转矩闭环并联，根据生产工艺要求进行切换，从而拓宽该控制系统的应用领域；2)根据电机控制命令与电机运行状态检测信号确定电机的命令信号；3)调用转子位置检测模块，产生数字转换器的工作时钟，同时转子位置检测模块对接受到的数字转换器输出的转子位置信号进行处理，获得转子位置和转子转速信号供转子磁场定向矢量控制使用；4)调用A/D转换模块，A/D转换模块将检测的定子电流、直流母线电压、转矩反馈、转速反馈及功率模块温度模拟信号转换成数字信号，并进行滤波处理；5)进入转矩闭环，调用转矩控制器；6)进入转速闭环，调用转速控制器；7)进入电流闭环，调解器将电机的d轴和q轴的电压控制信号送入DSP；8)DSP产生的六路PWM控制信号送入驱动电路，经驱动电路驱动后接入三相逆变主电路中六个功率开关器件的门极，产生三相电压频率可调的控制电压源给永磁电机供电，实现永磁同步电机高速、高精度的闭环伺服控制。

所述的步骤2)中的命令信号包括运行、停止和转向。

所述的步骤7)中的电流闭环分为d轴电流闭环和q轴电流闭环，d轴和q轴的电流调解器分别为PID调解器。

所述的步骤8)具体为，首先经过PARK逆变换将电机的d轴和q轴的电压控制信号变换为静止坐标系α、β轴下的电压信号；然后计算参数X、Y、Z，确定电压向量所属扇区，根据所属扇区计算导通时间，确定PWM占空比，更新PWM比较寄存器，最终由DSP输出三相逆变器六个功率开关的控制信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、设计了转速(或转矩)、电流双闭环结构，提高控制系统的响应速度和控制精度；

2、采用TI公司的DSP(TMS320LF2812)作为核心CPU，对转子磁场定向矢量控制、SVPWM调制，转子磁场检测、双闭环控制结构及PID算法进行了模块化的编程实现；

3、可以根据应用需要灵活选择外环是转速还是转矩环，甚至可以将转速和转矩闭环并联，根据生产工艺要求进行切换，从而大大调高系统的控制精度和抗干扰能力，具有良好的扩展性。

附图说明

图1为PWM定时中断服务子程序框图；

图2为控制系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

图1所示为本发明的PWM定时中断服务子程序框图。PWM定时中断程序是控制软件的主体，根据所设计控制系统的控制结构和控制算法编写，实现本发明的全部主体功能。图2为本发明的控制系统结构图，描述了电流、转速(或转矩)双闭环结构、电流控制器与转速控制器的输入输出、矢量控制以及SVPWM调制。以下结合图2对图1中的各步骤进行详细描述：

在步骤401中，根据电机控制命令与电机运行状态检测信号确定电机的命令信号(运行、停止、转向等)。

在步骤402中，调用转子位置检测模块，转子位置检测模块完成两部分功能，一是产生AD2S1200的工作时钟，二是接受AD2S1200输出的3.3V的转子位置信号，进行处理、获得转子位置和转子转速信号，供转子磁场定向矢量控制使用。

在步骤403中，调用AD转换模块。AD转换模块将检测的定子电流、直流母线电压、转矩反馈、转速反馈、功率模块温度等模拟信号转换成数字信号，并进行滤波处理。其中转换后的定子电流需进行坐标变换(PARK变换和CLARK变换)，产生d、q轴的电流反馈信号，从而构成电流闭环控制。转换后的转矩反馈、转速反馈用来构成转矩、转速闭环；转换后的直流母线电压、功率模块温度等信号用来对电机及驱动控制器进行保护。

在步骤404中，进入转矩闭环，调用转矩控制器，即PID调解器。

在步骤405中，进入转速闭环，调用转速控制器，即PID调解器。步骤404中转矩环与步骤405中转速环的连接关系可以调解，可以根据应用需要灵活选择外环是转速还是转矩环，也可以将转速和转矩闭环并联，根据生产工艺要求进行切换，从而大大调高系统的控制精度和抗干扰能力，具有良好的扩展性

在步骤406中，进入电流闭环，分为d轴电流闭环和q轴电流闭环，如图2所示，d轴和q轴的电流调解器分别为PID调解器，调解器输出为电机d、q轴的电压控制信号，送入步骤407；

在步骤407中，进行了SVPWM实现，首先经过PARK逆变换将d、q轴的电压控制信号变换为静止坐标系α、β轴下的电压信号，然后计算参数X、Y、Z，确定电压向量所属扇区，根据所属扇区计算导通时间，确定PWM占空比，更新PWM比较寄存器，最终由DSP输出三相逆变器六个功率开关的控制信号；

DSP产生的六路PWM控制信号送入驱动电路经驱动后接入三相逆变主电路中六个功率开关器件的门极，产生三相电压频率可调的控制电压源给永磁电机供电，实现永磁同步电机高速、高精度的闭环伺服控制，参考图2。

本发明采用TI公司的DSP(TMS320F2812)作为核心CPU，开发了一套高性能的永磁同步电机驱动控制系统，该系统采用的是转子磁场定向矢量控制算法及SVPWM调制方法，设计了电流、转速(或转矩)双闭环结构，其中电流控制器与转速控制器均采用PID算法，详细技术方案及具体特征如下：

a.采用直轴电枢电流为零(id＝0)的控制策略，为了保证具有较高的响应速度和准确的调速性能，整个系统采用了电流与转速(或转矩)双闭环结构，外环为速度(或转矩)闭环、内环为d、q轴的电流闭环；

b.转速控制与d、q轴的电流控制均采用增量式PID控制；

c.转子位置及转速采用旋转变压器进行检测，检测结果送入旋转变压器数字转换器AD2S1200，经AD2S1200将变压器输出的模拟信号转化为数字信号，然后送入DSP进行处理，AD2S1200的工作时钟由TMS320F2812编程产生；

d.利用TMS320F2812中的ADC模块，对采集的主电路母线电压、电机三相电流、功率开关模块及电机温度等进行AD转换，并对转换后的数字信息进行处理和判断，实现系统保护功能；

e.将硬件电路检测的电机两相电流进行AD转换，并进行PARK变换和CLARK变换，产生d、q轴的电流反馈信号，与d、q轴的电流给定信号构成电流闭环；

f.将硬件电路检测的电机转速(或转矩)信号送入TMS320F2812中的ADC模块，进行ADC转换，然后与转速(或转矩)给定信号构成转速(或转矩)闭环；

g.将电流调节器输出的d、q轴电压作为电机的控制信号进行SVPWM调制，产生六路PWM信号；

h.基于TMS320F2812DSP，采用C语言，对a-g描述的控制系统进行软件编程实现，采用模块化的编程思想，增强软件系统易读性及功能扩展能力。

Claims

1.一种永磁同步电机双闭环控制系统，其特征在于，该控制系统为双闭环结构，该双闭环结构可根据需要设置为转速、电流双闭环结构或转矩、电流双闭环结构；所述的控制系统采用DSP作为核心CPU，对转子磁场定向矢量控制、SVPWM调制，转子磁场检测、双闭环控制结构及PID算法进行了模块化的编程实现，该控制系统的运行步骤如下：

1)根据电机控制命令与电机运行状态检测信号确定电机的命令信号；

2)调用转子位置检测模块，产生数字转换器的工作时钟，同时转子位置检测模块对接受到的数字转换器输出的转子位置信号进行处理，获得转子位置和转子转速信号供转子磁场定向矢量控制使用；

3)调用A/D转换模块，A/D转换模块将检测的定子电流、直流母线电压、转矩反馈、转速反馈及功率模块温度模拟信号转换成数字信号，并进行滤波处理；

4)进入转矩闭环，调用转矩控制器；

5)进入转速闭环，调用转速控制器，进入电流闭环，调解器将电机的d轴和q轴的电压控制信号送入DSP；

6)DSP产生的六路PWM控制信号送入驱动电路，经驱动电路驱动后接入三相逆变主电路中六个功率开关器件的门极，产生三相电压频率可调的控制电压源给永磁电机供电，实现永磁同步电机高速、高精度的闭环伺服控制。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机双闭环控制系统，其特征在于，所述的双闭环控制系统可以根据应用需要确定外环是转速环还是转矩环，也可以将转速和转矩闭环并联，根据生产工艺要求进行切换；

3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机双闭环控制系统，其特征在于，所述的步骤1)中的电机运行命令信号包括运行、停止和转向。

4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机双闭环控制系统，其特征在于，所述的步骤2)具体为，转子位置检测模块完成两部分功能，一是产生AD2S1200的工作时钟，二是接受AD2S1200输出的3.3V的转子位置信号，进行处理、获得转子位置和转子转速信号，供转子磁场定向矢量控制使用。

5.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机双闭环控制系统，其特征在于，所述的步骤3)具体为，基于DSP的AD转换模块将检测的定子电流、直流母线电压、转矩反馈、转速反馈、功率模块温度等模拟信号转换成数字信号，并进行滤波处理；其中转换后的定子电流需进行坐标变换，产生d、q轴的电流反馈信号，从而构成电流闭环控制，转换后的转矩反馈、转速反馈用来构成转矩、转速闭环；转换后的直流母线电压、功率模块温度等信号用来对电机及驱动控制器进行保护。

6.根据权利要求5所述的一种永磁同步电机双闭环控制系统，其特征在于，所述的坐标变换包括PARK变换和CLARK变换。

7.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机双闭环控制系统，其特征在于，所述的步骤5)中的电流闭环分为d轴电流闭环和q轴电流闭环，d轴和q轴的电流调解器分别为增量式PID调解器。

8.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机双闭环控制系统，其特征在于，所述的步骤6)具体为，首先经过PARK逆变换将电机的d轴和q轴的电压控制信号变换为静止坐标系α、β轴下的电压信号；然后计算参数X、Y、Z，确定电压向量所属扇区，根据所属扇区计算导通时间，确定PWM占空比，更新PWM比较寄存器，最终由DSP输出三相逆变器六个功率开关的控制信号。