TI2812控制器的永磁同步电机控制基础
TIIIVIIII.II控制器的永磁同步电机控制基础
JiriSIMANEK,RadovanDOLECEK,OndrejCERNY,VladimirSCHEJBAL
摘要:本文主要论述的是采用TIIIVIIII.IIDSP为处理器的牵引电动机(PMSM)的两个永磁同步电机控制算法.第I.个算法是无刷直流电机正弦换相的相电流控制算法,这个算法通过电压补偿的方法获得更好的瞬态行为,提高了效率,此算法因此而得到改进.第II种算法是经典的磁场定向控制算法.两种算法都使用了脉冲宽度调制的载体.从EMC的角度来看可能产生I.些问题.利用TIIIVIIII.II处理器的仿真和实验结果已经给出.
关键字:永磁同步电机,磁场定向控制,转矩控制,微处理器,EMC,电牵引.
I..介绍
我们研究的领域是针对永磁同步电机(PMSM)的牵引驱动的轨道交通,特别是城市的地方运输中的应用.永磁同步电机(PMSM)的优点众所周知,扭矩从尺寸和驱动的重量来说是最大的优势.从电力牵引的观点来看,这种特性使得所谓的直接驱动(即驱动轴和车轮没有使用任何齿轮)有可能实现.简单的直接驱动车轮的应用使得低地板车辆更容易实现,我们研究的目标是为牵引驱动做出鲁棒性算法.算法计算的复杂性也随之而来,因此,在DSP处理器的控制单元使用两种控制算法也是有可能的.当然,永磁同步电机某个轮子的独立驱动器发生故障时,每个驱动器停止自己的逆变器是有必要的.如果两种控制算法进入DSP处理器的控制单元(即I.个控制单元控制两个逆变器),这个解决方案就会导致明显的结构存储问题,例如对于多轴车辆:那表示每I.个双数轮的司机不得不拥有自己的逆变器.在这种情况下,I.个单元控制两个逆变器:这表示只有I.半的控制单元.研究从两个方面出发,在研究的第I.阶段,我们关注的是驱动器及其仿真问题,对各种控制算法的目的是 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
模拟.在研究的第II阶段,算法通过有轨电车轮直接传动试验进行测试.
II.永磁同步电机控制策略
转矩控制是I.种牵引传动控制的基础算法,矢量控制是目前主要用于同步电机的转矩控制方法.这个矢量控制原理类似于异步电机矢量控制原理,通过异步电机电流的磁通的电流分量在恒磁通控制方式下为零,因为永磁同步电机是永磁体励磁.
在这种模式下,定子电流空间矢量是正交磁通矢量,并且引起了电压矢量,在这种模式下的转矩是与相电流的均值方根成比例的,如(I.)所示.
其中M是电机内的扭矩,Pp是磁极对数,ΨdΨq是磁通矢量分量,Id是磁通的电流分量,Iq是转矩分流组件,I是定子电流空间矢量模.我们假设I.个表面安装永磁体的电机,这种电机拥有在d-q轴上相同的同步电抗.这I.点,我们简化了转矩方程,如(I.)所示,方程(II)描绘了定子电路.
其中UI.是端电压向量,RI.是定子绕组的电阻,I是定子电流向量,ω是终端电压的角频率,LI.是定子绕组电感,Ui是感应电压.
II.I.相电流控制
该算法是实际相电流控制,相电流的设定值是正弦曲线.设定值之间的相位位移为I.II0度,电流设定值的大小与转矩给定成比例.电流的设定值均来自于转子的角位置的实际值.电压空间矢量应该被控制和感应电同心.这意味着当转子磁链矢量正交于定子绕组的剖面时,相电流的实际值达到最大.这种控制不需要坐标变换.
相电流控制算法框图如图I.所示,目前阶段,A和B的电流设定值是从实际角度位置和电流大小设定值计算得出的(转矩设定值比例).控制偏差是由设定值和实际电流减法元素计算得出的,控制偏差送入PI控制器.两种状态控制器也适用,但是,我们不想由于EMC而为了牵引的应用.电力牵引的EMC在[II]中已描述.设定值有谐波过程(从零到几百赫兹的频率),因此,PI控制器不得不要有很快的响应.
实际的感应电压被添加到PI控制器的输出以达到更好的整体性能的控制算法.感应电压是从实际速度,电机电压参数,实际的转子角位移计算得出.方程(III)对于定子的瞬时值变量是有效的,我们通过概括(II)可以得出.
其中,uPI允许PI调节器的输出,UI.允许被设定为PWM调节器相电压期望值,PI调节器基本上产生所需的定子绕组的组抗压降值.阻抗由电阻和电感的I.相定子绕组产生.控制器控制电流的I.阶系统.PI控制器适用于控制这类系统.电流控制器使用在A和B阶段.C相设定电压的计算方程:uA+uB+uC=0.它简化了算法,并抑制了直流分量在设定电压PWM调制器的输入.通过增加相电压直流分量来控制每个阶段的IIIPI电流调节器的控制算法和非零的组成部分,关于控制的更多的部分详见[III]和[IV].
II.II磁场定向控制
控制算法的目标与之前的算法_带有感应电压的同心电流空间矢量是相同的.控制算法采用d-q变换过程值,这被称为转子.多亏了变换(Clarke-Park),III相电流被转换为两个分量_磁通分量和转矩分量.这种转换由(IV)执行.
Iq是磁通的电流分量,iq是转矩电流分量,ia,ib是实际相电流,θ是转子位置.为了与感应电压达到同心电流空间矢量,控制算法保持磁通分量为零.转矩分量和转矩给定成比例.
磁场定向控制算法的框图如图II所示,电流组件的设定值是零,这是为了防止永磁同步电机满磁通运行.转矩分量明确规定了永磁同步电机的转矩.常 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
见的PI控制器用于控制回路,在d-q坐标系的电压设定值是由PI控制器输出的,为了在d-q坐标系中对abc进行电压变化,有I.块Clarke-Park逆变换.电流设定值是恒定的或缓慢变化的值,得益于此,该控制算法通过永磁同步电机全速度范围调制表现出了优良的特性.然而坐标系变换的增加要求计算机的能力.更多的关于这个的方法在(V)中展现.
III.仿真结果
MATLAB的Simulink用于进行算法控制和永磁同步电机的仿真.电机参数类似于真正的在第IV章中描述的实验硬件"的永磁同步电机.永磁同步电机的惯性转矩模拟的更慢以达到更快的仿真.对控制算法的模拟没有影响.两个描述过的控制算法都进行了模拟.模拟图可以分为IV个功能单元:永磁同步电机模型,逆变器模拟和直流电源模型,PWM控制器模型和控制块.这两种算法的比较如图III和IV.
数据显示速度随时间的变化,相电流和电流分量.我们进行了永磁同步电机从启动到II00转的模拟,随后进行了电动控制器旋转方向的转换的模拟.然后先是直流母线电压VVI0V的模拟,接着是PWMV000赫兹频率的模拟.
IV.实验结果
该算法在特殊的工作场所进行了实验测试,该工作场所由永磁同步电机试验台,加载异步机,转换器和必要的测量设备组成.工作场所在下I.章进行描述,永磁同步电机采用的变频器是由德克萨斯仪器公司生产的TMSIIIII0FIIVIIII.IIDSP(数字信号处理器)控制的.随之而来的数字数据从DSP上下载.
IV.I.实验硬件
试验工作的主要部分是专门的永磁同步电机试验台.永磁同步电机是I.个原型是低地板轻轨电车的牵引电动机.它是由VUESBrno(布尔诺电机研究所)制作的.额定功率是VVIIIkw的电机有内转子和液体冷却的定子.
我们不得不添加其他辅助系统去测试站(冷却.气动系统).绝对转子角测定系统也完成了,该系统对于永磁同步电机来说是必要的.IV柱变压器用于角度位置传感.旋转变压器输出信号是由集成解析器处理数字转换器(R/D转换器)处理.旋转变压器信号处理电路在[VI],[VII]中描述.该电路产生I.0千赫兹送给信号分解器.转换器的分辨率为I.II位,这意味着IV0VIIX的位置达到半圈或IIIVIIII转(采用的电机有IVIV杆).变换器以并行和串行的形式返回数据,而且它IRC传感器输出数据.模拟的IRC输出允许将角位置信息快速传送给DSP.在运行期间,我们的永磁同步电机控制系统采用模拟IRC信号.并行形式用于控制系统的特定时刻来定位转子的绝对位置(IRC信号仅给出了相对位置).
异步电动机将用于加载实验站.此电动机也有类似于被用于试验台的永磁同步电机的参数.发动机有III个参数:额定功率VVkw,额定电压IIIVIII0v,额定转速VVIIIIXrpm.加载机由转换器连接.转换器的DC总线用于永磁同步电机的逆变器,由于这种布局,整个车间的操作都是高效的.失去的驱动由电源提供(III*IV00v,V0Hz).中断斩波器也连接到直流母线,中断斩波器在转换器或逆变器故障期间是X分重要的.
V.结论
所有的控制算法都经过仿真和测试.实验结果和仿真结果I.致.这验证了驱动和控制仿真模型.相电流控制算法只有有感应电压补偿时才是有效的.但是有补偿的控制算法在用于较低的频率(0至I.00赫兹的实践).更好的瞬态行为的相电流预测的永磁同步电机模型达到我们的要求,但是模型对算法的计算需求增加.
第II控制算法的磁场定向控制具有良好的暂态行为.该算法适用于整个调速范围.插入的PI调节器.PWM调节器之间的解耦没有带来更好的动态控制.
磁场削弱适用于两种算法,但削弱的应用比相电流控制[VIII]更复杂.
致谢
文中描述的是由捷克授予代理的No.I.0II/0IX/pIIVIII和捷克国家制度研究的运输系统理论"00III.VIIIVIIV0V号提供资金支持.
文献
[I.]GIERAS,J.,MITCHELL,W.Permanentmagnetmotortechnology,
II00II,ISBN0-VIIIIIIVVII-0VIIIIIIX-VII.
[II]DOLECEK,R.,CERNY,O.AnalysisofIIVkV,V0Hztraction
supplysystematCzechRailways.JournalWSEASTransactionson
powersystemsIssueVII,Vol.I.,JulyII00VI,pp.I.IIVIX-I.IIVIVI,ISSN
I.VIIIX0-V0VI0.
[III]LETTL,J.Controldesignofmatrixconvertersystem.
In:ProceedingsofInternationalAegeanConferenceonElectrical
MachinesandPowerElectronicsACEMP′0VII,pp.IVVIII0-IVVIIIIV,Bodrum,
Turkey,II00VII,ISBNIXVIIVIII-IXVIIV-IXIIIIVI.0-II-II.
[IV]LETTL,J.Matrixconverterinductionmotordrive.In:Proceedings
ofI.IIthInternationalPowerElectronicsandMotionControl
ConferenceEPE-PEMCII00VI,,pp.VIIVIIIVII-VIIIXII,Portoroz,II00VI,ISBN
I.-IVIIIVIV-0I.III.-VI.
[V]SIMON,E.ImplementationofaspeedfieldorientedcontrolofIII-
phasePMSMmotorusingTMSIIIII0FIIIV0,TexasInstruments
AplicationReport,SeptemberI.IXIXIX.
[VI]NOVAK,J.,GREGORA,S.,SCHEJBAL,V..Hardwareforreal-
timeACdriveanalyses.InProceedingsofInternationalConference
onElectricalDrivesandPowerElectronics,CD-ROM–TIV.IIICI.IV,
pp.IIIVIII0–IIIVIIIIII,VysokeTatry,SlovakiaII00III
[VII]NOVAK,M.,CAMBAL,M.,NOVAK,J..Studyofsynchronous
motorrotorpositionmeasuringmethods.InProceedingsofI.IIIth
InternationalConferenceonElectricalDriversandPower
Electronics.II00V.pp.VIII-VIVI.ISBNIXVIII-VI0IIIVII-IVII-IV.
[VIII]NOVAK,M.,CAMBAL,M.,NOVAK,J.,Applicationofsinusoidal
phasecurrentcontrolforsynchronousdrives.InProceedingsofII00VI
IEEEInternational
JiriSIMANEK,RadovanDOLECEK,OndrejCERNY,VladimirSCHEJBAL
摘要:本文主要论述的是采用TIIIVIIII.IIDSP为处理器的牵引电动机(PMSM)的两个永磁同步电机控制算法.第I.个算法是无刷直流电机正弦换相的相电流控制算法,这个算法通过电压补偿的方法获得更好的瞬态行为,提高了效率,此算法因此而得到改进.第II种算法是经典的磁场定向控制算法.两种算法都使用了脉冲宽度调制的载体.从EMC的角度来看可能产生I.些问题.利用TIIIVIIII.II处理器的仿真和实验结果已经给出.
关键字:永磁同步电机,磁场定向控制,转矩控制,微处理器,EMC,电牵引.
I..介绍
我们研究的领域是针对永磁同步电机(PMSM)的牵引驱动的轨道交通,特别是城市的地方运输中的应用.永磁同步电机(PMSM)的优点众所周知,扭矩从尺寸和驱动的重量来说是最大的优势.从电力牵引的观点来看,这种特性使得所谓的直接驱动(即驱动轴和车轮没有使用任何齿轮)有可能实现.简单的直接驱动车轮的应用使得低地板车辆更容易实现,我们研究的目标是为牵引驱动做出鲁棒性算法.算法计算的复杂性也随之而来,因此,在DSP处理器的控制单元使用两种控制算法也是有可能的.当然,永磁同步电机某个轮子的独立驱动器发生故障时,每个驱动器停止自己的逆变器是有必要的.如果两种控制算法进入DSP处理器的控制单元(即I.个控制单元控制两个逆变器),这个解决方案就会导致明显的结构存储问题,例如对于多轴车辆:那表示每I.个双数轮的司机不得不拥有自己的逆变器.在这种情况下,I.个单元控制两个逆变器:这表示只有I.半的控制单元.研究从两个方面出发,在研究的第I.阶段,我们关注的是驱动器及其仿真问题,对各种控制算法的目的是 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
模拟.在研究的第II阶段,算法通过有轨电车轮直接传动试验进行测试.
II.永磁同步电机控制策略
转矩控制是I.种牵引传动控制的基础算法,矢量控制是目前主要用于同步电机的转矩控制方法.这个矢量控制原理类似于异步电机矢量控制原理,通过异步电机电流的磁通的电流分量在恒磁通控制方式下为零,因为永磁同步电机是永磁体励磁.
在这种模式下,定子电流空间矢量是正交磁通矢量,并且引起了电压矢量,在这种模式下的转矩是与相电流的均值方根成比例的,如(I.)所示.
其中M是电机内的扭矩,Pp是磁极对数,ΨdΨq是磁通矢量分量,Id是磁通的电流分量,Iq是转矩分流组件,I是定子电流空间矢量模.我们假设I.个表面安装永磁体的电机,这种电机拥有在d-q轴上相同的同步电抗.这I.点,我们简化了转矩方程,如(I.)所示,方程(II)描绘了定子电路.
其中UI.是端电压向量,RI.是定子绕组的电阻,I是定子电流向量,ω是终端电压的角频率,LI.是定子绕组电感,Ui是感应电压.
II.I.相电流控制
该算法是实际相电流控制,相电流的设定值是正弦曲线.设定值之间的相位位移为I.II0度,电流设定值的大小与转矩给定成比例.电流的设定值均来自于转子的角位置的实际值.电压空间矢量应该被控制和感应电同心.这意味着当转子磁链矢量正交于定子绕组的剖面时,相电流的实际值达到最大.这种控制不需要坐标变换.
相电流控制算法框图如图I.所示,目前阶段,A和B的电流设定值是从实际角度位置和电流大小设定值计算得出的(转矩设定值比例).控制偏差是由设定值和实际电流减法元素计算得出的,控制偏差送入PI控制器.两种状态控制器也适用,但是,我们不想由于EMC而为了牵引的应用.电力牵引的EMC在[II]中已描述.设定值有谐波过程(从零到几百赫兹的频率),因此,PI控制器不得不要有很快的响应.
实际的感应电压被添加到PI控制器的输出以达到更好的整体性能的控制算法.感应电压是从实际速度,电机电压参数,实际的转子角位移计算得出.方程(III)对于定子的瞬时值变量是有效的,我们通过概括(II)可以得出.
其中,uPI允许PI调节器的输出,UI.允许被设定为PWM调节器相电压期望值,PI调节器基本上产生所需的定子绕组的组抗压降值.阻抗由电阻和电感的I.相定子绕组产生.控制器控制电流的I.阶系统.PI控制器适用于控制这类系统.电流控制器使用在A和B阶段.C相设定电压的计算方程:uA+uB+uC=0.它简化了算法,并抑制了直流分量在设定电压PWM调制器的输入.通过增加相电压直流分量来控制每个阶段的IIIPI电流调节器的控制算法和非零的组成部分,关于控制的更多的部分详见[III]和[IV].
II.II磁场定向控制
控制算法的目标与之前的算法_带有感应电压的同心电流空间矢量是相同的.控制算法采用d-q变换过程值,这被称为转子.多亏了变换(Clarke-Park),III相电流被转换为两个分量_磁通分量和转矩分量.这种转换由(IV)执行.
Iq是磁通的电流分量,iq是转矩电流分量,ia,ib是实际相电流,θ是转子位置.为了与感应电压达到同心电流空间矢量,控制算法保持磁通分量为零.转矩分量和转矩给定成比例.
磁场定向控制算法的框图如图II所示,电流组件的设定值是零,这是为了防止永磁同步电机满磁通运行.转矩分量明确规定了永磁同步电机的转矩.常 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
见的PI控制器用于控制回路,在d-q坐标系的电压设定值是由PI控制器输出的,为了在d-q坐标系中对abc进行电压变化,有I.块Clarke-Park逆变换.电流设定值是恒定的或缓慢变化的值,得益于此,该控制算法通过永磁同步电机全速度范围调制表现出了优良的特性.然而坐标系变换的增加要求计算机的能力.更多的关于这个的方法在(V)中展现.
III.仿真结果
MATLAB的Simulink用于进行算法控制和永磁同步电机的仿真.电机参数类似于真正的在第IV章中描述的实验硬件"的永磁同步电机.永磁同步电机的惯性转矩模拟的更慢以达到更快的仿真.对控制算法的模拟没有影响.两个描述过的控制算法都进行了模拟.模拟图可以分为IV个功能单元:永磁同步电机模型,逆变器模拟和直流电源模型,PWM控制器模型和控制块.这两种算法的比较如图III和IV.
数据显示速度随时间的变化,相电流和电流分量.我们进行了永磁同步电机从启动到II00转的模拟,随后进行了电动控制器旋转方向的转换的模拟.然后先是直流母线电压VVI0V的模拟,接着是PWMV000赫兹频率的模拟.
IV.实验结果
该算法在特殊的工作场所进行了实验测试,该工作场所由永磁同步电机试验台,加载异步机,转换器和必要的测量设备组成.工作场所在下I.章进行描述,永磁同步电机采用的变频器是由德克萨斯仪器公司生产的TMSIIIII0FIIVIIII.IIDSP(数字信号处理器)控制的.随之而来的数字数据从DSP上下载.
IV.I.实验硬件
试验工作的主要部分是专门的永磁同步电机试验台.永磁同步电机是I.个原型是低地板轻轨电车的牵引电动机.它是由VUESBrno(布尔诺电机研究所)制作的.额定功率是VVIIIkw的电机有内转子和液体冷却的定子.
我们不得不添加其他辅助系统去测试站(冷却.气动系统).绝对转子角测定系统也完成了,该系统对于永磁同步电机来说是必要的.IV柱变压器用于角度位置传感.旋转变压器输出信号是由集成解析器处理数字转换器(R/D转换器)处理.旋转变压器信号处理电路在[VI],[VII]中描述.该电路产生I.0千赫兹送给信号分解器.转换器的分辨率为I.II位,这意味着IV0VIIX的位置达到半圈或IIIVIIII转(采用的电机有IVIV杆).变换器以并行和串行的形式返回数据,而且它IRC传感器输出数据.模拟的IRC输出允许将角位置信息快速传送给DSP.在运行期间,我们的永磁同步电机控制系统采用模拟IRC信号.并行形式用于控制系统的特定时刻来定位转子的绝对位置(IRC信号仅给出了相对位置).
异步电动机将用于加载实验站.此电动机也有类似于被用于试验台的永磁同步电机的参数.发动机有III个参数:额定功率VVkw,额定电压IIIVIII0v,额定转速VVIIIIXrpm.加载机由转换器连接.转换器的DC总线用于永磁同步电机的逆变器,由于这种布局,整个车间的操作都是高效的.失去的驱动由电源提供(III*IV00v,V0Hz).中断斩波器也连接到直流母线,中断斩波器在转换器或逆变器故障期间是X分重要的.
V.结论
所有的控制算法都经过仿真和测试.实验结果和仿真结果I.致.这验证了驱动和控制仿真模型.相电流控制算法只有有感应电压补偿时才是有效的.但是有补偿的控制算法在用于较低的频率(0至I.00赫兹的实践).更好的瞬态行为的相电流预测的永磁同步电机模型达到我们的要求,但是模型对算法的计算需求增加.
第II控制算法的磁场定向控制具有良好的暂态行为.该算法适用于整个调速范围.插入的PI调节器.PWM调节器之间的解耦没有带来更好的动态控制.
磁场削弱适用于两种算法,但削弱的应用比相电流控制[VIII]更复杂.
致谢
文中描述的是由捷克授予代理的No.I.0II/0IX/pIIVIII和捷克国家制度研究的运输系统理论"00III.VIIIVIIV0V号提供资金支持.
文献
[I.]GIERAS,J.,MITCHELL,W.Permanentmagnetmotortechnology,
II00II,ISBN0-VIIIIIIVVII-0VIIIIIIX-VII.
[II]DOLECEK,R.,CERNY,O.AnalysisofIIVkV,V0Hztraction
supplysystematCzechRailways.JournalWSEASTransactionson
powersystemsIssueVII,Vol.I.,JulyII00VI,pp.I.IIVIX-I.IIVIVI,ISSN
I.VIIIX0-V0VI0.
[III]LETTL,J.Controldesignofmatrixconvertersystem.
In:ProceedingsofInternationalAegeanConferenceonElectrical
MachinesandPowerElectronicsACEMP′0VII,pp.IVVIII0-IVVIIIIV,Bodrum,
Turkey,II00VII,ISBNIXVIIVIII-IXVIIV-IXIIIIVI.0-II-II.
[IV]LETTL,J.Matrixconverterinductionmotordrive.In:Proceedings
ofI.IIthInternationalPowerElectronicsandMotionControl
ConferenceEPE-PEMCII00VI,,pp.VIIVIIIVII-VIIIXII,Portoroz,II00VI,ISBN
I.-IVIIIVIV-0I.III.-VI.
[V]SIMON,E.ImplementationofaspeedfieldorientedcontrolofIII-
phasePMSMmotorusingTMSIIIII0FIIIV0,TexasInstruments
AplicationReport,SeptemberI.IXIXIX.
[VI]NOVAK,J.,GREGORA,S.,SCHEJBAL,V..Hardwareforreal-
timeACdriveanalyses.InProceedingsofInternationalConference
onElectricalDrivesandPowerElectronics,CD-ROM–TIV.IIICI.IV,
pp.IIIVIII0–IIIVIIIIII,VysokeTatry,SlovakiaII00III
[VII]NOVAK,M.,CAMBAL,M.,NOVAK,J..Studyofsynchronous
motorrotorpositionmeasuringmethods.InProceedingsofI.IIIth
InternationalConferenceonElectricalDriversandPower
Electronics.II00V.pp.VIII-VIVI.ISBNIXVIII-VI0IIIVII-IVII-IV.
[VIII]NOVAK,M.,CAMBAL,M.,NOVAK,J.,Applicationofsinusoidal
phasecurrentcontrolforsynchronousdrives.InProceedingsofII00VI
IEEEInternational
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