PTS-系列之PEK-190系列教學(xué)

PEK-190模塊——初始位置檢測(cè)與啟動(dòng)

寫在前面的話

永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor——PMSM）是用稀土永磁體取代勵(lì)磁繞組所構(gòu)成的一種新型同步電機(jī)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、運(yùn)行可靠，相對(duì)于感應(yīng)電機(jī)，PMSM 效率高、功率密度大、調(diào)速范圍寬、力矩波動(dòng)小、能夠運(yùn)用在高壓大容量伺服驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合。

固緯PEK-190模塊是適配額定功率400W、額定轉(zhuǎn)速3000rpm的PMSM，可滿足教學(xué)需求。本期基于PEK-190模塊的矢量控制策略教學(xué)為老師提供PMSM相關(guān)控制策略資料以及教學(xué)資源。PEK-190模塊及電機(jī)模組如圖所示。

PEK-190電機(jī)控制模組

PEK-190模組介紹：

PEK-190 為PMSM驅(qū)動(dòng)模組(Motor Drive)，模組實(shí)物照片如圖1 所示，主要為三相全橋逆變器(Single Phase Inverter)與PMSM組成，同時(shí)還具有主要變量的檢測(cè)和DSP控制功能部分。該模組實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫槭褂谜咛峁┗贒SP控制的電力變換器學(xué)習(xí)平臺(tái)，即借助 PSIM 軟件完成仿真和實(shí)驗(yàn)。第一學(xué)習(xí)者可以在PSIM上建立模擬（連續(xù)）仿真電路，以學(xué)習(xí)電力變換器的原理、分析和功能設(shè)計(jì)；第二將電力變換器的控制器（如PI 控制器）離散化，即轉(zhuǎn)化去數(shù)字（離散）仿真部分，進(jìn)行仿真研學(xué)；第三借助DSP芯片內(nèi)部所具有的A/D轉(zhuǎn)化器、數(shù)據(jù)處理和PWM信號(hào)生成功能，再次進(jìn)行數(shù)字（離散）仿真；第四通過PSIM 之 C代碼生成功能，將控制部分生成C代碼；最后將生成的C代碼下載于PEK-190的DSP之中，以備實(shí)物實(shí)驗(yàn)。這樣設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)方便實(shí)驗(yàn)者能夠快速完成DSP對(duì)變換器主電路的控制。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)除需要PEK-190 模組外，仍需配置PEK-005A(輔助電源)和 PEK-006 (JTAG 下載器)等，并在 PTS-3000的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成。

PTS-3000 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

Motor Drive組成

PMSM驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖3所示，即主要由DC電源、三相逆變電路、Motor、檢測(cè)單元模塊和DSP數(shù)據(jù)采集、處理及PWM信號(hào)模塊組成。

圖3  PMSM驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

PMSM矢量控制及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

對(duì)PMSM的學(xué)習(xí)，可以從以下幾個(gè)方面展開：即

（１）電機(jī)數(shù)學(xué)物理模型分析與建立

（2）電機(jī)矢量控制策略

（3）初始位置檢測(cè)與啟動(dòng)

（4）仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

下面圍繞以上四個(gè)方面進(jìn)行討論。

（１）電機(jī)數(shù)學(xué)物理模型分析與建立

隨著電磁材料技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、控制技術(shù)、驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，PMSM 特性得以很快的發(fā)展。PMSM 的控制技術(shù)于1971 年得到了突破性的進(jìn)展。德國(guó)西門子公司的Blaschke 等人首先提出了交流電機(jī)的矢量控制理論，后來這一理論在PMSM 領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展。

PMSM結(jié)構(gòu)模型和等效坐標(biāo)如圖3和圖4所示。

圖3  PMSM 結(jié)構(gòu)模型

圖4  PMSM 的等效結(jié)構(gòu)坐標(biāo)圖

電機(jī)定子一般由三相繞組和鐵心組成，其中三相繞組往往以星型的方式連接，其物理方程如下：

ua、ub 、uc 為三相定子繞組電壓；

Ra 、Rb 、Rc 為三相定子繞組電阻，大小均為R ；

ia 、ib 、ic 為三相定子繞組電流；

ψa ，ψb，ψc 為三相定子繞組的磁鏈；

L 為三相定子繞組的自感，包括漏電感分量和主電感分量；

ψf 為轉(zhuǎn)子永磁磁鏈；

θe 為轉(zhuǎn)子軸線與 A 相繞組軸線夾角的電氣角度。

在永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型研究中，經(jīng)常用到如圖5-7所示三個(gè)坐標(biāo)系，它們分別是靜止 abc 坐標(biāo)系、靜止 αβ 坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn) dq 坐標(biāo)系。坐標(biāo)系之間可以進(jìn)行相互變換，如 abc 坐標(biāo)系到 αβ 坐標(biāo)系的坐標(biāo)系變換稱之為 Clark 變換，αβ 坐標(biāo)系到 dq 坐標(biāo)系的變化則是 Park 變換。

圖5 abc坐標(biāo)系

圖6 αβ坐標(biāo)系

圖7 dq坐標(biāo)系

在三相交流繞組電路中，假設(shè)繞組A、B、C通以時(shí)間上相差120、角速率為 ω 的三相對(duì)稱正弦電流，那么三相電流將產(chǎn)生合成的磁動(dòng)勢(shì) F1，它在空間成正弦分布，與交流電同頻按A? B ?C相序來旋轉(zhuǎn)；在兩相繞組 α 和 β 中 ，它們?cè)诳臻g上相差90。當(dāng)通以時(shí)間上相差90、角速率為 ω 的兩相平衡正弦電流時(shí)，也能產(chǎn)生空間上為圓形、角速度為 ω 、磁動(dòng)勢(shì)為 F2 的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 dq 中，如果在匝數(shù)相等且互相垂直的繞組 d 和繞組 q 中分別通以直流電流。兩相直流電流能夠產(chǎn)生合成的磁動(dòng)勢(shì) F3 。由于兩個(gè)繞組以同步角速度 ω 一起旋轉(zhuǎn)，則磁動(dòng)勢(shì) F3 也會(huì)隨之成為旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。經(jīng)過坐標(biāo)變換之后，即可獲得 dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下微分方程如下所示：

（２）電機(jī)矢量控制策略

對(duì)于過載能力以及轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性有比較高的要求，并且id = 0 控制方法比較簡(jiǎn)單，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與定子電流的幅值成線性關(guān)系，且無去磁效應(yīng)，因此，采用如圖8所示的PMSM矢量控制策略。

id= 0 的控制方案要求，在電機(jī)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)通過不斷檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子角位置，進(jìn)而改變定子合成電流矢量is 的大小和方向，使 is 的直軸分量滿足id = 0，交軸分量 iq = is。即所有的電流都用來使電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩，逆變器也無需為電機(jī)提供無功勵(lì)磁電流。在該方案下電磁轉(zhuǎn)矩輸出平穩(wěn)、響應(yīng)迅速，因此電機(jī)能夠很好的啟動(dòng)與制動(dòng)，調(diào)速性能較好，調(diào)速范圍也寬。

永磁同步電機(jī)矢量控制如圖8所示。由圖可知，該控制系統(tǒng)由速度環(huán)和電流環(huán)組成。速度環(huán)的作用是使電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟蹤設(shè)定轉(zhuǎn)速，能夠控制電機(jī)加減速，增強(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)的能力，抑制速率波動(dòng)。電流環(huán)的作用是根據(jù)速度環(huán)給定的轉(zhuǎn)矩電流值和檢測(cè)的電機(jī)相電流值，使電流控制器產(chǎn)生實(shí)時(shí)的控制電壓信號(hào)，與載波信號(hào)比較產(chǎn)生PWM 波形，進(jìn)而通過逆變器來改變電機(jī)相電流值。

圖8  矢量控制策略

（3）轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)與啟動(dòng)

在PSIM軟件中結(jié)合以上分析搭建如圖9所示可生成代碼的數(shù)字仿真電路，其仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

為了準(zhǔn)確獲取永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)，采用一種定子電流注入法的PMSM轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)與可靠運(yùn)行。在電機(jī)啟動(dòng)前，轉(zhuǎn)子位置未知的情況下，將PMSM 驅(qū)動(dòng)器在定子繞組通入方向及大小均恒定的定子電流向量，該電流向量產(chǎn)生的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互作用會(huì)使得轉(zhuǎn)子被拉至某個(gè)固定位置后靜止。以轉(zhuǎn)子被預(yù)定位至電氣角度為零度的位置（以下簡(jiǎn)稱“零度位置”）為例，分析預(yù)定位過程中恒定定子電流向量的方向與轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系。

由三相定子電流關(guān)系可知，當(dāng) Ia 為最大值 Im 時(shí)，Ib 和 Ic 為-Im / 2。此時(shí)，三相定子電流向量如圖9所示。由于 Ib 和 Ic 關(guān)于 A 軸對(duì)稱，定子電流合向量方向與 A 軸同向，定子磁動(dòng)勢(shì) fo 與定子電流向量 Io 同向。在此約定：磁動(dòng)勢(shì)方向由定子指向轉(zhuǎn)子時(shí)，該極為定子磁場(chǎng)的 N 極；磁動(dòng)勢(shì)方向由轉(zhuǎn)子指向定子時(shí)，該極為定子磁場(chǎng)的 S 極。由此可得，定子電流向量 Io 產(chǎn)生的理想定子磁場(chǎng)的磁極如圖10中虛線框部分所示。在圖10所示的定子磁場(chǎng)的持續(xù)作用下，轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)方向?qū)⑴cA軸重合，即轉(zhuǎn)子被預(yù)定位至零度位置。

圖9  A相電流最大時(shí)定子電流向量與磁矢量

圖10  預(yù)設(shè)定轉(zhuǎn)子零刻度位置

（4）仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1）PSIM仿真

在PSIM軟件中結(jié)合以上分析搭建如圖11所示可生成代碼的數(shù)字仿真電路，其仿真結(jié)果如圖12所示。

圖11  Motor Driver 轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)及啟動(dòng)仿真電路

圖12  Motor Driver 轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)及啟動(dòng)仿真結(jié)果

2） 實(shí)驗(yàn)

基于PTS-3000實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的PEK-190及電機(jī)模組實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖13、14、15和16所示。

圖13  實(shí)驗(yàn)設(shè)備與教具PEK-190配置圖

圖14  電機(jī)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)際接線圖

圖15  電機(jī)驅(qū)動(dòng)線與編碼器線接線圖

圖16  電機(jī)負(fù)載線與負(fù)載接線圖

三相定子電流和轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)測(cè)試如圖17和18所示。

圖17  電機(jī)三相定子電流

圖18  電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速

結(jié)　論

當(dāng)模塊在啟動(dòng)前，系統(tǒng)進(jìn)行了轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)以防止電機(jī)反轉(zhuǎn)。通過觀察電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的定子電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速可知，增加了初始位置檢測(cè)與啟動(dòng)后PMSM電機(jī)能夠平滑啟動(dòng)且達(dá)到給定轉(zhuǎn)速2000RPM。