1KW PMSM控制器通用硬件平臺的探討

李紹卓，王 薇，廖海燕

（1. 神華國華（北京）電力研究院有限公司，北京 100025； 2. 第二炮兵裝備研究院，北京 100011）

1KW PMSM控制器通用硬件平臺的探討

李紹卓1，王 薇2，廖海燕1

（1. 神華國華（北京）電力研究院有限公司，北京 100025； 2. 第二炮兵裝備研究院，北京 100011）

0 引言

近年來，永磁同步電機(PMSM) 以其結構簡單、體積小、重量輕、高轉矩/慣性比、高效率等優點，在家庭、數控機床、工業機器人以及航空航天等領域得到日益廣泛的應用。PMSM以一個與電源頻率同步的恒定速度進行旋轉，不受負載和線路電壓的影響，是高精度定速驅動的理想選擇。PMSM 的速度/轉矩特性非常適用于直接驅動大馬力、低轉速（rpm）的負載。同步電機能夠以較高的功率因數運行，因此能提高整個系統的功率因數，進而能消除或減少功率因數的損失。功率因數的提高還可以減少系統及電機終端的壓降。PMSM 舍棄了勵磁線圈，而且轉子的轉速與定子磁場的轉速相同。PMSM 的這種設計可以消除轉子銅損，與傳統的感應電機相比可以產生極高的效率峰值。PMSM的功率重量比也高于感應電機。

本文在對PMSM的多種控制算法分析的基礎上，主要闡述PMSM控制系統實現的硬件平臺方案。根據本文設計方案，主要控制功率在1kw以內的PMSM。

1 硬件平臺方案

1.1 PMSM控制器一般解決方案

PMSM控制器主要針對當前PMSM應用需求擴大而設計，性價比將在方案擬定過程中是重要的參考。

在實際工程中，無刷電機控制器設計時采用比較多的是帶有位置或者速度反饋的方案：通過霍爾、光編、旋變等傳感器檢測電機運行位置或者速度信息實現電機運動控制。如圖1所示。

圖1 有傳感器控制方案

電機的無傳感器控制技術始于上個世紀70年代，重點是通過電機運行態的觀測和電機系統的辨識而實現電機磁鏈和速度控制，其一般過程如圖2所示。

圖2 無傳感器控制方案

圖3 通用平臺方案框圖

1.2 本系統方案及工作原理

1KW以內PMSM應用場合，對于控制器的要求各有差異，但總體上可以分為兩大類：有傳感器控制器和無傳感器控制器。前者往往注重性能：對實際能夠達到的速度、位置、力矩波動的控制參數敏感；而后者對于產品的直接成本更加敏感。結合實際情況，本方案擬結合上述兩種解決方案以應對兩類不同的需求：采集相電流同時也保留常用傳感器反饋通道設計，以保持系統能夠適應多種流行算法實現的需要。方案框圖如圖3所示。

借助諸如矢量控制等復雜的控制方法，PMSM 可以提供與高性能的四象限直流驅動相仿的控制功能。矢量控制是PMSM的一種高級控制方法，這種方法利用磁場定向的原理來控制磁通、電流和電壓的空間矢量。可以建立一個坐標系統，將矢量分解成磁場產生的部分和轉矩產生的部分。這樣，電機控制器（即矢量控制器）的結構幾乎與分勵直流電機完全相同，從而簡化了永磁同步電機的控制。過去開發這種矢量控制技術的目的是在永磁同步電機中達到同樣出色的動態性能。在此方法中，必須將定子電流分解為產生磁場的部分和產生轉矩的部分，以便分別控制磁通量和轉矩。要做到這一點，必須建立與轉子磁場關聯的轉子坐標系統。該坐標系統通常稱為“d，q 系統”。將轉子坐標系統轉換為定子坐標系統通常需要很強的CPU 運算性能。

要進行矢量控制，必須做以下步驟的工作：

1）測量電機的數值（相電壓和電流）。

2）用 Clarker 轉換將它們轉換成2 相系統(α，β)。

3）計算轉子磁通空間矢量的大小和角度位置。

4）用 Park 轉換將定子電流轉換成d，q 坐標系統。

5）定子電流的轉矩（isp）和磁通（isd）分量由控制器分別進行控制。

6）用去耦模塊計算定子電壓空間矢量的輸出值。

7）通過 Park 反向轉換將定子電壓空間矢量從d，q 坐標系統轉換回固定于定子的2 相系統。

8）用正弦調制生成 3 相輸出電壓。

2 硬件平臺設計

基于上述算法實現的需要，結合功放驅動電路設計的一般原則，本方案電路分為三各部分：主控電路（包括主控制器、編碼器反饋回路、旋變解調、溫度反饋回路）、功率轉換電路、電源變換電路。

2.1 主控電路

2.1.1 主控制器

主控制器采用NXP公司基于ARMCortex-M3核的LPC1768微控制器,擬采用SPI0、CAN1/2、ADC、MCPWM、QEncoder、UART、I2C幾個外圍功能模塊，實現功能如下：

2.1.2 編碼器反饋回路

所選用主控制器外圍擴展由兩通道的正交編碼器，能夠將角度信息轉換為脈沖信號，通過檢測脈沖信號的數量和相位差，就可以實現位置、速度、轉向的檢測。在實現過程中只需增加數字整形電路即可直接介入編碼器反饋信號。

2.1.3 電流反饋回路

電機電流的監測有兩種不同結構：低端檢測和高端監測。高低端檢測分別如圖4和圖5所示：

圖4 低端電流檢測

圖5 高端電流檢測

采用低端檢測方式，電路非常簡單，成本低廉，信號調理電路往往一個運放就足以，所以一般場合的應用常采用這種方式。高端檢測方法可以直接檢測出每相相電流。相比較而言前者成本低，電路容易實現，但會引入額外電阻而帶來接地噪聲。后者相對成本高一些，但可以直接得到相電流，為后期實現提供方便。這里擬采用高端檢測的方式，以提高系統帶寬和適應性。

具體實現時可選擇IR2177為核心器件來實現該檢測電路，如圖6所示。

2.1.4 旋轉變壓器解調

AMC1210的PWM輸出直接驅動旋轉變壓器，ADS1205的參考引腳(REF)將正弦及余弦信號的電壓限制在正確范圍之內。由于 ADS1205參考輸出具有高阻抗特性，不能提供足夠的驅動電流，故需增加緩沖。旋轉變壓器另一側的輸出引腳的阻抗低，因而可以直接驅動調制器的輸入端。

圖6 電流反饋回路

圖7 旋轉變壓器解調回路

2.1.5 溫度反饋

電機驅動的熱設計往往是功率轉換的重要一環，除了選擇恰當的器件和散熱設計，減少本身損耗外，還應該設計溫度反饋回路，以實現系統的過熱保護。

圖8 溫度反饋回路

由于功率轉換器件采用高性能的TMOS管PSMN020，其熱耗為小于1.4K/W。按照21A持續電流，內阻為20mΩ來算，其熱耗引起溫升為：12K。在設計過程中如果增加覆銅面積有助于進一步改善溫升效應。

作為輔助的設計，這里采用二極管作為傳感器結合集成電路SA56004實現溫度的反饋，能夠實現-40℃～125℃范圍內的溫度探測。

2.2 功放驅動

為簡化電源設計，在現在的PWM功率驅動設計中幾乎全部采用橋式結構。本驅動器控制的目標為功率1kw左右的永磁同步直流電機，在大多數場合有雙向應用需求。因此本方案擬采用全橋驅動結構：

圖9 全橋驅動結構

本方案采用48V供電設計，1KW的驅動能力，則線電流將達到21A（1000W/48V）。在持續電流作用下耗散功率約為9w，增加散熱片，所以選用的開關管需滿足上述要求。根據性價對比，開關元件擬采用采用高性能MOS管PSMN020-100YS。在上述結構中，因Q1/2/3出于高側，其驅動往往需要特別設計，所以常常使用對應的P管來代替。考慮到實現算法對開關管的一致性要求，采取專用集成電路來實現高側管的驅動設計方案：

2.3 電源變換

出于成本方面和應用場合的考慮，電源轉換設計不做防雷設計。系統用電分為三部分：主控制器邏輯供電；信號調理電路的模擬供電；功率供電。

2.3.1 主控器邏輯供電

系統采用LPC1768主控制器，工作電壓為3.3V，另有前向通道外圍電路工作電壓為5V和12V兩種。選用UWD240512K-15W，可提供12V和5V兩種工作壓，其中5V輸出電流為1A，12V工作輸出電流為800mA。3.3V主控器工作電壓統AS1117-3V3變換得到。

圖10 功放驅動回路

2.3.2 模擬供電

信號調理電路采用主要針對旋變解調電路使用，整個功耗不超過15W，這里這里選用URA4812LD-20W型號的隔離電源。

圖11 URA2412LD-15W& URA2412LD-20W效率曲線圖

2.3.3 功率供電

功率供電直接源于電源，這里可根據電機特性增加扼流圈、濾波電容，以減小引入噪聲。

2.4 抗干擾隔離措施

采用全數字脈沖調制電路驅動電機容易將為整個系統引入附加噪聲，同時出于安全方面的考慮，本設計方案擬在信號處理方面采用如下措施：

2.4.1 信號輸出隔離

由主控制器輸出的PWM信號采用光耦隔離，以保證隔離功率轉換電路對主控制器的干擾。

2.4.2 電源隔離

正如上文闡述，本系統將功率電、邏輯電、模擬電采用獨立供電方式，保證系統安全。

2.4.3 印制電路處理

針對各個功能模塊的特點，本系統擬將系統分置三個獨立電路板來共同實現：電源轉換板、主控電路板、功率轉換板。在具體設計時，著重對地線進行隔離處理。

3 結論

系統性能的優劣直接與系統的軟、硬件平臺相關。相對硬件平臺而言，軟件工程更著重于在實踐中探索。上述章節沒有涉及軟件設計，尤其是算法設計部分，還僅限于理論仿真和對他人相關成功經驗的借鑒，因此在實踐中有待進一步摸索、驗證和改進，以適合應用系統的需要。也正因為在軟件設計中的這種“不確定性”，這里的硬件平臺的設計不具備性價比最優原則和經濟性原則，而是以為多種控制算法的實現運行提供靈活的平臺為原則，同時硬件方案也為系統今后擴展升級考慮，所以在部分資源的配置上留有一定的空間。

[1]NXP Semiconductors.LPC1768 Datasheet .

[2]TEXAS INSTRUMENTS.AMC1210 Datasheet.

[3]TEXAS INSTRUMENTS.ADS1205 Datasheet.

[4]NXP Semiconductors. SA56004 Datasheet .

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Research on the general hardware platform of the controller of PMSM with power under 1KW

LI Shao-zhuo1, WANG Wei2, LIAO Hai-yan1

本文在對PMSM的多種控制算法分析的基礎上，主要闡述PMSM控制系統實現的通用硬件平臺方案。根據本文設計方案，主要控制功率在1kw以內的PMSM。

PMSM；控制算法

李紹卓（1977 -），男，貴州人，工程師，碩士研究生，研究方向為工業信息化及嵌入式控制技術。

TP273

A

1009-0134(2011)4(上)-0067-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).22

2010-10-23