基于DRV8301的永磁同步電機控制系統研究

高 江， 黃向慧

(西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安 710054)

基于DRV8301的永磁同步電機控制系統研究

高 江， 黃向慧

(西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安 710054)

針對永磁同步電機(PMSM)動態響應的快速性和控制的精確性要求，采用TI公司的驅動芯片DRV8301設計了一種驅動PMSM的控制器，代替了傳統的多路獨立式的控制方法。該控制系統采用的是TMS320F28035作為主控芯片，以增量式PID算法為基礎實現了電流轉速雙閉環控制，主要設計了包括主控單元電路、驅動單元電路、逆變單元電路、轉子位置檢測單元電路的硬件電路，在MATLAB上進行了仿真，并且利用CCS6.0完成了軟件設計，實現了對PMSM的精確控制目的。從仿真結果和實驗波形可以看出，該設計方案提高了系統的穩定性和可靠性，其控制精度、動態性能等方面也有一定程度的改善，也從一定程度上證明了其可行性。

永磁同步電機； 控制器； 微處理器； 驅動芯片

0 引言

PMSM以其高效、高能量密度等優點[1-4]已經被廣泛的應用于機床、電動車等各個領域。隨著各種技術的不斷發展，電機由于其廣泛的應用于各個領域，它的控制方法好壞影響很大，因此研究高性能的控制器和裝置就顯得很有必要了。

傳統PMSM的控制系統一般是采用多路的、獨立式的驅動電路控制電機的[5-6]，所以其穩定性和效率都比較差，而且電路的設計也會比較復雜。本文選用的TMS320F28035是TI公司開發的，作為主控制芯片，DRV8301代替傳統的多通道獨立控制模式驅動芯片，并且結合了PID控制算法，從而實現對PMSM控制的目的。

1 PMSM控制技術原理

PMSM能夠在通入三相交流電時由定子產生旋轉磁場，從而在定子繞組中產生感應電動勢；而永磁體的轉子部分以相同的速度旋轉以產生磁場。兩個磁場的相對空間位置不斷變化，使它們的耦合關系更加復雜。為了便于解耦分析和相應計算，在建立電機的數學模型時，做以下參數的假設：

(1)忽略渦流、鐵心飽和、磁滯損耗且磁路為線性；

(2)忽略空間磁場中所有的諧波；

(3)各相繞組對稱。

PMSM的數學模型以電壓方程、磁鏈方程及轉矩方程等基本方程組成。

永磁同步電機的控制方法很多，本文采用了矢量控制的方法。這種方法的優點是調速范圍寬。通過矢量變換的方法重構電機的數學模型，在同步旋轉的參考系內，分解為相互垂直的直軸分量和交軸分量，通過解耦控制，以實現對電機的矢量控制。由于交流量計算不方便，需要采用坐標變換法將電機的矢量空間變為靜止矢量。

矢量控制的方法根據被控對象的不同，主要有id=0控制、弱磁控制等，都具有各自的特點。id=0控制時，電機的相量圖如圖1所示，當使用該控制方法時，直軸分量為零，定子電流中只有交軸分量，單獨控制電流中的交軸分量來實現對電磁轉矩的控制。具有簡單、轉矩特性好等優點，所以本系統采用id=0控制。

圖1 id=0控制時電機的相量圖

2 PID控制算法簡介

本文采用增量式PID[7-9]控制策略為基礎，結合了三種基本模型，實現了對整個系統的設計。

增量式PID算法表達式如下：

Δu(k)=u(k)-u(k-1)=

式中：k、k-1、k-2為采用次數；e(k)、e(k-1)、e(k-2)分別為第k、k-1、k-2次的采用輸出偏差值；Δu(k)為輸出控制量的增量；Kp為比例系數；TI為積分時間；TD為微分時間；T為采樣周期。

這種控制算法的基本原理是把相鄰時間的兩次采樣差值作為輸出，與常規PID控制算法所不同，其無需連續相加，計算量也相對來說較小，因此，對整個系統的影響也相對較小。

3 硬件設計與仿真實現

3.1 PMSM控制系統硬件總體框圖

PMSM控制系統的硬件總框圖如圖2所示，由DSP控制單元、驅動單元、逆變單元、轉子位置檢測單元電路等4個部分組成。

圖2 硬件框圖

主控單元電路以TMS320F28035及其最小系統組成，包括有有多個增強型外設端口、增強型捕捉(eCAP)等。它的CPU為32位，內核頻率是60 MHz，有45個GPIO引腳，兩個零引腳振蕩器，三個32位CPU定時器等。極大地提高了數字信號的響應及處理過程，增強了PMSM控制器對電機的實時調控能力。

驅動單元是由集成式驅動芯片DRV8301及其外圍電路組成。它可以提供PWM波控制輸出以及過電流、過電壓等保護，啟動保護、死區保護電路。相對于傳統的驅動電路，DRV8301芯片具有更高效、更穩定等優點，通過控制6個MOS管達到控制電路的目的。逆變單元電路包括采樣電路和橋式逆變電路等,通過對采樣電阻的檢測以實現對電流信號的采集；再經過驅動芯片中的電流分流放大器放大之后輸入到TMS320F28035芯片和DRV8301芯片的相對應管腳中；最后再經過ADC轉化之后得到電流信息。在電機繞組回路中接入電壓檢測電路就可以實時獲得當前的電壓值，當端電壓超過提前設定好的電壓閾值時，DSP就會啟動過壓保護動作。

轉子位置檢測單元電路由增量式編碼器電路以及濾波電路等部分組成,采用1250線的增量編碼器，與電機的主軸相連，它隨電機的旋轉產生三組脈沖A、B和Z相，通過輸出的信號得到轉子位置信號。經過數字隔離器之后輸入到TMS320F28035芯片的CAP口[10-11]，通過實時檢測中斷信息，得到轉子位置信號和換向時間，輸出將通過PID調節，通過轉速信號驅動電路，完成轉子位置的檢測和轉速的計算。

3.2 仿真實現

系統仿真采用的是MATLAB軟件，它包括有算法的開發、數據的可視化操作以及模型的建立與仿真等多種實用的功能。如圖3所示為系統仿真模型。

圖3 PMSM控制系統的仿真模型圖

PMSM控制系統的仿真模型主要由PMSM、逆變器、PI調節器等部分組成。電機運行于1 000 r/min，0.2 s負載由0.5 N·m增加至1.0 N·m時，各仿真波形如圖4～6所示，由圖中可以看出電機運行超調量較小，響應速度快。

圖4 轉速仿真波形示意圖

圖5 三相電流波形示意圖

圖6 交直軸電流波形示意圖

電機速度突然變化時，給定速度在0.2 s由1 000 r/min變成700 r/min時的情況如圖7所示。由圖中可以看出，雖然在速度發生變化后有短暫的波動，但是很快適應速度變化，積極跟隨。速度響應可以在短時間內穩定下來。

圖7 轉速突變波形示意圖

4 軟件設計

圖8所示為主程序的流程圖，由主程序、CAP捕獲中斷程序、PWM中斷程序、采樣程序等組成。采用單極性PWM控制方式控制電機的轉速，優點在于轉矩脈動較小。主程序實現了初始化、參數設置以及故障排除和通訊功能。

圖8 主程序流程圖

5 實驗結果

本文采用泰克示波器TPS 2014B，由于它最多只能同時采集4路波形，因此，在電機正常運行時，只能在輸出端采集6路PWM信號的4路。如圖9所示為前兩路信號波形示意圖，可以根據功率管的工作特性來觀察，死區時間設置為防止上、下橋臂之間直接連接產生的大電流，造成驅動芯片損壞。從DSP輸出的2路PWM信號的波形圖中能夠看出，PWM1波形是高電平狀態，而且可以確保輸出的PWM2的波形處于相應的互補狀態，以達到對PMSM的精確高效換相運行。實驗結果也符合兩兩導通三相六狀態的理論分析[12-13]。相比仿真波形，實驗波形存在誤差，波形不夠平滑，有毛刺，從功率管的準確快速導通體現了控制器良好的控制精度和動態性能。

圖9 兩路PWM信號波形示意圖

圖10是增量編碼器的信號波形示意圖，編碼器隨著電機的旋轉會產生A、B、Z相三組脈沖信號，當電機正轉時，A相脈沖信號的相位會超前B相90°，否則為反轉。而Z相則是作為參考零位，用以指示脈沖信號，碼盤每旋轉一周，只會發出一個標志信號，標志信號脈沖一般是用來指示機械位置或者對累計量清零。實驗結果也符合增量編碼器變化規律，也可以看出系統運行的穩定性良好[14]。

圖10 增量編碼器信號波形示意圖

圖11為三相繞組首端對母線負極電壓波形示意圖。從圖中可以看出，整體上A、B、C三相波形完整度較好，保證了電機的運行，但是有一定的轉矩脈動[15]存在，主要是由于電流換相造成的。

圖11 三相輸出波形

6 結論

本文設計了一種采用TMS320F28035芯片為核心的PMSM控制器，充分利用，DSP芯片高速運算能力等優點，采用集成驅動電路代替傳統的多通道離散驅動電路，提高了系統的穩定性和可靠性。通過仿真和實驗驗證了該系統的控制精度、動態性能等方面，也從一定程度上證明了其可行性。

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Research on Permanent Magnet Synchronous Motor Control System Based on DRV8301

GAO Jiang， HUANG Xianghui

(Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China)

A controller based on DRV8301 drive chip of TI company drive permanent magnet synchronous motor (PMSM) is designed to meet the demands of PMSM for dynamic response speed and accuracy control requirements, which aims at replacing the traditional control method of multiple individual. Digital signal processor (DSP)TMS320F28035 is used as the main control chip of controller, and the closed-loop current and speed regulation is designed by adopting incremental PID algorithm. The design hardware circuit includes the main control unit, driver unit, inverter unit, and rotor position detection circuit unit; and simulation in Matlab is carried out and software design is completed by CCS 6.0 to achieve control purpose of PMSM. As can be seen from the simulation results and experimental waveforms, the design scheme improves the stability and reliability of the system, and its control accuracy, dynamic performance and other aspects also have a certain degree of improvement; from a certain extent, the feasibility is verified.

PMSM; controller; DSP;DRV8301

2017-06-19。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.11.002

TM383.4+2

A

1672-0792(2017)11-0007-05

高江(1992-)，男，碩士研究生，主要研究領域為電工理論與新技術；黃向慧(1967-)，女，副教授，主要研究領域為電機與電器。