永磁同步電機矢量控制實驗系統調試及故障分析

徐 婷，戴 怡

（天津職業技術師范大學機械工程學院，天津 300222）

矢量控制是德國SIEMENS和日本FANUC等數控系統的核心技術，然而長期以來SIEMENS、FANUC等供貨商提供的技術資料對他們的矢量控制技術披露很少，更沒有其相應的技術實現方案、調試案例及參數細節。國內諸多教材、技術手冊以及一些做得比較好的側重數控技術的院校也幾乎沒有這方面實驗內容，因而造成SIEMENS、FANUC等數控系統的技術空白和神秘化，這些數控系統的安裝調試和故障分析大多停留在表面層次，或者是憑經驗進行。因此，開展矢量控制實驗進而掌握相關技術，是掌握國外高檔數控技術的前提和基礎[1-3]。本文搭建一套永磁同步電機矢量控制系統實驗臺進行矢量控制系統實驗，對實驗中出現的軟件啟動和程序測試異常及閉環實驗中遇到的電機堵轉等故障進行研究分析。

1 永磁同步電機矢量控制實驗系統組成

永磁同步電機矢量控制實驗平臺如圖1所示。該平臺主要包括永磁同步電機、功率驅動器、DSP控 制板（TMS320F2812）和仿真器（TDS510）等。TMS320F2812是整個控制系統的核心，應用代碼調試軟件CCS2.0進行控制程序的調試，通過仿真器下載到DSP上，經過空間矢量調制運算，輸出PWM脈沖控制IPM模塊中橋臂開關的狀態，以獲得施加于電機的三相電壓，同時霍爾傳感器檢測到的電流、光電編碼器檢測到的電機轉速及轉子位置通過仿真器反饋到上位機，CCS軟件實時監測相關數據及波形。

圖1 永磁同步電機矢量控制實驗平臺

2 矢量控制實驗及故障分析

2.1 CCS連接和控制程序測試異常及電機錯誤辨識

DSP控制板類型和仿真器類型設置后，啟動CCS2.0，若短時間內沒有進入操作頁面，且DSP板上的“LED4”指示燈不閃爍，則點按DSP板上的復位鍵，直到該指示燈閃爍為止。如果仍然異常，須檢查DSP轉接板上的JP1開關是否撥向右邊，以連接永磁同步電機的光電編碼器信號線，同時確保DSP板上8位編碼開關中的第2位是撥下的。排除以上故障，重新插拔仿真器，檢查計算機設備管理器中是否已經成功安裝了仿真器驅動。

在DSP控制板啟動CCS軟件后，初次編譯控制程序時往往出現“illegal relocation type found in section debug_info”錯誤，錯誤的原因是一個庫文件“F2812 Xdrv_ml.L28”沒有編譯好。這時需檢查工作環境文件及控制程序是否存到計算機系統E盤目錄下，因為TI公司的CCS集成軟件在最初出廠時是以E盤為最初路徑的，并且具有記憶功能。當電機的辨識出現錯誤時，可以在不連接仿真器與電腦的條件下，進行脫機實驗，直接控制功率器面板進行電機的正反轉實驗，以檢查電機有無故障。

2.2 開環啟動實驗

矢量控制的核心是坐標變換，CLARK變換將三相交流變換為兩相交流，PARK變換將兩相交流變換為兩相直流，相當于用控制直流電機的方法去控制交流電機[4-6]。開環啟動實驗框圖如圖2所示。

圖2 開環啟動實驗框圖

給定2個直流電壓初始值與某速度下的轉子角度值，經過PARK逆變換得到空間電壓矢量計算值，控制對應6個基本空間電壓矢量作用時間，輸出6個PWM脈沖，用以驅動逆變器—同步電機。在反饋環節，電機三相電流經過CLARK和PARK變換得到上述逆變換所需電壓值。設計此開環實驗是為切斷該反饋環節，以觀察PARK變換后的轉矩電流值Ds以及電機兩相采樣電流Ia和Ib的波形。

2.2.1 電機轉動不穩定或不轉

當功率電路及電機等部件連線正確時，電機啟動且在給定轉速下運行。當電機轉速不穩或者控制器上顯示速度不正確時，首先檢查地線是否接好，JP1開關是否撥向右側；如果電機不轉，應檢查DSP板上的LED2燈是否熄滅。如果該燈熄滅，一般是產生了功率保護中斷，這是因為電機啟動時給定轉速過大或者電流Ia及Ib的偏移量過調，會輸出一個有效的中斷電平，使系統產生功率中斷以確保IPM模塊不被燒壞。

在實驗過程中，若使電機停止運轉，先給定一個較小轉速，在電機穩定運行后，再使電機停轉，最大程度地保護電機。實驗結束時，不應直接關閉控制電源，應先退出軟件的實時運行模式，使CCS軟件退出程序，然后再關閉功率模塊主電源。

2.2.2 Ia以及Ib的波形異常

Ia及Ib是電機定子繞組上A、B兩相的電流，由于每臺驅動器被檢測的電流均有差別，因此需調節Ia和Ib的波形使它們接近正弦波，再將這個波形下合適的電流偏移量寫到程序中，重新編譯下載和運行，以確保每臺驅動器與控制程序之間的配合，這就要求實時波形的可見性和準確性，Ia和Ib的故障測試波形如圖3所示。若根據波形無法準確識別Ia、Ib幅值以及相位差，這可能是由于電流檢測電路中采樣濾波環節的異常所致。為此，基于Multisim軟件建立A相電流檢測電路仿真模型，如圖4所示。

圖3 Ia和Ib故障測試波形

圖4 A相電流檢測電路仿真模型

由圖4仿真模型知，此檢測調理電路由5個功率放大器以及周圍的隔離保護電路組成，左端電壓源信號I1模擬電機A相輸入信號，經過多重濾波及放大后輸出。分別調節電位器R2及R17，電位器R17直接影響正弦波信號的輸出。同理，將B相電路仿真，同樣調節電位器，以獲得準確的正弦波。將調節后的功率伺服重新接入矢量控制系統，通過上位機的CCS軟件重新檢測Ia及Ib的波形，得到兩相正負半波對稱的正弦波，此時PARK變換后的勵磁電流值相對平坦，如圖5所示。此時兩相電流偏置比例系數分別為-4 800及-5500。通過測量，斜坡函數周期為9.95ms，Ia電路第一個峰值時間為2.2 ms，Ib第一個峰值時間為5.25 ms；通過計算求得結果為2π/3。從測量結果可以看出Ia超前Ib 120°，即調整正確。

2.3 電流速度雙閉環系統功能測試

電流速度雙閉環實驗框圖如圖6所示。

2.3.1 電機空載轉速不穩

電機此時的速度由給定值控制，改變速度參考值或是轉向，電機速度跟隨給定值迅速變化，若電機轉動不穩，即噪聲很大或者液晶板上顯示的轉速不能穩定在某一區間，采用脫機實驗排除電機自身故障后，一般是因為在開環啟動實驗中，Ia及Ib的電流偏移量未能準確調節所致，因為每臺驅動器的電流檢測模塊均有偏差，適用于某一臺的電流偏移量不一定適用于另外一臺，只有準確調節好這2個電流的偏移量，實驗結果才能更準確。另外，在Ia及Ib調節全部正確的情況下，如果電機仍然出現不穩的情況，需考慮轉子相位是否經過了初始化。相位初始化是在電機啟動之前，給電機一個-90°的直流轉矩，將轉子d軸吸引到對準A軸，此時觀察窗口中變量VqAngle為0.75，即相位為 270°（相當于-90°），說明電機此時處于-90°的固定轉矩作用下，從而找到相位的初始位置。

圖5 Ia及Ib檢測波形

圖6 電流速度雙閉環實驗框圖

若電機負載實驗正常，但空載功率波動很大，則因發熱導致[7]，電機空載時發熱會造成電阻的不穩定，從而影響功率。此時應結束實驗，待電機冷卻后再繼續。

2.3.2 電機空載啟動正常，加負載后轉動不穩或堵轉

通過控制器給電機加上合適的負載后，可以看到速度下降，但經過PI調節后，速度又達到了設定值。這說明速度閉環是成功的。電機加負載后，出現轉動不穩或是堵轉情況，按照安全提示關閉流程結束實驗，在不接任何線路及功率設備的情況下，檢查電機連軸器聯接是否穩固。排除硬件因素后，出現上述情況則是負載慣量過大所致，應在幾十mA負載基礎上慢慢加大。

3 結語

本文通過永磁同步電機矢量控制系統實驗，分析了實驗過程中庫文件F2812Xdrv_ml.L28路徑錯誤，定子電流Ia和Ib偏移量失調嚴重，轉子相位初始化誤差較大和系統調試技術要點等典型故障案例，這些案例極大地豐富了矢量控制系統技術的細節與內涵，對學習掌握國外先進數控技術有一定幫助。

參考文獻：

［1］周漾.數控機床交流伺服系統矢量控制的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007.

［2］阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統—運動控制系統［M］.4版.北京：機械工業出版社，2015.

［3］周海森.基于TMS320F2812的永磁同步電機矢量控制系統設計與實現［D］.西安：長安大學，2015.

［4］韓安太，劉峙飛，黃海.DSP控制器原理及其在運動控制系統中的應用［M］.北京：清華大學出版社，2003.

［5］徐斌.永磁同步電機矢量控制系統研究［D］.南京：南京理工大學，2014.

［6］張軍凱，韓峻峰.SVPWM原理及逆變技術的仿真研究［J］.計算技術與自動化，2016，35（1）：41-46.

［7］倪霞林，鄭祥盤.基于DSP&IPM的矢量控制系統優化控制［J］.電力電子技術，2007，41（12）：85-87.