基于特種車輛永磁同步電機同步控制系統設計

董星言，楊金波，王 輝，蔣雨菲，周 杰，辛振偉

(1.北京航天發射技術研究所，北京 100047； 2.北京長征天民高科技有限公司，北京 100047)

0 引 言

永磁同步電機(以下簡稱PMSM)以輕型化、高效節能、結構簡單等特點已在現代工業設備及自動化生產過程中廣泛應用,并已成為隨動系統的重要驅動源[1]，其控制策略和無傳感器控制方法具有較高的研究價值。PMSM矢量控制系統具有動態性能好、精度高以及調速范圍寬等優點，并且隨著高性能伺服系統在各個領域需求的不斷增加，系統的應用前景正不斷拓展。在伺服和交流調速應用領域，PMSM矢量控制系統已成為的重點研究對象之一[2]。

由位置環、速度環和電流環組成的閉環控制是保證電機轉矩、響應速度和控制精度的關鍵[3]。采用三閉環電機控制策略可實現位置動態跟隨、轉速精確控制和轉矩快速響應，對實現雙電機同步控制具有重要意義。

多電機同步控制已成為現代工業的發展趨勢，其相關研究也成為研究熱點[4]。多電機同步控制主要包括經典控制策略，如并行方式、主從方式、交叉耦合方式；現代控制策略，如偏差耦合控制和環形耦合控制等；智能控制策略，如基于模糊控制器和神經網絡控制器的同步控制等[5]。特種車輛的應用場合需要使用簡單可靠的方案來實現雙電機同步要求，以保證速度的同步。利用電機主從控制策略，輔以上層調速控制，具有較理想的控制效果。

除滿足基本功能性能需求外，特種車輛的控制系統需要更高的可靠性和安全性，在系統和單機設計中，均需要考慮相關設計，并在系統控制中實現。

1 PMSM控制方案設計

1.1 數學模型

PMSM的電壓方程式(α-β坐標系)[6]：

(1)

式中：uα，uβ為α，β軸電壓；iα，iβ為α，β軸電流；R為單相電阻；L為單相電感；ωe為電角速度；Ψf為永磁體磁鏈。

電磁轉矩方程(d-q坐標系)：

(2)

式中：Te為電磁轉矩；p為電機極對數；id，iq為d,q軸電流；Ld，Lq為d,q軸電感。

1.2 三閉環矢量控制方案

根據式(2)，PMSM的轉矩由以下兩部分構成[7]：

(3)

根據式(3)，控制Te1、Te2即可實現PMSM的控制，轉矩控制可以歸結為d，q軸電流控制。不同的控制策略可以根據不同的d，q軸電流控制方式實現。

矢量控制為PMSM轉矩及磁通的解耦提供了解決方法。這種解耦控制并不是驅動系統實現其性能的唯一要求。電機的性能指標可以通過更簡單的控制策略實現[8]。id=0控制，cosφ=1控制，MTPA控制以及恒磁鏈控制等均為矢量控制的方法。采用id=0的控制和轉子磁場定向方法，具有簡化方案設計、增加調速范圍、提高轉矩性能等優點，滿足特種車輛的應用需求。

基于位置環、轉速環和電流環的三閉環控制系統可實現位置、轉速及電流的PI調節，實現系統輸出的快速動態響應以及穩定輸出控制。三閉環控制系統中電流環作為內環，轉速環居中，位置環作為外環。電機控制器可根據不同工況配置不同工作模式，以實現相應的目標控制。

圖1為按照需求得到的控制系統原理框圖。

2 雙電機同步控制系統設計

2.1 同步控制策略

電機同步的現代控制策略和智能控制策略與經典控制策略相比，具有更高的同步控制精度、更快的系統響應速度以及更好的動態性能，但控制算法復雜，系統計算量較大，不利于實際的工程實踐。在特種車輛應用場合，可選用控制算法相對簡單、成熟度較高的經典控制策略，其中主從控制策略在雙電機同步控制中具有較理想的控制效果。

圖2為主從控制策略的系統框圖。電機1作為主動機，電機2作為從動機，主動機接收上位機轉速指令，通過自身轉速閉環進行轉速穩定控制。主動機的位置信號作為從動機的位置輸入參考，從動機通過位置控制跟隨主動機的輸出，達到同步控制的目的。

圖2 主從控制策略系統框圖

采用主從控制方式時，當從動機受到干擾速度發生變化時，主動機的速度不會隨之改變，從而導致轉速誤差增大，同步效果受到影響[9]。為了彌補主從控制方式帶來的誤差，在上層控制策略中增加位置補償控制，當由兩電機驅動的機構位移差超過允許范圍時，由上位機通過算法進行自動位置補償。

2.2 控制系統硬件設計

同步控制系統主要由電機控制器、PMSM和相關控制電纜組成。其中兩臺PMSM選取同批次、同參數電機，電纜長度、阻抗特性等盡量保持一致，這樣可提高系統穩定度，去除參數不一致帶來的原始誤差。圖3為同步控制系統組成框圖。

圖3 同步控制系統框圖

電機控制器作為同步控制系統的核心，主要實現電壓電流信號和開關量信號的采集、轉子位置信號的解碼以及與上位機之間通信，然后根據這些信息，將控制指令通過三閉環控制及矢量控制算法轉換為PWM信號，完成電機轉速、位置或電流的閉環控制。

本系統需要實現PMSM的高速運行，并且矢量控制方式需要大量的程序計算，所以普通的單片機難以滿足系統設計要求。系統的控制電路以TI公司的TMS320F28335(簡稱F28335)型號DSP為核心，F28335數字信號處理器是32位的高性能微處理器，一個周期內可完成32×32位的乘法累加計算，信號處理能力、控制能力強大。F28335采用低功耗的設計，主頻可達150 MHz。該芯片具有豐富的外設資源，可實現所需的各種功能，包括：3個16位通用定時器/計數器；一個具有18路PWM輸出、死區配置和緊急停機功能的16位高級定時器/計數器；16通道的12 位ADC；2路CAN 2.0B通信接口及其他通信外設等。

電機控制器主要由整流電路、逆變電路、控制電路、驅動電路和輔助電源等組成，圖4為電機控制器硬件電路框圖。

圖4 電機控制器硬件電路框圖

2.3 控制系統軟件設計

本系統采用TI公司的CCS5.5作為軟件的開發環境，軟件主要駐留在電機控制器F28335之上。軟件設計主要包括主程序設計和中斷處理程序設計，其中主程序主要實現對系統的初始化，包括寄存器的配置，相關變量的賦值操作等，程序的初始化能保證整個程序正確運行，它是程序運行之前的必不可少的工作之一。中斷處理程序是系統控制算法的核心部分，它包括A/D轉換結果的讀取和處理、轉子位置解算及同步控制算法、閉環PI調節算法以及SVPWM算法等。圖5、圖6為程序框圖。

圖5 主程序框圖

圖6 中斷處理程序框圖

3 系統可靠性和安全性設計

特種車輛應用場合更加注重可靠性和安全性，一旦出現問題將會造成不可估量的影響。因此，在電機同步控制系統設計時必須要考慮可靠性和安全性設計。

3.1 可靠性設計

可靠性的定義是指產品或系統在規定條件下和規定時間內完成規定功能的能力。平均無故障時間tMTBF為評估產品可靠性的重要指標[10]。將電機控制器的可靠性模型定義為串聯模型，可按下式計算平均無故障時間是否符合系統要求。

tMTBF=1/λGS

(4)

式中：λGS為設備總失效率。

系統可靠性設計主要按照以下幾個方面進行：

(1)降額設計。根據國軍標或企業標準等進行降額等級選擇，關鍵器件如功率模塊、驅動芯片等應按照高等級降額要求選擇；

(2)散熱設計。損耗較大的器件應進行散熱處理，應考慮在不同使用環境下，尤其是高溫時器件的溫升；

(3)簡化電路。選用成熟或繼承性電路，簡化電路設計；

(4)冗余設計。硬件或軟件設計時應采用冗余設計方法，例如通信采用雙冗余機制，當一路故障，仍能實現正常通信。

3.2 安全性設計

為了保證系統安全性，應在以下方面考慮系統安全性設計：

(1)保護設計。電機控制器自身應設置分級保護機制，如過流保護、過壓保護、過熱保護、超速保護、失速保護等保護功能，保證設備自身和系統的安全。系統應該設置失步保護、超差保護以及軟硬件限位等，保證單機出現問題時，通過系統進行緊急處理。

(2)絕緣設計。系統高壓部分與機殼采用絕緣安裝，高壓電容均有放電回路；各單機和電纜應通過絕緣電阻和抗電強度測試；設備具備良好的搭接和絕緣措施，留有接地點，且接地點與機殼應可靠導通。

(3)警示設計。對高壓用電設備和旋轉機械附近有對應的警示；在系統使用說明書中明確安全注意事項和安全性操作要求。

4 試驗及結果分析

4.1 試驗平臺

試驗采用的2臺自主研制的30 kW永磁同步電機控制器，主要由控制板、驅動板、輔助電源板和功率模塊等組成。

2臺永磁同步電機均帶絕對值編碼器，其參數如表1所示。

表1 永磁同步電機的參數

4.2 試驗內容及結果

2臺永磁同步電機均采用對拖臺架進行加載，臺架試驗環境如圖7所示。

圖7 臺架試驗環境示意圖

電機初始位移均為0，通過上位機按照系統設定轉速邏輯給主控制器(即30 kW永磁同步電機控制器1)發送運動控制指令，電機1和電機2應同向旋轉。系統要求2臺電機轉速誤差在±20 r/min范圍內。

圖8、圖9分別為2臺電機的實際轉速和轉速誤差。

圖8 兩臺電機實際轉速曲線

圖9 兩臺電機轉速誤差曲線

由圖8、圖9可知，在電機起動及上位機發送的轉速發生變化時，2臺電機的轉速誤差較大，但轉速誤差最大均不超過系統要求的±20 r/min，因此本系統的設計滿足技術指標要求。

5 結 語

本文論述了在特種車輛應用場合，PMSM雙電機同步控制系統的設計思路和方法，著重介紹了三閉環矢量控制方案、主從同步控制方法以及系統軟硬件設計，對系統可靠性和安全性設計要點進行闡述，為特種車輛電機同步控制系統的設計研發提供借鑒。