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大扭矩永磁同步电机驱动系统原理及系统设计
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2017-10-19
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大扭矩永磁同步电机直接驱动由于去掉了复杂的机械传动机构，从而消除了机械结构带来的效率低、维护频繁、噪声与转动惯量大等不利因素，具有效率高、 振动与噪声小、精度高、响应快、使用维修方便等一系列突出优点［1］。近年来，随着电力电子技术、永磁材料、电机设计与制造技术、传感技术、控制理论等的 发展，大扭矩永磁同步电机在数控机床、矿山机械、港口机械等高性能系统中得到了越来越广泛的应用［2 - 3］。
交流电机控制系统广泛采用单片机、DSP、FPGA为控制系统核心。STM32 是一种基于ARM 公司Cortex-M3 内核的新型32 位闪存微控制器，采用了高性能、高代码密度的Thumb-2 指令集和紧耦合嵌套向量中断控制器，拥有丰富的外围接口，具有高性能、低成本、低功耗等优点［4］。本文针对一种港口机械用大扭矩永磁同步电机驱动系统， 采用STM32 + IPM 硬件构架设计了高性能、低成本的控制系统。
1 大扭矩永磁同步电机矢量控制原理
忽略电机的铁心饱和、涡流及磁滞损耗，不计漏磁通的影响，大扭矩永磁同步电机的电压、磁链、转矩方程分别为式中，
ψd、ψq、ud、uq、id、iq、Ld、Lq分别为永磁同步电机d、q 轴的磁链、电压、电流和电感，Rs为电枢绕组电阻，ωr为转子角速度，ψf为永磁体产生的与转子交链的磁链，Te为电磁转矩，Pn为电机磁极对数。
由式（ 3） ，控制id = 0 使定子电流矢量位于q轴，此时转矩Te和iq呈线性关系，实现电磁转矩的解耦控制。如图1 所示，本文的永磁同步电机采用速度、电流双闭环控制，图中ω* 为给定速度指令，ω 为速度反馈，将速度误差输入速度控制器，输出交轴电流指令i*q，通过电流PI 控制器和坐标变换，再利用SVPWM 产生IPM 开关信号。
图1 大扭矩永磁同步电机控制原理框图
2 系统设计
图2 所示为该系统结构框图， 本文采用STM32F103VCH6 主控芯片、PM800HSA120 智能功率模块为系统核心，硬件控制系统主要有： 处理器模块; 检测模块，主要包括霍尔电流检测、旋转变压器接口电路; 主电路，主要由整流、软启动、滤波、制动电路，以及PM800HSA120 及其驱动、保护、吸收电路组成; 开关电源及其他模块，主要由多路DC /DC 转换、直流母线电压保护、温度检测保护等电路组成。
大扭矩永磁同步电机直接驱动由于去掉了复杂的机械传动机构，从而消除了机械结构带来的效率低、维护频繁、噪声与转动惯量大等不利因素，具有效率高、 振动与噪声小、精度高、响应快、使用维修方便等一系列突出优点［1］。近年来，随着电力电子技术、永磁材料、电机设计与制造技术、传感技术、控制理论等的 发展，大扭矩永磁同步电机在数控机床、矿山机械、港口机械等高性能系统中得到了越来越广泛的应用［2 - 3］。
交流电机控制系统广泛采用单片机、DSP、FPGA为控制系统核心。STM32 是一种基于ARM 公司Cortex-M3 内核的新型32 位闪存微控制器，采用了高性能、高代码密度的Thumb-2 指令集和紧耦合嵌套向量中断控制器，拥有丰富的外围接口，具有高性能、低成本、低功耗等优点［4］。本文针对一种港口机械用大扭矩永磁同步电机驱动系统， 采用STM32 + IPM 硬件构架设计了高性能、低成本的控制系统。
1 大扭矩永磁同步电机矢量控制原理
忽略电机的铁心饱和、涡流及磁滞损耗，不计漏磁通的影响，大扭矩永磁同步电机的电压、磁链、转矩方程分别为式中，
ψd、ψq、ud、uq、id、iq、Ld、Lq分别为永磁同步电机d、q 轴的磁链、电压、电流和电感，Rs为电枢绕组电阻，ωr为转子角速度，ψf为永磁体产生的与转子交链的磁链，Te为电磁转矩，Pn为电机磁极对数。
由式（ 3） ，控制id = 0 使定子电流矢量位于q轴，此时转矩Te和iq呈线性关系，实现电磁转矩的解耦控制。如图1 所示，本文的永磁同步电机采用速度、电流双闭环控制，图中ω* 为给定速度指令，ω 为速度反馈，将速度误差输入速度控制器，输出交轴电流指令i*q，通过电流PI 控制器和坐标变换，再利用SVPWM 产生IPM 开关信号。
图1 大扭矩永磁同步电机控制原理框图
2 系统设计
图2 所示为该系统结构框图， 本文采用STM32F103VCH6 主控芯片、PM800HSA120 智能功率模块为系统核心，硬件控制系统主要有： 处理器模块; 检测模块，主要包括霍尔电流检测、旋转变压器接口电路; 主电路，主要由整流、软启动、滤波、制动电路，以及PM800HSA120 及其驱动、保护、吸收电路组成; 开关电源及其他模块，主要由多路DC /DC 转换、直流母线电压保护、温度检测保护等电路组成。
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