0 引言

大扭矩永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)由于去掉了復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而消除了機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來(lái)的效率低、維護(hù)頻繁、噪聲與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大等不利因素，具有效率高、振動(dòng)與噪聲小、精度高、響應(yīng)快、使用維修方便等一系列突出優(yōu)點(diǎn)[1]。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、永磁材料、電機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、傳感技術(shù)、控制理論等的發(fā)展，大扭矩永磁同步電機(jī)在數(shù)控機(jī)床、礦山機(jī)械、港口機(jī)械等高性能系統(tǒng)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[2 - 3]。

交流電機(jī)控制系統(tǒng)廣泛采用單片機(jī)、DSP、FPGA為控制系統(tǒng)核心。STM32 是一種基于ARM 公司Cortex-M3 內(nèi)核的新型32 位閃存微控制器，采用了高性能、高代碼密度的Thumb-2 指令集和緊耦合嵌套向量中斷控制器，擁有豐富的外圍接口，具有高性能、低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)[4]。本文針對(duì)一種港口機(jī)械用大扭矩永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用STM32 + IPM 硬件構(gòu)架設(shè)計(jì)了高性能、低成本的控制系統(tǒng)。

1 大扭矩永磁同步電機(jī)矢量控制原理

忽略電機(jī)的鐵心飽和、渦流及磁滯損耗，不計(jì)漏磁通的影響，大扭矩永磁同步電機(jī)的電壓、磁鏈、轉(zhuǎn)矩方程分別為式中，

ψd、ψq、ud、uq、id、iq、Ld、Lq分別為永磁同步電機(jī)d、q 軸的磁鏈、電壓、電流和電感，Rs為電樞繞組電阻，ωr為轉(zhuǎn)子角速度，ψf為永磁體產(chǎn)生的與轉(zhuǎn)子交鏈的磁鏈，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，Pn為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)。

由式( 3) ，控制id = 0 使定子電流矢量位于q軸，此時(shí)轉(zhuǎn)矩Te和iq呈線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制。如圖1 所示，本文的永磁同步電機(jī)采用速度、電流雙閉環(huán)控制，圖中ω* 為給定速度指令，ω 為速度反饋，將速度誤差輸入速度控制器，輸出交軸電流指令i*q，通過(guò)電流PI 控制器和坐標(biāo)變換，再利用SVPWM 產(chǎn)生IPM 開(kāi)關(guān)信號(hào)。

圖1 大扭矩永磁同步電機(jī)控制原理框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 所示為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖， 本文采用STM32F103VCH6 主控芯片、PM800HSA120 智能功率模塊為系統(tǒng)核心，硬件控制系統(tǒng)主要有: 處理器模塊; 檢測(cè)模塊，主要包括霍爾電流檢測(cè)、旋轉(zhuǎn)變壓器接口電路; 主電路，主要由整流、軟啟動(dòng)、濾波、制動(dòng)電路，以及PM800HSA120 及其驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、吸收電路組成; 開(kāi)關(guān)電源及其他模塊，主要由多路DC /DC 轉(zhuǎn)換、直流母線電壓保護(hù)、溫度檢測(cè)保護(hù)等電路組成。

圖2 大扭矩永磁同步電機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2. 1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2. 1. 1 處理器模塊

STM32F103VCH6 是基于ARM 公司Cortex-M3 內(nèi)核的新型32 位閃存微控制器，擁有三級(jí)流水線和分支預(yù)測(cè)功能，最高工作頻率為72 MHz，可以滿足本系統(tǒng)處理速度和實(shí)時(shí)性的需求，有兩個(gè)高性能的12位的16 通道A/D 轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)16 位專為電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的內(nèi)嵌死區(qū)控制6-PWM 定時(shí)器，片上還集成有SPI、USB 2. 0 等豐富的外設(shè)和接口[5]。如圖2 所示，本系統(tǒng)充分利用了STM32 的片上資源，利用它來(lái)接收、處理電流、位置等反饋信號(hào)，接收、處理各種出錯(cuò)保護(hù)信號(hào)，執(zhí)行電機(jī)控制算法等。

2. 1. 2 檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊主要包括電流檢測(cè)電路和位置檢測(cè)電路。其中電流檢測(cè)采用萊姆電流型霍爾傳感器

LT308-S7，其具有抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、線性度好、溫漂小等優(yōu)點(diǎn)。為了減小在電流較弱時(shí)的檢測(cè)誤差，本文設(shè)計(jì)了如圖3 所示的增益可調(diào)的電流檢測(cè)電路，傳感器輸出的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)精密電阻采樣后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)Vi，經(jīng)過(guò)電壓跟隨電路、三級(jí)放大電路和肖特基二極管鉗位電路，輸出電壓Vo( Vo= 3nVi /20 + 1. 5，n 為放大倍數(shù)) 到STM32 的A/D 模塊進(jìn)行處理。其中開(kāi)關(guān)芯片DG403 由STM32 控制，用于調(diào)整電流檢測(cè)電路增益，小電流選擇大增益，大電流反之。由于大扭矩電機(jī)額定電流可達(dá)232 A，若檢測(cè)電路增益不可調(diào)，則當(dāng)電流較弱時(shí)檢測(cè)電路的放大增益相對(duì)較小，電流的檢測(cè)精度會(huì)降低，而采用增益可調(diào)的檢測(cè)電路可以在電流較弱時(shí)提高增益，從而減小檢測(cè)誤差，提高電流檢測(cè)的分辨率。

表1 為DG403 控制信號(hào)與電流檢測(cè)電路增益放大倍數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 DG403 控制信號(hào)與增益放大倍數(shù)對(duì)應(yīng)表

考慮港口機(jī)械存在較強(qiáng)振動(dòng)和沖擊[6]，本文利用旋轉(zhuǎn)變壓器YS 210XFDW9574A 進(jìn)行位置檢測(cè)。其解碼電路如圖4 所示，采用AD2S99 芯片為旋轉(zhuǎn)變壓器提供激勵(lì)信號(hào)，AD2S90 芯片作為旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器( RDC) 。AD2S90 以同步串行方式( SPI) 與控制芯片STM32 之間進(jìn)行通訊，AD2S99 的勵(lì)磁信號(hào)源的頻率可以通過(guò)SEL1、SEL2、FBIAS 引腳進(jìn)行設(shè)置，此處激磁頻率設(shè)為10 KHz，通過(guò)AD2S99 內(nèi)部處理后產(chǎn)生的輸出信號(hào)SYNREF 與AD2S90 的REF 腳相連，可以補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)變壓器一次側(cè)到二次側(cè)的相位偏差，保證它的轉(zhuǎn)換精度。

圖3 電流檢測(cè)電路

圖4 旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路

圖5 所示為旋轉(zhuǎn)變壓器激勵(lì)調(diào)理電路，旋轉(zhuǎn)變壓器激勵(lì)信號(hào)由AD2S99 提供，激勵(lì)調(diào)理電路對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，激勵(lì)調(diào)理電路的外部電源采用± 15 V 雙電源供電，保證電路靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)零; Ci1為耦合電容，隔直通交; Cf1為補(bǔ)償相位用;NPN 和PNP 三極管構(gòu)成推挽電路，用以消除交越失真。

圖5 旋轉(zhuǎn)變壓器激勵(lì)調(diào)理電路

2. 1. 3 主電路

主電路的整流電路采用了DD600N12 整流模塊; 軟啟動(dòng)電路采用CM600HU-24F 型號(hào)IGBT 功率開(kāi)關(guān)取代繼電器以提高系統(tǒng)可靠性，當(dāng)電容器組充電到母線額定電壓的80% 時(shí)，將IGBT 接入電路; 濾波電路選擇16 個(gè)6800 μF 電解電容; 制動(dòng)電路選擇CM400HU-24F 型號(hào)IGBT 作為開(kāi)關(guān)元件。考慮大電流功率器件的干擾、散熱及經(jīng)濟(jì)性等因素，選擇6 個(gè)獨(dú)立單元的IPM 模塊PM800HSA120的逆變電路方案。PM800HSA120 內(nèi)部集成有驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，具有過(guò)壓、欠壓和溫度保護(hù)功能，額定電流800 A，反偏電壓1200 V，工作頻率可達(dá)20 kHz。為了進(jìn)一步提高IPM 的抗干擾性和可靠性，本文對(duì)其驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路進(jìn)行了加強(qiáng)設(shè)計(jì)和一些額外處理。如圖6 所示，對(duì)IPM 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了差分處理，將控制芯片STM32 發(fā)出的六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)利用差分驅(qū)動(dòng)芯片變?yōu)?2 路信號(hào)，再在IPM 驅(qū)動(dòng)板上利用差分接收芯片還原為6 路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)高速光耦的隔離驅(qū)動(dòng)再送給IPM，如圖7 所示，以抑制共模干擾信號(hào)，增強(qiáng)了IPM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的抗干擾性。圖7( a) 所示為W 相的隔離驅(qū)動(dòng)電路; 三相上橋臂采用隔離電源供電，三相下橋臂由一路15 V 供電，圖7 ( b) 所示為W 相上橋臂隔離電源電路。

IPM 的故障信號(hào)處理電路如圖8 所示，出錯(cuò)信號(hào)先經(jīng)過(guò)光耦隔離、濾波，然后經(jīng)過(guò)反相施密特觸發(fā)器，一方面將電壓信號(hào)反向，另一方面對(duì)出錯(cuò)信號(hào)進(jìn)行波形整形，對(duì)干擾信號(hào)有一定的抑制作用。最后再將處理過(guò)的IPM 出錯(cuò)信號(hào)輸入控制芯片STM32 做出相應(yīng)處理。

圖8 IPM 出錯(cuò)信號(hào)處理電路

由于IPM 的開(kāi)關(guān)頻率較高，而在功率回路中存在寄生電感，在IPM 開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很高的浪涌電壓，造成對(duì)器件的沖擊，影響器件的性能及使用壽命。為此設(shè)計(jì)了如圖9 所示的IPM 緩沖電路，以降低IPM 開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程的電壓和電流尖峰，從而降低器件開(kāi)關(guān)損耗，保護(hù)器件安全運(yùn)行。其中，選擇超快恢復(fù)二極管RM25HG-24S 作為緩沖二極管，其耐壓1200 V，最大反向恢復(fù)時(shí)間300 ns; 綜合考慮本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電流頻率及IPM 本身性能，將IPM 工作頻率選為8 KHz，取直流母線寄生電感50 nH，根據(jù)計(jì)算及試驗(yàn)，最終選擇緩沖電容Cs = 3 μF，緩沖電阻Rs = 12 Ω。

圖9 IPM 緩沖電路

2. 2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由主程序和中斷服務(wù)程序構(gòu)成，其中主程序完成各種軟硬件的初始化、電機(jī)初始位置檢測(cè)和電機(jī)啟動(dòng)等，中斷服務(wù)程序包括PWM 中斷子程序和外部中斷保護(hù)子程序等。其中PWM 中斷子程序是控制系統(tǒng)核心，主要完成對(duì)轉(zhuǎn)子電流和速度的采集與處理、PID 調(diào)節(jié)、電壓矢量的計(jì)算與選擇、PWM 發(fā)生等。外部中斷子程序主要包括母線電壓過(guò)、欠壓保護(hù)、啟動(dòng)保護(hù)和溫度保護(hù)等。當(dāng)IPM 有出錯(cuò)信號(hào)時(shí)，STM32 控制高級(jí)控制定時(shí)器的TIM1_BKIN 信號(hào)禁止PWM 輸出，保證系統(tǒng)的安全，圖10為PWM 中斷服務(wù)程序流程圖。

圖10 PWM 中斷服務(wù)程序

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖11 所示，為本文所設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的STM32 控制板及IPM 驅(qū)動(dòng)板實(shí)物。對(duì)一臺(tái)額定功率132 kW、額定電流232 A、輸入電壓380 V的大扭矩永磁同步電機(jī)進(jìn)行了單元及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。圖12 所示為W 相上下橋臂的PWM 波形，測(cè)試PWM頻率為8 KHz ( 周期125 μs) ; 圖13 所示為電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)W 相的電流波形，表明控制系統(tǒng)的軟硬件模塊均可有效運(yùn)行。

圖11 控制電路

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于STM32 的大扭矩永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了STM32 處理器模塊、增益可調(diào)的電流檢測(cè)電路、旋轉(zhuǎn)變壓器接口電路、IPM驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路等，采用矢量控制方法，實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩控制，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，為大扭矩永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制提供了一種穩(wěn)定可靠、高性價(jià)比的方案。