摘要：近年来270V高压直流供电体制在各种装备上开始大量应用，本文给出了一种由TMS320F2812、高精度转子位置速度检测装置及高压MOS管组成的高压大功率永磁同步电机驱动控制方案，详细描述了系统的硬件组成和软件设计结构。试验结果表明，该系统较好的解决了高压供电带来的干扰问题，具有调速性能良好、效率高、抗干扰能力强等特点，满足型号的使用要求。
关键词：270V高压；永磁同步电机驱动器；抗干扰
0 引言
随着我国对高压直流电源系统的深入研究，新一代装备已开始采用270V高压直流供电系统，这种新型电源体制不但具有传输功率大、传输效率高、供电可靠性高和电源配电重量轻的特点，而且还将大大减小低压直流供电系统的电器设备的大电流电弧干扰，提高了武器装备的综合能力[1]。
本文给出了一种由TMS320F2812、高精度转子位置速度检测装置及高压MOS管组成的大功率PMSM驱动控制方案，详细叙述了系统的硬件组成和软件设计结构。并在此基础上，设计了一套大功率PMSM驱动控制系统，该系统具有调速性能良好，效率高等特点，满足型号的使用要求。
1 系统总体设计
1.1 永磁同步电机（PMSM）数学模型
永磁同步电机由于具备小体积、高效率及功率密度、调速性能良好等优点得到了越来越广泛的应用。PMSM的数学模型包括电动机的运动方程，物理方程和转矩方程，这些方程是永磁同步电机数学模型的基础。控制对象的数学模型能够准确的反应被控系统的静态和动态特性。为方便分析，先做以下假设[2~4]：
1）磁路不饱和，即电机电感大小不受电流变化影响，不计涡流和磁滞损耗；
2）忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响；
3）三相绕组完全对称，永久磁钢的磁场沿气隙周围正弦分布；
4）电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；
5）驱动开关管和续流二极管为理想元件。
优化设计后的永磁同步电机经过Park变换后，其dq坐标系下的数学模型可表示为方程式：
式1.1
式1.2
式1.3
式中：
、
—定子电压dq轴分量；
、
—定子电流dq轴分量；
—定子电阻； 
—转子极对数；
—转子角速度； 
—定子电感；
—电磁转矩；
—永磁体产生的磁链，为常数；
从电磁转矩方程可以看出只要能准确地检出转子空间位置（d轴），通过控制逆变器使三相定子的合成电流在q轴上，那么永磁同步电机的电磁转矩只与定子电流的幅值成正比，即控制定子电流的幅值，就能很好地控制电磁转矩。
1.2 驱动控制策略
永磁同步电机的控制策略有很多种，如直接转矩控制、转子磁场定向控制等[5~6]，本系统采用转子磁场定向控制，其基本原理是通过坐标变换，在转子磁场定向的同步坐标系上对电机的磁场电流和转矩电流进行解耦控制，使其具有和传统直流电动机相同的运行性能。
系统采用id=0的控制策略，功能主要包括：定子电流检测、转子位置与速度检测、位置调节器、速度调节器、电流调节器、clarke变换、park变换与逆变换、电压空间矢量SVPWM调制等环节，电流环、速度环的反馈控制均通过DSP实现，采用数字PI调节器控制，保证了系统为无静差系统，并且有较好的动态和静态特性。坐标矢量变换、空间矢量生成等由软件完成。
图1 控制系统结构框图
图2 控制器硬件设计架构图
2 硬件设计
整个电机控制系统主要包括主功率回路和控制回路两部分，控制回路以两片TMS320F2812为核心构建，1片用于电机控制算法的实现，另1片用于控制器的健康管理，包含DSP控制电路、辅助电源电路、电流/电压采样电路、旋变解码电路、存储电路、串口通讯等功能电路，主功率回路采用直-交电压型逆变器，在270V电源输入端设计EMI滤波、浪涌电流抑制等功能电路，确保整个系统的电磁兼容性和供电特性满足型号的要求，功率器件采用功率MOSFET，具有驱动功率小、开关速度高、无二次击穿问题、安全工作区宽等特点。控制器的硬件结构框图如图2所示。
3 软件设计
电机控制系统软件设计需满足实时性、可靠性和易修改性的要求，软件运行依赖于控制器硬件平台。控制器采用TI的DSP芯片TMS320F2812为核心，完成控制算法的软件实现。编程语言采用C语言程序，编码量小、易读性强。为提高程序的运行执行速度，软件采用模块化程序结构，方便控制功能的进一步扩展。
DSP控制软件包括初始化部分和控制部分。控制系统软件由系统初始化程序模块、上电自检模块、位置检测及转速计算模块、电机转速闭环控制、RS422串口中断服务模块6大程序模块组成。
3.1系统初始化
系统上电后，软件从DSP片内FLASH加载到RAM中开始运行，上电初始化执行的操作是初始化各变量参数、系统时钟、中断向量表、SPI、SCI、ADC采样、EV事件管理器等，使DSP工作在设定的初始状态。系统初始化完成后，软件处于等待状态。
3.2上电自检
控制器在系统初始化完成后，需对系统的的关键参数、关键功能电路单元等进行自检，以识别控制器是否具备正常运行控制的条件。软件对电机绕组的连接状态、传感器、DSP的IO口、AD通道，辅助电源、CPLD、E2PROM、双口RAM等按一定的边界条件进行自检。若自检不通过，上报自检故障，退出自检程序。自检结果以BIT的方式通过串口上传。
3.3位置检测及转速计算
电机转子的位置检测通过对旋变信号的解码、采集实现，旋变信号的采集在Timer1中断中执行，采集周期100us。旋变解码采用AD2S1200芯片，其主要工作特性和参数为：①（5±5％）V单电源供电；②12位分辨率的实时输出最高跟踪速率为1000 r/s．输出12位绝对位置信息和带符号的11位速度信息，精确度为±11 r/min；③具有可编程正弦波晶振器；④同时具有串行通讯接口和并行输出接口；⑤励磁频率为10kHz、12kHz、15kHz、20kHz可编程。在获取角度后，对角度数据进行限幅和卡尔曼滤波，降低干扰对角度数据的影响。
3.4 电机转速闭环控制
电机转速闭环控制是整个驱动控制系统的核心单元，主要实现电机转速和电流的双闭环控制，控制方式采用空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）方式。SVPWM是从电动机的角度出发，着眼于如何使电机获得圆形理想磁链圆，使逆变器注入定子的电流形成的磁场必须实时追踪转子磁场，并且两磁场实时保持正交以实现永磁电机交流伺服系统的矢量控制。通过空间矢量脉宽调制技术使得电机转矩脉动降低，电流波形畸变减少。
电流环调节周期100us，速度环调节周期5.5ms。电机的数学模型变化通过CLARKE变换、PARK变换以及逆CLARKE变换、逆PARK变换实现，在经过一系列计算后得到功率管开关的PWM信号。
3.5 RS422串口中断服务
TMS320F2812具备外设串行通信接口SCI模块，SCI模块支持CPU与其他使用标准格式的异步外设之间的通信。SCI接收器和发送器是双缓冲的，每一个都有它自己单独的使能和中断标志位。两者可以独立的工作，或者在全双工的方式下同时工作。
串口中断接收数据功能主要用于接收上位机发送的指令，并确保指令接收的正确性。为确保数据接收的准确性，需对帧头、帧长度、校验位进行检查。串口发送周期240ms，主要将控制器的运行状态参数、BIT检测结果发送至上位机，以便上位机实时监控控制器的运行状态。
4 试验结果
系统测试参数：工作电压270V，输出功率5500W，额定转速11000rpm。图3是旋变信号波形，从采集的信号波形上可以看出旋变信号连续变化，未出现跳变等异常现象，且信号上电压尖峰毛刺较低验证了旋变信号的抗干扰能力强。
图3 电机稳态运行时旋变信号
图4是电机启动过程相电流、母线电流波形，从波形上可以看出启动过程平稳，电流的变化连续，无失步现象发生，验证了系统中控制策略的正确性，能够按设计思想选择正确的空间电压矢量。
图4 电机启动过程相电流（黄线）、母线电流波形（紫线）
5 结论
本文针对270V高压供电体制设计了一种由TMS320F2812、高精度转子位置速度检测装置及高压MOS管组成的高压大功率PMSM驱动控制方案，试验结果表明该方案较好的解决了高压供电下功率管开关引起的强干扰，可以有效地实现转子位置检测和电流的换相控制，系统运行稳定可靠，具有一定的工程应用价值。
参考文献：
[1] 王双虎，宋锐红.一种新型机载270V直流稳压电源设计[J].科技创新与应用，2018，26：74-78
[2] 董圣英，孙淑红.SVPWM的永磁同步电机控制系统建模与仿真[J].现代电子技术，2010，33（18）：188-191
[3] 温盛军，康连启，梁彤伟，肖俊明.永磁同步电机的转子初始位置检测[J].电气工程，2018，6（2）：172-183
[4] 林 海.基于DSP的永磁同步电机控制方法研究[D].西北工业大学，2007
[5] 王要强，谢海霞，秦 明，蒋亚杰.基于转子磁场定向的永磁同步电机牵引控制策略[J].现代电子技术，2017，40（1）：129-133
[6] 马会贤.基于转子磁场定向矢量控制的感应电机改进磁链观测方法[J].电机与控制应用，2017，44（8）：65-68
论文作者:刘政华1,常培平2
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/8
标签：永磁论文; 电流论文; 转子论文; 电机论文; 定子论文; 系统论文; 转矩论文; 《电力设备》2019年第5期论文;