基于滑模直接转矩的PMSM实验平台设计与实现.pdf

第 卷 第 期邵阳学院学报(自然科学版).年 月 ().文章编号:()基于滑模直接转矩的 实验平台设计与实现王业钧杨德航李亚楠(.多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室湖南 邵阳.邵阳学院 电气工程学院湖南 邵阳.邵阳资水科技有限公司湖南 邵阳)摘 要:为开展机器人用永磁同步电机()高性能控制策略实验研究开发了基于数字信号处理器()的 实验平台并分析了基于滑模变结构的直接转矩控制策略 该实验平台由硬件系统和软件系统两大部分组成:硬件系统包括驱动单元、光耦保护单元、整流滤波和逆变电路等软件系统包括基于 开发的上位机监控界面及基于/的代码生成程序 使用该实验平台进行实验可实时观察电机动态在线调试参数极大地提高了实验效率 试验结果表明该实验平台运行稳定对于开展永磁同步电机高性能控制策略具有重要价值关键词:永磁同步电机滑模变结构直接转矩控制数字信号处理器中图分类号:文献标志码:(.):()().:.收稿日期:基金项目:湖南省自然科学基金项目()湖南省教育厅科学研究项目()邵阳学院研究生科研创新项目()作者简介:王业钧男硕士研究生从事电机控制研究:.第 期王业钧杨德航李亚楠:基于滑模直接转矩的 实验平台设计与实现 /.:()()()随着电力电子技术与智能技术的发展机器人技术得到了广泛的应用 电机控制技术作为机器人驱动与控制的主要方法之一成为国内外学者研究的焦点 永磁同步电机具有体积小、功率密度大、可靠性高等优越性能逐渐成为市场的主流 本文设计实现了基于数字信号处理器()的永磁同步电机实验平台 该平台以 为核心设计开发了驱动单元、光耦保护单元、整流滤波和逆变电路等硬件模块还设计开发了基于 代码生成程序和上位机监控界面等软件平台 实现了永磁同步电机基于滑模变结构直接转矩控制策略的实验 为开展高性能控制策略提供了较好的实验条件 基于滑模变结构的直接转矩控制.数学模型 轴坐标系下永磁同步电机的定子电压方程为 ()()电磁转矩方程为()()磁链方程为 ()运动方程为 ()式中:、和、分别为定子电压、轴电流分量、分别为定子磁链的 轴分量、分别为轴电感、交轴电感、分别为负载转矩、电磁转矩、分别为电角度、机械角速度 为定子电阻 为转动惯量 为阻尼系数 为电机的极对数 为永磁体磁链 邵阳学院学报(自然科学版)第 卷由于永磁同步电机()的定子电感 且采用 的控制方法则电磁转矩方程可变为().直接转矩控制器设计在 轴坐标系下三相 电磁转矩 的公式如下:()()定子磁链幅值可表示为()()动态系统中滑模控制算法数学模型可描述为()()()()模型中的滑动变量函数与导函数的表达式 ()()()定义磁链的滑模面函数为 ()根据滑模原理设计的磁链环控制器的公式如下:()()()()式中:、为待设计参数且、为正数同理根据滑模原理设计的转矩环控制器公式如下:()()()()式中:为转矩的滑模面函数令.优化后的直接转矩控制模型框图见图 图 基于滑模控制的直接转矩框图.第 期王业钧杨德航李亚楠:基于滑模直接转矩的 实验平台设计与实现 实验平台硬件电路设计.逆变电路实验平台中的逆变电路部分是核心部件之一 逆变电路是将控制电路中的直流电转变为频率和电压都能任意调节的交流电 控制电路采用电压空间矢量脉宽调制()控制技术控制 个绝缘栅双极型晶体管()功率开关管的交替导通和关断 是全控型电压驱动式功率半导体器件它具有自关断、开关速度高、载流密度大、驱动功率小等特点 但 的热时间常数较小若承受较大过载会迅速发热而大幅降低其最大输出电流能力 因此在实际选择功率元件时应留有足够的余量并配备良好的冷却措施故在 片 上都加装了散热片.光耦隔离电路为增强实验平台的信噪比保护控制电路故在主电路和控制电路之间以光电隔离器隔离开来 本实验平台采用 光电隔离器来实现光耦隔离 光电隔离器 应用见图 在输出端电源(脚)和地(脚)之间必须接一个高频特性良好的瓷片去耦电容 其取值为.作为旁路电容以减少对电源的干扰 输入端限流电阻 与输出端上拉电阻 均选用 是输出负载的等效电容其与输出端上拉电阻一同影响光耦的响应时间取值为 图 光耦隔离电路原理图.驱动电路本实验平台采用了 作为驱动芯片 的引脚说明见表 控制板发出六路 脉冲分别输入 的 和 引脚驱动 的通断每对 可以共用一片 驱动芯片且驱动芯片统一由一路独立电源供电表 引脚说明 引脚名说明引脚名说明低端输出逻辑电源电压公共端逻辑高端输入低端固定电源电压关断高端浮置电源偏移电压逻辑低端输入高端浮置电源电压高端输出逻辑电路地电位端其值可以为 邵阳学院学报(自然科学版)第 卷 为关断信号当该关断信号输入为高电平时 将输出低电平该关断信号输入低电平时 的输出将跟随逻辑高、低端的输入即 脚及 脚 本实验平台中 将故障保护电路作为保护信号输入端 实验平台软件设计.代码生成流程及主程序设计 代码的过程主要分为 步:()根据需要新建工程模型()进行 环境设置()在 环境中搭建算法模型主程序利用 模块中的“”支持包中 相关的代码生成模块来搭建算法程序 主程序流程图见图 图 主程序流程图.在 模块中搭建 基于滑模变结构直接转矩控制系统主程序见图 其中转速闭环程序与电流采集程序在 中断服务函数中转速采集程序在 中断服务函数中 其中:为软件启停 为转速计算参数 为单位时间脉冲个数为转速给定、为滑模控制器参数 为转子时间常数、为励磁电压和转矩电压的限幅 为转速调节器的反馈值、为三相电流、为、相电流数字量、为、电流数字量补偿图 基于滑模变结构直接转矩控制系统主程序.上位机监控界面设计为简单直观观察电机实时动态、改变电机参数和实验分析本实验平台基于 第 期王业钧杨德航李亚楠:基于滑模直接转矩的 实验平台设计与实现 软件设计了上位机监控界面 其功能为建立上、下位机的通信和数据传输 串行口中断设计功能是与 机交换数据实现界面显示和参数变量在线修改 其 界面见图 图 上位机监控 界面.上位机界面主要由通信设置、启停开关、参数调节和波形显示等 部分组成 其中:通信设置含有 资源名称即串口端口选择设置波特率为 数据位设置为校验位设置为 停止位设置为.数据流控制设置为 启停按钮即为 控件单击亮起时 值置 熄灭时 值为 参数调节部分主要包括 相电流数字量、相电流数字量、相电流漂移量补偿、相电流漂移量补偿、电压限幅、电压限幅、速度环、速度环、转矩电环、转矩环、磁链环、磁链环 和给定转速 相电流漂移量补偿和 相电流漂移量补偿应等于 相电流数字量和 相电流数字量以对霍尔电流传感器零点漂移进行补偿控制器的 参数实时调节可方便观察 参数的改变对调速系统的影响图形显示部分以波形图表的形式动态显示采取的数据包含了转速采样和相电流采样等 实验与分析本实验平台系统由上位机、基于 的 实验箱、表贴式 台架组成见图 图 基于滑模控制的 直接转矩控制实验系统.实验开始前完成基于滑模控制的 直接转矩控制实验系统所必须的连线其次完成上电操作 在通信成功后串口缓冲区字节数有数字变化且指示灯点亮 首先需进行电流传感器补偿将数字量调零其次更改电压限幅值再次调整控制器参数最后按下启停按钮并给定转速进行实验 通过界面可以在线观测转速、三相电流、励磁电流、转矩 邵阳学院学报(自然科学版)第 卷电流、励磁电压和转矩电压的波形并实时更改控制器参数优化控制策略实验电机参数为:.给定转速为 /实验结果见图 实验结果表明本实验平台控制系统具有较好的可靠性、较快的响应速度和良好的稳定性其总体控制性能良好可满足实际实验需求图 基于滑模直接转矩控制策略实验结果.结论本文设计并实现了永磁同步电机基于 的滑模变结构直接转矩控制系统的实验平台 本实验平台采用基于 和 的快速控制原型开发系统可以直接在/上进行高性能控制算法的设计和研究随后自动生成代码控制永磁同步电机运行 该实验平台可以通过上位机观测器在线观测转速、三相电流、励磁电流、转矩电流、励磁电压和转矩电压的波形并实时更改控制器参数优化控制策略 实验证明该实验平台具有良好的可扩展性对继续研究永磁同步电机高性能控制策略具有非常高的实用价值参考文献:陶永 刘海涛 王田苗 等.我国服务机器人技术研究进展与产业化发展趋势.机械工程学报():.吕从鑫 汪波 陈静波.永磁同步电机控制策略综述与展望.电气传动自动化 ():.谭威 罗仁泽 高文刚 等.基于 的 最小系统设计.工业控制计算机():.林立 秦芳清 陈玮 等.工业机器人伺服控制系统建模及仿真.邵阳学院学报(自然科学版)():.林立 刘凡.永磁同步电机电驱动教研平台.电子制作 ():.高政.基于 的 滑模观测器的设计与实现.杭州:杭州电子科技大学.白艳祥 张元玮 余正东.基于滑模控制的船舶永磁同步推进电机直接转矩控制研究.舰船科学技术 ():.