一种双定子永磁电机控制器
微电机 2005年 第38卷 第6期(总第147期)
一种双定子永磁电机控制器
吴红星, 翟筱羿, 邹绍琨, 程树康
(哈尔滨工业大学, 哈尔滨 150001)
摘 要:双定子电机是在无刷直流电动机的结构基础上发展起来的。文中论述了双定子电机的工作原理, 系统采用T M S 320F 240为控制芯片, IR 2130驱动专用芯片和IGBT 构成三相逆变桥, 实现全数字控制。关键词:双定子; 永磁电机; D SP; 数字控制
中图分类号:T M 351 文献标识码:A 文章编号:1001-6848(2005) 06-0068-04
A C ontroller of Double Stator Permanent Magnet Motor
WU Hong-xing, ZHAI Xiao -yi, ZOU Shao -kun CHENG Shu-kang
(Harbin institutio n o f techno log y, Har bin 150001, China)
Abstract :A t the basis of Brushless DC mo tor 's co nst ructio n, a kind of D ouble -stat or Br ushless DC mot or is submitted by insert ing ano ther stat or . T his paper pr esents Double -st ator Brushless DC mot or 's wo rking theor y , dev elo ps a D SP-based dig ital contr oller. T he co ntro l chip of system is the DSP o f T M S320F240. T he ex per t drive chip I R2130and six IG BT s for inver sion is used in sy st em. Key words :do uble stato r ; per manent magnet mo to r ; DSP ; NC
1 双定子电机的工作原理
双定子永磁无刷直流电动机包括电机本体、位置传感器、驱动电路3部分。电机本体采用永磁体作为转子, 定子采用三相绕组。定子通电初始时刻, 定子磁势与转子磁场夹角为120°电角度。由位置传感器提供转子提供位置信号, 每隔六分之一电周期, 功率开关换一次, 使电机电流产生的磁势跳跃60°的电角度, 使定子磁势与转子磁场夹角又变成120°电角度, 进而使转子连续转动起来。
与传统结构永磁同步电动机不同, 串联磁路结构双定子永磁同步电机是三边励磁电机, 电机的外、内定子、转子上都存在磁动势。外定子上由三相交流电流产生的旋转电枢磁动势F al 及建立的电枢磁场 al , 一方面切割外、内定子绕组并在外、内定子绕组中感应产生电枢反应电动势E a1、E a2, 另一方面以磁拉力拖着永磁转子以同步转速旋转; 内定子上由三相交流电流产生的旋转电枢磁动势F a2及建立的电枢磁场 a2, 也是一方面切割外、内定子绕组并在外、内定子绕组中感应产生电枢反应电动势E a1, E a2, 另一方面以磁拉力拖着永磁转子以同步转速旋转。通过内外定子绕组的单独或共同工作, 拉动转子连续转动[1]。图1为永磁双定子电动机结构图。
收稿日期:2004-11-22
2 双定子电机控制系统设计
本系统是根据内、外定子分别单独或共同工作以提高调速范围, 同时为保证各个运行状态之间平稳切换, 需要采用更先进的算法, 这就使控制器的数据处理量加大, 因此采用T MS320F240控制芯片。
T M S320F240是C24X 系列DSP 控制器的系列产品, 是专门为电机的数字化控制而设计的。芯片集高速运算与面向电机的高速控制能力于一体, 可以实现用软件取代模拟器件, 方便地修改控制策略和参数, 兼具故障检测、自诊断和上位机管理与通信等功能。TM S320F240包含双10位模数转换器、同步串行外设接口, 异步串行通信接口、PWM 控制的管理器。本系统由外部输入包括启动、停止、正反转、速度给定和最大电流给定等信号给DSP 控制芯片。T M S 320F 240的数值I /O 端口模块为控制专用I /O 引脚和共享引脚的功能提供了一种灵活的方式。CAP 4/QEP 4引脚用于I /O 功能, 检测系统的开启。正反转通过I /O 引脚ADCIN 0来判断外部输入的高低电平, 改变定子绕组磁势和转子磁场相对关系来改变转子的旋转方向, 只要能得到空间相差180°的驱动信号去控制相应的绕组导通, 就能实现正反转。速度给定和电流给定是通过0V ～5V 模拟信号输入到ADCIN2和ADCIN 10实现, 其采样周期为1000个PWM 周期。该芯片能够最大限度的满足系
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统的数据处理要求, 为各种先进算法的实现提供了条件。
系统原理图如图2所示。系统包括控制器、功率
驱动电路、信号检测电路及电机本体。其中内、外定子的功率驱动电路及信号检测电路都是相对独立的[2]
。
图1
永磁双定子电动机结构图
图3 功率驱动电路
上、下侧驱动所必需的死区时间(2 s ) 等功能。电路的设计还保证了内部的3个通道中的高压侧驱动器
图2 系统结构框图
与低压侧驱动器可单独使用, 用户即可仅用其内部的3个高压侧驱动器, 亦可以只使用其内部3个低
压侧驱动器, 并且输入信号与T TL 和CM OS 电平兼容。
2. 1 功率驱动电路
双定子电机的内、外定子需要分别控制, 功率驱动电路相对独立, 除参数略有不同外, 结构相同。下面以外定子为例, 说明其电路结构。功率驱动电路如图3所示, 采用三相全控桥的控制方式。由于本系统的电枢电压较高(110V) , 并需要较高的响应速度, 因此选用IGBT 器件, 采用FAIRCHILD(美国快捷) 公司的SGH 15N60RUF/D 。本方案中驱动芯片采用IR2130作为全控桥的前置驱动电路。前置驱动电路如图4所示。
IR2130的优点是内部自举技术的运用, 省去了分离电源, 减小了体积。它的6路输出信号中的3路具有电平转换功能, 能驱动低压侧的功率器件, 也能驱动高压侧的功率器件。IR2130还具有电流放大和过电流保护功能; 欠压锁定并能指示欠压和过电流状态功能;
输入端噪声抑制功能; 同时还能自动产生
图4 前置驱动电路
2. 2 电流检测
由于本系统电流较小, 故采用分流电阻来检测
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电流, 电阻分别安装在内、外定子下桥臂IGBT 的发射极和功率板地线之间。在逆变电路达到所允许的最大电流时, 通过IR2130的引脚9(IT RIP) 激活其内置的过流保护功能。分流电阻上的电压降经过运放接至T M 320F 240的ADCIN 5引脚, 利用双ADC 模块进行模数转换。2. 3 转子位置检测
转子位置检测采用3个霍尔传感器, 将DSP 的捕捉口CAP1、CAP2、CAP3设置为I/O 口, 检测该口电平状态, 知道那一个霍尔传感器上升沿或下降沿捕捉中断。霍尔传感器输出3个脉宽为180°电角度的互相重叠的信号, 以得到6个强制换相点。检测
到霍尔传感器输出信号的上升沿或下降沿后, 发生相应的中断并执行相应的中断服务子程序, 读入3个霍尔传感器的电平, 从而得到转子的位置。以下是正反转逻辑关系表:
表1 根据传感器电平推导功率管开关逻辑
霍尔元件信号
u hA u
hB
11010011
1000
正 转反 转
u hc 导通绕组
导通管子导通绕组导通管子
0AB Q 1 Q A BA Q 3 Q 2
0AC Q 1 Q 6CA Q 5 Q 2
1BC Q Q CB Q Q
3
6
5
4
110
BA CA CB
Q 3 Q 2Q 5 Q 2Q 5 Q 4
A B AC BC
Q 1 Q 4Q 1 Q 6Q 3 Q 6
图5 系统主程序流程图 图6 A /D 中断子程序框图
转速可用下式表述:
= ! / T (1) 式中, ! —转子在两个换相信号之间转过的机械角度; T —两个换相信号之间的时间差。
由于霍尔传感器的位置相对于电机固定不变,
图7 双闭环调速系统框图
在每两个换相信号之间, 电机转过的机械角度是一定的, 所以通过计算两个换相信号之间的时差, 就可以得到电机的转速。为了保证转速检测的准确性, 在实际系统中, 显示部分显示的速度其实是- , 即数个
相邻测量值的平均值。2. 5 保护环节
本系统设计了完善的保护环节。各保护动作信号(过热、欠压、过流等) 通过光耦隔离送至或非门CD4078的输入, 通过CD4078送入DSP 的PDPINT 引脚, 当PDPINT 引脚被拉为低电平时, DSP 内部计数器立即停止计数, 所有PWM 输出成高阻状态, 同时产生中断信号, 通知DSP 有异常情况发生, 在中断处理程序中, 读入相关I/O 口状态,
图8 双定子电机相 图9 双定子电机反 电流波形 电势波形
2. 4 速度检测
速度反馈从位置传感器的输出信号获得。由于每两个换相信号之间相差60°电角度, 因此电机的
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判断发生了何种故障, 并送LED 显示, 通过LED 的状态可以判断故障原因, 以便在实际中很快判断排除故障, 提高了系统的整体可靠性。
通过对图7整个系统的软硬件的设计与调试。图8为系统驱动双定子电机相电流波形, 图9为双定子电机反电势波形。
3 控制系统软件设计与试验
双定子电机控制系统的控制软件, 包括初始化程序, 主程序, 中断子程序共3个部分。实现与上位机的通信, 电动机的位置检测, 电流与转速的PI 调节, PWM 信号的生成以及故障信号的处理等功能。设定CPUCLOCK =20M Hz, PWM 载波频率=10KHz 。系统首先执行初始化程序, 设定工作模式, 检测初始状态。而后系统开始执行主程序。使定时器1周期匹配事件启动ADC 转换, 使每个PWM 周期对电流采样, 在A/D 转换中断子程序对电流进行调节, 控制PWM 的输出。图5是系统主程序流程, 框图6[3]为A /D 中断子程序。其中电流环的输出限幅为额定电压的1. 2倍, 速度环的输出限幅值为额定电流的1. 5倍。
电机本体参数如下:R 1=1. 09∀, R 2=0. 63∀; L 1=31mH , L 2=16mH ; J =0. 26N ・M ; K e 1=K T 1=7. 32; K e 2=K T 2=8. 56。(上接第101页)
3) 通电的引出线。因要按下线片距通电, 用刷架电刷通电无法保证这一要求, 且电刷通电容易跨接在两换向片之间, 不符合通电要求。最简单的办法, 是用两根细导线剥出线芯, 直接用水胶纸粘牢在要通电的换向片上, 这样既接触可靠, 用完后也不会污染损坏换向器, 影响使用。
4) 这种方法只检查一个片距即可, 因起始槽与换向片起始对位错误, 顺次每槽均按此规律与换向片错位。前面讲可以选择任一槽作起始槽通电检查, 原因即在此。
2
4 结 论
本文通过对双定子永磁无刷直流电动机运行原理的研究, 基于T MS320F240电机控制专用DSP 芯片, 开发了电动车用双定子电动机控制器, 研究表明控制器既完成了与外围电路交换数据的任务, 又完成了速度环、电流环及其相关控制策略的运算处理, 实现了双定子电动机的全数字化控制的目的。
参考文献
[1] 柴凤. 混合动力电动车用双定子一体化永磁启动-发
电机的研究[D ].哈尔滨工业大学博士学位论文, 2003[2] 王小明, 王玲. 电动机的D SP 控制[M ].北京:北京航
空航天大学出版社, 2004
[3] 张豫, 陈静蔽, 梁振鸿. 基于DSP 的永磁同步电机全数
字化矢量控制[J].微电机, 2003(3)
作者简介:吴红星(1975-) , 哈尔滨工业大学讲师, 研究方向为电机驱动控制。
永磁直流力矩电机检测中, 几何中性线严重偏移的现象时有发生, 引起的原因却有四种, 而不是一种, 有了上面介绍的鉴别方法, 即可找准原因, 以便进行预防处理, 减少损失。片距错误检查很简单, 只要用欧姆表测量规定的片距电阻是否最大即可, 如图2中的1～11片电阻是否为最大; 若最大, 片距正确。若1～12片或1～10片最大, 则线圈焊线多跨了1片或少跨了1片。前面未专门介绍。
该方法不但适用于永磁直流力矩电机, 也适用于普通直流电机。
作者简介:张文海(1941-) , 男, 长期从事微电机测试技术研究。
4 结 语
(上接第105页)
S =S 3(3n-1) -S43n=(3. 215n-12) nr 2
依然同上比较:3. 215n 与12大小即可
当n >3. 73时, S >0
即:n 4时, 采用图5方案较经济, n 3时, 采用图3方案较合理,
图4与图5比较:很容易看出图5较图4方案更为经济, 然而考虑到工艺的难度问题, 图4较好。
同时还考虑到冲出四排、五排……(沿Y 轴方向) , 经计算, 废料的产生是逐渐递减的。与图4、图5有雷同之处, 已无太多实际意义, 且增强了工艺难度。
2 结 论
综上所述, 得出以下统计结论。
(下转第104页)