PTS-系列之PEK-190系列教學

PEK-190模塊——初始位置檢測與啟動

寫在前面的話

永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor——PMSM）是用稀土永磁體取代勵磁繞組所構成的一種新型同步電機。其結構簡單、體積小、運行可靠，相對于感應電機，PMSM 效率高、功率密度大、調速范圍寬、力矩波動小、能夠運用在高壓大容量伺服驅動的場合。

固緯PEK-190模塊是適配額定功率400W、額定轉速3000rpm的PMSM，可滿足教學需求。本期基于PEK-190模塊的矢量控制策略教學為老師提供PMSM相關控制策略資料以及教學資源。PEK-190模塊及電機模組如圖所示。

PEK-190電機控制模組

PEK-190模組介紹：

PEK-190 為PMSM驅動模組(Motor Drive)，模組實物照片如圖1 所示，主要為三相全橋逆變器(Single Phase Inverter)與PMSM組成，同時還具有主要變量的檢測和DSP控制功能部分。該模組實驗目的是為使用者提供基于DSP控制的電力變換器學習平臺，即借助 PSIM 軟件完成仿真和實驗。第一學習者可以在PSIM上建立模擬（連續）仿真電路，以學習電力變換器的原理、分析和功能設計；第二將電力變換器的控制器（如PI 控制器）離散化，即轉化去數字（離散）仿真部分，進行仿真研學；第三借助DSP芯片內部所具有的A/D轉化器、數據處理和PWM信號生成功能，再次進行數字（離散）仿真；第四通過PSIM 之 C代碼生成功能，將控制部分生成C代碼；最后將生成的C代碼下載于PEK-190的DSP之中，以備實物實驗。這樣設計的最大優點方便實驗者能夠快速完成DSP對變換器主電路的控制。

進行實驗除需要PEK-190 模組外，仍需配置PEK-005A(輔助電源)和 PEK-006 (JTAG 下載器)等，并在 PTS-3000的實驗平臺上完成。

PTS-3000 實驗平臺

Motor Drive組成

PMSM驅動實驗系統組成如圖3所示，即主要由DC電源、三相逆變電路、Motor、檢測單元模塊和DSP數據采集、處理及PWM信號模塊組成。

圖3  PMSM驅動實驗系統

PMSM矢量控制及實驗平臺

對PMSM的學習，可以從以下幾個方面展開：即

（１）電機數學物理模型分析與建立

（2）電機矢量控制策略

（3）初始位置檢測與啟動

（4）仿真與實驗驗證

下面圍繞以上四個方面進行討論。

（１）電機數學物理模型分析與建立

隨著電磁材料技術、計算機輔助設計技術、控制技術、驅動電路技術等基礎技術的發展，PMSM 特性得以很快的發展。PMSM 的控制技術于1971 年得到了突破性的進展。德國西門子公司的Blaschke 等人首先提出了交流電機的矢量控制理論，后來這一理論在PMSM 領域得到了快速的發展。

PMSM結構模型和等效坐標如圖3和圖4所示。

圖3  PMSM 結構模型

圖4  PMSM 的等效結構坐標圖

電機定子一般由三相繞組和鐵心組成，其中三相繞組往往以星型的方式連接，其物理方程如下：

ua、ub 、uc 為三相定子繞組電壓；

Ra 、Rb 、Rc 為三相定子繞組電阻，大小均為R ；

ia 、ib 、ic 為三相定子繞組電流；

ψa ，ψb，ψc 為三相定子繞組的磁鏈；

L 為三相定子繞組的自感，包括漏電感分量和主電感分量；

ψf 為轉子永磁磁鏈；

θe 為轉子軸線與 A 相繞組軸線夾角的電氣角度。

在永磁同步電機數學模型研究中，經常用到如圖5-7所示三個坐標系，它們分別是靜止 abc 坐標系、靜止 αβ 坐標系和旋轉 dq 坐標系。坐標系之間可以進行相互變換，如 abc 坐標系到 αβ 坐標系的坐標系變換稱之為 Clark 變換，αβ 坐標系到 dq 坐標系的變化則是 Park 變換。

圖5 abc坐標系

圖6 αβ坐標系

圖7 dq坐標系

在三相交流繞組電路中，假設繞組A、B、C通以時間上相差120、角速率為 ω 的三相對稱正弦電流，那么三相電流將產生合成的磁動勢 F1，它在空間成正弦分布，與交流電同頻按A? B ?C相序來旋轉；在兩相繞組 α 和 β 中 ，它們在空間上相差90。當通以時間上相差90、角速率為 ω 的兩相平衡正弦電流時，也能產生空間上為圓形、角速度為 ω 、磁動勢為 F2 的旋轉磁場；在旋轉坐標系 dq 中，如果在匝數相等且互相垂直的繞組 d 和繞組 q 中分別通以直流電流。兩相直流電流能夠產生合成的磁動勢 F3 。由于兩個繞組以同步角速度 ω 一起旋轉，則磁動勢 F3 也會隨之成為旋轉磁動勢。經過坐標變換之后，即可獲得 dq 旋轉坐標系下微分方程如下所示：

（２）電機矢量控制策略

對于過載能力以及轉矩響應特性有比較高的要求，并且id = 0 控制方法比較簡單，電機的輸出轉矩與定子電流的幅值成線性關系，且無去磁效應，因此，采用如圖8所示的PMSM矢量控制策略。

id= 0 的控制方案要求，在電機運行過程中，系統通過不斷檢測電機轉子角位置，進而改變定子合成電流矢量is 的大小和方向，使 is 的直軸分量滿足id = 0，交軸分量 iq = is。即所有的電流都用來使電機輸出電磁轉矩，逆變器也無需為電機提供無功勵磁電流。在該方案下電磁轉矩輸出平穩、響應迅速，因此電機能夠很好的啟動與制動，調速性能較好，調速范圍也寬。

永磁同步電機矢量控制如圖8所示。由圖可知，該控制系統由速度環和電流環組成。速度環的作用是使電機的轉速跟蹤設定轉速，能夠控制電機加減速，增強系統抗負載擾動的能力，抑制速率波動。電流環的作用是根據速度環給定的轉矩電流值和檢測的電機相電流值，使電流控制器產生實時的控制電壓信號，與載波信號比較產生PWM 波形，進而通過逆變器來改變電機相電流值。

圖8  矢量控制策略

（3）轉子初始位置檢測與啟動

在PSIM軟件中結合以上分析搭建如圖9所示可生成代碼的數字仿真電路，其仿真與實驗結果如圖10所示。

為了準確獲取永磁同步電機轉子初始位置，實現電機的平穩啟動，采用一種定子電流注入法的PMSM轉子初始位置檢測方法，實現電機的平穩啟動與可靠運行。在電機啟動前，轉子位置未知的情況下，將PMSM 驅動器在定子繞組通入方向及大小均恒定的定子電流向量，該電流向量產生的磁場與轉子磁場的相互作用會使得轉子被拉至某個固定位置后靜止。以轉子被預定位至電氣角度為零度的位置（以下簡稱“零度位置”）為例，分析預定位過程中恒定定子電流向量的方向與轉子位置之間的關系。

由三相定子電流關系可知，當 Ia 為最大值 Im 時，Ib 和 Ic 為-Im / 2。此時，三相定子電流向量如圖9所示。由于 Ib 和 Ic 關于 A 軸對稱，定子電流合向量方向與 A 軸同向，定子磁動勢 fo 與定子電流向量 Io 同向。在此約定：磁動勢方向由定子指向轉子時，該極為定子磁場的 N 極；磁動勢方向由轉子指向定子時，該極為定子磁場的 S 極。由此可得，定子電流向量 Io 產生的理想定子磁場的磁極如圖10中虛線框部分所示。在圖10所示的定子磁場的持續作用下，轉子的磁場方向將與A軸重合，即轉子被預定位至零度位置。

圖9  A相電流最大時定子電流向量與磁矢量

圖10  預設定轉子零刻度位置

（4）仿真與實驗驗證

1）PSIM仿真

在PSIM軟件中結合以上分析搭建如圖11所示可生成代碼的數字仿真電路，其仿真結果如圖12所示。

圖11  Motor Driver 轉子初始位置檢測及啟動仿真電路

圖12  Motor Driver 轉子初始位置檢測及啟動仿真結果

2） 實驗

基于PTS-3000實驗平臺的PEK-190及電機模組實驗系統如圖13、14、15和16所示。

圖13  實驗設備與教具PEK-190配置圖

圖14  電機、實驗設備實際接線圖

圖15  電機驅動線與編碼器線接線圖

圖16  電機負載線與負載接線圖

三相定子電流和轉速實驗測試如圖17和18所示。

圖17  電機三相定子電流

圖18  電機實際轉速

結　論

當模塊在啟動前，系統進行了轉子初始位置檢測以防止電機反轉。通過觀察電機驅動器的定子電流和電機轉速可知，增加了初始位置檢測與啟動后PMSM電機能夠平滑啟動且達到給定轉速2000RPM。