固緯電子電力電子教學(xué)小課堂 | 第三十二講: PEK-190模塊——初始位置檢測與啟動(dòng)
PTS-系列之PEK-190系列教學(xué)
PEK-190模塊 —— 初始位置檢測與啟動(dòng)
寫(xiě)在前面的話(huà)
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(jiǎn)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(dòng)小、能夠運用在高壓大容量伺服驅動(dòng)的場(chǎng)合。
固緯PEK-190模塊是適配額定功率400W、額定轉速3000rpm的PMSM，可滿(mǎn)足教學(xué)需求。本期基于PEK-190模塊的矢量控制策略教學(xué)為老師提供PMSM相關(guān)控制策略資料以及教學(xué)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(dòng)模組(Motor Drive)，模組實(shí)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(shí)還具有主要變量的檢測和DSP控制功能部分。該模組實(shí)驗目的是為使用者提供基于DSP控制的電力變換器學(xué)習平臺，即借助 PSIM 軟件完成仿真和實(shí)驗。第一學(xué)習者可以在PSIM上建立模擬（連續）仿真電路，以學(xué)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(jìn)行仿真研學(xué)；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(jìn)行數字（離散）仿真；第四通過(guò)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(shí)物實(shí)驗。這樣設計的最大優(yōu)點(diǎn)方便實(shí)驗者能夠快速完成DSP對變換器主電路的控制。
進(jìn)行實(shí)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(shí)驗平臺上完成。
PTS-3000 實(shí)驗平臺
Motor Drive組成
PMSM驅動(dòng)實(shí)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(dòng)實(shí)驗系統
PMSM矢量控制及實(shí)驗平臺：
對PMSM的學(xué)習，可以從以下幾個(gè)方面展開(kāi)：即
（１）電機數學(xué)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(dòng)
（4）仿真與實(shí)驗驗證
下面圍繞以上四個(gè)方面進(jìn)行討論。
（１）電機數學(xué)物理模型分析與建立
隨著(zhù)電磁材料技術(shù)、計算機輔助設計技術(shù)、控制技術(shù)、驅動(dòng)電路技術(shù)等基礎技術(shù)的發(fā)展，PMSM 特性得以很快的發(fā)展。PMSM 的控制技術(shù)于1971 年得到了突破性的進(jìn)展。德國西門(mén)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(lái)這一理論在PMSM 領(lǐng)域得到了快速的發(fā)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(xiàn)與 A 相繞組軸線(xiàn)夾角的電氣角度。
在永磁同步電機數學(xué)模型研究中，經(jīng)常用到如圖5-7所示三個(gè)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(jìn)行相互變換，如 abc 坐標系到 αβ 坐標系的坐標系變換稱(chēng)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(shí)間上相差120、角速率為 ω 的三相對稱(chēng)正弦電流，那么三相電流將產(chǎn)生合成的磁動(dòng)勢 F1，它在空間成正弦分布，與交流電同頻按A? B ?C相序來(lái)旋轉；在兩相繞組 α 和 β 中 ，它們在空間上相差90。當通以時(shí)間上相差90、角速率為 ω 的兩相平衡正弦電流時(shí)，也能產(chǎn)生空間上為圓形、角速度為 ω 、磁動(dòng)勢為 F2 的旋轉磁場(chǎng)；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(chǎn)生合成的磁動(dòng)勢 F3 。由于兩個(gè)繞組以同步角速度 ω 一起旋轉，則磁動(dòng)勢 F3 也會(huì )隨之成為旋轉磁動(dòng)勢。經(jīng)過(guò)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(guò)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(jiǎn)單，電機的輸出轉矩與定子電流的幅值成線(xiàn)性關(guān)系，且無(wú)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(guò)程中，系統通過(guò)不斷檢測電機轉子角位置，進(jìn)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(mǎn)足id = 0，交軸分量 iq = is。即所有的電流都用來(lái)使電機輸出電磁轉矩，逆變器也無(wú)需為電機提供無(wú)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(dòng)與制動(dòng)，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(huán)和電流環(huán)組成。速度環(huán)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(dòng)的能力，抑制速率波動(dòng)。電流環(huán)的作用是根據速度環(huán)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(chǎn)生實(shí)時(shí)的控制電壓信號，與載波信號比較產(chǎn)生PWM 波形，進(jìn)而通過(guò)逆變器來(lái)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(dòng)
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(shí)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(shí)現電機的平穩啟動(dòng)，采用一種定子電流注入法的PMSM轉子初始位置檢測方法，實(shí)現電機的平穩啟動(dòng)與可靠運行。在電機啟動(dòng)前，轉子位置未知的情況下，將PMSM 驅動(dòng)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(chǎn)生的磁場(chǎng)與轉子磁場(chǎng)的相互作用會(huì )使得轉子被拉至某個(gè)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(jiǎn)稱(chēng)“零度位置”）為例，分析預定位過(guò)程中恒定定子電流向量的方向與轉子位置之間的關(guān)系。
由三相定子電流關(guān)系可知，當 Ia 為最大值 Im 時(shí)，Ib 和 Ic 為-Im / 2。此時(shí)，三相定子電流向量如圖9所示。由于 Ib 和 Ic 關(guān)于 A 軸對稱(chēng)，定子電流合向量方向與 A 軸同向，定子磁動(dòng)勢 fo 與定子電流向量 Io 同向。在此約定：磁動(dòng)勢方向由定子指向轉子時(shí)，該極為定子磁場(chǎng)的 N 極；磁動(dòng)勢方向由轉子指向定子時(shí)，該極為定子磁場(chǎng)的 S 極。由此可得，定子電流向量 Io 產(chǎn)生的理想定子磁場(chǎng)的磁極如圖10中虛線(xiàn)框部分所示。在圖10所示的定子磁場(chǎng)的持續作用下，轉子的磁場(chǎng)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(shí)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(shí)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(dòng)仿真電路
圖12 Motor Driver 轉子初始位置檢測及啟動(dòng)仿真結果
2） 實(shí)驗
基于PTS-3000實(shí)驗平臺的PEK-190及電機模組實(shí)驗系統如圖13、14、15和16所示。
圖13 實(shí)驗設備與教具PEK-190配置圖
圖14 電機、實(shí)驗設備實(shí)際接線(xiàn)圖
圖15 電機驅動(dòng)線(xiàn)與編碼器線(xiàn)接線(xiàn)圖
圖16 電機負載線(xiàn)與負載接線(xiàn)圖
三相定子電流和轉速實(shí)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(shí)際轉速
結 論：
當模塊在啟動(dòng)前，系統進(jìn)行了轉子初始位置檢測以防止電機反轉。通過(guò)觀(guān)察電機驅動(dòng)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(dòng)后PMSM電機能夠平滑啟動(dòng)且達到給定轉速2000RPM。