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一種DSP控制的永磁同步電機控制系統(tǒng)硬件設計
多曉艷 李動 2022/3/19 20:03:11
（衡水技師學院（衡水科技工程學校），河北省衡水， 053000）
基金項目：本文為河北省人力資源和社會保障課題《產(chǎn)教融合背景下技工院校實訓體系構建-以工業(yè)機器人應用與維護專業(yè)為例》，課題編號“JRS-2021-7136”的研究成果。
摘要：為了改善永磁同步電機控制性能，本文以小功率電機為例，選取DSP芯片作為控制器，提出永磁同步電機控制系統(tǒng)硬件設計研究。該系統(tǒng)硬件主要由3部分組成，包括主功率電路、信號檢測電路、系統(tǒng)供電電路，根據(jù)小功率電機作業(yè)控制要求，為各個電路選取元器件，討論參數(shù)計算方法，并對系統(tǒng)設計方案加以測試分析。測試結果顯示，本系統(tǒng)的調速作業(yè)靜態(tài)性能和動態(tài)性能都很好，且滿足穩(wěn)壓控制要求。
關鍵詞：永磁同步電機；信號檢測；功率驅動
永磁同步電機是一種作業(yè)效率較高、損耗偏低、體積較小、功率密度偏高的設備作業(yè)控制裝置，在多個領域均有所應用[1]。例如，工業(yè)控制、機械制造等。為了充分發(fā)揮裝置作用，需要為其配備相應的控制器，在該裝置的驅動下開始高效運轉[2]。目前，控制器的主要控制芯片以單片機或者DSP為主，相比之下，單片機的運算處理能力偏低，而永磁同步電機對于運算處理需求較高，所以DPS芯片成為了首要選擇對象[3]。功率驅動單元作為重要組成結構，主要以IPM單元和IGBT單元為主，前者的電路相對簡單，安全性能較高[4]。所以，本文嘗試選擇DSP作為核心控制芯片，利用IPM單元開發(fā)功率驅動模塊，提出永磁同步電機控制系統(tǒng)硬件設計研究。
一、永磁同步電機控制系統(tǒng)架構設計
電機驅動控制系統(tǒng)主要利用DSP2812芯片進行控制，利用該芯片控制各個設備，而功率的驅動部分，則是利用IPM逆變器進行驅動，從而使得電機得以正常作業(yè)。如圖1所示為電機控制系統(tǒng)整體架構。
圖1 電機控制系統(tǒng)整體架構
該系統(tǒng)硬件架構主要分為兩部分，其中一部分為控制硬件電路，另外一部分為功率驅動硬件電路。另外，輔助電路包括供電電路和信號檢測電路�？紤]到控制電路在作業(yè)期間容易受功率驅動電路中高壓側的干擾，所以本系統(tǒng)架構在兩部分電路連接處增加了光耦隔離電路。本系統(tǒng)對于電機作業(yè)狀態(tài)的控制，需要根據(jù)信號采集情況下達命令，為了實現(xiàn)信號處理，本系統(tǒng)增加了信號處理器，為其選取TMS320F2812作為核心控制芯片。對于逆變器的應用，則是以內部功率開關作為主要控制裝置，通過調節(jié)電流幅值和頻率，將電路中當前流動的電流轉換為三相交流電源，以此驅動電機正常作業(yè)。
二、系統(tǒng)硬件電路設計
1、主功率電路設計
（1）整流電路
本系統(tǒng)選取小功率電機作為控制對象，搭建單相整流電路結構。向電路中接入220V交流電壓，綜合考慮二極管最大承受電源、直流母線電壓波動、裕量設置等多項影響因素，系統(tǒng)作業(yè)電壓應該在682V以上。電機開啟作業(yè)瞬間，產(chǎn)生的電流會超出額定電流5～7倍，為了滿足電路中電壓和電流作業(yè)需求，最終選取KBRC3510整流橋電路作為電機控制電路。其中，額定電流為35A，額定電壓為1000V。
考慮到電路中存在大容量濾波電容，系統(tǒng)上電瞬間會產(chǎn)生充電電流，由于這個電流較大，可能導致驅動回路發(fā)生短路問題，所以在此處添加限流電阻非常重要，起到一定電路保護作用。本系統(tǒng)針對此問題，增加了軟啟動電路。如圖2所示為軟啟動電路。
圖2軟啟動電路
圖2中， 為繼電器，與水泥電阻 并聯(lián)，電容 和 均為大容量電解電容。該電路在開關作用下，下達控制繼電器作業(yè)命令OPEN。為了暫態(tài)期間電路限流要求，本電路中添加的限流電阻 的功率偏小，選擇 規(guī)格電阻作為限流電阻，采用串聯(lián)方式，與直流母線建立線路連接，從而緩解主回路電流沖擊問題。系統(tǒng)上電后，電流流經(jīng)電阻 后，為電路中的電容充電。對于繼電器閉合的操作，以線路中的動力電作為控制信號，如果監(jiān)測到該信號，則延時500ms閉合繼電器。
（2）濾波電路
為了電機作業(yè)穩(wěn)定性，本系統(tǒng)硬件電路中添加了大電解電容，經(jīng)過穩(wěn)壓濾波處理后，輸出符合電機穩(wěn)定作業(yè)的電壓和電流。其中，電解電容的添加，可以采取吸收紋波能量方式，以0.5個周期作為計算周期，要求谷點電壓 經(jīng)過充電處理后電量可以得到電網(wǎng)峰值電壓 對應的存儲能量作為輸出能量。以下為濾波電路能量關系計算公式：
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