基于DSP滑模变结构的PMSM控制系统设计_

摘要：滑模变结构控制（Sliding Mode Variable Structure Control，简称SMVSC）具有响应速度快，超调量小，控制精度高，鲁棒性和抗干扰能力较强等优点，特别适应于永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）这种高阶、非线性、强耦合的多变量系统。将SMVSC策略引入PMSM直接转矩控制（Direct Torque Control，简称DTC）中，实现了基于TMS320LF2407A的滑模变结构PMSM直接转矩控制系统。实验结果证实了系统的可行性表明，该控制系统定子磁链和电磁转矩脉动小，动态响应速度快，对参数摄动鲁棒性强，并且逆变器开关频率恒定。
关键词：永磁电机；滑模控制/直接转矩控制
由于永磁同步电机（PMSM）具有功率密度高，效率和功率因数高等特点，目前已被广泛用于高性能驱动装置，如数控机床的主轴伺服系统和工业机器人伺服系统。继矢量变换控制之后，1985年德国鲁尔大学的Depenbrock教授提出了直接转矩控制（DTC）技术，它是交流调速领域出现的一种新型变频调速技术。
无需矢量控制技术复杂的坐标变换，DTC直接控制电机的磁链和转矩，只估计定子磁链和转矩，因此对电机参数依赖小。然而，在基本DTC中，电机电磁转矩和磁链的脉动较大，电机稳态性能差，并且逆变器开关频率不恒定[2]。为解决转矩和磁链的脉动问题，曾提出过许多方法，但均实现困难。针对许多控制策略算法复杂，实现困难的特点，在此将滑模变结构控制策略引入PMSM直接转矩控制中，并对其进行了实验研究。在电机稳态运行时，定转子磁链都以同步速旋转。因此，在负载恒定的情况下，转矩角δ为恒定值。当电机瞬态运行时，转矩角则因定、转子链旋转速度的不同而不断改变。由式（1）可知,由于PMSM的转子磁链Ψf为常值，因此在一定条件下,保持定子磁链幅值Ψs恒定,则电机的电磁转随着定、转子磁链夹角的变化而变化。因此，尽可能快地改变这个夹角可以得到快速的转矩响应[3]。
为了减小基本DTC系统中的转矩和磁链的脉动，将滑模变结构控制策略（SMVSC）引入PMSM直接转矩控制系统中，并对其进行实验研究。该控制系统中采用滑模变结构磁链和转矩控制器代替了传统的滞环控制器，并且引入了空间电压矢量调制技术。将定子磁链和转矩误差作为滑模控制器的输入状态变量，只要控制器参数设计合理，状态变量最终渐近稳定于参考值，以达到控制定子磁链和转矩的目的。而且当运动到事先设计好的开关面后，系统的控制性能将不受电机参数变化的影响，只与滑模控制器参数有关，从而提高了控制系统的鲁棒性[4]。
控制系统中的空间电压矢量发生器采用空间电压矢量调制方式生成逆变器开关信号，其输入信号为磁链和转矩控制器的输出信号Uαref和Uβref。在任意给定时刻，定子电压矢量都会落在基本电压矢量所区分的6个区的其中之一。在任意PWM周期Tp内，通过两个相邻的基本电压矢量可以合成指定的定子电压矢量。以定子电压矢量落到第一扇区为例，Uref可以由两个相邻的基本电压矢量U1，U2和两个零矢量U0，U7合成。
由于直接转矩控制系统对实时性和可靠性的要求较高，而整个系统又需要完成数据采集、数值分析计算、实时控制以及数据传输和接收等复杂任务，因此选择适用于电机和运动控制系统的高速DSP芯片TMS320LF2407A，满足了系统要求[5]。IPM通过采用先进的电流检测型IGBT和与之相匹配的门控电路，可实现高效的自保护功能。若模块控制电源过压、欠压、过热、过流保护发生故障时，IPM故障输出端将输出一个低电平信号直接驱动光耦，将故障信号经过光电隔离送到DSP的PDPINT引脚，对系统进行及时的保护。
电流检测采用霍尔元件检测主回路的电流信号，由于TMS320F2407A的A/D输入信号范围是0～3V，故检测到的电流信号必须变换为电压信号，再经放大提升滤波处理，变为0～3 V间变化的模拟电压信号，输入至DSP的A/D转换器，从而获得电机的电流信号。
在直流电压检测电路中，由整流器输出端的霍尔电压传感器来检测直流母线电压。该霍尔电压传感器采用LV28-P型LEM，其精度高，线性度好，抗干扰能力强，频带宽，反应时间快。
控制系统软件设计主要包括初始化模块、系统控制模块和通信模块三部分。初始化模块主要完成DSP系统及外设的初始化；系统控制模块主要包括PWM定时中断程序、SCI通信中断程序和故障保护中断程序。当检测到IPM有故障信号输出时，故障保护中断程序及时封锁PWM脉冲输出，以保护系统；通信模块接收并发送最新的系统参数，控制和监控电机的运行状态，实现人机交流。PWM中断程序是控制系统的核心，完成各信号的采样处理、直接转矩控制、滑模变结构和SVM算法的计算及控制信号输出等。
由于滑模变结构控制算法较为复杂，计算量较大，在TMS320LF2407A定点DSP上采用汇编语言编程实现较困难。因此采用C语言和汇编语言混合编程，即采用C语言编写复杂的计算程序，而在一些实时性要求较高和需要对DSP的底层资源进行操作的场合，采用汇编语言编程。
为了验证SMVSC-DTC的实际控制效果，对PMSM的动静态性能进行了实验研究。实验机组为一台内部集成光电编码器的PMSM，光电编码器为增量式，2500线。实验用PMSM参数：额定功率500W，额定转矩1.59N·m，最大转矩4.77N·m，额定电流2.7A，瞬间最大电流8.1A，额定转速3000r/min，转动惯量1.256×10-4 kg·m2，线间电阻4.29Ω，线间电感12mH，额定线间反电势168V。图7示出在系统控制周期Ts=130μs，给定转速2000 r/min轻载起动时，DSP实测转速、磁链和转矩的响应曲线。
实现了基于TMS320LF2407A的滑模变结构永磁同步电机直接转矩控制系统。实验结果表明，采用滑模变结构控制器的永磁同步电机直接转矩控制系统的定子磁链和电磁转矩脉动小，动态响应快，逆变器开关频率恒定，并对由定子电阻参数变化所引起的磁链观测误差的鲁棒性强，系统整体控制性能好。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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