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基于MSC-196单片机的永磁同步电动机速度控制系统设计
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基于MSC-196单片机的永磁同步电动机速度控制系统设计
1.引言
在交直流电机中,若用永磁体来取代直流励磁以产生气隙磁场的电机,称为永磁电机。永磁电机具有体积小、效率高、运行可靠等优点,在许多情况下可以实现无刷化,因此在家用电器、医疗器械、汽车、航空和国防等各个领域内获得广泛的应用。
永磁同步电动机的定子接到交流电网,与传统同步电动机相同,定子绕组为对称三相短距、分布绕组,定子电流喂三相正弦电流,转子采用特殊外形的永磁体以产生正弦分布的气隙磁场。与传统的同步电动机相比较,采用永磁体既简化了电机的结构、实现了无刷化、提高了可靠性,又节约了用铜、省去了转子铜耗、提高了电机的效率。与同容量的感应电机相比较,可以显著的提高功率因数,并使额定效率提高2%-8%,轻载时节能效果更为明显。其结构的简单程度和运行可靠性大体上与笼型感应电动机相当。[1]
本次设计的是基于80C196MC单片机的PWM驱动的电压型逆变桥控制的电流、转速双闭环永磁同步电动机速度控制系统,根据设计要求完成了系统框图、硬件框图、系统各部分电路的设计。本文将对各个部分的硬件电路功能实现作详细说明。分析了速度环、电流环以及单片机控制环在永磁同步电动机速度控制系统中的作用。
2.速度控制原理
当永磁同步电动机的定子通入三相交流电时,三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场,一方面切割定子绕组,并在定子绕组中产生感应电动势;另一方面以电磁力拖动转子以同步转速旋转。电枢电流还会产生仅与定子绕组相交链的定子绕组漏磁通,并在定子绕组中产生感应漏电动势。此外,转子永磁体产生的磁场也以同步转速切割定子绕组。从而产生空载电动势。为了便于分析,在建立数学模型时,假设以下参数:①忽略电动机的铁心饱和;②不计电机中的涡流和磁滞损耗;③定子和转子磁动势所产生的磁场沿定子内圆按正弦分布,即忽略磁场中所有的空间谐波;④各相绕组对称,即各相绕组的匝数与电阻相同,各相轴线相互位移同样的电角度。
在分析同步电动机的数学模型时,常采用两相同步旋转(d,q)坐标系和两相静止(α,β)坐标系。图1给出永磁同步电动机在(d,q)旋转坐标系下的矢量图。
图1永磁同步电动机矢量图
定子磁链方程
定子电压方程
电磁转矩
若使isd=0,电压方程为
电磁转矩为
可见,当Ψr=常数时,Tes∝is。
上述公式中,usd、usq、isd、isp、Ψsd、Ψsq分别为d、q轴上的定子电压、电流及磁链分量;R为定子相电阻;Ld、Lq为d、q轴上的定子电感;w为转子旋转的电角速度;Ψr为永磁体对应的转子磁链;p=d/dt为微分算子。
3.速度控制系统系统框图
图2 永磁同步电动机速度控制系统框图
永磁电动机速度控制系统组成如图2。该控制系统主要由永磁同步电动机、变频器、转子位置传感器、控制单元四部分组成。
主回路:脉宽调制变频器、永磁同步电动机、转子位置检测器、电流传感器,控制回路:速度调节环及PI调节器、电流调节环及PI调节器、矢量变换单元、SVPWM生成器及驱动电路。
控制过程为:输出nref作为速度控制器的给定信号,与检测到的转子速度n相比较后,经速度PI控制器的调节,输出isqref作为电流控制器的给定信号。同时,经过坐标变换后,定子反馈的三相电流为isq、isd通过控制d轴电流给定电流isdref=0。与给定值相比较后,经过电流PI调节器输出为d、q轴的电压,经过逆变换后喂a、B
轴的电压。通过SVPWM模块 输出6路PWM驱动IGBT,产生可变频和幅值的三相正弦电流输出电机定子。
4.永磁同步电动机速度控制系统硬件框图
图3 系统硬件框图
系统总硬件框图如图3,下面分别介绍各部分电路组成及功能。
4.1三相不可控整流电路
图4 三相不可控整流电路
三相不可控整流电路图如图4,其中电容用来滤波,电网电压为380V。
4.2三相电压型桥式逆变电路
图5 三相电压型桥式逆变电路
采用IGBT作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图5。和单相半桥、全桥逆变电路相同,三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是180。导电方式,即每个桥臂的导电角度为180。,同一相上下两个桥臂交替导电,各相开始导电的角度依次相差120。。这样,在任一瞬间,将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂,也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因此每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行,因此也被称为纵向换流。
下面简单分析三相电压型桥式逆变电路的工作波形。对U想输出来说,当桥臂1导通时,uUN=Ud/2,当桥臂4导通时,uUN=-Ud/2。因此,
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