PTS-系列之PEK-190系列教学

PEK-190模块 —— 初始位置检测与启动

写在前面的话

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor——PMSM）是用稀土永磁体取代励磁绕组所构成的一种新型同步电机。其结构简单、体积小、运行可靠，相对于感应电机，PMSM 效率高、功率密度大、调速范围宽、力矩波动小、能够运用在高压大容量伺服驱动的场合。

固纬PEK-190模块是适配额定功率400W、额定转速3000rpm的PMSM，可满足教学需求。本期基于PEK-190模块的矢量控制策略教学为老师提供PMSM相关控制策略资料以及教学资源。PEK-190模块及电机模组如图所示。

PEK-190

电机控制模组

PEK-190模组介绍：

PEK-190 为PMSM驱动模组(Motor Drive)，模组实物照片如图1 所示，主要为三相全桥逆变器(Single Phase Inverter)与PMSM组成，同时还具有主要变量的检测和DSP控制功能部分。该模组实验目的是为使用者提供基于DSP控制的电力变换器学习平台，即借助 PSIM 软件完成仿真和实验。第一学习者可以在PSIM上建立模拟（连续）仿真电路，以学习电力变换器的原理、分析和功能设计；第二将电力变换器的控制器（如PI 控制器）离散化，即转化去数字（离散）仿真部分，进行仿真研学；第三借助DSP芯片内部所具有的A/D转化器、数据处理和PWM信号生成功能，再次进行数字（离散）仿真；第四通过PSIM 之 C代码生成功能，将控制部分生成C代码；最后将生成的C代码下载于PEK-190的DSP之中，以备实物实验。这样设计的最大优点方便实验者能够快速完成DSP对变换器主电路的控制。

进行实验除需要PEK-190 模组外，仍需配置PEK-005A(辅助电源)和 PEK-006 (JTAG 下载器)等，并在 PTS-3000的实验平台上完成。

PTS-3000 实验平台

Motor Drive组成

PMSM驱动实验系统组成如图3所示，即主要由DC电源、三相逆变电路、Motor、检测单元模块和DSP数据采集、处理及PWM信号模块组成。

图3 PMSM驱动实验系统

PMSM矢量控制及实验平台：

对PMSM的学习，可以从以下几个方面展开：即
（１）电机数学物理模型分析与建立
（2）电机矢量控制策略
（3）初始位置检测与启动
（4）仿真与实验验证
下面围绕以上四个方面进行讨论。
（１）电机数学物理模型分析与建立
随着电磁材料技术、计算机辅助设计技术、控制技术、驱动电路技术等基础技术的发展，PMSM 特性得以很快的发展。PMSM 的控制技术于1971 年得到了突破性的进展。德国西门子公司的Blaschke 等人首先提出了交流电机的矢量控制理论，后来这一理论在PMSM 领域得到了快速的发展。
PMSM结构模型和等效坐标如图3和图4所示。

图3 PMSM 结构模型

图4 PMSM 的等效结构坐标图

电机定子一般由三相绕组和铁心组成，其中三相绕组往往以星型的方式连接，其物理方程如下：

ua、ub 、uc 为三相定子绕组电压；
Ra 、Rb 、Rc 为三相定子绕组电阻，大小均为R ；
ia 、ib 、ic 为三相定子绕组电流；
ψa ，ψb，ψc 为三相定子绕组的磁链；
L 为三相定子绕组的自感，包括漏电感分量和主电感分量；
ψf 为转子永磁磁链；
θe 为转子轴线与 A 相绕组轴线夹角的电气角度。
在永磁同步电机数学模型研究中，经常用到如图5-7所示三个坐标系，它们分别是静止 abc 坐标系、静止 αβ 坐标系和旋转 dq 坐标系。坐标系之间可以进行相互变换，如 abc 坐标系到 αβ 坐标系的坐标系变换称之为 Clark 变换，αβ 坐标系到 dq 坐标系的变化则是 Park 变换。

图5 abc坐标系

图6 αβ坐标系

图7 dq坐标系

在三相交流绕组电路中，假设绕组A、B、C通以时间上相差120、角速率为 ω 的三相对称正弦电流，那么三相电流将产生合成的磁动势 F1，它在空间成正弦分布，与交流电同频按A− B −C相序来旋转；在两相绕组 α 和 β 中 ，它们在空间上相差90。当通以时间上相差90、角速率为 ω 的两相平衡正弦电流时，也能产生空间上为圆形、角速度为 ω 、磁动势为 F2 的旋转磁场；在旋转坐标系 dq 中，如果在匝数相等且互相垂直的绕组 d 和绕组 q 中分别通以直流电流。两相直流电流能够产生合成的磁动势 F3 。由于两个绕组以同步角速度 ω 一起旋转，则磁动势 F3 也会随之成为旋转磁动势。经过坐标变换之后，即可获得 dq 旋转坐标系下微分方程如下所示：

（２）电机矢量控制策略

对于过载能力以及转矩响应特性有比较高的要求，并且id = 0 控制方法比较简单，电机的输出转矩与定子电流的幅值成线性关系，且无去磁效应，因此，采用如图8所示的PMSM矢量控制策略。

id= 0 的控制方案要求，在电机运行过程中，系统通过不断检测电机转子角位置，进而改变定子合成电流矢量is 的大小和方向，使 is 的直轴分量满足id = 0，交轴分量 iq = is。即所有的电流都用来使电机输出电磁转矩，逆变器也无需为电机提供无功励磁电流。在该方案下电磁转矩输出平稳、响应迅速，因此电机能够很好的启动与制动，调速性能较好，调速范围也宽。

永磁同步电机矢量控制如图8所示。由图可知，该控制系统由速度环和电流环组成。速度环的作用是使电机的转速跟踪设定转速，能够控制电机加减速，增强系统抗负载扰动的能力，抑制速率波动。电流环的作用是根据速度环给定的转矩电流值和检测的电机相电流值，使电流控制器产生实时的控制电压信号，与载波信号比较产生PWM 波形，进而通过逆变器来改变电机相电流值。

图8 矢量控制策略

（3）转子初始位置检测与启动

在PSIM软件中结合以上分析搭建如图9所示可生成代码的数字仿真电路，其仿真与实验结果如图10所示。

为了准确获取永磁同步电机转子初始位置，实现电机的平稳启动，采用一种定子电流注入法的PMSM转子初始位置检测方法，实现电机的平稳启动与可靠运行。在电机启动前，转子位置未知的情况下，将PMSM 驱动器在定子绕组通入方向及大小均恒定的定子电流向量，该电流向量产生的磁场与转子磁场的相互作用会使得转子被拉至某个固定位置后静止。以转子被预定位至电气角度为零度的位置（以下简称“零度位置”）为例，分析预定位过程中恒定定子电流向量的方向与转子位置之间的关系。

由三相定子电流关系可知，当 Ia 为最大值 Im 时，Ib 和 Ic 为-Im / 2。此时，三相定子电流向量如图9所示。由于 Ib 和 Ic 关于 A 轴对称，定子电流合向量方向与 A 轴同向，定子磁动势 fo 与定子电流向量 Io 同向。在此约定：磁动势方向由定子指向转子时，该极为定子磁场的 N 极；磁动势方向由转子指向定子时，该极为定子磁场的 S 极。由此可得，定子电流向量 Io 产生的理想定子磁场的磁极如图10中虚线框部分所示。在图10所示的定子磁场的持续作用下，转子的磁场方向将与A轴重合，即转子被预定位至零度位置。

图9 A相电流最大时定子电流向量与磁矢量

图10 预设定转子零刻度位置

（4）仿真与实验验证

1）PSIM仿真

在PSIM软件中结合以上分析搭建如图11所示可生成代码的数字仿真电路，其仿真结果如图12所示。

图11 Motor Driver 转子初始位置检测及启动仿真电路

图12 Motor Driver 转子初始位置检测及启动仿真结果

2） 实验

基于PTS-3000实验平台的PEK-190及电机模组实验系统如图13、14、15和16所示。

图13 实验设备与教具PEK-190配置图

图14 电机、实验设备实际接线图

图15 电机驱动线与编码器线接线图

图16 电机负载线与负载接线图

三相定子电流和转速实验测试如图17和18所示。

图17 电机三相定子电流

图18 电机实际转速

结　论：

当模块在启动前，系统进行了转子初始位置检测以防止电机反转。通过观察电机驱动器的定子电流和电机转速可知，增加了初始位置检测与启动后PMSM电机能够平滑启动且达到给定转速2000RPM。