一種新型的HESM控制系統(tǒng)設(shè)計

黃明明，周成虎

(河南工程學(xué)院 電氣信息工程系，河南 鄭州 451191)

混合勵磁同步電機(jī)(HESM)是在永磁同步電機(jī)(PMSM)和電勵磁同步電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，內(nèi)部包含永磁體磁勢和電勵磁磁勢兩個磁勢源.永磁體產(chǎn)生的磁勢為主磁勢，勵磁繞組產(chǎn)生的磁勢為輔助磁勢，所以這種電機(jī)既具有永磁同步電機(jī)效率高、轉(zhuǎn)矩/質(zhì)量比大的特點(diǎn)，又具有電勵磁同步電機(jī)調(diào)磁方便、調(diào)磁容量大的優(yōu)點(diǎn)，是一種低速大轉(zhuǎn)矩和寬調(diào)速電機(jī)，在航空航天、電動汽車等領(lǐng)域具有較大的推廣應(yīng)用價值.

近十年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對這類電機(jī)理論及本體設(shè)計做了大量工作，取得了很多有意義的成果，在權(quán)威期刊和國際會議上也不時有涉及混合勵磁電機(jī)方面的文章出現(xiàn)[1-3].美國威斯康星大學(xué)電機(jī)專家Lipo教授在混合勵磁電機(jī)技術(shù)方面已經(jīng)進(jìn)行了卓有成效的研究，有多項涉及混合勵磁電機(jī)及其應(yīng)用的專利公開[4-5].此外，國外某些驅(qū)動系統(tǒng)公司還推出了一些相關(guān)的混合勵磁電機(jī)產(chǎn)品，如美國TIMKEN公司研發(fā)的盤式車輪轉(zhuǎn)子混合勵磁電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)已在電動汽車驅(qū)動領(lǐng)域獲得了初步應(yīng)用.但是，目前對該類電機(jī)控制系統(tǒng)的研究相對較少，國內(nèi)關(guān)于HESM控制系統(tǒng)設(shè)計的、已公開的發(fā)明專利僅有一項[6].陳清泉給出了一種混合勵磁無刷直流電機(jī)模糊控制方案，通過模糊控制器調(diào)節(jié)電機(jī)的電樞電流與勵磁電流大小[7].日本學(xué)者Shinnaka提出了一種基于通用坐標(biāo)系的動態(tài)矢量控制模型[8]，對隱極HESM提出了一種基于id=0的銅耗最小化矢量控制方法[9].

本研究提出了一種新型的基于矢量控制的HESM控制系統(tǒng)，給出了控制系統(tǒng)的軟硬件電路框圖，詳細(xì)介紹了各功能模塊的工作原理，最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的有效性.

1 HESM的控制系統(tǒng)原理

HESM控制系統(tǒng)與普通的PMSM控制系統(tǒng)類似，如果在控制中不使用勵磁電流調(diào)速，HESM控制系統(tǒng)就等同于普通的PMSM控制系統(tǒng)[10]，所以在HESM控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計中，可以參考PMSM控制系統(tǒng).圖1為HESM控制系統(tǒng)框圖，主要包括4個模塊：HESM控制系統(tǒng)主電路、模擬信號處理模塊、數(shù)字信號處理(DSP)模塊與人機(jī)通信與顯示模塊，下面具體介紹這4個模塊的功能和原理.

HESM控制系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)主要包括兩個驅(qū)動電路，一個是電樞驅(qū)動電路，用來控制HESM電樞繞組的電壓和電流，另一個是勵磁驅(qū)動電路，用來調(diào)節(jié)勵磁電流，根據(jù)控制的需要進(jìn)行增磁調(diào)速或弱磁調(diào)速.工作原理如下：220 V的交流電接入驅(qū)動電路后，首先通過整流橋進(jìn)行整流，由電容器濾波變?yōu)橹绷麟娫?，然后?jīng)過三相逆變電路和單相橋式逆變電路分別控制HESM的電樞繞組和勵磁繞組，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行.在主電路設(shè)計中，有一個過流繼電保護(hù)電路，這個電路的作用是做主電路上的電保護(hù)，即主電路的開關(guān)合閘瞬間，由于電容兩端的電壓不能突變，接近為0，如果此時繼電器閉合，將會產(chǎn)生很大的沖擊電流，對電路產(chǎn)生不利影響，因此，主電源開關(guān)閉合瞬間繼電器是斷開的，電流通過與繼電器并聯(lián)的限流電阻進(jìn)入電路板并對電容器充電，隨著電容電壓的升高，當(dāng)檢測到其值大于基準(zhǔn)電壓后，繼電器閉合，電網(wǎng)電流通過繼電器流入驅(qū)動板中.

圖1 HESM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

模擬信號處理電路是DSP的外圍電路，用于處理各種模擬信號，主要的單元電路結(jié)構(gòu)和功能如下：

(1)編碼器信號處理電路

光電編碼器與HESM的轉(zhuǎn)子同軸安裝，隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時輸出2組6路脈沖信號，其中一組脈沖信號是相位相差60電角度的脈沖信號U，V，W，各脈沖寬度為180電角度，這組信號在電機(jī)啟動時用于轉(zhuǎn)子磁極粗略定位，輸入到DSP的CAP單元，CAP單元根據(jù)捕捉到的U，V，W值，采用方波控制對應(yīng)的兩相電樞繞組導(dǎo)通，使電機(jī)轉(zhuǎn)動.電機(jī)在轉(zhuǎn)過小于或等于一周的時間內(nèi)，會捕捉到一個復(fù)位脈沖信號“Z”，捕捉到“Z”信號之后，電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置也就確定了，程序從方波控制模式跳出，進(jìn)入矢量控制模式.光電編碼器還輸出另一組脈沖信號A，B，Z，正交編碼脈沖信號“A，B”被送入DSP的QEP單元，QEP單元對這兩組信號進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)值傳遞給轉(zhuǎn)子位置計算單元，實(shí)時算出電機(jī)轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置.同時，QEP單元的計數(shù)值還傳遞到轉(zhuǎn)速計算單元，實(shí)時計算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速nr.

(2)母線電壓、相電流與勵磁電流采樣與處理電路

3個霍爾電流傳感器和1個霍爾電壓傳感器分別對相電流、勵磁電流及母線電壓進(jìn)行測量，然后分別進(jìn)行濾波、放大、電壓偏置、穩(wěn)壓等處理，最后送入DSP的模擬輸入信號引腳.

(3)光電隔離電路

通過光耦隔離控制板的低壓器件與驅(qū)動板的高壓電路，避免主電路的高電壓意外引入控制板造成人身或設(shè)備的損害.

(4)故障檢測與報警

用于在電路或電機(jī)出現(xiàn)故障時，如過流、過壓以及過熱等進(jìn)行報警和保護(hù).

DSP處理模塊采用TI公司的DSP器件TMS320F2812，這款DSP內(nèi)部包含兩個事件管理器，可分別用來控制電樞電流和勵磁電流.在DSP內(nèi)部，不僅需要完成A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波及數(shù)據(jù)校正等功能，還需要做各種算法處理，最后輸出2組PWM信號，分別控制電樞與勵磁驅(qū)動板上的功率管的開關(guān)狀態(tài).這個模塊所包含的主要功能單元如圖1所示，包括A/D轉(zhuǎn)換、QEP與CAP單元、位置計算、轉(zhuǎn)速計算、Clarke變換、Park與Ipark變換、速度控制器、電流分配器、d軸與q軸電流PID控制器和SVPWM等.在上述這些功能單元中，與普通PMSM矢量控制系統(tǒng)相比，多了勵磁電流PWM產(chǎn)生模塊和電流分配器功能單元.勵磁電流PWM產(chǎn)生模塊輸出控制勵磁驅(qū)動模塊的PWM信號，其原理如圖2所示.電流分配模塊如圖3所示，它用來協(xié)調(diào)電樞電流與勵磁電流的分配，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的穩(wěn)定、可靠、高效運(yùn)行.該模塊是HESM驅(qū)動系統(tǒng)的核心模塊，采用速度分區(qū)控制的方法調(diào)速，低速區(qū)和電機(jī)啟動階段采用增磁或無勵磁運(yùn)行，可有效提高HESM的啟動速度和負(fù)載能力；高速區(qū)采用勵磁電流結(jié)合d軸電流弱磁調(diào)速，可大大擴(kuò)展電機(jī)的恒功率區(qū)，使其獲得遠(yuǎn)高于額定轉(zhuǎn)速的調(diào)速能力.

圖2 勵磁電流PWM產(chǎn)生模塊

圖3 電流分配模塊

在HESM控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計中，還包括人機(jī)接口與顯示電路，這部分電路由單片機(jī)AT89C55WD控制，AT89C55WD與TMS320F2812的通信由雙口RAM IDT7132來完成的.通過鍵盤，可以設(shè)置電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速以及發(fā)送電機(jī)啟動、停止、正反轉(zhuǎn)等命令.液晶顯示器用來顯示給定轉(zhuǎn)速、實(shí)測轉(zhuǎn)速及電機(jī)的各種運(yùn)行參數(shù)等.

圖4 HESM驅(qū)動實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2 HESM驅(qū)動系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證以上設(shè)計的新型HESM控制系統(tǒng)的有效性，搭建了實(shí)際的控制電路并進(jìn)行了相關(guān)的驅(qū)動實(shí)驗(yàn).HESM樣機(jī)的有關(guān)參數(shù)如下：PN=700 W，nN=500 r/min，Ψpm=0.242，p=4，Rs=2.7，Rf=33，Ld=38 mH，Lq=27，Msf=72 mH，下標(biāo)N表示額定值.

HESM的驅(qū)動實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見圖4.HESM樣機(jī)的額定直流母線電壓為300 V.實(shí)驗(yàn)裝置為日本小野測器的扭矩工作站專家系統(tǒng)TS-7700，配置的扭矩傳感器型號為MT-6425，該設(shè)備可用來測量電機(jī)的各種性能參數(shù)，包括電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、輸入和輸出功率及效率等.HESM樣機(jī)為爪極HESM，內(nèi)裝型號為TAMAGAWA OIH48-2500的增量式光電編碼器.控制板是基于TMS320F2812+AT89C55WD架構(gòu)的電路，另外還包括電樞與勵磁兩塊驅(qū)動板和一塊控制與液晶顯示電路板.

圖5為負(fù)載1 Nm時HESM的啟動電流波形，勵磁電流與檢測電壓的對應(yīng)關(guān)系為1 A/1.5 V，電路設(shè)計中加了1.5 V偏置電壓，故檢測到1.5 V時對應(yīng)的勵磁電流為0 A，HESM的給定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，大于電機(jī)的弱磁基速nBdec(1 400 r/min).為提高電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩，考慮到勵磁繞組電感較大，啟動電機(jī)前0.5 s給HESM施加一個正向額定勵磁電流增磁，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，勵磁電流變小，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到nBdec后，開始弱磁調(diào)速，勵磁電流與電樞A相電流波形如圖5所示.

圖6為HESM弱磁運(yùn)行穩(wěn)態(tài)電流實(shí)驗(yàn)波形，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，勵磁電流if為-1 A，A相電流為正弦波，幅值1.6 A，因負(fù)載較輕，電樞電流的主要分量為d軸弱磁電流id，相電流波形比較平滑，諧波較小.

圖5 啟動過程電流實(shí)驗(yàn)波形

圖6 弱磁運(yùn)行穩(wěn)態(tài)電流波形

圖7為不同轉(zhuǎn)速下有無勵磁電流控制的最大功率對比實(shí)驗(yàn).無勵磁調(diào)速時，恒功率區(qū)對應(yīng)轉(zhuǎn)速為700～1 300 r/min；轉(zhuǎn)速超過1 300 r/min后，輸出功率迅速下降；轉(zhuǎn)速達(dá)到1 600 r/min后，基本已無轉(zhuǎn)矩和功率輸出能力.當(dāng)施加勵磁電流時，由于其增磁和弱磁作用，恒功率區(qū)擴(kuò)大至450～1 600 r/min；轉(zhuǎn)速超過1 600 r/min后，雖然不能保持恒功率，但輸出功率下降較慢；轉(zhuǎn)速達(dá)4 000 r/min時，輸出功率還有約200 W.該實(shí)驗(yàn)表明，勵磁電流的調(diào)節(jié)作用有效地提高了HESM在低速和高速運(yùn)行區(qū)的負(fù)載能力.

圖7 不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)最大輸出功率實(shí)驗(yàn)

3 結(jié) 論

根據(jù)HESM的特點(diǎn)，提出了一種新型的HESM控制系統(tǒng).理論分析和實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)HESM處于啟動或低速運(yùn)行階段時，通過給勵磁繞組施加增磁電流，可使電機(jī)在不過流的情況下獲得較大的電磁轉(zhuǎn)矩，縮短了電機(jī)啟動的過渡時間，提高了電機(jī)低速運(yùn)行時的負(fù)載能力；當(dāng)需要電機(jī)高速運(yùn)行時，通過電流分配器給HESM施加一個合適的反向勵磁電流和反向d軸電流進(jìn)行弱磁調(diào)速，可以獲得遠(yuǎn)高于額定轉(zhuǎn)速的恒功率運(yùn)行范圍.由于HESM的低速大轉(zhuǎn)矩和寬調(diào)速能力，在航空航天、艦船和電動汽車等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.

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