一种永磁同步电机通用控制系统及其控制方法与流程

本发明涉及应用于电动汽车领域，特别涉及一种永磁同步电机通用控制系统及其控制方法。

背景技术：

近年来，随着能源的短缺和环境的污染，传统汽车行业面临着很大的发展瓶颈，而环境友好型的电动汽车逐渐成为人们出行的首选，电动汽车行业的前景发展广阔。电动汽车主要由电气驱动系统、能源系统和辅助系统三部分组成，而电气驱动系统是电动汽车的核心部分，其性能和效率的好坏直接影响电动汽车的整体性能。电气驱动系统主要包括电动机、功率电子元器件及控制部分。目前，电动车常用的电机主要有直流电机、感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机等，其中，永磁同步电机(pmsm)以其效率高、机械结构简单、响应速度快、高扭矩重量比等优点，在电动汽车领域受到广泛应用。

在pmsm控制系统中，转子位置和速度信息需要进行检测，常用的光电编码器、旋转变压器等位置传感器可实时对转子位置和速度信息进行检测，实现原理简单，精度较高等。但在一些特殊环境下，如电机所处温度在40度到60度之外的区间，或者存在电磁干扰较强和经常发生剧烈震动的场合时，传统的位置传感器检测误差会很大，稳定性和快速性等指标都达不到要求。因此，如何保证电机在各种复杂情况下都能有效检测转子位置和速度信息，实现稳定运行，是目前电动汽车领域研究的重点方向。

现在的电动汽车领域日日出新，更新迭代速度越来越快，传统pmsm控制系统的硬件电路往往只针对单一型号的电机进行控制，无法满足各类产品的更新速度要求，如何设计一款通用的pmsm控制系统，满足各类产品的性能指标要求，是人们关注的热点问题。此外，传统的pmsm控制策略都是依靠人工编码实现，但是人工编码的开发周期较长，错误率高，而且可移植性较差，如果操作对象的电机型号发生变动，就需要重新编码，如何缩短产品的开发周期，提高开发效率，逐渐得到人们的重视。

技术实现要素：

本发明提供一种永磁同步电机通用控制系统及其控制方法，支持有传感器和无传感器多种转子位置检测方式，保证电机在各种复杂情况下都能稳定运行；采用基于模型设计的方法，帮助用户提高开发效率和降低开发成本。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种永磁同步电机通用控制系统，包括控制板和驱动板；控制板包括电机控制器模块，驱动板包括智能功率模块、母线电压检测电路、直流链路电流检测电路、相电流检测电路、编码器、霍尔传感器及旋转变压器接口电路；智能功率模块的三相输出端与永磁同步电机连接；母线电压检测电路、直流链路电流检测电路、相电流检测电路、编码器、霍尔传感器及旋转变压器接口电路均与电机控制器模块连接；母线电压检测电路输入端与智能功率模块的母线侧连接用于采集母线电压信息；直流链路电流检测电路与智能功率模块的直流链路连接用于采集直流链路的相电流信息；相电流检测电路与智能功率模块的一路相电流支路连接用于采集一路相电流信号；编码器、霍尔传感器、旋转变压器接口电路与永磁同步电机连接用于采集转速、电枢电流、转子位置信号；电机控制器模块将母线电压信号、相电流信号、转速、电枢电流和转子位置信号进行处理，输出跟随期望目标的三相六路pwm信号，驱动智能功率模块中逆变器开关管的导通和关闭，控制永磁同步电机运行。

所述电机控制器模块采用基于armcortex-m4内核的adsp-cm408。

所述的控制板上设置有电源转换电路、时钟及复位电路、jtag下载电路、rs232/rs485通信电路和can/ethernet接口电路；电源转换电路、时钟及复位电路、jtag下载电路、rs232/rs485通信电路和can/ethernet接口电路均与处理器连接。

所述的驱动板还包括过零点检测电路，过零点检测电路对智能功率模块输出的三相电流进行过零点检测，输出信号传给电机控制器模块。

所述的智能功率模块包括逆变器、欠压保护电路和过流保护电路，过流保护电路与电机控制器模块连接。

所述的相电流检测电路包括两个测试电路，一个是相电流经采样电阻产生相应的电压，经调制器采样后，进入电机控制器模块；另一个是相电流经电流互感器产生相应的电压，经运算放大器放大后，进入电机控制器模块。

所述的电机控制器模块的隔离节点栅极驱动和相电流反馈信号隔离处均设置有数字隔离器。

一种永磁同步电机通用控制系统的控制方法，包括以下步骤：

根据旋转变压器检测的转子位置信息经转速计算得到电机的实际转速与给定的基准转速ω相比较，利用转矩与转速的关系，通过速度pi控制器得到电流转矩分量参考量同时令电流励磁分量参考量通过相电流检测电路获取三相静止坐标系下的相电流ia、ib，经clark变换将其转换为两相静止坐标系下的电流iα、iβ，再经park变换将其转换为两相旋转坐标系下的电流id、iq，电流id、iq分别与参考量进行比较，经过pi控制器得到两相旋转坐标系下的电压信号ud、uq，再通过park逆变换将其转换为两相静止坐标系下的电压uα、uβ，经过空间脉宽调制，产生三相六路控制信号，控制三相逆变器六个功率管的开关状态，从而产生三相电压信号ua、ub、uc，驱动永磁同步电机的运转。

作为本方面进一步改进，获得转子位置和速度信息的具体步骤如下：

在两相静止坐标下注入一对三相平衡的高频电压信号，然后从两相静止坐标系中提取高频电流响应信号，经过对其信号进行处理，从而获得转子位置和速度信息；

经方程变换，高频电压信号注入下的凸极式永磁同步电机两相静止坐标系下的响应定子电流方程表示为：

式中，iαhf、iβhf分别为高频电压信号注入下pmsm在两相静止坐标系下的定子电流响应，uhf为注入的高频电压信号幅值，whf为注入的高频电压信号的角频率，lq、ld分别为d、q轴的电感，θ为转子位置的电角度。

写成向量形式为：

从αβ轴坐标系下的电流信号到获取转子位置信息，主要分为：

第一步，通过一个带通滤波器在获得电流信号里面提取高频电流响应信号；

第二步，先乘以一个变换因子通过同轴高通滤波器去除高频正序分量，再乘以一个变换因子得到高频负序分量；

第三步，通过pll算法获得转子位置误差和角度信息。

相对于现有技术，本发明具有以下技术效果：

本发明的控制系统包括控制板和驱动板；驱动板的智能功率模块的三相输出端与永磁同步电机连接；控制板的电机控制器模块将相电流信号、转子位置信息进行综合处理，输出跟随期望目标的三相六路pwm信号，从而控制智能功率模块中逆变器开关管的导通和关闭，控制永磁同步电机运行。

进一步，本发明采用通用的pmsm控制系统，满足各类产品的性能指标要求，具有很强的通用性。

进一步，本发明软件部分采用了基于模型设计的思想，建立系统的仿真模型，并将模型直接编译成c代码，下载到adsp-cm408上运行。与传统基于硬件原型的设计方法相比，可大大降低重新建模、重新编写算法的时间成本，缩短产品的开发周期，提高开发效率。

进一步，本发明采用有传感器和无传感器两种转子位置检测方式，有传感器转子位置检测方式采用旋转变压器进行检测，无传感器转子位置检测方式采用基于旋转式高频电压注入法的方案，实现pmsm在各种复杂场所下都能有效检测转子位置信息。

本发明的控制方法采用id＝0的矢量控制方法可以使得定子电流全部用于产生转矩，在要求产生转矩一定的情况下，需要的定子电流最小，即为最大转矩电流比控制，可以大大降低铜耗，提高效率。通过信号采集和处理产生三相六路控制信号，控制三相逆变器六个功率管的开关状态，从而产生三相电压信号ua、ub、uc，驱动pmsm的稳定运转。

附图说明

图1控制板电路框图；

图2驱动板电路框图；

图3spm智能功率模块功能框图；

图5过零点检测电路框图；

图4相电流检测反馈图；图6绕组电流检测电路框图；

图7利用matlab&simulink建立系统的仿真模型图；

图8pmsm矢量控制算法框图；

图9基于旋转式高频注入的转子位置与速度估计流程图；

图10基于旋转式高频注入的电机控制系统仿真模型图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的内容进行说明：

如图1和图2所示，本发明一种永磁同步电机通用控制系统，硬件部分主要包括控制板和驱动板，充分考虑到了电动汽车领域对电气隔离等各种性能要求，在实现效率最大化的同时，提高了系统的精度和可靠性。下面具体介绍本发明各部分的电路结构：

如图1所示，控制板包括处理器最小系统电路、电源转换电路、时钟及复位电路、jtag下载电路、rs232/rs485通信电路、can/ethernet接口电路等。处理器采用基于armcortex-m4内核的adsp-cm408，其浮点运算单元工作频率高达240mhz，双通道16位srcadc，无失码，适用于高精度闭环控制应用。

如图2所示，驱动板包括低电压转换电路、数字隔离电路、智能功率模块、直流链路电流检测电路、过流保护电路、母线电压检测电路、过零点检测电路、相电流检测模块、编码器、霍尔传感器及旋转变压器接口电路。具体来说，智能功率模块的三相输出端与永磁同步电机连接；智能功率模块的一路直流链路电流经采样电阻产生相应的电压，经第一运算放大器放大后，进入第一采样电路进行采样，采样后的电压传送到电机控制器模块；智能功率模块的另一路直流链路电流经过电流保护电路产生过流保护信号，过流保护信号进入智能功率模块和电机控制器模块；智能功率模块的母线电压经第二运算放大器放大后，进入第一采样电路进行采样，采样后的母线电压传送到电机控制器模块；智能功率模块的三相电流进入过零点检测电路，检测得到的信号进入电机控制器模块；相电流检测模块包括两种实施方案，一种方案是相电流经采样电阻产生相应的电压，经调制器采样后，进入电机控制器模块；另一种方案是相电流经电流互感器产生相应的电压，经第三运算放大器放大后，进入电机控制器模块；编码器、霍尔传感器、旋转变压器接口电路分别将转速、电枢电流、转子位置信号传输至电机控制器模块；电机控制器模块将母线电压信号、相电流信号、转速、转子位置信息进行综合处理，输出跟随期望目标的三相六路pwm信号，从而控制智能功率模块中逆变器开关管的导通和关闭，控制永磁同步电机运行。

如图3所示，本发明的逆变器解决方案采用spm智能功率模块fsbb20ch60c，其集成了欠压闭锁和过流保护，进一步增强了系统的可靠性；高速内置hvic提供了无光电耦合器、单电源igbt栅极驱动能力；采用三个独立负直流端子，可实现逆变器每个相位支路电流的监控。

如图4所示，为实现稳定、高精度的相电流检测反馈，采用分流电阻和隔离式σ-δ调制器ad7401a，产生与输入电压成函数关系的调制位流，然后将信号越过隔离栅传输至低压侧的滤波电路，adsp-cm408内置的sinc滤波器过滤来自二阶调制器的位流，以便恢复表示电机绕组电流的16位数字信号。该检测技术线性程度高、成本低，同时适用于交流和直流测量。

如图5所示，利用单限比较器adcmp601对三相电压进行过零点检测，输出信号经隔离芯片adum1300传给处理器的定时器计数模块，从而计算出igbt的导通时间，以及相电压的周期，从而控制电机的转速。

如图6所示，在更高级的驱动器中，电机绕组电流用做主反馈变量，而在直流链路中使用单个分流电阻可以间接测量绕组电流，其优势在于，分流信号全都以共用电源为基准。

如图7所示，本发明软件部分采用了基于模型设计的思想(mbd)，即利用matlab&simulink建立系统的仿真模型，并将模型直接编译成c代码，下载到adsp-cm408上运行。与传统基于硬件原型的设计方法相比，可大大降低重新建模、重新编写算法的时间成本。

mbd过程有多个步骤可优化整体设计中的各项任务，这些任务可由不同的设计工程师或设计团队完成，然后组合在一起形成整体设计和完整的系统。借助此方法，各项任务可在更高的抽象层进行设计，从而针对给定的最终应用优化整体设计流程。在电机控制系统设计中，mbd的流程主要包括：

(1)运行概念

a)电机系统的整体功能

(2)工厂建模/系统架构

a)电机、负载、动力电子设备、信号调理等设备的模型开发

(3)控制器建模和要求

a)三相永磁电机基于编码器的磁场定向控制

(4)分析和综合

a)上述创建模型用于确定工厂模型的动态特性

b)系统调谐和配置

(5)验证和测试

a)离线仿真和/或实时仿真

b)动态系统时间响应调查

(6)部署至嵌入式目标

a)自动代码生成

b)测试和验证

c)更新控制器模型

以上可构成调整整体设计的多步骤方法，并且可单独分析每个控制步骤。软硬件规范完成后，就可针对整个系统的具体算法和功能部署建立完整的系统架构。

如图8所示，本发明的电机控制算法采用的是矢量控制策略。矢量控制策略的基本思想是：在普通的三相交流电机上设法模拟直流电机转矩控制的方法，在转子磁链定向的坐标系上，将电机定子电流矢量分解成产生主磁场的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，且励磁电流的方向定位于永磁磁链上，并使得两个分量相互垂直，彼此独立，然后分别进行控制，这样交流电机的转矩控制在原理上和特性上就和直流电机相似了。

因此，永磁同步电机矢量控制是一种基于转子磁场定向的控制策略，根据控制目标的不同，矢量控制方法又分为励磁电流id＝0控制、功率因数控制、弱磁控制等，本发明选用的是id＝0控制。pmsm在运行过程中保证id＝0，则转矩只受定子电流q轴分量iq的影响，此时的转矩方程为采用id＝0控制方法可以使得定子电流全部用于产生转矩，再要求产生转矩一定的情况下，需要的定子电流最小，即为最大转矩电流比控制，可以大大降低铜耗，提高效率。

采用id＝0控制时，pmsm的矢量控制算法框图如图8所示。

从图中可以看出，pmsm矢量控制系统是一个外部转速环、内部电流环的双闭环控制回路。pmsm矢量控制过程：根据旋转变压器检测的转子位置信息经转速计算得到电机的实际转速与给定的基准转速ω相比较，利用转矩与转速的关系，通过速度pi控制器得到电流转矩分量参考量同时令电流励磁分量参考量通过相电流检测电路获取三相静止坐标系下的相电流ia、ib，经clark变换将其转换为两相静止坐标系下的电流iα、iβ，再经park变换将其转换为两相旋转坐标系下的电流id、iq，电流id、iq分别与参考量进行比较，经过pi控制器得到两相旋转坐标系下的电压信号ud、uq，再通过park逆变换将其转换为两相静止坐标系下的电压uα、uβ，经过空间脉宽调制(svpwm)技术，产生三相六路控制信号，控制三相逆变器六个功率管的开关状态，从而产生三相电压信号ua、ub、uc，驱动pmsm的稳定运转。

在pmsm矢量控制系统中，转子位置检测是必不可少的环节，本发明支持有传感器和无传感器两种检测方式，可以保证电机在各种复杂情况下都能有效检测转子位置和速度信息，实现稳定可靠运行。

(1)有传感器检测方式

本发明的硬件平台搭建有旋转变压器接口电路用于检测转子位置。旋转变压器是一种单相激励双相输出(幅度调制型)无刷旋转变压器，简称旋变器。当原方的激励绕组流过正弦电流时，根据电磁感应定律，副方绕组两端会感应出同频率的电势，电势的大小跟定子、转子间的相对电角度有关，可以用来检测转子的位置。

旋转变压器的输出信号为模拟量，因此需要与旋转变压器数字转换器配套使用，将旋转变压器的输出信号转换成数字量，以实现与处理器adsp-cm408的接口，本发明采用单芯片旋变数字转换器ad2s1210实现与旋变器接口的高级功能。同时，本发明采用i²ci/o扩展器pca9555实现与ad2s1210的i²c通讯协议，ad2s1210的i²c地址为0100001。

(2)无传感器检测方式

依据pmsm的凸极特性，采用高频信号注入可以有效检测转子位置。根据注入信号的不同，可分为高频电压注入法和高频电流注入法；根据注入信号在电机模型坐标系中的位置不同，可分为旋转式高频注入法和脉振式高频注入法。由于电机驱动器大都采用电压型逆变器，所以高频电压注入法更容易实现；脉振式高频注入法对转子位置和速度估计器的参数很敏感，这样造成了系统调节参数的困难，故选择旋转式高频注入法。因此，本发明采用的无位置传感器检测方式是基于旋转式高频电压注入法。

旋转式高频电压注入法是建立在矢量控制的基础上的，在两相静止坐标下注入一对三相平衡的高频电压信号,然后从两相静止坐标系中提取高频电流响应信号,经过对其信号进行处理，从而获得转子位置和速度信息。

经方程变换，高频电压信号注入下的凸极式永磁同步电机两相静止坐标系下的响应定子电流方程表示为：

式中，iαhf、iβhf分别为高频电压信号注入下pmsm在两相静止坐标系下的定子电流响应，uhf为注入的高频电压信号幅值，whf为注入的高频电压信号的角频率，lq、ld分别为d、q轴的电感，θ为转子位置的电角度。

写成向量形式为：

如图9所示，从αβ轴坐标系下的电流信号到获取转子位置信息，主要可分为三步。第一步，通过一个带通滤波器在获得电流信号里面提取高频电流响应信号；第二步，通过同轴高通滤波器(sff)去除高频正序分量，再乘以一个变换因子得到高频负序分量；第三步，通过pll算法获得转子位置误差和角度信息。

图9中的为电机转子电角度的估计值，为电机转子电角速度的估计值，ε为用外差法得到的误差信号，其中当pi调节器将误差ε趋近于0时，转子位置的估计值趋近于真实值。

基于旋转式高频注入的电机控制系统仿真模型如图10所示，一路相电流经0.05ω采样电阻产生对应的电压信号，ad7401a模块可将输入的电压信号转换为单个数据位流，再经sinc滤波器模块对数据进行处理，处理后的数据传入到电机控制器模块；另一路相电流经电流互感器cas-6-np和运算放大器ad8515模块，输出放大后的电压信号至处理器内置的adc采样模块进行采样，采样后的信号输出至电机控制器模块；母线电压信号经运算放大器ad8515模块放大后，采样芯片ad7417模块将采样后的母线电压信号传送到电机控制器模块；编码器、霍尔传感器、旋转变压器接口模块分别将转速、电枢电流、转子位置等信号传输至电机控制器模块；电机控制器模块将相电流信号、转子位置信息等进行综合处理，输出跟随期望目标的三相六路pwm信号，从而控制逆变器开关管的导通和关闭，控制电机的稳步运行。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，倘若对本发明进行的各种改动和变形属于本发明权利要求求及等同技术范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。