外轉(zhuǎn)子永磁電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
董海軍，葉云岳，范承志
(浙江大學(xué)，浙江杭州310027)
摘要：介紹了外轉(zhuǎn)子永磁電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，并應(yīng)用高性能電動(dòng)機(jī)控制DSP，設(shè)計(jì)了電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和控制性能是好。
關(guān)鍵詞：外轉(zhuǎn)子；永磁電動(dòng)機(jī)；大轉(zhuǎn)矩；矢量控制；DSP
中圖分類號(hào)：TM351 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7018(2008)07-0036-03
0 引 言
新型的釹鐵硼永磁材料由于其高矯頑力、高磁能積的性能，在中小容量電動(dòng)機(jī)的研制和開發(fā)中正得到廣泛的運(yùn)用。外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)是一種將定子固定在內(nèi)部、轉(zhuǎn)子在外的電動(dòng)機(jī)。和內(nèi)轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)相比，在相同外部尺寸的情況下，外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩比內(nèi)轉(zhuǎn)子的要大。外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)因其低速大轉(zhuǎn)矩等特點(diǎn)在很多場(chǎng)合得到應(yīng)用。如在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，風(fēng)葉負(fù)載可以直接嵌在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上，省去了中間的機(jī)械變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，滿足了一定功率的小體積整機(jī)安裝尺寸要求，并且提高了效率[1]。當(dāng)前數(shù)控機(jī)床主軸傳動(dòng)呈現(xiàn)無級(jí)調(diào)速直接傳動(dòng)取代齒輪箱變速間接傳動(dòng)、交流傳動(dòng)取代直流傳動(dòng)、主軸傳動(dòng)向超高速和超低速兩極發(fā)展，主軸出力向低速滿出力、高速大功率的方向發(fā)展的趨勢(shì)[4]。本文的外轉(zhuǎn)子永磁電動(dòng)機(jī)正可以用到機(jī)床等低速直接傳動(dòng)場(chǎng)合。
本文在介紹外轉(zhuǎn)子永磁電動(dòng)機(jī)及其結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用矢量控制策略，應(yīng)用高性能電動(dòng)機(jī)控制數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行良好，轉(zhuǎn)矩和控制性能優(yōu)越。
1 外轉(zhuǎn)子永磁電動(dòng)機(jī)
根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，可以把電動(dòng)機(jī)磁路結(jié)構(gòu)簡單地分為外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。目前稀土永磁電動(dòng)機(jī)多采用外貼式內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，為防止永磁體在承受較大離心力下被甩出或損傷，通常需要對(duì)永磁體進(jìn)行固定防護(hù)，因而電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子之間的氣隙需要設(shè)計(jì)得較大，引起主磁路磁阻和漏磁系數(shù)增加，降低了永磁材料的利用率和電動(dòng)機(jī)的力能密度。
但是，外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的永磁體只要貼在轉(zhuǎn)子軛內(nèi)表面即可，對(duì)永磁體不需要采用另外的固定措施，因而氣隙可以選得相對(duì)較小，這是外轉(zhuǎn)子永磁電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之一。而且，在相同外部尺寸的情況下，外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩比內(nèi)轉(zhuǎn)子的要大。外轉(zhuǎn)子永磁電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，轉(zhuǎn)子通過兩個(gè)軸承分別在徑向和軸向進(jìn)行支撐，瓦楞型磁鋼相應(yīng)地在外轉(zhuǎn)子上排布。
2 外轉(zhuǎn)子永磁電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)硬件部分
外轉(zhuǎn)子永磁電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)以TMS320LF2407為控制核心，采用了智能功率模塊(IPM)，控制算法采用的是矢量變換控制。
系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括控制和功率兩部分：控制部分主要由DSP最小系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)電路、接口電路以及光電編碼器等組成；功率部分主要由IPM逆變電路、IGBT隔離驅(qū)動(dòng)電路、功率電源整流濾波、過電壓泄放電路等組成。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
2.1 TMS320LF2407控制芯片
DSP最小系統(tǒng)采用了TI公司的高性能16位定點(diǎn)芯片TMS320LF2407。使用這種芯片主要出于兩方面的考慮：首先，該芯片主頻可以達(dá)到40 MHz，有強(qiáng)大的處理能力，完全可以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求；其次，該芯片有內(nèi)部專用外設(shè)模塊一事件管理器，事件管理器提供了高性能的電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制方案的核心部分，它可以產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)絕大多數(shù)電動(dòng)機(jī)的PWM脈沖信號(hào)。
2.2主電路智能功率模塊和隔離驅(qū)動(dòng)電路
控制系統(tǒng)中另一個(gè)關(guān)鍵器件是逆變功率器件。這里我們采用了三菱公司的智能功率模塊PM50RSA120。它由高速、低功耗的IGBT芯片和優(yōu)選的門極驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路構(gòu)成。與分離功率器件和其它功率模塊相比，智能功率模塊可以使系統(tǒng)硬件電路簡單緊湊、尺寸減小，可靠性提高，并縮短系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間。 |
