多功能抑尘车用永磁同步电机控制器的开发_彭琛.pdf

146环境技术/Environmental Technology技术专栏echnicalColumnT摘要：本系统选用 32 bit 处理器 TMS320F28035，设计开发了用于多功能抑尘车喷雾系统的电机控制器。电机控制器设计包含硬件和软件平台两个部分。其中硬件平台包括：故障检测模块、MOS 驱动模块、电机相电流角度采样模块、主控模块。软件部分采用分层设计，其主要分为驱动层、应用层和算法层；其中应用层和算法层采用基于MBD开发模式，通过建立 Simulink 模型进行仿真，同时编写 M 语言脚本程序用于模型的 C 代码生成。该控制器和一台 3.5 kW 内置式永磁同步电机进行匹配，并进行扭矩响应测试和全速域效率 MAP 测试，实验结果显示该控制器达到预期设计目标。关键词：电机控制；Simulink；大气污染处理；永磁同步电机中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2023)02-0146-06多功能抑尘车用永磁同步电机控制器的开发Design of PMSM Drive System for Multi-Function Dust Spraying Vehicle Application彭琛，刘会（华通力盛（北京）智能检测集团有限公司，济宁 272000）PENG Chen,LIU Hui(HTLS(Beijing)Intelligent Detection Group Co.LTD.,Jining 272000)A b s t r a c t：In this system,32 bit processor TMS320F28035 is used to design and develop a motor controller for the spray system of multifunctional dust suppressant vehicle.The design of motor controller includes two parts:hardware and software platform.The hardware platform includes:fault detection module,MOS driver module,motor phase current Angle sampling module,main control module.The software part adopts layered design,which is mainly divided into driver layer,application layer and algorithm layer.The application layer and algorithm layer adopt the development mode based on MBD,Simulink model is built for simulation,and M language script is written for the generation of C code of the model.The controller was matched with a 3.5 kW built-in permanent magnet synchronous motor,and torque response test and full speed domain efficiency MAP test were carried out.The experimental results show that the controller achieves the expected design objectives.K e y w o r d s：motor control;simulink;air pollution control;PMSM引言近年来，我国东北地区、华北地区及长三角地区均具有较严重的大气污染问题；其中粒径较细的 P M 2.5 和P M 1 0 对人体健康危害较大，可引发尘肺病，已经成为城市大气污染治理的主要目的物 1。为了降低城市大气中P M物质浓度，中联重科、三一重工等公司开发雾炮车，其原理是利用电机压缩空气并冲击共振腔产生超声波，超声波把水雾气化成直径只有（1 5 0）m的微细雾滴；雾滴在局部密闭空间内凝聚微细粉尘，使粉尘迅速的沉降下来从而实现就地抑尘 2。目前大部分雾炮车使用直流电机进行压缩空气，相比直流电机，永磁同步电机具有效率高、使用寿命长等优点，正越来越广泛的应用在各个行业 3。本文采用高性能3 2 b i t 数字信号处理器（D S P）T M S 3 2 0 F 2 8 0 3 5 作为主控芯片并搭建了软硬件平台，最后1472023 年 2 月/February 2023echnicalColumnT技术专栏匹配一台 3.5 k W永磁同步电机并进行全域效率 M A P测试及扭矩响应实验，从而验证永磁同步电机是否满足本行业的应用场景。1控制器总体结构电机控制器系统功能框图如图 1 所示，其主要包括控制板和铝基板，其中控制板包括：母线 R C预充模块、M C U最小系统模块、通信模块、故障保护电路、开关电源模块、信号采样模块；因为电机控制算法里涉及大量的数学计算，所以我们选择 3 2 b i t 处理器T M S 3 2 0 F 2 8 0 3 5，T M S 3 2 0 F 2 8 0 3 5 自带可编程的独立 3 2 位浮点硬件加速器 C L A，可提高 D S P运算效率；R C滤波电容我们选用 1 3 个4 7 0 u F电解电容并联，在低压系统中，电解电容比薄膜电容成本更低；故障保护模块主要有相电流保护电路、母线电压保护电路、电机位置传感器保护电路等，其中相电流保护最为重要；在本系统中我们采用两个电流传感器对相电流进行识别，同时我们设计了硬件比较器，当相电流超过一定值时，硬件比较器输出低电平触发D S P进行保护动作；在本系统设计中我们采用反激式开关电源给各模块进行供电，其输入电压为（5 0 8 2）V，输出电压为 2 路 1 5 V；信号采样模块主要对磁编传感器和电流传感器进行采样处理。铝基板包括：P WM驱动模块和 M O S F E T功率模块；P WM驱动模块我们采用 I R 2 1 2 7 芯片，该芯片具备过流检测功能，最大耐压 6 0 0 V，完全满足设计需求；功率模块选用 I R F S 4 1 1 5，该 M O S F E T最大耐压值 1 5 0 V，连续漏电流 1 2 0 A，我们采用 8 个M O S 管并联，可以满足电机峰值扭矩输出。2控制器硬件设计2.1 母线 R C预充模块本文中用的电机额定功率为 3.5 k W，额定电压为 7 2 V，最大相电流为 2 6 0 A。在低压系统中，相较于薄膜电容，电解电容有更好的成本优势。本系统中我们采用 1 3 个 1 0 0 V 4 7 0 u F电解电容并联，实验中测得电机输出峰值转矩时母线纹波电压为（-2.2 2.2）V，M O S F E T的反冲电压 V D S 为 1 0 8 V,可以满足设计需求。由于电容容量较大，直接上电会导致充电电流过大，瞬间电流过大会造成电容和继电器损坏，为此我们加入预充电阻电路；上电时 7 2 V电池首先通过预充电阻给电容进行充电，当 D S P检测到电容电压达到电池额定电压 9 0%时，控制主继电器闭合，自此电流预充功能结束。同时我们设计电路时加入泄放电阻，当控制器下电时，可以保证在 3 0 s 内控制器母线电压低于 2 4 V。2.2 通信模块电机控制器和整车控制器通过 C A N总线进行通信,其通信协议满足 J 1 9 3 9 协议规范。同时我们扩展 1 路 U A R T用于电机控制器的程序在线升级,以及数据离线上传与调试。在这里选择 I S O 1 0 5 0 芯片，将 T T L电平转换为 C A N信号；同时搭建低成本模拟电路使得U A R T的 T T L电平兼容 3.3 V和 5 V信号。2.3 故障保护电路对于永磁同步电机控制器来说，常见的故障类型有母线过流故障、相电流过流故障、图 1 电机控制器系统功能框图148环境技术/Environmental Technology技术专栏echnicalColumnT过压故障、欠压故障、电机过温故障、功率器件过温故障、电机超速故障等，其中相电流过流故障优先级最高。在本系统，我们软硬件设计均对相电流过流故障做了着重处理；硬件部分主要是在电流传感器采样电路后面加入双极限硬件比较器，当相电流超过一定数值时，硬件比较器输出低电平触发 D S P进行保护动作，一般需要对P WM输出进行关波处理。2.4 开关电源模块本电机控制器内部供电电压类型有1 5 V、5 V、3.3 V、1.8 V四种。其中 1 5 V主要是给驱动芯片 I R 2 1 2 7 进行供电；5 V主要是给电平转换芯片及通信相关芯片进行供电；3.3 V和 1.8 V主要是给 D S P进行供电。对于 1 5 V电源我们采用 F L Y B A C K 反激电路拓扑结构；1 5 V电源经过 L M 7 8 0 5 芯片后转化为 5 V电源输出；5 V电源经过 A M S 1 1 1 7-3.3 芯片转化为 3.3 V输出；3.3 V电源经过A M S 1 1 1 7-1.8 芯片转化为 1.8 V输出，1.8 V主要给 D S P内核进行供电。2.5 P WM驱动模块P WM驱动模块我们采用 I R 2 1 2 7 芯片，该芯片具备过流检测功能，最大耐压 6 0 0 V，完全满足设计需求；我们将 I R 2 1 2 7 的 F A U L T引脚接到 D S P的指定 I O口，当发生故障时，触发 D S P执行相应的保护动作。同时为图 2 母线 RC 预充电路图 3 双极限比较器保护电路1492023 年 2 月/February 2023echnicalColumnT技术专栏了增强驱动芯片的输出能力，设计了 I R 2 1 2 7 的 P I N 7 引脚后接两个三极管做推挽输出。3控制器软件设计电机控制软件设计分为驱动层、逻辑应用层和控制算法层三层架构，驱动层设计基于 C语言程序代码编写，其主要包括 1 2 路 A D C采样配置、1 路 C A N配置、6 路互补 P WM驱动配置。逻辑应用层主要包括信号采样与处理、扭矩协调控制、系统故障处理、系统状态机等模块；控制算法层采用基于磁场定向控制（F O C），同时为了提高电机运行效率、减小电机噪声及转矩脉动，我们在一些细节方面做了处理，加入了电角度 P I 观测器、P WM变载频控制、电流谐波抑制、过调制、高抗饱和性内模解耦、结温估计、电机参数离线识别等算法。逻辑应用层和控制算法层采用基于模型设计（M B D）开发模式，同时我们编写 M脚本语言可实现：数据库一键导入、定义并导入相关环境参数、生成模型 C代码、生成接口代码、一键编译等功能。图 6 是搭建的电机控制平台，其中 P o w e r I n v e r t e r a n d M o t o r 是逆变器和电机模型；M o t o r C o n t r o l B o a r d 是逻辑应用层和控制算法层模型；S y s t e m I n p u t s 是外部信号输入模块；S y s t e m A n a l y s i s 是电机输出性能观测模块。3.1 基于转子坐标系矢量控制技术对于永磁同步电机控制方式来说，目前常用的是F O C控制和直接转矩控制。相比较而言，矢量控制对传感器精度要求不是特别高，系统成本可以得到有效控图 4 反激式开关电源模块图 5 U 相 PWM 驱动硬件电路150环境技术/Environmental Technology技术专栏echnicalColumnT制 4；矢量控制数学运