同步电机——调速永磁同步电动机矢量控制运行的实现

    一、驱动系统概述

图10一5为调速永磁同步电动机矢量控制系统简图，本节以80C196KC单片机为硬件核心，并与其他硬件电路相结合，以PL / M语言进行编程，设计并实现该控制系统。单片机通过8253计数器检测电机转子位置，计算电机速度，实现速度的PI调节及交轴电流限幅，完成坐标变换，然后通过DAC1210数模转换器实现给定电流数字量到模拟量的转换。同时，单片机可直接通过自身带的A / D转换读取由电位器输人的转速模拟给定。定子电流的滞环调节及电流调制所需的三角波信号都由硬件电路实现，以节约CPU资源。通过电流传感器检测电机三相电流以获得电流反馈和保护所需的电流信号。通过能耗制动单元防止快速降速及停机所引起的过电压对系统的影响，由电压传感器检测母线电压以实现系统的过电压及欠电压保护。

二、位置传感器的选用及安装

永磁同步电动机的矢量控制系统需要检测转子的精确位置，并根据转子的位置按正弦电流波形给出相电流，因此转子位置检测精度直接决定了电机的控制精度。有多种传感器可供选择，包括旋转变压器、光电编码器、磁电编码器、齿轮编码器等。磁电编码器、齿轮编码器难以满足永磁同步电动机的高响应频率和高位置分辨率要求。旋转变压器在高速运行时其输出信号畸变较大，从而导致较大的测量误差，而且具有较大的体积和重量。因此，采用光电编码器作为永磁同步电动机转子位置和速度的检测器件较为理想。光电编码器分为绝对式编码器和相对式编码器两种，前者能够直接输出转子的绝对位置，且不受电机反复起动和停转的影响，是永磁同步电动机速度位置检测的理想选择。但目前的绝对式编码器难以满足高速运行要求，因此采用增量式编码器作为永磁同步电动机位置和速度检测装置，并在软件上采取相应措施实现电机转子绝对位置的检测。

以LMA增量式编码器为例。该编码器响应频率为100kHz，分辨率（整周线数）为100，最高持续机械转速可达s000r／而n 。编码器应保证其同步信号（编码z相信号）透光光栅位于电机永磁磁极轴线上，以利用该信号作为位置计数的复位信号，消除位置检测的积累误差。因此在安装时，使编码器同步信号位于a相反电动势波形的过零点，如图10一19所示。

三、位置和速度的采样

以可编程计数器8253配合单片机的定时器1进行电机转子位置和速度信号的采集。8 253有3个功能相同的16位计数器，分别是计数器O 、计数器1和计数器2，它与编码器输出信号及单片机的连接如图10一20所示。光电编码器的a相输出信号经放大整形后接至8253计数器。和1的时钟输人端，整周信号（z相）经大整形后接至计数器。的门控输人，单片机CLKOUT引脚输出的时钟信号经10分频后接至计数器2的时钟输人，计数器2的输出作为单片机的外部中断源。发生中断时，单片机读计数器O，得到电机转子的绝对位置。显然，可通过调整计数器2的初值调整转子位置的采样周期。如计数器2的初值为o14oH( 320 )，则转子位置的采样周期为400拌S，能够保证电机在600Or / min时，每3600电角度范围采样25次转子位置，从而保证最高速时给定电流的正弦性。连续两次读计数器1，同时通过单片机定时器1记录读取计数器1的时间便可计算电机的速度。可以看出，计数器。的初值应为编码器整周线数的整数倍（编码器输出信号一般需倍频），而计数器1的初值应为最大值（0000H）。