節(jié)能型循環(huán)泵控制器

　　摘要

　　為了制造出更加節(jié)能高效、調(diào)控性能良好的空調(diào)、水泵等變頻電器，設(shè)計(jì)者不斷的提高電機(jī)控制技術(shù)。永磁同步電機(jī)( permanent magnet synchronous motor, PMSM)具有體積小、效率高、控制精度高、調(diào)速范圍寬等特點(diǎn)，已成為變頻控制領(lǐng)域的主流電機(jī)之一。為了實(shí)現(xiàn)高性能的轉(zhuǎn)速控制，PMSM 控制系統(tǒng)一般安裝有機(jī)械式速度/位置傳感器。但是機(jī)械式速度/位置傳感器的使用不僅增加了系統(tǒng)的成本，也使得 PMSM 體積變大。同時(shí)，復(fù)雜、惡劣的工作環(huán)境大大降低了速度/位置傳感器的可靠性。因此，為了降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的可靠性等的要求，無速度/位置傳感器(一般簡(jiǎn)稱無傳感器, sensorless)控制技術(shù)成為了當(dāng)前的技術(shù)熱點(diǎn)。

　　基于無傳感器技術(shù)的永磁同步電機(jī) PMSM 矢量控制調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易維護(hù)、體積小、成本低，能應(yīng)用于一些特殊場(chǎng)合，因此成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。無傳感器控制的核心是轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)，估計(jì)的精度和穩(wěn)定性決定了系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣。基于滑模觀測(cè)器(slide mode observer, SMO)的位置估計(jì)方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，從而得到了廣泛的應(yīng)用。

　　1986 年召開的第 25 屆決策和控制會(huì)議上，麻省理工學(xué)院的 J.J.Slotine 教授提出使用SMO 實(shí)現(xiàn)非線性估計(jì)問題，奠定了滑模觀測(cè)器應(yīng)用與轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的基礎(chǔ)。SMO 是利用滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)對(duì)參數(shù)擾動(dòng)魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，將狀態(tài)觀測(cè)器中的控制回路用滑模變結(jié)構(gòu)代替，從而達(dá)到良好的估計(jì)效果?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)是為控制系統(tǒng)預(yù)先在狀態(tài)控制上設(shè)計(jì)一個(gè)特殊的開關(guān)面，在系統(tǒng)變量從起始點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到開關(guān)面之前，系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)維持一種形式;當(dāng)系統(tǒng)變量達(dá)到開關(guān)面之后，開始自適應(yīng)的調(diào)整率控制，最終使系統(tǒng)狀態(tài)沿著開關(guān)面一直滑動(dòng)到平衡點(diǎn)，此時(shí)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)又維持另一種形式?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)對(duì)參數(shù)變化及擾動(dòng)有良好的魯棒性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快，因此在 PMSM 位置估計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　本文基于滑模觀測(cè)器在無位置傳感器電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用展開討論，并給出無傳感器系統(tǒng)相應(yīng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)。

　　1、節(jié)能型循環(huán)泵控制器硬件系統(tǒng)

　　某隔離電源系統(tǒng)完成 DC/DC 的轉(zhuǎn)換，采用全橋拓?fù)?，輸出電壓?12V。其中，全橋的原邊側(cè)驅(qū)動(dòng)器就采用了UCC27201，共計(jì)兩顆。

　　圖1-1 節(jié)能型循環(huán)泵控制器硬件系統(tǒng)

　　節(jié)能型循環(huán)泵控制器包括主電路模塊、控制電路模塊和人機(jī)交互模塊。

　　主電路模塊包括 EMC 濾波器、整流橋、集成功率器件和驅(qū)動(dòng)的 IPM模塊。230Vac 市電經(jīng)過EMC 濾波器、整流橋整流后變?yōu)楦邏褐绷麟?，三相全橋逆變電路將高壓直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟妼?shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。

　　控制電路模塊包括微控制器 F28027 的最小控制系統(tǒng)、兩路的定子電流檢測(cè)及調(diào)理電路、直流母線電壓檢測(cè)電路、過流保護(hù)電路、電源管理模塊。

　　人機(jī)交互模塊通過 SPI 通信和普通 I/O 口與 MCU 進(jìn)行通信，可以實(shí)時(shí)顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)功率等參數(shù)，也可以通過按鍵設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)速給定值和輸出功率的的最大值。

　　1.1 主控芯片

　　節(jié)能型循環(huán)泵控制器控制系統(tǒng)的核心采用 Piccolo F2802x 系列微控制器 F28027 ，其內(nèi)核為高效 32 位中央處理單元 (CPU) (TMS320C28x)，工作頻率高達(dá) 60MHz，具有多達(dá) 22 個(gè)具有輸入濾波功能可單獨(dú)編程的多路復(fù)用 GPIO 引腳和三個(gè) 32 位 CPU 定時(shí)器，片上集成 32K 字節(jié)的FLASH，16K 字節(jié)的 SRAM，1K 字節(jié)的 BOOT ROM和片上代碼保護(hù)模塊，分別用來存儲(chǔ)用戶編制的程序、數(shù)據(jù)、并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不同方式引導(dǎo)。自帶增強(qiáng)型的捕獲單元(eCAP)、6 路增強(qiáng)型PWM 產(chǎn)生單元(ePWM)，12 位 16 通道的快速 ADC 單元以及其他一些通訊模塊如 SCI、SPI等，非常適合于電機(jī)控制。

　　F28027 芯片電路如圖 1-2 所示：

　　圖1-2 節(jié)能型循環(huán)泵控制器控制系統(tǒng)的核心F28027

　　1.2 定子電流檢測(cè)及調(diào)理電路

　　定子電流采樣電路將運(yùn)行中的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過加法和放大電路，RC 濾波后送到 F28027 的 A/D 轉(zhuǎn)換通道。電路將峰值-0.6A~+0.6A 的電流信號(hào)調(diào)理為 0~3.3V 的電壓信號(hào)，其中 0A 對(duì)應(yīng) 1.65V，-0.6A 對(duì)應(yīng) 0V，+0.6A 對(duì)應(yīng) 3.3V。因?yàn)槿喽ㄗ与娏髦蜑?0，所以只需要測(cè)量?jī)上喽ㄗ与娏?，另外一相可通過計(jì)算得到。定子電流信號(hào)的采樣由精密電阻來實(shí)現(xiàn)。圖 1-3 為其中一相的電流采樣及調(diào)理電路。

　　圖1-3 定子電流檢測(cè)及調(diào)理電路