節能型循環泵控制器

　　摘要

　　為了制造出更加節能高效、調控性能良好的空調、水泵等變頻電器，設計者不斷的提高電機控制技術。永磁同步電機( permanent magnet synchronous motor, PMSM)具有體積小、效率高、控制精度高、調速范圍寬等特點，已成為變頻控制領域的主流電機之一。為了實現高性能的轉速控制，PMSM 控制系統一般安裝有機械式速度/位置傳感器。但是機械式速度/位置傳感器的使用不僅增加了系統的成本，也使得 PMSM 體積變大。同時，復雜、惡劣的工作環境大大降低了速度/位置傳感器的可靠性。因此，為了降低系統成本，提高系統的可靠性等的要求，無速度/位置傳感器(一般簡稱無傳感器, sensorless)控制技術成為了當前的技術熱點。

　　基于無傳感器技術的永磁同步電機 PMSM 矢量控制調速系統結構簡單、易維護、體積小、成本低，能應用于一些特殊場合，因此成為了當前的研究熱點之一。無傳感器控制的核心是轉子位置和轉速估計，估計的精度和穩定性決定了系統控制性能的優劣。基于滑模觀測器(slide mode observer, SMO)的位置估計方法結構簡單、易于實現，從而得到了廣泛的應用。

　　1986 年召開的第 25 屆決策和控制會議上，麻省理工學院的 J.J.Slotine 教授提出使用SMO 實現非線性估計問題，奠定了滑模觀測器應用與轉子位置估計的基礎。SMO 是利用滑模變結構控制系統對參數擾動魯棒性強的特點，將狀態觀測器中的控制回路用滑模變結構代替，從而達到良好的估計效果。滑模變結構是為控制系統預先在狀態控制上設計一個特殊的開關面，在系統變量從起始點運動到開關面之前，系統的控制結構維持一種形式;當系統變量達到開關面之后，開始自適應的調整率控制，最終使系統狀態沿著開關面一直滑動到平衡點，此時系統的控制結構又維持另一種形式。滑模變結構對參數變化及擾動有良好的魯棒性，且結構簡單、響應速度快，因此在 PMSM 位置估計中得到了廣泛的應用。

　　本文基于滑模觀測器在無位置傳感器電機控制系統中的應用展開討論，并給出無傳感器系統相應的軟硬件實現。

　　1、節能型循環泵控制器硬件系統

　　某隔離電源系統完成 DC/DC 的轉換，采用全橋拓撲，輸出電壓為 12V。其中，全橋的原邊側驅動器就采用了UCC27201，共計兩顆。

　　圖1-1 節能型循環泵控制器硬件系統

　　節能型循環泵控制器包括主電路模塊、控制電路模塊和人機交互模塊。

　　主電路模塊包括 EMC 濾波器、整流橋、集成功率器件和驅動的 IPM模塊。230Vac 市電經過EMC 濾波器、整流橋整流后變為高壓直流電，三相全橋逆變電路將高壓直流電逆變為三相交流電實現對電機的控制。

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

　　人機交互模塊通過 SPI 通信和普通 I/O 口與 MCU 進行通信，可以實時顯示電機的轉速和電機功率等參數，也可以通過按鍵設置電機的轉速給定值和輸出功率的的最大值。

　　1.1 主控芯片

　　節能型循環泵控制器控制系統的核心采用 Piccolo F2802x 系列微控制器 F28027 ，其內核為高效 32 位中央處理單元 (CPU) (TMS320C28x)，工作頻率高達 60MHz，具有多達 22 個具有輸入濾波功能可單獨編程的多路復用 GPIO 引腳和三個 32 位 CPU 定時器，片上集成 32K 字節的FLASH，16K 字節的 SRAM，1K 字節的 BOOT ROM和片上代碼保護模塊，分別用來存儲用戶編制的程序、數據、并實現系統的不同方式引導。自帶增強型的捕獲單元(eCAP)、6 路增強型PWM 產生單元(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，非常適合于電機控制。

　　F28027 芯片電路如圖 1-2 所示：

　　圖1-2 節能型循環泵控制器控制系統的核心F28027

　　1.2 定子電流檢測及調理電路

　　定子電流采樣電路將運行中的電流信號轉化為電壓信號，經過加法和放大電路，RC 濾波后送到 F28027 的 A/D 轉換通道。電路將峰值-0.6A~+0.6A 的電流信號調理為 0~3.3V 的電壓信號，其中 0A 對應 1.65V，-0.6A 對應 0V，+0.6A 對應 3.3V。因為三相定子電流之和為 0，所以只需要測量兩相定子電流，另外一相可通過計算得到。定子電流信號的采樣由精密電阻來實現。圖 1-3 為其中一相的電流采樣及調理電路。

　　圖1-3 定子電流檢測及調理電路