節(jié)能型循環(huán)泵控制器詳解

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)計者不斷的提高電機控制技術(shù)。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(diào)速范圍寬等特點，已成為變頻控制領(lǐng)域的主流電機之一。為了實現(xiàn)高性能的轉(zhuǎn)速控制，PMSM 控制系統(tǒng)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(tǒng)的成本，也使得 PMSM 體積變大。同時，復雜、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（一般簡稱無傳感器， sensorless）控制技術(shù)成為了當前的技術(shù)熱點。
　　基于無傳感器技術(shù)的永磁同步電機 PMSM 矢量控制調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易維護、體積小、成本低，能應(yīng)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(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估計，估計的精度和穩(wěn)定性決定了系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣。基于滑模觀測器（slide mode observer， SMO）的位置估計方法結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，從而得到了廣泛的應(yīng)用。
　　1986 年召開的第 25 屆決策和控制會議上，麻省理工學院的 J.J.Slotine 教授提出使用SMO 實現(xiàn)非線性估計問題，奠定了滑模觀測器應(yīng)用與轉(zhuǎn)子位置估計的基礎(chǔ)。SMO 是利用滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)對參數(shù)擾動魯棒性強的特點，將狀態(tài)觀測器中的控制回路用滑模變結(jié)構(gòu)代替，從而達到良好的估計效果?；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)計一個特殊的開關(guān)面，在系統(tǒng)變量從起始點運動到開關(guān)面之前，系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)維持一種形式；當系統(tǒng)變量達到開關(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)面一直滑動到平衡點，此時系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)又維持另一種形式。滑模變結(jié)構(gòu)對參數(shù)變化及擾動有良好的魯棒性，且結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快，因此在 PMSM 位置估計中得到了廣泛的應(yīng)用。
　　本文基于滑模觀測器在無位置傳感器電機控制系統(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，采用全橋拓撲，輸出電壓為 12V。其中，全橋的原邊側(cè)驅(qū)動器就采用了UCC27201，共計兩顆。
　　
　　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)動的 IPM模塊。230Vac 市電經(jīng)過EMC 濾波器、整流橋整流后變?yōu)?a href='http://ttokpm.com/v/tag/873/' target='_blank' class='arckwlink_none'>高壓直流電，三相全橋逆變電路將高壓直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟妼崿F(xiàn)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(tǒng)、兩路的定子電流檢測及調(diào)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(zhuǎn)速和電機功率等參數(shù)，也可以通過按鍵設(shè)置電機的轉(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 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(jié)的FLASH，16K 字節(jié)的 SRAM，1K 字節(jié)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(shù)據(jù)、并實現(xiàn)系統(tǒng)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(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，非常適合于電機控制。