PMSM的旋变激磁信号产生方法研究

曲俊海，王鹤良，翟小莉，史云珠

（北方自动控制技术研究所，山西太原030006）

1 引言

随着永磁材料工艺技术的发展，PMSM（永磁同步电机）的性能有了很大幅度的提高。在TMS320C28x系统伺服控制专用DSP芯片推出并广泛应用于电机控制后，交流电机的伺服驱动控制变得更加简单可靠。当前和今后的一段时间里，在中低功率高精度伺服控制系统领域，PMSM将逐步取代直流伺服电机、直流无刷电机、交流感应电机等成为执行电机的首选对象。

目前，在高精度伺服驱动控制系统中对PMSM采用FOC（磁场定向控制）的方案应用日益广泛。这种自控式同步电动机的控制方法依赖于转子位置的检测，PMSM的转子位置检测有绝对编码器和旋转变压器两种方法。在本文中描述的是针对PMSM旋变激磁信号产生方法的研究。

2 设计目标

下面以某PMSM为例进行说明。该电机旋变的铭牌数据如表1所示：

面向此对象，需设计电压为4.25V,频率为7.5KHz，功率为 0.14W 的激磁信号。

表1 电机旋变参数

其中，电压和功率的设计相对比较简单，可以在后端通过功率型运算放大器7F759M进行调整，进而满足需求。本文的重点在于阐述频率为7.5kHz的正弦波的设计方法。

3 实现方法

针对旋变的技术指标要求，采用以下4种不同的方法进行正弦激磁信号的生成：①对方波进行二阶以上（含二阶）的低通滤波；②对脉宽调制信号进行低通滤波；③利用专用芯片产生正弦波；④用振荡电路产生正弦波。

3.1 通过对方波进行二阶低通滤波的方式产生正弦波

首先利用MATLAB对方波信号进行低通滤波的仿真实验，发现对其进行一阶低通滤波时不能得到正弦波。进行二阶及二阶以上的低通滤波时，可以得到正弦波，但信号衰减很厉害。输出信号大概要到源信号幅度的50%以下时，才能得到较为理想的正弦信号。其MATLAB仿真结果如图1所示。

图1 对方波进行二阶低通滤波的方式产生正弦波

在工程实践中，利用TMS320C2812DSP的IO口产生1个频率为7.5kHz的方波，然后通过二阶Butterworth低通滤波电路生成正弦波。如图2所示为利用运算放大器设计的二阶Butterworth低通滤波电路示意图。

图2 二阶Butterworth低通滤波电路

直接采用频域法得到二阶Butterworth低通滤波电路的传递函数为:

其中：k＝1＋R1/R2。令Q＝1/（3-k），ω0＝1/RC，则可以写成：

其中：k相当于同相放大器的电压放大倍数是滤波器的通带增益，Q是品质因数，ω0是特征角频率。品质因数表征了滤波器通带的状态。一般要求Q＝0.707。

当令 Q＝0.707，可得 0.414R2＝ 0.707R1。通常把最大增益倍所对应的信号频率叫做截止频率，这时滤波器具有3dB的衰减。利用滤波器幅频特性的概念，可以得到截止频率ω0＝1/RC，即 f＝1/2πRC。经Matlab仿真，当f在1kHz以上时，都可以得到正弦波。在实际中取f＝5kHz，产生的正弦波经示波器测量，正弦波峰峰值大约为源信号的45%，波形在四种方法的对比中略差，纹波峰峰值大约为100mV左右。

在得到频率为7.5kHz的正弦波后，通过功率型运算放大器7F759M对电压进行调整，进而满足电机旋变电压4.25V需求。而7F759M的输出电流在100mA以上，足以满足输出功率0.14W的需求，进而达到设计目标。

3.2 通过对脉宽调制信号（PWM）进行低通滤波产生正弦波

利用TMS320C2812DSP事件管理器（EV）产生的调制脉宽波（载波频率为150kHz）经过低通滤波，隔直，放大，最后得到正弦波，如图3所示。

图3 系统框图

在本试验中利用通用定时器（GP）1产生PWM信号。在软件设计中采用定时器中断后查表（表中已按照相应的正弦值预设好需要的脉冲宽度数值）刷新脉冲宽度的方法。具体的实验电路如图4所示。

输出的正弦波经示波器测量，波形较好，频率和幅值稳定，纹波峰峰值约为80mV。后端电压和功率的设计方法同2.1所述。

3.3 采用专用芯片产生正弦波

在电子器件市场中，产生正弦波的专用芯片种类有很多，他们共同的优点是使用方便，电路不用专门设计；缺点是芯片及其外围电路占PCB面积较大，而且产生的纹波幅值相对而言较大。在此，以正弦信号发生器MAX038为例进行性能测试，其具体电路如图5所示。

图4 对PWM进行低通滤波产生正弦波的电路设计

图5 MAX038正弦波产生电路图

其输出的正弦波经示波器测量，正弦波纹波峰峰值约为110mV。其输出波形较好，频率没有前两种方法稳定。其后端电压和功率的设计方法同3.1 所述。

3.4 通过振荡电路产生正弦波

采用双运放OP213搭建正弦信号发生器，其具体电路如图6所示。

此电路为模拟电路，在实际中产生的正弦波波形较好，纹波很小，但是由于模拟振荡电路自身的缺点，频率不够稳定。如果采用高精度的电阻电容，频率会相对稳定，以满足应用的需求。其电压和功率的设计方法同2.1所述。

另外，模拟振荡电路中选用的运算放大器，应结合实际需要，尽量选择频带宽的运算放大器。在实验中，特别针对几种常用运算放大器（如AD公司双运放OP213、国产运放F4558、MOTOROLA公司四运放LM124）进行带宽测试，结果如表2所示。

图6 以OP213为主的正弦信号产生电路设计

表2 几种常用运算放大器的带宽比较

通过比较可知，OP213和F4558的频带宽度要比LM124高很多，完全可以满足7.5kHz的频率需求；但是，若电路中使用LM124，则频率上不去，波形也很差，需特别注意。

4 对比分析

通过对四种正弦波产生方法的仿真、试验，可以看出：从成本上分析，第1、2种方法较廉价，这两种方法充分利用了已有的硬件基础，加以简单的外围电路扩展即可输出PMSM的旋变激磁信号。从最终的性能上分析，第1种和第2种方法频率最稳定，因为频率由数字电路决定，受温度等外围条件和参数变化的影响较小。综合频率和波形畸变、纹波、电路实现和调试的难易程度等品质来看，第2种方法最好。

5 结论

通过以上4种方法的实际应用，最终采用第2种通过对脉宽调制信号进行低通滤波产生正弦波的方法。得到理想的正弦波后，通过功率型运算放大器7F759M进行功率放大，最后应用于PMSM旋变的激磁，从而满足设计需求。

［1］刘锦波，张承慧编著.电机与拖动［M］.北京：清华大学出版社.

［2］尔桂花，窦曰轩编著.运动控制系统［M］.北京：清华大学出版社.

［3］Texas instruments incorporated著,张卫宁编.TMS320C28x系列DSP的CPU与外设［M］.北京：清华大学出版社.

［4］王潞钢，陈林康，曾岳南，许贤昶.DSP C2000程序员高手进阶［M］.北京：机械工业出版社.

［5］［美］D.E.约翰逊，J.L.希尔伯恩著,潘秋明译.有源滤波器的快速实用设计［M］.北京：人民邮电出版社.