外轉子永磁電動機矢量控制系統設計
董海軍，葉云岳，范承志
(浙江大學，浙江杭州310027)
摘要：介紹了外轉子永磁電動機結構及其特點，并應用高性能電動機控制DSP，設計了電動機的矢量控制系統，電動機轉矩和控制性能是好。
關鍵詞：外轉子；永磁電動機；大轉矩；矢量控制；DSP
中圖分類號：TM351 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7018(2008)07-0036-03
0 引 言
新型的釹鐵硼永磁材料由于其高矯頑力、高磁能積的性能，在中小容量電動機的研制和開發中正得到廣泛的運用。外轉子電動機是一種將定子固定在內部、轉子在外的電動機。和內轉子電動機相比，在相同外部尺寸的情況下，外轉子電動機的轉矩比內轉子的要大。外轉子電動機因其低速大轉矩等特點在很多場合得到應用。如在風力發電領域，風葉負載可以直接嵌在電動機轉子上，省去了中間的機械變速傳動機構，滿足了一定功率的小體積整機安裝尺寸要求，并且提高了效率[1]。當前數控機床主軸傳動呈現無級調速直接傳動取代齒輪箱變速間接傳動、交流傳動取代直流傳動、主軸傳動向超高速和超低速兩極發展，主軸出力向低速滿出力、高速大功率的方向發展的趨勢[4]。本文的外轉子永磁電動機正可以用到機床等低速直接傳動場合。
本文在介紹外轉子永磁電動機及其結構的基礎上，采用矢量控制策略，應用高性能電動機控制數字信號處理器TMS320LF2407，設計并實現電動機控制系統的軟硬件結構，電動機運行良好，轉矩和控制性能優越。
1 外轉子永磁電動機
根據電動機轉子的位置，可以把電動機磁路結構簡單地分為外轉子和內轉子結構。目前稀土永磁電動機多采用外貼式內轉子結構。當電動機高速旋轉時，為防止永磁體在承受較大離心力下被甩出或損傷，通常需要對永磁體進行固定防護，因而電動機定轉子之間的氣隙需要設計得較大，引起主磁路磁阻和漏磁系數增加，降低了永磁材料的利用率和電動機的力能密度。
但是，外轉子電動機的永磁體只要貼在轉子軛內表面即可，對永磁體不需要采用另外的固定措施，因而氣隙可以選得相對較小，這是外轉子永磁電動機的優點之一。而且，在相同外部尺寸的情況下，外轉子電動機的轉矩比內轉子的要大。外轉子永磁電動機結構如圖1所示，轉子通過兩個軸承分別在徑向和軸向進行支撐，瓦楞型磁鋼相應地在外轉子上排布。
2 外轉子永磁電動機矢量控制系統硬件部分
外轉子永磁電動機控制系統以TMS320LF2407為控制核心，采用了智能功率模塊(IPM)，控制算法采用的是矢量變換控制。
系統的硬件結構主要包括控制和功率兩部分：控制部分主要由DSP最小系統、信號檢測電路、接口電路以及光電編碼器等組成；功率部分主要由IPM逆變電路、IGBT隔離驅動電路、功率電源整流濾波、過電壓泄放電路等組成。系統的硬件結構框圖如圖2所示。
2.1 TMS320LF2407控制芯片
DSP最小系統采用了TI公司的高性能16位定點芯片TMS320LF2407。使用這種芯片主要出于兩方面的考慮：首先，該芯片主頻可以達到40 MHz，有強大的處理能力，完全可以滿足系統實時性要求；其次，該芯片有內部專用外設模塊一事件管理器，事件管理器提供了高性能的電動機數字控制方案的核心部分，它可以產生用于驅動絕大多數電動機的PWM脈沖信號。
2.2主電路智能功率模塊和隔離驅動電路
控制系統中另一個關鍵器件是逆變功率器件。這里我們采用了三菱公司的智能功率模塊PM50RSA120。它由高速、低功耗的IGBT芯片和優選的門極驅動及保護電路構成。與分離功率器件和其它功率模塊相比，智能功率模塊可以使系統硬件電路簡單緊湊、尺寸減小，可靠性提高，并縮短系統的開發時間。 |
