基于STM32的大扭矩永磁同步电机驱动系统

图5 所示为旋转变压器激励调理电路，旋转变压器激励信号由AD2S99 提供，激励调理电路对激励信号进行放大、滤波，激励调理电路的外部电源采用± 15 V 双电源供电，保证电路静态工作点调零; Ci1为耦合电容，隔直通交; Cf1为补偿相位用;NPN 和PNP 三极管构成推挽电路，用以消除交越失真。

图5 旋转变压器激励调理电路

2. 1. 3 主电路

主电路的整流电路采用了DD600N12 整流模块; 软启动电路采用CM600HU-24F 型号IGBT 功率开关取代继电器以提高系统可靠性，当电容器组充电到母线额定电压的80% 时，将IGBT 接入电路; 滤波电路选择16 个6800 μF 电解电容; 制动电路选择CM400HU-24F 型号IGBT 作为开关元件。考虑大电流功率器件的干扰、散热及经济性等因素，选择6 个独立单元的IPM 模块PM800HSA120的逆变电路方案。PM800HSA120 内部集成有驱动和保护电路，具有过压、欠压和温度保护功能，额定电流800 A，反偏电压1200 V，工作频率可达20 kHz。为了进一步提高IPM 的抗干扰性和可靠性，本文对其驱动电路和保护电路进行了加强设计和一些额外处理。如图6 所示，对IPM 的驱动信号进行了差分处理，将控制芯片STM32 发出的六路驱动信号利用差分驱动芯片变为12 路信号，再在IPM 驱动板上利用差分接收芯片还原为6 路驱动信号，然后经过高速光耦的隔离驱动再送给IPM，如图7 所示，以抑制共模干扰信号，增强了IPM 驱动信号的抗干扰性。图7( a) 所示为W 相的隔离驱动电路; 三相上桥臂采用隔离电源供电，三相下桥臂由一路15 V 供电，图7 ( b) 所示为W 相上桥臂隔离电源电路。

IPM 的故障信号处理电路如图8 所示，出错信号先经过光耦隔离、滤波，然后经过反相施密特触发器，一方面将电压信号反向，另一方面对出错信号进行波形整形，对干扰信号有一定的抑制作用。最后再将处理过的IPM 出错信号输入控制芯片STM32 做出相应处理。

图8 IPM 出错信号处理电路

由于IPM 的开关频率较高，而在功率回路中存在寄生电感，在IPM 开关过程中会产生很高的浪涌电压，造成对器件的冲击，影响器件的性能及使用寿命。为此设计了如图9 所示的IPM 缓冲电路，以降低IPM 开通和关断过程的电压和电流尖峰，从而降低器件开关损耗，保护器件安全运行。其中，选择超快恢复二极管RM25HG-24S 作为缓冲二极管，其耐压1200 V，最大反向恢复时间300 ns; 综合考虑本系统驱动电流频率及IPM 本身性能，将IPM 工作频率选为8 KHz，取直流母线寄生电感50 nH，根据计算及试验，最终选择缓冲电容Cs = 3 μF，缓冲电阻Rs = 12 Ω。

图9 IPM 缓冲电路

2. 2 系统软件设计

系统软件主要由主程序和中断服务程序构成，其中主程序完成各种软硬件的初始化、电机初始位置检测和电机启动等，中断服务程序包括PWM 中断子程序和外部中断保护子程序等。其中PWM 中断子程序是控制系统核心，主要完成对转子电流和速度的采集与处理、PID 调节、电压矢量的计算与选择、PWM 发生等。外部中断子程序主要包括母线电压过、欠压保护、启动保护和温度保护等。当IPM 有出错信号时，STM32 控制高级控制定时器的TIM1_BKIN 信号禁止PWM 输出，保证系统的安全，图10为PWM 中断服务程序流程图。

图10 PWM 中断服务程序

3 实验结果

如图11 所示，为本文所设计永磁同步电机控制系统的STM32 控制板及IPM 驱动板实物。对一台额定功率132 kW、额定电流232 A、输入电压380 V的大扭矩永磁同步电机进行了单元及系统实验。图12 所示为W 相上下桥臂的PWM 波形，测试PWM频率为8 KHz ( 周期125 μs) ; 图13 所示为电机空载运行时W 相的电流波形，表明控制系统的软硬件模块均可有效运行。

图11 控制电路

4 结语

本文提出了一种基于STM32 的大扭矩永磁同步电机的控制系统，设计了STM32 处理器模块、增益可调的电流检测电路、旋转变压器接口电路、IPM驱动保护电路等，采用矢量控制方法，实现了永磁同步电机速度和转矩控制，并进行了试验验证，为大扭矩永磁同步电机驱动控制提供了一种稳定可靠、高性价比的方案。