外转子永磁电动机矢量控制系统设计
董海军，叶云岳，范承志
(浙江大学，浙江杭州310027)
摘要：介绍了外转子永磁电动机结构及其特点，并应用高性能电动机控制DSP，设计了电动机的矢量控制系统，电动机转矩和控制性能是好。
关键词：外转子；永磁电动机；大转矩；矢量控制；DSP
中图分类号：TM351 文献标识码：A 文章编号：1004-7018(2008)07-0036-03
0 引 言
新型的钕铁硼永磁材料由于其高矫顽力、高磁能积的性能，在中小容量电动机的研制和开发中正得到广泛的运用。外转子电动机是一种将定子固定在内部、转子在外的电动机。和内转子电动机相比，在相同外部尺寸的情况下，外转子电动机的转矩比内转子的要大。外转子电动机因其低速大转矩等特点在很多场合得到应用。如在风力发电领域，风叶负载可以直接嵌在电动机转子上，省去了中间的机械变速传动机构，满足了一定功率的小体积整机安装尺寸要求，并且提高了效率[1]。当前数控机床主轴传动呈现无级调速直接传动取代齿轮箱变速间接传动、交流传动取代直流传动、主轴传动向超高速和超低速两极发展，主轴出力向低速满出力、高速大功率的方向发展的趋势[4]。本文的外转子永磁电动机正可以用到机床等低速直接传动场合。
本文在介绍外转子永磁电动机及其结构的基础上，采用矢量控制策略，应用高性能电动机控制数字信号处理器TMS320LF2407，设计并实现电动机控制系统的软硬件结构，电动机运行良好，转矩和控制性能优越。
1 外转子永磁电动机
根据电动机转子的位置，可以把电动机磁路结构简单地分为外转子和内转子结构。目前稀土永磁电动机多采用外贴式内转子结构。当电动机高速旋转时，为防止永磁体在承受较大离心力下被甩出或损伤，通常需要对永磁体进行固定防护，因而电动机定转子之间的气隙需要设计得较大，引起主磁路磁阻和漏磁系数增加，降低了永磁材料的利用率和电动机的力能密度。
但是，外转子电动机的永磁体只要贴在转子轭内表面即可，对永磁体不需要采用另外的固定措施，因而气隙可以选得相对较小，这是外转子永磁电动机的优点之一。而且，在相同外部尺寸的情况下，外转子电动机的转矩比内转子的要大。外转子永磁电动机结构如图1所示，转子通过两个轴承分别在径向和轴向进行支撑，瓦楞型磁钢相应地在外转子上排布。
2 外转子永磁电动机矢量控制系统硬件部分
外转子永磁电动机控制系统以TMS320LF2407为控制核心，采用了智能功率模块(IPM)，控制算法采用的是矢量变换控制。
系统的硬件结构主要包括控制和功率两部分：控制部分主要由DSP最小系统、信号检测电路、接口电路以及光电编码器等组成；功率部分主要由IPM逆变电路、IGBT隔离驱动电路、功率电源整流滤波、过电压泄放电路等组成。系统的硬件结构框图如图2所示。
2.1 TMS320LF2407控制芯片
DSP最小系统采用了TI公司的高性能16位定点芯片TMS320LF2407。使用这种芯片主要出于两方面的考虑：首先，该芯片主频可以达到40 MHz，有强大的处理能力，完全可以满足系统实时性要求；其次，该芯片有内部专用外设模块一事件管理器，事件管理器提供了高性能的电动机数字控制方案的核心部分，它可以产生用于驱动绝大多数电动机的PWM脉冲信号。
2.2主电路智能功率模块和隔离驱动电路
控制系统中另一个关键器件是逆变功率器件。这里我们采用了三菱公司的智能功率模块PM50RSA120。它由高速、低功耗的IGBT芯片和优选的门极驱动及保护电路构成。与分离功率器件和其它功率模块相比，智能功率模块可以使系统硬件电路简单紧凑、尺寸减小，可靠性提高，并缩短系统的开发时间。 |
