（通信与信息系统专业论文）基于tms320f2812的永磁同步电机控制器的研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕士学伊论文 摘要 永磁同步电动机己逐步成为交流伺服系统的主流。同时随着电力电 子技术的发展，以数字信号处理器为载体的数字信号处理技术的成熟为 复杂算法的实现提供了可能。本文对全数字交流永磁同步伺服驱动器进 行了研究与开发。 文章首先介绍了永磁同步电动机伺服系统数学模型，分析了磁场定 向矢量控制的工作原理及控制方法。其次利用m a t l a b s i 咖l i n k 对整个 系统建立了仿真模型，并给出了仿真结果，验证了理论算法的正确性， 为硬件设计提供了良好的支持。最后在理论分析和仿真分析的基础上， 以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为系统的控制核心，智能功率模块i p m 为功率变换装 置，运用空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术构建了全数字伺服系统 的硬件平台。并编写了相应的软件程序。 关键词：永磁同步电机；s i m u l i n k ；空间电压矢量 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep m s ms e r v os y s t e mh a v ea l r e a d yb e c o m et h em a i na p p l i c a t i o nf o r a cs c v os y s t e m a n dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c t e c h n i q u e s ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s b r i n ga b o u tt h ep o s s i b i l i t yo fi m p l e m e n t so f s o m es u c c e s s f u la l g o r i t h m s t h ed i g i t a la cs e r v od r i v e ri sd e s i g n e di nt h i s p a p e r f i r s tt h i s p a p e r i n t r o d u c e st h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h e p m s m a n a l y z e sp m s mv e c t o rc o n t r o lp r i n c i p l e a n dt h em a g n e t i cf i e l d o r i e n t e dv e c t o rc o n t r o lo fw o r k i n gp r i n c i p l ea n dc o n t r o lm e t h o d s s e c o n dt h e s i m u l a t i o nr e s e a r c hb a s e do nm a t l a bi sc o m p l e t e d t h er e s u l t sp r o v et h a t t h et h e o r yc o n s i s t sw i t ht h et h e o r i e s ，w h i c hp r o v i d es u p p o r tf o rt h ed e s i g no f h a r d w a r e f i n a l l yb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 81 2 a st h ec o n t r o lc e n t e ra n d u t i l i z e si p ma st h ei n v e r t e ra sw e l la st h es p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n c o n s t r u c th a r d w a r ep l a t f o r m t h ep r o g r a mi sc o m p l e t e dw i t hc a n da s s e m b l el a n g u a g e k e yw o r d s ：p m s m ；s i m u l i n k ；s p a c ev o l t a g ev e c t o r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 棚0 本人完全意识到本声啪鬻鬻黜 日期：二d 口 7 年占月7 口日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行 作者( 签 日期： 导师 山氏 哈尔滨工程大学硕七学位论文 1 1 课题研究的意义 第1 章绪论 永磁同步电机( p m s m ) 采取的矢量控制系统是高性能的伺服控制 系统。p m s m 有很多特点，如：简单的结构、体积能做到很小、运行 效率高、过载能力大、转动惯量等待，同时矢量控制策略对于实现线性 的转矩电流特性变的很容易，因此永磁同步电机构成的交流伺服系在控 制性能方面能够取得很好的效果1 。 稀土材料的永磁同步电机在航空航天中得到了广泛的应用，同时民 用的稀土永磁同步电机也正在逐步走向规模化生产，作为稀土总储量世 界第一的国家研究稀土永磁同步电机控制系统对于国民经济的建设有重 要的意义。 另外全数字化的伺服控制系统是交流调速系统研究的方向。数字控 制具有模拟控制系统不能匹敌的优势，数字化的控制系统能够方便实现 控制策略，而且硬件设备简单。 1 2 交流伺服控制系统相关领域的发展 1 2 1 永磁同步电机的发展 永磁电机的发展和永磁材料的发展是密切相关的。2 0 世纪6 0 年代 开始，稀土钻永磁和钦铁硼永磁相续问世，它们具有高剩磁密度、高矫 顽力和线性退磁曲线的优异磁性能，这就使得永磁电机发展迅速，通常 永磁电机有4 类电机，分别为：永磁直流电动机、异步起动永磁同步电 动机、调速永磁同步电动机和永磁无刷直流电动机。其中永磁同步电动 机，相比电励磁同步电动机，电机在结构上相对简单、运行可靠性强以 及效率高的特点。同异步电动机比较，明显将效率和功率因数提高了。 异步起动永磁同步电动机和调速永磁同步电动机，不同在于前者的转子 上设置了起动绕组，具备在某一电压和频率下的自行起动能力，而后者 哈尔滨t 程大学硕士学伊论文 依靠变频器起动和控制。永磁交流伺服系统采用的电动机一般为调速永 磁同步电动机卜1 。 伺服控制技术在机电一体化产品中得到广泛的应用，通常有直流伺 服系统和交流伺服系统，交流伺服电动机没有机械换向，克服了直流伺 服电动机存在电刷和机械换向器带来的不足和限制，具有明显的竞争优 势，在西方发达的国家，交流伺服电机的占有率远远超过直流伺服电 机，国产交流伺服电机的生产商也越来越多。交流伺服电动机通常有笼 式异步( 感应) 伺服电动机和永磁同步伺服电动机。异步型交流伺服系统 采用矢量控制策略，在矢量变换计算方面十分复杂，同时电机低速运行 时很容易发热，效率还比较低。而永磁同步电动机交流伺服系统控制相 对容易实现高性能的控制，而且还能获得良好的低速性能，在中小功 率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服系统中应用广泛。在交流永 磁伺服驱动系统中，目前使用的交流永磁伺服电动机有两种，一种是永 磁无刷直流电动机( b l d c m ) ，其绕组中流过方波或梯形波电流，具 有与传统直流电动机相媲美的优良调速控制性能，并且无需机械换向器 与电刷。另一种是永磁同步电动机( p m s m ) ，其绕组中流过正弦交流 电流。通p m s m 比较，b l d c m 控制上相对简单、成本低、检测装置 简单等优点，但源于其原理上存在的固有缺陷，使其存在转矩脉动较 大、铁心附加损耗大的缺点，从而限制了由其构成的b l d c m 伺服系 统在高精度、高性能要求的伺服驱动场合的应用。而p m s m 具有比 b l d c m 及其它交流伺服电动机更优越的性能，尤其是在低速或直接驱 动场合，随着永磁材料及控制方法的快速发展，使得p m s m 性价比得 到了迸一步的提高。高性能交流伺服系统大多采用永磁同步电动机，研 究和发展高性能的p m s m 伺服系统己成为主流。永磁同步电动机交流 伺服系统应用广泛，在现代工业、国防、空间技术、日常生活等各个领 域，已成为其中一个不可缺少的组成部分。永磁同步电动机交流伺服系 统主要有以下一些典型应用：在高性能数控机床上的应用、在工业机器 人中的应用、在新型电梯驱动中的应用、在雷达天线驱动系统中的应用 在船用电力推进器上的应用、在纺织机械中的应用等等p 1 。 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 2 2 微处理器技术的发展 微处理器是全数字化伺服系统的重要组成部分，能够完成闭环控 制、先进控制策略的实现、p i d 调节等功能。可编程逻辑器件 ( p r o g r a m a b l el o g i cd e v i c e ) 可以实现对电机控制。还可以采用c p l d 和f p g a 对系统进行设计，这样只需很少的硬件，采用硬件描述语言 编程就可实现很多的控制。 近年来许多公司都推出了针对电机控制的专用数字信号处理芯片 ( d s p ) 芯片。如t i 公司的t m s l f 2 4 0 x 系列、t m s l f 2 8 x 系列， m o t o r o l a 公司的5 6 0 0 0 系列，a d 公司a d s p 2 1 0 0 系列，日立公司 的s h 7 0 0 0 系列。这些芯片都以d s p 处理器为核心，除了具有快速的 数据处理能力外，还集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路，如 a d 、p w m 、定时计数器、大容量程序存储器以及用于电动机速度和 位置反馈的光电编码器接口电路等。使控制电路大大简化，而且改善了 系统的可靠性和抗干扰能力卜1 。 1 3 国内外交流伺服系统的发展状况 国外交流伺服产品的生产厂家有很多，如日本的安川公司、三菱公 司、松下公司，德国的西门子公司、k e b 公司、b o s c h 公司，美国的 k o l l m o r g e n 公司、e m e r s o n 公司、a m c 公司，瑞典的a b b 公司等己先 后生产出了性能很好的伺服控制器。他们的交流伺服系统全部实现了数 字化，都采用了d s p 芯片，其中美国k o l l m o r g e n 公司工业驱动部分是 美国最大的，同时也是技术最先进的伺服系统生产厂，在美国占有最大 的市场份额。其中的g o l d l i n e 系列代表了当代永磁交流伺服技术的最 新水平。 国内交流伺服驱动系统研究起步较晚，相对国外的发展要落后，电 机控制技术同外国相比还有很多的不足，技术落后主要是局限于欠缺实 用的电机数字控制算法和高可靠的功率模块。由于资金和技术的限制， 研究和产品多集中在低价位、性能较差的直流无刷电动机上，产品仍以 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 数字模拟混合式为主。采用信号处理器控制交流伺服系统即全数字化交 流伺服系统的研究主要集中在国内的一些高校和研究所。他们的永磁同 步电动机多为特殊设计，应用于航天、国防等特殊场合的特种电动机。 近年来，华中数控、广州数控、航天数控、兰州电机等国内厂商的 交流伺服产品已相继进入产业化阶段，但还主要是集中在数控机床行 业，功率规格在几个千瓦以下，没有针对整个自动化控制行业形成全系 列规格标准产品，不具有与国外产品竞争的能力。所以目前国内对精密 交流伺服电机控制系统的需求还主要依赖进口。由于中国为制造业大 国，为生产交流伺服产品的商家提供了非常广阔的市场，除数控机床行 业外，其他行业对各种规格伺服电机的需求量也在逐年增长，为此，国 外伺服电机生产厂商陆续计划或已经在国内设置独资工厂，利用本地资 源和廉价劳动力，批量生产各种规格的通用型伺服电机产品。对于我国 来说，拥有生产具备世界先进水平的交流伺服系统的能力，将有助于使 我国在诸多尖端技术领域不再受制于人，并且经济型、低成本交流伺服 系统的巨大市场也不应拱手让人。国内的科研机构和企业，应该增加资 金投入，在技术上寻求突破，应该在降低能源消耗、提高产品质量和实 现柔性生产等方面考虑，争取研制出经济型和高性能的伺服产品，来满 足我国各行业对交流伺服系统不断增长的需要p 儿。 1 4 本文的主要研究内容 在说明本课题研究背景的基础上，介绍了p m s m 数字控制系统的 设计思路，给出了永磁同步电动机的数学模型，接下来介绍了s v p w m 控制的原理，并且详细阐述了空间矢量技术的数字化实现。在此基础上 利用功能强大的m a t l a b 仿真软件建模、仿真。得到了系统仿真波 形，为硬件设计打下基础。 永磁交流伺服的硬件设计，详细介绍了系统主电路、i p m 驱动电 路、检测电路、故障保护电路具体电路。系统的软件设计，利用d s p 开发系统专门的c c s 进行了系统的程序编写。给出了系统个部分的程 序流程图。 4 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第2 章p m s m 控制策略 在给出了永磁同步电机d q 坐标系下的数学模型的基础上，阐述 了矢量控制原理以及用到的坐标变换公式，并重点给出电压空间矢量脉 宽调制( s v p w m ) 方法的基本原理。 2 1 永磁同步电动机的数学模型 永磁同步电机( p m s m ) ，是由绕线式同步电机发展而来，一般在 定子上放置三相对称绕组，转子上安装永磁体代替电励磁，如图2 1 所 示。定义图中绕组电流方向为正方向，每相绕组正向电流流过时产生的 磁场轴线为线圈轴线，取a 相绕组轴线a 作为空间坐标和时间相量的 参考轴。定义逆时针方向为转速的正方向。v ，为永磁体磁链，方向与 磁极磁场轴线一致，f ，为定子电流矢量1 。 图2 1p m s m 物理模型 为简化分析，现对三相永磁同步电机作如下假设 ( 1 ) 定子绕组y 型连接； ( 2 ) 忽略定子绕组漏感； ( 3 ) 定子相绕组中感应电动势波形为正弦波； ( 4 ) 磁场呈正弦分布，忽略高次谐波，不考虑磁路饱和； 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 ( 5 ) 转子上无阻尼绕组，永磁体无阻尼作用； ( 6 ) 不计涡流和磁滞损耗，认为磁路是线性的一儿“。 在a b c 坐标系统下进行变换处理，a 、b 、c 三相绕组具有相互电 磁耦合，通常可以采用d - q 坐标系，达到解耦目的，获得较好的控制性 能。永磁同步电机d q 坐标系下的等效模型如图2 2 所示，d - q 坐标系 随定子磁场同步旋转，d 轴固定在永磁体磁链v ，的方向上，q 轴为沿转 速方向逆时针旋转超前d 轴电9 0 。电角度。 q d 图2 2d - q 旋转坐标系 在上述假定下，p m s m 在d g 坐标系下的电机方程如下睁加1 ： 定子磁链方程： 咆弩厂 ( 2 - 1 ) 【、i ，q2 0 定子电压方程： jz d 。b + w d 一叫d( 2 2 ) 【“g2 0 + p 4 ，g + 、i ，9 把式( 2 1 ) 代入式( 2 2 ) 得： 胙u q - ：r 睨s i q 二嚣麓州， 协3 ， 【+ 厶p + 厶+ 、i ， 。 输出电磁转矩： z = p i 一、l ，i a(24p)m d ll p2 婶q 一、l ，。， l2 4 ， 把式( 2 1 ) 代入上式可得： 6 2 卜，+ ( 厶一厶) j ( 2 5 ) 降弦功 6 ， l 鲁吨 一 p 时 一p 和m 0 p 。p m 三 、l ，r p m 0 v ， 一p m 专 l 0 + 上 三 瓦 3 ( 2 8 ) 由式( 2 8 ) 中可以看出，在永磁同步电机模型中，机械角频率 和d - q 轴电枢电流分量岛、互相耦合，并且可以看出方程为非线性 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的，不能简单地通过调节电枢电流来直接控制电磁转矩，必须进行矢量 解耦控制1 3 1 。 2 2p m s m 矢量控制原理 就p m s m 的控制而言，一般有两种控制方式。一种是针对电流控 制的滞环控制，另一种是采用电压控制。滞环控制响应速度快，主要应 用在模拟控制系统中；电压控制的理论基础是空间矢量脉宽调制 ( s v p w m ) 控制，能够提高逆变器的电压输出能力，保持开关频率恒 定，多用于数字控制。本文的交流伺服系统的矢量控制中采用电压型逆 变器模型。 p m s m 的矢量控制也是一种基于磁场定向的控制策略，按照磁链 定向控制的方法分为4 种控制方案：转子磁链定向控制、定子磁链定向 控制、气隙磁链定向控制、阻尼磁链定向控制。按照控制目标可以分 为：屯= 0 控制、c o s ( ( p ) 控制、总磁链恒定控制、最大转矩电流控制、 最大输出功率控制、转矩线性控制、直接转矩控制叫。本文中的矢 量控制所采用的坐标系为砌旋转轴系，屯= 0 矢量控制方式。系统反馈 控制环路如下图所示： 噬 图2 3 转子磁链定向控制系统框图 8 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 3 永磁同步电机的坐标变换 德国b l a s c h k e 等人提出交流电动机的矢量变换控制( t r a n s v e c t o r c o n t r 0 1 ) 理：论。在理论上解决了交流电动机转矩在高性能控制方面的问 题。其基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩 控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电 流分量和产生转矩电流分量，并使俩分量互相垂直，彼此独立，然后分 别进行调节。这样，交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就与直流 电动机相似了。因此，矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位 置的控制。 矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施仍然是落实 到对定子电流( 交流量) 的控制上。由于在定子侧的各物理量( 电压、 电流、电动势、磁动势) 都是交流量，其空间矢量在空间上以同步转速 旋转，调节、控制和计算均不方便。因此，需借助于坐标变换，使这个 物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，站在同步旋转坐标系上观 察，电动机的各空间矢量都变成静止矢量，在同步坐标系上的各空间矢 量就都变成了直流量，可以根据转矩公式的几种形式，找到转矩和被控 矢量的各分量之间的关系，实时地计算出转矩控制所需的被控矢量的各 分量值一直流给定量。按这些给定量实时控制，就能达到直流电动机的 控制性能。由于这些直流给定量在物理上是不存在的、虚构的，因此， 还必须再经过坐标的逆变换过程，从旋转坐标系回到静止坐标系，把上 述的直流给定量变换成实际的交流给定量，在三相定子坐标系上对交流 量进行控制，使其实际值等于给定值。 ， _ 考虑通常的三相绕组，在空间位置上互差竿机械角度，设在三相 ) ，” 绕组中通以三相对称电流，在相位上互差竿电角度，产生的合成磁场 j 具有以下特点： ( 1 ) 随着时间的推移，合成磁场的轴线在旋转，电流交变一个周 期，磁场也旋转一周。 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 ( 2 ) 在旋转过程中，合成磁场强度不变，故称为圆形旋转磁场。 产生旋转磁场不一定非要三相绕组，单相、两相及多相对称绕组， 通以相应的对称电流，都能够产生旋转磁场。考虑两相对称绕组，其在 空间位置上互相“垂直 ，互差m 2 ) r a d 电角度；两相交变电流在相位 上互差伍2 ) r a d 电角度。将两相对称电流通入两相对称绕组，产生的 合成磁场将具有与三相旋转磁场同样的特性。 2 3 1c l a r k e 变换 三相定子a b c 坐标系与两相定子仅一p 坐标系之间的变换，即一 个旋转矢量从三相定子a b 。c 坐标系变换到两相定子0 【一p 坐标系，称 为c l a r k e 变换，也叫做3 2 变换。图2 4 中绘出了a 、b 、c 和a 、b 两 个坐标系，为方便起见，仪轴与a 轴重m 1 7 1 。 图2 4 绕组磁动势的空间矢量位置 设三相系统每相绕组的有效匝数为n 3 ，二相系统每相绕组的有效 匝数为，设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与二相总磁 动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在仅、b 轴上的投影都应相等。 11 2 f a = 3 f 。一3 i bc o s 6 0 0 一3 f 。c o s 6 0 0 = n 3 ( 乞一去一去f 。) ( 2 9 ) 么z e 2 f p = 3 l bs i n 6 0 0 一3 f 。s i n 6 0 0 = 半n 3 ( i b i c ) ( 2 1 0 ) z 为了便于求反变换，最好能将变换阵表示成可逆的方阵。为此，在 1 0 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 二相系统上再人为地增加一项零轴磁动势：乇，并定义为： n 2 f 0 丛3 ( i o + + i 。) ”= o “o 将以上三式合在一起，写成矩阵形式，得 h 3 盯贡 式中c 3 ，：= 瓦n 3 1 l一 2 ，、 3 u 2 kk 1 l一 2 ，、 3 u 2 kk 1 2 3 2 k 标系的变换阵。满足功率不变条件时应有 吲：= c r = 瓦n 3 ( 2 1 1 ) 巳： i | 协 是三相坐标系变换到二相坐 1ok 一三 笪 k 22 一! 一笪k 2 2 ( 2 1 3 ) 由c 3 ，：c 办= e ( 单位阵) ，因此得瓦n 3 = ；，且k = 万1 ，把它代入得 ( 2 1 4 ) 乙k i 隽t k 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 3 2 p a r k 变换 ，、 1 u o 4 2 3 2 3 2 1 2 1 4 2 ( 2 1 5 ) 一个旋转矢量从0 一p 垂直坐标系变到d - q 旋转坐标系，称为p a r k 变换，也叫做交直变换。图2 5 中绘出7 - 相静止坐标系仅，p 和二相 旋转坐标系d ，g 之间的关系。图中静止坐标系两相交流电流、i b 和旋 转坐标系两个直流电流，产生以转速旋转的合成磁动势e m 。1 引。 图2 5二相静止和旋转坐标系与磁动势空间矢量 由图可见，它们存在着下列关系： f a = i ac o s o - i qs i n o f b = i as i n e + f g c o s o 由上二式可得： i a = f ac o s o + f 8s i n o i q = s i n e + 乇c o s o 为了凑成方阵假想一个零轴： 写成矩阵形式： 1 2 ( 2 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 哈尔滨工程大学硕十学位论文 篆 = 一c o 吉s o ec s 茗i n o 。； 差 c 2 2 ， 合并式( 2 2 0 ) 和( 2 2 1 ) ，可得从三相a b c 坐标系到二相d q o 旋 转坐标系的变换式c 3 们，为： = 竹 e 吉o s o e c s 茗i n o 。 倒 2 、j l l c o s o s i n 0 1 2 其反变换式为： c 2 r 3 s - 1 伽( e 一争 一s i n ( o 一争 2 c o s ( e + 争 c o s ( 9 + 争 一s i n ( o + 争 一s i n ( o + 要 j 利用式( 2 。2 3 ) 的变换阵求得定子电压的变换关系为 m u 6i = 川 信 c o s o c o s ( 。一争 c o s ( 。+ 争 一s i l l 0 一s i n ( o 一争 一s i n ( o + 罢) j ( 2 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) h 蚓q 乏4 j 2笪2上压。一2压一2。一压 。 o l 压 0 o 1 上压 一i压一i压一|压 兀一3 坩 一 出 p 一 骞s一 、， 兀一3 9 0 9 咿 0o 上压上压上压 b 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 i j 翌， 屯= 托c o s 。s m 。+ 击， ( 2 2 6 ) 巾。= 2 c o s 0 - 巾。s i i l 。+ 万1 巾。) ( 疡) 在a b c 坐标系上，a 相电压方程为 “。= i a r 。+ p c 。 ( 2 - 2 8 ) 将以上三个变换式代入a 相电压方程并整理后得： ( 蚴一r 屯一p c 一+ 心印) c 。s 。一( u q 一足一p c - 一虬p o ) 8 1 n 。+ 万1 ( 一& o 一脚。) = o ( 一r 一p 虬+ 巾g 印) c a , s 0 一( u q 一足一西口一巾d 印) s i n 0 + 寿( “o 一足j 0 一p c o ) = 0 对于0 为任意值，因此下列两式必须分别成立： u d = r ，i d + p c d 一0 3 。巾。 ( 2 2 9 ) “g = r ，i g + p c g 一。巾d ( 2 - 3 0 ) 其中： 巾。= 厶= ( 3 2 ) l , o + 厶】 巾d = 厶屯+ 巾，= ( 3 2 ) l 。o + 厶】+ 巾厂 0 3 j = p c o 简化式( 2 3 0 ) 得， u d = r 。i d l d p o a i q + d p 屯 ( 2 3 1 ) u q = r ，f 9 + 三g p o i d + g p i q + p d d f c o ( 2 3 2 ) 永磁同步电机状态方程为： 鲁= 一专噶+ i 1 ( 2 3 3 ) 鲁= 一扣她一等+ i 1 “， 3 4 ， 5c - 、i，、l甜 上压 +en虬甜一esoc d 甜 巨怄 = 相a沦讨先 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 另外，输出转矩为： t = p e 0 m = j 巾r i q + ( 三d l q ) f q 】 ( 2 - 3 5 ) l ， 、u，uqo 因此表面贴式永磁同步电机的d - q 数学模型为( 厶= 。= 三) ： 鲁= 一兰协l q + z 1 玑 鲁弋ri q - - p o ) i a 一半。 3 6 ， d o3 p 巾r b 乃 ，一= 一z 一一一 , i t2 d jj 为了实现电流和速度的解耦，达到和直流电动机一样的控制性能， 即使得转矩不受磁通电流影响，必须使得屯= 0 。由此永磁同步电动机 的解耦模型为： 鲁= z 1 埘。咖) 一d m ：堕f 。一一b 一互( 2 - 3 7 ) = 0 1 一一一o ， = 一厶m 2 4 空间矢量p w m 调制 当使用三相平衡的正弦电压向交流电机供电时，电机的定子磁链空 间矢量幅值恒定，并以恒速旋转，磁链矢量的运动轨迹形成圆形的空间 旋转磁场( 磁链圆) 。电压空间矢量s v p w m 技术就是使逆变器向 电机提供变频电源，并能保证电机形成定子磁链圆，就可以实现交流电 动机的变频调速。 在电机矢量控制系统中，一般采用电压型逆变器，主电路结构如图 2 6 所示，其中每一个桥臂有上、下的两个开关器件。6 个开关器件的开 关规律必须遵循以下的规律： 1 任何时刻，处于开关状态的开关器数目都必须是3 ； 2 同一桥臂两个开关器件由互补驱动信号控制，不能同时导通。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 从图中可以看出，当上管s 。，导通时，相应的下管s 。断开；反之亦 然。如果把上桥臂功率开关器件的导通状态用“1 表示，关断用“o ” 表示，则开关矢量a b c 1 。就能被确定。三组开关共有八种，即 0 0 0 、0 0 1 、0 1 0 、0 1 1 、1 0 0 、1 0 1 、1 1 0 、1 1 1 。其中0 0 0 、1 1 1 两种模式 是逆变器输出为零，称为零状态1 9 h 2 0 1 。 u k f2 d ： _ _ 黾! l 昆，!z 一 一o ， 么 一 亨 么 “么 阢2 只。 。 。鼬i 阱出口酒 3 8 ， 式中为检测到的瞬时直流母线电压。 肿雕羽 3 9 ， 1 6 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 图2 7 基本空间矢量 基本电压矢量的矢量表及相电压和线电压如表2 1 所列。 表2 1 开关状态 abc u 。乩u 。 u 船 u b ( ：u c a o00o0oo00 1002 u 如3 射d c f 3u d c f 3矾庑 o - u d c 0lo - u d c | 32 u 如3刈d c 冯如d cu d e 0 11 0u d cf 3u d c | 32 u 如3ou 如司d c 0o1 - u d c | 3如d c | 32 u d cf 3o司乱u d c 1o1 u d cf 3鄹d c 汜u d c | 3u d c一嗽 o o1 1 - 2 u d c 3u d c 3 u d c | 3州a c0 u d e l 110o00oo 三相定子电压可以通过c l a r k 变换得到静止坐标系下的仅轴、1 3 轴 电压分量，如式( 2 - 4 0 ) 所示。表2 2 列出基本电压矢量与两相坐标系 下的电压值。 艄磁- 1 2 踟习 4 。， 哈尔滨t 稗火学硕十学位论文 表2 2 开关状态与空间矢量 abc u 。 oo 0o0 10o 2 u a cf 3 0 olo - u d c | 32 u 如3 11 0u d cf 3u a c 3 001刈d c | 3 - u d c 3 1 o1u a c | 3- 2 u d c 3 o1l - 2 u d c 3 u d c 3 1l 10o 2 5 本章小结 本章主要阐述了永磁同步电动机数学模型的基础上，采用矢量控制 理论，在控制策略上采纳的是= 0 的解耦方式，该方法很容易操作， 实现起来比较容易。 1 8 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第3 章p m s m 伺服控制系统仿真 近年来，出现了各种专业仿真软件发展并且发展非常迅速，充分利 用仿真软件，可以提高设计的效率，使系统的建模变得简单、直观。 m a t l a b 是m a t h w o r k s 公司开发的用于数学计算与控制系统仿真的 工具软件，经过多年的补充与完善，系统功能十分强大。s i m u l i n k 是 m a t l a b 提供的一个用于动态系统进行建模和仿真的软件包，是为控 制系统而设计的。其中电气系统模块库( p o w e s y s t e mb l o c k s e t ， p s b ) ，提供了上百种电气元件模型，适合电子线路、电力系统、电力 电子与电机控制等领域的仿真弘“1 。 为了验证所设计伺服系统方案的可行性，本章利用 m a t l a b s i m u l i n k 对永磁同步电机交流伺服系统进行建模、仿真，为 后面的硬件设计打下基础。 3 1 系统开发环境 m a t l a b 是目前国际上流行的一种仿真工具，它具有强大的矩阵分 析运算和编程功能。建模仿真可视化功能s i m u l i n k 是m a t l a b 五大通用 功能之一，它是m a t l a b 中实现动态系统仿真建模的一个集成环境，具 有模块化、图形化编程、可视化及可封装等特点，可以提高系统仿真的 效率和可靠性。s i m u l i n k 提供了丰富的模型库供系统仿真使用，它的仿 真工具箱可用来解决某些特定类型的问题。m a t l a b 具有三大特点： ( 1 ) 功能强大。包括数值计算和符号计算，计算结果和编程可视 化，数学和文字统一处理，离线和在线计算。 ( 2 ) 界面友好，语言自然。m a t l a b 以复数矩阵为计算单元，指令 表达与标准教科书的数学表达式相近。 ( 3 ) 开放性强。m a t l a b 有很好的可扩充性，可以把它当作一种更 高级的语言去使用。用它容易地编写各种通用或专用应用程序。 m a t l a b 有许多工具箱t o o l b o x ，这些工具箱大致可分为两类：功能性 工具箱和学科性工具箱。前者主要用来扩充m a t l a b 的符号计算功能、 1 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 视图建模功能和文字处理功能以及与硬件实时交互功能；而后者专业性 较强，如各种工具箱，数理统计和随机信号分析、信号和图像处理、建 模和仿真、通信系统等众多领域的理论研究和工程设计中得到了广泛应 用1 2 5 1 1 2 6 o 3 2 控制系统仿真模型的建立 将各个子模块连接构成整个系统的仿真模型，仿真模型见图3 1 。 3 3 仿真结果 图3 1p m s m 矢量控制系统仿真模型 对于整个系统给定脉宽调制信号的周期为t = 0 0 0 0 1 s ，母线上的输 入直流电压为3 0 0 v 时，给定转速8 0 0 r a d s 。 1 空载时：t l = o n m ，电机从零转速加速到1 0 0 r a d s ，并保持此 速度运行，仿真如图3 2 所示。 坠玺鎏兰堡奎茎鎏圭兰堡兰兰 2 1 3 0 芎1 f 菩。 墨 图3 2 空载启动转速、位置、转矩和电流波形 2 带负载启动：在t = o5 s 时电机加负载t z = 2 n m 。系统运行的仿 真的结果波形如下。 。 毫1 量 口 1 0 差m 掣。 l o 主。 。1 0 盈 喜。 ! 为 l ：i ! ：1 1 一 一 t f 一1 1 1 l ： 图3 3 带负载启动转速、位置、转矩和电流波形 吾_习 吾p 勇翮黼 拦一 _。“哑o 譬至鎏三耋盔兰璺：兰垒鎏圣 3 负载变化情况：在一o 5 s 时电机加负载t l = i n n l 。扛l s 时电 机加负载t l = 2 n 1 1 3 。系统运行的仿真的结果波形如下。 一 笔1 莹 0 置1 皇 雷。 趔 0 1 0 暑 吾o 。加 善。 皇 j ； ；一寸i 一 图3 4 负载变化时转速、位置、转矩和电流波形 3 4 本章小结 本章利用m a t l a b 中的s i m u l i n k 系统进行了仿真，给出了仿真波 形。从仿真图3 3 、图3 4 启动瞬间，转矩略有波动，进入稳态运行 后，转矩波动很小。通过分析可以看出仿真结果符合理论分析的结果。 通过仿真更好的理解了矢量控制的原理，验证s v p w m 控制理论实现 方法的正确性。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第4 章p m s m 控制器的硬件设计 通过对p m s m 的可控制策略进行建模、仿真，在此基础上，本章 将详细论述基于d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的永磁电机数字交流伺服控制 系统的硬件设计，主要包括f 2 8 1 2 d s p 简介、控制系统总体电路、功 率驱动回路、速度和位置检测电路以及系统保护电路设计等等。 4 1 系统硬件的总体结构 图4 1 所示为系统硬件结构框图。硬件电路可以分为三部分：主控 电路、功率驱动电路和电源电路。主控电路以d s p 为核心，外围电路 主要包括：仿真接口电路、电平转换电路、外部存储器扩展电路。功率 驱动电路包括逆变器主电路、电流检测电路、转子位置速度检测电路和 故障保护电路等。电源电路为系统提供多路不同等级的直流电源。下面 对主要电路进行详细介绍。 4 2d s p 主控电路 4 2 1d s p 控制核心 本系统采用t i 公司的高性能的d s p 控制器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控 制核心，该芯片具有一系列的优点： t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 t m 平台下的一款新推出的d s p 芯片。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 采用高性能静态c m o s 技术，具有1 5 0 m h z ( 6 6 7 n s 周期时间) 的时钟 频率，低功耗设计( 内核1 8 v ，i 0 3 3 v ) ，支持j t a g 技术。片内集成 了一个高性能3 2 位c p u 。 此外，该器件带有支持4 5 个外设中断的外设中断扩展( p i e ) 模 块，3 个3 2 位c p u 定时器。电机控制外设包括两个事件管理器 ( e v a ，e v b ) ，同时与2 4 0 x 设备兼容。5 6 个独立可编程，多路通用 输入输出( g p i o ) 管脚。高级仿真性能包括：分析和断点功能、硬件实 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 时调试俐。 4 2 2d s p 外围电路 1 仿真接口 2 8 x c p u 含有高级仿真特性所需的硬件扩展，2 8 x c p u 的仿真逻辑包 括有：调试和测试直接存取存储器，调试器可以不使用指令流水线循环 周期，而通过控制存储器接口直接得到寄存器或存储器的内容。仿真逻 辑允许在2 8 x 和调试器之间对存储器内容进行初始化操作，内含完成基 准测试程序的计数器及具有多重调试事件。目标层次的t i 调试接口使 用5 个标准的i e e e l l 4 9 1 ( j t a g ) 信号( t r s t 、t c k 、t m s 、t d i 和 t d o ) 和两个t i 扩展口( e m u 0 、e m u l ) 。通过结合t i 的集成开发环 境( c c s ) 与j t a g 接口，可以很方便地进行实时在线调试以及程序的下 载。 2 电源电平转换电路 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的核心电压是1 8 v ，i o 口电压是3 3 v 。为保证芯 片正常工作，必须进行电源转换提供这两种工作电压。线形稳压芯片是 一种最简单的电源转换芯片，基本上不要外围元件。但是传统的线形稳 压器，如7 8 x x 系列都要求输入电压要比输出电压高2 3 y 以上，否 则不能正常工作，但是5 v 到3 3 v 的电压差只有1 7 矿，所以7 8 x x 系列 已经不能够满足3 3 v 电源设计要求。面对这类需求，许多电源芯片公 司推出了l o w d r o p o u t r e g u l a t o r 低压差稳压器。可以实现5 y 转 3 3 v 1 8 v 的要求t i 公司生产的t p s 7 6 7 d 3 1 8 电源芯片进行电压转 换。应用该芯片的电路如图4 1 所示。 外部提供纯净的5 v 电源输入，为了提高可靠性，再经过一个 1p ，的极性电容滤波后进入电源芯片t p s 7 6 7 d 3 1 8 ，1 8 v 、3 3 v 的使 能端接地，那么立刻建立起双电压。输出电压经过3 3u f 的极性电容和 一个铁氧化体磁珠滤波后提供d s p 的电源电压。当输出1 8 矿或3 3 v 下 降5 时，t p s 7 6 7 d 3 1 8 产生复位信号并保持2 0 0 m s ，经过一个与 门输出使d s p 复位。这样就保证了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 在可靠性电源下工 作。t p s 7 6 7 d 3 1 8 有一个内置的软启动电路，主要是为了防止在加电时 2 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电流过冲而影响转换器的性能。此外，t p s 7 6 7 d 3 1 8 还有使能端和过温 保护功能，当e n = 1 时，它将处于关闭状态，此时功率管、驱动器、 电压比较电路和振荡器等电路都处于不工作状态，使静态电流极低，约 等于1 以。当t p s 7 6 7 d 3 18 温度高于门限值时，会自动关闭，一旦温 度低于门限值，又会重新进入工作状态。该芯片主要是为d s p 的应用 而设计，可以提供两路电压输出，一路为3 3 y ，另一路1 8 v ；其中每 路输出可提供最大为1 彳的直流电流；并且能提供要求的复位信号；快 速响应，3 3 v 电压建立只需1 2 0 u s 。 4 3 功率驱动电路 图4 1 电源电平转换电路 本系统功率驱动电路主要包括：整流、滤波、三相桥式逆变主电 路，电流检测电路，转子位置及速度检测电路和故障保护电路等。下面 进行详细介绍。 4 3 1 逆变器主电路 逆变电路是变频器主要部分之一。起作用是在控制电路的控制下将 哈尔滨丁程大学硕士学1 _ 7 ：论文 直流电路输出的直流电压转换成所需频率的交流电压【6 儿引。逆变器主电 路包括市电整流、滤波和三相桥式逆变电路。整流由普通二极管整流桥 实现。三菱公司的智能功率模块( i p m ) 为功率变换装置。 i p m 模块内部集成了六个i g b t 作为功率开关元件，同时集成了驱 动电路，并设计有过电压、过电流、过热、欠电压等故障检测保护电 路。由于i p m 模块的智能化、模块化、集成化、性价比高、保护功能 全、控制驱动简单等特点，使整个电路设计更简洁，成本降低。d s p 输出六路p w m 信号驱动i p m 工作输出三相电流给电机定子绕组，使 电机运转。 4 3 2 电流检测电路 为了满足高性能伺服系统的要求，提高系统电流环响应速度，必须 进行电流检测。电流检测模块就是把交流感应电机的三相定子电流转换 成相应的二进制代码，以方便d s p 处理。由于本课题研究的是三相平 衡系统：f 。+ f 。+