（电机与电器专业论文）基于tms320f2812的isg永磁同步电机数字控制系统研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) i sp r o v i d e d 谢ms m a l ls i z e ， g o o dp e r f o r m a n c e ，s i m p l es t r u c t u r e ，h i g hr e l i a b i l i t ya n dl a r g eo m p mt o r q u e c h a r a c t e r i s t i c ，a r ew i d e l yu s e da n dv a l u e d w i t l lt h ec o n s t a n tw i d e n i n ga p p l i c a t i o n so f p m s m ，t h em o t o rc o n t r o ls y s t e md e s i g nr e q u i r e m e n t sa r ea l s oi n c r e a s i n g a tp r e s e n t ， p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rh a sb e e nw i d e l yu s e d i nt h ef i e l do f a u t o m a t i o n i nt h ep r o j e c t , t h ee l e c t r o m e c h a n i c a l e n e r g yt r a n s f o r m a t i o np a r ti s t h e e x t e f i o r - g i b b o s ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r f i r s ts y s t e m a t i c a l l ye l a b o r a t - e ds y s t e mo fd o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lc a ri s gd e v e l o p m e n t ，t h eb a s i ct h e o r yo f p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r sa n dd i g i t a lc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n t p r o c e s s ，t h es t a t u sa n dt r e n d s ，a n da n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea n dp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o rm a t h e m a t i c a lm o d e l ，f o c u s e so nt h ev e c t o rc e n t r e lm e t h o d ，a c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ff o u rd i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e s ，a n do nv e c t o rc o n t r o lf o ra m o r ei n - d e p t hs t u d y , a n dt h e ng i v e ni nt h ei s = 0w h e nt h em o t o rm a t h e m a t i c a lm o d e l a n di t sr e a l i z a t i o n ，t h e ni tt e l l st h ei s gc o n t r o lt h eg e n e r a lp r i n c i p l e so fs y s t e m d e s i g n t h ef o u r t hc h a p t e ri nt h i sd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo ft h ec o r e ，s u c ha sc u r r e n t r e g u l a t o r , s p e e dc o n t r o l l e r , p o s i t i o nc o n t r o l l e rm a d ed e t a i l e da n dc a r e f u la n a l y s i s ，a n d g i v e ss o m em a t h e m a t i c a lm o d e l ，t of a c i l i t a t et h ep e r f o r m a n c eo fe a c hl o o pw e r e a n a l y z e d b a s e do nt h ea b o v e a n a l y s i sa n ds y s t e mm o d e l i n gt h er e a l i z a t i o no ft h ep r o g r a m ， d e v e l o p e das e to fp e r m a n e n tm a g n e tb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 12d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m f o ra l lt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，a n dd e s i g n e dt oi p ma st h ec o r ep o w e rc o n t r o l h a r d w a r e ，d r i v es y s t e m , d e s i g n e db a s e do nt m s 3 2 0 f 2 812o fs o f t w a r es y s t e mg i v e n m a i np r o g r a ma n di n t e r r u p ts e r v i c es u b r o u t i n ef l o wc h a r t , c o m b i n e dw i t l lc c s i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tf o rt h ee n t i r ec o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ed e b u g g i n g a n dd oe x p e r i m e n t s ，g e tt h es v p w mo u t p u tw a v e f o r ma n dp h a s ec u r r e n tw a v e f o r m ， t h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h e d i g i t a lc o n t r o ls y s t e mh a sg o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：p m s m ，s t a r t e r g e n e r a t o r , i s l 3 lt m s 3 2 0 f 2 812 ，i p m ，c c s i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 学位论文作者签名鳓 签字日期：垆l 口年么月 弓日 导师签名： 签字日妃冽缉多月傍 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品成果。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标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 虚竞舟 肿年印l 弓d 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 全球性经济危机对汽车工业造成严重的影响，日益突出的能源短缺与环境污 染问题，使得汽车行业面临新的挑战。混合动力汽车已经成为当今汽车行业发展 的必然选择。混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，简称h e v ) 将内燃机、 电动机与一定容量的蓄电池通过控制系统相组合，电动机可补充提供车辆起步、 加速时所需转矩，又可以存储吸收内燃机富余功率和车辆制动能量，从而可大幅 度降低油耗，减少污染物排放。混合动力汽车虽然没有实现零排放，但其动力性、 经济性和排放等综合指标能满足当前苛刻要求，可缓解汽车需求与环境污染及石 油短缺的矛盾。混合动力汽车按照能量的合成主要分为串联式和并联式两种。混 合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性 能。经过十多年的发展，混合动力系统已从原来发动机与电机离散结构向发动机 电机和变速箱一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。而起动发电一体 化系统( i n t e g r a t e ds t a r t e dg e n e r a t o r ，简称i s g 系统) 是其中的重要部分【1 1 【2 】。 目前制造成本最低、最容易实现批量生产的是采用起动机发电机电动机一 体化技术的轻度混合动力汽车( i s g s h y ) 。它只需要对内燃机进行改造，比较容 易在现有传统内燃机汽车上实现，混合程度小、电机功率低，尤其适合在轿车上 实现。由于这种技术结构简单，成本较低，能够很好应用在传统的汽车上，具有 很好的应用前景。 1 2 课题研究的背景及意义 今后的几十年，全世界的汽车数量将会与日俱增，达到2 5 亿辆，如此之多 的汽车将消耗多少石油，排除多少尾气，危害人类健康? 人们同益关注环保和节 能，如何减少汽车能量的消耗和尾气的排放，己成为一个热门话题。电动汽车技 术的加速发展正是为了解决这些问题。电动汽车研究方向主要包括混合动力汽 车、燃料电池汽车、纯电动汽车三个方面。国际上对哪种技术才是汽车产业的发 江苏大学硕士学位论文 展方向存在很多争议。就目前现状来看，混合动力汽车凭借其较为成熟的技术， 结合我国汽车工业的技术状况，发展混合动力汽车较为适宜。 交通工具的能量消耗量占世界总能源消费的4 0 ，汽车的能源消耗量约占 1 4 ，面对节能和环保的巨大压力，随着高科技的不断发展，世界各国纷纷开发 新能源汽车、节能环保型汽车。中国年产汽车近6 0 0 万辆，并且年增长速度达 到了2 5 以上。据国务院发展研究中心产业部预测，到2 0 1 0 和2 0 2 0 年，我 国汽车的燃油需求分别为1 3 8 亿吨和2 5 6 亿吨，为当年全国石油总需求的 4 3 和5 7 ，汽车将要消耗一半左右的自产、进口石油。因此，中国汽车能源 应该纳入国家安全战略高度来考虑，为此，国家在“九五 、“十五 规划都安排 了“8 6 3 ”电动车项目，“十一五计划安排了“8 6 3 节能与新能源汽车项目。 因此汽车的节能与环保对促进我国汽车工业和国民经济的可持续发展具有重大 意义。 1 3i s g 混合动力技术 i s g 技术可追溯到上世纪3 0 年代，是当前国际公认的未来汽车先进技术之 一，能够满足现代汽车高效率、低排放等方面的性能要求。i s g 电机综合了起 动发电机功能，从能量的转换角度来讲，电机将电能转换为机械能，就是电动机 运行；电机将机械能转换为电能，就是发电机运行。通过整流和调节，得到直流 电，向蓄电池充电或供给机载、车载用电设备【3 】。任何一台电机可以在上述两台 电机之间转换，即电机的可逆性原理。正是据此，起动发电一体化才能将两种 不同运行方式的电机集为一体。 起动发电机是起动发电系统中能量转换的核心部件，该系统主要由电机、 控制器及其相适应的电器组成。电机是系统的执行机构，起动和发电就是通过它 来实现的。目前可供选择的电机主要有异步电机，永磁电机和开关磁阻电机等等。 本课题采用永磁同步电机作为能量转换的核心部件。 i s g 技术作为混合动力电动汽车的一项关键技术，具备混合动力技术的一般 优点 4 1 。但i s g 技术也是一种特殊的混合动力技术，具有其自身固有的特点。 相比其他形式的混合动力电动汽车，i s g 技术具有如下的优势： ( 1 ) i s g 混合动力系统是最容易实现的混合动力系统结构，只需要结构上的 2 江苏大学硕士学位论文 微小改动，它就能继续使用传统燃油汽车的动力传动系统。而且成本增加少，使 混合动力汽车的成本接近于一辆传统汽车； ( 2 ) i s g 混合动力系统中电动机直接与发动机主轴相连，新增加的传动部件 很少，结构紧凑，电动机与发动机以扭矩并联的方式驱动汽车，这使i s g 系统 具有较高的效率； ( 3 ) 发动机工作时，电动机可以取代飞轮，通过自身的转动惯量以及在电动、 发电状态之间的切换，平衡内燃机曲轴的转矩波动，减少振动与噪声，能增加汽 车的舒适性f 5 】； ( 4 ) i s g 电机具备电动和发电的功能，功率大，完全可以取代发动机飞轮以 及原有的起动机、发电机，同时省掉了齿形皮带以及齿轮组等传动部件，能使发 动机模块化和简单化； ( 5 ) i s g 型混合动力汽车动力传动系统采用并联驱动方式和一体化电动发 电机，特别适合于中小排量的中低档汽车或主流车型的改造，是一种应用开发潜 力较大的混合动力汽车，已成为当今混合动力汽车开发中的重要车型。 1 4 国内外i s g 技术发展现状 1 4 1 国外i s g 技术发展现状 在混合动力汽车研究领域，日本汽车公司是i s g 电机国际混合动力汽车制 造企业的一个标杆。上世纪9 0 年代以来，国外所有知名汽车公司均投入巨资开 始进行电动汽车和混合动力汽车实用车型的研发。由于i s g 技术是一项比较新 的技术，在国外大批量生产的汽车上应用较少，只有在小批量生产的车型上用到 i s g 技术，如丰田、本田的混合动力轿车。 本田自1 9 9 9 年1 1 月开始在日本推出安装i s g 系统的混合动力轿车 i n s i g h t 。本田i n s i g h t 的动力系统包括一台作为主动力源的1 0l 稀薄燃烧 汽油机( 空燃比为2 6 ：1 ) 和作为辅助动力的1 0k w 的i s g ，i s g 采用了抗热性强的 永磁体，薄型线圈，风冷，超薄型电机的厚度仅为6 0 m m 。此后，本田共推出了 3 款混合动力产品。2 0 0 1 年1 2 月，在主力车型c i v i c 上加载混合动力技术的 c i v i ch y b r i d 开始在日本市场销售。2 0 0 4 年1 2 月，安装可变气缸系统的v 6 发 动机和i s g 系统的a c c o r dh y b r i d 开始在北美销售。 3 江苏大学硕士学位论文 2 0 0 0 年2 月，戴克公司在华盛顿的国家博物馆推出了其轻度混合型概念车 d o d g ee s x 3 。e s x 3 采用先进的共轨式柴油高压供油系统、变截面涡轮增压系 统和多气门顶置双凸轮轴的直喷式柴油机，并采用铝合金结构降低重量，达到了 最好的燃料经济性。安装i s g 系统可减少系统重量、优化启动性能、回收制动 能量，并通过怠速关机来降低燃料消耗和排放，使动力系统的匹配达到最优组合。 美国通用的p r e c e p t 混合动力车使用一台1 0k w 的i s g 电机与柴油机 安装在一起，共同组成轻度并联式混合动力系统。福特( f o r d ) 低储能型( l o w s t o r a g er e q u i r e m e n t ，简称l s r ) 混合动力概念车p r o d i g y 属于轻度混合方式，采 用了i s g 技术，电机输出的连续功率为3k w ，峰值功率为2 5k w ，由2 8 个 镍氢电池组供电。福特的另一款混合动力车e s c a p e 也采用i s g 并联式结构， i s g 电动机的功率为3 5k w ，由2 8 8v n i m h 电池组供电。 沃尔沃，西门子，d e l p h i ，博世( b o s c h ) 等汽车零配件公司也对i s g 技术进 行了研究，并且其产品已经批量投入市场【6 】。西门子v d o 汽车公司为4 2v 电 源系统研发的i s g 系统采用鼠笼式转子感应电动机，最大输出功率2 0k w ，起 动扭矩可达2 0 0n m ，i s g 发电机在整个速度范围内输出效率高于8 0 ，可以 使汽车燃油经济性提高1 5 , - - 2 0 。 1 4 2 国内i s g 技术发展现状 从新世纪初开始，在“8 6 3 计划的推动下，中国汽车制造企业和科研机构 在混合动力汽车方面也取得了很大的发展。长安汽车公司联合清华大学、重庆大 学等高校，开展了对i s g 型混合动力长安轿车整车匹配的研究。2 0 0 7 年长安 杰勋h e v 混合动力车型在长安重庆工厂下线，这是中国首款自主品牌混合动力 轿车动力系统，系统是由永磁电机与传统汽油发动机组成，采用起动机发电机 一体化( i s g ) 技术，构成高性能、高效率的并联式驱动系统，多能源动力总成控 制系统和i s g 电机、镍氢电池等混合动力零部件更是处于国内领先地位。整车 排放达到欧标准，价格只比同档次的传统汽车增加不到3 0 。 东风汽车公司的e q 7 2 0 0 h e v 混合动力轿车采用i s g 技术，其中i s g 及 其控制系统由中科院电工技术研究所研制，装载电控汽油机、永磁同步驱动电机， 高性能镍氢电池作辅助动力，混联方式驱动，最大车速大于1 6 0k m h ，整车排 放达到欧i 标准，预计2 0 1 0 年量产。 4 江苏大学硕士学位论文 2 0 0 6 年1 月奇瑞汽车有限公司承担“i s g 混合动力轿车用汽油发动机研 发 和“b i s g 轿车关键技术与核心零部件研发”两个项目顺利通过验收。奇 瑞i s g 动力系统由“1 3l 汽油机+ 5 速手动变速器+ 1 0k w 电机+ 1 4 4v 镍氢电 池组成，电机采用永磁同步电机并带有电机控制系统、逆变器以及d c d c 转 换器。最高稳定车速大于1 8 0k m h ，0 - , 1 0 0k m 加速时间小于1 1 3s ，加速行驶 时车外最大噪声小于7 ld b ，在城郊综合工况下油耗4 9 5l 1 0 0 k m 。该类型车排 放达欧v 标准。奇瑞动力系统由“1 6l 汽油机、5 速手动变速器、2k w 电机 和1 2v 铅酸电池”组成。最高稳定车速大于1 8 0k m h ，0 1 0 0k m 加速时间小 于1 2 8s ，在城郊综合工况下油耗为6 3l 1 0 0 k m ，排放达欧标准。 2 0 0 6 年北京车展上展出了该公司一款并联式中度油电混合动力车 a 5 1 3 i s g ，动力由a c t e c 0 1 3l 发动机和一块仅比普通笔记本电脑大一点的 燃料电池交替驱动，在怠速和低速时，使用燃料电池驱动，汽油发动机停止工作， 即完全没有油耗、没有排放。在正常速度行驶时，靠汽油发动机驱动，在制动时， 动能转化为电能，储藏在燃料电池中。它将比普通汽油驱动的汽车节油3 5 以 上，排放降低5 0 以上。 吉利华普海尚m a ( 海尚3 0 5 ) 在2 0 0 7 年第7 届上海工业博览会上登场。 这款车是由上海交通大学自主知识产权的混合动力技术改造开发的一台中度混 合动力轿车。该车采用发动机曲轴i s g 双离合方案，1 5l 发动机曲轴并联电 动机的一体化设计，优点是结构紧凑、可靠性高、成本低，可节省燃料2 0 左 右。 1 5i s g 系统电机选型 1 5 1i s g 电机性能的要求 在1 3 小节中提到电机是i s g 混合动力系统的执行机构，是该系统的关键之 一，所以该系统电机的选型显得尤为重要，具体选择哪一种电机应根据混合动力 汽车的性能来进行合理的设计，电机的主要设计性能指标包括： ( 1 ) 电机耐热性，由于汽车的工作环境比较恶劣，发动机运转时发出的热量 会使电机的工作环境温度变得比较高，因此，电机的耐热性要好； ( 2 ) 电机尺寸，由于要在有限的空间里容纳发动机，电机，电机控制器以及 s 江苏大学硕士学位论文 电池和电池管理系统，所以i s g 系统对电机的尺寸限制很严格，电机的尺寸在 选择电机时首要考虑因素之一； ( 3 ) 电机的功率，混合动力汽车驱动力矩大，根据性能设计指标，i s g 电机 要求具有瞬时输出大功率的能力，并且在低速运行时能够输出较大的起动转矩； ( 4 ) 电机的转速，混合动力汽车的发动机使用汽油机，最高转速达6 0 0 0r m i n 左右，电动机的经济转速必须与该转速相匹配，并且电机的转速范围要宽，应与 发动机的转速范围相一致。 1 5 2i s g 电机选型 高功率密度、高效率、宽调速的车辆牵引电机既是混合动力汽车的心脏，又 是混合动力汽车研制的关键技术之一。随着功率电子和微处理器的发展，多种类 电机开始应用到i s g 电机领域中。从电机本身的角度来看，可以用作起动发电 系统的有很多种，如有刷直流电机、开关磁阻电机、无刷直流电机、永磁同步电 机等。下面对这些电机作一个简单的比较。 1 、有刷直流电机 有刷直流电机作起动发电机用时，与一般的直流电动机和直流发电机略有不 同，起动时，以复励( 串励为主) 直流电动机方式工作，要求有足够的起动转矩和 起动电流，起动结束后，电机的串励绕组被切除改为并励方式，作发电机运行7 1 。 早期的起动发电系统多采用有刷直流电机，其优点是起动性能良好、控制简单， 但由于电刷和换向器的存在，使得这种起动发电系统维护复杂，使用寿命短； 另一方面发电功率和起动功率也受到很大限制【引。 2 、开关磁阻电机 开关磁阻电机是一种新型调速电机，调速系统兼具直流、交流两类调速 系统的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无 极调速系统。开关磁阻电机的突出有点是转子上没有任何形式的绕组，而 定子上只有简单的集中绕组，所以它的结构简单坚固，成本低，对温度不 敏感，适合于高速运行，并且调速范围宽，调速性能优异，且在整个调速 范围内都具有较高效率，系统可靠性高。但开关磁阻电机转矩脉动大，电机 存在严重的非线性，优化控制有一定的难度，电动和发电时均需功率变换器工作， 发电的可靠性有所降低。 6 江苏大学硕士学位论文 3 、无刷直流电机 无刷直流电机用电子换向器取代了普通直流电机的电刷和换向器的机械换 相，拥有普通直流电机的控制性能和调速性能没有了由于机械换相带来的诸多限 制。其突出的有点可靠性高，体积小寿命长等优点，而且由于转子没有发热，也 就无需考虑转子的冷却问题。但同样无刷直流电机也存在较大的转矩脉动，在一 定程度上会影响电机的可靠性能。 4 、永磁同步电机 永磁电机具有较高的功率密度、效率，调速范围大，起动转矩大，可以方便 的实现电动或发电工作模式，已在国内外多款混合动力电动车辆中获得应用，发 展前景十分广阔。根据定子绕组中反电动势波形的不同，可以分为永磁无刷直流 电动机和永磁同步电动机两种形式【9 】【1 0 1 。 永磁无刷直流电动机转矩、功率密度大，位置检测和控制方法简单，效率高。 但是由于换相电流难以达到理想状态，永磁无刷直流电动机转矩脉动大，存在振 动噪声的问题【1 l j 【1 2 1 。 永磁同步电机的运行原理与电励磁同步电机相同【l j ，但它以永磁体提供的磁 通代替后者的励磁绕组励磁，使电机结构更为简单。永磁同步电动机( p e r m a n e n t m a g n e t i cs y n c h r o n o u sm o t o r ，简称p m s m ) 是反电动势波形为正弦波的永磁电动 机系统。永磁同步电机功率质量比高、转矩惯量比大，转矩平稳性好，效率高， 结构紧凑、振动噪声低，通过合理设计永磁磁路结构能获得较好的弱磁性能，适 合i s g 系统的电机需求，在混合动力汽车中具有很高的应用价值f 1 3 】。 1 6 永磁同步电机数字化伺服控制系统及其发展趋势 1 6 1 永磁同步电动机伺服系统简介 伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随 动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量( 系统的输出量) 是机械位移 或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移( 或转角) 准确地跟踪输入的位移( 或转角) 。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控 制系统没有原则上的区别。 永磁同步电动机伺服系统主要包括三相永磁同步电机、功率驱动单元、控制 7 江苏大学硕士学位论文 器、位置速度传感器等1 4 1 1 1 5 】【1 6 】【1 7 1 。 l 、永磁同步电动机 稀土永磁同步电动机是使用最多的伺服电机品种。这种电机的特点是结构简 单、运行可靠、易维护或免维护体积小，质量轻损耗少，效率高。永磁同步电机 从转子结构上大致可以分为两大类： 图1 1 外装式永磁同步电机结构 图1 2 内埋式永磁同步电机结构 ( 1 ) 外装式( 表状式) 永磁同步电机( s u r f a c ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ，s p m s m ) 。外装式永磁同步电机又分为表面式和嵌入式。其转子直径较 小，从而降低了转动惯量，一般永磁同步电机多采用这两种形式的转子结构。 ( 2 ) 内埋式永磁同步电机( i n t e r i o rp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ， i p m s m ) 。内埋式转子是将永磁体装于转子铁心内部。它的机械强度高，磁路气 隙小，适于弱磁控制。 外装式永磁同步电机( s p m s m ) 由于永磁材料的磁导率十分接近空气，所以 其交、直轴电感基本相同。而内埋式永磁同步电机由于将永磁体安装在转子内部， 改变了电机的交、直轴磁路，使得其交轴电感大于直轴电感。本文以表贴式永磁 同步电机作为控制对象。 2 、功率驱动单元 8 江苏大学硕士学位论文 功率驱动单元一般采用三相正弦p w m 电压型逆变器的a c d c a c 结构， 主要由整流器和逆变器两部分组成。整流器将输入的交流电整流成直流电，经过 电容器滤波平滑后提供给逆变器作为直流输入电压源，逆变器在控制信号驱动 下，将输入的直流电变成电压与频率可调的交流电，输入到伺服电机的电枢绕组 中。 3 、控制单元 控制单元是整个伺服系统的核心，将实现系统的位置控制、速度控制、转矩 和电流控制。现代的控制单元主要采用数字控制，其控制器主要采用数字信号处 理器( d s p ) 。各大公司都推出了面向电机运动控制的专用d s p 芯片，这些芯片集 成了丰富的用于电机控制的专用集成模块，如a d 转换器、p w m 发生器、定时 计数器等，并通过提供大容量的高速的静态和大容量的程序存储器，提高处理器 的性能。此外d s p 大都集成了很多扩展功能模块如异步通讯模块、c a n 总线等， 使得用户可以通过扩展外围电路就可以很方便地增加系统的功能。 4 、位置传感器 为检测电机的实际运行速度，通常在电机轴的非负载端安装速度传感器，如 测速发电机。为进行位置控制则需要装有位置传感器，如光电编码器。对于永磁 同步电机来说，转子位置传感器一般采用高分辨率的旋转变压器、光电编码器、 磁编码器等元件。旋转变压器输出两相正交波形，能输出转子的绝对位置，但其 解码电路复杂，价格昂贵。磁编码器依靠磁极变化检测位置，日前正处于研究阶 段，其分辨率低。目前应用广泛的是光电编码器。因为其分辨率高，使用方便。 1 6 2 永磁同步电机伺服控制系统的发展趋势 永磁同步电机伺服系统控制技术的发展大致经历了以下三个阶段：电压频 率( v f ) 控制，矢量控制，直接转矩控制【1 8 】。 l 、v f 控制 、仲控制是实际上一种开环控制方法，主要对输入电机的电压和频率进行控 制。控制系统将参考电压和频率输入到实现控制策略的调制器中，最后由逆变器 产生一个正弦电压施加在电机的定子绕组上，使之运行在指定的电压和参考频率 下。按照这种控制策略进行控制，供电电压的基波幅值随着速度指令成比例的线 性增长，从而保持定子磁通的近似恒定。这种控制策略简单，易于实现，转速通 9 江苏大学硕士学位论文 过电源频率进行控制，不存在异步电机的转差和转差补偿问题。但同时，由于系 统中不引入速度、位置等反馈信号，因此无法实时捕捉电机状态，致使无法精确 控制电磁转矩在突加负载或者速度指令时，容易发生失步现象也没有快速的动态 响应特性。因此，使用这种控制策略的驱动系统一般用于对动态响应特性要求不 商和精确性不高的场合，比如风机、泵类等负载的控制【1 9 1 。 2 、矢量控制 矢量控制通常也被称为转予磁场定向控制或者场定向控s j j ( f o c ) 。矢量控制 的基本思想就是把三相交流电动机经坐标变换等效成直流电动机，然后仿照直流 电机的控制方法，求得控制输出。再经过相应的反变换，就可以控制交流电动机。 其核心就是将定子电流分解为相互垂直的两个分量即励磁分量和转矩分量。矢量 控制的最终结果是实现定子电流的分解，对转子磁链和电磁转矩进行解藕控制。 年代矢量控制技术出现以来，该控制方法首先应用在感应电机上，很快就被成功 移植到了同步电机上。由于永磁同步电机上更容易实现矢量控制，因此该技术到 广泛的应用到永磁同步电机系统领域。现在，磁场定向矢量控制技术成为了高性 能的永磁电机伺服驱动系统中的主要控制方法。 然而矢量控制技术也并非完美无缺。实践中发现其控制特性受电机参数影响 较大，而且在模拟直流电动机控制过程中矢量坐标变换的复杂性都使得实际的控 制效果难以达到理论分析的结果。此外由于磁体位置的偏移，磁性材料的分布不 均匀，电流传感器非线性化和电流调节器的局限等因素，以及非优化的参考电流 等导致电机转矩的脉动和电机铜耗增大等等这些因素，使得矢量控制并不能实现 真正意义上转矩的直接控n t l 9 i 。 3 、直接转矩控$ 1 j ( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，d t c ) 直接转矩控制不同于采用解耦控制思想的控制方法，它是一种瞬时转差控制 方案。直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电 机的磁链从而控制转矩。它不需要将交流电动机和直流电动机进行比较、等效和 转化，也不需要为解祸而简化交流电动机的数学模型，它省掉了矢量旋转变换等 复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理工作比较简单1 9 1 1 2 们。直接转矩 控制具有不同于矢量控制的全新的优点快速的动态响应，控制结构简单。因此直 接转矩控制的出现将打开同步电机控制的新领域。 1 0 江苏大学硕士学位论文 1 6 3 全数字化控制系统及其优点 随着计算机技术的发展，无论是在生活还是在工业生产过程当中，人们对数 字化信息的依赖程度越来越高。如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电机传 动系统就是骨骼和肌肉，它们之间的完美结合才是现代产业发展的方向。为了使 交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能， 必须使交流调速系统实现全数字化控制。由于单片机控制简单、价格低，其性能 不断提高，具有丰富的软、硬件资源，己经在交流调速系统中得到了较多地应用， 尤其在通用开环交流调速系统中应用更加广泛。以及交流电机控制理论的不断发 展，控制策略和控制算法也日益复杂，各种控制和算法都应用到了交流电机的矢 量控制、直接转矩控制以及无速度传感器控制当中。由于单片机对大量数据的处 理或者浮点运算的能力有限，从而使得芯片在全数字化的高性能交流调速系统中 找到了施展身手的舞台。如t i 公司最近推出的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 系列d s p 芯片， 以其较高的性价比和控制功能，成为全数字化交流调速系统的首选，尤其以 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 系列产品，是在f 2 4 x 的基础上开发的高性能3 2 位定点芯片，大 大地提高了处理能力2 1 1 。 全数字化的最大优点是使控制系统软件化，使得系统具有极好的柔性，在不 改变硬件的前提下，改变软件即可实现不同的控制功能。可以设计统一的硬件电 路，通过修改软件版本以适合不同的电机控制系统。在永磁同步电机i s g 的控 制系统中，采用全数字化控制具有下列优点【2 2 】： ( 1 ) 采用速度更快、功能更加强大的d s p 或者为用户专门设计的大规模集成 电路( v l s i ) h l l 软件构成的控制芯片，降低了控制系统的硬件成本，使得系统体积 小、重量轻、效率高； ( 2 ) 数字电路没有温度漂移问题，不存在参数变化的影响，稳定性好； ( 3 ) v l s i 使线路连线减少到最少，其平均无故障时间大大长于分立元器件电 路，且屏蔽性能好，增强了系统的可靠性； ( 4 ) 信息双向传递能力大大增强，容易和巨位机系统联合运行，可随时改变 各种控制参数； ( 5 ) 提高了信息存储、监控、故障诊断、报警、调整以及分级模块化控制的 能力，有利于实现性能优异但算法复杂的控制策略； 江苏大学硕士学位论文 ( 6 ) 软件控制具有很大的灵活性，可以方便的增加、修改或者删减软件的模 块以适应各种不同场合的需求。 l 。7 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 推导了永磁同步电机在i d = o 时的数学模型，给出了具体的控制系统框图 和控制过程原理； ( 2 ) 详细介绍了矢量控制原理，并且比较了四种不同的控制策略； ( 3 ) 分析了s v p w m 直接可以用d s p 实现s v p w m 的方法和步骤和利用增 量式光电编码器测量转子位移和转速的方法； ( 4 ) 对数字控制系统的电流调节器，速度调节器，位置调节器做了详细的分 析，并且对各个环的调节器校正效果做了分析，给实际的系统调试过程以理论知 道： ( 5 ) 在c c s 集成开发环境中，对s v p w m 模块进行了调试，给出了软件系 统测试波形，并且给出了电机在空载时u 相电流的波形。 1 2 江苏大学硕士学住论文 第二章i s g 永磁同步电机数学模型及其构成系统 2 1 坐标系和坐标变换【2 3 】【2 4 】 为简化及求解永磁同步电机的数学方程，一般使用电机坐标变换理论对永磁 同步电机基于自然坐标系的基本方程进行了线性变化，实现电机数学模型的解 耦。常用的坐标系有：a b c 轴系的自然坐标系( - - 相定子坐标系) 、a p 轴系的静 止坐标系、d q 轴系的转子坐标系、m t 轴系的磁场坐标系等。下面分别对各种坐 标系和坐标变换进行简单介绍。 2 1 1 常用的坐标系 1 、a b c 坐标系 永磁同步电机的定子中有三相绕组，其轴线分别为a 、b 、c ，且空间上彼 此问互差1 2 0 电角度。由a b c 轴系构成的轴系也称为自然坐标系或者定子坐 标系。当定子通入三相对称交流电时，就产生了一个旋转的磁场。三相定子坐标 系定义如图2 1 所示。 汰 1 2 0 。 3 ， a ( a 。3 图2 1a - b c 坐标系与瓣p 坐标系 2 、酗9 坐标系 定子静止直角坐标系即仅p 坐标系如图，其0 t 轴与a 轴重合，1 3 轴超前口轴 9 0 * 。如果在0 【一d 轴组成的两相绕组内通入两相对称正弦电流时也会产生一个旋 转磁场，其效果与三相相绕组产生的一样。因此可以由两相坐标系代替三相定子 坐标系进行分析，从而达到简化运算和分析的目的。 3 、d - - q 坐标系 转子旋转坐标系固定在转子上如图2 2 ，其轴位于转子轴线上，q 轴超前d 江苏大学硕士学位论文 轴，空间坐标以d 轴与参考坐标0 【轴之间的电角度0 来确定如图2 3 。该坐标系 和转子一起在空间以转子速度旋转，故相对于转子来说此坐标系是静止的，因此 d - q 坐标系又称为同步旋转坐标系。 2 1 2 坐标系的变换关系 图2 - 2d - q 坐标系 l l l p& 图2 - 3 二相静止和旋转坐标系 1 、a b - c 坐标系与a p 坐标系的坐标变换 三相定子坐标系到定子静止直角坐标系的变换通常称为c l a r k e 变换，这里 定义g m 。为坐标系到0 【p 坐标系的变换阵，由线性代数知识根据图2 - 1 可以得到： 1l 1 2 2 o 鱼一鱼 22 ( 2 - 1 ) 其中k 为待定系数。确定k 值的主要依据有：在变换前后，每一相功率不变， 总功率变化。即三相系统和两相系统每相的电压、电流有效值相等。如果维持变 化前后合成气隙磁势不变，两相电机每相绕组匝数要增加3 2 倍，气隙磁通减小 2 ，3 倍，将影响电机参数变化。故此时1 0 2 ，3 。在变换前后，总功率保持不变。 1 4 江苏大学硕士学位论文 两相电机的相电压和相电流有效值为三相电机相电压和相电流的j 压倍，因此 两相电机每相功率比三相电机每相功率大3 趁倍。如果维持变化前后合成气隙磁 势不变，两相电机每相绕组匝数要增加撕万倍，气隙磁通保持不变。故此时 k 芦厨。在总功率保持不变的情况下，变换关系为： c 3 s 2 s = - 、厍 yj 万 c 2 们，2 雪 ll i 。- 。2 。- - _ 2 。 o 笪一笪 22 l 0 i 压 22 1 历 2 2 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) c 2 m ，就是从- p 坐标系到a - b - c 坐标系的变换阵。 2 、仅p 坐标系与d - q 坐标系的变换【2 5 1 a 坐标系到如坐标系的变换称作p a r k 变换，在这里我们定义c 2 班，g m ， 为a 够坐标系到正g 坐标系和咖坐标系到a 印坐标系的变换阵，由2 - 3 图可知： r ( 嬲秒一s i n 们 2 ，= ls 洫秒c o s 秒l ( 2 _ 4 ) ic o s 秒 s i n 9i c 2 ，2 f2 l s c o sl ( 2 - 5 ) i n o0、一丑一i sc o s l 2 2 永磁同步电机的数学模型 关于永磁同步电机数学模型的推导，目前许多论文上都已给出比较详细的论 述，在本节主要讲述永磁同步电机在d - q 坐标系下的数学模型。 要实现对转矩线性化实现控制，就要对永磁同步电机转矩控制参数进行解耦 i x 6 1 1 2 7 1 2 引，另外，在分析永磁同步电机的数学模型时，为了分析简便，可以作适 当的假设，忽略一些次要因素： 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 忽略铁芯饱和； ( 2 ) 不计涡流和磁滞损耗，认为磁路线性，并且可以用适当的原理来进行适 当的分析； ( 3 ) 感应电动势是正弦的，定子电流在气隙中只产生正弦磁势，并且忽略高 次谐波带来的影响。 根据以上条件来分析实际的电机，所得的结果与实际的情况十分接近，因而 ，j 丁以使用上述假设对电机进行分析控制。因为本文研究的是表贴式永磁同步电 机，所以有l d = l q = l s ，根据以上假设得出的电机模型为： 电压方程： 磁链方程： ：三三：二二喜二三： i = 厶乙+ 盼 k = 丘 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 上式中，、定子d 、q 轴电压；厶、厶定子绕组d 、q 轴电 感；厶为电机电枢电感：屯、岛定子d 、q 轴电流；吩咏磁体基波磁场 在定子绕组中产生的磁链；定子直轴磁链，包括定子直轴电流产生的磁 链和永磁体产生的磁链； 由上述公式，可得永磁同步电机的动态等效电路以及空间向量图如图2 - 4 所 示。 u q u d 图2 4 永磁同步电机的动态等效电路 输出电磁转矩为： 1 1 1 锄5 吾m ( 一) 29 n p ( 驴, f i q + ( 岛一厶) ) ( 2 - 8 ) 机械运动方程为： 1 6 江苏大学硕士学位论文 1 唧5 t l + b q + j p q( 2 9 ) 在式( 2 8 ) ，( 2 9 ) 两式中，t 眦为电磁转矩；m 为电机转子极对数；t l 为机 械负载转矩；j 为电机转子和所带负载的总转动惯量；b 为粘贴摩擦系数；嫂为 电机转子的机械角速度。另外，红为电角速度，它们之间的换算关系为： g - o e = 。q ( 2 一l o ) 由图2 3 可知，在d - q 坐标系下： fi=i；,cosp(2-11)i iq = s i n , o 综合式( 2 8 ) 得出电磁转矩为： k = 詈p ( 岫i n p + 三( 厶一l q ) i 2s i n 2 f 1 ) ( 2 - 1 2 ) 在式( 2 1 2 ) 中，第一项是由定子电流合成磁场与永磁体励磁磁场互相作用而 产生的电磁转矩，称作主电磁转矩；第二项是磁阻转矩，它是由电机的凸极效应 而引起的，且与两轴电感参数的差值成正比。 前面已提到，对于表贴式永磁同步电机，由于其凸极效应较弱，所以可近似 地认为l d = l q = l s ，据此，永磁同步电机的电磁转矩方程可进一步化简为： t 皿= 丢坼竹s i n p ( 2 1 3 ) 输入总功率为： = 吾( + ) ( 2 1 4 ) 图2 - 5 永磁同步电机空间相量图 上图为永磁同步电机空间向量图，根据此图，我们可以得出，定子电流相量 与q 轴之间的夹角为口，定子电压相量1 s 与q 轴之间的夹角为，所以，电机