（电机与电器专业论文）基于dsp的永磁同步电机调速系统的研究.pdf

a b s t r a c t s e r v os y s t 锄i sas o no fa d v a n c e dc o n 缸d ls y s t e m s ，w h o s e0 u t p u tc a i lr e s 呻l dt l l e e x t e m a li 叩u tr 印i d l ya i l da c c u 眦e l y n o w a d a y s ，a cs e r v ot e c l l i i o l o g yh 雏b e c o m ea b a s a lt e c m q u ef 研t l l ea u t o m a t i z a t i o no fi n d u s y ，d u et ot h eg r e 砒d e v e l o p m e n to f 山e 1 1 l i c r o p r o c e s s o r 艳c 1 1 i l i q u e ，m o d e n lp o w e re l e c 昀n i ct e c h n i q u ea 1 1 dt l en l a i l u f 如t l i r e t e c l l i l i c sf o r 山e 岬a n e i l tm a 鲫e tm a t e r i a lo fm o t o r s a n d 船o n e0 fm em o s t i m p o n a n tp a no fm ea cs e r v os y s 洄【i l t 1 1 es p e e d - a d j u s n n e n tt e i m n i q u ei st l e r e b y 姐p i d l yd e v e l o p e d t h er e s e a r c hw o r k0 ft 1 1 i st h e s i s ，b o ma c a d e 脚ca n dp r a c t i c a lm a i n 】yf o c u so nt h e s p e e d a d j u s n e n ts y s t e mo fp e m i a i l e n tm a 弘c ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) ，w h i c hi s 啪i c a li nc o n 仃o ls y s t e m so f a cm o t o l f i r s y ，t l l i sm e s i ss u m m 耐z e s 锄da n a l y z e sm ee v o l u t i o n ，t 量l ep r e s e m ，a 1 1 dt l l e p r o s p e c to fb o ms e r v os y s t e m sa i l da cs e r v os y s t e mb a s e do nal a 略en u i n b e ro f r 舒b r e n c e dm 疵a l s b e s i d e s ，i tm 血e sa ni n 缸d d u c t i o n0 nn l es 叭l c t i l r ea i l dc o n 仃o l s 位她西e so f 廿1 eu n i v e r s a lp m s ms p e e d a d j u s 哑e n ts y s t e 耵【l s s e c o n d l y as e to fp r a c t i c a lp m s ms p e e d a d j u s m l e r l ts y s t e mb a s e do nd s pc o n 订d l l e r i sd e v e l o p e d ，b a s i n go nw 1 1 i c har e l e v a mm e t h o do fc o n 廿o l s 廿a t e g yi sa l s oa d v a n c e d a f t e r 柚a l y z i n gt 1 1 ep 血d p l ei i ld e t a i l ，as 0 脚a r es ”t e mf o rp u 蚰1 9t l l em e t l l o di n p m c t i c ei s 舢吣e rd e v e l o p e d f i n a u y e 砸 e r i m e n 鼬a v eb e e nd o n eo n 廿l i sp r a c 廿c a ls y s t e m a n da c c o r d i i l g t o 吐l e a i l a l y s i so fm e s ee x p 嘶m 雠t a lr e s u l t s ，s 锄ec o n c l u s i o n sd 肼n 舳m l i sm e s i sh a v e b e e np r 0 v e d k e y w o r d s ： p m s m s p e e d 。a d j u s n n e m d s p c o n 叻l 删洫q u es p e e dc l o s e d1 0 0 p 浙江大学硕士学位论文 基于d s p 的永磁同步电机调速系统的研究 第一章绪论 微控制器技术、功率电子技术、材料技术和电机控制理论的发展使传动技术 由直流传动逐步过渡到交流传动，相应的，伺服技术的研究重点由直流伺服技术 转向交流伺服技术。高精度的交流电机速度控制，是伺服系统的重要基础，也是 位置伺服控制的前提。因此，伺服系统与交流伺服系统的进一步发展将对交流调 速技术提出更高的要求。 1 1 伺服系统的意义与发展 1 1 1 伺服系统的定义1 】 在自动控制系统中，如果要求系统的机械动态响应快速和精确跟踪，比如位 置、速度、加速度、力或力矩等机械量，那么通常是以这些机械量作为被控制量。 系统的输出能够快速而精确地响应外部的输入指令信号，这样系统被称为伺服系 统。 1 1 2 伺服系统的发展过程【2 伺服系统广泛用于工业生产的各个领域中，它的执行机构可以用气动、液压 和电气三种方式。目前研究的主要方向是电气式伺服系统。这是因为电气式伺服 系统的频率响应范围大，输出控制灵活，成本低，而且对于不同的伺服系统可以 选择不同类型的伺服电机。 在电气伺服系统中，根据所驱动的电机类型可分为直流( d c ) 伺服系统和交流 ( a c ) 伺服系统。5 0 年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，7 0 年代直流伺服 电动机已经实用化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。 在7 0 年代末期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和 电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服系统，亦即 交流伺服电机和交流伺服控制系统已经开始实用化。交流伺服驱动技术已经成为 工业领域实现自动化的基础技术之一。 浙江大学硕士学位论文 基于d s p 的永碰同步电机调速系统的研究 综上所述，到目前为止，电气伺服系统经历了3 个主要发展阶段： ( 1 ) 2 0 世纪6 0 年代：这是电液脉冲马达和功率步进电动机驱动为中心的时 期，伺服系统的位置控制为开环系统。 ( 2 ) 2 0 世纪6 0 8 0 年代：这一阶段是直流伺服电动机的发展和昌盛的时期。 由于直流伺服电动机具有良好、简单的线性转矩特性，到7 0 年代各种结构的直 流伺服系统已经在各种领域大量使用。伺服系统的位置控制也由开环系统发展成 为半闭环、全闭环和混合闭环系统。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代至今：这一阶段是交流伺服系统进入实用化和主流的时 期。随着微电子技术、永磁材料、现代控制技术的进步，出现了新型伺服电动机 及专用集成电路。与直流伺服电动机相比，系统可靠性高、无火花、同时具有直 流电机良好的调速特性，因此正逐步将其取代。 1 2 交流伺服系统的发展现状与趋势晴卜【7 1 2 1 交流伺服系统的分类 交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：永磁同步 电动机交流伺服系统和感应式异步电动机交流伺服系统。其中，同步电动机按其 工作原理和控制方式的不同又可分为矩形波驱动的永磁交流电动机和正弦波驱 动的永磁交流电动机。 同步电机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性 能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的 要求。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化 领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。感应式异步电动 机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固、制造容易、价格低廉，因而具 有很好的发展前景。 交流伺服系统根据其处理信号方式的不同又可分为模拟式、数字模拟混合式 和全数字式三种。 2 浙江大学硕士学位论文 基于d s p 的永磁同步电机调速系统的研究 1 2 2 交流伺服系统相关技术的发展 交流伺服系统的发展包括伺服驱动与伺服控制两方面技术的发展。 伺服驱动技术的发展与磁性材料、半导体器件、传感器、微电子器件、微机 技术、工艺水平等基础工业技术的发展密切相关。 磁性材料中，永久磁性材料性能的提高是伺服电机高性能化、小型化所不可 缺少的重要条件。交流伺服控制器硬件环境的改善以及交流伺服电机的结构和制 造材料的改进为更加快速、准确、稳定地控制机械设备创造了很好的条件。半导 体技术的发展使伺服驱动技术进入了全数字化时期，伺服控制器的小型化指标取 得了很大的进步。大规模集成电路( l s i ) 的精细加工技术以及大功率晶体管( g t r ) 开关特性的改善使高速开关器件的应用成为主流。绝缘门极场效应管( i g b t ) 已经 发展到了第四代产品，其性能则提高了五倍以上。微处理器( c p u ) 性能的大幅度 增强也使伺服控制器的复杂运算速度和多功能处理能力得以提高。 数字化是伺服控制发展的重要标志。在全数字控制方式下，伺服控制器实现 了伺服控制的软件化，从而引发了控制算法的新一轮变革。很多新型的伺服控制 器都采用了多种新算法。目前比较常用的算法主要有p i d i p d ( 比例微分积分 积分比例微分) 控制切换、前馈控制、速度实时监控、共振抑制控制、可变增益 控制、振动抑制控制、模型规范适应控制、反复控制、预测控制、模型跟踪控制、 在线自动修正控制、模糊控制、神经网络控制等。通过采用这些功能算法，可以 使伺服控制器的控制精度、响应速度、稳定性和可操作性都得到了很大的提高。 1 2 3 交流伺服系统的发展趋势 在伺服技术迅速地由直流转向交流的同时，交流伺服系统的应用将越来越广 泛，这也必然导致了用户对伺服驱动技术的要求逐步提高。作为一个进入广泛实 用阶段的伺服系统，交流伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面： ( 1 ) 全数字化 采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机( d s p ) 的伺服控制单元将全面 代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。全 数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统 浙江太学硕士学位论文 基于d s p 的永磁同步电机词速系统的研究 中应用现代控制理论的先进算法( 如：最优控制、人工智能、模糊控制、神经元 网络等) 成为可能。 ( 2 ) 采用新型电力电子半导体器件 目前，伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半 导体器件，主要有大功率晶体管( g t r ) 、功率场效应管( m o s f e t ) 和绝缘门极晶体 管( i g p t ) 等。这些先进器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的功耗，提高 了系统的响应速度，降低了运行噪声。 ( 3 ) 高度集成化 新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元 两个模块的做法，代之以单一的、高度集成化的、多功能的控制单元。同一个控 制单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以使用电机本身 配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度传感器 构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化还显著地缩小了整个控制系统的体 积，使得伺服系统的安装与调试工作都得到了简化。 ( 4 ) 智能化 智能化的交流伺服系统将具有几种功能：参数记忆功能：系统的所有运 行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通 信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，使用非常方便； 故障自诊断与分析功能：当系统出现故障时，该系统能将故障的类型以及可 能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，从而使得原本复杂的维修与调 试过程大大简化；参数自整定的功能：闭环调节系统的参数整定是保证系统 性能指标的重要环节，也需要耗费较多时间与精力。带有自整定功能的伺服单元 可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化控制。 伺服驱动系统作为一种工业控制装置正在逐步向智能化方向发展，最新数字 化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品。 ( 5 ) 模块化和网络化 以工业局域网技术为基础的工厂自动化( f a ) 工程技术最近十年来在国外得 到了长足的发展，并显示出良好的发展势头。为适应这一发展趋势，最新的伺服 系统都配置了标准的串行通信接口( 如r s 2 3 2 c 或r s 4 2 2 接口等) 和专用的局 4 浙江大学硕士学位论文 基于d s p 的永磁同步电机调速系统的研究 域网接口。这些接口的设置，显著地增强了伺服单元与其它控制设备间的互联能 力，从而与计算机数控( c n c ) 系统间的连接也由此变得十分简单，只需要一根电 缆或光缆，就可以将数台，甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个数控 系统。也可以通过串行接口，与可编程控制器( p l c ) 的数控模块相连。 综上所述，未来交流伺服系统的主流将是向更高性能的全数字化、智能化软 件伺服的方向发展，它将代表着交流伺服系统发展的水平和主导方向。但是与此 同时，传统的简易交流伺服系统并不会被市场淘汰，而将以其低成本的优势在应 用领域进一步扩张，以满足一般工业应用要求及对性能指标要求不高的应用场 合。本文的相关实验与理论分析便是在这样的背景下展开的。 1 3 本文的主要研究内容 本文主要的实践与理论分析将以永磁同步电机调速系统为研究对象展开，结 合国内外相关文献和技术资料，对该交流调速系统的结构与运行原理，永磁同步 电动机的建模与控制策略以及控制系统硬、软件的设计等方面进行较为全面的分 析与探讨；并设计开发一套实验系统，在实测样机之后，将对阶段性的实验结果 进行阐述与分析。 本文将分六章来逐一阐述以上各部分内容： 第一章绪论本章结合文献综述，回顾伺服系统的发展过程，介绍交流伺 服系统的进展与其在相关领域的优势，并在此基础上对其发展趋势进行展望，从 而体现出交流调速系统的该领域中发展的意义与方向。 第二章永磁同步电机调速系统的结构原理与控制策略本章将从具有普 遍意义的角度介绍永磁同步电机调速系统这一被广泛应用的交流调速系统的基 本组成与各部分结构原理。并对该系统的基本控制策略进行分类和综述。 第三章永磁同步电机调速系统的硬件设计本章将详细介绍本课题所设 计的“基于d s p 的永磁同步电机调速系统”的硬件结构、元器件选择方案及其 理由。 第四章永磁同步电机s p w m 控制的策略与实施本章将在对永磁同步电 机进行数学建模的基础上，参考相关的理论，提出相应的控制策略设想，并设计 浙江大学硬士学位论文基于d s p 的永磁同步电杌谓遽系统的研究 软件实施的具体方案。 第五章系统调试与实验结果分析本章将对第三、四章所述调速系统的硬 软件调试和运行情况做出说明，展示本次研究的阶段性成果，并对相关实验结果 进行分析。 第六章结束语本章将总结全文所做的工作，并在此基础上，对将来的研 究提出设想。 6 第二章永磁同步电机调速系统的结构原理与控制策略 2 1 永磁同步电机调速系统的结构原理 永磁同步电机调速系统是由永磁同步电机本体、位置传感器、控制器、功率 驱动器与电力电子变流装置等五个主要部分构成，其关系如图2 - 1 所示。 图2 1 永磁同步电机调速系统 2 1 1 永磁同步电机本体p 1 永磁同步电机，亦即永磁交流电机，是该调速系统控制的最终执行部件，它 在电信号的控制下将电能转化为机械能，从而达到以电信号控制机械运动的目 的。它是整个系统能量转换的核心部件。 永磁同步电机的定子是电枢绕组，转子是永磁极。 永磁同步电机转子结构分为永磁面装式和永磁内置式两种。面装式结构，如 图2 - 2 ，是利用强力胶将永磁极粘贴在电机转子光滑的表面上，使磁极的n 极与 s 极交替均匀排列，磁场对准定子电枢，转子采用导磁材料。因此电机磁路结构 简单，径向等效气隙基本相同，直轴和交轴电感参数基本一致。 浙江大学硕士学位论文 基于d s p 的永磁同步电机调速系统的研究 n n 图2 - 2 面装式永磁结构 内置式结构，如图2 - 3 是在转予铁心表面或者内部开槽，将永磁极放置于槽 内。不同的开槽位置与磁极排列方式将产生不同的气隙磁场。因此又可分为径向 磁化结构、切向磁化结构、轴向磁化结构等多重的内置式结构。所谓径向、切向 和轴向便是指产生的气隙磁场相对于转子铁心的方向。不同的磁化结构有不同的 特性优势。 图2 3 内置式永磁结构 永磁同步电机的电枢绕组采用三相对称分布绕组结构，类似于普通感应电机 与同步电机的电枢绕组。不过，永磁同步电机为了克服永磁极与定子铁心的齿槽 效应，往往采用分数槽绕组，即电机平分到每极每相的定子电枢槽数不是整数而 是分数。有时为了缩短端部绕组的长度，也会采用特殊结构的绕组形式。 2 1 2 位置传感器 1 0 】【1 1 】 位置传感器在电机运行的过程中实时检测转子位置，并将其转化为一定形式 的电信号传达至控制器，通过控制器的分析计算便可获得转子位置和速度的实时 反馈信号。位嚣传感器的种类很多，常用的有霍尔元件、光电编码盘、磁编码器 等。其中光电编码盘因具有精度高、回应快、抗干扰能力强、性能稳定可靠等显 著的优点而常常用于对角位移和线位移测量精度要求很高的电机伺服系统中。 8 浙江大学颈士学位论文 基于d s p 的永磁同步电机调速系统的研究 值得注意的是，在某些无位置检测的伺服控制系统中不存在位置传感器，这 是因为安装位置传感器往往会增大电机体积、增加电机成本；传感器的输出信号 一般都是弱电信号，易引入干扰；高温、低温、污浊空气等工作环境及振动、高 速运行等工作条件，将会降低传感器的可靠性；当电机需要密封运行时，传感器 的连接线也将是1 ：利因素等。但这不代表此类系统中没有位置检测信号发生，而 是用其他位置信号检测措施代替了位置传感元件。位置检测是电机伺服系统实现 速度和位置闭环控制不可缺少的环节。 2 1 3 控制器u 纠 控制器从系统开始运行宜至结束的过程中，不断接受各种外部给定的控制信 号和系统检测、反馈信号，对其进行不同方式的运算、分析和判断，并据此输出 相应的控制信号，对系统的运行起到关键的决策和指挥作用。 在2 0 世纪8 0 年代之前，电机系统的控制单元都是由模拟电路来实现，控制 信号是模拟量，这使得控制系统结构复杂，控制精度不高。随着集成电路技术的 发展，电机控制系统中逐渐应用了一些数字电路，实现了数模混合控制，简化了 系统结构。从2 0 世纪8 0 年代起，微处理器、单片微机得到飞速发展，其运行速 度加快，运算精度提高，处理能力增强，功能更加丰富，结构更为简单，可靠性 越来越高，已有足够能力完成实时性很强的电机控制要求。8 0 年代中、后期已 有全数字控制的交流调速系统在工业中应用。到了9 0 年代，微机技术进一步发 展，出现3 2 位的微型计算机和数字信号处理器s p ) 以及精简指令集计算机 ( r i s c ) ，其强大的功能已使微机全数字控制的交流调速系统性能和精度优于模拟 控制，功能更完善，具有很强的通讯联网功能，使电机传动系统成为工厂自动化 系统中的一级执行机构。 在以微机作为控制器的电机系统中，控制单元可能的输入信号包括用于频率 和速度设定的运行指令，用于闭环控制和过流、过压保护的电机系统电流、电压 反馈量，位置检测单元反馈的电机转子位置、速度信号，用于缺相或瞬时停电保 护的交流电源电压采样信号等。由该单元输出的信号主要有：变流装置功率半导 体元件的触发信号，用于控制输出电压、电流的频率、幅值和相位的信号，电机 系统的运行和故障状态指示信号，以及上位机或系统的通讯信号等等。 9 浙江大学硕士学位论文 基于d s p 的永磁同步电机调速系统的研究 电机系统采用微机作为控制器具有以下优越性： ( 1 ) 容易获得高精度的稳态调整性能只需适当增加字长便可方便的获 得高精度的稳态调速特性，而且数字控制避免了模拟电子器件易受温度、电压、 时间等因素影响的固有缺陷，使控制系统有稳定的控制性能。 ( 2 ) 可获得优化的控制质量微机具有的极强数值运算能力、丰富逻辑 判断功能可以实现复杂的控制策略，从而优化控制质量。 ( 3 )能方便灵活的实现多种控制策略微机控制功能的可编程实现使其 在改变控制规律时避免了对硬件结构的改动需求，只需改变软件的编制即可方 便、灵活的实现多种控制策略，从而使得控制系统具有更强的通用性，功能易于 扩展和修改。 ( 4 ) 提高系统工作的可靠性微机数字控制用软件替代硬件功能，减少 了系统元器件的数目，简化了系统的硬件结构，因此提高了系统工作的可靠性。 当然，由于数字控制一般是由一个c p u 来实现的，具有串行工作的特点， 相比模拟控制中的多个模拟器件并行工作方式，数字控制的确存在一个运算速度 的问题，这需要通过选用高速微机或多微机并行处理来解决。 2 1 4 电力电子换流装置与功率驱动器p j 永磁同步电动机供电方式通常有正弦波对称交流电源和逆变器两种。相应的 输电方式有直接交流、间接交流与整流为直流输电三种。直接交流输电最为简单， 但是要求电机电压和频率稳定性好，同时这种方式下工作的电机可控性不强。间 接交流输电主要有整流后经过斩波与逆变输电，还有交交变频及矩阵变换器变频 输电，这种输电法频率可调，电压根据需要可调，但电压稳定性受到发电机输出 电压的限制。直流输电采用整流与斩波相结合的稳压过程，受发电机断电压的变 化影响不大。 在永磁同步电机调速系统中，最常用的供电方式是稳定的直流输电，因此需 要通过逆变电路将其转化为交替变换的三相电流以驱动电机旋转。前文所述的电 力电子换流装置，通常情况下即是由功率半导体元件组成的、可将直流电转变为 交流电的有源逆变电路。 控制器按一定规律的输出信号触发逆变电路中的不同半导体元件，改变相电 1 0 浙江大学硕士学位论文 基于d s p 的永磁同步电机调速系统的研究 流、电压的幅值和频率等参量，从而改变电机的运行状态，达到控制的目的。但 是出于对控制器的保护，控制单元的输入、输出信号往往都是电压很低的弱电信 号，而逆变电路中的半导体元件通常需要更大功率的信号来触发。这时便需要一 个功率驱动器。它自在不改变原有逻辑规律的基础上，将控胄4 器输出的信号放大， 使其达到足以触发半导体元件的程度。 2 2 永磁同步电机的控制策略1 3 1 永磁同步电机的主要控制策略有：外同步控制、自同步控制与弱磁控制。 2 2 1 永磁同步电机外同步控制策略 外同步是指永磁同步电动机用独立的变频电源供电，同步电动机的转速严格 地跟随电源频率丽变化，也称之为他控式变频调速。外同步运行常为开环控制， 多用在小容量多电机拖动系统中，这种场合要求多台电动机严格同步运行。多台 永磁同步电动机并联在公共的变频器上，统一的转速给定信号同时调节各电动机 的转速，这种系统虽然解决了启动问题，但转子振荡和失步问题并未很好地解决， 一旦其中一台电动机出现失步，将影响其他电动机正常工作。因此这种调速方法 用途有限。 2 2 2 永磁同步电机自同步控制策略 ( 1 ) 永磁同步电动机自控式变频调速： 自控式变频调速，又称无刷直流型调速，整个系统主要由电动机本体，位置 检测环节以及驱动器三大部分组成。其中位置检测环节通常是由位置检测元件或 者无位置检测技术完成，用以反馈电机转子的旋转位置亦即转子磁场的位置，同 时反馈转子的旋转速度，从而构成闭环控制系统。控制电路根据检测到的位置信 号，触发主电路的开关元件，使定子绕组产生的旋转磁势与转子磁场的夹角保持 为9 0 。，从而保证最大的输出转矩。 浙江大学硕士学位论文 基于d s p 的永磁罚步电机调速系统的研究 蛤 图2 4 永磁同步电动机自控式变频调速系统框图 从原理上，这种方法类似于直流电机改变电枢电压的调速控制方法，但是又 与直流电机稍有差别。自控式变频调速的永磁电机换向电势比直流电机的换向电 势要大很多。直流电机采用机械换向器进行换向，且每次换向只有1 个换向片上 的绕组电流换向。如果每个槽对应于1 个换向片，则每次参与换流的只是1 个槽 的绕组。而对于永磁电机来说，每次换向时，参与换流的是一相绕组，显而易见， 将l 台电机做成很多槽数比较容易，但是要将l 台电机做成很多相数并不那么容 易。 自控式变频调速控制可以分为电流源型和电压源型两种策略。两种不同的情 况对电机设计提出的要求也不完全一样。 ( 2 ) 永磁同步电动机矢量控制： 矢量控制最早是在1 9 7 1 年由b 1 a s h k e 等人针对异步电动机提出的，其基本 思想源于对直流电机的严格模拟。直流电机本身具有良好的解耦性，可以分别控 制其电枢电流和励磁电流达到控制电机转矩的目的。矢量控制的最终目的是改善 电机的转矩控制性能，而最终实施仍需落实到对定子电流的控制上。矢量控制通 过磁场定向将定予电流分为励磁分量和转矩分量分别加以控制，从而获得良好的 解耦特性。因此，矢量控制既需要控制定子电流的幅值，又需要控制电流的相位。 在永磁同步电动机矢量控制系统中，转子磁极的位置用来决定逆变器的触发信 号，以保证逆变器输出频率始终等于转子角频率。 在这种控制策略下，永磁无刷伺服电动机激磁磁场每相绕组的反电势和输入 浙江大学硕士学位论文 基于d s p 的永磁同步电机调速系统的研究 电流波形为正弦波，与一般交流同步电动机的概念相同。一般的三相交流同步电 动机外部供以三相正弦波交流电源，电动机的工作频率是由外部电源给定的，因 而转速是恒定不变的，且起动困难。但是，正弦波驱动的永磁交流伺服电动机则 完全不同，首先他的反电势和相电流频率由转子转速决定，正弦波相电流是由电 路强制产生的。通过矢量控制使电机运行在最佳状态。这是通过转子位置传感器 检测出转子相对定子的绝对位置，由伺服驱动器实现的。 图2 5 永磁i 司步电动机矢量控制系统框图 一般说来，电机控制策略是通过综合考虑电机转矩和电流之间的线性度、控 制过程中电机端电压的允许变化程度、功率因数和电枢反应的去磁效应等因素来 确定的。在永磁同步电动机矢量控制中，常用的控制模式有直轴电流= 0 模式、 功率因数c o s 妒= 1 模式、转矩线性模式和恒磁通模式。其中= 0 模式应用最多， 其突出优点是没有电机直轴电枢反应，不会引起永磁体的去磁现象，且可以实现 隐极式电机最大转矩电流比控制。不足之处是电机端电压随负载增大而增大，因 而要求逆变器具有较高的输出电压和较大的容量。 ( 3 ) 永磁同步电动机直接转矩控制： 无论是交流传动还是直流传动，电机瞬态还是稳态，传动系统的根本问题是 转矩的控制。直接转矩控制作为一种新型的交流电机控制方式，由日本的 t a k a h a s h i 和德国的d e n p e n b r o c k 于2 0 世纪8 0 年代中期提出。其基本思想是 通过控制定予磁链来实现转矩的直接控制，省去了复杂的空间坐标变换和电机模 浙江大学硕士学位论文 基于d s p 的永磁同步电机调速系统的研究 型，并且受电机参数影响的程度相对矢量控制来说也较小。 直接转矩控制具有优秀的动态性能及对电机参数变化较强的鲁棒性。自从 1 9 9 5 年瑞士a 船公司第一台采用直接转矩控制方案的异步电动机高档变频器问 世，直接转矩控制便被视为是新一代传动系统最优秀的控制方式之一。然而，由 于同步电动机和异步电动机运行机理有本质的不同，尽管这种控制策略在异步电 动机上获得了成功，其在同步电动机中的应用却一直没有公开文献出版。 2 2 2 永磁同步电动机的弱磁控制 永磁同步电机的弱磁控制思想类似于他励直流电动机的调磁控制，在电枢电 压额定的条件下，永磁同步电机在转子看来励磁磁场被定子电枢反应磁场削弱的 同时，定子电枢反应磁场的空间转速相对于电枢绕组在不断提高。因为当电压达 到极限值时，为了使电机能以更高的转速运行，必须维持电机内部的反电动势等 于额定状态时的大小，而反电动势与转速和气隙磁通的乘积成正比，因此必须使 转速与气隙磁通的乘积保持不变，也就是要使气隙磁通随转速增大而减小，即所 谓的弱磁控制。 永磁同步电动机的转子磁场由永磁体产生，因此不可能直接被减弱。其弱磁 控制是利用直轴电枢反应使电机气隙磁场减弱，从而达到等效于减弱磁场的效 果。 永磁同步电动机弱磁困难的根本原因在于磁路结构的特殊性。尽管永磁同步 电动机有多种多样的转子结构，但无论是并联永磁磁路转子还是串联永磁磁路转 子，永磁体总是串联在直流磁路中，并占去交轴磁路的部分空间。因此，交直轴 磁路的等效气隙都很大，交直轴同步电抗较普通同步电动机小很多。由此引起的 后果是：建立同样大小的电枢反应气隙磁场，永磁同步电动机需要比普通同步电 动机大得多的电负荷，即在正常的电负荷下，永磁同步电动机的交直轴电枢反应 相对于普通同步电动机微乎其微。如果永磁体提供正常的励磁磁场，则额定电流 产生的直轴电枢反应磁通只能削弱磁通的极小部分。 而提高永磁同步电机的弱磁能力，主要通过改善电机结构设计和改进控制方 法两种途径。弱磁控制可以实现永磁同步电动机在低速时能输出恒定转矩，高速 1 4 浙江大学硬士学位论文基于d s p 的永碰同步电机调蘧系统的研究 时能输出恒定功率，有较宽的调速范围。较强的弱磁性能能够在逆变器容量不变 的情况下提高系统性能；或者说在保持系统性能不变的前提下降低电机的最大功 率，从而降低逆变器的容量；因此对永磁同步电动机进行弱磁控制并且拓宽弱磁 范围有着重要的意义。 浙江大学硕士学位论文基于d s p 的永磁同步电机调速系统的研究 第三章永磁同步电机调速系统的硬件设计 参考前文第二章阐述的永磁同步电机调速系统结构原理，本文设计了一套以 数字信号处理器( d s p ) 为核心控制器，增量式光电编码器为位置传感器的永磁 同步电机闭环调速系统，并将在此之上开发软件系统以实践相应的控制策略设 想。 本文设计的永磁同步电机的硬件系统如图3 1 所示，由永磁同步电机本体、 d s p 控制器、位置检测单元、功率变换单元四部分组成。 图3 - 1 永磁同步电机硬件系统构成框图 其中电机本体是该系统的控制对象。本文采用的试验样机是一台三相四对 极的永磁同步电机。其他各部分的设计都将以此为基础。 3 1 功率变换单元的设计 功率变换单元的设计主要包括主电路的结构设计、元器件的选择以及驱动电 路的设计。图3 - 2 是本文设计的功率变换单元的单相电路原理图，其中主电路为 桥式结构，主要功率驱动器为m 2 1 3 0 。 浙江大学硕士学位论文基于d s p 的永碰同步电机调速系统的研究 图3 2 功率变换单元单相电路原理图 3 1 1 三相桥式主电路 三 柏 负 载 如图3 3 ( a ) 所示，本文以三相桥式逆变电路作为功率变换的主电路，它 具有电压脉动小、无直流磁化等优点。图中s l ，s 3 ，s 5 分别为上桥臂的三路主 开关，而s 4 ，s 6 ，s 2 则是其对应的下桥臂的三路主开关。 ( a ) d s ( b ) 图3 3 三相桥式逆变电路与n m o s f e t 开关管原理圈 鉴于所研究的实验系统容量较小，可以选择m o s f e t 作为主开关管。 m o s 既玎是压控型器件，输入电流很小，输入阻抗很高，易于控制。本文选取 的是型号为5 0 n 0 6 的n 沟道大功率m o s f e t 。其内部结构原理如图3 3 ( b ) 所 示。该开关管可承受漏极电压、i ) 。最高可达6 0 v ，漏极电流i 。最高可达5 0 a ；可 浙江大学硕士学位论文 基于d s p 的永磁同步电机诵速系统的研究 承受的栅极电压v g 。范围为2 5 v 。自带的快速恢复二极管可有效实现感性负载 的续流和钳位。 3 1 2 珉2 1 3 0 驱动器 以m 2 1 3 0 为核心的电路则构成三相桥式主电路的驱动电路。取2 1 3 0 是美国 国际整流器公司( h l t 锄a t i o m lr e c 娟e rc 伽叩锄y ) 开发并投放市场的一种高压高 速功率m o s f e t 与l g b t 取2 1 3 0 驱动器。它拥有三对相互独立的输出通道，每 两路分别参考高低电平，可对应输出到三相桥式的电路的上下桥臂。逻辑输入与 c m o s 或者l s r r l 兼容。通过一个外部感应电阻，以地为参考电势运行的放大 器可产生桥臂电流的模拟反馈。这个感应电阻同时也为六路输出构成了电流回 路。当发生过流或者低压关断时，芯片将产生出错标志信号。图3 4 ( a ) 为2 8 脚 直插型取2 】3 0 功率驱动芯片管脚分布图，( b ) 为其实体样图。 2 el 明d p o 庐2 昏l e 删p d i p 图3 - 4 口艮2 1 3 0 功率驱动芯片管脚分布与实体样图 与一般的集成电路相比，它具有许多独特设计： ( 1 ) 对于同一集成电路，i r 2 1 3 0 内部应用自举技术来实现桥臂高压侧和低压 侧通道信号的同时输出。 ( 2 ) 内部自举技术也使i r 2 1 3 0 可直接用于驱动工作在母线电压不超过+ 6 0 0 v 的电路中的功率啪s f e t 或i g b t 。其可输出的正向最大峰值电流2 5 0 m a ，反相最大 峰值电流5 0 0 a 。 ( 3 ) i r 2 1 3 0 的驱动电压范围较宽( 1 0 v 2 0 v ) ，使其输入级电压可以兼容 3 3 v 、5 v 、1 5 v ，而门极驱动电压为l o v 2 0 v 。 1 8 、慕雾细蛩湖渤懿i鬯6基囱 一啭峨 吣嗽恤 岣雌啪 m 嗡一 一毗丽孵藤嘛哑瀚晰惮舢“懈m m 一 西露麓吲熙麓舅黑墓 浙江大学硕士学位论文 基于d s p 的永磁同步电机调速系统的研究 ( 4 ) i r 2 1 3 0 内部设计有过流、过压及欠电压保护，封锁和指示网络，使用户 可以方便的保护被驱动的功率半导体元件。 ( 5 ) i r 2 1 3 0 本身允许驱动信号的电压上升率达士5 0 v n s ，因此芯片自身具有 整形功能，可极大地减少被驱动功率器件的开关时间，降低开关损耗。 ( 6 ) i r 2 1 3 0 的功耗较小，可减小应用它来驱动功率m o s 器件时栅极驱动电路的 电源容量，从而减小栅极驱动电路的体积和尺寸。当其工作电源电压为1 5 v 时， 其功耗约为4 5 m w 。 综上所述，i r 2 1 3 0 电路结构简单，具有很强的适应性和可靠性，因此本文 采用它来实现三项桥式主电路的驱动。图3 5 是i r 2 1 3 0 的典型连接方式。 图3 5i r 2 1 3 0 的典型连接原理图 引脚h i n l 2 3 和l i n l 2 3 分别为驱动三相逆变桥上下桥臂六个m o s f e t 器件 的三对互补s p w m 波的信号输入端；v c c 和v s s 分别是输入端的电源引脚和参考地引 脚，为了防干扰，其间接有去耦电容：肿1 2 3 和l 0 1 2 3 既是驱动主电路的三对 信号输出端；引脚、，b 1 2 3 和v s l 2 3 则分别对应输出的六路信号，为它们的电源 和参考地，它们之间也接有去耦电容。其中v b l 2 3 与v c c 共同使用外部电源 ( + 1 5 v ) ，并通过自举技术获得浮动电源。外部电源与v b l - 2 3 之间是充电二极管， 该管的耐压能力必须大于高压母线的峰值电压。 3 1 3 信号隔离电路 功率转换电路的输入为低电压弱电流的逻辑信号，而输出为相对功率驱动 信号电压电流，i r 2 1 3 0 本身不具有逻辑信号与功率信号的隔离功能，因此需要在 输入的控制信号和i r 2 1 3 0 之间加入光耦隔离器件。需要注意的是，由于控制信号 浙江大学硕士学位论文 基于d s p 的永磁同步电机调速系统的研究 开关频率较高，要求光耦器件有良好的跟随性，一般需选用快速光耦。本文采用 6 n 1 3 7 快速光耦。其内部结构原理与典型电路连接如图3 石所示。 咕 圭 吨o v o g n d ( a ) ( b ) 图3 66 n 1 3 7 内部结构与典型电路连接原理图 综上所述，本文设计的功率变换单元由信号隔离电路、功率驱动器与三相桥式 主电路构成，下面是该电路单元主要元器件的清单： 器件名称器件型号 数量 功率m o s f e t 5 0 n 0 66 驱动芯片 i r 2 1 3 0l 光耦隔离 6 n 1 3 76 充电二极管 3 电解电容若干 表3 1功率变换单元主要器件清单 3 2 位置检测单元的设计 位置检测单元的设计主要包括位置传感器的选择与位置信号整流滤波电路 的设计。本文选择增量式光电编码器作为电机转子位置的传感元件，它输出的位 置信号为三路脉冲方波，因此也设计了相应的逻辑电路来抑制可能发生的共模脉 动。 浙江大学硕士学位论文基于d s p 的永磁同步电机调述系统的研究 3 2 1 增量式光电编码盘 本文选择增量式光电编码器作为电机转子 位置的传感元件。增量式光电编码器是以脉冲 形式输出的传感器，通常由盘座光栅( 码盘) 、 定位模块和处理电路组成。码盘与电机转子同 轴安装，随转子旋转。定位模块与处理电路固 定于电机定子端盖上，用以捕捉和处理码盘旋 。一 转时的光栅信号。码盘如图3 - 7 所示，一般只需 图3 - 7 编码器码盘原理图 要三条码道，用于产生计数脉冲。码盘的外道 和中间道有数目相同均匀分布的透光和不透光的扇形区( 光栅) ，但是两道扇区相 互错开半个区。当码盘转动时，它的输出信号是相位差为9 0 。的a 相和b 相脉 冲信号以及只有一条透光狭缝的第三码道所产生的脉冲信号( 它作为码盘的基准 位置，给计数系统提供一个初始的位置信号) 。 从a 、b 两个输出信号的相位关系( 超前或滞后) 可判断旋转的方向。由图3 5 可见，当码盘正转时，a 道脉冲波形比b 道超前，2 ，而反转时，a 道脉冲比b 道滞后“2 。码盘转动时输出如图3 - 8 所示的脉冲信号。根据输出脉冲源和脉冲 计数来确定码盘的转动方向和相对角位移量的，从而确定转子的位置。 逆方向正方向 a 通道 nn nl 几几几厂 b 通道几几门几几几几厂 z 通道 ii - - - - _ j l 。，一 图3 8 a 、b 两通道的脉冲时序图 本文采用的是无锡市瑞普科技有限公司( w u x ir e pt e c h n o l o g yc o ，l t d ) 生产的h k t 3 0 系列分体集成模块编码器，壳体外径3 0 脚，轴径8 叫，与本文采用 2 l 浙江大学硕士学位论文基于d s p 的永磁同步电机调速系统的研究 的永磁同步电机试验样机转子轴径相吻合。直流5 v 电源，5 0 0 脉冲周。若控制 器同时捕获两列脉冲的上升沿与下降沿，则可在电机旋转一周的过程中读取 2 0 0 0 个位置状态跳变信号，电机转子定位的精确度可达为3 6 0 “，2 0 0 0 = o 1 8 “。本 文实验将仅采用a 通道脉冲完成转子定位以及相关操作，因此定位精确度为 0 3 6 “。 3 2 1 抑制共模脉动的逻辑电路 除此之夕 ，本文设计的位置检测电路还采用了一个可有效抑制位置检测信号 共模脉动的逻辑电路( 如图3 9 所示) 。共模脉动是电压信号相对地的波动。若 光电码盘输出到控制器的信号发生此类脉动，将导致控制器误读，从而产生错误 的控制信号。本文利用四个两输入或非门构成两个级联的r s 触发器，对于超过 典型逻辑2 0 0 的共模脉动有很好的抑制作用。从波形图可以说明该接收器对共 几n 几厂几n 几厂几几 几厂 图3 9 抑制共模脉动的逻辑电路原理图 模脉动抑制的工作原理。第一级触发器( n o r l ，n o r 2 ) 的r 或s 输入端对所出现 的任何假负向输入信号是不灵敏的。也就是说，第一级触发器是可以抑制负向共 模脉动，而正向共模脉动是经过第一级倒相后加至第二级触发器。因此，输入端 出现的正或负共模脉动都不会出现在电路的输出端。本文采用7 4 系列逻辑功能 芯片实现该电路功能。 浙江大学硕士学位论文基于d s p 的永磁同步电机调速系统的研究 表3 2 是位置检测电路的主要元器件清单： 器件名称器件型号数量 增量式光电编码器 h k t 3 0 0 8 卜0 0 1 j 5 0 0 b 0 5 el 与门i r 2 1 3 0l 或非门 7 4 f 0 2 、 3 非门7 4 f 0 4l 3 3 控制器的设计 表3 2 位置检测电路主要器件清单 本文设计了以d s p 芯片为核心的控制系统，采用了t i 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯 片。一方面，该芯片与一般的微处理芯片相比，高速性能好，指令系统简便易操 作，且能与高级语言相兼容，功耗低，通讯方便，内部操作也十分灵活；另一方 面，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片是针对电机控制的需要而设计的，不但具有高速信号处理 和数字控制功能所必需的体系结构，而且具有为电机控制应用提供单片解决方案 所必须的外围设备。因此，采用d s p 控制电机，不仅具备了对电机速度和位置控 制采用复杂的硬件基础，而且可以降低对传感器等外围电路的要求，无论在实时 控制还是在使用设计中都具有较大的优