电机驱动 毕业设计

1、基于STM32的电机驱动系统的设计专业：机电工程系班级：姓名： 徐斐斐1 安徽矿业职业技术学院毕业设计（论文） 目 录引 言31 绪论51.1 课题研究的背景和意义51.2 视频处理器的发展前景51.3 论文主要工作概述61.4 论文的组织结构62 基于STM32的电机驱动系统总体设计82.1 设计需求82.2 方案选择82.3 主处理器的选择(STM32F103)92.4 系统编程软件功能介绍（Keil）142.5 小结153 系统硬件电路设计163.1 STM32F103功能介绍173.2.1 STM32F103的特点及功能描述173.2.2 STM32F103的。243.2.3 STM3

2、2F103的。263.2.4 STM32F103的。26。 STM32F103的。283.2 STM32F103电源电路设计333.3 STM32F103时钟电路设计223.5 STM32F103 LED数码管驱动电路设计333.5 电机驱动电路设计（ULN2003）333.6 本章小结334 系统开发软件及设备驱动程序设计164.1 Keil概述174.2 动态LED数码管驱程序设计224.3 电机驱动程序设计334.4本章小结175 硬件电路调试实验与整体运行调试455.1 各个子系统调试455.1.1 电源调试455.1.2 时钟调试455.1.3 LED数码管驱动调试455.1.4 电

3、机驱动模块调试455.2系统联调465.3 本章小结46结 论47致 谢48参考文献49附录 源程序50注意：目录中的页码是随着你写的内容而不同的，总页数在60也左右，给我留出删除的空间，我修改后，最终页数应大于50页。3 安徽矿业职业技术学院毕业设计（论文） 摘要近年来，随着微电子技术、电力电子技术、现代控制技术、材料技术的迅速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，交流永磁同步电机以其体积小、结构简单等特点在工农业、日常生活以及许多高科技中迅速得到了广泛的应用。因此，研究设计高精度、高性能的永磁同步电机成为现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。纵观MCU市场，目前最主流的构架方式可以分为两类，自主

4、知识产权构架和基于ARM构架的MCU。前者主要包括英特尔的X86构架,飞思卡尔的Power PC，MicroChip的PIC系列，Atmel的AVR系列等，后者则由众多开发基于ARM构架的厂商组成，包括ST,NXP,NEC以及收购了Luminary的TI等。在众多基于ARM构架开发的产品当中，STM32F103无疑是其中最成功的产品之一。意法半导体MCU市场部经理张军辉在大会中场介绍说，在Google,Baidu 等搜索引擎上查看以STM32F103以及Cortex M3为关键词的搜索次数，你很容易就能发现，基于STM32F103的直接搜索量比Cortex M3高出很多倍。“很多人可能不知道C

5、ortex M3，但是却听说过STM32。现在STM32已经成了Cortex M3最好的一张名片。”本文分别介绍了永磁同步电机矢量控制系统的硬件和软件设计。详细的介绍了以STM32为控制核心的控制电路，主回路由脉宽调制逆变器、永磁同步电动机、电流检测电路、速度检测电路组成的永磁同步电机调速控制系统的硬件电路。细致地蟾酥了稳重的软件设计思路，包括系统的主程序、中断控制程序以及各项子程序的软件设计。通过对仿真结果的分析，验证所采用的控制算法的可行性和正确性。关键字：永磁同步电动机，矢量控制，ARM，正弦脉冲宽度调制AbstractIn recent years, with microelectro

6、nics technology, power electronic technology, modern control technology, material technology rapid development and motor manufacturing process of gradually raise the level, and exchange the permanent magnet synchronous motor with its small size, simple structure and so on characteristics of industry

7、 and agriculture, in daily life and many high-tech quickly in a wide range of applications. Therefore, the design of high performance, high precision of permanent magnet synchronous motor become modern electric servo drive system of a development trend. Throughout MCU market, at present the most mai

8、nstream architecture means can be divided into two classes, independent intellectual property rights structure and based on the ARM architecture MCU. The former mainly include Intel's X86 architecture, freescale's Power PC, the MicroChip PIC series, Atmel AVR series of, the latter by numerou

9、s based on the development of the ARM architecture of manufacturers, including ST, NXP, NEC and acquired Luminary of TI, etc. Based on the ARM architecture development in many of the product in the center, STM32F103 undoubtedly is one of the most successful one of the products. Stmicroelectronics MC

10、U marketing manager ZhangJunHui congress introduced in midfield, said in the Google and Baidu search engines such as check to STM32F103 and Cortex M3 for keywords search times and it was easy to find, STM32F103 based on the direct search volume than Cortex M3 many times higher. "A lot of people

11、 probably don't know Cortex M3, but heard STM32. Now STM32 has become one of the best Cortex M3 card." This paper introduces the permanent magnet synchronous motor vector control system hardware and software design. Detailed introduces the STM32 as control core control circuit, the main loo

12、p by pulse width modulation inverter, permanent magnet synchronous motor, electric current detection circuit, speed detection circuit composed of permanent magnet synchronous motor speed control system hardware circuit. Detailed the sedate software design of toads ideas, including the system of the

13、main program, interrupt control procedures and the procedure of the software design. Through the analysis of simulation results, confirmation USES the correctness and feasibility of the control algorithm. Key word: permanent magnet synchronous motor;vector control; ARM; sine pulse width modulation 引

14、言近年来，随着微电子技术、电力电子技术、现代控制技术、材料技术的迅速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，交流永磁同步电机以其体积小、结构简单等特点在工农业、日常生活以及许多高科技中迅速得到了广泛的应用。因此，研究设计高精度、高性能的永磁同步电机成为现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。 伺服驱动器按照功能特征可分为功率板和控制板两个独立的模块，本文在分析交流永磁同步电机控制性能的基础上分别对控制单元和功率驱动单元进行了具体的设计。控制单元作为伺服系统的核心，要求有较高的性能，为此，论文采用意法半导体推出的STM32作为控制核心芯片。它是基于ARM先进架构的Cortex-M3为内核的32位微处理器，

15、主频可高达72 MHz。强大的内核及其丰富的外设使其在马达控制应用领域得到广泛的使用。功率驱动单元应用了IPM(智能功率模块)，与以往的IGBT相比较，IPM FSAM20SH60A内部集成欠电压、过电流和温度检测等保护电路，简化了伺服系统单元的设计，实现了伺服系统的模块化和微型化。而在MCU市场，这项包含技术难点最多也拥有最广泛市场潜力的技术产物从一开始就注定了将会面临比其他技术更强有力的争夺与冲击。纵观MCU市场，目前最主流的构架方式可以分为两类，自主知识产权构架和基于ARM构架的MCU。前者主要包括英特尔的X86构架,飞思卡尔的Power PC，MicroChip的PIC系列，Atmel

16、的AVR系列等，后者则由众多开发基于ARM构架的厂商组成，包括ST,NXP,NEC以及收购了Luminary的TI等。在众多基于ARM构架开发的产品当中，STM32无疑是其中最成功的产品之一。意法半导体MCU市场部经理张军辉在大会中场介绍说，在Google,Baidu 等搜索引擎上查看以STM32以及Cortex M3为关键词的搜索次数，你很容易就能发现，基于STM32的直接搜索量比Cortex M3高出很多倍。“很多人可能不知道Cortex M3，但是却听说过STM32。现在STM32已经成了Cortex M3最好的一张名片。”但是就是这张Cortex M3最好的名片在新一轮市场争夺战中也面

17、临着拓展的问题。怎样更好的符合消费者使用习惯？哪些领域会成为下一个新的市场热点？除了强调功耗的Energy Lite,强调性能的Performance Line，强调应用的Access Line,STM32未来还将有哪些产品链路？依据永磁同步电动机在dq旋转坐标系下的数学模型，在MATLAB/Simulink仿真工具下建立了永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型。仿真模型是基于三角波比较跟踪的电流滞环控制方式，产生PWM信号控制逆变器。通过对仿真结果的分析，验证所采用的控制算法的可行性和正确性。1 绪论1.1 课题的研究背景 电机是一种能够进行机电能量装换的机械设备，它有效地将电能转换成机械能，使

18、得电机可以实现各种运作。因而被广泛地应用于工农业生产、国防工业及社会生活等各个领域。按照电机类型的不同划分电机控制类型，电机调速控制可分为直流调速和交流调速两类。 直流调速即是对直流电动机的调速控制。众所周知，因为直流电动机中产生转矩的两个要素励磁磁通和电枢电流相互间没有耦合的关系，所以直流电机可通过控制相应电流从而就可非常容易的实现电机转速的控制和调节。因此直流电动机调速时易获得良好的静态和动态调速特性。在变速转动领域中，直流电动机调速长期以来都是占据着主导地位。然而由于直流电机本身结构机械换向器和电刷存在重大的缺陷，致使直流电机调速系统的应用推广受到了限制。交流调速则是对交流电动机的速度控

19、制。由于交流电机结构简单、坚固耐用、运行可靠，特别是它克服了直流电机存在电刷和机械换向器而带来的各种限制，因此在工农业生产中得到了极为广泛地推广。但是，由于长期以来受到实现技术的制约，交流电机作为调速电机的应用受到了很大的限制。不过，科学技术的迅猛发展为交流调速的发展创造了有利的技术条件和物质基础。交流电动机可通过采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念来实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，这就实现了将交流电机的控制过程等效为直流电机的控制过程，使得交流调速系统的动态性能得到了显著地改善和提高。 转子采用永磁材料的永磁同步电机，控制系统相对于异步电机而言比较简单，容易实现高性

20、能的控制。稀土永磁电机因而具有结构简单；运行可靠；效率高等显著有点，因而广泛应用于工农业生产、航天航空和日常生活等各个领域。近年来在永磁材料的生产方面出现了突破性的进展，高性能永磁同步电动机的研制也随之有了长足的发展。永磁电机的发展史与永磁材料的发展密切相关的。永磁电机的研究和开发大致分成三个阶段40 (1) 60年代后期和70年代，由于稀土钻永磁材料价格昂贵，研究开发重点是航空、航天使用电机和要求高性能的高科技领域。 (2) 80年代，特别是1983年出现价格相对较低的钦铁硼永磁材料后，国内外的研究开发重点转到工业和民用电机上。稀土永磁的优异磁性能，加上电力电子技术和微机控制技术的迅猛发展，

21、不仅使得许多传统的励磁电机纷纷用稀土永磁电机来取代，而且可以实现传统的电励磁电机所难以达到的高性能。 (3)进入90年代以来，随着永磁材料性能的不断提高，特别是钦铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善，价格的逐步降低以及电力电子技术的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，使得永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得广泛的应用外，也使稀土永磁电机的研究开发进入新阶段。一方面，稀土永磁电机的开发向大功率化、高功能化和微型化方向发展;另一方面，永磁电机的结构工艺和控制技术等方面的研究工作出现了崭新的局面，有关的学术论文和科研成果大量涌现，形成了一整套的研究方法。 随着永磁同步电机在各

22、个领域的广泛应用，对永磁同步电机控制系统的性能也有了高要求，既希望控制系统能有较高的控制精度和较好的稳态性能，又希望控制系统的成本尽可能得低。鉴于此，国内外许多的专家学者提出了各种永磁同步电机的控制策略，部分已获得了很好的实际效果1.2 视频处理器的发展前景 现代交流调速系统由交流电机、电力电子功率变换器、控制器和检测器等四大部分组成。其中，电力电子功率变换器与控制器及检测器合起来称之为变频调速装置。 按照交流电机的分类，交流调速系统可划分为以下两类:异步电动机调速系统和同步电动机调速系统。同步电动机转速公式。= 60 f, /n p(其中f,为定子供电频率，n，为电动机极对数)可知，同步电动

23、机是靠变频调速的。在调速系统中采用同步电动机有以下优点: (1)同步电动机的转速与电源的基波频率保持着严格的同步关系，只要精确地控制变频电源的频率就能准确地控制电机速度; (2)同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有较强的承受能力，能做出较J决反应; (3)同步电机的调速范围比异步电机宽; (4)同步电动机能够利用电动机的反电动势实现负载换流。 因为同步电动机拥有出众的优点，所以同步电动机调速系统越来越受世人的关注。根据频率控制方式的不同，又可将同步电机调速控制系统分为两类，即他控式变频调速和自控式变频调速。 他控式变频调速:用独立的变频装置做永磁同步电动机的变频电源，电动机的转速严格跟随电源频

24、率的变化而变化。他控式变频调速常用于开环控制系统。自控式变频调速:采用频率闭环方式的同步电动机调速系统叫做自控式同步电动机调速系统，是用电机轴上所装转子位置检测器来控制变频装置触发脉冲，从而使得同步电动机可以工作在自同步状态7l。自控式同步电动机变频调速与他控式变频调速相比最大的不同就是能从根本上消除同步电动机转子振荡和失步的隐患。这得益于控制方式本身，因为转子位置检测器控制为同步电动机定子供电的变频装置的输出频率，即定子旋转磁场的转速和转子旋转的转速相等，始终保持同步，因此不会因负载冲击等原因造成失步现象810 自控式变频同步电动机调速系统可分为两类:一类是大、中容量的调速系统，一般采用普通

25、的电励磁结构，通过电刷和滑环引入励磁电流。另一类是小型调速系统，多采用结构更为简单的磁阻式或永磁式同步电动机910 永磁同步电动机控制方法的研究开始于八十年代，由于其与直流电动机相比具有多变量、非线性和强祸合的特性，常用的调速方法不再适用于永磁同步电动机调速控制系统，需采用新的控制算法。国内外的专家学者开始对逆变器供电的永磁同步电动机进行深入的研究。逆变器供电的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同，但在大多数情况下无阻尼绕组。阻尼绕组有以下特点:第一，阻尼绕组产生热量，使永磁材料温度上升;第二，阻尼绕组增大转动惯量、使电机力矩惯量比下降;第三，阻尼绕组的齿槽使电机脉动力矩增大。在

26、逆变器供电情况下，永磁同步电机的原有特性将会受到影响，其稳态特性和暂态特性与恒定频率下的永磁同步电机相比有不同的特点E". 1980年后发表了大量的论文研究永磁同步电机的数学模型、稳态特性、动态特性。A.V.Gumaste等研究了电压型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性及电流型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性【川。由于电子电力科学技术的限制，同步电机的调速技术也受到了相应地制约。然而，随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提高，需要设计出高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电机，G.R.Slemon等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出了现代永磁同步电机的设计方法

27、12-13。随着电力电子技术的飞速发展，各种容量和形式的变频电源、逆变装置的研制成功以及计算机技术、控制理论的发展，因而对永磁同步电机控制系统的性能也有了高要求，即希望控制系统能有较高的控制精度和较好的稳态性能。鉴于此，许多国内外专家学者提出了各种永磁同步电机的控制策略如矢量控制、转矩直接控制等。这些新的控制方法进一步地改进了交流电机的控制性能，使得现代高性能的交流永磁调速系统的动态性能静态性能和动态性能得到了显著的改善，完全能够达到甚至是超过直流电机调速系统静态性能和动态性能的水平1.3 论文主要工作概述本课题是基于ARM Cortex-M3控制芯片对永磁同步电机调速控制系统进行设计。在掌握

28、调速控制系统工作原理和组成、永磁同步电动机动态数学模型等基础上，设计一基于ARM Cortex-M3的永磁同步电动机调速控制系统。ARMCortex-M3芯片可实现电机的矢量控制。为了验证此系统的设计方案的正确性和可行性，利用MATLAB仿真软件进行建模和仿真。论文的研究内容包括以下几个方面: (1)完成永磁同步电机调速控制系统总体方案的设计; (2)完成永磁同步电机调速控制系统的硬件电路的设计; (3)给出永磁同步电机调速控制系统的软件设计流程; (4)利用MATLAB/Simulink仿真工具，实现永磁同步电动机矢量控制系统的仿真。1.4 论文的组织结构论文的内容组织与章节安排如下: 第一

29、章绪论:介绍了本文课题研究的背景，对同步电机调速系统的概况和永磁同步电机调速系统的发展状况分别进行简述，同时叙述了课题研究的意义和内容。 第二章永磁同步电机的矢量控制:本章节以正弦交流驱动的永磁同步电动机为研究对象，首先提出了矢量控制的基本原理。而后本章节又介绍了矢量坐武汉理工大学硕士学位论文标变换的基本规律，根据坐标变换提出dq坐标系下永磁同步电动机的数学模型，这里还包括电压回路方程、磁链方程以及转矩方程等。这些电磁间独特的关联，特别是定子电流和转子电流的相互作用而产生的磁通和转矩间的关系，为实现对永磁同步电动机系统的控制即实现在定向坐标系上各量的控制，提供了理论基础。文章最后画出了基于id

30、 = O矢量控制方式的永磁同步电动机调速系统的原理框图。 第三章矢量控制系统电流环和速度环的设计:本章对永磁同步电动机调速控制系统的电流环和速度环进行理论分析，为电流环、速度环建模提供理论依据。之后，计算电流环和速度环的传递函数值。 第四章基于ARM Cortex矢量控制系统的硬件设计:详细的阐述永磁同步电动机调速控制系统的硬件设计，分别介绍控制系统各个模块电路的工作原理和实现的功能。画出永磁同步电动机调速控制系统电路图，包括控制电路、电流检测电路、逆变电路等，详细说明各电路的组成情况和电路中使用到的元器件选择。 第五章永磁同步电机矢量控制系统的软件设计:基于硬件电路设计的基础上，详细叙述调速

31、控制系统中各个模块的软件设计思路，并且在文中给出了软件设计流程图。 第六章永磁同步电机矢量控制系统的仿真:本章在MATLAB仿真工具中对系统的坐标变换模块、电流环控制模块和逆变模块进行模块化设计，而后将各个模块组合形成永磁同步电动机调速控制系统的整体，实现对整个系统的建模和仿真。最后分析得出的仿真结果。 第七章总结和展望:本章节对全文进行概括和总结。总结了永磁同步电动机调速控制系统的研究成果，并展望永磁同步电动机调速控制系统的研究前景。2 基于STM32的电机驱动系统总体设计2.1 设计需求 在分析交流永磁同步电机控制性能的基础上分别对控制单元和功率驱动单元进行了具体的设计。控制单元作为伺服系

32、统的核心，要求有较高的性能，为此，采用意法半导体推出的STM32F103作为控制核心芯片。它是基于ARM先进架构的Cortex-M3为内核的32位微处理器，主频可高达72 MHz。强大的内核及其丰富的外设使其在马达控制应用领域得到广泛的使用。功率驱动单元应用了IPM(智能功率模块)，与以往的IGBT相比较，IPM FSAM20SH60A内部集成欠电压、过电流和温度检测等保护电路，简化了伺服系统单元的设计，实现了伺服系统的模块化和微型化。2.2 方案选择3 基于ARM Cortex矢量控制系统的硬件设计3.1基于ARM Cortex矢量控制系统的设计方案 早期，调速控制系统的控制器多由模拟电子电

33、路组成。但是，随着微机控制技术的发展，特别是以单片机、DSP和ARM为控制核心的微机控制技术的发展，使得调速控制系统走向数字控制。数字化使得控制器许多难以实现的复杂控制得以解决，如矢量控制中的坐标变换计算和解祸控制等等。 目前，市面上有很多专用电机控制的芯片可供选择。其中，美国TI公司设计推出的以TMS320C2000系列为内核的控制器将电机控制中常用的硬件电路固化在芯片中，且提供了众多的外设接口，可以说是具有强大的接口能力和嵌入功能。特别适用于有大批量数据处理的控制场合，如电机控制、伺服系统和工业自动化控制等等22。意法半导体公司推出的STM32系列微控制器是为满足价格敏感的家用电器和工业设

34、备对微控制器的高性能和低能耗的要求而专门开发。STM32微控制器以性能强大的Cortex-M3为芯片内核。Cortex-M3处理器是一个低功耗的处理器，具有门数少，中断延迟小，调试容易等特点。对于系统和软件开发，Cortex-M3处理器具有以下优势:小的处理器内核、系统和存储器，可降低器件成本;完整的电源管理;快速的中断处理，满足高速、临界的控制应用;增强的系统调试功能，可加快开发进程等等23-24 o STM32的内核和专用电机控制外设都有充足的处理能力来优化驱动器的性能，最小化系统总体成本。下面就针对上述两厂家的电机控制专用芯片做个比较。比较内容从内核性能和与运动控制相关的片内集成外设性能

35、两个方面进行。 性能参数 STM32 TMS320LF240 内核 32位ARM cortex-M3 16位C2000 工作电压范围2.0-3.6V 3.0-3.6V 最高工作频率72MHz 40MHz 最高运算速度90MIPS 40MIPS 体系结构 哈佛结构 哈佛结构 内部程序空间128K字flash 32K字flash 内部数据空间20K字SRAM 2.5K字RAM DMA 7通道 无 PWM 1*6路16位 2*6路16位 A/D 16通道12位lus, 16通道10位500ns, 采用范围:0-3.6位 采用范围:0-3.3V 输入捕获单元4 6 表3-1 STM32和TMS320L

36、F240性能参数 由上表3-1可看出，由于内置了单周期的硬件乘法及除法单元，STM32可完成复杂的矩阵运算，轻松实现电机矢量控制;先进的PWM发生器及双采样12位AD转换器，可实现更精确地控制;DMA, USB等丰富的外设，方便对电机进行更周密的监控及大量数据传送;兼容5V电平、内置智能切换时钟电路、低电压监测电路、工业级温度范围可稳定运行于恶劣的工业领域以及汽车领域。 STM32微控制器内置有高级控制定时器( TIM I和TIM8 )、通用定时器(TIMx )以及基本定时器(TIM6和TIM7 )。高级控制定时器由一个16位的自动装载计数器组成，由一个可编程的预分频器驱动。它适合多种用途，包

37、含测量输入信号的脉冲宽度(输入捕获);产生输出波形(输出比较、PWM、嵌入死区时间的互补PWM等);使用定时器预分频器和RCC时钟控制预分频器，可以实现脉冲宽度和波形周期从几个微妙到几个毫秒的调节;支持定位的增量(正交)编码器和霍尔传感器电路。通用定时器也是由一个通过可编程预分频器启动的16位自动装载计数器构成。除了不能输出嵌入死区时间互补的PWM波形外，其他的功能和高级控制定时器没有太大的区别。基本定时器TIM6和TIM7各包含一个16位自动装载计数器，由各自的预分频器驱动。它们可以作为通用定时器提供时间基准，特别地可以为数模转换器提供时钟2a0 STM32微控制器内的ADC是一个12位逐次

38、逼近型模拟数字转换器。它有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。 在已设计的矢量控制系统原理图的基础上，本文设计的永磁同步电动机矢量调速控制系统硬件结构图如图4-1所示。永磁同步电动机矢量调速控制系统是由主回路和控制回路两部分组成。系统主回路采用交一直一交电压源型变频器的形式来给永磁同步电机供电，它是由整流滤波电路和逆变电路构成的。电路将输入的三相交流电通过整流滤波环节将之转换为直流电，逆变电路再将直流电变换为频率可调的三相交流电输出至永磁同步电动机，以实现电机调速控制的目

39、的。控制回路采用了STM32F 103RC增强型控制器，工作频率是在72MHz,且其带有片内4GB的存储器空间和丰富的外设。STM32自带的固件库提供访问其外设所需的库函数。ARM Cortex-M3芯片需要完成以下功能: (1)正弦波脉冲宽度调制控制算法:利用高级控制定时器TIM I实现脉冲宽度调制，控制逆变电路中的功率器件的导通和断开; (2)电流采样计算:采集电机的三相定子电流瞬时值输入至控制芯片处理，将模拟电流转化为数字信号; (3)坐标的矢量变换:三相定子坐标与旋转坐标之间坐标变换算法的实现; (4)速度和电流调节器:实现速度环和电流环调节; (5) IPM保护信号处理:IPM保护中

40、断处理。:启动延时电路: Tio图3-1基于ARM Cortex的永磁同步电机矢量控制系统结构图3.2系统的主回路 永磁同步电动机矢量控制系统由主回路、脉宽调制逆变器、永磁同步电机、电流检测电路、速度检测电路组成。由图4-1可知，主回路由四个部分组成，从左至右分别是整流滤波电路、启动延时电路、能耗电路以及DC/AC逆变电路。首先，整流电路采用三相不可控整流桥，将三相交流电转换为两相直流电压供给永磁同步电机。而在直流侧并联一电容是为滤除整流后直流电压中的谐波分量。为了达到保护整流桥的目的，需在电路中加入一启动延时电路。因为在主回路刚刚启动的一小段时间内，继电器是处于断开的状态而串联在主回路中的电

41、阻R3则是导通的，这样的设计是为限制整流电路直流侧电容的充电电流。等到电容器充电完成后，继电器闭合，致使电阻R3短路。其次在电机制动时，电机处于发电状态，与其相连的直流侧电路中将产生大量的电能，导致该边路上的电容储能增加，相应地该侧直流电压也随之不断升高，最终会对逆变器的安全构成威胁，因而需要在直流侧增加一消耗电能的回路。由图4-1可知，能耗电路是由电阻R1和开关管Tll两者组成。当直流侧电压超过设定值时，开关管导通，电阻R1与直流侧构成回路从而会消耗掉电路中额外的电能。除此之外，还可以看到在整流器的直流端并联着一发光二极管的回路。该二极管不仅可以表示主回路电源是否己接通，而且在电源被切断后可

42、以指示滤波电容是否已完成放电过程。与发光二极管串联在一起的电阻R2是为了抑制过电压、减少分支电流，保护逆变电路，保证主回路的正常且平稳运行。 逆变电路却是将二相直流电转换成三相变频交流电输入至电机，是主回路的重要组成部分。本文采用智能功率模块IPM作为逆变电路的主体。IPM是将电力电子器件与驱动电路、保护电路、检测电路等集成在一个芯片或模块内，使装置更趋小型化、智能化21. IPM中的功率器件一般由功率器件IGBT充当。同时IPM内置有驱动和保护电路。驱动电路与功率器件更好地匹配，这使得功率器件工作更加可靠。IPM中的保护电路可以实现控制电压的欠压保护、过流保护、过热保护和短路保护。如果IPM

43、模块中有一种保护电路的有动作，功率器件栅极驱动单元就会关断门极电流并输出一个故障信号。 在矢量调速系统中，采用脉冲宽度调制的逆变电路可降低电路中输出电压的谐波分量，使得电路的输出电压更加趋近于正弦波形。逆变电路里功率元器件的开关频率决定谐波分量，而功率器件的开关频率又受器件的开关时间所控制。在选择逆变电路的功率器件时，不仅要考虑到使逆变输出的电压更加趋近于正弦波形，而且要想方设法降低器件的开关损耗。逆变电路选择的计算如下: 功率器件峰值电压为:U,=扼Ua=拒x 220 = 311(V) 功率器件电压额定为:U=1.5 x1.1xU,n -1.5 x1.1 x311=513.15(.V) 功率

44、器件峰值电流为:I。一2扬，一2拒x 2.8一7.9(A) 功率器件电流定额为:I=1.5xl.lxlm =1.5.x1.1x7.9=13.035(A) 武汉理工大学硕士学位论文 计算公式中:数值1.1是电容滤波后的电感升高系数:数值1.5为安全裕量。 依据上述计算，本文采用三菱公司的智能功率模块PS21867，完全满足上述要求。该智能功率模块集电极一发射极电压为600V，直流母线浪涌电压为500V，集电极电流为30A，集电极峰值电流为60A。智能功率模块PS21867采用低功耗的IGBT管;具有完整的功率输出电路，可直接连接负载;内置有栅极驱动电路和保护电路X261 o IPM PS2186

45、7内部的功率器件是高电平触发有效。 应用智能功率模块的时候需考虑STM32芯片的驱动能力和信号的隔离。因为IPM已经自带有驱动电路，所以只需考虑控制信号的光电隔离问题。之所以要加入光电隔离，是为了防止将高压信号引入控制电路，避免逆变器对控制芯片的干扰。本设计中选择的驱动隔离光藕为HCPL4504，是美国安捷伦公司专为IPM等功率器件设计的光电隔离接口芯片。HCPL4504的响应时间小于0.3 ps，内部集成高灵敏度光传感器，极短的寄生延时为IPM应用中的高速开关死区时间确保了安全271。图4-2中，画出某一相上桥臂信号的PWM信号通过高速光藕HCPL4504输入至逆变模块IPM，其他各相上下桥

46、臂信号的连接与此相类似。P是指三相的上桥臂，n是指三相的下桥臂。不过，各相所使用的控制电源不是同一个。上桥臂三相每相都是使用各自独立的电源，三个电源分别为V2+/V2G, V3+N3G, V4+N3G，而下桥臂三相共用同一组电压源V1+NlGo一路PWM信号输入 图3-2 IPM六路PWM信号输入连接图 逆变器IPM需要四组隔离的驱动电源，其中每相的上桥臂单独使用一组电源，三相的下桥臂共用一组电压源。这么设计是为了消除IPM中功率器件相互之间的电磁干扰。IPM的控制电压和驱动电压正常工作时的电压值范围在13.5V-16.5V之间。若控制电压的供给低于规定值且时间超过设定值，则发生欠压保护，就要

47、封锁门极驱动电路，输出故障信号;若电压超过设定值，芯片武汉理工大学硕士学位论文可能会烧毁。若驱动电压低于设定最小值，那么IGBT不能够导通;若驱动电压超过设定最大值，保护电路的效果会不断减弱。假如驱动电压远超16.5V,那么功率器件IGBT会被击穿ZS。一般情况下，IPM的控制电源和驱动电源的值设为15V. JS158是专为使用IPM作为逆变装置设计的开关电源。具有独立8路输出，输入电压范围宽，保护全等优点，适合变频驱动器。8路输出管脚V1+/VlG, V2+/V2G, V3+/V3G, V4+/V3G提供四组15V电压信号，分别至IPM的驱动和控制电源接口的正负极。IPM的驱动电源接口分别是

48、:Vufb/Vufs,Vvfb/Vvfs, Vwfb/Vwfs，控制电源接口Vpl/Vpc, VnINnco 由图4-3可知，栅极驱动与主电路相连，主电路中通常有很大的浪涌电压，会导致功率回路产生感应电压，使得原本已经截止的功率器件IGBT导通。因此，需要在直流母线间增加一吸收电容。 Vp1 P 、 Vufb P V2+ Vufs N V2G 1上 、Vpl u V3+ 丁下 Vvfb V V3G Vvfs w .75158. I尸人7 V4十 Vp1 V4G . Vwfb V1+ n 、 Vwfs V1G 厂1 、 Vn1 N Vnc . ·Vpc ， 、 、 图3-3智能功率模块

49、IPM控制电路图3.3电流检测电路 在矢量控制系统中，控制器需要及时准确地知道电机绕组中的实际电流值，以实现电机控制。实时、准确、可靠地电流采样电路，可以提高电机控制的精度。电流检测可选用的元器件种类很多，霍尔电流传感器是目前普遍采用的。霍尔传感器的特点是测量精度高、线性度好、电隔离性能好以及响应速度快。武汉理工大学硕士学位论文霍尔电流传感器有磁平衡式和直测式两种形式，磁平衡式的响应速度较快，输出形式为电流源，一须经电阻转换成电压信号;直测式的响应速度较慢，输出形式为电压源，不需要转换电阻290 电流采样电路的主要功能是将霍尔电流传感器检测得到的定子电流信号进行硬件滤波、幅值调整、偏移量调整、

50、限幅后送给调速控制系统的控制芯片STM32的A/D转换口。由于永磁同步电动机定子三相常接成星型，且中点悬空，三相中只有两相独立，故电流采样电路只需要检测定子两相的电流，另外一相的反馈电流值等于测到的两相电流值相加取反的值30。由永磁同步电机的数学模型可知，定子电流检测的精度和实时性是整个调速控制系统精度的关键。本系统采用LTS25-NP型传感器来检测反馈电流。该传感器有正极(+5)、测量端OUT、接地端。该传感器是闭环霍尔电流传感器，使用霍尔器件作为核心敏感元件。由两个霍尔传感器检测a, b相的电流，得到电流瞬时值，经转换电路，变成0-3.6V的电压信号。经ARM的模/数模块再做标量处理，将采

51、样值换算成相应地数值保存至数值寄存器。图4-4是电流检测反馈电路。电流检测输入STM32的AID口 图3-4电流检测反馈电路图 图3-4中，电阻比值R刀R1决定幅值调整的倍数，将输入电压幅值增大2倍。电阻R3=R4，电压信号vREF+来自STM32的ADC模拟输入参考电压输入端，为3.6V。这样当检测输入信号为零时，检测输出为魄F、的一半1.8V。目的是负反馈过来的电压值正向偏置1.8V。二极管D1, D2用来实现电压限幅，输出电压值范围在0-3.6V。电阻R2和电容C1实现硬件滤波。 虽说通过霍尔电流传感器也可实现强弱电的隔离，但是在实际的应用过程中，传感器检测输出端仍旧会伴有一些开关噪声，究其原因是:当原边被测导体所在桥臂的功率器件开关状态发生变化时，电位发生突变这会通过霍尔电流传感器原副边间的电容和电感等元器件祸合到副边。因为硬件滤波不能有效地将其消除掉，所以为解决问题需在缘边导体穿过霍尔电流传感器的地方，用铜皮在原边导体绝缘层外边环绕一周，并将其和装置的金属外壳相连。3.4转子速度检测 测速环节是速度闭环控制系统的关键。电机转速检测的精度将直接影响调速控制系统的稳定性和控制精度。增量式光电编码器是电动机控制中常用传感