【正文】 推出了各自的專用芯片。電機控制領域中常用的是 TI 公司TMS320F2000系列的DSP芯片。2000系列的DSP主要經(jīng)歷了TMS320F20x、TMS320F24x和TMS320F28x三代，運算速度逐漸加快，存儲容量逐漸加大，功能越來越強，功耗也越來越小。其中TMS320F2812是32 位可進行浮點運算的定點數(shù)字處理器，運算速率達到150MIPS，片上RAM達18k16bit，片內(nèi) Flash達128k16bit ，可擴展 RAM達1M16bit，支持 45 個外部中斷，可擴展SPI、SCI 、eCAN 、McBSP等串行通訊外設，具有 128 位保護密碼、兩個電機控制外設事件管理器和16路12位高精度AD轉換通道等豐富的資源，非常有利于高復雜、高精度控制策略的實現(xiàn)。 本文研究的主要內(nèi)容 本次畢業(yè)設計的主要內(nèi)容是利用DSP2812控制永磁同步電機的控制，利用DSP2812開發(fā)板以及仿真器實現(xiàn)程序的仿真。在研究DSP2812控制永磁同步電機的控制之前，本文先對永磁同步電機以及控制芯片的發(fā)展做了簡單的介紹，并詳細介紹了空間電壓矢量SVPWM調制方式，最后結合設計對系統(tǒng)硬件部分做了簡要說明，并給出了基于DSP 芯片的軟件編程。2永磁同步電機結構及控制原理 交流調速理論包括矢量控制和直接轉矩控制。1971年，由F．Blaschke提出的矢量控制理論第一次使交流電機控制理論獲得了質的飛躍。矢量控制的基本思想是在普通的三相交流電動機上設法模擬直流電動機轉矩控制的規(guī)律，在磁場定向坐標上，將電流矢量分解成為產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉矩的轉矩電流分量，并使得兩個分量互相垂直，彼此獨立，然后分別進行調節(jié)。這樣交流電動機的轉矩控制，從原理和特性上就和直流電動機相似了?？刂撇呗缘倪x擇上是PID控制，傳統(tǒng)的數(shù)字PID控制是一種技術成熟、應用最為廣泛的控制算法，其結構簡單，調節(jié)方便。永磁交流伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢如下：(1)電機調速技術的發(fā)展趨勢是永磁同步電機將會取代原有直流有刷伺服電機和步進電機及感應電機。(2)綠色化發(fā)展。由于全球電能的80％以上通過電力變換裝置來消耗，作為廣泛使用的電力變換裝置的變頻器，將朝著節(jié)約能源，降低對電網(wǎng)的污染和對環(huán)境的輻射干擾，延長電機使用壽命的綠色化方向發(fā)展。 永磁同步電動機分類方法較多：按工作主磁場原理方向的不同，可分為徑向磁場式和軸向磁場式；按電樞繞組位置不同，可分為內(nèi)轉子式和外轉子式；按轉子上有無啟動繞組，可分為無啟動繞組的電動機和有啟動繞組的電動機(又稱為異步啟動永磁同步電動機)；根據(jù)極對數(shù)的不同，永磁同步電機可分為單極和多極；根據(jù)磁通分布或反電動勢波形，可分為永磁無刷直流電動機和永磁同步電動機。 永磁同步電機的控制策略現(xiàn)代交流調速控制策略主要有：矢量控制、直接轉矩控制、變壓變頻控制、轉差頻率控制等。針對永磁同步電機，控制策略主要有矢量控制和直接轉矩控制，本節(jié)主要介紹矢量控制策略。交流電機都是多變量、強耦合、時變的高階復雜系統(tǒng)，對于系統(tǒng)分析和控制思想的實現(xiàn)都有很大的難度，如果能將非線性時變的問題轉換為線性時不變的問題，那么系統(tǒng)的分析和控制都將得到大大的簡化。矢量變換控制的實質是：以從電機真實物理模型建立起來的數(shù)學模型為基礎，經(jīng)過一系列的坐標變換，將原來的數(shù)學模型變換成公共旋轉坐標系中的等效兩相模型（dq模型），然后通過對公共坐標系統(tǒng)中相關矢量進行獨立控制，最后利用坐標反變換獲得三相靜止坐標系中的控制量，從而實現(xiàn)對電機的控制。矢量變換中的公共坐標系通常是建立在某一磁場（定子磁場、轉子磁場或氣隙磁場）矢量的位置上，也就是由該磁場矢量確定的公共坐標系，因此矢量變換控制也稱為磁場定向控制（Field_Oriented Control，簡稱 FOC）。矢量控制的公共坐標系通常以轉子磁場定向來建立的，因而矢量控制也可以稱之為轉子磁場定向控制。 對于永磁同步電機來說，電機的轉子是永磁體，因其參數(shù)對定子的影響相對較小，而且公共坐標系可以選擇永磁磁鏈的方向，可以極大簡化系統(tǒng)的分析，所以多數(shù)永磁同步電機調速系統(tǒng)采用矢量變換控制策略。SVPWM 控制是針對形成旋轉的圓形磁場提出的，其基本思想是把電動機和PWM控制逆變器作為一個整體，通過選擇逆變器的不同開關模式，使的電機定子繞組產(chǎn)生圓形的旋轉磁場。SVPWM 控制具有易于實現(xiàn)數(shù)字化、電壓利用率高、開關頻率固定等優(yōu)點。電機控制的目的是產(chǎn)生圓形的旋轉磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉矩，所以SVPWM 控制技術比較適合于電機控制。永磁同步電機的數(shù)學模型主要包括電壓平衡方程、運動方程和轉矩方程。在永磁同步電機動態(tài)過程中存在永磁體與繞組、繞組與繞組之間的相互影響，電磁關系十分復雜，要精確建立永磁同步電機的數(shù)學模型十分困難。因此數(shù)學模型的建立做以下假設：轉子永磁磁場在氣隙空間中為正弦分布、電樞繞組的反電勢波形為正弦、忽略定子的鐵心飽和，認為磁路線性、不計鐵心和渦流損耗、轉子沒有阻尼繞組；矢量控制中，電機的變量，如電流、電壓、電動勢和磁通等，均由空間矢量來描述，并通過建立電動勢的動態(tài)數(shù)學模型，得到各物理量之間的關系，通過坐標變換，在定向坐標系上實現(xiàn)各物理量的控制和調節(jié)。坐標系以及坐標變化在本文中，將涉及到以下幾種，對其進行一一介紹。（1）三相定子坐標系(ABC坐標系) PMSM的定子中有三相繞組，其軸線分別為A,B,C，且彼此間互差1200的空間電角度。當定子通入三相對稱交流電時，就產(chǎn)生了一個旋轉的磁場。三相定子坐標系定義如圖21所示。圖 21 三相定子坐標系（2）定子靜止直角坐標系(坐標系)為了簡化分析，定義一個定子靜止直角坐標系即坐標系(圖22)，其α軸與A軸重合，軸超前β軸900。如果在軸組成的兩相繞組內(nèi)通入兩相對稱正弦電流時也會產(chǎn)生一個旋轉磁場，其效果與三相繞組產(chǎn)生的一樣。因此可以將兩相坐標系代替三相定子坐標系進行分析，從而達到簡化運算的目的。圖22 定子靜止坐標系（3）轉子旋轉直角坐標系(dq坐標系)轉子旋轉坐標系固定在轉子上()，其d軸位于轉子軸線上，q軸超前d軸900，空間坐標以d軸與參考坐標軸之間的電角度確定。該坐標系和轉子一起在空間以轉子速度旋轉，故相對于轉子來說，此坐標系是靜止的，又稱為同步旋轉坐標系。圖23 定子靜止坐標系與轉子旋轉坐標系下面介紹坐標變換關系：三相定子坐標系與兩相定子坐標系變換(3s2s)圖22中繪出了ABC和兩個坐標系，為了方便起見，取A軸與α軸重合。設三相繞組每相有效匝數(shù)為N3，兩相繞組每相有效匝數(shù)為N2，各相磁動勢為有效匝數(shù)與電流的乘積，其空間矢量均位于有關相的坐標軸上。設磁動勢波形是正弦分布的，當三相總磁動勢與兩相總磁動勢相等時，則兩套繞組瞬時磁動勢在α，β軸上的投影也相等寫成矩陣形式得： ()考慮變換前后總功率不便，在此前提下，可以證明，匝數(shù)比應為 ()代入式（）得 ()令表示從三相坐標系變換到兩相坐標系的變換矩陣，則 ()如果三相繞組是Y型聯(lián)結不帶零線，則有]，代入式（）和式（）并整理后得: () 按照所采用的條件，電流變換陣也就是電壓變換陣，同時還可證明，它們也是磁鏈的變換。兩相定子坐標系與兩相轉子旋轉坐標系變換(2s2r)圖23是兩相坐標系到兩相旋轉坐標系的變換，簡稱2s2r變換，其中s表示靜止，r表示旋轉。把兩個坐標系畫在一起，如圖24所示。兩相交流電流、和兩個直流電流、產(chǎn)生同樣的以同步轉速旋轉的合成磁動勢。由于繞組匝數(shù)都相等，可以消去磁動勢中的匝數(shù)，直接用電流表示。在圖25中，d、q軸和矢量（）都以轉速旋轉，分量、的長短不便，相當于d、q繞組的直流磁動勢。但、軸是靜止的，軸與d軸的夾角隨時間而變化，因此在、軸上的分量、的長短也隨時間變化，相當于、繞組交流磁動勢的瞬時值。由圖可見，、和、之間存在下列關系圖25兩相靜止和旋轉坐標系與磁動勢（電流）空間矢量 ()寫成矩陣形式，得式中 () 是兩相旋轉坐標系變換到兩相靜止坐標系的變換矩陣。對式（）兩邊都左乘以變換陣的逆矩陣，得： ()則兩相靜止坐標系變換到兩相旋轉坐標系的變換陣是: ()電壓和磁鏈的旋轉變換陣也與電流（磁動勢）旋轉變換陣相同，其中為x軸與d軸的夾角，即轉矩角。下面介紹永磁同步電機在各個坐標系下的數(shù)學模型：1）永磁同步電機在ABC坐標系上的數(shù)學模型對于三相繞組電動機，在忽略了內(nèi)部繞組電容的前提下，其電壓矢量和磁鏈矢量： () () 其中：為定子電壓矢量，和，分別表示定子電阻和定子電感，和分別表示定子磁鏈矢量和轉子磁鏈矢量，表示定子電流。根據(jù)式()和式()，可以得到永磁同步電機三相繞組的電壓回路方程如下： ()其中為、各相繞組端電壓，、為各相繞組電流，、為轉子磁場在定子繞組中產(chǎn)生的交鏈，為微分算子。由于假設轉子磁鏈在氣隙中呈正弦分布，根據(jù)圖21及圖222可知： ()另外，對于星形接法的三相繞組，根據(jù)基爾霍夫（Kirchhoff）定律有 ()聯(lián)合式（）、式（）和式（）整理可以得到： （） 2）永磁同步電機在坐標系上的數(shù)學模型 （）根據(jù)坐標變換理論，對用此同步電機在ABC坐標系下的數(shù)學模型進行3s2s的坐標變換，就可以得到在αβ坐標系下的數(shù)學模型。由式（）、（）和（）可得電壓方程 （） 其中、分別為定子電壓在軸上的的分量，、為在 軸上的電感分量，其中，為轉子磁鏈在定子側的耦合磁鏈，為轉子角速度。3）永磁同步電機在坐標系上的數(shù)學模型在坐標系下建立永磁同步電機的數(shù)學模型，對于分析永磁同步電機控制過程系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能都十分方便。對永磁同步電機在坐標系的數(shù)學模型進行2s2r坐標變換，就可以獲得永磁同步電機在坐標系下的數(shù)學模型。由式()和式()得到永磁同步電機在dq坐標系下的電流方程： ()其中、分別為定子電流在dq坐標系下的分量，結合式()整理得 （） 永磁同步電機在dq坐標系磁鏈方程 ()()、()電壓方程為： （） （） ()轉矩方程為： ()運動方程為： ()其中為轉動慣量，為轉矩負載。其中、、分別是定子繞組、軸的磁鏈、電壓、電流和電感，、為定子端電壓、磁鏈和定子繞組電阻；為轉子磁鏈在定子側的耦合磁鏈，、為電機極對數(shù)、電磁轉矩和角頻率，為微分算子。以上即是永磁同步電機在同步旋轉坐標軸系下的數(shù)學模型。 SVPWM基本原理把逆變器和交流電動機視為一體，按照跟蹤圓形旋轉磁場來控制逆變器的工作，這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制”，磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的，所以又稱“電壓空間矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制”。 空間矢量的定義 交流電動機繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時間變化的，分析時常用時間相量來表示，但如果考慮到它們所在繞組的空間位置，也可以如圖所示，定義為空間矢量uA0，uB0，uC0。 圖26 電壓空間矢量電壓空間矢量的相互關系,定子電壓空間矢量：uA0、uB0、uC0的方向始終處于各相繞組的軸線上，而大小則隨時間按正弦規(guī)律脈動，時間相位互相錯開的角度也120176。合成空間矢量：由三相定子電壓空間矢量相加合成的空間矢量us是一個旋轉的空間矢量，它的幅值不變，是每相電壓值的3/2倍。當電源頻率不變時，合成空間矢量us以電源角頻率1為電氣角速度作恒速旋轉。當某一相電壓為最大值時，合成電壓矢量 us 就落在該相的軸線上。用公式表示，則有 （）與定子電壓空間矢量相仿，可以定義定子電流和磁鏈的空間矢量 Is 和Ψs 三相的電壓平衡方程式相加，即得用合成空間矢量表示的定子電壓方程式為： （） us — 定子三相電壓合成空間矢量； Is — 定子三相電流合成空間矢量；s— 定子三相磁鏈合成空間矢量。 當電動機轉速不是很低時，定子電阻壓降在式（）中所占的成分很小，可忽略不計，則定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關系為： （） （） 磁鏈軌跡:當電動機由三相平衡正弦電壓供電時，電動機定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉，磁鏈矢量頂端的運動軌跡呈圓形（一般簡稱為磁鏈圓）。這樣的定子磁鏈旋轉矢量可用下式表示。 （） 其中 Ψm是磁鏈Ψs的幅值，wW1為其旋轉角速度。由式（）和式（）可得（） 上式表明，當