【正文】 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于DSP的永磁同步電機(jī)控制設(shè)計(jì)總說(shuō)明 3Abstract 41. 緒論 5 交流調(diào)速概述 5 相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展 5 功率器件發(fā)展 5 變頻技術(shù)發(fā)展 6 電機(jī)制造技術(shù)和交流調(diào)速理論的發(fā)展 6 控制理論發(fā)展 7 微處理器發(fā)展 8 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)和發(fā)展方向 8 本文研究的主要內(nèi)容 92永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)及控制原理 9 9 9 10 10 永磁同步電機(jī)的控制策略 10 11 SVPWM基本原理 18 空間矢量的定義 18 18 六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 20 T1，T2，T0的計(jì)算 23 24 27 29第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 34 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì) 34 主控芯片DSP2812的基本特征 35 DSP外設(shè)介紹 35 41. 1 整流濾波電路的設(shè)計(jì) 41 逆變電路的設(shè)計(jì) 42 測(cè)速電路的設(shè)計(jì) 43 44圖32 SCI接口電路圖 44 45 LED顯示電路 45光耦隔離電路 462. 第五章軟件設(shè)計(jì) 47 DSP開發(fā)軟件的安裝與應(yīng)用 47總結(jié)與致謝 56參考文獻(xiàn) 57第 75 頁(yè) 共 75 頁(yè)基于DSP的永磁同步電機(jī)控制設(shè)計(jì)總說(shuō)明 隨著電力電子技術(shù)現(xiàn)代控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)微芯片技術(shù)的迅速發(fā)展,在交流調(diào)速技術(shù)中,變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速性能和高效節(jié)能效果等優(yōu)點(diǎn)成為了國(guó)內(nèi)外交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展方向,現(xiàn)階段運(yùn)用計(jì)算機(jī)電子技術(shù)的最新發(fā)展成果將成熟的電機(jī)控制理論應(yīng)用并構(gòu)建成完整的系統(tǒng)已經(jīng)是該領(lǐng)域內(nèi)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。在交流伺服系統(tǒng)中，由于電機(jī)本身具有的非線性和強(qiáng)耦合特性，其控制方法相當(dāng)復(fù)雜，因此用普通單片機(jī)很難取得良好的控制效果。本文中采用TI公司的高速數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812為控制核心，利用空間矢量脈寬調(diào)制控制算法，可以有效地解決電機(jī)的強(qiáng)耦合特性；適時(shí)地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、速度和位置狀態(tài)；并且不用過(guò)大體積的能量變換裝置即可隨意地控制瞬態(tài)電流的幅值；當(dāng)采用正弦波電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以完全消除轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。采用TMS320F2812定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器為主控芯片，完成電流環(huán)、速度環(huán)，位置環(huán)的算法實(shí)現(xiàn)及其控制。由于TMS230F2812的高集成、高性能的特點(diǎn)，使得控制系統(tǒng)具有控制精度高、硬件簡(jiǎn)單、可靠性能高等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)主要由DSP、IPM（智能功率模塊)、檢測(cè)電動(dòng)機(jī)速度信號(hào)和電流信號(hào)的傳感器、光電隔離電路、電源電路等組成。首先，傳感器將檢測(cè)到的定子相電流信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)送入DSP的ADC和QEP，DSP對(duì)檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算處理后產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)，經(jīng)光電隔離后，驅(qū)動(dòng)IPM智能功率模塊以產(chǎn)生期望的電壓來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行。此外，系統(tǒng)還具有鍵盤設(shè)定及顯示功能。本論文是基于電機(jī)矢量控制理論構(gòu)建了系統(tǒng)的模型并以TI公司的電機(jī)控制專用DSP 芯片TMS320F2812 為核心設(shè)計(jì)開發(fā)了一套針對(duì)永磁同步電機(jī)的變頻調(diào)速數(shù)字化控制系統(tǒng)。，DSP 2812芯片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電機(jī)的空間矢量控制理論以及PWM逆變技術(shù)。給出了系統(tǒng)的硬件總體方案和主要模塊的設(shè)計(jì)，包括主控制電路以及一些器件模塊的選取，采用空間電壓矢量SVPWM調(diào)制方式并給出了基于DSP 芯片的軟件編程。關(guān)鍵字：DSP2812； 空間電壓矢量控制；永磁同步電機(jī)AbstractAs the rapid development of modern control technology power electronic technology and puter microchip technology, the speed of regulating technique, frequency control of motor speed, with its excellent speed regulating performance and advantages of high efficiency and energy saving effect ,has bee a development direction of ac speed regulating system both at home and abroad, using the latest developments of puter electronic technology at the present stage to apply mature motor control theory, and build into a plete system has been a hot spot of research in this area.This paper is based on the theory of motor vector control system model ,the motor control special DSP chip TMS320F2812 of TI pany as the core was designed,developed a set of digital frequency control of motor speed control system for permanent magnet synchronous motor. DSP development software ,the installation and application of DSP chip 2812 structure characteristics ,and the space vector control theory of motor and PWM inverter technology presents are introduced in detail in this paper. Gives the system scheme of hardware and the main module design, including the selection of main control circuit and some device the space voltage vector SVPWM modulation method and the software programming based on DSP chip is givenKey words: DSP2812 ；voltage space vector control；permanent magnet synchronous moto1. 緒論 交流調(diào)速概述 在電力系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷約占總發(fā)電量的60%~70%。電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，不僅要具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率，而且應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求，控制和調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度。調(diào)速系統(tǒng)是伺服系統(tǒng)的重要組成部分，其性能對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能起著決定性的影響，因此，調(diào)速系統(tǒng)一直是傳動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。調(diào)速系統(tǒng)是由功率部分、執(zhí)行部分和控制部分三大要素組成的一個(gè)有機(jī)整體，各部分之間的不同組合，構(gòu)成多種多樣的調(diào)速系統(tǒng)。長(zhǎng)期以來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)因其調(diào)速性能優(yōu)越而掩蓋了其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以維護(hù)等缺點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工程中。但直流電動(dòng)機(jī)的固有缺點(diǎn)，限制了其向高轉(zhuǎn)速、高電壓、大容量方向的發(fā)展。 近年來(lái)，隨著大功率開關(guān)器件、模擬和數(shù)字專用集成電路的不斷問(wèn)世，控制理論的不斷進(jìn)步，以及高性能微處理器的出現(xiàn)，為交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的技術(shù)條件和物質(zhì)基礎(chǔ)，促使其迅速發(fā)展，并進(jìn)入了實(shí)用化階段?，F(xiàn)階段，交流調(diào)速系統(tǒng)不但性能可以和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，而且成本和維護(hù)比直流調(diào)速系統(tǒng)更低，可靠性更高。國(guó)內(nèi)外直流傳動(dòng)裝置的生產(chǎn)呈下降趨勢(shì)，而交流變頻調(diào)速裝置的生產(chǎn)大幅度上升。目前已形成直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三大類調(diào)速系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著價(jià)格低廉、性能優(yōu)越永磁材料的出現(xiàn)，永磁同步電機(jī)的研究和應(yīng)用得到了空前的發(fā)展。永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、無(wú)需勵(lì)磁電流、功率因數(shù)高、發(fā)熱少等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛的應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療器械、化工、輕紡、計(jì)算機(jī)外設(shè)、儀器儀表、微型汽車和電動(dòng)自行車等領(lǐng)域。隨著永磁電機(jī)控制技術(shù)的成熟和完善，永磁同步電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛：從小型到大型、從一般的控制驅(qū)動(dòng)到高精度的伺服系統(tǒng)、從日常電器到各種高精尖的科技領(lǐng)域均采用永磁電機(jī)作為主要的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展 永磁同步電機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展離不開電機(jī)制造技術(shù)、永磁材料、傳感器、功率器件、微處理器和控制理論等各方面技術(shù)、理論的發(fā)展與綜合。 功率器件發(fā)展 電力電子技術(shù)是弱電與被控強(qiáng)電之間的橋梁。交流調(diào)速系統(tǒng)中，功率主回路中的電力半導(dǎo)體是現(xiàn)代電力電子設(shè)備的心臟和靈魂，電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展為交流調(diào)速系統(tǒng)的完善奠定了基礎(chǔ)。其發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：50年代出現(xiàn)的半控型器件，由其構(gòu)成的逆變器用于交流調(diào)速系統(tǒng)必須附加強(qiáng)迫換向電路；70年代以后出現(xiàn)的本身兼有開通和關(guān)斷功能的全控型高速器件和復(fù)合型器件；80年代以后出現(xiàn)的智能功率模塊（IPM）是微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它不但能提供一定的功率輸出，而且具有邏輯、控制、傳感、檢測(cè)、保護(hù)、自診斷等功能，是功率器件的重要發(fā)展方向。 變頻技術(shù)發(fā)展 調(diào)速系統(tǒng)必須具備能夠同時(shí)控制電壓幅值和頻率的電源，而電網(wǎng)提供的是恒壓恒頻的電源，因此應(yīng)該配置變壓變頻器。從整體結(jié)構(gòu)上看，電力電子變壓變頻器可分為交－直－交和交－交兩大類當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的是由不控整流和全控型功率開關(guān)器件組成的脈寬調(diào)制逆變器構(gòu)成的變壓變頻器。目前脈寬調(diào)制技術(shù)主要有正弦脈寬調(diào)制（SPWM）、電流滯環(huán)控制（CHBPWM）、空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）等。SPWM旨在輸出正弦電壓，CHBPWM旨在輸出正弦波電流，SVPWM 是針對(duì)形成旋轉(zhuǎn)的圓形磁場(chǎng)提出的，所以比較適合于電機(jī)調(diào)速的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。 電機(jī)制造技術(shù)和交流調(diào)速理論的發(fā)展 作為傳動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行部件的電機(jī)，要求具有體積小、重量輕、輸出力矩大、低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、優(yōu)良的起制動(dòng)性能、寬的調(diào)速范圍、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小等特點(diǎn)。直流電機(jī)控制簡(jiǎn)單，調(diào)速性能好，變流裝置簡(jiǎn)單，長(zhǎng)期以來(lái)在調(diào)速系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位。直流電機(jī)由于存在機(jī)械換向、維護(hù)困難、工作環(huán)境要求較高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、效率低、散熱條件差等缺點(diǎn)，限制了其向高轉(zhuǎn)速、高電壓、大容量的方向發(fā)展。交流電機(jī)克服了上述直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，因而逐漸取代直流電機(jī)，成為調(diào)速和伺服系統(tǒng)的主要執(zhí)行部件。交流調(diào)速電機(jī)主要有異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁同步電機(jī)（包括永磁同步正弦波電機(jī)和直流無(wú)刷方波電機(jī)）、開關(guān)磁阻電機(jī)。異步感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，不需要特殊維護(hù)，易于實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行。永磁同步電機(jī)無(wú)勵(lì)磁電流，功率因數(shù)高，發(fā)熱少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需勵(lì)磁，控制策略易于實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)超高速運(yùn)行。國(guó)內(nèi)外感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究都在不斷的發(fā)展，并取得了顯著的成果。永磁同步電機(jī)的發(fā)展和永磁材料的發(fā)展息息相關(guān)，我國(guó)的永磁材料豐富，隨著制造工藝的不斷進(jìn)步，性能不斷的完善，價(jià)格逐漸下降，永磁同步電機(jī)正朝著高效、高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、大功率的方向發(fā)展，應(yīng)用前景也會(huì)越來(lái)越廣泛。 交流電機(jī)具有強(qiáng)耦合、時(shí)變、非線性等特點(diǎn)，為了能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，使之具備優(yōu)良的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，且對(duì)外界的擾動(dòng)具有不敏感性，控制策略的選擇發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。優(yōu)良的控制策略不僅能彌補(bǔ)硬件上的不足，而且能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的綜合性能。目前，比較成熟的交流調(diào)速系統(tǒng)控制策略主要有：VVVF(變壓變頻) 控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。VVVF的控制對(duì)象是電機(jī)的外部變量：電壓和頻率，屬于開環(huán)控制，無(wú)須引入反饋量，無(wú)法反映電機(jī)的狀態(tài)，不能精確控制電磁轉(zhuǎn)矩，因而控制精度不高，而且對(duì)于同步電機(jī)容易引起失步。，使交流電機(jī)控制理論獲得質(zhì)的飛躍。矢量控制思想的核心是將電機(jī)的三相電流、電壓、磁鏈從三相靜止坐標(biāo)系中變換到以磁場(chǎng)定向的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，從而實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子之間的解耦。矢量控制需要進(jìn)行坐標(biāo)變換，精確觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈大小和空間位置，運(yùn)算量大，且在異步電機(jī)控制中易受到轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響。 控制理論發(fā)展 控制理論的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段。首先是以傳遞函數(shù)為基本的描述、以頻域法或根軌跡法作為主要分析和設(shè)計(jì)方法的經(jīng)典控制理論。經(jīng)典控制理論局限于對(duì)單輸入和單輸出系統(tǒng)的分析，對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)無(wú)法進(jìn)行觀測(cè)和進(jìn)行定性、定量的分析。對(duì)于多變量、多輸入、多輸出、控制精度要求較高的復(fù)雜系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論逐漸表現(xiàn)出不足之處。針對(duì)上述經(jīng)典控制理論的不足，基于狀態(tài)方程或差分方程的現(xiàn)代控制理論逐漸發(fā)展起來(lái)。現(xiàn)代控制理論主要包括線性系統(tǒng)的分析與綜合、最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識(shí)、最優(yōu)估計(jì)等重要理論分支。經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論都是以被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，所以精確建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型是至關(guān)重要的。但在現(xiàn)實(shí)中，對(duì)于存在各種不確定因素、非線性或參數(shù)時(shí)變的系統(tǒng)，建立其數(shù)學(xué)模型是十分困難的。為了分析和綜合難以建立數(shù)學(xué)模型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以設(shè)計(jì)控制器的系統(tǒng)，預(yù)測(cè)控制、非線性控制、智能控制也逐漸發(fā)展起來(lái)并得到廣泛的應(yīng)用。 微處理器發(fā)展 實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的控制策略必須有性能優(yōu)越的控制器作為基礎(chǔ)。模擬控制器具有以下優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，不會(huì)因峰值噪聲的影響導(dǎo)致致命的誤動(dòng)作；控制信號(hào)連續(xù)，響應(yīng)速度快；信號(hào)易讀取、測(cè)量等。但是，模擬控制器也存在以下不足之處：參數(shù)不易調(diào)整、自適應(yīng)能力差、難以實(shí)現(xiàn)高精度和復(fù)雜的控制策略、集成度不高、硬件復(fù)雜、通用性差等。正是由于模擬控制器的上述缺陷，以DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)為核心的數(shù)字控制器迅速發(fā)展起來(lái)。數(shù)字控制一定程度上克服了模擬控制的某些缺陷，能實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)的高復(fù)雜和高精度的控制算法，具有硬件電路簡(jiǎn)單、可靠性好、集成度高、易于移植、自適應(yīng)能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)采集速度快、易于實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、故障診斷和自恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在量化誤差、受微處理器運(yùn)算速率限制等不足之處。數(shù)字控制在傳動(dòng)領(lǐng)域中的推廣很大程度上取決于控制芯片的性能。目前，在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中，TI、Analog Device和Motorol