【正文】 華北科技學院畢業(yè)設計畢業(yè)設計基于DSP的永磁同步電機控制設計總說明 3Abstract 41. 緒論 5 交流調速概述 5 相關領域發(fā)展 5 功率器件發(fā)展 5 變頻技術發(fā)展 6 電機制造技術和交流調速理論的發(fā)展 6 控制理論發(fā)展 7 微處理器發(fā)展 8 國內外研究動態(tài)和發(fā)展方向 8 本文研究的主要內容 92永磁同步電機結構及控制原理 9 9 9 10 10 永磁同步電機的控制策略 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磁場 20 T1，T2，T0的計算 23 24 27 29第三章 硬件電路設計 34 系統(tǒng)硬件總體設計 34 主控芯片DSP2812的基本特征 35 DSP外設介紹 35 41. 1 整流濾波電路的設計 41 逆變電路的設計 42 測速電路的設計 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. 第五章軟件設計 47 DSP開發(fā)軟件的安裝與應用 47總結與致謝 56參考文獻 57第 75 頁 共 75 頁基于DSP的永磁同步電機控制設計總說明 隨著電力電子技術現(xiàn)代控制技術以及計算機微芯片技術的迅速發(fā)展,在交流調速技術中,變頻調速以其優(yōu)異的調速性能和高效節(jié)能效果等優(yōu)點成為了國內外交流調速系統(tǒng)的發(fā)展方向,現(xiàn)階段運用計算機電子技術的最新發(fā)展成果將成熟的電機控制理論應用并構建成完整的系統(tǒng)已經是該領域內研究的一個熱點。在交流伺服系統(tǒng)中，由于電機本身具有的非線性和強耦合特性，其控制方法相當復雜，因此用普通單片機很難取得良好的控制效果。本文中采用TI公司的高速數(shù)字信號處理器TMS320F2812為控制核心，利用空間矢量脈寬調制控制算法，可以有效地解決電機的強耦合特性；適時地控制電機的轉矩、速度和位置狀態(tài)；并且不用過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；當采用正弦波電流驅動時，可以完全消除轉矩的波動。采用TMS320F2812定點數(shù)字信號處理器為主控芯片，完成電流環(huán)、速度環(huán)，位置環(huán)的算法實現(xiàn)及其控制。由于TMS230F2812的高集成、高性能的特點，使得控制系統(tǒng)具有控制精度高、硬件簡單、可靠性能高等優(yōu)點。系統(tǒng)主要由DSP、IPM（智能功率模塊)、檢測電動機速度信號和電流信號的傳感器、光電隔離電路、電源電路等組成。首先，傳感器將檢測到的定子相電流信號和轉速信號送入DSP的ADC和QEP，DSP對檢測的信號進行相應的運算處理后產生PWM脈沖信號，經光電隔離后，驅動IPM智能功率模塊以產生期望的電壓來控制電機運行。此外，系統(tǒng)還具有鍵盤設定及顯示功能。本論文是基于電機矢量控制理論構建了系統(tǒng)的模型并以TI公司的電機控制專用DSP 芯片TMS320F2812 為核心設計開發(fā)了一套針對永磁同步電機的變頻調速數(shù)字化控制系統(tǒng)。，DSP 2812芯片結構特點，電機的空間矢量控制理論以及PWM逆變技術。給出了系統(tǒng)的硬件總體方案和主要模塊的設計，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調制方式并給出了基于DSP 芯片的軟件編程。關鍵字：DSP2812； 空間電壓矢量控制；永磁同步電機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 交流調速概述 在電力系統(tǒng)中，電動機負荷約占總發(fā)電量的60%~70%。電動機作為把電能轉換為機械能的主要設備，不僅要具有較高的機電能量轉換效率，而且應能根據(jù)生產機械的工藝要求，控制和調節(jié)旋轉速度。調速系統(tǒng)是伺服系統(tǒng)的重要組成部分，其性能對提高產品質量、提高勞動生產率和節(jié)省電能起著決定性的影響，因此，調速系統(tǒng)一直是傳動領域的一個研究熱點。調速系統(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有機整體，各部分之間的不同組合，構成多種多樣的調速系統(tǒng)。長期以來，直流電動機因其調速性能優(yōu)越而掩蓋了其結構復雜、難以維護等缺點，廣泛應用于工程中。但直流電動機的固有缺點，限制了其向高轉速、高電壓、大容量方向的發(fā)展。 近年來，隨著大功率開關器件、模擬和數(shù)字專用集成電路的不斷問世，控制理論的不斷進步，以及高性能微處理器的出現(xiàn)，為交流調速技術的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的技術條件和物質基礎，促使其迅速發(fā)展，并進入了實用化階段。現(xiàn)階段，交流調速系統(tǒng)不但性能可以和直流調速系統(tǒng)相媲美，而且成本和維護比直流調速系統(tǒng)更低，可靠性更高。國內外直流傳動裝置的生產呈下降趨勢，而交流變頻調速裝置的生產大幅度上升。目前已形成直流電動機、異步電動機、永磁同步電動機為執(zhí)行機構的三大類調速系統(tǒng)。20世紀80年代以來，隨著價格低廉、性能優(yōu)越永磁材料的出現(xiàn)，永磁同步電機的研究和應用得到了空前的發(fā)展。永磁同步電機具有結構簡單、體積小、重量輕、轉動慣量小、調速范圍寬、轉矩脈動小、無需勵磁電流、功率因數(shù)高、發(fā)熱少等優(yōu)點，因此廣泛的應用于數(shù)控機床、工業(yè)機器人、醫(yī)療器械、化工、輕紡、計算機外設、儀器儀表、微型汽車和電動自行車等領域。隨著永磁電機控制技術的成熟和完善，永磁同步電機的應用領域也越來越廣泛：從小型到大型、從一般的控制驅動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域均采用永磁電機作為主要的驅動電機。 相關領域發(fā)展 永磁同步電機的應用和發(fā)展離不開電機制造技術、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、理論的發(fā)展與綜合。 功率器件發(fā)展 電力電子技術是弱電與被控強電之間的橋梁。交流調速系統(tǒng)中，功率主回路中的電力半導體是現(xiàn)代電力電子設備的心臟和靈魂，電力半導體器件的發(fā)展為交流調速系統(tǒng)的完善奠定了基礎。其發(fā)展主要經歷了三個階段：50年代出現(xiàn)的半控型器件，由其構成的逆變器用于交流調速系統(tǒng)必須附加強迫換向電路；70年代以后出現(xiàn)的本身兼有開通和關斷功能的全控型高速器件和復合型器件；80年代以后出現(xiàn)的智能功率模塊（IPM）是微電子技術和電力電子技術相結合的產物，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、保護、自診斷等功能，是功率器件的重要發(fā)展方向。 變頻技術發(fā)展 調速系統(tǒng)必須具備能夠同時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，因此應該配置變壓變頻器。從整體結構上看，電力電子變壓變頻器可分為交－直－交和交－交兩大類當前應用最廣泛的是由不控整流和全控型功率開關器件組成的脈寬調制逆變器構成的變壓變頻器。目前脈寬調制技術主要有正弦脈寬調制（SPWM）、電流滯環(huán)控制（CHBPWM）、空間矢量脈寬調制（SVPWM）等。SPWM旨在輸出正弦電壓，CHBPWM旨在輸出正弦波電流，SVPWM 是針對形成旋轉的圓形磁場提出的，所以比較適合于電機調速的矢量控制和直接轉矩控制。 電機制造技術和交流調速理論的發(fā)展 作為傳動系統(tǒng)執(zhí)行部件的電機，要求具有體積小、重量輕、輸出力矩大、低轉動慣量、優(yōu)良的起制動性能、寬的調速范圍、轉矩脈動小等特點。直流電機控制簡單，調速性能好，變流裝置簡單，長期以來在調速系統(tǒng)中占主導地位。直流電機由于存在機械換向、維護困難、工作環(huán)境要求較高、轉動慣量大、效率低、散熱條件差等缺點，限制了其向高轉速、高電壓、大容量的方向發(fā)展。交流電機克服了上述直流電機調速系統(tǒng)的缺點，因而逐漸取代直流電機，成為調速和伺服系統(tǒng)的主要執(zhí)行部件。交流調速電機主要有異步感應電動機、永磁同步電機（包括永磁同步正弦波電機和直流無刷方波電機）、開關磁阻電機。異步感應電機結構簡單，價格低廉，不需要特殊維護，易于實現(xiàn)高速運行。永磁同步電機無勵磁電流，功率因數(shù)高，發(fā)熱少，結構簡單，轉動慣量小。開關磁阻電機轉子結構簡單，無需勵磁，控制策略易于實現(xiàn)，可實現(xiàn)超高速運行。國內外感應電機、永磁同步電機、開關磁阻電機調速系統(tǒng)的研究都在不斷的發(fā)展，并取得了顯著的成果。永磁同步電機的發(fā)展和永磁材料的發(fā)展息息相關，我國的永磁材料豐富，隨著制造工藝的不斷進步，性能不斷的完善，價格逐漸下降，永磁同步電機正朝著高效、高啟動轉矩、大功率的方向發(fā)展，應用前景也會越來越廣泛。 交流電機具有強耦合、時變、非線性等特點，為了能夠實現(xiàn)高性能的交流調速系統(tǒng)，使之具備優(yōu)良的動態(tài)和靜態(tài)特性，且對外界的擾動具有不敏感性，控制策略的選擇發(fā)揮著至關重要的作用。優(yōu)良的控制策略不僅能彌補硬件上的不足，而且能進一步提高系統(tǒng)的綜合性能。目前，比較成熟的交流調速系統(tǒng)控制策略主要有：VVVF(變壓變頻) 控制、矢量控制和直接轉矩控制。VVVF的控制對象是電機的外部變量：電壓和頻率，屬于開環(huán)控制，無須引入反饋量，無法反映電機的狀態(tài)，不能精確控制電磁轉矩，因而控制精度不高，而且對于同步電機容易引起失步。，使交流電機控制理論獲得質的飛躍。矢量控制思想的核心是將電機的三相電流、電壓、磁鏈從三相靜止坐標系中變換到以磁場定向的兩相旋轉坐標系中，從而實現(xiàn)定轉子之間的解耦。矢量控制需要進行坐標變換，精確觀測轉子磁鏈大小和空間位置，運算量大，且在異步電機控制中易受到轉子參數(shù)變化的影響。 控制理論發(fā)展 控制理論的發(fā)展經歷了三個階段。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計方法的經典控制理論。經典控制理論局限于對單輸入和單輸出系統(tǒng)的分析，對系統(tǒng)的狀態(tài)無法進行觀測和進行定性、定量的分析。對于多變量、多輸入、多輸出、控制精度要求較高的復雜系統(tǒng)，經典控制理論逐漸表現(xiàn)出不足之處。針對上述經典控制理論的不足，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?，F(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、最優(yōu)估計等重要理論分支。經典控制理論和現(xiàn)代控制理論都是以被控對象的數(shù)學模型為基礎，所以精確建立系統(tǒng)數(shù)學模型是至關重要的。但在現(xiàn)實中，對于存在各種不確定因素、非線性或參數(shù)時變的系統(tǒng)，建立其數(shù)學模型是十分困難的。為了分析和綜合難以建立數(shù)學模型、結構復雜、難以設計控制器的系統(tǒng)，預測控制、非線性控制、智能控制也逐漸發(fā)展起來并得到廣泛的應用。 微處理器發(fā)展 實現(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。模擬控制器具有以下優(yōu)點：抗干擾能力強，不會因峰值噪聲的影響導致致命的誤動作；控制信號連續(xù)，響應速度快；信號易讀取、測量等。但是，模擬控制器也存在以下不足之處：參數(shù)不易調整、自適應能力差、難以實現(xiàn)高精度和復雜的控制策略、集成度不高、硬件復雜、通用性差等。正是由于模擬控制器的上述缺陷，以DSP(數(shù)字信號處理器)為核心的數(shù)字控制器迅速發(fā)展起來。數(shù)字控制一定程度上克服了模擬控制的某些缺陷，能實現(xiàn)模擬系統(tǒng)不能實現(xiàn)的高復雜和高精度的控制算法，具有硬件電路簡單、可靠性好、集成度高、易于移植、自適應能力強、數(shù)據(jù)采集速度快、易于實現(xiàn)監(jiān)控、故障診斷和自恢復等優(yōu)點，但也存在量化誤差、受微處理器運算速率限制等不足之處。數(shù)字控制在傳動領域中的推廣很大程度上取決于控制芯片的性能。目前，在運動控制領域中，TI、Analog Device和Motorol