【正文】 ...........................................................................................................60 參考文獻(xiàn) ...........................................................................................................................73 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁 共 74 頁 基于 DSP 的永磁同步電機(jī)控制 設(shè)計(jì)總說明 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)。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、硬件簡單、可靠性能高等優(yōu)點(diǎn)。 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)了一套針對永磁同步電機(jī)的變頻調(diào)速數(shù)字化控制系統(tǒng)。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。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。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)。 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。 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。 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)。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)和直流無刷方波電機(jī)）、開關(guān)磁阻電機(jī)。國內(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。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。矢量控制需要進(jìn)行坐標(biāo)變換，精確觀測轉(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。對于多變量、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。但在現(xiàn)實(shí)中，對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。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。目前，在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中， TI、 Analog Device 和 Motorola 公司分別推出了各自的專用芯片。 本文研究的主要內(nèi)容 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是利用 DSP2812 控制永磁同步電機(jī)的控制，在 的環(huán)境下編寫并編譯程序，利用 DSP2812 開發(fā)板以及仿真器實(shí)現(xiàn)程序的仿真。矢量控制的基本思想是在普通的三相交流電動(dòng)機(jī)上設(shè)法模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，在磁場定向坐標(biāo)上，將電流華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁 共 74 頁 矢量分解成為產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使得兩個(gè)分量互相垂直，彼此獨(dú)立，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。 (2)綠色化發(fā)展。針對永磁同步電機(jī)，控制策略主要有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，本節(jié)主要介紹矢量控制策略。矢量控制的公共坐標(biāo)系通常以轉(zhuǎn)子磁場定向來建立的，因而矢量控制也可以稱之為轉(zhuǎn)子磁場定向控制。電機(jī)控制的目的是產(chǎn)生圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，所以 SVPWM 控制技術(shù)比較適合于電機(jī)控制。 坐標(biāo)系 以及坐標(biāo)變化 在本文中，將涉及到以下幾種，對其進(jìn)行一一介紹。 ABC華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁 共 74 頁 圖 21 三相定子坐標(biāo)系 （ 2） 定子靜止直角坐標(biāo)系 (??坐標(biāo)系 ) 為了簡化分析，定義一個(gè)定子靜止直角坐標(biāo)系即 ??坐標(biāo)系 (圖 22)，其 α軸與 A 軸重合，軸超前 β軸 900。該坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子一起在空間以轉(zhuǎn)子速度旋轉(zhuǎn)，故相對于轉(zhuǎn)子來說，此坐標(biāo)系是靜止的，又稱為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。 兩相定子坐標(biāo)系與兩相 轉(zhuǎn)子 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換 (2s2r) 圖 23 是兩相坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換，簡稱 2s2r 變換，其中 s 表示靜止，r 表示旋轉(zhuǎn)。 在圖 25 中， d、 q 軸和矢量 sF （ si ）都以轉(zhuǎn)速 1? 旋轉(zhuǎn)，分量 di 、 qi 的長短不便，相當(dāng)于 d、 q 繞組的直流磁動(dòng)勢。對式（ ）兩邊都左乘以變換陣的逆矩陣，得 ： ???????????? ?????????????? ?????????????????????iiiiiiqdc o ss i ns i nc o sc o ss i ns i nc o s 1 () 則兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換陣是 : ???????? ?? ?? c oss in s inc os2/2 rsC () 電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣也與電流（磁動(dòng)勢）旋轉(zhuǎn)變換陣相同 ， 其中 ? 為 x 軸與 d 軸的夾角，即轉(zhuǎn)矩角。 由式（ ）、（ ）和（ ）可得電壓方程 ?????? ?????????????? ????????? ? ????????? c o ss i n230 0 frss iipLRpLRUU （ ） 其中 ?U 、 ?U 分別為定子電壓在 ??軸上的的分量 ， ?L 、 ?L 為在 軸上的電感分量，其中 sLLL 2/3?? ?? ， f? 為轉(zhuǎn)子磁鏈在定子側(cè)的耦合磁鏈， r? 為轉(zhuǎn)子角速度。其中 d? 、 q? 、 dU 、 qU 、 di 、 qi 、 dL 、 qL 分別是定子繞組 d 、 q 軸的磁鏈、電壓、電流和電感， sU 、 s? 、 sR 為定子端電壓、磁鏈dtdnJTT pLe ???22|| qds UUU ??)( dqqdp iinT ?? ??rddd iL ?? ??qqq iL??22|| qds ??? ??華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁 共 74 頁 和定子繞組電阻； r? 為轉(zhuǎn)子磁鏈在定子側(cè)的耦合磁鏈 ， pn 、 r? 為電機(jī)極對數(shù)、電磁轉(zhuǎn)矩和角頻率， p 為微分算子 dtd/ 。 圖 26 電壓空間矢量 電壓空間矢量的相互關(guān)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(shí)間按正弦規(guī)律脈動(dòng)，時(shí)間相位互相錯(cuò)開的角度也 120176。用公式表示，則有 C0B0A0s uuuu ??? （ ） 基于 DSP的永磁同步電機(jī)控制 第 18 頁 共 74 頁 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Ψ s 電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系 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： tR dd ssss ΨIu ?? （ ） 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； Ψ s— 定子三相磁鏈合成空間矢量。 由式（ ）和式（ ）可得 )2π(jm1jm1jms 111 eej)e(dd???? ttt ΨΨΨt ??? ??u（ ） 上式表明，當(dāng)磁鏈幅值一定時(shí)， us 的大小與 W1（或供電電壓頻率）成正比，其方向則與磁鏈?zhǔn)噶喀?s 正交，即磁鏈圓 的切線方向，磁場軌跡與電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系如圖所示，當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運(yùn)動(dòng)，其軌跡與磁鏈圓重合。導(dǎo)通型，功率開關(guān)器件共有 8 種工作狀態(tài)（見附表），其中 6 種有效開關(guān)狀態(tài)； 2 種無效狀態(tài)（因?yàn)槟孀兤鬟@時(shí)并沒有輸出電壓）：上橋臂開關(guān) VT VT VT5 全部導(dǎo)通下橋臂開關(guān) VT VT VT6 全部導(dǎo)通。 設(shè)直流母線側(cè)電壓為 Udc，逆變器輸出的三相相電壓為 UA、 UB、 UC，其分別加在空間上互差 120176。同理可計(jì)算出其它各種組合下的空間電壓矢量，列表如下： 表 由表中的 八組電壓值，就可以求出這些相電壓的矢量和與相位角。在每一個(gè)扇區(qū)，選擇相鄰的兩個(gè)電壓矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原則來合成每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的任意電壓矢量，即： dtUdtUdtUU TTTTTTyTxTr e fyxyxxx ????????? 000（ 237） 或者等效成下式： 00 **** TUTUTUTU yyxxr e f ??? （ 238） 其中， Uref 為期望 電壓矢量 ； T 為采樣周期； Tx、 Ty、 T0 分別為對應(yīng)兩個(gè)非零電壓矢量 Ux、 Uy 和零電壓矢量 U 0 在一個(gè)采樣周期的作用時(shí)間；其中 U0 包括了 U0 和U7 兩個(gè)零矢量。 T1， T2， T0 的計(jì)算 電壓空間矢量： 計(jì)算得： 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁 共 74 頁 圖 211電壓矢量圖 其中 Tpwm是事先選定的，由電力電子器件頻率決定，當(dāng)逆變器單獨(dú)輸出零矢量時(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈?zhǔn)噶渴遣蛔兊?，根?jù)這一特點(diǎn)在 Tpwm 期間插入零矢量作用時(shí)間 T0使得 Tpwm=T0+T1+T2，即 T0=TpwmT1T2。其中光電元件的測量精度較高，能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的機(jī)械位置，從而間接基于 DSP的永磁同步電機(jī)控制 第 24 頁 共 74 頁 的反映出與電機(jī)連接的機(jī)械負(fù)載的準(zhǔn)確的機(jī)械位置，從而達(dá)到精確控制電機(jī)位置的目的。編碼盤是按照一定的編碼形式制成的圓盤。如果編碼盤有 4 個(gè)碼道，則由里向外的碼道分別表示為二進(jìn)制的 2 2 21 和 20， 4 位二進(jìn)制可形成 16 個(gè)二進(jìn)制數(shù)，因此就 將圓盤劃分 16 個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)對應(yīng)一個(gè) 4 位二進(jìn)制數(shù)，如 0000、 000?、 1111。華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 25 頁 共 74 頁 它是由光源、透鏡、主光柵碼盤、鑒向盤、光敏元件和電子線路組成。利用增量式光電編碼器可以檢測電機(jī)的位置和速度。具體 的測速方法有 M 法、 T 法和 M/T 法 3 種。如果要求測量的誤差小于規(guī)定的范圍，比如說是小于百分之一，那么 M1 就應(yīng)該大于 50。 T 法也稱之為測周法，該測速方法是在一個(gè)脈沖周期內(nèi)對時(shí)鐘信號脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法，如圖 3 所示。與 M 法測速一樣， 選用線數(shù)較多的光電編碼器可以提高對電機(jī)轉(zhuǎn)速測量的快速性與精度。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖信號 A的相位滯后脈沖信號 B 的相位 090 ，此時(shí)邏輯電路處理后的方向信號 Dir 為低電平。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。這就完成了電 — 光 — 電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。發(fā)光管和光敏管之間的耦合電容?。?2pf 左右）、耐壓高 ( 左右 )，故共模抑制比很高。 本文選擇了 TLP521 光耦隔離器件 TLP521 的原邊相當(dāng)于一個(gè)發(fā)光二極管，原邊電流 If 越大，光強(qiáng)越強(qiáng)，副邊三極管的電流 Ic 越大。 基于 DSP的永磁同步電機(jī)控制 第 28 頁 共 74 頁 49 光耦反饋電路 Vo 為輸出電壓， Vd 為芯片的供電電壓。接到電壓誤差放大器輸出端的電壓是外部電 壓經(jīng)電阻 R4 降壓之后得到，不受電壓誤差放大器電流輸出能力影響，光耦的工作點(diǎn)選取可以通過其外接電阻隨意調(diào)節(jié)。UN39。W N 39。 V N 39。39。 39。導(dǎo)電方式 每橋臂導(dǎo)電 180176。 為了保護(hù)弱電控制系統(tǒng)遠(yuǎn)離高壓，電氣隔離是必須的。它由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門極 IPM 內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測和保護(hù)電路，使用起來方便，不僅減少了系統(tǒng)的體積，縮短了開發(fā)時(shí)間，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，適應(yīng)了當(dāng)今功率器件的發(fā)展方向， IPM 在功率電子領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 IPM 以其高可靠性，使用方便贏得越來越大的市場，尤其適合于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器和各種逆變電源，是變頻調(diào)速，冶金機(jī)械，電力牽引，伺服驅(qū)動(dòng)，變頻家電的一種非常理想的 電力電子器件 。為避免發(fā)生過大的 di/dt，大多數(shù)IPM 采用兩級關(guān)斷模式?；?DSP的永磁同步電機(jī)控制 第 32 頁 共 74 頁 由這些構(gòu)成了一套功能完善的數(shù)字變頻調(diào)速控制系統(tǒng)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 41 如下： 圖 31 系統(tǒng)硬件電路圖 該系統(tǒng)由 DSP 芯片負(fù)責(zé)電流和轉(zhuǎn)速采樣，通過核心控制算法生成電壓空間矢量PW