【正文】 ： I 基于 TMS320F2812 的 PMSM 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 交流永磁同步電動機(jī)（ PMSM）具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、體積小、質(zhì)量輕、損耗少、轉(zhuǎn)矩 /質(zhì)量比高、功率因數(shù)高、效率高、易于散熱、易于保養(yǎng)等顯著特點(diǎn)，因而應(yīng)用范圍極為廣泛，尤其是在要求高精度控制和高可靠性的場合，如航空航天、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人控制等方面。 首先 在熟練掌握永磁同步電動機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，分析 永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型 ，其次 在電壓空間矢量 （ SVPWM） 技術(shù)以及永磁同步電機(jī)矢量控制原理 基礎(chǔ)上，利用系統(tǒng)的 核心器件 TMS320F2812， 功率變換裝 置智能功率模塊 IPM， 構(gòu)建了全數(shù)字伺服系統(tǒng)的硬件平臺。因而，在諸如工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等應(yīng)用場合，永磁同步電動機(jī)正在逐步取代其他電動機(jī)，成為一種很有前途的節(jié)能電機(jī)。研究高性能的永磁同步電動機(jī)伺服系統(tǒng)是現(xiàn)在研究所面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)。 永磁同步電動機(jī)概述 永磁材料的發(fā)展對永磁同步電動機(jī)的發(fā)展具有重大意義。異步起動永磁同步電動機(jī)在轉(zhuǎn)子上設(shè)置了起動繞組，具有在某一頻率和電壓下自行起動的能力，然而調(diào)速永磁同步電動機(jī)只依靠變頻器起動和控制。 隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低，各種高性能交流永磁同步電動機(jī)伺服系統(tǒng)成為交流伺服系統(tǒng)的主流。在小功率、高動態(tài)響應(yīng)以及要求良好的靜態(tài)性能的伺服驅(qū)動中具有非常重要的地位，其原因是由于永磁同步電動機(jī)具有體積小、重量輕，控制系統(tǒng)簡單等優(yōu)點(diǎn)，從而能夠達(dá)到快速、準(zhǔn)確的控制要求。 在小功率交流變頻調(diào)速技術(shù)、中功率變頻調(diào)速技術(shù)、大功率無換向器電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)、大功率交 交變頻調(diào)速技術(shù)等方面，國內(nèi)外控制系統(tǒng)都已實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化 [2]。近年來高電壓、大電流的 SCR， GTO， IGBT， IGCT 等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。 隨著高性能單片機(jī)和數(shù)字信號處理器的使用，國內(nèi)學(xué)者緊跟國外 最新控制策略，針對交流感應(yīng)電機(jī)特點(diǎn)，采用高次諧波注入國內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下 : （ 1） 變頻器的整機(jī)技術(shù)落后，國內(nèi)雖有很多單位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模。 伺服控制系統(tǒng)發(fā)展方向 隨著步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)和直流電機(jī)伺服系統(tǒng)發(fā)展之后，現(xiàn)今已經(jīng)成為了交流伺服系統(tǒng)飛速發(fā)展的時代。隨著電機(jī)制造技術(shù)、微處理器、永磁材料、功率器件、傳感器和自動控制理論等各方面技術(shù)理論的發(fā)展與綜合的發(fā)展，已將電力電子器件、控制、驅(qū)動及保護(hù)等集為一體，為自動控制技術(shù)開辟了新的廣闊的美好前景。以往同步電動機(jī)的概念和應(yīng)用范圍已被當(dāng)今的永磁同步電動機(jī)大大的擴(kuò)展。 第二章 建立了永磁同步電 動 機(jī)數(shù)學(xué) 模型 ，并在此基礎(chǔ)上對以電壓空間矢量技術(shù)以及永磁同步電機(jī)矢量控制原理進(jìn)行了探討研究 。 福州大學(xué) 至誠 學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 第 2 章 永磁同步電機(jī)控制策略 在給出了永磁同步電動機(jī) dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，闡述了矢量控制原理以及控制系統(tǒng)用到的坐標(biāo)變換公式，并重點(diǎn)給出電壓空間矢量脈寬調(diào)制 (SVPWM)方式的基本原理。 永磁同步電動機(jī)根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝位置不同，可分為：表貼式永磁同步電動機(jī)、嵌入式永磁同步電動機(jī)、內(nèi)置式永磁同步電動機(jī)三種，如圖 21中 a、 b、 c 所示；根據(jù) 主磁場 方向的不同，分為 磁場式和軸向磁場式 ；按照 反電勢波形的 不同，永磁同步電機(jī)分為：正弦波永磁同步電機(jī)（ PMSM）、 矩形波永磁同步電動機(jī) （ BLDCM） (簡稱無刷直流電動機(jī) )。 一般在定子上放置三相對稱繞組，轉(zhuǎn)子上安裝永磁體代替電勵磁。 ， q軸 逆時針超前 d軸。 把式 (21)代入（ 24)得 ： ? ?? ?iiLLipT qdqdqfme ??? ? （ 25） 機(jī)械運(yùn)動方程： ? ?TTJ1dtd Lem ??? ???mmdtd （ 26） ωm 是 轉(zhuǎn)子機(jī)械角 速度； J 是 電機(jī)與負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣 量 之和 ； TL 是 負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 PMSM矢量控制原理 調(diào)速系統(tǒng)的目的是要實(shí)際轉(zhuǎn)速能夠快速、穩(wěn)定地跟蹤給定轉(zhuǎn)速。 進(jìn)行 d、 q 反變換必須先 確定了 iq 、 id 的值 ， 從而得到應(yīng)該施加于定子三相電樞繞組電流的給定值的大小。 Clarke變換 三相 靜止 ABC坐標(biāo)系與兩相 靜止 αβ坐標(biāo)系之間的變換，稱 為 Clarke變換，也 可以 叫做 3／ 2變換。 )2121(60c os60c os 303032 cbacb iiiNiNiNiN ?????? （ 29） )(2360s i n60s i n 303032 cbcb iiNiNiNiN ????? （ 210） ? ?iiiKNiN cba ??? 302 （ 211） 將 （ 29）（ 210）（ 211） 合并 ，寫成矩陣形式， 有 ???????????????????????????????????????????????????iiiCiiiΚΚΚNNiiicbacba232302323021211?? （ 212） 其中， C3/2是三相靜止坐標(biāo)系到二相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣。其從電動機(jī)的角度出發(fā)，著眼點(diǎn)在于如何使電動機(jī)獲得圓形磁場。 b， b39。 三相 逆變橋開關(guān)量 a、 b、 c， 線電壓 Vab、 Vac、 Vbc和 相電壓 Va、 Vb、 Vc，它們 之間的關(guān)系 有 ： ??????????????????????????????????cba.101110011VVVVdccabcab （ 222） ?????????????????????????????????????cba211121112V31VVVdccba （ 223） 式中： Vdc為電壓源逆變器的直流供電電壓。 表 21 功率晶體管的開關(guān)狀態(tài)和與之對應(yīng)的輸出線電壓和相電壓的關(guān)系 a b c Va Vb Vc VAB VBC VCA 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 2Vdc/3 Vdc/3 Vdc/3 Vdc 0 Vdc 0 1 0 Vdc/3 2Vdc/3 Vdc/3 Vdc Vdc 0 1 1 0 Vdc/3 Vdc/3 2Vdc/3 0 Vdc Vdc 0 0 1 Vdc/3 Vdc/3 2Vdc/3 0 Vdc Vdc 1 0 1 Vdc/3 2Vdc/3 Vdc/3 Vdc Vdc 0 0 1 1 2Vdc/3 Vdc/3 Vdc/3 Vdc 0 Vdc 1 1 1 0 0 0 0 0 0 三相定子電壓通過 Clark變換 可以 得到 二相 靜止坐標(biāo)系下的 α軸、 β軸 的 電壓分量，如式(224)所示。 a b c Vα Vβ 0 0 0 0 0 1 0 0 2Vdc/3 0 0 1 0 Vdc/3 2Vdc/3 1 1 0 Vdc/3 Vdc/3 0 0 1 Vdc/3 Vdc/3 1 0 1 Vdc/3 2Vdc/3 0 1 1 2Vdc/3 Vdc/3 1 1 1 0 0 基于 TMS320F2812 的 PMSM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 第 3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本章將詳細(xì)論述基于 TMS320F2812 DSP芯片的永磁電機(jī)交流伺服控制系統(tǒng)的硬件 電路設(shè)計(jì)，包括以 DSP為核心的控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)主電路和保護(hù)電路等，并給出功率驅(qū)動電路、電流檢測、電壓檢測、電平轉(zhuǎn)換等電路的分析和設(shè)計(jì)。 功率驅(qū)動電路包括電源逆變電路 、 電流檢測電路 、 速度檢測電路和故障保護(hù)電路等 。 圖 32 C28x系列芯片的功能框圖 基于 TMS320F2812 的 PMSM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 DSP外圍電路 仿真接口 TMS320F2812含有高仿真特性所需的硬件擴(kuò)展，配有標(biāo)準(zhǔn)仿真接口 JTAG， JTAG掃描邏輯電路用于仿真和測試，系統(tǒng)采用 JTAG仿真接口，可以完成在線仿真，裝載數(shù)據(jù)、代碼調(diào)試等?，F(xiàn)在多數(shù)的高級器件都支持 JTAG協(xié)議，如 DSP、 FPGA器件等。當(dāng) TRST信號 狀態(tài)為上升沿 時， EMUO和 EMUI信號在上升沿采樣，鎖存操作方式。 電源電平轉(zhuǎn)換電路 TMS320F2812的核心 CPU電壓是 1. 8V，而 I/O接口電壓是 3. 3V。通 過 一個 極性電容 （ 33 uF） 和一個鐵氧化體磁珠濾波后 ，來輸出 DSP的電源電壓。 圖 34 TPS767D318電源電平轉(zhuǎn)換電路 基于 TMS320F2812 的 PMSM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 外部存儲器擴(kuò)展電路 為了更好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的存 儲功能， DSP芯片外擴(kuò)了一片靜態(tài)存儲器 (SRAM)，選用 ISSI公司生產(chǎn)的 IS61LV25616高速異步 COMS 靜態(tài)隨機(jī)存儲器 ，其容量為 256k16bit ，存取時間為 15 ns，外部供電電壓為 ，與高速的 DSP配合使用是非常適合。 當(dāng) CE 是高電平（懸空）時，設(shè)備呈現(xiàn)待機(jī)模式，并且此時的功耗可以降低到 CMOS輸入時的功耗。 IS61LV25616AL被按照 JEDEC（聯(lián)合電子設(shè)備工程會議）分別打包成 44引腳 400mil（千分之一寸） J型塑料封裝 (SOJ)， 44引腳微型薄片 II式封裝 (TSOP)， 44引腳小外形四方扁平封裝 (LQFP)和 48引腳迷你球狀柵級陣列型封裝 (BGA)（ 8mm x 10mm）。 圖 36 功率驅(qū)動回路電路圖 逆變電路 主要作用是將直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓，實(shí)現(xiàn)所需電壓的輸出，是 變頻器主要部分之一。而將大功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路、保護(hù)電路、檢測電路等集成在同一個模塊內(nèi)形成智能功率模塊 IPM。小功率的，輸入電源多用 220V，整流電路為單相全波整流橋；大功率 的，一般用三相 380V電源，整流電路為三相橋式全波整流電路。濾波電容除了濾除整流后的電壓紋波外，還在整流電路與逆變器 之間起去耦作用，以消除相互干擾，這就給作為感性負(fù)載的電動機(jī)提供必要的無功功率。 （ 3） 逆變電路 逆變電路的功率開關(guān)器件選用的是以絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)為核心的智能功率模塊 (IPM) 。目前的 IPM一般采用 IGBT作為大功率開關(guān)器件。 采用單電源邏輯電壓輸入優(yōu)化的柵極驅(qū)動，實(shí)行 RTC(實(shí)時邏輯柵區(qū) )控制模式。只要有一個保護(hù)電路起作用， IGBT的門極驅(qū)動電路即關(guān)閉，同時產(chǎn)生一個故障信號，可送至 DSP進(jìn)行相應(yīng)處理。由于 系統(tǒng)的 iA+iB+iC=0，因此只 需要 檢測 系統(tǒng)中的 兩路電流 就可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的電流檢測 。目前常用的測速裝置有：增量式光電碼盤、絕對式光電碼盤、旋轉(zhuǎn)變壓器。 (3)旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓自身結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用，不怕振動和沖擊，可在高溫下工作，具有很強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境能力，可以通過控制電路，較容易改變分辨率；其缺點(diǎn)是信號處理電路復(fù)雜，溫度特性不好 。在光電碼盤上均勻分布著很多個光電孔，當(dāng)光透光透過光電孔的時候，光敏管產(chǎn)生邏輯“ 1”的信號；基于 TMS320F2812 的 PMSM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23 當(dāng)發(fā)光二極管被遮住的時候，光敏管產(chǎn)生邏輯“ 0”的信號。 TMS320F2812事件管理模塊具有正交解碼 脈沖 電路（ QEP電路） 。 采用光電碼盤測速，常見的速度估算法有三種： M法， T法， M／ T法 [13]。時間的測量是使用一個計(jì)數(shù)器對頻率一致的時鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，由時鐘頻率和計(jì)數(shù)值就可求出時間，繼而算出轉(zhuǎn)速的測量值。 MAX232是 ~，低功率的通訊收發(fā)器，具體電