【正文】 ： I 基于 TMS320F2812 的 PMSM 調速系統(tǒng)設計 摘要 交流永磁同步電動機（ PMSM）具有結構簡單、運行可靠、體積小、質量輕、損耗少、轉矩 /質量比高、功率因數(shù)高、效率高、易于散熱、易于保養(yǎng)等顯著特點，因而應用范圍極為廣泛，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)控機床、機器人控制等方面。 首先 在熟練掌握永磁同步電動機工作原理的基礎上，分析 永磁同步電動機的數(shù)學模型 ，其次 在電壓空間矢量 （ SVPWM） 技術以及永磁同步電機矢量控制原理 基礎上，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)機器人、數(shù)控機床等應用場合，永磁同步電動機正在逐步取代其他電動機，成為一種很有前途的節(jié)能電機。研究高性能的永磁同步電動機伺服系統(tǒng)是現(xiàn)在研究所面臨的一項重要任務。 永磁同步電動機概述 永磁材料的發(fā)展對永磁同步電動機的發(fā)展具有重大意義。異步起動永磁同步電動機在轉子上設置了起動繞組，具有在某一頻率和電壓下自行起動的能力，然而調速永磁同步電動機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)響應以及要求良好的靜態(tài)性能的伺服驅動中具有非常重要的地位，其原因是由于永磁同步電動機具有體積小、重量輕，控制系統(tǒng)簡單等優(yōu)點，從而能夠達到快速、準確的控制要求。 在小功率交流變頻調速技術、中功率變頻調速技術、大功率無換向器電機變頻調速技術、大功率交 交變頻調速技術等方面，國內外控制系統(tǒng)都已實現(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)技術的發(fā)展應用，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應用成為現(xiàn)實。 隨著高性能單片機和數(shù)字信號處理器的使用，國內學者緊跟國外 最新控制策略，針對交流感應電機特點，采用高次諧波注入國內交流變頻調速技術產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下 : （ 1） 變頻器的整機技術落后，國內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和生產(chǎn)規(guī)模。 伺服控制系統(tǒng)發(fā)展方向 隨著步進電機伺服系統(tǒng)和直流電機伺服系統(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。隨著電機制造技術、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理論的發(fā)展與綜合的發(fā)展，已將電力電子器件、控制、驅動及保護等集為一體，為自動控制技術開辟了新的廣闊的美好前景。以往同步電動機的概念和應用范圍已被當今的永磁同步電動機大大的擴展。 第二章 建立了永磁同步電 動 機數(shù)學 模型 ，并在此基礎上對以電壓空間矢量技術以及永磁同步電機矢量控制原理進行了探討研究 。 福州大學 至誠 學院 本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 4 第 2 章 永磁同步電機控制策略 在給出了永磁同步電動機 dq坐標系下的數(shù)學模型的基礎上，闡述了矢量控制原理以及控制系統(tǒng)用到的坐標變換公式，并重點給出電壓空間矢量脈寬調制 (SVPWM)方式的基本原理。 永磁同步電動機根據(jù)永磁體在轉子上的安裝位置不同，可分為：表貼式永磁同步電動機、嵌入式永磁同步電動機、內置式永磁同步電動機三種，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，永磁同步電機分為：正弦波永磁同步電機（ PMSM）、 矩形波永磁同步電動機 （ BLDCM） (簡稱無刷直流電動機 )。 一般在定子上放置三相對稱繞組，轉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） 機械運動方程： ? ?TTJ1dtd Lem ??? ???mmdtd （ 26） ωm 是 轉子機械角 速度； J 是 電機與負載的轉動慣 量 之和 ； TL 是 負載轉矩。 PMSM矢量控制原理 調速系統(tǒng)的目的是要實際轉速能夠快速、穩(wěn)定地跟蹤給定轉速。 進行 d、 q 反變換必須先 確定了 iq 、 id 的值 ， 從而得到應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坐標系與兩相 靜止 αβ坐標系之間的變換，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是三相靜止坐標系到二相靜止坐標系的變換矩陣。其從電動機的角度出發(fā)，著眼點在于如何使電動機獲得圓形磁場。 b， b39。 三相 逆變橋開關量 a、 b、 c， 線電壓 Vab、 Vac、 Vbc和 相電壓 Va、 Vb、 Vc，它們 之間的關系 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 功率晶體管的開關狀態(tài)和與之對應的輸出線電壓和相電壓的關系 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調速系統(tǒng)設計 13 第 3章 系統(tǒng)硬件設計 本章將詳細論述基于 TMS320F2812 DSP芯片的永磁電機交流伺服控制系統(tǒng)的硬件 電路設計，包括以 DSP為核心的控制系統(tǒng)中設計主電路和保護電路等，并給出功率驅動電路、電流檢測、電壓檢測、電平轉換等電路的分析和設計。 功率驅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電路等 。 圖 32 C28x系列芯片的功能框圖 基于 TMS320F2812 的 PMSM調速系統(tǒng)設計 17 DSP外圍電路 仿真接口 TMS320F2812含有高仿真特性所需的硬件擴展，配有標準仿真接口 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 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電源電平轉換電路 基于 TMS320F2812 的 PMSM調速系統(tǒng)設計 19 外部存儲器擴展電路 為了更好的實現(xiàn)系統(tǒng)的存 儲功能， DSP芯片外擴了一片靜態(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 CE 是高電平（懸空）時，設備呈現(xiàn)待機模式，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 功率驅動回路電路圖 逆變電路 主要作用是將直流電壓轉換成交流電壓，實現(xiàn)所需電壓的輸出，是 變頻器主要部分之一。而將大功率開關器件和驅動電路、保護電路、檢測電路等集成在同一個模塊內形成智能功率模塊 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，這就給作為感性負載的電動機提供必要的無功功率。 （ 3） 逆變電路 逆變電路的功率開關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作為大功率開關器件。 采用單電源邏輯電壓輸入優(yōu)化的柵極驅動，實行 RTC(實時邏輯柵區(qū) )控制模式。只要有一個保護電路起作用， IGBT的門極驅動電路即關閉，同時產(chǎn)生一個故障信號，可送至 DSP進行相應處理。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、旋轉變壓器。 (3)旋轉變壓器 旋轉變壓自身結構堅固耐用，不怕振動和沖擊，可在高溫下工作，具有很強的適應環(huán)境能力，可以通過控制電路，較容易改變分辨率；其缺點是信號處理電路復雜，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調速系統(tǒng)設計 23 當發(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數(shù)器對頻率一致的時鐘脈沖進行計數(shù)，由時鐘頻率和計數(shù)值就可求出時間，繼而算出轉速的測量值。 MAX232是 ~，低功率的通訊收發(fā)器，具體電