【正文】 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。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。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。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)無法進(jìn)行觀 測(cè)和進(jìn)行定性、定量的分析。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)速基于 DSP的永磁同步電機(jī)控制 第 8 頁 共 74 頁 度快；信號(hào)易讀取、測(cè)量等。其中TMS320F2812 是 32 位可進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算的定點(diǎn)數(shù)字處理器，運(yùn)算速率達(dá)到 150MIPS，片上 RAM 達(dá) 18k 16bit，片內(nèi) Flash 達(dá) 128k 16bit ，可擴(kuò)展 RAM 達(dá) 1M 16bit，支持 45 個(gè)外部中斷，可擴(kuò)展 SPI、 SCI 、 eCAN 、 McBSP 等串行通訊外設(shè)，具有 128 位保護(hù)密碼、兩個(gè)電機(jī)控制外設(shè)事件管理器和 16 路 12 位高精度 AD 轉(zhuǎn)換通 道等豐富的資源，非常有利于高復(fù)雜、高精度控制策略的實(shí)現(xiàn)。 永磁交流伺服控制系統(tǒng) 永磁交流伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)如下： (1)電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是永磁同步電機(jī)將會(huì)取代原有直流有刷伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)及感應(yīng)電機(jī)。矢量變換中的公共坐標(biāo)系通常是建立在某一磁場(chǎng)（定子磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)或氣隙磁 場(chǎng)）矢量的位置上，也就是由該磁場(chǎng)矢量確定的公共坐標(biāo)系，因此矢量變換控制也稱為磁場(chǎng)定向控制（ Field_Oriented Control，簡(jiǎn)稱 FOC）。因此數(shù)學(xué)模型的建立做 以下假設(shè)：轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)在氣隙空間中為正弦分布、電樞繞組的反電勢(shì)波形為正弦、忽略定子的鐵心飽和，認(rèn)為磁路線性、不計(jì)鐵心和渦流損耗、轉(zhuǎn)子沒有阻尼繞組； 矢量控制中，電機(jī)的變量，如電流、電壓、電動(dòng)勢(shì)和磁通等，均由空間矢量來描述，并通過建立電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，得到各物理量之間的關(guān)系，通過坐標(biāo)變換，在定向坐標(biāo)系上實(shí)現(xiàn)各物理量的控制和調(diào)節(jié)。 圖 22 定子靜止坐標(biāo)系 （ 3） 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系 (dq 坐標(biāo)系 ) 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系固定在轉(zhuǎn)子上 (圖 )，其 d 軸位于轉(zhuǎn)子軸線上， q 軸超前 d 軸 900，空間坐標(biāo)以 d 軸與參考坐標(biāo) ? 軸之間的電角度 ? 確定。由于繞組匝數(shù)都相等，可以消去磁動(dòng)勢(shì)中的匝數(shù)，直接用電流表示。 由于假設(shè)轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中呈正弦分布，根據(jù)圖 21 及圖 222 可知： ???????????????????????)3/4cos()3/2cos(cos?????????rCBA () 另外，對(duì)于星形接法的三相繞組，根據(jù)基爾霍夫（ Kirchhoff）定律有 0??? CBA iii () 聯(lián)合式（ ）、式（ ）和式（ ）整理可以得到： ???????????????????????????????????????????????????CBACBAssssssCBApiiipLRpLRpLRUUU???230002300023 （ ） 2） 永磁同步電機(jī)在 ??坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 ?????????????????????????BAiiii221032?? （ ） 根據(jù)坐標(biāo)變換理論，對(duì)用此同步電機(jī)在 ABC 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行 3s2s 的坐標(biāo)變換，就可以得到在 αβ 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。 空間矢量的定義 交流電動(dòng)機(jī)繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時(shí)間變化的，分析時(shí)常用時(shí)間相量來表示，但如果考慮到它們所在繞組的空間位置，也可以如圖所示，定義為空間矢量 uA0， uB0， uC0。 tΨ 1jms e ??Ψ （ ） 其中 Ψ m 是磁鏈Ψ s W1 為其旋轉(zhuǎn)角速度。兩個(gè)矢量的作用時(shí)間在一個(gè)采樣周期內(nèi)分多次施加，從而控制各個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間，使電基于 DSP的永磁同步電機(jī)控制 第 20 頁 共 74 頁 壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn)，通過逆變器的不同開關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結(jié)果來決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，從而形成 PWM 波形。 基于 DSP的永磁同步電機(jī)控制 第 22 頁 共 74 頁 圖 210電壓空間矢量圖 其中非零矢量的 幅值相同（模長(zhǎng)為 2Udc/3） ，相鄰的矢量間隔 60 度，而兩個(gè)零矢量幅值為零位于中心。這些位置檢測(cè)傳感器或者與電機(jī)的非負(fù)載端同軸連接，或者直接安裝在電機(jī)的特定的部位。通常將組成編碼的圈稱為碼道，每個(gè)碼道表示二進(jìn)制數(shù)的一位，其中最外側(cè)的是最低位，最里側(cè)的是最高位。為了獲得絕對(duì)位置角，在增量式光電編碼器有零位脈沖，即主光柵每旋轉(zhuǎn)一周，輸出一個(gè)零位脈沖，使位置角清零。綜上得： CNTMn 115? 在實(shí)際的測(cè)量中，時(shí)間 Tc 內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)不一定正好是整數(shù)，而且存在最大半個(gè)脈沖的誤差。另外，時(shí)間太長(zhǎng)也會(huì)影響控制的快速性。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。所以，它在長(zhǎng)線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。因此，由光耦合器構(gòu)成的模擬信號(hào)隔離電路具有優(yōu)良的電氣性能。圖 49 所示接法的工作原理如下：當(dāng)輸出電壓升高時(shí)， TL521 的 1 腳 (相當(dāng)于電壓誤差放大器的反向輸入端 )電壓上升， 3 腳 (相當(dāng)于電壓誤差放大器的輸出腳 )電壓下降，光耦 TLP521 的原邊電流 If 增大，光耦的另一端輸出電流 Ic 增大，電阻 R4 上的電壓降增大， 引腳電壓下降，占空比減小，輸出電壓減??；反之，當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，調(diào)節(jié)過程類似。VW uuu ?? UN39。WN uuu ?? 負(fù)載中點(diǎn)電壓： 3 39。導(dǎo)電： U 相 上 開 關(guān) 管 驅(qū) 動(dòng) 波 形U 相 下 開 關(guān) 管 驅(qū) 動(dòng) 波 形V 相 上 開 關(guān) 管 驅(qū) 動(dòng) 波 形V 相 下 開 關(guān) 管 驅(qū) 動(dòng) 波 形W 相 上 開 關(guān) 管 驅(qū) 動(dòng) 波 形W 相 下 開 關(guān) 管 驅(qū) 動(dòng) 波 形 圖 44 180176。而且還內(nèi)藏有過電壓，過電流和過熱等故障檢測(cè)電路，并可將檢測(cè)信號(hào)送到 CPU。 （ 3）過流保護(hù) (OC)：若流過 IGBT 的電流值超過過流動(dòng)作電流，且時(shí)間超過 toff，則發(fā)生過流保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。其中， VG 為內(nèi)部門極驅(qū)動(dòng)電壓， ISC 為短路電流值， IOC 為過流電流值， IC 為集電極電流， IFO 為故障輸出電流。 驅(qū)動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成。即：在一個(gè)正弦周期中，每個(gè)橋臂上開關(guān)管開通半個(gè)周期；各橋臂上下開關(guān)管交替導(dǎo)通；各橋臂開始導(dǎo)電的角度差 120176。39。WU uuu ?? 負(fù)載相電壓： N N 39。 逆變器原理 逆變電路選用的是智能功率模塊 IPM，智能功率模塊的設(shè)計(jì)思想就是為降低在設(shè)計(jì)開發(fā)和制造上的成本，而把 IGBT 模塊進(jìn)行集成 IPM 與普通 IGBT 模塊相比，在系統(tǒng)性能和可靠性上有進(jìn)一步的提高，使設(shè)計(jì)和開發(fā)變得簡(jiǎn)單。副邊三極管電流 Ic 與原邊二極管電流 If 的比值稱為光耦的電流放大系數(shù)，該系數(shù)隨溫度變化而變化，且受溫度影響較大。 光耦合器的性能及類型 ： 用于傳遞模擬信號(hào)的光耦合器的發(fā)光器件為二極管、光接收器為光敏三極管。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。 M/T 法測(cè)速是將 M 法和 T 法兩種方法結(jié)合在一起使用，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，同時(shí)對(duì)光電編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù) M1 和 M2 進(jìn)行計(jì)數(shù)，則電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速為2115NMfMn clk? 實(shí)際工作時(shí)，在固定的 Tc 時(shí)間內(nèi)對(duì)光電編碼器的脈沖計(jì)數(shù)，在第一個(gè)光電編碼器上升沿定時(shí)器開始定時(shí)，同時(shí)開始記錄光電編碼器和時(shí)鐘脈沖數(shù)，定時(shí)器定時(shí) Tc 時(shí)間到，對(duì)光電編碼器的脈沖停止計(jì)數(shù)，而在下一個(gè)光電編碼器的上升沿到來時(shí)刻，時(shí)鐘脈 沖才停止記錄。在一定的轉(zhuǎn)速下要增大檢測(cè)脈沖數(shù) M1 以減小誤差，可以增大檢測(cè)時(shí)間Tc 單考慮到實(shí)際的應(yīng)用檢測(cè)時(shí)間很短，例如伺服系統(tǒng)中的測(cè)量速度用于反饋控制，一般應(yīng)在 秒以下。 光電編碼器的測(cè)量方法：光電編碼器在電機(jī)控制中可以用來測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)位置和機(jī)械位置以及轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)和機(jī)械位置的變化速度與變化方向。 圖 212絕對(duì)式光電編碼器 按照碼盤上形成的碼道配置相應(yīng)的光電傳感器，包括光源、透鏡、碼盤、光敏二極管和驅(qū)動(dòng)電子線路。 光電編碼器的介紹：光電編碼器是通過讀取光電編碼盤上的圖案或編碼信息來表示與光電編碼器相連的電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息的。 矢量 Uref 在 T 時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的積分效果值和 Ux、 Uy、 U0 分別在時(shí)間Tx、 Ty、 T0 內(nèi)產(chǎn)生的積分效果相加總和值相同。的三相平面靜止坐標(biāo)系上，可以定義三個(gè)電壓空間矢量 UA(t)、UB(t)、 UC(t)，它們的方向始終在各相的軸線上，而大小則隨時(shí)間按正弦規(guī)律做變化，時(shí)間相位互差 120176。這樣電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軌跡問題就可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡問題。合成空間矢量：由三相定子電壓空間矢量相加合成的空間矢量 us 是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值不變，是每相電壓值的 3/2 倍 。 3） 永磁同步電機(jī)在 dq 坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 在 dq 坐標(biāo)系下建立永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于分析永磁同步電機(jī)控制過程系基于 DSP的永磁同步電機(jī)控制 第 16 頁 共 74 頁 統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能都十分方便。但 ? 、 ? 軸是靜止的， ? 軸與 d 軸的夾角 ? 隨時(shí)間而變化，因此 si 在 ? 、 ? 軸上的分量 ?i 、 ?i 的長(zhǎng)短也隨時(shí)間變化，相當(dāng)于 ? 、 ? 繞組交流磁動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值。 圖 23 定子靜止坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子旋 轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 ???dq ABCαβ?120基于 DSP的永磁同步電機(jī)控制 第 12 頁 共 74 頁 下面介紹坐標(biāo)變換關(guān)系： 三相定子坐標(biāo)系與兩相定子坐標(biāo)系變換 (3s2s) 圖 22 中繪出了 ABC 和 ??兩個(gè)坐標(biāo)系，為了方便起見 ， 取 A 軸與 α軸重合。 （ 1） 三相定子坐標(biāo)系 (ABC 坐標(biāo)系 ) PMSM 的定子中有三相繞組，其軸線分別為 A,B,C，且彼此間互差 1200的空間電角度。 對(duì)于永磁同步電機(jī)來說，電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體，因其參數(shù)對(duì)定子的影響相對(duì)較小，而且公共坐標(biāo)系可以選擇永磁磁鏈的方向，可以極大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的分析，所以多數(shù)永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用矢量變換控制策略。由于全球電能的 80％以上通過電力變換裝置來消耗，作為廣泛使用的電力變換裝置的變頻器，將朝著節(jié)約能源，降低對(duì)電網(wǎng)的污染和對(duì)環(huán)境的輻射干擾，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命的綠色化方向發(fā)展。在研究DSP2812 控制永磁同步電機(jī)的控制之前，本文先對(duì)永磁同步電機(jī)以及控制芯片的發(fā)展做了簡(jiǎn)單的介紹，并詳細(xì)介紹了空間電壓矢量 SVPWM 調(diào)制方式，最后結(jié)合設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)硬件部分做了簡(jiǎn)要說明，并給出了基于 DSP 芯片的軟件編程。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。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。 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，無須引入反饋量，無法反映電機(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。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。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。 20世紀(jì) 80 年代以來，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。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)。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。 本文研究的 主要內(nèi)容 ................................................... 8 2 永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)及控制原理 ........................................