【正文】 調速系統(tǒng)必須附加強迫換向電路； 70 年代以后出現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。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。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。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。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)，響應速基于 DSP的永磁同步電機控制 第 8 頁 共 74 頁 度快；信號易讀取、測量等。其中TMS320F2812 是 32 位可進行浮點運算的定點數字處理器，運算速率達到 150MIPS，片上 RAM 達 18k 16bit，片內 Flash 達 128k 16bit ，可擴展 RAM 達 1M 16bit，支持 45 個外部中斷，可擴展 SPI、 SCI 、 eCAN 、 McBSP 等串行通訊外設，具有 128 位保護密碼、兩個電機 控制外設事件管理器和 16 路 12 位高精度 AD 轉換通道等豐富的資源，非常有利于高復雜、高精度控制策略的實現。 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)展趨勢如下： (1)電機調速技術的發(fā)展趨勢是永磁同步電機將會取代原有直流有刷伺服電機和步進電機及感應電機。矢量變換中的公共坐標系 通常是建立在某一磁場（定子磁場、轉子磁場或氣隙磁場）矢量的位置上，也就是由該磁場矢量確定的公共坐標系，因此矢量變換控制也稱為磁場定向控制（ Field_Oriented Control，簡稱 FOC）。因此數學模型的建立做以下假設：轉子永磁磁場在氣隙空間中為正弦分布 、 電樞繞組的反電勢波形為正弦 、 忽略定子的鐵心飽和，認為磁路線性 、 不計鐵心和渦流損耗 、 轉子沒有阻尼繞組； 矢量控制中，電機的變量，如電流、電壓、電動勢和磁通等，均由空間矢量來描述，并通過建立電動勢的動態(tài)數學模型，得到各物理量之間的關系，通過坐標變換，在定向坐標系上實現各物理量的控制和調節(jié)。 圖 22 定子靜止坐標系 （ 3） 轉子旋轉直角坐標系 (dq 坐標系 ) 轉子旋轉坐標系固定在轉子上 (圖 )，其 d 軸位于轉子軸線上， q 軸超前 d 軸 900，空間坐標以 d 軸與參考坐標 ? 軸之間的電角度 ? 確定。由于繞組匝數都相等，可以消去磁動勢中的匝數，直接用電流表示。 由于假設轉子磁鏈在氣隙中呈正弦分布，根據圖 21 及圖 222 可知： ???????????????????????)3/4cos()3/2cos(cos?????????rCBA () 另外，對于星形接法的三相繞組，根據基爾霍夫（ Kirchhoff）定律有 0??? CBA iii () 聯(lián)合式（ ）、式（ ）和式（ ）整理可以得到： ???????????????????????????????????????????????????CBACBAssssssCBApiiipLRpLRpLRUUU???230002300023 （ ） 2） 永磁同步電機在 ??坐標系上的數學模型 ?????????????????????????BAiiii221032?? （ ） 根據坐標變換理論，對用此同步電機在 ABC 坐標系下的數學模型進行 3s2s 的坐標變換，就可以得到在 αβ 坐標系下的數學模型。 空間矢量的定義 交流電動機繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時間變化的，分析時常用時間相量來表示，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 為其旋轉角速度。兩個矢量的作用時間在一個采樣周期內分多次施加，從而控制各個電壓矢量的作用時間，使電基于 DSP的永磁同步電機控制 第 20 頁 共 74 頁 壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉，通過逆變器的不同開關狀態(tài)所產生的實際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結果來決定逆變器的開關狀態(tài)，從而形成 PWM 波形。 基于 DSP的永磁同步電機控制 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（模長為 2Udc/3） ，相鄰的矢量間隔 60 度，而兩個零矢量幅值為零位于中心。這些位置檢測傳感器或者與電機的非負載端同軸連接，或者直接安裝在電機的特定的部位。通常將組成編碼的圈稱為碼道，每個碼道表示二進制數的一位，其中最外側的是最低位，最里側的是最高位。為了獲得絕對位置角，在增量式光電編碼器有零位脈沖，即主光柵每旋轉一周，輸出一個零位脈沖，使位置角清零。綜上得： CNTMn 115? 在實際的測量中，時間 Tc 內的脈沖個數不一定正好是整數，而且存在最大半個脈沖的誤差。另外 ，時間太長也會影響控制的快速性。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。所以，它在長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，由光耦合器構成的模擬信號隔離電路具有優(yōu)良的電氣性能。圖 49 所示接法的工作原理如下：當輸出電壓升高時， TL521 的 1 腳 (相當于電壓誤差放大器的反向輸入端 )電壓上升， 3 腳 (相當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，當輸出電壓降低時，調節(jié) 過程類似。VW uuu ?? UN39。WN uuu ?? 負載中點電壓： 3 39。導電： U 相 上 開 關 管 驅 動 波 形U 相 下 開 關 管 驅 動 波 形V 相 上 開 關 管 驅 動 波 形V 相 下 開 關 管 驅 動 波 形W 相 上 開 關 管 驅 動 波 形W 相 下 開 關 管 驅 動 波 形 圖 44 180176。而且還內藏有過電壓，過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到 CPU。 （ 3）過流保護 (OC)：若流過 IGBT 的電流值超過過流動作電流，且時間超過 toff，則發(fā)生過流保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號。其中， VG 為內部門極驅動電壓， 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。 驅動電路以及 快速保護電路構成。即：在一個正弦周期中，每個橋臂上開關管開通半個周期；各橋臂上下開關管交替導通；各橋臂開始導電的角度差 120176。39。WU uuu ?? 負載相電壓： N N 39。 逆變器原理 逆變電路選用的是智能功率模塊 IPM，智能功率模塊的設計思想就是為降低在設計開發(fā)和制造上的成本，而把 IGBT 模塊進行集成 IPM 與普通 IGBT 模塊相比，在系統(tǒng)性能和可靠性上有進一步的提高，使設計和開發(fā)變得簡單。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，該系數隨溫度變化而變化，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 法測速是將 M 法和 T 法兩種方法結合在一起使用，在一定的時間范圍內，同時對光電編碼器輸出的脈沖個數 M1 和 M2 進行計數，則電機每分鐘的轉速為2115NMfMn clk? 實際工作時，在固定的 Tc 時間內對光電編碼器的脈沖計數，在第一個光電編碼器上升沿定時器開始定時，同時開始記錄光電編碼器和時鐘脈沖數，定時器定時 Tc 時間到，對光電編碼器的脈沖停止計 數，而在下一個光電編碼器的上升沿到來時刻，時鐘脈沖才停止記錄。在一定的轉速下要增大檢測脈沖數 M1 以減小誤差，可以增大檢測時間Tc 單考慮到實際的應用檢測時間很短，例如伺服系統(tǒng)中的測量速度用于反饋控制，一般應在 秒以下。 光電編碼器的測量方法：光電編碼器在電機控制中可以用來測量電機轉子的磁場位置和機械位置以及轉子的磁場和機械位置的變化速度與變化方向。 圖 212絕對式光電編碼器 按照碼盤上形成的碼道配置相應的光電傳感器，包括光源、透鏡、碼盤、光敏二極管和驅動電子線路。 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轉子的位置信息的。 矢量 Uref 在 T 時間內所產生的積分效果值和 Ux、 Uy、 U0 分別在時間Tx、 Ty、 T0 內產生的積分效果相加總和 值相同。的三相平面靜止坐標系上，可 以定義三個電壓空間矢量 UA(t)、UB(t)、 UC(t)，它們的方向始終在各相的軸線上，而大小則隨時間按正弦規(guī)律做變化，時間相位互差 120176。這樣電動機旋轉磁場的軌跡問題就可轉化為電壓空間矢量的運動軌跡問題。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 是一個旋轉 的空間矢量，它的幅值不變，是每相電壓值的 3/2 倍。 3） 永磁同步電機在 dq 坐標系上的數學模型 在 dq 坐標系下建立永磁同步電機的數學模型，對于分析永磁同步電機控制過程系基于 DSP的永磁同步電機控制 第 16 頁 共 74 頁 統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能都十分方便 。但 ? 、 ? 軸是靜止的， ? 軸與 d 軸的夾角 ? 隨時間而變化，因此 si 在 ? 、 ? 軸上的分量 ?i 、 ?i 的長短也隨時間變化，相當于 ? 、 ? 繞組交流磁動勢的瞬時值。 圖 23 定子靜止坐標系與轉子旋轉坐標系 ???dq ABCαβ?120基于 DSP的永磁同步電機控制 第 12 頁 共 74 頁 下面介紹坐標變換關系： 三相定子坐標系與兩相定子坐標系變換 (3s2s) 圖 22 中繪出了 ABC 和 ??兩個坐標系，為了方便起見 ， 取 A 軸與 α軸重合。 （ 1） 三相定子坐標系 (ABC 坐標系 ) 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。 對于永磁同步電機來說，電機的轉子是永磁體，因其參數對定子的影響相對較小，而且公共坐標系可以選擇永磁磁鏈的方向，可以極大簡化系統(tǒng)的分析，所以多數永磁同步電機調速系統(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，降低對電網的污染和對環(huán)境的輻射干擾，延長電機使用壽命的綠色化方向發(fā)展。在研究DSP2812 控制永磁同步電機的控制之前，本文先對永磁同步電機以及控制芯片的發(fā)展做了簡單的介紹，并詳細介紹了 空間電壓矢量 SVPWM 調制方式 ，最后結合設計對系統(tǒng)硬件部分做了簡要說明， 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(數字信號處理器 )為核心的數字控制器迅速發(fā)展起來。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代控制理論逐漸發(fā)展起來。 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。異步感應電機結構簡單，價格低廉，不需要特殊維護，易于實現高速運行。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。 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，永磁同步電機的研究和應用得到了空前的發(fā)展。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。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。 本文研究的主要內容 ................................................... 8 2 永磁同步電機結構及控制原理 .....................................