【正文】 關(guān) 管 驅(qū) 動(dòng) 波 形 圖 44 180176。VW uuu ?? UN39。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。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。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。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。 基于 DSP的永磁同步電機(jī)控制 第 22 頁(yè) 共 74 頁(yè) 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。 tΨ 1jms e ??Ψ （ ） 其中 Ψ m 是磁鏈Ψ s W1 為其旋轉(zhuǎn)角速度。 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。 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。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）。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)。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(wú)法進(jìn)行觀 測(cè)和進(jìn)行定性、定量的分析。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。國(guó)內(nèi)外直流傳動(dòng)裝置的生產(chǎn)呈下降趨勢(shì)，而交流變頻調(diào)速裝置的生產(chǎn)大幅度上升。采用 TMS320F2812 定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器為主控芯片，完成電流環(huán)、速度環(huán)，位置環(huán)的算法實(shí)現(xiàn)及其控制。給出了系統(tǒng)的硬件總體方案和主要模塊的設(shè)計(jì)，包括主控制電路以及一些器件模塊的選取，采用空間電壓矢量 SVPWM 調(diào)制方式并給出了基于 DSP 芯片的軟件編程。交流調(diào)速系統(tǒng)中，功率主回路中的電力半導(dǎo)體是現(xiàn)代電力電子設(shè)備的心臟和靈魂，電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展為交流調(diào)速系 統(tǒng)的完善奠定了基礎(chǔ)。 交流電機(jī)具有強(qiáng)耦合、時(shí)變、非線 性等特點(diǎn)，為了能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，使之具備優(yōu)良的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，且對(duì)外界的擾動(dòng)具有不敏感性，控制策略的選擇發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。 微處理器發(fā)展 實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的控制策略必須有性能優(yōu)越的控制器作為基礎(chǔ)?？刂撇呗缘倪x擇上是 PID 控制，傳統(tǒng)的數(shù)字 PID 控制是一種技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的控 制算法，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便。在永磁同步電機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程中存在永磁體與繞組、繞組與繞組之間的相互影響，電磁關(guān)系十分復(fù)雜，要精確建立永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型十分困難。兩相交流電流 ?i 、 ?i 和兩個(gè)直流電流 di 、 qi 產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速 1? 旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì) sF 。 SVPWM 基本原理 把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)控制逆變器的工作，這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制”，磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的，所以又稱“電壓空間矢量 PWM（ SVPWM， Space Vector PWM）控制 ”。 在某個(gè)時(shí)刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)區(qū)域中，可由組成這個(gè)區(qū)域的兩個(gè)相鄰的非零矢量和零矢量在時(shí)間上的不同組合來(lái)得到。電機(jī)控制系 統(tǒng)中的位置檢測(cè)通常有：微電機(jī)解算元件，光電元件，磁敏元件，電磁感應(yīng)元件等。工作時(shí)，鑒向盤不動(dòng)，主光柵碼盤隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼盤，通過(guò)主光柵碼盤和鑒向盤后由光敏二極管接 收相位差 090 的近似正弦信號(hào)，再由邏輯電路形成轉(zhuǎn)向信號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。但轉(zhuǎn)速太低，一個(gè)編碼器輸出脈沖的時(shí)間太長(zhǎng)，時(shí)鐘脈沖數(shù)會(huì)超過(guò)計(jì)數(shù)器最大計(jì)數(shù)值而產(chǎn)生溢出 。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。注意左邊的地為輸出電壓地，右邊的地為芯片供電電壓地，兩者之間用光耦隔離。 NN W N 39。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 31 頁(yè) 共 74 頁(yè) IPM（ Intelligent Power Module），即 智能功率模塊 ，不僅把功率開關(guān)器件和 驅(qū)動(dòng)電路 集成在一起。 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用典型的交直交電壓型變頻系統(tǒng)將交流電先整流成直流 ,再由 IPM 逆變器生成頻率可變的交流電驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)。；任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。 U N 39。做反饋用的光耦正是利用“原邊電流變化將導(dǎo)致副邊電流變化”來(lái)實(shí)現(xiàn)反饋，因此在環(huán)境溫度變化劇烈的場(chǎng)合，由于放大系數(shù)的溫漂比較大，應(yīng)盡量不通過(guò)光耦實(shí)現(xiàn)反饋。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。由此可見，減小測(cè)量誤差的方法是采用高線數(shù)的光電編碼器。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)到一定的角度時(shí)，扇區(qū)中透光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管導(dǎo)通，輸出低電平“ 0”，遮光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管不導(dǎo)通，輸出高電平“ 1”，這樣形成與編碼方式一致的高、低電平輸出，從而獲得扇區(qū)的位置腳。 由于三相正弦波電壓在電壓空間向量中合成 一個(gè)等效的旋轉(zhuǎn)電壓，其旋轉(zhuǎn)速度是輸入電源角頻率，等效旋轉(zhuǎn)電壓的軌跡將是如圖 310 所示的圓形。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁(yè) 共 74 頁(yè) 圖 27旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡 六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) （ 1）電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡 在常規(guī)的 PWM 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)由六拍階梯波逆變器供電，這時(shí)的電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡是怎樣的呢 ?為了討論方便起見，再把三相逆變器 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電 路的原理圖繪出，圖 28 中六個(gè)功率開關(guān)器件都用開關(guān)符號(hào)代替，可以代表任意一種開關(guān)器件。對(duì)永磁同步電機(jī)在 ??坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行 2s2r坐標(biāo)變換，就可以獲得永磁同步電機(jī)在 dq 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。設(shè)三相繞組每相有效匝數(shù)為 N3， 兩相繞組每相有效匝數(shù)為 N2， 各相磁動(dòng)勢(shì)為有效匝數(shù)與電流的乘積，其空間矢量均位于有關(guān)相的坐標(biāo)軸上。 SVPWM 控制是針對(duì)形成旋轉(zhuǎn)的圓形磁場(chǎng)提出的，其基本思想是把電動(dòng)機(jī)和 PWM控制 逆變器作為一個(gè)整體，通過(guò)選擇逆變器的不同開關(guān)模式，使的電機(jī)定子繞組產(chǎn)生圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 2 永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)及控制原理 永磁同步 電機(jī)控制理論的發(fā)展 交流調(diào)速理論包括矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制?，F(xiàn)代控制理論主要包括線性系統(tǒng)的分析與綜合、最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識(shí)、最優(yōu)估計(jì)等重要理論分支。永磁同步電機(jī)無(wú)勵(lì)磁電流，功率因數(shù)高，發(fā)熱少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、無(wú)需勵(lì)磁電流、功率因數(shù)高、發(fā)熱少等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛的應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療器械、化工、輕紡、計(jì)算機(jī)外設(shè)、儀器儀表、微型汽車和電動(dòng)自行車等領(lǐng)域。首先，傳感器將檢測(cè)到的定子相電流信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)送入 DSP 的 ADC 和 QEP， DSP 對(duì)檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算處理后產(chǎn)生 PWM 脈沖信號(hào)，經(jīng)光電隔離后，驅(qū)動(dòng) IPM 智能功率模塊以產(chǎn)生期望的電壓來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行。此外，系統(tǒng)還具有鍵盤設(shè)定及顯示功能。 隨著永磁電機(jī)控制技術(shù)的成熟和完善，永磁同步電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛：從小型到大型、從一般的控制驅(qū)動(dòng)到高精度的伺服系統(tǒng)、從日常電器到各種高精尖的科技領(lǐng)域均采用永磁電機(jī)作為主要的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需勵(lì)磁，控制策略易于實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)超高速運(yùn)行。經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論都是以被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，所以精確建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型是至關(guān)重要的。 1971 年，由 F． Blaschke 提出的矢量控制理論第一次使交流電機(jī)控制理論獲得了質(zhì)的飛躍。 SVPWM 控制具有易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、電壓利用率高、開關(guān)頻率固定等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)磁動(dòng)勢(shì)波形是正弦分布的，當(dāng)三相總磁動(dòng)勢(shì)與兩相總磁動(dòng)勢(shì)相等時(shí)，則兩套繞組瞬時(shí)磁動(dòng)勢(shì)在 α， β軸上的投影也相等寫成矩陣形式得： 321112233022ABCiiN ii N i???? ???????? ????? ?????? ??????? () 考慮變換前后總功率不便，在此前提下，可以證明，匝數(shù)比應(yīng)為 3223 ?NN () 代入式（ ）得 ????????????????????????????????CBAiiiii232302121132?? () 令 2/3C 表示從三相坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系的變換矩陣，則 ????????????????2323021211322/3C () 如果三相繞組是 Y 型聯(lián)結(jié)不帶零線，則有 ] 0??? CBA iii ，代入式（ ）和式（ ）并整 理后得 : 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 共 74 頁(yè) ?????????????????????????BAiiii221032?? () 按照所采用的條件，電流變換陣也就是電壓變換陣，同時(shí)還可證明，它們也是磁鏈的變換。由式 ()和式 ()得到永磁同步電機(jī)在 dq 坐標(biāo)系下的電流方程： ????????????????????????????????????CBAqdiiiii)32si n()32si n(si n)32co s()32co s(co s32?????????? () 其中 di 、 qi 分別為定子電流在 dq 坐標(biāo)系下的分量，結(jié)合式 ()整理得 ????????????????????????????BAqdiiii??????c o s2c o s22s i n26s i n2c o s26s i n22 （ ） 永磁同步電機(jī)在 dq 坐標(biāo)系 磁鏈方程 () ()、 () 電壓方程為： qrddsd piRU ??? ??? （ ）