【正文】 ........................................41 LED 顯示電路 ............................................................. 41 光耦隔離電路 ................................................................... 42 2. 第五章軟件設(shè)計 ..........................................................................................................50 DSP 開發(fā)軟件的安裝與應(yīng)用 ...................................... 50 總結(jié)與致謝 .......................................................................................................................60 參考文獻 ...........................................................................................................................73 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 3 頁 共 74 頁 基于 DSP 的永磁同步電機控制 設(shè)計總說明 隨著電力電子技術(shù)現(xiàn)代控制技術(shù)以及計算機微芯片技術(shù)的迅速發(fā)展 ,在交流調(diào)速技術(shù)中 ,變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速性能和高效節(jié)能效果等優(yōu)點成為了國內(nèi)外交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展方向 ,現(xiàn)階段運用計算機電子技術(shù)的最新發(fā)展成果將成熟的電機控制理論應(yīng)用并構(gòu)建成完整的系統(tǒng)已經(jīng)是該領(lǐng)域內(nèi)研究的一個熱點。本文中采用 TI 公司的高速數(shù)字信號處理器 TMS320F2812 為控制核心，利用空間矢量脈寬調(diào)制控制算法，可以有效地解決電機的強耦合特性；適時地控制電機的轉(zhuǎn)矩、速度和位置狀態(tài)；并且不用過大體積的能量變換裝置即可隨意地控制瞬態(tài)電流的幅值；當采用正弦波電流驅(qū)動時，可以完全消除轉(zhuǎn)矩的波動。由于TMS230F2812 的高集成、高性能的 特點，使得控制系統(tǒng)具有控制精度高、硬件簡單、可靠性能高等優(yōu)點。首先，傳感器將檢測到的定子相電流信號和轉(zhuǎn)速信號送入 DSP 的 ADC 和 QEP， DSP 對檢測的信號進行相應(yīng)的運算處理后產(chǎn)生 PWM 脈沖信號，經(jīng)光電隔離后，驅(qū)動 IPM 智能功率模塊以產(chǎn)生期望的電壓來控制電機運行。 本論文是基于電機矢量控制理論構(gòu)建了系統(tǒng)的模型并以 TI 公司的電機控制專用DSP 芯片 TMS320F2812 為核心設(shè)計開發(fā)了一套針對永磁同步電機的變頻調(diào)速數(shù)字化控制系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)的硬件總體方案和主要模塊的設(shè)計，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。電動機作為把電能轉(zhuǎn)換為機械能的主要設(shè)備，不僅要具有較高的機電能量轉(zhuǎn)換效率，而且應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)機械的工藝要求，控制和調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度。調(diào)速系統(tǒng)是由功率部分、執(zhí)行部分 和控制部分三大要素組成的一個有機整體，各部分之間的不同組合，構(gòu)成多種多樣的調(diào)速系統(tǒng)。但直流電動機的固有缺點，限制了其向高轉(zhuǎn)速、高電壓、大容量方向的發(fā)展?，F(xiàn)階段，交流調(diào)速系統(tǒng)不但性能可以和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，而且成本和維 護比直流調(diào)速系統(tǒng)更低，可靠性更高。目前已形成直流電動機、異步電動機、永磁同步電動機為執(zhí)行機構(gòu)的三大類調(diào)速系統(tǒng)。永磁同步電機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)動慣量小、調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)矩脈動小、無需勵磁電流、功率因數(shù)高、發(fā)熱少等優(yōu)點，因此廣泛的應(yīng)用于數(shù)控機床、工業(yè)機器人、醫(yī)療器械、化工、輕紡、計算機外設(shè)、儀器儀表、微型汽車和電動自行車等領(lǐng)域。 相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展 永磁同步電機的應(yīng)用和發(fā)展離不開電機制造技術(shù)、永磁材料、傳感器、功率器件、微處理器和控制理論等各方面技術(shù)、理論的發(fā)展與綜合。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)。 變頻技術(shù)發(fā)展 調(diào)速系統(tǒng)必須具備能夠同時控制電壓幅值和頻率的電源，而電網(wǎng)提供的是恒壓恒頻的電源，因此應(yīng)該配置變壓變頻 器。目前脈寬調(diào)制技術(shù)主要有正弦脈寬調(diào)制（ SPWM）、電流滯環(huán)控制（ CHBPWM）、空間矢量脈寬調(diào)制（ SVPWM）等。 電機制造技術(shù)和交流調(diào)速理論的發(fā)展 作為傳動系統(tǒng)執(zhí)行部件的電機，要求具有體積小、 重量輕、輸出力矩大、低轉(zhuǎn)動慣量、優(yōu)良的起制動性能、寬的調(diào)速范圍、轉(zhuǎn)矩脈動小等特點。直流電機由于存在機械換向、維護困難、工作環(huán)境要求較高、轉(zhuǎn)動慣量大、效率低、散熱條件差等缺點，限制了其向高轉(zhuǎn)速、高電壓、大容量的方向發(fā)展。交流調(diào)速電機主要有異步感應(yīng)電動機、永磁同步電機（包括永磁同步正弦波電機和直流無刷方波電機）、開關(guān)磁阻電機。永磁同步電機無勵磁電流，功率因數(shù)高，發(fā)熱少，結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)動慣量小。國內(nèi)外感應(yīng)電機、永磁同步電機、開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的研究都在不斷的發(fā)展，并取得了顯著的成果。 交流電機具有強耦合、時變、非線 性等特點，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)良的動態(tài)和靜態(tài)特性，且對外界的擾動具有不敏感性，控制策略的選擇發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前，比較成熟的交流調(diào)速系統(tǒng)控制策略主要有： VVVF(變壓變頻 ) 控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。 1971 年德國西門子公司的 提出了矢量控制理論，使交流電機控制理論獲得質(zhì)的飛躍。矢量控制需要進行坐標變換，精確觀測轉(zhuǎn)子磁鏈大小和空間位置，運算量大，且在異步電機控制中易受到轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響。首先是以傳遞函數(shù)為基本的描述、以頻域法或根軌跡法作為主要分析和設(shè)計方法的經(jīng)典控制理論。對于多變量、多輸入、多輸出、控制精度要求較高的復(fù)雜系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論逐漸表現(xiàn)出不足之處?，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、最優(yōu)估計等重要理論分支。但在現(xiàn)實中，對于存在各種不確定因素、非線性或參數(shù)時變的系統(tǒng)，建立其數(shù)學(xué)模型是十分困難的。 微處理器發(fā)展 實現(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)。但是，模擬控制器也存在以下不足之處：參數(shù)不易調(diào)整、自適應(yīng)能力差、難以實現(xiàn)高精度和復(fù)雜的控制策略、集成度不高、硬件復(fù)雜、通用性差等。數(shù)字控制一定程 度上克服了模擬控制的某些缺陷，能實現(xiàn)模擬系統(tǒng)不能實現(xiàn)的高復(fù)雜和高精度的控制算法，具有硬件電路簡單、可靠性好、集成度高、易于移植、自適應(yīng)能力強、數(shù)據(jù)采集速度快、易于實現(xiàn)監(jiān)控、故障診斷和自恢復(fù)等優(yōu)點，但也存在量化誤差、受微處理器運算速率限制等不足之處。目前，在運動控制領(lǐng)域中， TI、 Analog Device 和 Motorola 公司分別推出了各自的專用芯片。 2020系列的 DSP主要經(jīng) 歷了 TMS320F20x、 TMS320F24x和 TMS320F28x三代，運算速度逐漸加快，存儲容量逐漸加大，功能越來越強，功耗也越來越小。 本文研究的主要內(nèi)容 本次畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容是利用 DSP2812 控制永磁同步電機的控制，在 的環(huán)境下編寫并編譯程序，利用 DSP2812 開發(fā)板以及仿真器實現(xiàn)程序的仿真。 2 永磁同步電機結(jié)構(gòu)及控制原理 永磁同步 電機控制理論的發(fā)展 交流調(diào)速理論包括矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。矢量控制的基本思想是在普通的三相交流電動機上設(shè)法模擬直流電動機轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，在磁場定向坐標上，將電流華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 共 74 頁 矢量分解成為產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使得兩個分量互相垂直，彼此獨立，然后分別進行調(diào)節(jié)。控制策略的選擇上是 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)簡單，調(diào)節(jié)方便。 (2)綠色化發(fā)展。 永磁同步電機的矢量控制原理 永磁同步電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和種類 永磁同步電動機分類方法較多：按工作主磁場原理方向的不 同，可分為徑向磁場式和軸向磁場式；按電樞繞組位置不同，可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子式和外轉(zhuǎn)子式；按轉(zhuǎn)子上有無啟動繞組，可分為無啟動繞組的電動機和有啟動繞組的電動機 (又稱為異步啟動永磁同步電動機 )；根據(jù)極對數(shù)的不同，永磁同步電機可分為單極和多極；根據(jù)磁通分布或反電動勢波形，可分為永磁無刷直流電動機和永磁同步電動機。針對永磁同步電機，控制策略主要有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，本節(jié)主要介紹矢量控制策略。矢量變換控制的實質(zhì)是：以從電機真實物理模型建立起來的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，經(jīng)過一系列的坐標變換，將原來的數(shù)學(xué)模型變換成公共旋轉(zhuǎn)坐標系中的等效兩相模型（ dq 模型），然后通過對公共坐標系統(tǒng)中相關(guān)矢量進行獨立控制，最后利用坐標反變換獲得三相靜止坐標系中的控制量，從而實現(xiàn)對電基于 DSP的永磁同步電機控制 第 10 頁 共 74 頁 機的控制。矢量控制的公共坐標系通常以轉(zhuǎn)子磁場定向來建立的，因而矢量控制也可以稱之為轉(zhuǎn)子磁場定向控制。 SVPWM 控制是針對形成旋轉(zhuǎn)的圓形磁場提出的，其基本思想是把電動機和 PWM控制 逆變器作為一個整體，通過選擇逆變器的不同開關(guān)模式，使的電機定子繞組產(chǎn)生圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。電機控制的目的是產(chǎn)生圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，所以 SVPWM 控制技術(shù)比較適合于電機控制。在永磁同步電機動態(tài)過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的數(shù)學(xué)模型十分困難。 坐標系 以及坐標變化 在本文中，將涉及到以下幾種，對其進行一一介紹。當定子通入三相對稱交流電時，就產(chǎn)生了一個旋轉(zhuǎn)的磁場。 ABC華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 共 74 頁 圖 21 三相定子坐標系 （ 2） 定子靜止直角坐標系 (??坐標系 ) 為了簡化分析，定義一個定子靜止直角坐標系即 ??坐標系 (圖 22)，其 α軸與 A 軸重合，軸超前 β軸 900。因 此可以將兩相坐標系代替三相定子坐標系進行分析，從而達到簡化運算的目的。該坐標系和轉(zhuǎn)子一起在空間以轉(zhuǎn)子速度旋轉(zhuǎn)，故相對于轉(zhuǎn)子來說，此坐標系是靜止的，又稱為同步旋轉(zhuǎn)坐標系。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， 各相磁動勢為有效匝數(shù)與電流的乘積，其空間矢量均位于有關(guān)相的坐標軸上。 兩相定子坐標系與兩相 轉(zhuǎn)子 旋轉(zhuǎn)坐標系變換 (2s2r) 圖 23 是兩相坐標系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的變換，簡稱 2s2r 變換，其中 s 表示靜止，r 表示旋轉(zhuǎn)。兩相交流電流 ?i 、 ?i 和兩個直流電流 di 、 qi 產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速 1? 旋轉(zhuǎn)的合成磁動勢 sF 。 在圖 25 中， d、 q 軸和矢量 sF （ si ）都以轉(zhuǎn)速 1? 旋轉(zhuǎn)，分量 di 、 qi 的長短不便，相當于 d、 q 繞組的直流磁動勢。由圖可見， ?i 、 ?i 和 di 、 qi 之間存在下列關(guān)系 圖 25兩相 靜止和旋轉(zhuǎn)坐標系與磁動勢（電流）空間矢量 ??? s inc o s qd iii ?? ??? c o ss i n qd iii ?? ??????????????????? ????????qdsrqdiiCiiii22cossincoscos?????? () a223。對式（ ）兩邊都左乘以變換陣的逆矩陣，得 ： ???????????? ?????????????? ?????????????????????iiiiiiqdc o ss i ns i nc o sc o ss i ns i nc o s 1 () 則兩相靜止坐標系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的變換陣是 : ???????? ?? ?? c oss in s inc os2/2 rsC () 電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣也與電流（磁動勢）旋轉(zhuǎn)變換陣相同 ， 其中 ? 為 x 軸與 d 軸的夾角，即轉(zhuǎn)矩角。 根據(jù)式 ()和式 ()，可以得到永磁同步電機三相繞組的電壓回路方程如下： ???????????????????????????????????????????????????CBACBAssssssssssssCBApiiipLRpLpLpLpLRpLpLpLpLRUUU?????????34cos32cos32cos34cos32cos34cos () 其中為 AU 、 BU 、 CU 各相繞組端電壓， Ai 、 Bi 、 Ci 為各相繞組電流， A? 、 B? 、 C?華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁 共 74 頁 為轉(zhuǎn)子磁場在定子繞組中產(chǎn)生的交鏈， p 為微分算子 dtd/ 。 由式（ ）、（ ）和（ ）可