【正文】 /質(zhì)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(diǎn)，因而應(yīng)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(chǎng)合，如航空航天、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人控制等方面。同時(shí)隨著微電子技術(shù)和功率電子技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)，智能功率模塊 (IPM)出現(xiàn)等，促使交流伺服控制系統(tǒng)向全數(shù)字化、智能化、小型化、高速、高精度方向發(fā)展。 首先 在熟練掌握永磁同步電動(dòng)機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，分析 永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 ，其次 在電壓空間矢量 （ SVPWM） 技術(shù)以及永磁同步電機(jī)矢量控制原理 基礎(chǔ)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(gòu)建了全數(shù)字伺服系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。 關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)，矢量控制， SVPWM， TMS320F2812 II Design of PMSM Control System Based on TMS320F2812 Abstract Permanent mag synchronous motor (PMSM) has a simple structure, reliable operation, small size, light weight, less wear and tear, torque / mass ratio, power factor, high efficiency, easy heat, easy maintenance, and other notable characteristics, and thus the scope of applicationextremely broad, especially in the requirements of highprecision control and high reliability applications, such as aerospace, machine tools, robot control and so on. With the substantial increase in performance permanent magic materials and lower prices, as well as the further development of power electronic devices, permanent mag AC synchronous motor servo system has gradually bee the the same time as the microelectronics and power electronics technology, the rapid development of digital signal processor (DSP), Intelligent Power Module (IPM) and so appears to promote an exchange to alldigitalservo control system,intelligence,miniaturization,high speed, highprecisiondirection. In this paper, alldigital PMSM servo drive the research and development. First, master the principle of permanent mag synchronous motor based on the analysis of the mathematical model of permanent mag synchronous motor, then the voltage space vector (SVPWM) technique and vector control of PMSM based on the principle, the use of the system39。因而，在諸如工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等應(yīng)用場(chǎng)合，永磁同步電動(dòng)機(jī)正在逐步取代其他電動(dòng)機(jī)，成為一種很有前途的節(jié)能電機(jī)。 一般來(lái)說(shuō)，伺服系統(tǒng)是指以驅(qū)動(dòng)機(jī)械的位置 、方位、狀態(tài) 為輸出被控制量，使之任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。研究高性能的永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)是現(xiàn)在研究所面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)。隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各個(gè)行業(yè)對(duì)電伺服系統(tǒng)的需求愈益增大，并對(duì)其性能提出了更高的要求。 永磁同步電動(dòng)機(jī)概述 永磁材料的發(fā)展對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展具有重大意義。永磁同步電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)、運(yùn)行可靠性以及效率上，相比電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)都有尤其突出的優(yōu)勢(shì)。異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子上設(shè)置了起動(dòng)繞組，具有在某一頻率和電壓下自行起動(dòng)的能力，然而調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)只依靠變頻器起動(dòng)和控制。永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)控制相對(duì)異步型交流伺服系統(tǒng)矢量控制策略、電機(jī)低速運(yùn)行、效率等方面相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)高性能的控制，在伺服系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。 隨著永磁材料性能的大幅度提高和價(jià)格的降低，各種高性能交流永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)成為交流伺服系統(tǒng)的主流。 根據(jù)電動(dòng) 機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的波形形狀，永福州大學(xué) 至誠(chéng) 學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 磁同步電動(dòng)機(jī)可分為正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī) (PMSM)和梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)，梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)也稱為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) (BLDCM)。在小功率、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及要求良好的靜態(tài)性能的伺服驅(qū)動(dòng)中具有非常重要的地位，其原因是由于永磁同步電動(dòng)機(jī)具有體積小、重量輕，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，從而能夠達(dá)到快速、準(zhǔn)確的控制要求。 國(guó)內(nèi)外伺服系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 隨著傳感器技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)以及永磁體材料與控制理論的發(fā)展， 20世紀(jì) 70 年代末期進(jìn)入了伺服技術(shù)的交流化時(shí)代，相繼的研究出各類交流伺服系統(tǒng)，并且廣泛應(yīng)用于機(jī)動(dòng)控制領(lǐng)域，在很大程度上，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被之取代，到目前為止，交流伺服系統(tǒng)已成為伺服系統(tǒng)的主流。 在小功率交流變頻調(diào)速技術(shù)、中功率變頻調(diào)速技術(shù)、大功率無(wú)換向器電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)、大功率交 交變頻調(diào)速技術(shù)等方面，國(guó)內(nèi)外控制系統(tǒng)都已實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化 [2]。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高和能源的全球性短缺，變頻器越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在機(jī)械、紡織、化工、造紙、冶金、食品等各個(gè)行業(yè)以及風(fēng)機(jī)、水泵等的節(jié)能場(chǎng)合，已取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái)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(shù)的發(fā)展應(yīng)用，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。矢量控制、磁通控制、轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制等新的控制理論為高性能的變頻器提供了理論基礎(chǔ)， 16 位、 32 位高速微處理器以及數(shù)字信號(hào)處理器 (DPS)和專用集成電路 (ASIC)技術(shù)的快速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)變頻器高精度、多功能提供了硬件手段。 隨著高性能單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器的使用，國(guó)內(nèi)學(xué)者緊跟國(guó)外 最新控制策略，針對(duì)交流感應(yīng)電機(jī)特點(diǎn)，采用高次諧波注入國(guó)內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下 : （ 1） 變頻器的整機(jī)技術(shù)落后，國(guó)內(nèi)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(shù)和生產(chǎn)規(guī)模。 基于 TMS320F2812 的 PMSM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 （ 3） 相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后。 伺服控制系統(tǒng)發(fā)展方向 隨著步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)和直流電機(jī)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(shí)代。為此，永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的研究越來(lái)越受到大家的關(guān)注。隨著電機(jī)制造技術(shù)、微處理器、永磁材料、功率器件、傳感器和自動(dòng)控制理論等各方面技術(shù)理論的發(fā)展與綜合的發(fā)展，已將電力電子器件、控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)等集為一體，為自動(dòng)控制技術(shù)開辟了新的廣闊的美好前景。 由于微電子技術(shù) 的發(fā)展 ,微處理器的運(yùn)算速度不斷提高 ,功能不斷增強(qiáng)，特別在電機(jī)控制專用 功能強(qiáng)大的數(shù)字處理芯片 DSP芯片出現(xiàn)后，全數(shù)字伺服系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)電流控制、速度控制和位置控制全部數(shù)字化的同時(shí) ,極大的增強(qiáng)了伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用的靈活性 [3]。以往同步電動(dòng)機(jī)的概念和應(yīng)用范圍已被當(dāng)今的永磁同步電動(dòng)機(jī)大大的擴(kuò)展。但人們研究交流伺服系統(tǒng)這一領(lǐng)域的熱情沒有減少，而且研究伺服系統(tǒng)不斷的朝著 智能化 、 高精度化、高效率化、通用化、無(wú)速度和無(wú)位置傳感器化、 集成一體化 、 網(wǎng)絡(luò)化 發(fā)展。 第二章 建立了永磁同步電 動(dòng) 機(jī)數(shù)學(xué) 模型 ，并在此基礎(chǔ)上對(duì)以電壓空間矢量技術(shù)以及永磁同步電機(jī)矢量控制原理進(jìn)行了探討研究 。 第四章 對(duì)控制器進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，包括主程序設(shè)計(jì)以及各種中斷程序的設(shè)計(jì)。 福州大學(xué) 至誠(chéng) 學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 第 2 章 永磁同步電機(jī)控制策略 在給出了永磁同步電動(dòng)機(jī) dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，闡述了矢量控制原理以及控制系統(tǒng)用到的坐標(biāo)變換公式，并重點(diǎn)給出電壓空間矢量脈寬調(diào)制 (SVPWM)方式的基本原理。 它們的 區(qū)別在于 ，前者的轉(zhuǎn)子采用永磁體勵(lì)磁，而后者 由轉(zhuǎn)子上 的勵(lì)磁線圈產(chǎn)生勵(lì)磁 。 永磁同步電動(dòng)機(jī)根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝位置不同，可分為：表貼式永磁同步電動(dòng)機(jī)、嵌入式永磁同步電動(dòng)機(jī)、內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)三種，如圖 21中 a、 b、 c 所示；根據(jù) 主磁場(chǎng) 方向的不同，分為 磁場(chǎng)式和軸向磁場(chǎng)式 ；按照 反電勢(shì)波形的 不同，永磁同步電機(jī)分為：正弦波永磁同步電機(jī)（ PMSM）、 矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī) （ BLDCM） (簡(jiǎn)稱無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) )。 a 表貼式 b 嵌入式 c 內(nèi)置式 圖 21 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 永磁同步電機(jī) (PMSM)數(shù)學(xué)模型的基本方程包括電壓方程、磁鏈方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程以及 運(yùn)動(dòng)方程。 一般在定子上放置三相對(duì)稱繞組，轉(zhuǎn)子上安裝永磁體代替電勵(lì)磁。 為了便于簡(jiǎn)化分析，對(duì)永磁同步電 動(dòng) 機(jī)作 以下參數(shù) 假設(shè) ： (1)認(rèn)為永磁同步 電動(dòng)機(jī)的鐵心 不 飽和； (2)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形為正弦波，忽略高次諧波； (3)磁路是線性的 ，忽略 電機(jī)中的渦流和磁滯損耗，； 基于 TMS320F2812 的 PMSM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 (4)轉(zhuǎn)子上無(wú)阻尼繞組，永磁體無(wú)阻尼作用； (5)各相繞組對(duì)稱，即各相繞組的匝數(shù)與電阻相同，各相軸線相互位移同樣的電角度； (6)不考慮溫度對(duì)電機(jī)的影響 [5]。 ， q軸 逆時(shí)針超前 d軸。 定子電壓方程： ?????? qddsd piru ?????? dqqsq piru （ 22） p是微分算子； rs是電樞繞組電阻； ω是轉(zhuǎn)速； Ψd、 Ψq是 dq坐標(biāo)系上的磁鏈； ud、 uq是定子在 d、 q軸上的電壓。 把式 (21)代入（ 24)得 ： ? ?? ?iiLLipT qdqdqfme ??? ? （ 25） 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程： ? ?TTJ1dtd Lem ??? ???mmdtd （ 26） ωm 是 轉(zhuǎn)子機(jī)械角 速度； J 是 電機(jī)與負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量 之和 ； TL 是 負(fù)載轉(zhuǎn)矩。由式（ 25）、（ 26）和（ 27） 寫成狀態(tài)方程形式見式（ 28）。 PMSM矢量控制原理 調(diào)速系統(tǒng)的目的是要實(shí)際轉(zhuǎn)速能夠快速、穩(wěn)定地跟蹤給定轉(zhuǎn)速。 將轉(zhuǎn)子上的 dq 坐標(biāo)系定為參考坐標(biāo)系 ， 就可以將 電流變換為 d、 q 軸上的兩個(gè) 電樞電 流量 id 、 iq ，根據(jù) （ 25） 式可以看出 ， 通過(guò)控制 q 軸電流 iq 即可完全控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩 Te 。 進(jìn)行 d、 q 反變換必須先 確定了 iq 、 id 的值 ， 從而得到應(yīng)該施加于定子三相電樞繞組電流的給定值的大小。常用的坐標(biāo)系有：三相靜止坐標(biāo)系 ABC、二相靜止坐標(biāo)系 αβ、二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 MT。 Clarke變換 三相 靜止 ABC坐標(biāo)系與兩相 靜止 αβ坐標(biāo)系之間的變換，稱 為 Clarke變換，也 可以 叫做 3／ 2變換。圖 24為 a、 b、 c和 α、 β兩個(gè)坐標(biāo)系 。 )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 ??????????????