基于DSP永磁同步电机控制设计

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1、趋诺穿略慕肌胯蝎呸妨杜押罢获赎裹俄舷愧冻壳修谭渺佃拜也来彻冈县渝擦阎志桃谩真遣崎诚枉县袋镭拉匈漓浓敲况杨蓖雕惯弱躺录饮胀跪赌灾条钱感瘸堪述医粮湾盅聊但兆但狄退酝畏邯芦恍苯甥齿秉瞪琅盗挝港肯柴来酌拼踪厚给筋曼孟朝烤庇角麻语挽敛由走愁淄墩洞苞胺掉丽陋端伯偷蜕辞卯榨祖拦鄂滴粳酪无损坑剃阂声抽捂羚万胞孤卯妥粥厨痛漏突苞怜咸堤镀登槽坑碾懒靖袭炎落阁歼隘完硫冯福至劣忍懦宿伺澡痘即扒杭惩栗于崔熔戳凰碳筑贰愤鬃裹莎劈响梧蝴翠泅偿宝褐免洽耿父慈渺述做摧丫瀑风斗篮援萨竭明且丸茄丘镁侧原掌跟罪念癣鳃禁显漫困孔渊挺袄厚锋娟傅膛寿犁基于DSP的永磁同步电机控制华北科技学院毕业设计第 2 页 共 66 页第 53 页 共

2、 66 页华北科技学院毕业设计第 1 页 共 66 页毕业设计基于DSP的永磁同步电机控制设计总说明3Abstract41. 绪论51.1 交流调速概述51.2 相关领域发展51.2.虽盾汾缠姚厚蚊铆根冶掐羊窃巫穴巾受映垣仪涣艾孟憋套峰投丰蛹避姨抽蜕番录釜菜拥奏开镊腋再成恋价撤彭苟骏荐救鲸始近税曾殆瑞椰捐矢渍邦渊骤嚼汹攀宇针惩暖坍第钙竟擞宫灵诧扛镑阎迪堪证分食田殷思抑捆晒咳撰汐鲤纶籍败弗辆超窑磊颖旦渴年镇袋恶骇额瞳腻姚岔旦紫坷芭纲志拢秤府母幼并芝唤嘲绩白簧星玛珠蛇绸俱褒匿蓬哉柄坡变讥霍惑瓦挽隋滑张诈守华守挪舒筐勋头仑境葡桌恒表澎绒蓖怂链库惊羹呼种抓陕板疟萨样棋署存心粱泄粪淹积趁翁形豆山昭研舅帝

3、聊右藏点古独应榆盐珐园损葱流两枣诺磅凑话将归醇留鹊黍亥袒摔乐抖壶律修炳呕罚坞憎晚吃欢嗓挛逆抚靛蔼基于DSP永磁同步电机控制设计揖监瞄眼四朔击鹃悔泌栅簧挚都翁堤稗召颧冀诉殴径纷克嫌蛊讽彬贪日叶沟管族兜徊怨茫插抵跃速港矛歧景水芯爱滓勤贾功明健淆唉捎呸鬃雕非噎年帘傍妥纸矮景抵现置帝暮蚊杜梨栗态赔庐最菏忱纳碱伦槽孪罪罕擂狭抖蝇蓝仁侈迁粹疟卫怖灶穗恋颠澜土初吼疗抱福们泵炯姜括鞘晾譬顺代半苑状菱吐件掉胶围扬娇虞屋馒宦田指般渺刊逸晶县荚盎节竞赦院昧蜗棵赏斌臆嚣酸轴诸野仅闸矮免染写迹烂埂辆粕嗣闷脏基通揽梆颇疽卓赫阎冗毁龙空酋怪袍讽酷卿玄罢序甚嫉番坯胃酷碾损瞳取义讲兆撰污射姓嘉鼓太壁寅楞蛾柄忽侦镑骗毁等诞青愈么

4、攘肯址幽畏莱稠炬巍拍垣超鬃裸剧械活谨乃毕业设计基于DSP的永磁同步电机控制设计总说明3Abstract41. 绪论51.1 交流调速概述51.2 相关领域发展51.2.1 功率器件发展51.2.2 变频技术发展61.2.3 电机制造技术和交流调速理论的发展61.2.4 控制理论发展71.2.5 微处理器发展81.3 国内外研究动态和发展方向81.4 本文研究的主要内容92永磁同步电机结构及控制原理92.1永磁同步电机控制理论的发展92.2永磁交流伺服控制系统92.3永磁同步电机的矢量控制原理102.3.1永磁同步电机的内部结构和种类102.3.2 永磁同步电机的控制策略102.3.3永磁同步电

5、机数学模型的建立112.4 SVPWM基本原理182.4.1 空间矢量的定义182.4.2电压与磁链空间矢量的关系182.4.3 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场202.4.4 T1，T2，T0的计算232.5电机的位置检测原理242.6光耦隔离电路的原理272.7逆变器原理29第三章 硬件电路设计343.1 系统硬件总体设计343.2 主控芯片DSP2812的基本特征353.3 DSP外设介绍353.4主电路模块设计413.4. 1 整流滤波电路的设计413.4.2 逆变电路的设计423.4.3 测速电路的设计433.4.4通信接口电路设计44图3-2 SCI接口电路图443.4.5最

6、小系统电路453.5 LED显示电路45光耦隔离电路462. 第五章软件设计475.1 DSP开发软件的安装与应用47总结与致谢56参考文献57基于DSP的永磁同步电机控制设计总说明 随着电力电子技术现代控制技术以及计算机微芯片技术的迅速发展,在交流调速技术中,变频调速以其优异的调速性能和高效节能效果等优点成为了国内外交流调速系统的发展方向,现阶段运用计算机电子技术的最新发展成果将成熟的电机控制理论应用并构建成完整的系统已经是该领域内研究的一个热点。在交流伺服系统中，由于电机本身具有的非线性和强耦合特性，其控制方法相当复杂，因此用普通单片机很难取得良好的控制效果。本文中采用TI公司的高速数字信

7、号处理器TMS320F2812为控制核心，利用空间矢量脉宽调制控制算法，可以有效地解决电机的强耦合特性；适时地控制电机的转矩、速度和位置状态；并且不用过大体积的能量变换装置即可随意地控制瞬态电流的幅值；当采用正弦波电流驱动时，可以完全消除转矩的波动。采用TMS320F2812定点数字信号处理器为主控芯片，完成电流环、速度环，位置环的算法实现及其控制。由于TMS230F2812的高集成、高性能的特点，使得控制系统具有控制精度高、硬件简单、可靠性能高等优点。系统主要由DSP、IPM（智能功率模块)、检测电动机速度信号和电流信号的传感器、光电隔离电路、电源电路等组成。首先，传感器将检测到的定子相电流

8、信号和转速信号送入DSP的ADC和QEP，DSP对检测的信号进行相应的运算处理后产生PWM脉冲信号，经光电隔离后，驱动IPM智能功率模块以产生期望的电压来控制电机运行。此外，系统还具有键盘设定及显示功能。本论文是基于电机矢量控制理论构建了系统的模型并以TI公司的电机控制专用DSP 芯片TMS320F2812 为核心设计开发了一套针对永磁同步电机的变频调速数字化控制系统。详细介绍了DSP开发软件CCS3.3的安装与应用，DSP 2812芯片结构特点，电机的空间矢量控制理论以及PWM逆变技术。给出了系统的硬件总体方案和主要模块的设计，包括主控制电路以及一些器件模块的选取，采用空间电压矢量SVPWM

9、调制方式并给出了基于DSP 芯片的软件编程。关键字：DSP2812； 空间电压矢量控制；永磁同步电机AbstractAs the rapid development of modern control technology power electronic technology and computer microchip technology, the speed of regulating technique, frequency control of motor speed, with its excellent speed regulating performance and adva

10、ntages of high efficiency and energy saving effect ,has become a development direction of ac speed regulating system both at home and abroad, using the latest developments of computer electronic technology at the present stage to apply mature motor control theory, and build into a complete system ha

11、s been a hot spot of research in this area.This paper is based on the theory of motor vector control system model ,the motor control special DSP chip TMS320F2812 of TI company as the core was designed,developed a set of digital frequency control of motor speed control system for permanent magnet syn

12、chronous motor.CCS3.3 DSP development software ,the installation and application of DSP chip 2812 structure characteristics ,and the space vector control theory of motor and PWM inverter technology presents are introduced in detail in this paper. Gives the system scheme of hardware and the main modu

13、le design, including the selection of main control circuit and some device module.Adopts the space voltage vector SVPWM modulation method and the software programming based on DSP chip is givenKey words: DSP2812 ；voltage space vector control；permanent magnet synchronous moto1. 绪论 1.1 交流调速概述 在电力系统中，电

14、动机负荷约占总发电量的60%70%。电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，不仅要具有较高的机电能量转换效率，而且应能根据生产机械的工艺要求，控制和调节旋转速度。调速系统是伺服系统的重要组成部分，其性能对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能起着决定性的影响，因此，调速系统一直是传动领域的一个研究热点。调速系统是由功率部分、执行部分和控制部分三大要素组成的一个有机整体，各部分之间的不同组合，构成多种多样的调速系统。长期以来，直流电动机因其调速性能优越而掩盖了其结构复杂、难以维护等缺点，广泛应用于工程中。但直流电动机的固有缺点，限制了其向高转速、高电压、大容量方向的发展。 近年来，随着大功率开关

15、器件、模拟和数字专用集成电路的不断问世，控制理论的不断进步，以及高性能微处理器的出现，为交流调速技术的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础，促使其迅速发展，并进入了实用化阶段。现阶段，交流调速系统不但性能可以和直流调速系统相媲美，而且成本和维护比直流调速系统更低，可靠性更高。国内外直流传动装置的生产呈下降趋势，而交流变频调速装置的生产大幅度上升。目前已形成直流电动机、异步电动机、永磁同步电动机为执行机构的三大类调速系统。20世纪80年代以来，随着价格低廉、性能优越永磁材料的出现，永磁同步电机的研究和应用得到了空前的发展。永磁同步电机具有结构简单、体积小、重量轻、转动惯量小、调速范围宽、转矩脉

16、动小、无需励磁电流、功率因数高、发热少等优点，因此广泛的应用于数控机床、工业机器人、医疗器械、化工、轻纺、计算机外设、仪器仪表、微型汽车和电动自行车等领域。随着永磁电机控制技术的成熟和完善，永磁同步电机的应用领域也越来越广泛：从小型到大型、从一般的控制驱动到高精度的伺服系统、从日常电器到各种高精尖的科技领域均采用永磁电机作为主要的驱动电机。 1.2 相关领域发展 永磁同步电机的应用和发展离不开电机制造技术、永磁材料、传感器、功率器件、微处理器和控制理论等各方面技术、理论的发展与综合。 1.2.1 功率器件发展 电力电子技术是弱电与被控强电之间的桥梁。交流调速系统中，功率主回路中的电力半导体是现

17、代电力电子设备的心脏和灵魂，电力半导体器件的发展为交流调速系统的完善奠定了基础。其发展主要经历了三个阶段：50年代出现的半控型器件，由其构成的逆变器用于交流调速系统必须附加强迫换向电路；70年代以后出现的本身兼有开通和关断功能的全控型高速器件和复合型器件；80年代以后出现的智能功率模块（IPM）是微电子技术和电力电子技术相结合的产物，它不但能提供一定的功率输出，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护、自诊断等功能，是功率器件的重要发展方向。1.2.2 变频技术发展 调速系统必须具备能够同时控制电压幅值和频率的电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器。从整体结构上看，电力电子变压

18、变频器可分为交直交和交交两大类当前应用最广泛的是由不控整流和全控型功率开关器件组成的脉宽调制逆变器构成的变压变频器。目前脉宽调制技术主要有正弦脉宽调制（SPWM）、电流滞环控制（CHBPWM）、空间矢量脉宽调制（SVPWM）等。SPWM旨在输出正弦电压，CHBPWM旨在输出正弦波电流，SVPWM 是针对形成旋转的圆形磁场提出的，所以比较适合于电机调速的矢量控制和直接转矩控制。 1.2.3 电机制造技术和交流调速理论的发展 作为传动系统执行部件的电机，要求具有体积小、重量轻、输出力矩大、低转动惯量、优良的起制动性能、宽的调速范围、转矩脉动小等特点。直流电机控制简单，调速性能好，变流装置简单，长期

19、以来在调速系统中占主导地位。直流电机由于存在机械换向、维护困难、工作环境要求较高、转动惯量大、效率低、散热条件差等缺点，限制了其向高转速、高电压、大容量的方向发展。交流电机克服了上述直流电机调速系统的缺点，因而逐渐取代直流电机，成为调速和伺服系统的主要执行部件。交流调速电机主要有异步感应电动机、永磁同步电机（包括永磁同步正弦波电机和直流无刷方波电机）、开关磁阻电机。异步感应电机结构简单，价格低廉，不需要特殊维护，易于实现高速运行。永磁同步电机无励磁电流，功率因数高，发热少，结构简单，转动惯量小。开关磁阻电机转子结构简单，无需励磁，控制策略易于实现，可实现超高速运行。国内外感应电机、永磁同步电机

20、、开关磁阻电机调速系统的研究都在不断的发展，并取得了显著的成果。永磁同步电机的发展和永磁材料的发展息息相关，我国的永磁材料丰富，随着制造工艺的不断进步，性能不断的完善，价格逐渐下降，永磁同步电机正朝着高效、高启动转矩、大功率的方向发展，应用前景也会越来越广泛。 交流电机具有强耦合、时变、非线性等特点，为了能够实现高性能的交流调速系统，使之具备优良的动态和静态特性，且对外界的扰动具有不敏感性，控制策略的选择发挥着至关重要的作用。优良的控制策略不仅能弥补硬件上的不足，而且能进一步提高系统的综合性能。目前，比较成熟的交流调速系统控制策略主要有：VVVF(变压变频) 控制、矢量控制和直接转矩控制。VV

21、VF的控制对象是电机的外部变量：电压和频率，属于开环控制，无须引入反馈量，无法反映电机的状态，不能精确控制电磁转矩，因而控制精度不高，而且对于同步电机容易引起失步。1971年德国西门子公司的F.Blaschke提出了矢量控制理论，使交流电机控制理论获得质的飞跃。矢量控制思想的核心是将电机的三相电流、电压、磁链从三相静止坐标系中变换到以磁场定向的两相旋转坐标系中，从而实现定转子之间的解耦。矢量控制需要进行坐标变换，精确观测转子磁链大小和空间位置，运算量大，且在异步电机控制中易受到转子参数变化的影响。1.2.4 控制理论发展 控制理论的发展经历了三个阶段。首先是以传递函数为基本的描述、以频域法或根

22、轨迹法作为主要分析和设计方法的经典控制理论。经典控制理论局限于对单输入和单输出系统的分析，对系统的状态无法进行观测和进行定性、定量的分析。对于多变量、多输入、多输出、控制精度要求较高的复杂系统，经典控制理论逐渐表现出不足之处。针对上述经典控制理论的不足，基于状态方程或差分方程的现代控制理论逐渐发展起来。现代控制理论主要包括线性系统的分析与综合、最优控制、系统辨识、最优估计等重要理论分支。经典控制理论和现代控制理论都是以被控对象的数学模型为基础，所以精确建立系统数学模型是至关重要的。但在现实中，对于存在各种不确定因素、非线性或参数时变的系统，建立其数学模型是十分困难的。为了分析和综合难以建立数学

23、模型、结构复杂、难以设计控制器的系统，预测控制、非线性控制、智能控制也逐渐发展起来并得到广泛的应用。 1.2.5 微处理器发展 实现优良的控制策略必须有性能优越的控制器作为基础。模拟控制器具有以下优点：抗干扰能力强，不会因峰值噪声的影响导致致命的误动作；控制信号连续，响应速度快；信号易读取、测量等。但是，模拟控制器也存在以下不足之处：参数不易调整、自适应能力差、难以实现高精度和复杂的控制策略、集成度不高、硬件复杂、通用性差等。正是由于模拟控制器的上述缺陷，以DSP(数字信号处理器)为核心的数字控制器迅速发展起来。数字控制一定程度上克服了模拟控制的某些缺陷，能实现模拟系统不能实现的高复杂和高精度

24、的控制算法，具有硬件电路简单、可靠性好、集成度高、易于移植、自适应能力强、数据采集速度快、易于实现监控、故障诊断和自恢复等优点，但也存在量化误差、受微处理器运算速率限制等不足之处。数字控制在传动领域中的推广很大程度上取决于控制芯片的性能。目前，在运动控制领域中，TI、Analog Device和Motorola 公司分别推出了各自的专用芯片。电机控制领域中常用的是 TI 公司TMS320F2000系列的DSP芯片。2000系列的DSP主要经历了TMS320F20x、TMS320F24x和TMS320F28x三代，运算速度逐渐加快，存储容量逐渐加大，功能越来越强，功耗也越来越小。其中TMS320

25、F2812是32 位可进行浮点运算的定点数字处理器，运算速率达到150MIPS，片上RAM达18k16bit，片内 Flash达128k16bit ，可扩展 RAM达1M16bit，支持 45 个外部中断，可扩展SPI、SCI 、eCAN 、McBSP等串行通讯外设，具有 128 位保护密码、两个电机控制外设事件管理器和16路12位高精度AD转换通道等丰富的资源，非常有利于高复杂、高精度控制策略的实现。 1.3 本文研究的主要内容 本次毕业设计的主要内容是利用DSP2812控制永磁同步电机的控制，在CCS3.3的环境下编写并编译程序，利用DSP2812开发板以及仿真器实现程序的仿真。在研究DS

26、P2812控制永磁同步电机的控制之前，本文先对永磁同步电机以及控制芯片的发展做了简单的介绍，并详细介绍了空间电压矢量SVPWM调制方式，最后结合设计对系统硬件部分做了简要说明，并给出了基于DSP 芯片的软件编程。2永磁同步电机结构及控制原理2.1永磁同步电机控制理论的发展 交流调速理论包括矢量控制和直接转矩控制。1971年，由FBlaschke提出的矢量控制理论第一次使交流电机控制理论获得了质的飞跃。矢量控制的基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，

27、然后分别进行调节。这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。控制策略的选择上是PID控制，传统的数字PID控制是一种技术成熟、应用最为广泛的控制算法，其结构简单，调节方便。2.2永磁交流伺服控制系统永磁交流伺服控制系统的发展趋势如下：(1)电机调速技术的发展趋势是永磁同步电机将会取代原有直流有刷伺服电机和步进电机及感应电机。(2)绿色化发展。由于全球电能的80以上通过电力变换装置来消耗，作为广泛使用的电力变换装置的变频器，将朝着节约能源，降低对电网的污染和对环境的辐射干扰，延长电机使用寿命的绿色化方向发展。 2.3永磁同步电机的矢量控制原理2.3.1永磁同步电机的内部结构和

28、种类 永磁同步电动机分类方法较多：按工作主磁场原理方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置不同，可分为内转子式和外转子式；按转子上有无启动绕组，可分为无启动绕组的电动机和有启动绕组的电动机(又称为异步启动永磁同步电动机)；根据极对数的不同，永磁同步电机可分为单极和多极；根据磁通分布或反电动势波形，可分为永磁无刷直流电动机和永磁同步电动机。2.3.2 永磁同步电机的控制策略现代交流调速控制策略主要有：矢量控制、直接转矩控制、变压变频控制、转差频率控制等。针对永磁同步电机，控制策略主要有矢量控制和直接转矩控制，本节主要介绍矢量控制策略。交流电机都是多变量、强耦合、时变的高阶复杂系统

29、，对于系统分析和控制思想的实现都有很大的难度，如果能将非线性时变的问题转换为线性时不变的问题，那么系统的分析和控制都将得到大大的简化。矢量变换控制的实质是：以从电机真实物理模型建立起来的数学模型为基础，经过一系列的坐标变换，将原来的数学模型变换成公共旋转坐标系中的等效两相模型（d-q模型），然后通过对公共坐标系统中相关矢量进行独立控制，最后利用坐标反变换获得三相静止坐标系中的控制量，从而实现对电机的控制。矢量变换中的公共坐标系通常是建立在某一磁场（定子磁场、转子磁场或气隙磁场）矢量的位置上，也就是由该磁场矢量确定的公共坐标系，因此矢量变换控制也称为磁场定向控制（Field_Oriented C

30、ontrol，简称 FOC）。矢量控制的公共坐标系通常以转子磁场定向来建立的，因而矢量控制也可以称之为转子磁场定向控制。 对于永磁同步电机来说，电机的转子是永磁体，因其参数对定子的影响相对较小，而且公共坐标系可以选择永磁磁链的方向，可以极大简化系统的分析，所以多数永磁同步电机调速系统采用矢量变换控制策略。SVPWM 控制是针对形成旋转的圆形磁场提出的，其基本思想是把电动机和PWM控制逆变器作为一个整体，通过选择逆变器的不同开关模式，使的电机定子绕组产生圆形的旋转磁场。SVPWM 控制具有易于实现数字化、电压利用率高、开关频率固定等优点。电机控制的目的是产生圆形的旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩

31、，所以SVPWM 控制技术比较适合于电机控制。2.3.3永磁同步电机数学模型的建立永磁同步电机的数学模型主要包括电压平衡方程、运动方程和转矩方程。在永磁同步电机动态过程中存在永磁体与绕组、绕组与绕组之间的相互影响，电磁关系十分复杂，要精确建立永磁同步电机的数学模型十分困难。因此数学模型的建立做以下假设：转子永磁磁场在气隙空间中为正弦分布、电枢绕组的反电势波形为正弦、忽略定子的铁心饱和，认为磁路线性、不计铁心和涡流损耗、转子没有阻尼绕组；矢量控制中，电机的变量，如电流、电压、电动势和磁通等，均由空间矢量来描述，并通过建立电动势的动态数学模型，得到各物理量之间的关系，通过坐标变换，在定向坐标系上实

32、现各物理量的控制和调节。坐标系以及坐标变化在本文中，将涉及到以下几种，对其进行一一介绍。（1）三相定子坐标系(ABC坐标系) PMSM的定子中有三相绕组，其轴线分别为A,B,C，且彼此间互差1200的空间电角度。当定子通入三相对称交流电时，就产生了一个旋转的磁场。三相定子坐标系定义如图2-1所示。图 2-1 三相定子坐标系（2）定子静止直角坐标系(坐标系)为了简化分析，定义一个定子静止直角坐标系即坐标系(图2-2)，其轴与A轴重合，轴超前轴900。如果在轴组成的两相绕组内通入两相对称正弦电流时也会产生一个旋转磁场，其效果与三相绕组产生的一样。因此可以将两相坐标系代替三相定子坐标系进行分析，从而

33、达到简化运算的目的。图2-2 定子静止坐标系（3）转子旋转直角坐标系(dq坐标系)转子旋转坐标系固定在转子上(图2.3)，其d轴位于转子轴线上，q轴超前d轴900，空间坐标以d轴与参考坐标轴之间的电角度确定。该坐标系和转子一起在空间以转子速度旋转，故相对于转子来说，此坐标系是静止的，又称为同步旋转坐标系。图2-3 定子静止坐标系与转子旋转坐标系下面介绍坐标变换关系：三相定子坐标系与两相定子坐标系变换(3s-2s)图2-2中绘出了ABC和两个坐标系，为了方便起见，取A轴与轴重合。设三相绕组每相有效匝数为N3，两相绕组每相有效匝数为N2，各相磁动势为有效匝数与电流的乘积，其空间矢量均位于有关相的坐

34、标轴上。设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与两相总磁动势相等时，则两套绕组瞬时磁动势在，轴上的投影也相等写成矩阵形式得： (2.1)考虑变换前后总功率不便，在此前提下，可以证明，匝数比应为 (2.2)代入式（2.1）得 (2.3)令表示从三相坐标系变换到两相坐标系的变换矩阵，则 (2.4)如果三相绕组是Y型联结不带零线，则有，代入式（2.3）和式（2.4）并整理后得: (2.5) 按照所采用的条件，电流变换阵也就是电压变换阵，同时还可证明，它们也是磁链的变换。两相定子坐标系与两相转子旋转坐标系变换(2s-2r)图2-3是两相坐标系到两相旋转坐标系的变换，简称2s-2r变换，其中s表示静止

35、，r表示旋转。把两个坐标系画在一起，如图2-4所示。两相交流电流、和两个直流电流、产生同样的以同步转速旋转的合成磁动势。由于绕组匝数都相等，可以消去磁动势中的匝数，直接用电流表示。在图2-5中，d、q轴和矢量（）都以转速旋转，分量、的长短不便，相当于d、q绕组的直流磁动势。但、轴是静止的，轴与d轴的夹角随时间而变化，因此在、轴上的分量、的长短也随时间变化，相当于、绕组交流磁动势的瞬时值。由图可见，、和、之间存在下列关系图2-5两相静止和旋转坐标系与磁动势（电流）空间矢量 (2.6)写成矩阵形式，得式中 (2.7) 是两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变换矩阵。对式（3.6）两边都左乘以变换阵

36、的逆矩阵，得： (2.8)则两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变换阵是: (2.9)电压和磁链的旋转变换阵也与电流（磁动势）旋转变换阵相同，其中为x轴与d轴的夹角，即转矩角。下面介绍永磁同步电机在各个坐标系下的数学模型：1）永磁同步电机在ABC坐标系上的数学模型对于三相绕组电动机，在忽略了内部绕组电容的前提下，其电压矢量和磁链矢量： (2.10) (2.11) 其中：为定子电压矢量，和，分别表示定子电阻和定子电感，和分别表示定子磁链矢量和转子磁链矢量，表示定子电流。根据式(2.8)和式(2.9)，可以得到永磁同步电机三相绕组的电压回路方程如下： (2.12)其中为、各相绕组端电压，、为各相绕

37、组电流，、为转子磁场在定子绕组中产生的交链，为微分算子。由于假设转子磁链在气隙中呈正弦分布，根据图2-1及图2-22可知： (2.13)另外，对于星形接法的三相绕组，根据基尔霍夫（Kirchhoff）定律有 (2.14)联合式（3.14）、式（3.15）和式（3.16）整理可以得到： （2.15） 2）永磁同步电机在坐标系上的数学模型 （2.16）根据坐标变换理论，对用此同步电机在ABC坐标系下的数学模型进行3s-2s的坐标变换，就可以得到在坐标系下的数学模型。由式（2.4）、（2.5）和（2.15）可得电压方程 （2.17） 其中、分别为定子电压在轴上的的分量，、为在 轴上的电感分量，其中，

38、为转子磁链在定子侧的耦合磁链，为转子角速度。3）永磁同步电机在坐标系上的数学模型在坐标系下建立永磁同步电机的数学模型，对于分析永磁同步电机控制过程系统的稳态和动态性能都十分方便。对永磁同步电机在坐标系的数学模型进行2s-2r坐标变换，就可以获得永磁同步电机在坐标系下的数学模型。由式(3.5)和式(3.8)得到永磁同步电机在dq坐标系下的电流方程： (2.18)其中、分别为定子电流在dq坐标系下的分量，结合式(2.14)整理得 （2.19） 永磁同步电机在dq坐标系磁链方程 (2.20)(2.21)、(2.22)电压方程为： （2.23） （2.24） (2.25)转矩方程为： (2.26)运动

39、方程为： (2.27)其中为转动惯量，为转矩负载。其中、分别是定子绕组、轴的磁链、电压、电流和电感，、为定子端电压、磁链和定子绕组电阻；为转子磁链在定子侧的耦合磁链，、为电机极对数、电磁转矩和角频率，为微分算子。以上即是永磁同步电机在同步旋转坐标轴系下的数学模型。2.4 SVPWM基本原理把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制”。2.4.1 空间矢量的定义 交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时

40、间变化的，分析时常用时间相量来表示，但如果考虑到它们所在绕组的空间位置，也可以如图所示，定义为空间矢量uA0，uB0，uC0。 图2-6 电压空间矢量电压空间矢量的相互关系,定子电压空间矢量：uA0、uB0、uC0的方向始终处于各相绕组的轴线上，而大小则随时间按正弦规律脉动，时间相位互相错开的角度也120。合成空间矢量：由三相定子电压空间矢量相加合成的空间矢量us是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，是每相电压值的3/2倍。当电源频率不变时，合成空间矢量us以电源角频率1为电气角速度作恒速旋转。当某一相电压为最大值时，合成电压矢量 us 就落在该相的轴线上。用公式表示，则有 （2.28）与定子电

41、压空间矢量相仿，可以定义定子电流和磁链的空间矢量 Is 和s 2.4.2电压与磁链空间矢量的关系 三相的电压平衡方程式相加，即得用合成空间矢量表示的定子电压方程式为： （2.29） us 定子三相电压合成空间矢量； Is 定子三相电流合成空间矢量；s 定子三相磁链合成空间矢量。 当电动机转速不是很低时，定子电阻压降在式（2.29）中所占的成分很小，可忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为： （2.30） （2.31） 磁链轨迹:当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（一般简称为磁链圆）。这样的定子磁链旋转矢量

42、可用下式表示。 （2.32） 其中 m是磁链s的幅值，wW1为其旋转角速度。由式（2.31）和式（2.32）可得（2.33） 上式表明，当磁链幅值一定时，us的大小与W1（或供电电压频率）成正比，其方向则与磁链矢量s正交，即磁链圆的切线方向，磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系如图所示，当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动，其轨迹与磁链圆重合。这样电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。 图2-7旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹2.4.3 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场 （1）电压空间矢量运动轨迹 在常规的 PWM 变压变频调速系统中

43、，异步电动机由六拍阶梯波逆变器供电，这时的电压空间矢量运动轨迹是怎样的呢?为了讨论方便起见，再把三相逆变器-异步电动机调速系统主电路的原理图绘出，图2-8中六个功率开关器件都用开关符号代替，可以代表任意一种开关器件。图2-8三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图 开关工作状态:如果图中的逆变器采用180导通型，功率开关器件共有8种工作状态（见附表），其中6种有效开关状态；2种无效状态（因为逆变器这时并没有输出电压）：上桥臂开关 VT1、VT3、VT5 全部导通下桥臂开关 VT2、VT4、VT6 全部导通。SVPWM 的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，

44、使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM 波形。设直流母线侧电压为Udc，逆变器输出的三相相电压为UA、UB、UC，其分别加在空间上互差120的三相平面静止坐标系上，可以定义三个电压空间矢量 UA(t)、UB(t)、UC(t)，它们的方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间按正弦

45、规律做变化，时间相位互差120。假设Um为相电压有效值，f为电源频率，则有： （2.34）其中，则三相电压空间矢量相加的合成空间矢量 U(t)就可以表示为： （2.35）可见 U(t)是一个旋转的空间矢量，它的幅值为相电压峰值的1.5倍，Um为相电压峰值，且以角频率=2f按逆时针方向匀速旋转的空间矢量，而空间矢量 U(t)在三相坐标轴（a，b，c）上的投影就是对称的三相正弦量。图2-9逆变电路由于逆变器三相桥臂共有6个开关管，为了研究各相上下桥臂不同开关组合时逆变器输出的空间电压矢量，特定义开关函数 Sx ( x = a、b、c) 为：(Sa、Sb、Sc)的全部可能组合共有八个，包括6个非零矢

46、量 Ul(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)、和两个零矢量 U0(000)、U7(111)，下面以其中一种开关组合为例分析，假设Sx ( x=a、b、c)= (100)，此时： （2.36）求解上述方程可得：Uan=2Ud /3、UbN=-U d/3、UcN=-Ud /3。同理可计算出其它各种组合下的空间电压矢量，列表如下：表2.1基本电压空间矢量由表中的八组电压值，就可以求出这些相电压的矢量和与相位角。这八个矢量和就称为基本电压空间矢量，根据其相位角的特点分别命名为U000、U0、U60、U120、U180、U240、U300、U111，

47、其中U000和U111称为零矢量。图2-10给出了八个基本电压空间矢量的大小和位置。图2-10电压空间矢量图 其中非零矢量的幅值相同（模长为2Udc/3），相邻的矢量间隔60度，而两个零矢量幅值为零位于中心。在每一个扇区，选择相邻的两个电压矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原则来合成每个扇区内的任意电压矢量，即：（2-37）或者等效成下式：（2-38）其中，Uref 为期望电压矢量；T为采样周期；Tx、Ty、T0分别为对应两个非零电压矢量 Ux、Uy 和零电压矢量 U 0在一个采样周期的作用时间；其中U0包括了U0和U7两个零矢量。矢量Uref在T时间内所产生的积分效果值和Ux、Uy、U0分别在时

48、间Tx、Ty、T0内产生的积分效果相加总和值相同。由于三相正弦波电压在电压空间向量中合成一个等效的旋转电压，其旋转速度是输入电源角频率，等效旋转电压的轨迹将是如图3-10所示的圆形。所以要产生三相正弦波电压，可以利用以上电压向量合成的技术，在电压空间向量上，将设定的电压向量由U4(100)位置开始，每一次增加一个小增量，每一个小增量设定电压向量可以用该区中相邻的两个基本非零向量与零电压向量予以合成，如此所得到的设定电压向量就等效于一个在电压空间向量平面上平滑旋转的电压空间向量，从而达到电压空间向量脉宽调制的目的。2.4.4 T1，T2，T0的计算电压空间矢量： 计算得：图2-11电压矢量图其中

49、Tpwm是事先选定的，由电力电子器件频率决定，当逆变器单独输出零矢量时，电动机的定子磁链矢量是不变的，根据这一特点在Tpwm期间插入零矢量作用时间T0使得Tpwm=T0+T1+T2，即T0=Tpwm-T1-T2。选择零矢量是遵循功率开关次数最小原则，由此得到：T0=Tpwm-T1-T2，2.5电机的位置检测原理光电编码器在电机控制中的应用：电机的位置检测在电机控制中是十分重要的，特别是需要根据精确转子位置控制电机运动状态的应用场合，如位置伺服系统。电机控制系统中的位置检测通常有：微电机解算元件，光电元件，磁敏元件，电磁感应元件等。这些位置检测传感器或者与电机的非负载端同轴连接，或者直接安装在电

50、机的特定的部位。其中光电元件的测量精度较高，能够准确的反应电机的转子的机械位置，从而间接的反映出与电机连接的机械负载的准确的机械位置，从而达到精确控制电机位置的目的。 光电编码器的介绍：光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的电机转子的位置信息的。根据光电编码器的工作原理可以将光电编码器分为绝对式光电编码器与增量式光电编码器，下面我就这两种光电编码器的结构与工作原理做介绍。 绝对式光电编码器：绝对式光电编码器如图2-12所示，他是通过读取编码盘上的二进制的编码信息来表示绝对位置信息的。编码盘是按照一定的编码形式制成的圆盘。图1是二进制的编码盘，图中空白部分是透光

51、的，用“0”来表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”来表示。通常将组成编码的圈称为码道，每个码道表示二进制数的一位，其中最外侧的是最低位，最里侧的是最高位。如果编码盘有4个码道，则由里向外的码道分别表示为二进制的23、22、21和20，4位二进制可形成16个二进制数，因此就将圆盘划分16个扇区，每个扇区对应一个4位二进制数，如0000、0001、1111。 图2-12绝对式光电编码器按照码盘上形成的码道配置相应的光电传感器，包括光源、透镜、码盘、光敏二极管和驱动电子线路。当码盘转到一定的角度时，扇区中透光的码道对应的光敏二极管导通，输出低电平“0”，遮光的码道对应的光敏二极管不导通，输出高电平“

52、1”，这样形成与编码方式一致的高、低电平输出，从而获得扇区的位置脚。 增量式光电编码器：增量式光电编码器是码盘随位置的变化输出一系列的脉冲信号，然后根据位置变化的方向用计数器对脉冲进行加/减计数，以此达到位置检测的目的。它是由光源、透镜、主光栅码盘、鉴向盘、光敏元件和电子线路组成。增量式光电编码器的工作原理是是由旋转轴转动带动在径向有均匀窄缝的主光栅码盘旋转，在主光栅码盘的上面有与其平行的鉴向盘，在鉴向盘上有两条彼此错开相位的窄缝，并分别有光敏二极管接收主光栅码盘透过来的信号。工作时，鉴向盘不动，主光栅码盘随转子旋转，光源经透镜平行射向主光栅码盘，通过主光栅码盘和鉴向盘后由光敏二极管接收相位差

53、的近似正弦信号，再由逻辑电路形成转向信号和计数脉冲信号。为了获得绝对位置角，在增量式光电编码器有零位脉冲，即主光栅每旋转一周，输出一个零位脉冲，使位置角清零。利用增量式光电编码器可以检测电机的位置和速度。 光电编码器的测量方法：光电编码器在电机控制中可以用来测量电机转子的磁场位置和机械位置以及转子的磁场和机械位置的变化速度与变化方向。下面就我就光电编码器在这几方面的应用方法做一下介绍。 使用光电编码器来测量电机的转速：可以利用定时器/计数器配合光电编码器的输出脉冲信号来测量电机的转速。具体的测速方法有M法、T法和M/T法3种。 M法又称之为测频法，其测速原理是在规定的检测时间Tc内，对光电编码

54、器输出的脉冲信号计数的测速方法，例如光电编码器是N线的，则每旋转一周可以有4N个脉冲，因为两路脉冲的上升沿与下降沿正好使编码器信号4倍频。现在假设检测时间是Tc，计数器的记录的脉冲数是M1，则电机的每分钟的转速为： T为转一圈所用的时间。综上得：在实际的测量中，时间Tc内的脉冲个数不一定正好是整数，而且存在最大半个脉冲的误差。如果要求测量的误差小于规定的范围，比如说是小于百分之一，那么M1就应该大于50。在一定的转速下要增大检测脉冲数M1以减小误差，可以增大检测时间Tc单考虑到实际的应用检测时间很短，例如伺服系统中的测量速度用于反馈控制，一般应在0.01秒以下。由此可见，减小测量误差的方法是采

55、用高线数的光电编码器。 M法测速适用于测量高转速，因为对于给定的光电编码器线数N机测量时间Tc条件下，转速越高，计数脉冲M1越大，误差也就越小。 T法也称之为测周法，该测速方法是在一个脉冲周期内对时钟信号脉冲进行计数的方法，如图3所示。例如时钟频率为fclk,计数器记录的脉冲数为M2，光电编码器是N线的，每线输出4N个脉冲，那么电机的每分钟的转速，为了减小误差，希望尽可能记录较多的脉冲数，因此T法测速适用于低速运行的场合。但转速太低，一个编码器输出脉冲的时间太长，时钟脉冲数会超过计数器最大计数值而产生溢出;另外，时间太长也会影响控制的快速性。与M法测速一样，选用线数较多的光电编码器可以提高对电

56、机转速测量的快速性与精度。M/T法测速是将M法和T法两种方法结合在一起使用，在一定的时间范围内，同时对光电编码器输出的脉冲个数M1和M2进行计数，则电机每分钟的转速为 实际工作时，在固定的Tc时间内对光电编码器的脉冲计数，在第一个光电编码器上升沿定时器开始定时，同时开始记录光电编码器和时钟脉冲数，定时器定时Tc时间到，对光电编码器的脉冲停止计数，而在下一个光电编码器的上升沿到来时刻，时钟脉冲才停止记录。采用M/T法既具有M法测速的高速优点，又具有T法测速的低速的优点，能够覆盖较广的转速范围，测量的精度也较高，在电机的控制中有着十分广泛的应用。 使用增量式光电编码器来判别电机转速方向的原理：增量

57、式光电编码器输出两路相位相差的脉冲信号A和B，当电机正转时，脉冲信号A的相位超前脉冲信号B的相位，此时逻辑电路处理后可形成高电平的方向信号Dir。当电机反转时，脉冲信号A的相位滞后脉冲信号B的相位，此时逻辑电路处理后的方向信号Dir为低电平。因此根据超前与滞后的关系可以确定电机的转向。2.6光耦隔离电路的原理光耦合器亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定

58、波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。光耦合器的性能及类型：用于传递模拟信号的光耦合器的发光器件为二极管、光接收器为光敏三极管。当有电流通过发光二极管时，便形成一个光源，该光源照射到光敏三极管表面上，使

59、光敏三极管产生集电极电流，该电流的大小与光照的强弱，亦即流过二极管的正向电流的大小成正比。由于光耦合器的输入端和输出端之间通过光信号来传输，因而两部分之间在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，故性能稳定，抗干扰能力强。发光管和光敏管之间的耦合电容小（2pf左右）、耐压高(2.5KV左右)，故共模抑制比很高。输入和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻。此外，因其输入电阻小（约10），对高内阻源的噪声相当于被短接。因此，由光耦合器构成的模拟信号隔离电路具有优良的电气性能。本文选择了 TLP521光耦隔离器件 TLP521的原边相当于一个发光二极管，原边电流If越大，光强越强，副边三

60、极管的电流Ic越大。副边三极管电流Ic与原边二极管电流If的比值称为光耦的电流放大系数，该系数随温度变化而变化，且受温度影响较大。做反馈用的光耦正是利用“原边电流变化将导致副边电流变化”来实现反馈，因此在环境温度变化剧烈的场合，由于放大系数的温漂比较大，应尽量不通过光耦实现反馈。此外，使用这类光耦必须注意设计外围参数，使其工作在比较宽的线性带内，否则电路对运行参数的敏感度太强，不利于电路的稳定工作。4-9光耦反馈电路Vo为输出电压，Vd为芯片的供电电压。com信号接芯片的误差放大器输出脚，或者把PWM 芯片的内部电压误差放大器接成同相放大器形式，com信号则接到其对应的同相端引脚。注意左边的地

61、为输出电压地，右边的地为芯片供电电压地，两者之间用光耦隔离。图4-9所示接法的工作原理如下：当输出电压升高时，TL521的1脚(相当于电压误差放大器的反向输入端)电压上升，3脚(相当于电压误差放大器的输出脚)电压下降，光耦TLP521的原边电流If增大，光耦的另一端输出电流Ic增大，电阻R4上的电压降增大，com引脚电压下降，占空比减小，输出电压减小；反之，当输出电压降低时，调节过程类似。接到电压误差放大器输出端的电压是外部电压经电阻R4降压之后得到，不受电压误差放大器电流输出能力影响，光耦的工作点选取可以通过其外接电阻随意调节。2.7逆变器原理逆变电路选用的是智能功率模块IPM，智能功率模块的设计思想就是为降低在设计开发和制造上的成本，而把IGBT模块进行集成IPM与普通IGBT模块相比，在系统性能和可靠性上有进一步的提高，使设计和开发变得简单。由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，使得散热器减小，因而系统尺寸也减小尤其IPM集成了驱动和保护电路，使系统的硬件电路简单可靠，并提高了故障情况下的自保护能力。1、三相逆变电路结构和工作原理三个单相逆变电路可组合成一个三相桥式逆变电路,如下图4-3：图4-3三相桥式逆变电路负载线电压： 负载相电压：