现代交流调速技术

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1、永磁同步电动机的矢量控制1 绪论1.1 电气伺服系统开展现状和动向自从上个世纪60 年代，电气伺服系统取代了大局部的电液伺服传动系统成为伺服系统的主要形式。按驱动装置的执行电动机类型来分,通常分为直流(DC)伺服系统和交流(AC)伺服系统。直流伺服系统开展早，70年代已经实用化，在各类 机电一体化产品量使用各种构造的 DC 伺服电动机。直流伺服系统控制简单,灵活实现正反转,调速围宽,稳定性高,响应速度快，无超调,定位精度和跟踪精度高。但是直流伺服系统也有难以克制的缺点;直流电动机转子绕组的发热大，影响与其相连接的丝杠精度;采用机械换向会产生电火花,直流伺服系统难以工作在易燃、易爆的工作场合;高

2、速运行和大容量设计受到机械换相器的限制;电刷和换向器易磨损,日常维护工作量大;构造复杂，制造困难,本钱高等。机械换向器的存在是造成以上问题的主要原因。交流电机没有机械换向器， 克制了直流电机的缺点。 进入 20 世纪 80年代后 ,功率电子器件和微电子技术水平得到迅速提高,基于先进控制理论、电力电子器件和微处理器的开展,交流伺服控制技术日趋成熟。交流伺服系统以其体积小,转动惯量最小,耐高速,可频繁起制动,过载能力强 ,瞬时输出转矩大,对环境适应性强,运行可靠性高，无需维护等特点而广泛适用于 C 和工业机器人等工业领域。到 了 90年代,交流伺服系统己经在许多场合取代了直流伺服系统，某些性能甚至

3、超过了直流伺服系统，从而出现了取代直流伺服系统成为电气伺服系统主体的趋 势。目前国外交流伺服系统研究正向着数字化、 智能化、 网络化、 绿色化的方向开展：高性能和全数字化伺服系统是当代交流伺服系统开展的趋势， 这种系统被广泛应用在高精度数控机床、 机器人、 特种加工装备和精细进给系统中。 由于微电子技术的开展,微处理器的运算速度不断提高,功能不断增强，特别在电机控制专用DSP芯片出现后，全数字伺服系统在实现电流控制、速度控制和位置控制全部数字化的同时,极大的增强了伺服系统设计和使用的灵活性。伺服系统智能化一方面表达在系统具有很强的状态自诊断、 故障保护和信息显示功能；另一方面，在控制策略上除常

4、规PID控制外，开场转向应用现代控制理论和智能控制,各种高性能的智能控制器可实现伺服系统参数自检测和控制器参数在线自整定功能等。智能功率模块（IPM）被广泛采用，逆变器实现高频化、小型化和无噪音。伺服系统具有完善的通讯功能,在独立完成伺服控制同时保持与上位机的联系,实时接收控制指令和报告系统当前工作状况。伺服系统通讯功能的实现和提高进一步完善了高级别、 分布式的工业控制、 管理网络的功能。 光电编码器等传感器的分辨率大幅度提高,可靠性进一步改善,并向多功能一体化的方向开展。1.2 交流电动机分类与特点交流电动机主要有感应异步电动机和同步电动机两大类。 异步电动机构造简单 ,价格低，维护工作量低

5、,容易实现弱磁调速。缺点是转子散热困难，转子电阻受温度影响变化大，影响矢量控制性能。在交流伺服系统开展初期 ,异步电动机.交流伺服系统得到较快的开展,主要应用于机床的主轴传动。同步电动机以转速与电源频率严格保持同步而著称,极对数保持不变,只要电源频率保持恒定,同步电动机转速就保持不变,当负载转矩加到同步电动机轴上时在极短时间建立起相应的拖动转矩,以维持电动机的稳定运行。同步电动机变频调速系统从控制方式上可分为他控式变频和自控式变频调速方式。 其中， 他控式变频调速系统存在失步、振荡等问题 ,在实际中很少用。现阶段同步电动机变频调速系统一般采用自控式运行。自控式变频同步电机调速系统按所用的变频器

6、、电动机的类型及目前的开展趋势可分为三大类:一类是大功率的交一交变频同步电动机调速系统;二是交一直一交电流型负载换一样步电动机调速系统;另一类是交一直一交电压型同步电动机调速系统，多用于小容量的永磁同步电动机控制。随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低,各种交流永磁同步电动机伺服系统成为交流伺服系统的主流。 交流永磁同步电动机根据电动机反电动势的波形形状可分为正弦波永磁同步电动机(PMSM)和梯形波永磁同步电动机后者，又称为无刷直流电动机(BLDCM) 。正弦波永磁同步电动机是由永久磁铁产生励磁无电励磁电动机的励磁损耗和转子发热问题 ;同异步电动机相比,也没有因为滑差而引起的损耗,从而很提高

7、了效率和功率因数。由于其体积小、重量轻,控制系统相对较为简单,能够到达快速、准确的控制要求,永磁同步电动机在中小容量的伺服电动机中占据了重要的地位,被广泛地应用于小功率、要求良好的静态性能和高动态响应的伺服驱动中 ,如柔性制造系统、机器人、办公自动化、数控机床等领域。2 永磁同步电动机矢量控制的方案比拟2.1 永磁同步电动机的简介永磁同步电动机构造简单，体积小，重量轻，效率高，功率因数高。此外，永磁同步电动机还具有以下优点：.永磁同步电动机无需电流励磁， 不设电刷和滑环， 因此构造简单， 使用方便，可靠性高。 正由于上述构造的特点， 使得永磁同步电动机转子上无励磁损耗， 无电刷和滑环之间的摩擦

8、损耗和接触电损耗。 因此， 永磁同步电动机的效率比电磁式同步电动机要高，并且其功率因数可以设计在1.0附近。永磁同步电动机转子构造多样， 构造灵活而且不同的转子构造往往带来自身性能上的特点，因而永磁同步电动机可根据使用需要选择不同的转子构造形式。永磁同步电动机在一定功率围，可以比电磁式同步电动机具有更小的体积和重量。永磁同步电动机按工作主磁场方向的不同分为径向磁场式和轴向磁场式;按电枢绕组位置的不同可分为转子式和外转子式;按供电频率控制方式的不同，可分为自控式和它控式;按反电势波形的不同，可分为正弦波永磁同步电动机（简称永磁同步电动机，本文中的永磁同步电动机都是指正弦波永磁同步电动机）和矩形波

9、永磁同步电动机（简称无刷直流电动机）。2.2 永磁同步电动机的数学模型永磁同步电动机是利用定子的三相交流电流和永磁转子的磁场互相作用所产生的电磁转矩来带动电机转子转动的。 当定子电流的频率固定时， 转子的转速也是固定的，并且与该频率成正比 :n 60 f / Pm（r / min） 2-1其中n是同步转速，f是定子电流频率，Pm是永磁同步电动机极对数。改变电机转速需要变化定子电流频率，也就是要采用变频器对永磁同步电动机供电。同时为了防止失步， 必须保证电机转子的角频率与定子电源频率同步。 根据交流电机矢量控制原理，为了找出电机的控制规律，建立易于实现控制的数学模型，需要建立一个与永磁同步电动机

10、转子同步旋转的 d-q坐标系，让d轴与转子磁极重合，把永磁同步电动机定子的各参量都转化到 d-q旋转坐标系下。假设电机是线性的，电机参数不随温度等外界条件变化而变化，忽略磁滞、涡流损耗，并认为转子无阻尼绕组，那么基于 d-辿标系下的永磁同步电动机定子磁链方程为:d Ldid r q Lqiq2-2式中，r为转子磁钢在定子上的耦合磁链，Ld Lq分别为永磁同步电动机的直、交轴主电感；，id , iq分别为定子电流矢量的直（d）轴、交（q并由分量。在d-q坐标系下，定子电压方程为:UdiJd P d q Uq乩 P q d2-3式中 为转子角频率，P为微分算子。由式（2-2刑式（2-3）可得Ud

11、DdLd pidLqiqP r UqijqLqPiqLidr2-4根据上述方程可得永磁同步电动机在同步旋转坐标系下的稳态矢量图如图图2-1旋转坐标系下的稳态矢量图电动机定子电流在d轴和q轴上的分量可表示为：id1s sin ia1s cos2-5sq s式中Is 、J|lp, Ip为定子电流幅值，为电流矢量超q轴的角度。永磁同步电动机转矩方程为：TdPm( diqqid) Pm Jq (Ld Lq)idiq26从上式可知，永磁同步电动机的电磁转矩取决于定子电流 d轴、q轴分量。 在永磁同步电动机中，由于转子磁链幅值的大小恒定不变， 故采用转子磁链定向 方式来控制永磁同步电动机。2.3 永磁同步

12、电动机电流控制策略永磁同步电动机的电流控制方法主要有：id=0控制，cos =1控制，恒磁链控 制，力矩电流比最大控制等。各种控制方法有其各自的特点，适用于不同的运行 场合.在id =0控制策略原理下各矢量之间的关系如图2-2所示。定子电流矢量的直 轴分量为0,由式(2-6清电机输出转矩为：Td Pm riq(2-7)当忽略电枢电阻时，功率因数：cos cos o(2-8)图2-2中。r实际上代表空载时电动机的端电压，o那么代表系统带载运行时电动机端电压。设两者之比为 K,且有Ld= Lq = L ,那么 rKv J 3( L )2Ip2(2-9)ar图2-2 id 0控制策略下永磁同步电动机

13、矢量图令Ldid/ r，称为去磁分量，在本控制方法下应使=0(2-10)逆变器的容量可以用S v(Vd2 Vq2)(Id2 Iq2) 来表示(2-11)此处有 S 3 Kv rip (2-12)由上式可以看出，采用id 0控制方式，无去磁效应，输出力矩与定子电流成正 比。其主要的缺点是随着输出力矩的增大，端电压比拟大而功率因数急剧降低， 从而对逆变器容量的要求增高。另外，该方法未能充分利用电机的力矩输出能力， 在输出转矩中磁阻反响转矩为0.cos1控制方法的核心思想是使电机的功率因数包为 1,充分利用逆变器平的容假定Ld = Lq = L ,保持cos 1必须按is sin来径制is和 的关系

14、.该方法 q ，ss控制相对复杂，并且最大输出力矩小。恒磁链控制方法与id 0控制方法比拟，可以获得较高的功率因数，并且在 输出一样转矩情况下，需要的逆变器容量比id 0方式小，但去磁分量大。力矩电流比最大控制是在电机输出给定力矩条件下， 控制定子电流为最小的 电流控制方法。力矩电流比最大控制使电机输出力矩满足的条件情况下定子电流 最小，减小了电机损耗，有利于逆变器开关器件工作，同时降低了本钱。在该方 法的根底上，采用适当的弱磁控制方法，可以改善电机高速时的性能。此方法的 缺乏在于功率因数随着输出力矩的增大下降较快。综合来看，按照转子磁链定向并按id 0方法进展控制的PMSM调速系统定 子电流

15、与转子磁通解藕，控制系统简单，转矩波动小，可以获得很宽的调速围， 适用于有高性能要求工业应用领域。 但当负载加大时，定子电流增大，由于电枢 反响的影响，造成气隙磁链和定子反电动势都加大， 迫使定子电压升高。为了保 证足够的电源电压，电控装置必须有足够的容量，有效利用率降低；同时，定子电压矢量和电流矢量的夹角也会增加， 由于电枢反响电抗压降大，造成功率因数 降低。因此id 0控制方法适用于中小容量的系统。2.4 id 0控制策略下伺服系统工作原理由上面的分析可知，采用转子磁链定向控制，当id 0时电磁转矩和电流幅 值成正比，因此速度调节器的输出实际为定子电流幅值的给定值。此给定值与转 子磁极位置

16、角度的正弦值相乘得到三相正弦电流的瞬时给定值。 它们在永磁同步 电动机中生成的合成电流矢量与转子d轴垂直且超前。三相电流瞬时给定值确定后， 经过变频器输出三相对称交流电到永磁同步电 动机的定子三相绕组中， 产生与电流幅值成正比的电磁转矩使电动机工作于电动运行状态。变频环节可采用电压源型 SPWM变频器，也可采用电流滞环跟踪控制型的PWM变频器。不同于上述的两种方法，本文系统采用了电压空间矢量的控制策略(SVPWM)。制动可以采用再生发电制动。 正向电动运行时速度调节器的给定为 “十，输出为“-。正向制动后，速度调节器输出为 “十，使三相给定电流反向，即电流合成矢量由原来的超前d轴90变为滞后9

17、0,转矩方向反向成为制动转 矩，电动机处于制动状态。当把速度调节器的给定变为“-，那么其输出即为“十，三相电流产生的合成矢量在反转方向上超前d轴90g,电动机将产生反向电磁转矩，电动机反 转。如果需要基速以上的弱磁调速，最简单的方法是利用电枢反响削弱永久励磁，也就是控制定子电流的直轴量id 0 ，使其起到去磁作用。但由于稀土永磁材料的磁导率与空气接近， 磁阻很大， 相当于定转子间有很大的有效气隙。 利用电枢反响弱磁的方法需要较大的定子电流直轴分量， 作为短期运行， 这种方法可以承受，但长期弱磁运行必须采用特殊的弱磁方法。由于伺服系统不需要工作在弱磁区，所以，本文采用了 d 轴电流为零的矢量控制

18、方案。3 DSP在电机控制中的应用3.1 DSP5片的根本特征数字信号处理器(Digital Signal Prcessor)是一种特别适合于进展数字信号处理运算的微处理器。自1979年诞生以来，短短二十年时间，DSP显示了巨大的应用潜力，在信号处理、通信、语言、图形图像、军事、仪器仪表、自动控制、家用电器等领域， 得到广泛的应用， 起着不可替代的作用 ， 其主要应用特点是实时快速地实现各种数字信号处理算法。DS葭般具有如下一些特点：(1)在一个指令周期可完成一次乘法和一次加法；(2)程序和数据空间别离，可以同时指令和数据；(3)片具有快速RAM ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时；(4)

19、具有低开销或大开销循环及跳转的硬件支持；(5)具有在单周期操作的多个硬件地址产生器，可以并行执行多个操作； 支持流水线操作，使取值、译码和执行等操作可以重叠执行。在自动控制系统中，DSP的高速计算能力显示了比一般微处理器更多的优点，具有广阔的应用前景。利用DSP的高速计算能力可以增加采样速度和完成复杂的信号处理和控制算法，Kalman滤波、自适应控制矢量控制、状态观测器等复杂算法利用DSPK片可以方便地实现。DSP的信号处理能力还可用来减少 位置、速度、磁通等传感器，无传感器运行之所以成为可能。在自适应系统中，系统参数和状态变量通过状态观测器的计算可采用DSWT效地实现。同样，由于高运算速度，

20、DS池可有效地用于神经之网络和模糊逻辑化地运动控制系统。在 实际工程应用中，DSP的高速能力还可以消除噪声污染和不准确的输入及反响信 号数据，对要求速度较快的 PWM控制算如空间矢量算法。3.2 TMS320F2812A DSP根本特性3.2.1 DS比一种特殊用途的单片机，其构造如下列图所示3.2.2 核概述TMS320F2812DS核采Harvard构造体系，即相互独立的数据总线，提供了片程 序存储器和数据存储器、运算单元、一个32位算术/逻辑单元、一个32位累加 器、一个16位乘法器和一个1附桶形移位器组成，体系采取串行构造，运用流水线 技术加快程序的运行，可在一个处理周期完成乘法加法和

21、移位计算，其核计算速 度为20MIPsL个指令周期为50 ns外设有A/D转换大容量存储器，16位和 32：的定时器比拟单元、捕获单元、PWM波形发生器、高速异同步用行口和独.立可编程复用I/O等组成，其过三个通用定时器和九个比拟器的结合产生多达 12 路的PWM输出结合灵活的波形发生逻辑和死区发生单元能生成对称、不对称以 及带有死区时间的空间矢量PWM波形DSP芯片中集成的这些功能大大简化了整个控制系统。此外该DSP还具有快速的中断处理能力，及硬件寻址控制、数据指 针逆序寻址等多种特有的功能,将有利于 TMS320F2812A&电机控制中的作用。3.2.3 DSFft电机控制中的应用TMS3

22、20F2812即典型的集成DSP电机控制器，已广泛运用于三相交流感应电机、 永磁同步电动机、 无刷直流电动机等全数矢量控制的系统中， 都可获得较为理想的控制效果。TMS320F2812As片特别适合于电机控制，主要得力于其功能强大的事件管理器， 事件管理器具有分为十等优先级的四十个中断， 其中的非法地址中断(川egal Addres雏够在程序“跑飞的情况下复位芯片； PWM封锁中 断(PDPINT)能够在电机控制异常的情况下封锁 PWM输出，保证了系统故障性处 理的实时性。事件管理器还提供了三个功能强大的 16位定时器GP TIMERx(x=1 , 2, 3),三者可以互相独立，也可级联使用，

23、可以多种方式产生 l2路PWM信号。DSP空制流程图如下所示：3.3 DSP在电机矢量控制中所起的作用(1成收由光学编码器输入的两相增量数字脉冲信号A、B;a.将两相信号进展四倍频；b.形成位置信号C.形成速度信号d.根据两相信号边沿变化的先后次序，判别电机旋转方向。(2版据光学编码器输人的信号 A、B、U、V、W粗略确定和准确确定转子 磁极轴线相对于A相绕组轴线的转角。(3处度比拟，并给出转矩参数数据及作校正补偿计算。(4)承受模拟量的实际的三相电流，并将其作数字化处理， 然后作三相两相变换。(5)将电流命令信号与实际电流相比拟，然后进展校正补偿处理， 作三相两相变换。最后确定PWM的脉宽系

24、数，进而输出六路信号至功放级。(6许受故障信号，执行中断，首先切断主电源，并同时中断PWM输出，发出中断命令，同时进展故障诊断，判别并输出故障种类信号至显示电路。3.4 基于DSP的交流PMSM伺服系统以TMS320F2812秋控制核心，以智能控制模块(IPM)为功率变换装置，设计 了一套完整的基于DSP白PMSM全数字交流伺服驱动系统，总体构造如下列图所 示。整个系统由软件、硬件两大局部组成。系统软件主要功能有:转速调节、电流调节、 矢量变换、 转速及转子位置估算、 电压空间矢量控制、 与上位机通讯等。TMS320F2812册电机专用控制DSP,它集成了相当多的电机控制外围电路，这 使得系统

25、硬件设计变得非常简单。硬件局部主要包括：DSPR小系统、人机接口、整流逆变装置、电流检测和电平变换、光电码盘信号采集、系统保护等。昧于磁极位*及 转速计算度极直测 速磁位检人机界面系统硬件部分图3-1 PMSM矢量控制系统总体构造4系统硬件设计在以往，工业控制中主要是由单片机承当控制核心的任务。随着 DSP技术的开展和控制要求的提高，越来越多的工业控制产品采用DSP芯片。目前，美国的TI公司、Motorola公司、AD公司都推出了专用于电机控制的DSP。这一高度集 成化的器件代表了传统微处理器及通用 DSP处理器方案的重大突破，使电机驱动 及调速控制更为简单易行。与其它方案相比，以 DSP为核

26、心的伺服系统提供了更 好的电机性能、 更低的能耗、 更高的可靠性及静音运行。 此类专用芯片具有很强 的实时运算能力， 并集成了电机控制的外围设备， 使设计者只需外加较少的硬件 设备即可实现电机控制系统， 在提高系统性能的同时降低系统费用， 大大提高了 性价比。目前，使用最多的电机专用控制DSP是TMS320X2812,在C或F,视其是否采 用了 FLASH存储器。TMS320X281犯美国TI公司推出的高性能16位数字信号处理 器。它是专门为电机的数字化控制设计的，特别适用于电机的高性能控制。4.1 TMS320F2812A勺主要技术特性如下：以T320C2XLP为核，配合哈佛构造和四级流水线

27、作业设计， 指令执行速度 很快。在20MHz的部时钟频率下，指令周期仅为50ns(2游储器。544 x 1眇片数据编程寻址RAM. 16K字片可编程ROM或闪速存储 器,最大可寻址空间为224K字。(3)事件管理器模块(EV) 。 3个16位通用定时器，可工作于6种模式。脉冲宽度调制电路，它由空间向量PWM电路、死区发生器和输出逻辑电路组成，可提 供12昆&PWM输出。正交脉冲编码电路可用于速度和位置检测。(4洪它片外设。双通道共32路A/D转换模块，转换精度为12位，转换时间可 编程设置，最短为6.6 s o 56脚可独立编程复用I/0 口。基于锁相环(PLL)的时钟 模块使外部只要具有2-

28、32MHz.晶体振荡器即可产生所需的CPU时钟。SC席行通讯模块可实现与上位机之间的通讯。SPI外围设备接口模块。(5)灵活简洁的指令集。可在单周期完成16X 1函乘法运算和后续的加、减操作。(6)四种低功耗运行,g式，采用基于JTAG扫描的仿真技术。(7)中断资源丰富，提供了三种8级可屏蔽中断，外部中断为边沿中断。4.2 PMSM DSP空制系统硬彳框图见图4-1图4-1 PMSM DSP空制系统硬件框图4.3 电流检测DSPf供了两个12位A/D转换模块，可实现最多32路模拟信号采集。两个A/D 模块可同时进展转换，保证了被采集量的同相位。本系统应用AD模块完成两相 定子电流的采集。由于该

29、模块只允许0-5V的模拟输入信号，因此需要对霍尔元件 的检测量进展放大和电平迁移4.4 转速测量和转子磁极位置检测由于DSP供了丰富并且实用的片上外设资源，所以与常见的处理方法相 比，本系统的外部硬件电路只需对码盘的反响信号进展隔离放大，后续的计算全部由DSP现，降低了系统硬件设计的复杂程度。用于位置和速度测量的DSP外部接线如图4-2图中PCA, PCB是从混合码盘上引出的增量式光电脉冲信号，两路 信号相位相差90。C1, C2, C4, C的从混合码盘得到的反映电机转子磁极绝对位 置的光电信号，按格雷码规律变化，下面简称为格雷码信号。隔离放大环节对光 电脉冲信号进展整形放大。整形后的信号，

30、PCA!接到DSP的CAP1, CAP3管脚，PCB连接至UCAP2,CAP4t脚。格雷码信号C1,C2,C4,C盼另I接至U DSP白4个通 用IO端口 IOPAO,IOPA1, IOPA2, IOPA3。 Cl同时还连接到外部中断检损组管脚 XINT2和XINT3 。C1变化频率是C2的一倍，是C2, C4勺四倍。C2, C洞频率，但 相位相差9吸。4-2 伺服系统速度和转子位置测量外部接线4.5 系统主回路交流伺服控制的主电路主要是由电力半导体器件组成， 在交流伺服控制器的主回路中， 电力半导体器件以开关方式工作。 电力电子器件开展经历了三个阶段品闸管阶段；门极可关断晶闸管(GTO)和大

31、功率晶体管(GTR)阶段;绝缘门极晶体 管 (IGBT) 阶段。近些年来国外厂家推出智能功率模块(IPM) ，并为许多用户承受。本系统的主回路采用智能功率模块(IPM)构成变频装置，IPM的主要特点有:(1)、它是先进的混合集成功率器件，由高速、低耗IGBT 芯片和优化的门极驱动及保护电路构成。(2)、实现高效的过流和短路保护。IPM还集成了过热和欠压锁定保护电路， 系统的可靠性得到进一步提高。IPM在故障情况下的自保护能力，减低了器件在 开发和使用中过载损坏机率。(3)、IPM集成了驱动和保护电路，通态损耗和开关损耗都比拟低，因此散热 器减小，从而也减小了系统尺寸。(4)、本论文所设计的主电

32、路如图4-3所示，IPM模块采用日本三菱公司生产的 七合一模块，采用电压空间矢量PWM (SVPWM应频调速方法。三相空气开关QF1,对其后元件或电路的短路起到保护作用。并联的三个压敏电阻 RV1, 2, 3，对输入浪涌电压有一定限制作用。接触器KM ，其三个主触点用来控制电源的通断， 由一个常开触点用来作为准备好应答信号， 还有两个常 闭触点用来紧急停顿时，接通电动机动力线上的两个制动电阻实现能耗制动。PWM变换器主电路的直流电源是三相全波整流电源，因整流器不允许电流流逆向流动，所以在电动机转速由高速到低速的过程中， 拖动系统储存的能量不可能通过变流器回馈给电网，只能向滤波电容器 C2充电。

33、这种因回馈能量使电源瞬 时升高的电压称“泵开电压。泵升电压会过高会影响并联在母线上的所有器件 的正常工作，甚至可能烧毁器件，故必须采取措施加以限制。图中的二极管 D1、 二极管D2、电阻R1和功率三极管VT构成了放电保护电路。接口皂茸伺服系筑控制单元I. J图4-3主电路构造原理图5系统软件设计5.1 数字调节器对于调速系统，要求每个调节器的输出都应该加限幅。为防止突加给定和 工况突然变化时调节器输出值变化过于剧烈导致系统定子过压、过流，本系统 应用的数字PI调节器具有输出限幅功能，构造如图5-1所示。输出调节1图5-1 PI调节器构造图PI调节器工作原理如下e(K尸 yr(K) y(K) 式

34、(5-1)u(K)=X(K 1) kpe(K)式(5-2)Ui(K) u(K)式(5-3)u max ,u(K )u maxU(K) Ui(K),Umin U(K)u max式(5-4)U min ,u(K ) U minel(K) u(K) ul(K) 式(5-5)Xi(K) X(K 1) Kie(K) Kco.0(K) 式(5-6)其中Kp是比例系数，Ki是积分系数，e是PI调节器的限幅误差，在计算中反响给控制调节器积分量Xi,使调节器及时退饱和，Kcor Ki/Kp.5.2 电压空间矢量SVPWM电压空间矢量控制把逆变器和电机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制PWM电压.SVPWM方法

35、能够大大提高电压利用率，并有良好的谐波特性。Udc/2Udc/2-图5-2电压源型逆变器示意图三相电压源型逆变器一般由六个功率开关器件组成，如上图所示。将上桥臂和下桥臂的开关状态1表示，关断状态用0表示。由于逆变器的上下桥臂 的开关状态互补，所以用上桥臂的三个开关功率器件来表示逆变器的工作状态。功率开关器件的开关状态共有八种组合，分别为 V0 000 ; V 001;V2 010； V3 011； V4 100； V5 101； V6 口3；V7 111。其中 V0 000和 V7 111为零矢量，其余六个矢量将电压空间分为六个扇区。通过八个电压空间矢量的线性组合可以得到一组等 幅异相的电压空

36、间矢量，获得一个逼近圆形的旋转磁场。在任意一个的采样周期通过选择根本电压矢量进展电流控制时，根本电压矢量的作用顺序必须从零矢量开场，并以零矢量完毕坐标系下的分量1,Vb00,Vb0式5-8图5-3根本电压空间矢量5.3 确定参考电压矢量所在扇区5.3.1 首先将参考电压从坐标系按下式转变到三相静止坐标系V VVb1/2(瓜 V ) 式5-7Vc 1/2( 3V V )其中V V是参考电压在 坐标系下的分量，Va,b,c为参考电压在三相静止1,Vc 0C扇区号=A+2B+4c式5-90,Vc 05.3.2根据参考电压所在扇区，选择两个参考电压矢量相邻的根本电压矢量UxandUxi,并计算在采样周

37、期T这两个电压矢量的作用时间tx,tx i。设定ti tx/2, t2 tx2。按下式计算出三个中间变量X、Y、Z,然后根据表5-1即可得tj。X . 3VDCT VY V3/2VDCTV3/ 2VDCTV 式5-10Z3/2VdctV3/2VdctV表5-1给出了 X、Y、Z和1上的对应关系表5-1X、Y、Z和ti,t2的对应关系5.4 更新全比拟单元比拟存放器，实现SVPWM输出由上面计算L,t2,通过下式可得aon (PWMPRD t1 t2)/2boncontaon t tbon t式5-11其中PWMPRD=T/2 , T是采样周期，然后按表5-2更新相应的比拟存放器区 存放於、12

38、3456CMP1tbontaontaontcontcontbonCMP2taontcontbontbontaontconCMP3tcontbontcontaontbontaon表5-2比拟存放器更新原那么卜列图给出了参考电压矢量在第三扇区时 PWM的输出情况，在其他扇区的情况与其相似，其中to是零矢量的作用时间CMP3 CNfP2CMP10PWM10PWM20PWM30m a-_L_l|l| i1tO/4-fl II 11Jj- _Lj tl/2 ；t2/2 r ) . 一 嗅!匕i 1二 10/4-fc-一 匕TtO/41I1TI,u：2fl ； tl/2；匕：匕；I 二1 1 h F;tQ

39、；4 1 t图5-4参考电压矢量在第三扇区时PWM的输出情况5.5 W子磁极位置检测和速度检测根据PMSM的矢量控制原理可知，高精度的转子磁极位置检测和速度检测对 于永磁同步电动机伺服控制系统有着重要的意义，直接影响系统的性能。而基于 DSP的永磁同步电动机转子位置检测和速度检测方法充分利用了DS畸源，实现简单，性能可靠，与传统方法相比简化了系统硬件设计，提高系统性能的价格比。 5.5.1 DS邰资源分配在DSP的三个定时器中，TIMER1用作定时器，在系统设计中用来控制电流 环采样周期、计算周期和速度环计算周期。TIMER2工作于比拟模式用来产生比 拟中断实现M/T法速度检测。TIMER3用

40、作计数器，工作模式设定为双向循环计 数，配合QEP电路，对四倍后的光电脉冲信号进展加、减计数。TMS320F2812CAP1和CAP2管脚是复用管脚，可用于俘获单元或QEP电路， 在本系统中用于QEP电路，在DSP进展四倍频，定时器3计数存放器T3T对 四倍频后的信号进展累加或累减计数。当进展累加操作时存放器GPTCON 的最高位自动置1，反之清0，是加运算还是减运算由电机的旋转方向决定，由此可认为GPTCON的最高位表达了电机的旋转方向。CAP刑CAP4用作俘获单元，在软 件中将其定义为检测脉冲的双边沿， 当有边沿降临， 无论是上升沿还是下降沿都触发外部中断。C1连接到硬件中断检测管脚XIN

41、T2和XINT3上，XINT2负责检测C1信号的上 升沿，XINT3负责检测C1的下降沿，每当检测到C1边沿就触发一个外部中断。 因为C1、C2、C4、C8被连接到I/O端口 A的低四位引脚，因此通过读I/O端口 A 即可确定格雷码信号当前值。5.5.2 M/T 法测速速度检测的精度直接限制了伺服系统的性能， 而采用增量式光电码盘作为速度检测器件具有一系列优点， 包括输出天然的数字量， 容易和数字电路匹配， 高 精度；可以做到很高的分辨率，有可以做到大量程的工作围；抗干扰能力强；信号处理电路简单、容易、惯量小。基于光电码盘根底上的数字测速法有 M法、T法、M/T法。其中M法是用计 数装置记取时

42、间间隔光电码盘输出的脉冲数来计算速度。 该方法由于低速时脉冲 数少，在低速运行时检测精度低。而T 法采用记时器记取码盘信号相邻的两个脉冲间的时间间隔来计算速度， 该方法由于高速时间脉冲时间间隔很短， 在电机高 速运行时很不方便。而M/T法兼有M法和T法的优点，在高速和低速段都具有较高的分辨率。设所用测速码盘每转产生Pn个脉冲，在测速时间Td Tc T时间，测速脉 冲记数值为ml,时间基准脉冲为m2,那么电动机转速为：Nf 60fmi ,其中PNm2fc为时间基准脉冲频率。实现M/T法测速的关键是测量mi和m2,用定时器2充当高频脉冲源，时钟周 期设定为0.8 s,定时器斜数存放器T2T累计m2

43、,定时器3计数存放器T3T 负责累计测速光电脉冲和计算mi,其速度检测精度到达0.1转/分钟。T测速脉冲口的个数mi p时基脉冲fc的个数m2TdTc图5-5 M/T法测速原理5.5.3 转子磁极位置计算为了提高系统的性能，采用粗精结合的转子磁极位置测量方法，即是用格雷码信号进展粗定位 再用增量式光电脉冲信号进展精定位。以一极电机为例，单独利用4个格雷码信号测量转子磁极位置，电机每旋转一周生成161绝对位置信息，每两个相邻位置之间相差 22.瞋，位置检测误差可 到达 22.5度。单独应用增量式码盘，无法进展初始定位，且在累加过程中误差不断累计必然导致矢量解耦条件破坏， 从而造成系统失控。 为了

44、克制上述问题， 将转子位置检测分两局部处理： 永磁同步电动机转子磁极位置的初始定位通过读取格雷码信号获得，最大检测误差为11.25g,电机开场旋转后，第一个C1边沿到来后，系统进入准确定位状态。准确定位应用格雷码信号确定8个准确的转子磁极位置， 并用这8个准确的转子磁极位置将一个电角度周期划分为8个区间， 每一个区间的初始位置就是格雷码信号 C1发生变化的位置。格雷码信号与转子位置对 应关系如下列图所示，当格雷码信号由100位为1001时C1的边沿发生跳变，触发 中断，说明电机位置进入区间2，在中断时刻，电机转子磁极位置角为22.5度。区间C8-C4C2C1.转子磁极位置单位度10000-22

45、.5。210000,22.3100122.5,4q4101145,67.35101067.5,906111090,112.571111112.5,13581101135,157.591100157.5,180100100-180,-157.5110101-157.5,-135120110-135,-112.5130111-112.5,-90140010-90,-67.3150011-67.5,-43160001：-45,-22.3图5-6格雷码信号与转子位置对应关系每当C1触发中断，在确定中断时刻转子磁极位置的同时，读取 T3T中当前的增量光电信号的计数值作为基值，写入 T0o在下一次C1发生

46、变化前每次计算转子磁极位置时，首先确定当前时刻的增量脉冲的计数值 T1。由T0和T1可以确定相对于C1跳变时刻时的转子磁极位置变化量。通过格雷码信号和光电式脉冲信号 就可以得到任意时刻的转子磁极位置。转子磁极位置计算公式为i k (CNT1 CNT0),i 1,2.8 式5-12其中i是第i个区间的初始位置 角，也就是C1发生变化时转子磁极的准确位置，k是变化系数。在实际系统中从转子磁极位置的检测到输出控制经过一系列运算，存在一个平均延迟时间T导致控制输出滞后于检测。如果直接将检测得到的磁极位置角用于系统控制会降低系统控制精度，严重时时系统工作不正常。为此在系统中要参加转子磁极位置修正环节。当

47、电机以角速度 运行时，从采样到输出经历时间 TTsamplecalculateToutput5-13其中Tsample为转子磁极位置采样时间，Tcalculate为计算时间，Toutput为控制输出 时间。转子磁极位置在此时间段变化了T5-14根据式5-14可得转子磁极位置校正计算公式为cor5-15经过修正后， 减少了因为转子磁极位置检测滞后和控制滞后对永磁同步电动机矢量控制的影响，直接提高了系统的控制精度。6 系统实验结果6.1 SVPWM相电压的波形0.1W1h I -QJD200-h 1 q01W,0 )55J-0J333H-43 0557H0100.7E86.2开环两相电流的波形6.

48、3电流闭环的波形全文总结本文从伺服系统工程实际出发，对永磁同步电动机矢量控制的全数字控制进展探讨，在系统的软、硬件设计，控制策略作了相关的工作，并取得了预期的效果。通过对永磁同步电动机数学模型的分析，建立了永磁同步电动机的控制方案。主控制器采用了 TI公司最先进的控制电机专用DSP芯片TMS320F2812A转子位置信号和电机电流信号均为数字信号， 为最终实现全数字矢量控制算法提供了保证。word.zl.参考文献1伯时.电力拖动自动控制系统M.:机械工业，200孙第3版2奎峰，吕强等.TMS320F2812M理与开发M.:电子工业，2005.423-4563詹跃东，山,巨永峰.电机及拖动根底M.:大学,2002.179-1924王兆安，黄俊.电力电子技术M.:机械工业,2006.150-1655谷爱昱，王春茹.DSP在电机控制领域的应用展望M.:机械工业,2001.22-366炸,严欣平.永磁同步电动机伺服系统研究现状及应用前景M.:机械工业,2001.63-1087永东.交流电机数字控制系统M.:机械工业,2002.71-898 精仪达盛科技实验指导书 P.2006.9