永磁同步电机直接转矩控制系统设计

毕 业 设 计题 目： 永磁同步电机直接转矩控制系统的设计 系： 电气与信息工程系 专业： 自动化 班级： 0201 学号： 0201110128学生姓名： 导师姓名： 完成日期： 2006 年 6 月 诚 信 声 明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名： 日期： 年 月 日毕 业 设 计 （ 论 文 ） 任 务 书题目： 永磁同步电机直接转矩控制系统的设计 姓名 娄晶 系别 电气与信息工程系 专业 自动化 班级 0201 学号 0201110128 指导老师 唐勇奇 职称 副教授 教研室主任 一、 基本任务及要求：本系统以永磁同步电动机作为被控对象， 针对永磁同步 电机的特点，研究直接 转矩控制方法，并设计以 DSP 为控制核心的硬件电路， 软硬件设计包括：被控对象同步电动机模型的建立、控制方法研究、主电路设计、控制电路设计、控制系统程序设计、系 统控制效果仿真等。 二、 进度安排及完成时间：1、 第一周至第三周：明确课题 任务及要求，搜集 课题所需资料，掌握资料查阅方法，了解本课题研究现状、存在 问题及研究的实际意义。2、 第三周： 查阅 相关资料，自学相关内容，确定课题总体方案，分配课题任务， 确定个人研究重点，做好选题报告。 3、 第四周至第五周：根据自己研究的方向，确定自己的 总体设计方案，根据对象特性进行 各种控制方法的研究，并设计硬件总体模块图及软件模 块图 。4、 第六周至第十二周：完成系统的控制方法研究， 软、硬件设计。5、 第十三周至第十四周：系统仿真及调试。6、 第十五周至第十六周：整理资料，完成 毕业论文编写，进行毕业答辩。目 录摘要 .IAbstract .II第 1 章 绪论.11.1 课题研究的背景.11.2 本课题的主要研究工作.5第 2 章 永磁同步电动机的数学模型.62.1 永磁同步电机的分类和结构.62.2 永磁同步电机数学模型的建立.62.2.1 坐标系的定义.62.2.2 三相定子坐标系与两相定子坐标系变换(3s-2s) .72.2.3 两相定子坐标系与两相旋转坐标系变换(2s-2r) .92.3 两相定子坐标系与两相转子旋转坐标系的变换（2t-2s）.102.4 永磁同步电机的数学模型.102.4.1 永磁同步电机在 ABC 坐标系上的数学模型 .112.4.2 永磁同步电机在 坐标系上的数学模型 .112.4.3 永磁同步电机在 坐标系上的数学模型 .12dq2.5 本章小结.13第 3 章 永磁同步电机直接转矩控制系统的研究.143.1 电压空间矢量基本原理.143.1.1 电压空间矢量.143.1.2 电压空间矢量的选择及零电压矢量应用.163.2 直接转矩控制系统原理和控制规律.183.2.1 直接转矩控制的发展及特点.183.2.2 直接转矩控制系统的原理.193.2.3 直接转矩控制系统的控制规律.203.3 永磁同步电机的直接转矩控制策略原理及其系统结构.213.3.1 永磁同步电机直接转矩控制策略原理.213.3.2 永磁同步电机的直接转矩控制系统结构.243.4 本章小结.24第 4 章 系统的硬件设计.254.1 主控制芯片 TMS320LF2407 DSP 的介绍 .254.2 系统的主电路的设计.284.2.1 系统的总体框图.284.2.2 系统的主电路设计.294.3 系统的控制电路的设计.314.3.1 系统的检测电路的设计.324.3.2 系统的保护电路的设计.364.4 本章小结.37第 5 章 系统的软件设计.395.1 集成开发介绍环境的.395.2 系统的软件设计总体结构.395.3 系统的主程序模块的设计.405.4 系统的中断程序模块的设计.415.4.1 A/D 转换子程序的设计 .425.4.2 SVPWM 子程序设计 .435.5 系统的故障中断程序的设计.465.6 本章小结.47结束语.48参考文献.50致 谢.52附 录.53永磁同步电机直接转矩控制系统的设计I永磁同步电机直接转矩控制系统的设计摘要：直接转矩控制策略直接对电机定子磁链和转矩进行控制，解决了交流电机矢量控制策略存在的转子磁场定向解耦控制复杂性问题，已成功应用于高性能异步电机交流调速系统中。随着直接转矩控制在永磁同步电机(PMSM)中的理论基础的解决，永磁同步电机直接转矩控制策略受到了越来越多的关注。本设计也将在这方面进行一些研究和探讨。本设计从永磁同步电机数学模型出发，论述了永磁同步电机的直接转矩控制策略的基本理论，推导出了传统直接转矩控制策略的空间电压矢量开关表；并根据理论分析，引入了零电压矢量参与控制，可以使得电机在控制过程中保持转矩基本不变，从而可以降低逆变器的开关频率，在不减小控制周期的情况下减小电机的转矩脉动，提高系统的控制品质。本设计在完成理论推导基础上，对控制系统进行了基于数字信号处理器(DSP) TMS320LF2407 的软硬件设计，构建了一个永磁同步电机直接转矩控制系统。硬件设计主要包括主电路、检测电路、保护电路和控制电路等。其中检测电路包括了直流母线电压检测、电流检测和转速检测；保护电路包括启动限流保护、过流保护和 IPM 故障保护等。软件设计主要是在软件中实现 DTC 控制策略。本设计分别完成了软硬件的调试，在软件中实现了 DTC 控制策略。关键字： 永磁同步电机；直接转矩控制；空间电压矢量；数字信号处理器永磁同步电机直接转矩控制系统的设计IIDesign for Direct Torque Control System of Permanent Magnet Synchronous MotorAbstract: The direct torque control strategy which directs to control the motors stator linkage and torque, resolving the problem that the complexity of the decoupled control for the directional rotor magnetic filed exsited in the alternating current(AC) motors vector control(VC) strategy, has been applied successfully to a high qualified control system of induction motors AC speed governor . With the development of direct torque control (DTC) control theory and the establishment of its fundamental theory in permanent magnet synchronous motor (PMSM), DTC strategy of PMSM has drawn considerable attention. This paper is also concerned with the DTC control theory, and some improvement has been made.Based on the PMSM mathematical model, the discussion of firndamental theory in DTC of PMSM is addressed. After that the classical DTC space voltage vector switch state lookup table is derived. On the basis of theoretic analysis, the zero voltage vector is introduced into the control strategy, which can keep the torque remain and reduce the switching frequency, and can decrease motor torque ripple under the situation of not reduce the control period.the vector will improve the system performance.On the basis of theoretic analysis, the hardware andsoftware are designed by the digital signal processor (DSP) TMS320LF2407.Furthermore, the direct torque control system of permanent magnet synchronous motor system is designed. The hardware design of this paper includes design of main circuit, measurement circuits, protection circuits, and control circuits. The measurement circuits include DC line voltage measurement, current measurement, and speed measurement. The protection circuits include startup under limited current protection, over-current protection, and IPM fault protection. The software design of this paper mainly carries out the DTC strategy in the software. The debugging of hardware and software is completed in this paper and the DTC strategy is carried out in the softwar.Keywords: permanent magnet synchronous; motordirect torque controlspace; voltage vector; digital signal processor永磁同步电机直接转矩控制系统的设计- 1 -第1章 绪论1.1 课题研究的背景电动机是电能向机械能转换的能量载体。在工业、农业、交通运输以及日常生活中广泛地应用着电机传动。其中对很多机械有调速的要求，一方面是为了满足运行、生产和工艺的要求，从而提高生产效率，保证产品质量；另一方面是为了减少运行损耗、节约能量。由此产生了电机调速技术即电气传动技术，它可分为直流电气传动和交流电气传动两大类 3。与直流电动机相比交流电动机尤其是鼠笼异步电动机具有结构简单、制造方便、价格低廉、运行可靠和效率较高等优点，但很长一段时期内其调速性能却无法和直接调速系统相媲美，其根本原因是交流电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。因此在20世纪的大部分年代里，由于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电气传动总容量80%的不变速传动则采用交流电动机。20世纪70年矢量控制技术的提出及实用化，使得交流调速系统的性能和直流系统调速相媲美，从而使交流调速技术发生了质的飞跃。在矢量控制之后又提出了磁场定向控制、自适应控制、非线性控制、直接转矩控制和智能控制等先进控制策略，推动了交流电气传动技术不断地向前发展。随着科学技术的不断进步，电力电子学、专用集成电路(ASIC )、数字信号处理(DSP)、传感器技术、计算机技术和网络技术等技术的发展为交流电气传动技术发展提供硬件保障；仿真软件(如MATLAB)和计算机辅助设计(CAD)的出现使高效、快捷地仿真和分析成为可能；控制理论的发展是先进交流调速控制策略的涌现提供了理论依据。今天，交流电气传动技术已发展成为多门新技术、多门新学科相交叉的新兴学科。由于控制简单，长期以来在要求较高的场合，直流电机一直占主导地位。但它存在一些固有的缺点，例如电刷、换向器易损耗，需要经常维护，换向器会产生火花，限制了电机的最高转速和过载能力，且无法直接应用在易燃易爆的工作场合。而交流电机特别是感应电机则没有上述缺点和限制，转子惯量较小，动态响应更好。一般而言，同样体积的交流电机的输出功率比直流电机提高10-70%,此外，交流电机容量可以制造得更大，达到更高的转速和电压。交流电机虽然结构较简单，其控制却比较复杂。交流异步电机价格便宜，运行可靠，但不能经济地在较宽的范围内实现平滑调速，且需要吸收滞后的励磁电流，功率因数和效率都较低。相比较而言，永磁同步电机具有以下优点 3：.永磁同步电机直接转矩控制系统的设计- 2 -20世纪70年代出现的微处理器(Micro-processor) 使得计算机在自动控制系统中发挥了极为重要的作用，微处理器即计算机的中央处理单元(CPU)和控制单元的集成，它配上一定的存储器、I/O接口和其它外设，就可构成自动控制系统的通用控制器。正是由于单片机的出现，计算机在控制领域的应用得到了一次突破，单片机不但小巧、成本低，而且由于众多设备集成到了一块芯片上带来了功耗小和抗干扰能力强的优点。另外它可以方便地组成各种智能式控制设备和仪器，做到机电仪一体化:也可以方便地实现多机和分布式控制，使得整个控制系统的效率和可靠性大为提高。单片机有许多类型，其中Intel 公司的MCS-51 系列、Motorola公司的68系列和Zilog 公司的Z8系列为大家所知。单片机自问世以来，得到了飞速的发展，以Intel公司为例，早期推出MCS-48 系列单片机，该单片机功能简单，寻址范围有限，性能较差，随之被稍后推出的MCS-51系列所取代。MCS-51系列单片机功能较强，寻址范围达到64K,有多级中断处理系统，片内带有串行I/O口，16位定时计数器，这些性能基本能够满足一般控制系统的需要，故这类单片机仍是目前应用最为广泛的一种单片机。虽然MCS-51单片机目前应用得最为广泛，但在一些比较复杂的控制系统中，它就显得有些力不从心，不得不让位于16位单片机。MCS系列16位单片机具有丰富的硬件资源和软件资源，特别是在其CPU中不采用常规的累加器结构，改用寄存器一寄存器结构，CPU操作直接面向256字节寄存器，消除一般CPU结构中存在的累加器瓶颈效应；尤其是80C196MC型内置的波形发生器可直接输出三相脉宽调制波形，特别适用于变频调速电机控制系统。虽然此类单片机性能优越，但当用于进行大量数据处理或浮点运算时则略有逊色。DSP则是近年来出现的一种高速专用的微处理器，其主要特点是采用哈佛结构，将程序存储空间与数据存储空间分开，并各自拥有自己的数据总线和地址总线；采用流水线技术，使得指令处理的平均速度大大提高；内部增设专门的硬件乘法器；并将硬件乘法器与累加器以流水线方式连接，从而可以高速连续进行乘法和累加运算 7。片内还集成了越来越多的外围接口，从而大大提高其功能，并且它有完整的开发和调试工具，开发周期短，使得DSP在控制领域的应用倍受关注。二十世纪九十年代后期，国外公司推出了专用于电机控制的DSP控制器，如TI 公司的TMS320C/F24x系列、Analog Devices公司的ADMC4xx系列，在高速DSP内核基础上，增加了带死区功能的三相PWM 发生器、光电编码器输入接口、丰富的I/O 和中断资源，为全数字化交流电机控制系统提供了功能强大的控制器。控制策略和方式是决定变频器使用性能的关键所在。目前通用变频器输出电压在永磁同步电机直接转矩控制系统的设计- 3 -380-650V,输出功率在0.75-400kW ，工作频率在0-400Hz，它的主电路采用交一直一交电路。变频器控制方式主要经历以下几种方式。（1）恒压频比控制方式：它根据异步电机等效电路确定的线性 进行constfU/变频调速。其特点是:控制电路结构简单、成本较低。电压是指基波的有效值，改变 U/f只能调节电动机的稳态磁通和转矩，而不能进行动态控制。控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高。（2）矢量控制方式（VC控制）：交流传动控制理论及实践终于在 70年代取得了突破性的进展，即出现了矢量控制技术。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。通过