[硕士论文精品]基于tms320f2812的永磁同步电机控制器的研究-论文

哈尔滨T程大学硕士学伊论文摘要永磁同步电动机己逐步成为交流伺服系统的主流。同时随着电力电子技术的发展，以数字信号处理器为载体的数字信号处理技术的成熟为复杂算法的实现提供了可能。本文对全数字交流永磁同步伺服驱动器进行了研究与开发。文章首先介绍了永磁同步电动机伺服系统数学模型，分析了磁场定向矢量控制的工作原理及控制方法。其次利用MATLABSI咖LINK对整个系统建立了仿真模型，并给出了仿真结果，验证了理论算法的正确性，为硬件设计提供了良好的支持。最后在理论分析和仿真分析的基础上，以TMS320F2812为系统的控制核心，智能功率模块IPM为功率变换装置，运用空间电压矢量脉宽调制SVPWM技术构建了全数字伺服系统的硬件平台。并编写了相应的软件程序。关键词永磁同步电机；SIMULINK；空间电压矢量哈尔滨T程大学硕士学位论文ABSTRACTTHEPMSMSERVOSYSTEMHAVEALREADYBECOMETHEMAINAPPLICATIONFORACSCVOSYSTEMANDWITHTHEDEVELOPMENTOFELECTRICALANDELECTRONICTECHNIQUES，DIGITALSIGNALPROCESSBRINGABOUTTHEPOSSIBILITYOFIMPLEMENTSOFSOMESUCCESSFULALGORITHMSTHEDIGITALACSERVODRIVERISDESIGNEDINTHISPAPERFIRSTTHISPAPERINTRODUCESTHEMATHEMATICALMODELSOFTHEPMSMANALYZESPMSMVECTORCONTROLPRINCIPLEANDTHEMAGNETICFIELDORIENTEDVECTORCONTROLOFWORKINGPRINCIPLEANDCONTROLMETHODSSECONDTHESIMULATIONRESEARCHBASEDONMATLABISCOMPLETEDTHERESULTSPROVETHATTHETHEORYCONSISTSWITHTHETHEORIES，WHICHPROVIDESUPPORTFORTHEDESIGNOFHARDWAREFINALLYBASEDONTMS320F2812ASTHECONTROLCENTERANDUTILIZESIPMASTHEINVERTERASWELLASTHESPACEVECTORPULSEWIDTHMODULATIONCONSTRUCTHARDWAREPLATFORMTHEPROGRAMISCOMPLETEDWITHCANDASSEMBLELANGUAGEKEYWORDSPMSM；SIMULINK；SPACEVOLTAGEVECTOR哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式棚0本人完全意识到本声啪鬻鬻黜日期二D口7年占月7口日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文口在授予学位后即可口在授予学位12个月后口解密后由哈尔滨工程大学送交有关部门进行作者签日期导师山氏哈尔滨工程大学硕七学位论文11课题研究的意义第1章绪论永磁同步电机PMSM采取的矢量控制系统是高性能的伺服控制系统。PMSM有很多特点，如简单的结构、体积能做到很小、运行效率高、过载能力大、转动惯量等待，同时矢量控制策略对于实现线性的转矩电流特性变的很容易，因此永磁同步电机构成的交流伺服系在控制性能方面能够取得很好的效果1。稀土材料的永磁同步电机在航空航天中得到了广泛的应用，同时民用的稀土永磁同步电机也正在逐步走向规模化生产，作为稀土总储量世界第一的国家研究稀土永磁同步电机控制系统对于国民经济的建设有重要的意义。另外全数字化的伺服控制系统是交流调速系统研究的方向。数字控制具有模拟控制系统不能匹敌的优势，数字化的控制系统能够方便实现控制策略，而且硬件设备简单。12交流伺服控制系统相关领域的发展121永磁同步电机的发展永磁电机的发展和永磁材料的发展是密切相关的。20世纪60年代开始，稀土钻永磁和钦铁硼永磁相续问世，它们具有高剩磁密度、高矫顽力和线性退磁曲线的优异磁性能，这就使得永磁电机发展迅速，通常永磁电机有4类电机，分别为永磁直流电动机、异步起动永磁同步电动机、调速永磁同步电动机和永磁无刷直流电动机。其中永磁同步电动机，相比电励磁同步电动机，电机在结构上相对简单、运行可靠性强以及效率高的特点。同异步电动机比较，明显将效率和功率因数提高了。异步起动永磁同步电动机和调速永磁同步电动机，不同在于前者的转子上设置了起动绕组，具备在某一电压和频率下的自行起动能力，而后者哈尔滨T程大学硕士学伊论文依靠变频器起动和控制。永磁交流伺服系统采用的电动机一般为调速永磁同步电动机卜1。伺服控制技术在机电一体化产品中得到广泛的应用，通常有直流伺服系统和交流伺服系统，交流伺服电动机没有机械换向，克服了直流伺服电动机存在电刷和机械换向器带来的不足和限制，具有明显的竞争优势，在西方发达的国家，交流伺服电机的占有率远远超过直流伺服电机，国产交流伺服电机的生产商也越来越多。交流伺服电动机通常有笼式异步感应伺服电动机和永磁同步伺服电动机。异步型交流伺服系统采用矢量控制策略，在矢量变换计算方面十分复杂，同时电机低速运行时很容易发热，效率还比较低。而永磁同步电动机交流伺服系统控制相对容易实现高性能的控制，而且还能获得良好的低速性能，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服系统中应用广泛。在交流永磁伺服驱动系统中，目前使用的交流永磁伺服电动机有两种，一种是永磁无刷直流电动机BLDCM，其绕组中流过方波或梯形波电流，具有与传统直流电动机相媲美的优良调速控制性能，并且无需机械换向器与电刷。另一种是永磁同步电动机PMSM，其绕组中流过正弦交流电流。通PMSM比较，BLDCM控制上相对简单、成本低、检测装置简单等优点，但源于其原理上存在的固有缺陷，使其存在转矩脉动较大、铁心附加损耗大的缺点，从而限制了由其构成的BLDCM伺服系统在高精度、高性能要求的伺服驱动场合的应用。而PMSM具有比BLDCM及其它交流伺服电动机更优越的性能，尤其是在低速或直接驱动场合，随着永磁材料及控制方法的快速发展，使得PMSM性价比得到了迸一步的提高。高性能交流伺服系统大多采用永磁同步电动机，研究和发展高性能的PMSM伺服系统己成为主流。永磁同步电动机交流伺服系统应用广泛，在现代工业、国防、空间技术、日常生活等各个领域，已成为其中一个不可缺少的组成部分。永磁同步电动机交流伺服系统主要有以下一些典型应用在高性能数控机床上的应用、在工业机器人中的应用、在新型电梯驱动中的应用、在雷达天线驱动系统中的应用在船用电力推进器上的应用、在纺织机械中的应用等等P1。2哈尔滨T程大学硕士学位论文122微处理器技术的发展微处理器是全数字化伺服系统的重要组成部分，能够完成闭环控制、先进控制策略的实现、PID调节等功能。可编程逻辑器件PROGRAMABLELOGICDEVICE可以实现对电机控制。还可以采用CPLD和FPGA对系统进行设计，这样只需很少的硬件，采用硬件描述语言编程就可实现很多的控制。近年来许多公司都推出了针对电机控制的专用数字信号处理芯片DSP芯片。如TI公司的TMSLF240X系列、TMSLF28X系列，MOTOROLA公司的56000系列，AD公司ADSP2100系列，日立公司的SH7000系列。这些芯片都以DSP处理器为核心，除了具有快速的数据处理能力外，还集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路，如AD、PWM、定时计数器、大容量程序存储器以及用于电动机速度和位置反馈的光电编码器接口电路等。使控制电路大大简化，而且改善了系统的可靠性和抗干扰能力卜1。13国内外交流伺服系统的发展状况国外交流伺服产品的生产厂家有很多，如日本的安川公司、三菱公司、松下公司，德国的西门子公司、KEB公司、BOSCH公司，美国的KOLLMORGEN公司、EMERSON公司、AMC公司，瑞典的ABB公司等己先后生产出了性能很好的伺服控制器。他们的交流伺服系统全部实现了数字化，都采用了DSP芯片，其中美国KOLLMORGEN公司工业驱动部分是美国最大的，同时也是技术最先进的伺服系统生产厂，在美国占有最大的市场份额。其中的GOLDLINE系列代表了当代永磁交流伺服技术的最新水平。国内交流伺服驱动系统研究起步较晚，相对国外的发展要落后，电机控制技术同外国相比还有很多的不足，技术落后主要是局限于欠缺实用的电机数字控制算法和高可靠的功率模块。由于资金和技术的限制，研究和产品多集中在低价位、性能较差的直流无刷电动机上，产品仍以哈尔滨丁程大学硕十学位论文数字模拟混合式为主。采用信号处理器控制交流伺服系统即全数字化交流伺服系统的研究主要集中在国内的一些高校和研究所。他们的永磁同步电动机多为特殊设计，应用于航天、国防等特殊场合的特种电动机。近年来，华中数控、广州数控、航天数控、兰州电机等国内厂商的交流伺服产品已相继进入产业化阶段，但还主要是集中在数控机床行业，功率规格在几个千瓦以下，没有针对整个自动化控制行业形成全系列规格标准产品，不具有与国外产品竞争的能力。所以目前国内对精密交流伺服电机控制系统的需求还主要依赖进口。由于中国为制造业大国，为生产交流伺服产品的商家提供了非常广阔的市场，除数控机床行业外，其他行业对各种规格伺服电机的需求量也在逐年增长，为此，国外伺服电机生产厂商陆续计划或已经在国内设置独资工厂，利用本地资源和廉价劳动力，批量生产各种规格的通用型伺服电机产品。对于我国来说，拥有生产具备世界先进水平的交流伺服系统的能力，将有助于使我国在诸多尖端技术领域不再受制于人，并且经济型、低成本交流伺服系统的巨大市场也不应拱手让人。国内的科研机构和企业，应该增加资金投入，在技术上寻求突破，应该在降低能源消耗、提高产品质量和实现柔性生产等方面考虑，争取研制出经济型和高性能的伺服产品，来满足我国各行业对交流伺服系统不断增长的需要P儿。14本文的主要研究内容在说明本课题研究背景的基础上，介绍了PMSM数字控制系统的设计思路，给出了永磁同步电动机的数学模型，接下来介绍了SVPWM控制的原理，并且详细阐述了空间矢量技术的数字化实现。在此基础上利用功能强大的MATLAB仿真软件建模、仿真。得到了系统仿真波形，为硬件设计打下基础。永磁交流伺服的硬件设计，详细介绍了系统主电路、IPM驱动电路、检测电路、故障保护电路具体电路。系统的软件设计，利用DSP开发系统专门的CCS进行了系统的程序编写。给出了系统个部分的程序流程图。4哈尔滨丁程大学硕士学位论文第2章PMSM控制策略在给出了永磁同步电机DQ坐标系下的数学模型的基础上，阐述了矢量控制原理以及用到的坐标变换公式，并重点给出电压空间矢量脉宽调制SVPWM方法的基本原理。21永磁同步电动机的数学模型永磁同步电机PMSM，是由绕线式同步电机发展而来，一般在定子上放置三相对称绕组，转子上安装永磁体代替电励磁，如图21所示。定义图中绕组电流方向为正方向，每相绕组正向电流流过时产生的磁场轴线为线圈轴线，取A相绕组轴线A作为空间坐标和时间相量的参考轴。定义逆时针方向为转速的正方向。V，为永磁体磁链，方向与磁极磁场轴线一致，F，为定子电流矢量1。图21PMSM物理模型为简化分析，现对三相永磁同步电机作如下假设1定子绕组Y型连接；2忽略定子绕组漏感；3定子相绕组中感应电动势波形为正弦波；4磁场呈正弦分布，忽略高次谐波，不考虑磁路饱和；哈尔滨丁程大学硕士学位论文5转子上无阻尼绕组，永磁体无阻尼作用；6不计涡流和磁滞损耗，认为磁路是线性的一儿“。在ABC坐标系统下进行变换处理，A、B、C三相绕组具有相互电磁耦合，通常可以采用DQ坐标系，达到解耦目的，获得较好的控制性能。永磁同步电机DQ坐标系下的等效模型如图22所示，DQ坐标系随定子磁场同步旋转，D轴固定在永磁体磁链V，的方向上，Q轴为沿转速方向逆时针旋转超前D轴电90。电角度。QD图22DQ旋转坐标系在上述假定下，PMSM在DG坐标系下的电机方程如下睁加1定子磁链方程咆弩厂21【、I，Q20定子电压方程JZD。BWD一叫D22【“G20P4，G、I，9把式21代入式22得胙UQR睨SIQ二嚣麓州，协3，【厶P厶、I，。输出电磁转矩ZPI一、L，IA24PMDLLP2婶Q一、L，。，L24，把式21代入上式可得62卜，厶一厶J25降弦功6，L鲁吨一P时一P和M0P。PM三、L，RPM0V，一PM专L0上三瓦328由式28中可以看出，在永磁同步电机模型中，机械角频率和DQ轴电枢电流分量岛、互相耦合，并且可以看出方程为非线性7哈尔滨工程大学硕士学位论文的，不能简单地通过调节电枢电流来直接控制电磁转矩，必须进行矢量解耦控制131。22PMSM矢量控制原理就PMSM的控制而言，一般有两种控制方式。一种是针对电流控制的滞环控制，另一种是采用电压控制。滞环控制响应速度快，主要应用在模拟控制系统中；电压控制的理论基础是空间矢量脉宽调制SVPWM控制，能够提高逆变器的电压输出能力，保持开关频率恒定，多用于数字控制。本文的交流伺服系统的矢量控制中采用电压型逆变器模型。PMSM的矢量控制也是一种基于磁场定向的控制策略，按照磁链定向控制的方法分为4种控制方案转子磁链定向控制、定子磁链定向控制、气隙磁链定向控制、阻尼磁链定向控制。按照控制目标可以分为屯0控制、COSP控制、总磁链恒定控制、最大转矩电流控制、最大输出功率控制、转矩线性控制、直接转矩控制叫。本文中的矢量控制所采用的坐标系为砌旋转轴系，屯0矢量控制方式。系统反馈控制环路如下图所示噬图23转子磁链定向控制系统框图8哈尔滨T程大学硕十学位论文23永磁同步电机的坐标变换德国BLASCHKE等人提出交流电动机的矢量变换控制TRANSVECTORCONTR01理论。在理论上解决了交流电动机转矩在高性能控制方面的问题。其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，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩电流分量，并使俩分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样，交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就与直流电动机相似了。因此，矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置的控制。矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施仍然是落实到对定子电流交流量的控制上。由于在定子侧的各物理量电压、电流、电动势、磁动势都是交流量，其空间矢量在空间上以同步转速旋转，调节、控制和计算均不方便。因此，需借助于坐标变换，使这个物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，站在同步旋转坐标系上观察，电动机的各空间矢量都变成静止矢量，在同步坐标系上的各空间矢量就都变成了直流量，可以根据转矩公式的几种形式，找到转矩和被控矢量的各分量之间的关系，实时地计算出转矩控制所需的被控矢量的各分量值一直流给定量。按这些给定量实时控制，就能达到直流电动机的控制性能。由于这些直流给定量在物理上是不存在的、虚构的，因此，还必须再经过坐标的逆变换过程，从旋转坐标系回到静止坐标系，把上述的直流给定量变换成实际的交流给定量，在三相定子坐标系上对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。，_考虑通常的三相绕组，在空间位置上互差竿机械角度，设在三相，”绕组中通以三相对称电流，在相位上互差竿电角度，产生的合成磁场J具有以下特点1随着时间的推移，合成磁场的轴线在旋转，电流交变一个周期，磁场也旋转一周。9哈尔滨工程大学硕十学位论文2在旋转过程中，合成磁场强度不变，故称为圆形旋转磁场。产生旋转磁场不一定非要三相绕组，单相、两相及多相对称绕组，通以相应的对称电流，都能够产生旋转磁场。考虑两相对称绕组，其在空间位置上互相“垂直“，互差M2RAD电角度；两相交变电流在相位上互差伍2RAD电角度。将两相对称电流通入两相对称绕组，产生的合成磁场将具有与三相旋转磁场同样的特性。231CLARKE变换三相定子ABC坐标系与两相定子仅一P坐标系之间的变换，即一个旋转矢量从三相定子AB。C坐标系变换到两相定子0【一P坐标系，称为CLARKE变换，也叫做32变换。图24中绘出了A、B、C和A、B两个坐标系，为方便起见，仪轴与A轴重M171。图24绕组磁动势的空间矢量位置设三相系统每相绕组的有效匝数为N3，二相系统每相绕组的有效匝数为，设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与二相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在仅、B轴上的投影都应相等。112FA3F。一3IBCOS600一3F。COS600N3乞一去一去F。29么ZE2FP3LBSIN600一3F。SIN600半N3IBIC210Z为了便于求反变换，最好能将变换阵表示成可逆的方阵。为此，在10哈尔滨丁程大学硕十学位论文二相系统上再人为地增加一项零轴磁动势乇，并定义为N2F0丛3IOI。”O“O将以上三式合在一起，写成矩阵形式，得H3盯贡式中C3，瓦N31L一2，、3U2KK1L一2，、3U2KK1232K标系的变换阵。满足功率不变条件时应有吲CR瓦N3211巳I|协是三相坐标系变换到二相坐1OK一三笪K22一一笪K22213由C3，C办E单位阵，因此得瓦N3；，且K万1，把它代入得214乙KI隽TK哈尔滨T程大学硕十学位论文232PARK变换，、1UO42323212142215一个旋转矢量从0一P垂直坐标系变到DQ旋转坐标系，称为PARK变换，也叫做交直变换。图25中绘出7“相静止坐标系仅，P和二相旋转坐标系D，G之间的关系。图中静止坐标系两相交流电流、IB和旋转坐标系两个直流电流，产生以转速旋转的合成磁动势EM。1引。图25二相静止和旋转坐标系与磁动势空间矢量由图可见，它们存在着下列关系FAIACOSOIQSINOFBIASINEFGCOSO由上二式可得IAFACOSOF8SINOIQSINE乇COSO为了凑成方阵假想一个零轴写成矩阵形式12216217218219220哈尔滨工程大学硕十学位论文篆一CO吉SOECS茗INO。；差C22，合并式220和221，可得从三相ABC坐标系到二相DQO旋转坐标系的变换式C3们，为竹“E吉OSOECS茗INO。倒2、JLLCOSOSIN012其反变换式为C2R3S1伽E一争一SINO一争2COSE争COS9争一SINO争一SINO要J利用式2。23的变换阵求得定子电压的变换关系为MU6I川信COSOCOS。一争COS。争一SILL0一SINO一争一SINO罢J222223H蚓Q乏4J2笪2上压。一2压一2。一压。OL压0O1上压一I压一I压一|压兀一3坩一出P一骞S一、，兀一3909咿0O上压上压上压B哈尔滨T程大学硕十学伊论文IJ翌，屯托COS。SM。击，226巾。2COS0巾。SIIL。万1巾。疡在ABC坐标系上，A相电压方程为“。IAR。PC。228将以上三个变换式代入A相电压方程并整理后得蚴一R屯一PC一心印C。S。一UQ一足一PC一虬PO81N。万1一O一脚。O一R一P虬巾G印CA,S0一UQ一足一西口一巾D印SIN0寿“O一足J0一PCO0对于0为任意值，因此下列两式必须分别成立UDR，IDPCD一03。巾。229“GR，IGPCG一。巾D230其中巾。厶32L,O厶】巾D厶屯巾，32L。O厶】巾厂03JPCO简化式230得，UDR。IDLDPOAIQDP屯231UQR，F9三GPOIDGPIQPDDFCO232永磁同步电机状态方程为鲁一专噶I1233鲁一扣她一等I1“，34，5C、I，、L甜上压EN虬甜一ESOCD甜巨怄相A沦讨先哈尔滨丁程大学硕士学位论文另外，输出转矩为TPE0MJ巾RIQ三DLQFQ】235L，、U，UQO因此表面贴式永磁同步电机的DQ数学模型为厶。三鲁一兰协LQZ1玑鲁弋RIQPOIA一半。36，DO3P巾RB乃，一一Z一一一,IT2DJJ为了实现电流和速度的解耦，达到和直流电动机一样的控制性能，即使得转矩不受磁通电流影响，必须使得屯0。由此永磁同步电动机的解耦模型为鲁Z1埘。咖一DM堕F。一一B一互23701一一一O，一厶M24空间矢量PWM调制当使用三相平衡的正弦电压向交流电机供电时，电机的定子磁链空间矢量幅值恒定，并以恒速旋转，磁链矢量的运动轨迹形成圆形的空间旋转磁场磁链圆。电压空间矢量SVPWM技术就是使逆变器向电机提供变频电源，并能保证电机形成定子磁链圆，就可以实现交流电动机的变频调速。在电机矢量控制系统中，一般采用电压型逆变器，主电路结构如图26所示，其中每一个桥臂有上、下的两个开关器件。6个开关器件的开关规律必须遵循以下的规律1任何时刻，处于开关状态的开关器数目都必须是3；2同一桥臂两个开关器件由互补驱动信号控制，不能同时导通。哈尔滨工程大学硕十学位论文从图中可以看出，当上管S。，导通时，相应的下管S。断开；反之亦然。如果把上桥臂功率开关器件的导通状态用“1表示，关断用“O”表示，则开关矢量ABC1。就能被确定。三组开关共有八种，即000、001、010、011、100、101、110、111。其中000、111两种模式是逆变器输出为零，称为零状态19H201。UKF2D_黾L昆，Z一一O，么一亨么“么阢2只。鼬I阱出口酒38，式中为检测到的瞬时直流母线电压。肿雕羽39，16哈尔滨T稃大学硕十学位论文图27基本空间矢量基本电压矢量的矢量表及相电压和线电压如表21所列。表21开关状态ABCU。乩U。U船UBUCAO00O0OO001002U如3射DCF3UDCF3矾庑OUDC0LOUDC|32U如3刈DC冯如DCUDE0110UDCF3UDC|32U如3OU如司DC0O1UDC|3如DC|32UDCF3O司乱UDC1O1UDCF3鄹DC汜UDC|3UDC一嗽OO112UDC3UDC3UDC|3州AC0UDEL110O00OO三相定子电压可以通过CLARK变换得到静止坐标系下的仅轴、13轴电压分量，如式240所示。表22列出基本电压矢量与两相坐标系下的电压值。艄磁12踟习4。，哈尔滨T稗火学硕十学位论文表22开关状态与空间矢量ABCU。OO0O010O2UACF30OLOUDC|32U如3110UDCF3UAC3001刈DC|3UDC31O1UAC|32UDC3O1L2UDC3UDC31L10O25本章小结本章主要阐述了永磁同步电动机数学模型的基础上，采用矢量控制理论，在控制策略上采纳的是0的解耦方式，该方法很容易操作，实现起来比较容易。18哈尔滨T程大学硕十学位论文第3章PMSM伺服控制系统仿真近年来，出现了各种专业仿真软件发展并且发展非常迅速，充分利用仿真软件，可以提高设计的效率，使系统的建模变得简单、直观。MATLAB是MATHWORKS公司开发的用于数学计算与控制系统仿真的工具软件，经过多年的补充与完善，系统功能十分强大。SIMULINK是MATLAB提供的一个用于动态系统进行建模和仿真的软件包，是为控制系统而设计的。其中电气系统模块库POWESYSTEMBLOCKSET，PSB，提供了上百种电气元件模型，适合电子线路、电力系统、电力电子与电机控制等领域的仿真弘“1。为了验证所设计伺服系统方案的可行性，本章利用MATLABSIMULINK对永磁同步电机交流伺服系统进行建模、仿真，为后面的硬件设计打下基础。31系统开发环境MATLAB是目前国际上流行的一种仿真工具，它具有强大的矩阵分析运算和编程功能。建模仿真可视化功能SIMULINK是MATLAB五大通用功能之一，它是MATLAB中实现动态系统仿真建模的一个集成环境，具有模块化、图形化编程、可视化及可封装等特点，可以提高系统仿真的效率和可靠性。SIMULINK提供了丰富的模型库供系统仿真使用，它的仿真工具箱可用来解决某些特定类型的问题。MATLAB具有三大特点1功能强大。包括数值计算和符号计算，计算结果和编程可视化，数学和文字统一处理，离线和在线计算。2界面友好，语言自然。MATLAB以复数矩阵为计算单元，指令表达与标准教科书的数学表达式相近。3开放性强。MATLAB有很好的可扩充性，可以把它当作一种更高级的语言去使用。用它容易地编写各种通用或专用应用程序。MATLAB有许多工具箱TOOLBOX，这些工具箱大致可分为两类功能性工具箱和学科性工具箱。前者主要用来扩充MATLAB的符号计算功能、19哈尔滨工程大学硕十学位论文视图建模功能和文字处理功能以及与硬件实时交互功能；而后者专业性较强，如各种工具箱，数理统计和随机信号分析、信号和图像处理、建模和仿真、通信系统等众多领域的理论研究和工程设计中得到了广泛应用1251126O32控制系统仿真模型的建立将各个子模块连接构成整个系统的仿真模型，仿真模型见图31。33仿真结果图31PMSM矢量控制系统仿真模型对于整个系统给定脉宽调制信号的周期为T00001S，母线上的输入直流电压为300V时，给定转速800RADS。1空载时TLONM，电机从零转速加速到100RADS，并保持此速度运行，仿真如图32所示。坠玺鎏兰堡奎茎鎏圭兰堡兰兰2130芎1F菩。墨图32空载启动转速、位置、转矩和电流波形2带负载启动在TO5S时电机加负载TZ2NM。系统运行的仿真的结果波形如下。毫1量口10差M掣。LO主。10盈喜。为LI11一一TF一111L图33带负载启动转速、位置、转矩和电流波形吾_习吾P勇翮黼拦一_。“哑O譬至鎏三耋盔兰璺兰垒鎏圣3负载变化情况在一O5S时电机加负载TLINNL。扛LS时电机加负载TL2N113。系统运行的仿真的结果波形如下。一笔1莹0置1皇雷。趔010暑吾O。加善。皇J；一寸I一图34负载变化时转速、位置、转矩和电流波形34本章小结本章利用MATLAB中的SIMULINK系统进行了仿真，给出了仿真波形。从仿真图33、图34启动瞬间，转矩略有波动，进入稳态运行后，转矩波动很小。通过分析可以看出仿真结果符合理论分析的结果。通过仿真更好的理解了矢量控制的原理，验证SVPWM控制理论实现方法的正确性。哈尔滨丁程大学硕士学位论文第4章PMSM控制器的硬件设计通过对PMSM的可控制策略进行建模、仿真，在此基础上，本章将详细论述基于DSP芯片TMS320F2812的永磁电机数字交流伺服控制系统的硬件设计，主要包括F2812DSP简介、控制系统总体电路、功率驱动回路、速度和位置检测电路以及系统保护电路设计等等。41系统硬件的总体结构图41所示为系统硬件结构框图。硬件电路可以分为三部分主控电路、功率驱动电路和电源电路。主控电路以DSP为核心，外围电路主要包括仿真接口电路、电平转换电路、外部存储器扩展电路。功率驱动电路包括逆变器主电路、电流检测电路、转子位置速度检测电路和故障保护电路等。电源电路为系统提供多路不同等级的直流电源。下面对主要电路进行详细介绍。42DSP主控电路421DSP控制核心本系统采用TI公司的高性能的DSP控制器TMS320F2812作为控制核心，该芯片具有一系列的优点TMS320C2000TM平台下的一款新推出的DSP芯片。TMS320F2812采用高性能静态CMOS技术，具有150MHZ667NS周期时间的时钟频率，低功耗设计内核18V，I033V，支持JTAG技术。片内集成了一个高性能32位CPU。此外，该器件带有支持45个外设中断的外设中断扩展PIE模块，3个32位CPU定时器。电机控制外设包括两个事件管理器EVA，EVB，同时与240X设备兼容。56个独立可编程，多路通用输入输出GPIO管脚。高级仿真性能包括分析和断点功能、硬件实哈尔滨T程大学硕士学位论文时调试俐。422DSP外围电路1仿真接口28XCPU含有高级仿真特性所需的硬件扩展，28XCPU的仿真逻辑包括有调试和测试直接存取存储器，调试器可以不使用指令流水线循环周期，而通过控制存储器接口直接得到寄存器或存储器的内容。仿真逻辑允许在28X和调试器之间对存储器内容进行初始化操作，内含完成基准测试程序的计数器及具有多重调试事件。目标层次的TI调试接口使用5个标准的IEEELL491JTAG信号TRST、TCK、TMS、TDI和TDO和两个TI扩展口EMU0、EMUL。通过结合TI的集成开发环境CCS与JTAG接口，可以很方便地进行实时在线调试以及程序的下载。2电源电平转换电路TMS320F2812的核心电压是18V，IO口电压是33V。为保证芯片正常工作，必须进行电源转换提供这两种工作电压。线形稳压芯片是一种最简单的电源转换芯片，基本上不要外围元件。但是传统的线形稳压器，如78XX系列都要求输入电压要比输出电压高23Y以上，否则不能正常工作，但是5V到33V的电压差只有17矿，所以78XX系列已经不能够满足33V电源设计要求。面对这类需求，许多电源芯片公司推出了LOWDROPOUTREGULATOR低压差稳压器。可以实现5Y转33V18V的要求TI公司生产的TPS767D318电源芯片进行电压转换。应用该芯片的电路如图41所示。外部提供纯净的5V电源输入，为了提高可靠性，再经过一个1P，的极性电容滤波后进入电源芯片TPS767D318，18V、33V的使能端接地，那么立刻建立起双电压。输出电压经过33UF的极性电容和一个铁氧化体磁珠滤波后提供DSP的电源电压。当输出18矿或33V下降5时，TPS767D318产生复位信号并保持200MS，经过一个与门输出使DSP复位。这样就保证了TMS320F2812在可靠性电源下工作。TPS767D318有一个内置的软启动电路，主要是为了防止在加电时24哈尔滨工程大学硕士学位论文电流过冲而影响转换器的性能。此外，TPS767D318还有使能端和过温保护功能，当EN1时，它将处于关闭状态，此时功率管、驱动器、电压比较电路和振荡器等电路都处于不工作状态，使静态电流极低，约等于1以。当TPS767D318温度高于门限值时，会自动关闭，一旦温度低于门限值，又会重新进入工作状态。该芯片主要是为DSP的应用而设计，可以提供两路电压输出，一路为33Y，另一路18V；其中每路输出可提供最大为1彳的直流电流；并且能提供要求的复位信号；快速响应，33V电压建立只需120US。43功率驱动电路图41电源电平转换电路本系统功率驱动电路主要包括整流、滤波、三相桥式逆变主电路，电流检测电路，转子位置及速度检测电路和故障保护电路等。下面进行详细介绍。431逆变器主电路逆变电路是变频器主要部分之一。起作用是在控制电路的控制下将哈尔滨丁程大学硕士学1_7论文直流电路输出的直流电压转换成所需频率的交流电压【6儿引。逆变器主电路包括市电整流、滤波和三相桥式逆变电路。整流由普通二极管整流桥实现。三菱公司的智能功率模块IPM为功率变换装置。IPM模块内部集成了六个IGBT作为功率开关元件，同时集成了驱动电路，并设计有过电压、过电流、过热、欠电压等故障检测保护电路。由于IPM模块的智能化、模块化、集成化、性价比高、保护功能全、控制驱动简单等特点，使整个电路设计更简洁，成本降低。DSP输出六路PWM信号驱动IPM工作输出三相电流给电机定子绕组，使电机运转。432电流检测电路为了满足高性能伺服系统的要求，提高系统电流环响应速度，必须进行电流检测。电流检测模块就是把交流感应电机的三相定子电流转换成相应的二进制代码，以方便DSP处理。由于本课题研究的是三相平衡系统F。F。FR0，因此只要检测其中两路电流，就可以得到三相电流。定子电流采样电路的功能是把运行中的电流信号实时采集下来，送到DSP的AD转换通道进行实时采样。因为三相定子电流之和为0，所以定子电流只需要测量两相。定子电流信号的采样由霍尔电流传感器来实现。DSP输入信号要求为单极性信号且本系统DSP的AD模块的参考电压最大值设为5V，所以电流信号需要先经过偏移电路把电流信号变成O5V的单极性信号，其偏移电路具体的实现如图42所示。图中TLE2142高速高精度双运放，稳压管用作防止信号电压过大，起保护作用，模拟电压源VCCA为5V直流电压源。哈尔滨T程大学硕十学位论文FL，附中；卫IL。，L士；巴“L卸迸勰箸。，F二JIGE享二二吉一毒M”申厂匕嘉于一V鳓下L占I”盼15。1JJ7。占占图42定子电流采样电路采集的模拟信号需经AD转换成数字信号才能被DSP处理。TMS320F2812内部提供了两个12位AD转换模块，可实现最多16路模拟信号的采集。两个AD模块可以同时进行转换，保证了被采集的两相定子电流的同相位。433速度检测在高性能的数字控制系统中，实现电机位置和转速的数字检测是提高系统性能的关键技术。目前常用的测速装置有增量式光电码盘、绝对式光电码盘、旋转变压器。它们的主要特点如下1增量式光电码盘增量式光电码盘数据处理电路简单。因为是数字信号，所以噪声容限较大，容易实现高分辨率，检测精度高；缺点是不耐冲击及振动，容易受温度变化影响，适应环境能力较差。2绝对式光电码盘绝对式光电码盘上有许多圈槽，为获得高分辨率就要求很高的机械加工精度，导致成本很高。3旋转变压器旋转变压自身结构坚固耐用，不怕振动和冲击，可在高温下工作，27旷哈尔滨丁程大学硕十学位论文具有很强的适应环境能力，可以通过控制电路，较容易改变分辨率；其缺点是信号处理电路复杂，温度特性不好卜。本文采用的是电机自带的光电编码器，它有三相输出，分别为A，B，Z相，利用Z相和A，B相的相对位置可以精确定位电机的磁极位置。TMS320F2812事件管理模块具有正交解码脉冲电路QEP电路。当该电路被使能后，引脚CAPIQEPI和CAPZQEPZ接收脉冲信号。正交解码脉冲电路可用于连接光电编码器以获得电机转子的位置及速度信息，电机轴上的光电码盘输出的正交编码脉冲经接口电路输入到正交解码脉冲输入电路，接口电路用来完成脉冲的隔离、整形功能，其电路原理如图43所示。图43转速检测电路434IPM模块及其驱动控制电路的设计智能功率模块，不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还具有过流、过压、欠压、温度等保护电路，不但可以保护IPM模块，而且也简化了片外的驱动电路，减少了系统的故障率。IPM的故障输出信号FO通过光电耦合器接到DSP的PDPINTX端口，在IPM发生故障时，DSP能及时把所有事件管理器输出脚都置成高阻状态，禁止PWM信号输出，对系统进行保护。由DSP产生的六路PWM信号需要经隔离后再输入IPM。隔离的器件很多，所以在此选择光耦，一方面是它的体积非常小，同一般的小电阻、小电容体积相当，另方面，它的使用和联接方便，它是无源型哈尔滨工程大学硕士学位论文的，一端输入，另一端输出。为了避免DSP工作不正常时IPM的上、下桥臂产生“直通”现象，在每一对PWM信号上先加互锁电路，然后到隔离驱动和电平转换再送IPM的控制端。光耦用快速的6N137，以保证隔离信号响应快，输出信号好。图44是IPM的其中1路输入信号的电路原理图。5V15U蛰74LS隹L镕M_L240LU喇图44IPM互锁隔离驱动电路此电路的工作原理是这样的。当DSP的PWM引脚输出高电平时。光耦的输入端导通。发光二极管点亮，则输出端的光电三极管得到偏置的光电子，光电三极管饱和导通，所以光耦的上输出端就输出低电平，而当IPM的某路驱动电路的输入电压低于15V时，与之相连的IGBT则随之导通，所以此桥臂导通。另一种情况，当DSP的PWM引脚输出低电平时，光耦的输入端截止，发光二极管熄灭，则输出端的光电三极管得不到偏置的光电子，光电三极管截止，所以光耦的上输出端就呈高阻状态，由于2000欧姆的上拉电阻的作用，输出高电平15V，而当IPM的某路驱动电路的输入电压高于20V时，与之相连的IGBT则随之截止，所以此桥臂截止，电路可以确保不会出现上、下桥臂同时导通，即同时输出高电平的PWM信号。44驱动IPM的开关电源对于整个系统而言，需要多路不同电压等级的直流电源，DSP控制电路需要5V、15V三路电源，与光电编码器、霍尔电流传感器、过流保护电路共用；IPM逆变器需要四路15V电源，分别为U、Y、形三个上桥臂驱动电路彼此间隔离，U、V、W下桥臂驱动电哈尔滨工程大学硕十学伊论文路共地供电，与过压保护电路、限流电阻切除电路共用。因此，一共需要具有5V、15V和四路15V共七路输出的辅助直流电源。本文采用专门的电源模块JSL58实现。JSL58是专为设计逆变装置而又使用IPM的嵌入式系统级开关电源。具有9路输出，8路隔离输出，电流强劲，输入电压范围宽，保护全等优点1金属屏蔽大功率高频变压器；2超宽耐压范围，额定直流电压为170V700V；3适合几乎所有IPM的应用场合如伺服控制、变频驱动、逆变电源等；4路输出电压，8路隔离输出；5可为系统中提供电源的有IPM、CPUDSP、光耦、运放、继电器、霍尔电流传感器、光编码器、散热风扇等；45IPM故障保护电路FO是模块内部故障检测电路的输出信号。当其为低电平时，表示模块发生了过流、短路、欠压或过热等某种故障。IPM的故障信号输出端子FO反馈到TMS320F2812的PDPINTA端子。当故障出现时，IPM的引脚FO输出低电平，经光电耦合后PDPINTA也被拉为低电平，此时DSP内的定时器立即停止计数，所有PWM输出管脚都呈高阻状态，同时产生中断，通知CPU有异常情况发生。由于FO只是向外部控制电路提供的指示信号，即使外部控制电路不采取措施，模块会通过自保护电路封锁基极驱动信号。46本章小结本章以TMS320F2812为核心进行了系统硬件电路的设计，包括主电路、驱动电路、检测电路等等。采用的智能功率模块PM20CSJ060，内部集成了各种保护电路，大大提升了系统的可靠与安全性。哈尔滨1稗大学硕士学位论文第5章系统的软件设计本交流伺服系统采用了ID0的控制策略。软件设计在整个系统中起着重要的作用。软件程序包括主程序和中断服务子程序，主程序主要进行硬件和变量初始化，对各个控制寄存器置初值，对运算过程中使用的各种变量分配地址并设置相应的初值。中断服务子程序是系统的核心部分，包括数字调节器、SVPWM、电流检测、电机转速和转子磁极位置检测等几部分程序的设计。51软件开发环境TI公司为DSP的开发提供了功能齐全的集成编译环境CCSCODECOMPOSERSTUDIO，即可以用汇编语言编程，也可以C语言来编程，也可以汇编语言和C语言混合编程。通过它开发人员可以充分应用DSP的强大功能。在本设计中采用C语言和汇编语言混合编程的方法，利用CCS2000集成开发环境以及仿真器进行程序调试。程序结构清晰简单，易于调试。52系统控制主程序设计系统的主程序流程图如图51所示。主程序结构十分简单，主要完成DSP寄存器、AD模块、EVA模块的初始化以及系统的启动、等待中断的发生。哈尔滨T程大学硕学位论文禁止总中断，并清除所有中断标志0配置系统控制和状态寄存器，并禁止所有等待状态嗲L初始化子程序启动系统53电流采样子程序图51主程序流程图TMS320F2812的ADC模块共有16个输入通道，12位ADC核，内含采用保持电路，模拟输入范围0“3V。本系统的电流采样就是利用DSP本身的ADC模块。用一个定时器事件启动AD转换，完成电流的采样。在检测中，霍尔电流传感器只得到两相电流值T和F，将该电流值送入ADC模块的两路输入ADCINA0和ADCINAL端口，经过转换称为12位的数字量，范围是04095，输入模拟电压和采样结果的关系为数字结果4095输入模拟电压ADCLO3，其中ADCL0为模拟输入的公共地，接到模拟地。32哈尔滨工程大学硕十学位论文54转子检测永磁同步电机的控制需要知道转子的位置E。一方面位置环节本身需要位置的反馈，另一方面矢量控制算法也需要0。本系统采用的是增量式光电编码器检测位置。该编码器的定子安装在电机的定子上，转动部分与电机转子同轴连接，转子每转一圈将有2500个脉冲产生。定子安放两个光电开关A和B，使输出的波形相差900电角光电度由此判断转向。F2812专门针对这种增量式编码器设计了QEP电路，内部对输入的脉冲4倍频后每转的脉冲数为10000个。系统使用的电机开始时需要确定转子的初始位置，方法是通过检测电机上U、Y、形信号，在一个圆周上有六个初始状态，即101、100、110、010、011、001，由此可以得知转子的初始位置，判断误差为一300300。55速度检测除了位置量外，控制系统还需要检测电机的转速以便实现对电机转速的闭环控制。一般为了缩小体积、节省成本不再单独安装速度传感器，而是利用位置脉冲信号，经过微分处理得到速度信号，常用的有3中方法M法、T法以及MT法【81。系统中采用的是M法。M法实际上是一种差分方法。DSP在每个采样周期读取编码器输出的该时刻的位置值OK，然后与上一采样时刻读进的位置值OK一1相减，再除以Z得到各个采样周期的速度估计值，作为速度回路的速度反馈信号。M法测速原理是利用电机转速与光电编码器输出脉冲个数成正比的特点，在一定的时间间隔T内对QEP单元的输入脉冲计数，乘以系数后得到电机的转速。假定编码器每转输出脉冲个数P个R，电动机的转速为RLRMIN，根据检测时间T，计算出对应的脉冲计数值M为MNPT51哈尔滨丁程大学硕十学位论文TILI但是两路正交输入脉冲的两个边沿都被DSP正交解码脉冲电路计数，因此，产生的时钟频率是每个输入序列的4倍，所以改为聊4NPT5260则N一60MMX旦53N一KJ，4PTPT56本章小结同硬件相比，软件在整个伺服驱动系统的地位重要。整个软件将各个算法编写成小的独立文件，这样非常便于调用和修改程序，十分灵活。坠玺鎏；翟查兰罂圭茎堡丝圣61实验参数第6章实验结果实验中的波形由数字