DSP的交流电机控制器系统设计

1.1课题研究的背景与意义近年来，随着电力电子技术、微型计算机技术、传感器技术、稀土永磁材料与电机控制理论的发展，交流伺服控制技术也有了长足的进步，交流伺服系统已经逐步取代直流伺服系统。借助计算机技术、现代控制理论的发展，人们有可能做出高精度、快速响应的交流伺服驱动系统。近年来，世界各国在高精度速度和位置控制场合，都把交流电力传动替代了电液和直流传动。在交流伺服传动领域中，伺服系统有三种构成形式，其执行元件是：感应电动机、无刷直流电动机和三相永磁同步电动机，所构成伺服系统除以上执行元件外还有：变频装（整流器和逆变器）、控制系统。在这三种伺服驱动系统中，其逆变器和控制器的功能几乎完全相同，虽然感应电机矢量控制技术比永磁交流伺服电机的控制复杂些，但由于控制器件价格的不断下降，控制器成本相差不大。由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低、容易散热及维护保养等优点，尤其随着永磁材料价格的下降、材料磁性能的提高，以及新型永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服系统中，永磁同步电机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域逐步推广，特别在航空、航天、数控机床、加工中心、机器人等场合已获得广泛的应用。在众多伺服电机应用领域中，各种控制指令由计算机发出后，其动作的实现均由伺服系统来完成。例如用计算机数控系统、进给伺服驱动系统和主轴驱动系统组成的数控机床，根据数控系统发出的命令，伺服系统准确而快速地完成每个坐标轴的进给驱动，与主轴驱动配合，实现对工件的高精度加工，驱动系统的性能对零件加工精度以及工件加工效率都有重要的影响。一个多功能的高性能数控系统配置与之相适应的高性能伺服系统，才能使整个数控机床的性能得到充分发挥。总而言之，研究和开发高性能的伺服系统，是现代伺服传动应用的关键。在位置伺服系统领域的永磁无刷同步电机，按电枢绕组所流过的电流波形分为两种工作方式。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，具有与传统直流电机相媲美的优良调速控制性能，而且不需要机械换向器与电刷，电机和变频器及其控制都比较简单，成本也较低。另一种是交流永磁同步电机(PMSM)控制要复杂一些。这两种形式的伺服系统在数控系统中均有应用，但是在高精度、宽调速范围的伺服驱动应用中，交流永磁同步电机所构成的伺服驱动器正在发挥着重要的作用。随着新材料、机电一体化、电力电子、计算机、控制理论等高新技术的发展，永磁同步电机数字控制的交流伺服系统将会开拓更为广泛的应用领域，能够实现高速、高精度、高稳定度、快速响应、高效节能的运动控制。1.2交流永磁同步伺服系统的特点交流永磁同步伺服系统由控制系统、变频器和电机组成，它与其它交流伺服系统的区别主要表现在电机上。由于交流永磁同步电机运行时转矩平稳，故在高精度、宽调速范围伺服驱动中，伺服系统执行元件基本选用这种类型电机。永磁同步电机伺服系统的基本框图如图1.1所示。其系统是一种典型的位置、速度、电流三环调节系统。图1.1永磁同步电动机伺服系统永磁同步电动机与直流电动机相比，具有无机械换向器和电刷、结构简单、体积小、运行可靠、易实现高速运行、调速范围宽、环境适应能力强、易实现正反转切换、定子绕组散热容易，不影响传动精度、快速响应性能好、工作电压只受功率开关器件的耐压限制，可以采用较高的电压，容易实现大容量伺服驱动。永磁同步电机通常可分为正弦波供电永磁同步电机和方波供电无刷直流电机，正弦波供电永磁同步电机又可分为表面式（面装式）永磁同步电机和内永磁同步电机，其转子结构形式见图1.2所示。本文将研究表面式永磁同步电机所构成的伺服系统。(a)表面永磁同步电机(b)内永磁同步电机图1.2永磁同步电机转子的结构针对本文所研究的表面式永磁同步电机（以下简称永磁同步电机），其电枢绕组感应的电动势为正弦波，当给电机送入三相对称正弦交流电流时，电机将产生连续的转矩。在与转子同步旋转的d、q坐标系中，选择d轴和转子励磁磁场方向相同，超前d轴90度（电角度）为q轴，则永磁同步电机的电磁转矩可以写成：（1.1）式中符号见第二章的详细说明。公式表明，永磁同步电机的电磁转矩包括两部分：①是由永磁体励磁磁场与电机定子电流的交轴分量所产生的电磁转矩，这一部分转矩，由于永磁体励磁磁链恒定，该转矩正比于电机定子交轴电流分量。②是磁阻转矩，它与电机凸极系数有关，与电机直轴和交轴电流乘积成正比。由于本文讨论的同步电机为表面式电机，电机的直轴与交轴电感相等，无凸极效应，自然就不存在磁阻转矩，只有和交轴电流成正比的电磁转矩。永磁同步电动机与感应电动机相比较，具有特点：转子没有损耗，具有更高的效率、电机体积较小、由永磁材料产生气隙磁通，电机功率因素较高、在同样输出功率下，所需整流器和逆变器容量较小、电机具有较小的转动惯量，快速响应能力好、性价比高、低速性能好。在感应电动机中，转子电流产生磁通(对应于励磁磁通)的大小是变化的，且不和定子产生的磁场正交，与定子磁场的相位关系和电机的负载有关。因此，感应电动机的矢量控制比较复杂。而永磁同步电动机的励磁磁通是由永磁体产生，其大小不变，矢量控制情况下，励磁磁场和电枢电流有着固定的相位关系，因而控制比较简单。永磁同步电动机与无刷直流电动机（BLDCM）相比较，BLDCM具有控制简单、成本低、检测装置简单等优点。但基于其原理上的固有缺陷，使BLDCM存在转矩脉动较大、铁心附加损耗大的缺点，从而限制了由BLDCM构成的伺服系统在高精度、高性能要求的伺服驱动场合的应用。PMSM具有比BLDCM伺服电动机更为优越的性能，尤其是在低速或直接驱动场合，加之永磁材料技术及控制技术等的飞速发展，PMSM性价比得到了进一步的提高，使得由PMSM作为执行元件构成的交流伺服系统，逐步成为现代电伺服驱动系统的主流（主要是中小容量高性能伺服驱动领域）。永磁同步电动机伺服系统是一种闭环控制系统，见图1.1，将驱动器包含在电机内就可以将永磁同步电机看成是自控同步电机。因此，它彻底克服了步进电动机驱动系统所固有的振荡和失步等缺点，提高了电机的转矩电流比。因而，和步进电动机驱动系统相比，永磁同步电动机伺服系统具有更高的运行速度，更稳定、更光滑的运行性能及更强的位置控制能力。1.3交流永磁同步伺服系统国内外研究与发展概况1.3.1伺服系统发展历史伺服系统的发展与伺服电动机的发展紧密地联系在一起，在60年代以前，伺服驱动是以步进电机驱动的液压伺服马达，或者以功率步进电机直接驱动为特征，伺服系统的位置控制为开环控制。60～70年代是直流伺服电动机诞生和全盛发展的时代，由于直流伺服电动机具有比交流伺服电动机易于控制、调速性能好等优点，相关理论及技术都比较成熟，因此，直流伺服系统在工业及相关领域获得了广泛的应用，伺服系统的位置控制也由开环控制发展成为闭环控制。在数控机床应用领域，永磁式直流电动机占据统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。但是，随着现代工业的快速发展，其相应设备如精密数控机床、工业机器人等对电伺服驱动系统提出越来越高的要求，尤其是精度、可靠性等性能上。而传统直流电动机采用的是机械式换向器，在应用过程中面临以下问题：①维护工作量大、成本高；②使用寿命短、可靠性低；③结构复杂、体积大、转动惯量大、响应速度慢；④对其它设备产生干扰、现场环境适应能力差。由于这些问题的存在，严重限制了直流伺服驱动在高精度、高性能要求伺服驱动场合的应用。因此，人们一直在努力寻找以交流伺服电动机取代具有机械换向器和电刷的直流伺服电动机，用以满足各个应用领域，特别是在高精度、高性能伺服驱动领域的需要。80年代以来，随着电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制技术及计算机技术的快速发展，大大推动了交流伺服驱动技术，使交流伺服系统性能日渐提高，价格进一步降低，交流伺服系统逐步取代直流伺服系统，尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域。1.3.2交流永磁同步伺服系统国内外研究概况随着电机调速技术不断发展，高性能永磁同步电机调速系统的出现，人们对永磁同步伺服系统的研究引起高度重视，研究工作主要是针对由逆变器供电的永磁同步电机性能的研究和对永磁同步伺服系统控制的研究。由于逆变器供电，永磁同步电机自身特性将受到一定的影响，以及稳态特性和暂态特性与恒定频率供电情况下的永磁同步电机相比有着不同的特点。对同步电机的分析，传统上是采用同步旋转坐标d，q上的Park模型，在实际应用中，Park模型可以解决永磁同步电机性能分析和控制中的主要问题，但是考虑到电机的磁路饱和和交叉藕合问题，Park模型的分析存在误差。为了提高永磁同步电机的分析精度，必须考虑磁路饱和及d，q坐标参量之间的交叉藕合问题。采用有限元分析法求解永磁同步电机的参数，并用实验测量电机参数的变化规律以修正电机的数学模型，可以很好的描述永磁同步电机的运行特性。永磁同步电机由永磁体励磁，因而它无励磁损耗，铜耗较小，但其磁路结构复杂，铁耗难以计算。而铁耗直接影响电机的温升，会影响永磁体的磁性能，并改变伺服系统的性能。人们运用等效磁路的方法及考虑饱和非线性情况下用有限元法求解永磁同步电机的铁耗，结果令人满意。随着对永磁同步电机伺服驱动性能要求的不断提高，需要设计出高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电机，需要研究满足现代伺服驱动要求的永磁同步电机设计方法。要获得高性能的交流永磁同步伺服驱动，就需要有性能优良的控制系统。80年代以来，随着各种相关技术的飞速发展，有关永磁同步电机矢量控制系统的研究成果不断涌现，为高性能永磁同步伺服系统的研究与应用奠定了基础。永磁同步电机矢量控制系统的电流控制方法对系统的运行特性有很大影响，必须研究不同电流控制方法时系统所具有的动静态特性。其控制方法有：转矩电流比最大的电流控制方法、直轴电流等于零的控制方法、功率因数等于1的控制方法、气隙磁链恒定的控制方法，这些方法提供了不同的调速性能，可以适合于不同要求的应用场合。一般情况下，永磁同步伺服系统必须具有较宽调速范围，很稳定的转矩输出特性。为了满足实际需要，在额定转速以下电机按恒转矩运行，在额定转速以上，电机按恒功率运行。随着电机转速上升，电机定子绕组中感应电动势不断增加，当电机转速上升到一定程度时，逆变器输出电流将不能跟踪电流给定，电机输出转矩下降，性能变差。为提高高速时电机转矩输出能力，需对电机实施弱磁控制。然而，永磁同步电机的磁场是由永磁体产生的，不能像直流电机和异步电机那样进行控制。为了实现弱磁，在电机电枢绕组中加入直轴电流，利用电机直轴电枢反应抵消永磁体产生的磁场，从而提高永磁同步电机的高速运行性能。随着微型计算机技术，特别是DSP技术的飞速发展，永磁同步伺服系统的数字化正在如火如荼的进行着。华中科技大学的贾正春、许强、邓忠华、李叶松，沈阳工业大学的王成元、郭庆鼎，天津大学的潘月斗、许镇琳等人研究了单片机或DSP构成的全数字交流伺服系统，采用预测控制和空间矢量控制技术，改善电流控制性能和系统响应精度，研究了伺服系统的控制理论，并开发了数字伺服系统。数字控制技术的应用，不仅使系统获得高精度、高可靠性，还为新型控制理论和方法的应用提供了基础[2]。DSP和单片机的应用，大大简化了系统结构，提高了系统性能，并出现了全数字化软件伺服系统，显著提高了永磁同步伺服系统的可靠性、柔性和动态性能。80年代开始，国外一些著名的公司，如：日本的FANUC、安川、富士通、松下，美国的AB公司、科尔摩根公司，德国的西门子公司，法国的BBC公司、韩国三星公司等不断推出交流伺服驱动产品，伺服驱动市场几乎是外国公司一统天下的局面。而后，我国的华中理工大学、北京机床研究所、西安微电机研究所、中科院沈阳自动化研究所、兰州电机厂等单位开始研究并推出交流伺服系统。其中，由广州数控生产的DA98全数字式交流伺服驱动装置，由高原数控烟台公司生产的GY-2000系列数字化交流伺服驱动器在我国的高精度数控伺服驱动行业已经打开局面，打破了外国公司垄断的格局，开创了民族品牌新纪元。1.3.3交流永磁同步伺服系统的最新研究动向伺服驱动系统由主电路和控制电路两部分构成的，目前主电路的拓扑结构没有多大变化，伺服驱动系统的发展重点在控制电路部分。随着新型电力电子器件的出现、DSP技术的发展，现代控制理论的运用，永磁同步伺服系统的研究出现了一些新的方向，主要有以下几个方面。电动机数学模型分析方法的发展永磁同步电动机是一个多输入、强耦合、非线性系统，为了提高控制精度，非线性系统状态反馈线性化理论逐步被引入到电机的控制中来，但由于该方法理论的复杂性，限制了它的推广应用。逆系统方法是分析非线性系统的另一种方法，其思想是对于给定系统，让对象的模型生成可用反馈方法实现的原系统的“α阶积分拟系统”，将控制对象补偿成为具有线性传递关系的且已经解耦的规范化系统（伪线性系统）。再用线性系统的各种设计理论完成系统的综合。该方法具有在理论上形式统一，物理概念清晰直观，容易被人们接受。现代控制理论的引入交流电机矢量控制技术的提出，明显改善了交流电机的调速性能。然而，传统的矢量控制技术依赖于电机的模型和参数，而模型和参数在电机运行过程中是变化的，这就使得电机的矢量控制无法达到理论上的性能指标，满足不了现代伺服驱动系统的应用要求。现代控制理论的各种技术能够使系统在模型或者参数变化时保持良好的控制性能。自适应控制技术是指在一定的数学模型、确定的算法下，可以在系统运行情况变更时辩识系统有关参数，修改系统运行程序，以期改善系统在控制对象和运行条件发生变化时的控制性能。仿真和实验结果表明，自适应控制技术能够在系统参数发生变化的情况下保持良好的控制性能。但是，该控制算法的计算量较大，需要高速数据处理器。滑模变结构控制是调整反馈控制系统的结构，使它的状态向量通过开关超平面时发生变化，系统的状态向量被约束在开关面的领域内滑动。系统的动态品质由开关面的参数决定，与系统的参数、扰动无关，具有很好的鲁棒控制性，在永磁同步电机调速系统有成功的应用。但是它本质上是一种开关控制，在系统中不可避免会带来抖动，因而影响了它的应用。电机在运行过程中其参数是变化的，通过自适应观测器、卡尔曼滤波、龙贝格观测器等辩识技术对系统进行控制，也能提高电机系统控制的性能与可靠性。1.4本论文的主要工作随着高性能微处理器的诞生，伺服系统正在向小型化、数字化、智能化、高性能方向发展，并随着人们对高性能伺服驱动器的需求日益增多，永磁同步伺服系统也因其自身的优点而得到越来越广泛的应用。本文借助于经典控制理论和现代控制理论相结合的方法，围绕永磁同步电机构成的伺服系统展开了研究，全文如下：第一部分阐述本文选题的背景、目的、意义，对伺服系统的历史、现状与发展做综述。第二部分给出永磁同步电机的数学模型，揭示电机矢量控制的实质与关键，建立电机的转矩控制模型。分析永磁同步电机的控制方法，对其各种转矩电流控制方法做分析对比，确定面装式永磁同步电机伺服系统转矩控制方法。分析比较在电机控制领域中广泛使用的矢量控制和直接转矩控制方法，确定永磁同步伺服系统的控制策略。仔细研究永磁同步伺服系统电流环、速度环、位置环的响应性能。提出使用负载观测器提高永磁同步伺服系统抗扰动性能。深入研究微分控制在伺服系统中的应用，提出在伺服系统的电流环和速度环使用微分反馈改善系统响应性能的方法。详细分析基于矢量控制下永磁同步伺服系统的启制动过程，分析影响伺服系统启动、制动过程的主要因素，探讨提高系统动态响应性能的各种措施。第三部分提出基于矢量控制下永磁同步电机参数的检测方法，讨论电机主要参数的系统自检测与位置调节器参数的自调整方法。介绍本文研制的一套永磁同步伺服系统，以及系统的测试平台,给出系统的实验性能测试及各环节响应的实验波形。最后是全文展望。30982.1永磁同步交流电机的结构和工作原理204402.1.1永磁同步交流电机结构与普通同步电机相比，永磁同步电机定子结构没有太大差别,都是由三相电枢绕组和铁心构成,并且三相电枢绕组通常按星形结构连接。永磁同步电机的转子采用永磁体,省去了励磁绕组、滑环和电刷,电机结构显得比较简单。永磁同步电机要安装转子位置检测器,用来检测转子磁极位置,对电枢电流进行控制,从而控制永磁同步电机。由于永磁同步电机具有动态响应快、运行平稳、过载能力强等优点,所以非常适合在负载转矩变化较大的情况下使用;而且它的功率因数高,在轻载运行时节能效果明显,长期使用时可以大幅度节省电能;另外,还有电机体积小、重量轻、结构多样化,应用范围比较广等特点。正是由于永磁同步电机这些特点,非常适合在交流伺服系统中的应用,现在已经得到人们越来越多的关注。按永磁体在转子上位置的不同,永磁同步电机的转子可以分为表面式、内嵌式和内埋式三种,如图2.1所示。前面两种转子结构的永磁体通常呈瓦片形,并位于转子铁心的表面上,提供径向的磁通,转子直径比较小,从而降低了转动惯量;内埋式转子结构的永磁体常为条状,在转子内部,机械强度较高,提供磁通的方向与转子的具体结构有关,因为这种转子磁路结构具有不对称性,产生的磁阻转矩有利于提高电机的过载能力和功率密度,易于弱磁控制[3]。（a）表面式（b）内嵌式（c）内埋式图2.1永磁同步电机转子结构2.1.2三相交流电机工作原理同步发电机的作用是把机械能转变成电能，它由原动机拖动旋转。当转子直流励磁绕组送入到直流励磁电流后，转子磁极显出固定极性，转子转起来后，磁场切割定子绕组，或者说定子绕组做切割磁力线运动，三相对称绕组中将感生出三相对称电动势，成为三相交流电源。如果该发电机单独给负载供电，对频率的要求并不十分严格，则对原动机的转速要求也不很严格。但现在的发电机很少单独供电，绝大多数都是向共同的大电网供电，这就对同步发电机的频率要求很严，我国电网频率为50Hz,所以发电机发出的电动势频率也必须为50Hz,如果发电机的频率与电网频率不会造成严重事故，这是绝对不允许的。由于f=pn1/60可知为保证频率为50Hz，电机的极对数p与转速n1的乘积必须等于常数3000，因此对应极对数p为1、2、3、的同步电机，转速n1必须分别为3000、1500、1000、r/min等同步转速。同步电动机的工作原理也很容易理解，电动机的作用是把电能转换为机械能，带动生产机械完成生产任务，同步电动机工作时定子三相绕组接入三相电网，电能有电网送入电动机，这时定子三相对称绕组中流过三相对称电流，有磁场理论可知，它将产生圆形旋转磁场[4]。如果已经送入直流励磁电流、转子磁极已经显示固定极性，则旋转磁场的磁极对转子异性磁极的磁拉力牵引转子与旋转磁场同步旋转，如图所示，这就是同步电动机的简单工作原理。同步电动机转子转速与旋转磁场的转速必须相等，不能有转速差，定、转子磁极的相对位置就不断变化，在一段短时间内定、转子磁极为N、S极异性相吸，转子受磁拉力，过180度后N、N极相排斥，转子受推力，这样交替进行，转子所受平均力矩为零，电动机不能运转。因此，同步电动机正常工作时转子转速必须与旋转磁场转速相等，这样定、转子磁场才能有稳定的磁拉力，形成固定的电磁转矩，拖动负载同步旋转。2.2永磁同步电机(PMSM)的数学模型永磁同步电机定子上有A、B、C三相绕组对称，转子上有永久磁钢。定子和转子间通过气隙磁场耦合，因为电机定子与转子间相对运动，电磁关系十分复杂。为简化分析，做如下假设：(1)忽略磁路饱和、磁滞和涡流影响，磁路线性，可以用叠加原理进行分析；(2)电机定子绕组三相对称，各绕组轴线在空间上互差120度电角度；(3)转子上没有阻尼绕组，永磁体没有阻尼作用；(4)电机电势正弦，定子电流在气隙中只产生正弦分布磁势，忽略磁场高次谐波。按照以上条件分析实际电机，所得结果和实际情况十分接近，可以使用上述假设对电机进行分析与控制。在同步电机运行过程中，电机微分方程有多种表达形式。在A-B-C坐标系中，同步电机转子在磁、电结构上不对称，电机方程是一组与转子瞬间位置有关的非线性时变方程，同步电机的动态特性分析十分困难。在α、β、0坐标系中，尽管经过线性变换使电机方程得到一定简化，但电机磁链、电压方程仍然是一组非线性方程，故在分析与控制时，一般也不用该坐标系下电机数学模型[5]。d、q、0坐标系下矢量控制技术很好地解决了这个问题，它利用坐标变换，将电机的变系数微分方程变换成常系数方程，消除时变系数，从而简化运算和分析。d,q,0坐标系是随定子磁场同步旋转的坐标系，其d轴的方向是永磁同步电机转子励磁磁链方向，q轴超前d轴90度，如图2.1所示。在d,q,0坐标系中，永磁同步电机等效模型见图2.2所示。图2.2d-q坐标系图图2.3d,q,0同步旋转坐标系中的电机模型图中β为电机定子三相电流合成空间矢量和永磁体励磁磁场轴线（直轴）之间的夹角，又称转矩角。θ为d轴轴线与A相绕组轴线之间的夹角。为转子永磁体磁极的励磁磁链。由A,B,C坐标系到d,q,0同步旋转坐标系之间的变换(等功率变换)为：（2.1）永磁同步电机在d,q,0同步旋转坐标系的磁链、电压方程为：（2.2）（2.3）电磁转矩矢量方程为：（2.4）用d，q轴系分量来表示式（2.4）中磁链和电流综合矢量时有：（2.5）将式（2.5）代入（2.4）式，电机电磁转矩方程变为：（2.6）将磁链方程（2.2）代入式（2.6），可得永磁同步电机电磁转矩：（2.7）由图2.2可知，，将其代入（2.7）得：（2.8）式（2.1）~（2.8）中，，，为A、B、C三相绕组电流，，为电机直轴、交轴同步电感，为定子电阻，为定子绕组极对数，、为电机磁链、定子电流综合矢量，、为在d,q,0同步旋转坐标系中直轴与交轴电流。（2.8）式第一项是定子电流与永磁体励磁磁场之间产生的电磁转矩。第二项是由于转子凸极效应所产生的转矩，称磁阻转矩。对内置式永磁同步电机，，在矢量控制过程中，可以利用磁阻转矩增加电机输出力矩或者拓展电机的调速范围。力矩平衡方程式为：(2.9)式（2.9）中，、、、分别是电机机械角速度、负载阻力矩、电机轴联转动惯量、阻尼系数。公式（2.2）（2.3）（2.7）（2.9）便是永磁同步电机在d,q,0同步旋转坐标系下的数学模型。由此模型可得永磁同步电机矢量图，见图2.4。图中为电机功角。图2.4永磁同步电机的矢量图对于面装式（表面贴装）永磁同步电机，有，其数学模型成为：（2.10）（2.11）（2.12）（2.13）2.3本章小结为了研究永磁同步电机伺服系统采用矢量控制和直接转矩控制策略,本章首先给出了在不同参考坐标系下永磁同步电机的电压、转矩方程,即永磁同步电机的数学模型，为了实现电机控制方案的数字化,本章介绍了永磁同步电机数学模型的标么值形式。3.1永磁同步伺服系统控制策略选择同步电机的调速控制策略主要有两种，分别为矢量控制及直接转矩控制。为构成高性能伺服传动系统，首先要选择合适的控制策略。伺服传动系统中，实际系统对伺服传动装置提出的要求较高，如要求伺服系统定位及跟随误差小；响应速度快（几十ms级）；系统响应无超调；负载突变时，伺服系统恢复时间短，且无振荡；伺服系统电机调速范围宽（104﹕1以上）；低速时可输出额定转矩甚至超过额定转矩，动态过程中能承受额定转矩几倍冲击负荷及加减速力矩（一般为三倍）等，这些要求在使用永磁同步电机配以适当的控制方法便可实现。下面，先简要介绍矢量控制技术和直接转矩控制技术，并对其控制特性做比较研究，结合伺服系统具体要求及永磁同步电机自身特点，确定永磁同步伺服系统的控制方案。3.1.1两种控制方案的简要原理及控制思想矢量控制技术对永磁同步电机，电磁转矩如式（2.8），对面装式永磁同步电机，，有：（3.1）即永磁同步电机和直流电机具有相同的电磁转矩方程。由于为永磁体产生，故恒定。对永磁同步电机而言，可以用类似直流电机的控制方法控制永磁同步电机转矩，获得和直流电机相当的性能。然而，直流电机的励磁磁场与电枢磁场正交，其控制比较简单，可分别进行控制。在永磁同步电机中，电机通入三相交流电流，三相绕组间强藕合，同时又与转子磁场藕合，流入电机的电流并不全部是用于产生电磁力矩[6]。因而，永磁同步电机的控制显然比直流电机的控制复杂。若选择定子三相电流所形成的正弦波磁动势与永磁体基波励磁磁场之间正交，并独立控制定子电流幅值，此时的控制方式即为磁场定向的矢量控制，转子参考坐标中d、q轴解藕，实现了对直流电动机的严格模拟。因，每安培定子电流产生的转矩最大，输出转矩和电机电枢电流成正比，可以获得最高的转矩电流比，电动机的铜耗最小。此时，电机电枢电流只有交轴分量，即。在实际控制过程中，设法使，，即可实现对两个电流分量单独控制，从而实现矢量控制。设定的交、直轴电流经过式（3.2）变换成三相电流给定，通过快速电流控制环，使电机实际电流等于给定电流，自然保证，。因此，电机矢量控制是通过控制d，q轴电流，经过矢量变换或坐标变换而实现。对和各自独立地控制，可以对转矩和气隙磁通独立控制，而转矩和交轴电流具有线性关系，作为控制对象，从外面看进去，此时的PMSM已经等效为他励直流电动机。（3.2）直接转矩控制技术永磁同步电机磁链、电流和电压矢量关系如图3.1所示，d，q坐标与图2.2同，x，y坐标为固定在定子上的旋转坐标，定子磁链方向为x轴正方向，x轴与d轴夹角δ为转矩角，电机电磁转矩表达式为：（3.3)对隐极式（面装式永磁同步电机为隐极式）同步电机，，则（3.4）对式（3.3）、（3.4）求导数，得电机电磁转矩t=0时的增长率，隐极电机时为：(3.5)凸极电机时为：(3.6)式中，、分别为电机定子和转子磁链，ρ为凸极系数。图3.1同步电机定转子参考坐标由此可知，当保持定子磁链为恒值，电机转矩随转矩角而变化。因电机电磁常数小，电机定子磁链旋转速度较转子旋转速度容易改变，从而，转矩角的改变可以通过改变定子磁链旋转速度和方向来实现。因此，永磁同步电机直接转矩控制基本思想是保持磁链幅值不变，控制定、转子磁链间的夹角控制电机的电磁转矩。直接转矩控制技术是借助于控制逆变器输出的8组电压空间向量实现（其中有两组为零矢量）。适当选择加至电机的空间电压矢量，可使磁链运动轨迹近似为圆。为保持电机定子磁链幅值恒定，可计算出给定磁链与实际磁链的偏差及磁链具体方向，适时选取合适的电压空间矢量，以达到保持定子磁链恒定。实际控制时，可以根据磁链所在区域和磁链的旋转方向确定保持磁链恒定的开关表，控制系统根据电机当时磁链及转矩实际情况选用适当的开关信号，由此决定主电路开关器件的开关状态[7]。保持磁链恒定，控制定、转子磁链间的转矩角即可控制电机转矩及转矩变化率。电压矢量选取原则是该矢量应使电机磁链在本周期内转矩角产生最大变化，则转矩变化率也最大。根据电磁转矩及磁链偏差可确定对应电压矢量逆变器开关表，见表3.1。表3.1逆变器开关表(110)(010)(011)(001)(101)(100)(111)(000)(111)(000)(111)(000)(101)(100)(110)(010)(011)(001)(010)(011)(001)(101)(100)(110)(000)(111)(000)(111)(000)(111)(100)(110)(010)(011)(001)(101)采用直接转矩控制技术的系统原理见图3.2。传感器来的电机电压、电流信号经A/D转换送入计算机控制系统。计算机完成电机磁链估计、判别磁链扇区，同时测量电机旋转速度。电机实际转速与给定转速比较，经PI调节器给出电机转矩信号；转矩给定与实时计算的转矩比较，产生转矩控制状态；定子磁链给定与实际值比较产生磁链控制状态量，由、、（磁链所处空间角）决定所选电压矢量，作为逆变器开关器件驱动信号，实现直接转矩控制。3.1.2两种控制方案的比较目前，直接转矩控制和矢量控制均有成功的应用实例，它们的应用研究仍在如火如荼地进行着，但不论何种控制方法，研究中或多或少都会发现其不足。随着研究的深入，技术水平的提高，硬件条件的具备，许多问题都将会解决。因此，本文将从两种控制方案的原理出发，根据永磁同步伺服系统具体要求，对其应用情况做比较研究。图3.2直接转矩控制系统原理图从理论上讲，矢量控制是建立在被控对象准确的数学模型上，通过控制电机电枢电流实现电磁力矩控制。电流环的存在，使电机电枢电流动态跟随系统给定，满足实际对象对电机电磁力矩要求。电机实际电流受到电机转子位置的实时控制，保证电机电流形成的电枢磁场与转子d轴垂直，实际交轴电流和系统控制所需交轴给定电流相等，系统保证实际负载对象的力矩要求，电机所产生的电磁力矩平稳，电机可以运行的转速较低，调速范围较宽。电机启动、制动时，所有电流均用来产生电磁力矩，可以充分利用电机过载能力，提高电机启、制动速度，保证电机具有优良的启、制动性能。此外，转子磁场定向矢量控制下，不需要逆变器为电机提供无功励磁电流，单位电流产生最大电磁力矩[8]。直接转矩控制则不然，它只保证实际力矩与给定力矩的吻合程度，并根据力矩误差、磁链误差及磁链所在扇区，选择主电路器件开关状态，使电机磁链按照所定轨迹运行。电磁转矩及磁链滞环控制时，电机转矩不可避免地存在脉动，直接影响电机低速运行平稳性和调速范围。另外，通过电机反电势积分求得定子磁链，这种磁链电压模型在低速时准确性很差，受逆变器死区时间、电机电阻及电压检测误差的影响，影响电机低速运行性能，影响电机转速运行范围。且电机静止需要启动时，因电机定子初始磁链位置未知，系统无法发出正确的控制信号，电机启动困难。通常是将电机转子拉到固定位置再进行启动。矢量控制技术经历三十多年研究完善历程，在调速系统中应用所获得的性能优异，不论在低速还是在高速，其抗扰特性、启制动特性、稳速特性均达到或者超过直流调速系统。在高精度传动系统中，调速范围达以上，使用矢量控制技术的通用伺服传动系统调速范围达~。而目前，直接转矩控制用于控制永磁同步电机时，由于控制周期较长，电机定子电感又小，启动及负载变动过程中，电流冲击大，磁链及转矩脉动较大。如果在永磁同步电机上实施直接转矩控制，必须要有足够短的控制周期，才可改善系统的动静态性能。此外，低速情况下的磁链观测和转矩观测很难准确实现，转矩及磁链难以实现高性能控制，电机的速度调节范围不宽。磁场定向矢量控制下，电机定子磁场与转子磁场垂直，电机只有交轴电枢反应。而直接转矩控制时，定子磁场和转子磁场间角度与负载有关，如式（3.4），存在与转子垂直和平行的磁场分量，电机既有交轴又有直轴电枢反应，如图3.3所示，图中，。由图可见，直接转矩控制时只在空载（及附近）时，电机定子电流只有交轴分量，直轴分量近似为零。随着负载增加，交轴电流逐步增加，直轴电流也逐步增加。其直轴电流将在电机中产生额外电损耗，使电机温升加大，与矢量控制相比，等量定子电流所产生的电磁力矩较小。在同等电流情况下，直接转矩控制的电流利用率比矢量控制时低。其性能对比见表3.2。图3.3定子磁链幅值保持等于转子在定子侧耦合磁链时负载变动的工作情况矢量控制时，电磁转矩和交轴电流成正比，系统只需控制，就可以控制电磁力矩，即矢量控制时力矩控制特性为线性的。转矩（电流）调节器设计可以按照线性系统调节器设计方法实现，不需要在调节器设计上采取补偿措施。再看直接转矩控制公式（3.3）～（3.5），电机电磁力矩和转矩角δ成非线性关系。电机电磁力矩相对δ角的增益随负载力矩而变化，力矩控制是非线性的。为了能在整个负载范围内保持良好的控制特性，必须使转矩调节器也为非线性，由此补偿转矩特性的非线性。因此，这两种控制方案最显著的区别是输出转矩控制的线性特性。表3.2永磁同步电机使用两种控制方案构成的系统性能对比对比项目控制方案矢量控制直接转矩控制电流脉动动态调节电流冲击电流特性调速范围低速性能启动性能电流利用率小小与转矩成正比高于10000:1好好、软启动高大较大与转矩的关系非线性几百比一较差不好、需要采取辅助措施低3.1.3永磁同步伺服系统控制方案确定由前面原理介绍及两种控制方案的比较可知，使用矢量控制，电流环很好地处理电机电枢电流响应问题，在实际系统运行范围内，只要系统给定在该转速下所需电流波形，电机电流均能很好地响应，所得电流交轴分量就是电机旋转所需的转矩分量，电机响应性能优异。而且，磁场定向控制时电机电枢磁场和转子励磁磁场间成恒定不变（交直轴间解耦），不像直接转矩控制时其转矩角随负载变化，矢量控制具有转矩控制的线性特性，电流利用率高，调节器的设计容易实现。使用直接转矩控制时，电机低速时电流和转矩脉动明显，带积分的磁链电压积分模型准确性较差，制约了速度控制系统的调速范围[9]。其转矩脉动的改善、调速范围的拓宽将依赖于控制硬件技术的发展及磁链观测模型性能的提高。矢量控制时，因输出转矩平稳，电机可达的速度范围宽，在接近零转速时（甚至静止时）可带额定负载运行，具有比较好的启制动性能，这些性能都是伺服系统所需要的。因此，本课题所研究的永磁同步伺服传动系统选取矢量控制方案。3.2本章小结本章详尽分析永磁同步电机伺服系统各个环节，借助于调节器的工程设计方法，完成了整个系统各环节的设计，给出其设计结果；讨论了电流环各组成部分硬件设计、选择，确定了系统电流环电流控制方法；提出为保证伺服系统正常运行系统各部分的布局安排；提出并实现了永磁同步伺服系统同步电机的初始定位，该定位方法具有不潜动、不抖动、启动运行平滑的特点；讨论并选择了该系统电流、速度检测方法。对伺服系统三环的稳定性分析表明，课题所设计的伺服系统稳定，文中讨论了对象参数、负载、转动惯量等参量的变化对系统稳定性能影响的趋势，从而全面地了解永磁同步伺服系统，为进一步研究并提高伺服系统的性能奠定基础。4.1主控芯片TMS320F2812简介TMS320F2812数字信号处理器是TI公司最新推出的32位定点DSP控制器，是目前最先进的控制器之一，其频率高达150MHz，大大提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力。TMS320F2812芯片基于C/C++高效32位TMS320C28x内核，并提供浮点数学函数库，从而可以在定点处理器上方便的实现浮点运算，是电机等数字化控制产品升级的最佳选择。TMS320F2812DSP集成了128KB的闪存，可用于开发及对现场软件进行升级时的简单再编程。优化过的事件管理器包括脉冲宽度调制(PWM)产生器，可编程通用计时器，以及捕捉译码器接口等。该器件还包括12位模数转换器(ADC)，吞吐量可达16.7MB的采样，其双采样装置可实现控制环路的同步采样。片上标准通信端口可为主机、测试设备、显示器以及其他组件提供简便的通信端口。TMS320F28x功能框图如图3.2归纳起来，TMS320F28x系列DSP有以下特点：TMS320F281x系列DSP采用高性能的静态CMOS技术；支持JTAG边界扫描接口；高性能32位CPU：16×16位和32×32位的乘法累加操作；16×16位的双乘法累加器；哈佛总线结构；快速中断响应和处理能力；统一寻址模式；4MB的程序/数据寻址空间；高效的代码转换功能；与TMS320F24x/F240x系列数字信号处理器代码兼容。片上存储器；引导(BOOT)ROM：带有软件启动模式；数学运算表。外部存储器扩展接口(F2812)：最多1MB的寻址空间；可编程等待周期；可编程读/写选择时序；、3个独立的片选信号。时钟和系统控制：支持动态改变锁相环的倍频系数；片上振荡器；看门狗定时模块。三个外部中断；外设中断扩展模块，支持45个外设中断；三个32位CPU定时器；128位保护密码：保护Flash/OTP/ROM和L0/L1SARAM中的代码；防止系统固件被盗取。电机控制外设，两个与F240xA兼容的事件管理模块，每一个管理器模块包括：两个16位通用目的定时器；8通道16位PWM；不对称、对称或四个空间矢量PWM波形发生器；死区产生和配置单元；外部可屏蔽功率或驱动保护中断；三个完全比较单元；三个捕捉单元，捕捉外部事件；正交脉冲编码电路；同步模数转换单元。串口通信外设：串行外设接口(SPI)；两个UART接口模块(SCI)；增强的eCAN2.0B接口模块；多通道缓冲串口(McBSP)；图4.1TMS320F2812内部结构框图F2812芯片中的事件管理器模块提供了强大的控制功能，特别适合运动控制和电机控制等领域。F2812芯片有2个事件管理器模块，每个事件管理器包括通用定时器（GP）、比较器、PWM单元。捕获单元以及正交编码脉冲电路（QEP）。接下来分别介绍这几个单元。（1)通用定时器每个事件管理器有两个通用定时器。GP1和GP2为事件管理器A的定时器，GP3和GP4为事件管理B的定时器。每个定时器可以独立使用也可以多个定时器彼此同步使用。它的主要功能为：◆通用定时器的比较寄存器用作比较功能时可以产生PWM波形；◆当定时器工作在增或减模式时，有3种连续工作方式，每个定时器都可使用可编程预定表的内部或外部输入时钟；◆为事件管理器的每个子模块提供基准时钟；◆全局控制寄存器GPTCONA/B确定通用定时器实现具体定时器任务时需要采取的操作方式，并确定计数方向；◆定时器的时钟源可选为内部时钟或外部时钟。◆可对内部或外部的时钟输入预倍频或分频；◆4个可屏蔽中断（下溢、上溢、定时器比较、周期性中断）使用的控制和中断逻辑；◆可选择方向的输入引脚TDRIx（x=1、2、3、4），当使用增/减双向计数模式时，用来选择增或减计数方式。每个通用定时器包含的子模块（x=1、2、3、4）：◆一个可读/写的16位递增/递减定时器计数器TxCNT，该寄存器保存当前计数器的计数值，并根据计数器的计数方向继续递增或递减计数。◆一个可读/写的16位定时器比较寄存器TxCMPR（双缓冲）；◆一个可读/写的16位定时器周期寄存器TxPR（双缓冲）；◆一个可读/写的16位控制寄存器TxCON；（2）PWM电路每一个事件管理器可以同时产生8路脉宽调制（PWM）信号，包括3对由完全比较单元产生的死区可编程PWM信号以及由通用定时器比较器产生的2路独立的PWM信号。其特点有：◆可编程死区；◆可以根据需要直接改变PWM输出频率；◆在每个PWM周期内或结束后都可以改变PWM脉宽；◆外部可屏蔽的功率和驱动保护中断；◆引脚可以直接屏蔽PWM输出。（3）捕获单元事件管理器共6个捕获单元，每个事件管理器3个，每个捕获单元都有相应的捕获输入引脚。每个事件管理器模块都有一个正交编码脉冲（QEP）电路，如果QEP电路被使能，可以对相应引脚上的正交脉冲进行解码和计数。QEP电路可用于连接一个光电编码器获得电机的位置和速率等信息。4.2伺服系统电流环的设计第二章的研究可知，永磁同步电机输出电流的控制就是对电机输出力矩的控制，电机转矩响应性能取决于系统对电机电流的控制能力。因此，构成一个动态性能好、稳定且控制精度高的电流环，是构成具有高性能转矩控制永磁同步伺服系统的关键。4.2.1电流控制器方案的确定在所构成的电机控制系统中，逆变器一般为电压型或电流型，通过脉冲宽度调制（PWM），对电机电流大小和相位实现控制。其中，电压型PWM逆变器因具有良好的动态性能，在交流电机控制系统中得到广泛应用。目前，高性能交流伺服系统广泛使用的电流控制方法有：滞环电流控制、斜波比较电流控制、预测电流控制。滞环电流控制是将电机定子电流控制在给定电流所确定的滞环范围内。若实际电流在给定电流规定的滞环范围内，逆变器开关管的工作状态不变，否则，改变相应器件开关状态[10]。滞环电流控制器具有控制方式简单、精度高、响应速度快、和被控对象参数无关等优点。但系统调节时，逆变器开关频率变化范围太宽，有时，其工作频率很高，逆变器将会出现异常，系统可靠性下降，电流波形畸变较大。斜波比较电流控制是将给定电流和实际电流的误差（经调节器放大）与载波比较，由此产生逆变器开关状态信号。该控制方法具有开关频率恒定，谐波分量固定，电流脉动及噪声小，控制简单等优点。但电流控制的跟踪特性和被控电路参数有关，载波频率的选择影响电流控制响应速度。高速时，给定电流和实际电流间存在相移较大，若电流误差变化率大于载波变化率时，电流控制将不能使电流准确跟踪。预测电流控制是通过电机数学模型，求出在给定电流下应施加的电枢电压，由此产生逆变器相应的开关状态。该方法具有开关频率低、动态性能好等特点。但该控制法需要准确的电机参数，对参数变化鲁棒性较差，为实现有效控制其运算量较大。滞环电流控制器控制简单、响应速度快，精度高且与对象参数无关，在高性能电机控制系统中有广泛应用。针对其开关频率不定，且变化太宽的缺点，有多种限制逆变器开关频率的方法，包括自适应滞环电流控制、固定频率滞环电流控制等，但是，这些方法使原本简单的电流控制变得复杂，从而限制其应用。增量调制电流控制是文提出的一种与滞环电流控制相似的方法，它具有动态性能好、控制简单、逆变器最大开关频率固定等优点。它将给定电流和实际电流比较，在每个采样时刻对比较结果采样，当电机电流小于给定时，控制逆变器使电机定子电流增加；当电机定子电流大于给定时，控制逆变器使电机定子电流减小，从而使电机定子电流跟踪给定[11]。从电路构成看，该电流控制器电路结构比较复杂。斜波比较电流控制和滞环电流控制相比，前者的优点在于电路开关频率由载波决定，器件开关频率不变。后者优点从控制上讲，系统传递延时等于零。斜波比较控制平均延时等于一个载波周期，当平均延时小于电机机电时间常数的1/10时，这一影响可以忽略。另外，电流滞环比较控制得到的电流谐波大，尽管能够得到比较好的解耦控制和电流跟踪效果，但转矩脉动较大，不容易获得高精度的力矩控制。故本系统仍采用斜波比较电流控制法。4.2.2电流控制器的设计本伺服系统采用斜波比较电流控制器，系统构成时，电流控制器需要具有以下功能：1）实时比较电流给定与电机实际电流，输出PWM逆变器的控制信号；2）产生系统跟随给定电流所需要的PWM调制信号；3）实现逆变器上下桥臂开关管之间的互锁延时；4）实现逆变器的故障保护，即在出现故障时，可以关断逆变器所有的功率开关。为保证电流控制器动态响应速度，所研究永磁同步伺服系统电流控制采用硬件电路实现。在仔细研究硬件电路及DSP数字控制技术的基础上，构成了数字电流控制器，系统设计说明见后。采用硬件电流控制器具有不占用计算机的运算时间，动态响应速度快，工作可靠，保护电路实现简单、稳定的优点。系统电流控制器见图4.2。图4.2整流电路4.2.3滤波电路的设计因为在整流电路中，输出电压是脉动的，另外在逆变部分产生的脉动电流和负载变化也使得直流电压产生脉动，为了将其中的交流成分尽可能的滤除掉，使之变成平滑的直流电，必须在其后加上一个低通滤波电路。这里采用常用的电容滤波电路，在整流输出端并入大电容，整流输出直流电压含有很多偶次谐波，频率越高，电容容抗越小，分流作用越大，谐波被滤除的就越多，输出电压的平均值就越大。滤波电容除了滤除整流后的电压纹波外，还在整流电路与逆变器之间起去祸作用图4.2整流电路以消除相互干扰，这就给作为感性负载的电动机提供必要的无功功率[12]。因而，中间直流电路电容器的电容量必须较大，起到储能作用，所以中间直流电路的电容器又称储能电容器。此外滤波电容不仅能够滤除整流输出的电压纹波，还在整流电路与逆变电路之间起去耦作用。如图4.3示；图4.3滤波电路4.2.4限流电路设计在接入电源之前，滤波电容上的直流电压为0，当变频器刚通电瞬间，滤波电容器的充电电流是很大的。为了防止上电时滤波电容,由于突然施加电压引起的充电冲击大电流，在直流母线上加入了限流起动电路。起初K开路，滤波电容经上电限流电阻R27、R28充电，上电限流电阻R27、R28是以过渡金属氧化物为主要原料制造的报到提陶瓷元件，属于负温度热敏电阻器，能有效地限制充电电流值，待直流母线电压上升到一定值后，电压继电器常开触头闭合将R27、R28短接，滤波电容再充电至正常直流电压值，供给由IGBT功率器件组成的三相逆变器。如图4.4所示图4.4上电限流电路4.2.5制动电阻电路设计当变频器拖动负载电动机制动运行时，由于惯性，电动机速度将大于其同步转速，电机处于发电状态，传动系统中所储存的机械能经异步电机转换成电能，这部分电能除部分消耗在电动机内部铜损和铁损外，其余大部分将通过变频器逆变桥的6个回馈二极管回馈到直流母线侧，是直流母线电压升高[13]。当负载惯性大或变速过于频繁，由于回馈能量大，如不采取措施，很容易引起电容器电压升的过高，导致装置中的“制动过电压保护”动作，影响设备的生产和运行。需要使用制动单元，有制动单元监测直流回路电压，并控制制动电阻的通断，形成一个斩波电路，由此消耗电机回馈的电能。当电机制动时，通过逆变器桥臂二极管，把系统机械运动部分的动能以电能的形式，给直流母线的电容充电，由于电容量有限，将引起直流母线电压不断升高，首先使三相整流桥进入截止状态，母线电压不断升高，所以通过电阻R将机械能以电能的形式消耗掉，使直流母线电压下降。图4.5制动电阻状态反馈电路。图4.5制动电阻电路4.2.6逆变电路设计本论文中的控制系统采用的逆变电路采用典型的三相电压源型逆变电路，逆变电路的主开关器件为智能功率模块(IntelligntPowerModule)。IPM集GTR的低饱和电压特性和MOSFET的高频开关特性于一体，是目前变频系统和通用变频器中最广泛使用的主流功率器件。IGBT作为第二代的电力电子器件，它的应用使变频器的性能有了很大提高，主要表现为：发热减少，将曾经占主回路发热50-70%的器件发热降低了30%；高载波控制，使得输出电流波形有明显改善；提高开关频率，实现了电机运行的静音化；驱动功率减小，体积趋于更小。智能功率模块IPM是向第四代器件功率集成电路PIC的过渡产品，是微电子技术和电力电子技术相结合的产物。它不但提供一定的功率输出能力，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。IPM具有以下特点：◆开关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单；◆采用了隔离技术，散热更加均匀，体积更加紧凑；◆集成度高，它在片内集成了驱动电路、保护电路、甚至光耦，大大缩短开发时间；◆内含电流传感器，可以高效迅速地检测出过电流和短路电流，能对功率芯片给予足够的保护，故障率大大降低；◆保护功能丰富，如电流保护、电压保护、温度保护等一应俱全，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，既减小了体积、减轻了重量，又提高了可靠性；◆由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化，所以浪涌电压，门极振荡，噪声引起的干扰等问题能有效得到控制；◆很高的性价比，IPM的售价已经逐渐接近IGBT，而采用IPM后的开关电源容量、驱动功率容量的减小和器件的节省以及综合性能的提高等因素使得IPM构成的变频器性价比已经高于IGBT构成的变频器，有很好的经济性；IPM逆变部分的设计可分为驱动电源、控制信号输入、故障信号输出和保护电路。驱动电源是整个系统的心脏，PM25RLA120采用4组隔离度较大的隔离电源，上桥臂每相各用一组，下桥臂四相共用一组。驱动电源电压在13.5-16.5V之间，IPM才能正常工作，典型的工作值一般取15V。JS158是专为设计逆变装置而又实用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，如图4.6所示图4.6IPM驱动DSP生成的PWM信号需要通过光耦合器隔离后才能输入，根据整个系统的性能、指标、功率和工作频率的设计合适的驱动电路。IPM逆变电路的隔离驱动模块如图4.7所示。IPM隔离驱动电路驱动电路的作用是将控制电路输脉冲放大到足以驱动功率晶体管，所以单从原理上来讲，驱动电路主要起开关功率放大作用，即脉冲放大器。但其重要性在于功率晶体管的开关特性，设计优良的驱动电路能改善晶体管的开关特性，从而减小开关损耗，提高整个系统的效率及功率器件工作的可靠性。因此，驱动电路的优劣直接影响变换器的性能[14]。IPM具有精良的内置保护电路以避免因系统失控或过载而使功率器件损坏，阻容吸收电路如图3.10所示。其功能包括控制电源欠压保护、过电流保护、短路保护和过热保护，如果IPM模块其中有一种保护电路动作，IGBT栅极驱动单元就会关断电源，同时输出一个故障信号（FO），与其他故障信号相与后送入到DSP的中端口PDPINT引脚，DSP收到信号后立即做相应的中断处理，停止并封锁送到IPM的PWM输入信号，在排除故障后再启动运行。4.3检测电路设计4.3.1电流检测电路设计电流检测电路的目的是为了在闭环控制系统中实时得到反馈的交流电动机的定子电流信号，通过把电流传感器检测到的电流信号转换成DSP可识别的数字信号。即将霍尔电流传感器检测到的电流信号进行放大、偏置输出到DSP的A/D接口。电流检测模块就是将交流异步电机的三相定子电流转换成相应的二进制代码，以方便DSP进行处理。因为本课题研究的是三相平衡系统uA+uB+uC=0，故只需要检测其中两路电流印可[15]。根据异步电机的数学模型可知，定子电流检测的精度和实时性是整个控制系统精度的关键，因此，对电流的检测要求精度高和速度快，显然对于普通的电流互感器很难满足要求的，为此，本系统采用南京TOKEN公司的TBC50C04霍尔电流传感器模块来检测电流。该系列霍尔电流传感器是闭环磁补偿原理制作而成。即被测量的原边磁场同测量绕组里的测量磁势时补偿为零。铁芯里实际的磁通，因其体积可以很小，铁芯不会达到饱和，不用担心频率、谐波的影响。如果两边的磁势不能平衡，即不能充分的补偿，由于霍尔效应的作用在霍尔元件上产生霍尔电动势，它作为以±15V外加电源供电的差分放大器的输入信号，放大器的输出电流即为传感器的测量电流，自动迅速地恢复磁势平衡，保证霍尔输出总保持为零，这样测量电流的波形忠实地反映原边被删电流的波形，只是匝数比的关系[16]。电流检测电路如图3.11所示，由两个TBC霍尔电流传感器模块来检测A，B相电流，得到电机的两相电流信号。由于该模块输出的电压信号为0～+5V，无需进行偏置即可输入到DSP的A/D转换模块，转化为对应的二进制数值，并保存在数值寄存器和中。图4.8电流检测电路4.3.2转速及转子位置检测电路设计如图4.9所示，该电路采用增量式编码器，该编码器通过内部两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向），除以所消耗的时间，就可以得到角度码盘运动位移角速度。另外，直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相，A、B两组脉冲相位差，从而可方便地判定出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的长处是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。图4.9增量式编码器4.3.3过压欠压保护电路设计如图4.10所示，该保护电路主要由电压比较器LM2901和光耦TLP521组成。LM2901集成块内部装有四个独立的电压比较器，类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压(也称为门限电平)，另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。母线电压VR串联电阻R5接入电路，为U7B的同向输入端电压，为U7A的反向输入端电压，R39所分到的电压为U7B反向输入端的输入电压，R39两端电压为2.2V，折算线电压大约为300V，R8两端电压为U7A同向输入端电压，两端电压为6V，折算线电压为800V。当VR电压小于U7B反向输入端电压时，出现欠压状态，比较器输出低电压，TLP521处于工作状态，送给CPLD一个故障信号，保护电路工作，当VR电压大于U7B反向输入端电压时，比较器输出高电平，光耦器件处于断开状态，电路正常运行[17]。当VR电压大于U7A同向输入端电压时，U7A比较器输出一个低电压，出现过压状态，保护电路工作。4.3.4CPLD驱动输出与保护电路设计如图4.11，电路中XC9536芯片是一个3.3V的高性能CPLD的目标板，在领先的通信和计算机通信系统得到广泛应用。它有两个54V18功能块，提供5ns的传播延迟和800个可用门阵列。通过边界扫描JTAG，可以向该芯片下载程序，完成现场可编程，以便根据不同的需要随时改变芯片内部逻辑关系，简单、方便操作、易达到欲实现功能的目标。图4.11CPLD驱动输出与保护电路4.3.5线性隔离电路设计在电动机变频调速系统中，要把直流母线电压、相电压、相电流等信号采集到DSP中，实现用低压数字器件去测量控制高电压、强电流等模拟量，如果模拟量与数字量之间没有电气隔离，那么，高电压强电流很容易串入抵押数字电路中，将器件烧毁。如图4.12所示。电路中采用HP公司生产的一种高线性度模拟光电耦合器HCNR201对模拟量和数字量进行隔离。图4.12母线电压线性隔离电路5.1CCS集成环境的介绍CCS集成开发环境的功能十分强大，它集成了代码编辑、编译、链接、软件仿真、硬件调试和实时跟踪等诸多功能，包括编辑工具、工程管理工具和调试工具等，并支持C/C++和汇编的混合编程。5.1.1CCS集成开发环境的构成CCS集成开发环境由以下几个组件构成：集成代码产生工具CCS集成开发环境DSP/BIOS实时内核插件及其应用程序接口API实时数据交换的RTDX插件以及相应的程序接口API由TI公司以外第三方提供的各种应用模块插件这些组件用来对由C语言、汇编语言或混合语言编写的DSP源程序进行编译、汇编，并链接成可执行的DSP程序，主要包括汇编器、链接器、C/C++编译器和建库工具等。5.1.2CCS集成开发环境的配置和使用CCS的配置双击“SetupCCStudio3.1”图标，运行CCS设置程序，将出现一个“CodeComposerStudioSetup”系统配置对话框，如图5.1所示。配置步骤如下：在Family下选择C28xx，将看到C28xx的仿真驱动，包括软件仿真和硬件仿真；在Platform下选择Simulator；点击<<Add，将所选的驱动加入SystemConfiguration中；点击Save&Quit，出现如图5.2所示的对话框，点击Yes，保存设置、退出CodeComposerStudioSetup程序并启动运行CCS。图5.1用标准配置文件设置系统配置图5.2启动运行CCS对话框CCS环境中工程文件的使用建立一个新的工程文件在主菜单中选择Project→New命令，将会弹出如图5.3所示的对话框；录入工程文件名，在ProjectType工程类型域中，选Executable(.out)可执行文件；单击Finish按钮，即创建了一个新的工程文件。创建新文件在主菜单中选择File→New→SouceFile命令，新建一个空白文件，在文件中输入源代码。在主菜单中选择File→Save(As)命令，出现保存文件对话框，如图5.4所示；单击Save按钮，将源程序保存。图5.3创建新的工程项目文件对话框图5.4保存文件对话框(3)向工程项目中添加文件在主菜单中选择Project→AddFiletoProject命令，或者在工程视窗中选中项目名，单击鼠标右键，从快捷菜单中选择AddFiletoProject命令，系统会弹出如图5.5所示的对话框，选中需要添加的工程文件，单击打开或双击需要添加的文件，即可将文件添加到工程中去。图5.5向工程项目中添加文件对话框编译、链接和运行目标文件对程序进行编译在主菜单中选择Project→Compile命令，就可以对当前的程序进行编译并生成.obj文件。下方是编译链接信息视窗，如程序有错，则会在其中显示出来。对程序进行编译链接在主菜单中选择Project→RebuildAll命令，会对当前工程文件中的所有项目文件同时进行编译、汇编和链接并生成.out文件。如编译过程中有错，则会在下方是编译链接信息视窗中显示出来。如图5.6所示。装载输出文件在主菜单中选择File→LoadProgram命令，将弹出如图5.7所示的对话框，双击.out文件，即可实现装载输出文件的操作。图5.6用CCS调试程序图5.7装载输出文件对话框5.2仿真结果通过CCS编译、链接、仿真，得到如下波形。Channel1&Channel2分别是三相电中A、B两相，Channel3&Channel4分别是三相电中的C与A、B之差。可以看出，三相电中任意两相之差可以得到一个规则的正弦波。如图5.2.1所示。图5.2.1Channel1：A、Channel2：B、Channel3：C、Channel4：A-B本文在学习和研究了大量技术资料的基础上，以三相交流同步电动机为被控对象，以TMS320F2812为主控芯片，通过SPWM控制技术对交流电机实现恒压频比控制，设计了基于DSP的交流电机控制器系统，做了以下工作：1、分析和总结了电机调速、电力电子技术和国内外交流调速的发展现况和趋势。2、系统的研究了交流电机的结构和工作原理以及交流电机控制器的原理，其中电机控制器原理包括交流电机的调速方式、电压空间矢量和SPWM控制技术原理。3、设计并实现了基于DSP控制的交流电机控制器系统的整套硬件电路，包括主电路、系统保护电路和控制电路。主电路部分包括整流、滤波、逆变器(IPM)，IPM驱动电路；系统保护电路包括过压、欠压保护、限流启动和IPM故障保护；控制电路包括DSP最小系统电路、频率输入电路和光耦隔离电路。本文给出了以上各部分电路的工作原理、参数计算以及各部分器件的选取。4、对TMS320F2812芯片的结构跟功能进行了学习和了解，分析了SPWM波形生成原理与控制算法并设计的软件设计的流程图。控制器系统是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路比较简单，电机选择通用标准同步电动机，因此其通用性比较强，性能价格比比较高。由于本人能力有限，而对整个系统的学习也主要靠个人的摸索，走了不少弯路，因此本设计还有很多工作需要进一步研究和完善。大四的时光总是十分短暂，从选题目到现在完成这个课题，足足花了半年的时间，从对这一知半解到现在，虽不敢说精通，但是也得到了不小的收获。我十分感谢在我遇到困难时帮助我解决困难的同学和老师，和你们在一起的日子里，我攻破了一个有一个的难关，有你们的陪伴，让我大学最后的半年时光没有遗憾。首先，感谢我的导师周老师。他是一位责任心极强的导师。虽然平时老师十分的繁忙，但是他始终会抽出宝贵的时间对学生进行悉心的指导，每当我遇到困难时，他总会不厌其烦的教导我，当我在做毕业设计的时候学到了很多，同时也让我在这段时光变得没有那么枯燥。另外，我要感谢跟我一起奋斗的同学和朋友。他们总在我设计过程中遇到困难时，伸出援助之手，帮我分析，为我介绍相关资料，使我能够克服难关，顺利进行课题研究和论文的编撰。我的大学时光马上就要结束了，我希望我学到的不仅仅是本次毕业设计里所学到的只是，希望在工作中也能有这份持之以恒，不懂就问的心态去面对每一个困难的挑战。最后再一次感激那些帮助过我的人！！[1]王晓明，王玲.电动机的DSP控制—TI公司DSP应用.北京航空航天大学出出版，2005[2]王树.变频调速系统设计与应用.机械工业出版社，2008[3]赵洪亮，卜凡亮，黄鹤松.TMS320C55xDSP应用系统设计.北京航空航天大学出版社，2008[4]秦忆.现代交流伺服系统.华中理工大学出版社，1995[5]符曦.高磁场永磁式电动机及其驱动系统.机械工业出版社，1997[6]王成元，周美文，郭庆鼎.矢量控制交流伺服驱动电动机.机械工业出版社，1995，256-262[7]李钟明，刘卫国.稀土永磁电机[M].国防工业出版社，北京，1999[8]郭宏，郭庆吉.永磁同步电机伺服系统[J].哈尔滨工业大学学报，1996.28(3):82-89[9]张东亮.面向开放式数控系统的智能软件交流伺服系统研究与开发.山东大学博士学位论文，济南，2002[10]王季秩.电机在电子信息特殊领域中的应用[J].微电机，2002.35(6):48-53[11]廖自力，藏克茂，马晓军.数字