永磁同步电机矢量控制系统设计.pdf

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定稿日期：

2011-07-29作者简介：

余佩倡（1987-），男，湖南湘潭人，硕士研究生，研究方向为电磁弹射。

1引言PMSM以其具有高转矩惯量比、高功率密度、高效率等优点已得到广泛应用，特别在数控机床、工业机器人等对精度和响应特性要求较高的场合，PMSM伺服系统的优势特别明显1。

近20年来，随着电力电子器件、DSP芯片和微处理器的飞速发展，为伺服控制系统能达到更高的精度提供了良好的实现基础2。

但目前大部分伺服系统的控制芯片均为定点型DSP，这些控制芯片存在编程相对复杂，执行速度慢等一些不足。

这里结合针对电机控制的最新型浮点型DSP芯片TMS302F28335，使用智能功率模块（IPM）、光电编码器及电流传感器等设计了PMSM的矢量控制系统，该系统具有结构简单，实现容易，运行速度快的特点。

实验表明，以TMS302F28335为核心的伺服系统控制精度高，响应特性好。

2永磁同步电机控制原理2.1永磁同步电机数学模型为了更好地分析PMSM的数学模型，先假设：

磁路不饱和；感应电动势及气隙磁场均按正弦分布；转子上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用；永磁体磁动势恒定，即等效的励磁电流恒定不变。

运用坐标变换原理，整理三相PMSM在d，q坐标系下的定子电压方程为：

ud=Rsid+Lsdid/dt-rq，uq=Rsiq+Lsdiq/dt+rd

（1）式中：

ud，uq，id，iq为d，q轴电压和电流分量；Ld，Lq为定子在d，q轴等效电感；Rs为定子电阻；r为转子电角速度；d，q为d，q轴的等效磁链分量；Ls为定子电感。

磁链方程为：

d=Lsid+f，q=Lsiq

（2）式中：

f为转子在定子绕组上的耦合磁链。

电磁转矩与运动方程为：

Tem=32npfia=TL+Jnpdrdt+Brnp（3）式中：

np为电机极对数；J为转动惯量；TL为负载转矩。

2.2永磁同步电机矢量控制原理在自控式同步电机变频调速中，必须在转子转动的同时，改变同步电机定子三相电流的频率，使得定子磁动势Fs跟随转子同步旋转，从而保持Fs与转子磁动势Fr的夹角基本不变，进而保证电磁转矩恒定，这是同步电机变频调速的精髓3。

1971年，德国学者FBlaschek和Hases提出了交流电动机矢量控制理论，其基本思想是：

在普通三相交流电机的基础上，模拟直流电动机转矩永磁同步电机矢量控制系统设计余佩倡，吴峻，周文武（国防科学技术大学，机电工程与自动化学院，湖南长沙410073）摘要：

永磁同步电机（PMSM）以其独特的优点大量应用于高精度伺服系统。

针对伺服用PMSM的控制特点和要求，在分析其系统模型基础上，设计了以新型数字信号处理（DSP）芯片TMS320F28335为核心，采用矢量控制方法的PMSM速度伺服系统，较完整地阐述了交流电机矢量控制的实现方式，对伺服系统的硬件及软件设计进行了详细介绍。

实验表明该系统具有良好的响应特性和控制精度。

关键词：

永磁同步电机；矢量控制；伺服系统中图分类号：

TM351文献标识码：

A文章编号：

1000-100X（2011）11-0105-03TheDesignofVectorControlSystemofPMSMBasedonTMS302F28335YUPei-chang，WUJun，ZHOUWen-wu（NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha410073，China）Abstract：

Permanentmagnetsynchronousmotor（PMSM）iswidelyusedinservosystems.Accordingtotheorderofprecisionofservosystem，thispaperanalysesthemodelofPMSM，designesthehardwareandsoftwareofPMSMservosystembasedontheadvanceDSPofTMS302F28335.Therealizationofthevectorcontrolofsynchronousmotorisin-troduced.Theexperimentsshowthatthedesignedservosystemcanachievebothgooddynamicandstaticperformance.Keywords：

permanentmagnetsynchronousmotor；vectorcontrol；servosystem第45卷第11期2011年11月Vol.45，No.11November2011电力电子技术PowerElectronics105第45卷第11期2011年11月Vol.45，No.11November2011电力电子技术PowerElectronics控制的规律。

在转子的旋转坐标系下，将定子电流矢量分解成与动子磁场一致的励磁分量和与转矩磁场方向正交的转矩分量，使两者相互垂直，彼此独立，以达到解耦的效果，然后分别进行控制4，实现同步电机变频调速。

图1示出PMSM控制基本原理。

矢量控制系统主要包括：

控制环节，包括位置环、速度环和电流环的控制单元；检测环节，包括转子位置检测、定子三相电流检测；三相逆变模块，将直流电通过SVPWM算法调制得到三相交流电。

3系统总体结构PMSM矢量控制系统设计中存在以下难点：

（1）运算量大，在控制过程中，是将三相交流电机模拟直流电机进行控制，期间不仅要经过Park，Clarke以及Park逆变换这些坐标系的转换，还要进行PI调节和SVPWM算法等，需要大量的运算，对控制芯片提出了较高要求。

（2）硬件多，结构相对复杂，在PMSM的闭环控制中，系统通过位置环、速度环和电流环进行三环控制。

为实现电机的闭环控制，需要有大量的外设，所以在硬件设计中一方面要保证硬件设计的正确性和稳定性，一方面还要尽量简化设计。

（3）精度要求高，PMSM大量作为伺服系统的执行机构，对控制精度的要求相对较高。

为了保证系统精度，要求控制系统中的控制单元、检测单元以及执行单元的精度高且稳定性好，这需要从硬件和软件设计两方面进行保证。

针对这些难点和重点，在控制系统的硬件和软件设计中要将系统的精度和稳定性并重。

在硬件上，选用精度高、运行速度快、集成度高的器件。

软件上，在满足控制精度的前提下，选用先进的控制芯片并采用合适的控制算法。

根据以上分析和要求，设计了PMSM矢量控制系统。

3.1控制单元设计了以TMS320F28335为核心的DSP，该芯片是最新型电机控制芯片，相对其他一些电机控制用芯片，具有多方面的优势，如：

其运行速度为150MHz，同时片上有34k16bit的RAM和256k16bit的Flash，存储空间有很大增加，整体性得到大幅提升，非常适用于需要大量计算的电机控制系统；优良的内部浮点架构，大大简化了编程，缩短了程序代码长度和执行时间；有16路12位的A/D采样接口，相比TMS320F2812有了很大改进，精度和可靠性得到很大提高，抗干扰能力大幅增强；有12路高精度PWM输出，能灵活进行相关配置死区时间、触发方式及占空比等方面信息，同时包括6路HRPWM输出，能通过MEP方式输出更高的控制精度。

3.2检测单元检测单元包括两部分：

（1）光电编码器增量式光电编码器用来检测转子位置，所检测的位置信号包括a，b两相正交脉冲信号和1路零位脉冲信号，将3路信号经过调理送入DSP的EQEP端口进行计数。

将光电编码器与PMSM的转子同轴安装。

选用国产2500线的增量式光电编码器。

在光电编码器的使用中只需加入合适的电平转换电路，与DSP的接口相对应就能直接使用，同时DSP对光电编码器给出的信号经4倍分频后可达到每转10000次计数，大大提高了检测精度。

（2）电流传感器矢量控制需要三相电流，根据控制要求和实际情况，选用了CE-IJ03型电流传感器，测量范围为010A，供电电压为15V。

将输出经运放电路后调理成03V，接入DSP的A/D采样端口。

3.3执行单元主电源通过直流电源供电，然后经过IPM转成三相给PMSM供电，系统选用6MBP20RTA060型IPM，其最高耐压600V，最大电流20A，满足实验要求，同时模块内部集成了驱动电路，并设计有过压、过流、过热等故障检测保护电路。

应用时，只需在PWM信号与IPM控制端口之间加入简单的光电隔离电路。

加入IPM模块后整个电路的设计更加简洁，实现更加简单，系统的可靠性和安全性也得到了提升。

3.4软件设计软件分为主程序模块和控制模块，其流程如图2所示。

主程序模块主要用来对系统的外设进行初始化；系统控制模块完成的功能有相电流的采样，PMSM转子位置速度的计算，位置环、速度环和电流环三环的调节控制，6路PWM产生SVPWM波形以及对硬件的软件保护。

完整的矢量控制程序在中断程序中进行。

首先对相电流进行图1PMSM矢量控制框图106（上接第95页）4.2谐波补偿效果为了试验滤波效果，分别采用三线制整流器与四线制整流器对样机进行测试。

当滤波器为四线制连接，负载为三相四线整流器时，滤波器补偿效果如图6a所示；当滤波器为三线制连接，负载为三相三线整流器时，滤波效果如图6b所示。

从实际滤波效果看，两者均达到良好的滤波效果，滤波后电网电流的THD均低于2%。

通过开关交错技术可减小输出电抗器，提高APF的电流跟踪能力；同时精确的谐波分离算法、优化的指令电流跟踪控制器均有效地保证了最终的滤波效果。

5结论该APF通过采用2片IPM构成开关交错输出的逆变器，提高了整机的跟踪速度、大大降低了输出纹波。

该设计由于降低了电容器电压与电容器的纹波电流，减小了输出电抗器的容量，降低了开关损耗，因此与普通的APF相比，性价比更高。

L1系列IPM器件的损耗低，集驱动与保护功能于一体，具有过流、短路、过热等完善的保护功能。

其内部精确的开关速度控制，短路软关断功能，可保证其在较高直流母线下安全工作。

因此，采用IPM器件结构紧凑、可靠性高。

图6三相四线整流性负载滤波效果对比图采样，然后通过检测三相电流，经过Clarke，Park变换得到id，iq作为电流环的负反馈量。

同时利用光电编码器检测电机动子的位置和转速作为速度环和位置环的负反馈，通过与参考速度nref比较后，经过PI调节作为q轴上转矩的电流控制参考分量iq*；再将转速反馈输入到函数发生器中，根据速度-励磁曲线给出电压控制矢量ud，uq，通过Park逆变换得到在，坐标系下的定子电压分量。

最后利用SVPWM控制IPM产生三相交流电，实现矢量控制。

4实验结果实验用PMSM参数：

额定功率为500W，允许供电范围为38380V，np=2，允许转速范围为3003000rmin-1。

在设定参考速度为1000rmin-1的情况下对控制系统进行实验，图3示出转速和相电流的实验波形。

由图3a，b可见，电机转速上升时间约为100ms，超调量小，稳定时间短，其相电流稳定；由图3c，d可见，电机运行时，转速稳定，精度比较高。

由此可见，基于TMS302F28335的控制系统具有良好的稳定精度。

5结论以目前最新型电机控制芯片TMS302F28335为核心设计了针对永磁同步电机的控制系统，提高了控制精度和系统稳定性。

对永磁同步电机的伺服系统进行了全数字化设计，应用了SVPWM和闭环控制算法，实现方法简单可行，具有一定的参考价值。

参考文献1陈伯时电力拖动自动控制系统（第3版）M北京：

机械工业出版社，2005.2韩安太，刘峙飞，黄海.DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用M.北京：

清华大学出版社，2003.3李华德.交流调速系统M.北京：

电子工业出版社，2003.4唐任远现代永磁电机理论与设计M北京：

机械工业版社，1997.图2控制系统软件流程图图3实验波形!

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