永磁同步电机矢量控制系统开发.pdf

永磁同步电机矢量控制系统开发.pdf

《永磁同步电机矢量控制系统开发.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《永磁同步电机矢量控制系统开发.pdf（88页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

中图分类号：

TM351论文编号：

102870313-S031学科分类号：

080402硕士学位论文永磁同步电机矢量控制系统开发研究生姓名徐旭明学科、专业测试计量技术及仪器研究方向计算机测控系统指导教师王友仁教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二一三年二月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringDevelopmentonVectorControlSystemforPermanentMagnetSynchronousMotorAThesisinInstrumentationScienceandTechnologybyXuXumingAdvisedbyProfessorWangYourenSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringFebruary,2013承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：

日期：

南京航空航天大学硕士学位论文I摘要随着电力电子技术、微电子技术、永磁材料及控制理论等技术的快速发展，以永磁同步电机（PMSM）为控制对象的交流控制系统得到了越来越广泛的关注。

永磁同步电机广泛地应用在数控机床、工业机器人等工业自动化设备中。

永磁同步电机矢量控制系统具有直流电机控制系统不可比拟的优越性，因此，研制高性能、高可靠性的永磁同步电机矢量控制系统具有重要的现实意义。

本文围绕永磁同步电机矢量控制系统的开发而展开，主要研究工作如下：

充分了解了永磁同步电机的结构与分类，根据坐标变换的原理，建立了永磁同步电机的数学模型。

对永磁同步电机控制系统的控制策略及电流控制方法的优缺点做了充分比较后，控制系统采用了矢量控制di=0的控制策略。

通过建立特殊坐标系，将空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法进行简化，减少相应的计算量。

在Matlab/Simulink仿真软件环境下搭建了永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型，系统采用了电流环、速度环双闭环结构，对矢量控制di=0的控制策略进行了验证。

然后对永磁同步电机矢量控制系统的硬件电路进行设计，系统硬件电路是基于TMS320F2812与PS21563-P型号的智能功率模块（IPM），完成了系统硬件电路的设计、制作、并调试成功了系统的硬件电路。

最后使用C语言完成了永磁同步电机矢量控制系统的软件设计，给出了系统软件设计的流程图。

在设计的控制系统的硬件平台上，完成了永磁同步电机矢量控制系统的实验调试工作，实验结果有力地证明了矢量控制系统设计方案的可行性，同时也证明了所设计的控制系统运行稳定可靠，具有良好的控制性能。

关键词：

关键词：

永磁同步电机，矢量控制，空间矢量脉宽调制，控制系统，数字信号处理器永磁同步电机矢量控制系统开发IIAbstractWiththefastdevelopmentofpowerelectricstechnology，microelectronictechnology,permanentmagnetmaterialsandcontroltheory,PermanentMagnetSynchronousMotor（PMSM）ACcontrolsystemhasacceptedmoreandmoreconcerns.PMSMiswidelyusedontheautomationequipments,suchascomputernumericalcontrolmachinetoolsandindustrial.PMSMvectorsystemhasadvantageoverDCmotorcontrolsystem,soithasveryimportantsignificancetostudyonhighperformanceandreliabilityofPMSMvectorsystem.ThispaperisaimingatvectorcontrolofPMSMsystem,anditsmainresearchasfollows:

TounderstandthestructureandclassificationofPMSMfully,themathematicmodelofPMSMareestablishedaccordingtocoordinatetransformation.DoafullcomparisonofPMSMcontrolsystemcontrolstrategiesandtheadvantageanddisadvantageofcurrentcontrolmethod,thevectorcontroldi=0ofcontrolstrategyisdetermined.Throughestablishingaspecialcoordinatesystem,thereforeSVPWMissimplified,whichmakescorrespondingcalculationsimpler.ThesimulationmodelofPMSMsystemisbuiltintheMatlab/Simulinksoftwareenvironment,whichincludesthespeedandcurrentclosed-loopcontrol,thevectorcontroldi=0ofcontrolstrategyisverified.ThenthispapergivesoutthehardwaredesignofPMSMvectorsystembasedonTMS320F2812andIPMofthemodelPS21563-Pindetail,thedesignandproductionofthesystemhardwarearecompleted,anditissuccessfultodebugthesystemofhardware.AtlastthesoftwarebasedonClanguageiswrittenbyCodewarrior,whichrealizesthecurrentandspeedclose-loopcontrol.Theflowchartofsoftwareisgiven.Theexperimentalresultsbasedonthedesignofhardwareandsoftwareshowthefeasibilityofthedesign,andthecontrolsystemisstableandreliable,whichhasanexcellentperformance.Keywords：

PMSM,vectorcontrol,spacevectorpulsewidthmodulation,controlsystem,DSP南京航空航天大学硕士学位论文III目录第一章绪论.11.1研究背景和意义.11.2永磁同步电机控制系统介绍.21.2.1永磁同步电机控制系统的组成及分类.21.2.2永磁同步电机控制系统的基本要求及特点.31.3国内外研究状况及发展趋势.41.3.1永磁同步电机控制系统国内外研究状况.41.3.2永磁同步电机控制系统的发展趋势.61.4本文的主要研究内容.8第二章永磁同步电机的数学模型及控制策略.92.1永磁同步电机的结构及分类.92.2永磁同步电机的数学模型.102.3永磁同步电机的矢量控制.142.4本章小结.14第三章永磁同步电机矢量控制系统设计.153.1简化的SVPWM算法.153.2永磁同步电机矢量控制系统调节器的设计.183.2.1电流环调节器的设计.183.2.2速度环调节器的设计.193.3永磁同步电机矢量控制系统的建模与仿真.213.3.1控制系统仿真模型的建立.213.3.2仿真实验结果分析.263.4本章小结.29第四章控制系统硬件平台设计.304.1系统的硬件构成.304.2DSP控制板介绍.314.3主功率电路.334.3.1整流滤波电路.344.3.2逆变电路.34永磁同步电机矢量控制系统开发IV4.4信号调理电路.394.4.1相电流采样及调理电路.394.4.2转子位置信号调理电路.414.4.3硬件保护电路.424.4.4光电编码器断线检测电路.444.4.5D/A转换电路.454.5本章小结.45第五章控制系统软件设计.465.1系统资源分配与数据格式.465.1.1系统的资源分配.465.1.2数据处理格式.465.2系统程序结构.475.2.1系统程序总体结构.475.2.2定时器T1下溢中断程序结构.485.2.3CAP3捕获中断程序结构.495.3子功能程序模块设计.495.3.1电流采样及调节模块.495.3.2数字滤波器的设计.515.3.3转子位置的初始定位.535.3.4转速计算及调节模块.555.3.5简化的SVPWM程序模块.575.4本章小结.57第六章实验结果与分析.586.1实验平台的介绍.586.2实验结果与分析.606.2.1电流环实验.606.2.2速度环实验.616.3本章小结.64第七章总结与展望.657.1本文工作总结.657.2后续工作展望.65参考文献.67南京航空航天大学硕士学位论文V致谢.71在学期间的研究成果及发表的学术论文.72永磁同步电机矢量控制系统开发VI图形清单图1.1典型永磁同步电机控制系统组成框图.2图2.1表面式转子结构.9图2.2永磁同步电机的物理模型.10图2.3PMSM矢量图.13图3.1扇区划分.16图3.2空间电压基本矢量.17图3.3空间矢量位于第一扇区时的占空比.18图3.4电流环结构图.19图3.5速度环结构图.20图3.6速度环的等效结构图.20图3.7PMSM矢量控制系统框图.21图3.8PMSM矢量控制系统的仿真结构框图.22图3.9Clark变换模块.22图3.10Park变换模块.23图3.11Park逆变换模块.23图3.12简化的SVPWM仿真模型.24图3.13计算xU、yU、zU值仿真模型.24图3.14扇区N计算的仿真模型.25图3.15寄存器获取值的仿真模型.25图3.16PWM信号生成的仿真模型.26图3.17转速400r/min相电流波形.26图3.18转速400r/min交直轴电流波形.26图3.19转速400r/min速度响应曲线.27图3.20转速400r/min电角度波形.27图3.21突增负载仿真实验相电流波形.27图3.22突增负载仿真实验交直轴电流波形.27图3.23突增负载仿真实验速度响应曲线.27图3.24突增负载仿真实验电磁转矩波形.27图3.25加速仿真实验相电流波形.28南京航空航天大学硕士学位论文VII图3.26加速仿真实验速度响应曲线.28图3.27减速仿真实验相电流波形.28图3.28减速仿真实验速度响应曲线.28图3.29正反转仿真实验相电流波形.29图3.30正反转仿真实验交直轴电流波形.29图3.31正反转仿真实验速度响应曲线.29图3.32正反转仿真实验电角度波形.29图4.1永磁同步电机矢量系统的硬件结构图.31图4.2DSP的电源电路.32图4.3RAM外扩电路.32图4.4Flash外扩电路.33图4.5仿真接口电路.33图4.6整流滤波电路.34图4.7PS21563-P内部结构图.35图4.8IPM及其外围电路.35图4.9IPM充电电流回路.36图4.10IPM自举电路.37图4.11驱动信号隔离电路.38图4.12IPM故障信号隔离电路.38图4.13母线电流检测电路.39图4.14母线电压检测电路.39图4.15相电流调理电路.40图4.16滤波及差分电路.41图4.17光电编码器信号隔离电路.42图4.18比较电路.42图4.19信号锁存电路.43图4.20光电编码器断线检测电路.44图4.21D/A转换电路.45图5.1系统程序整体流程图.47图5.2定时器T1下溢中断流程图.48图5.3CAP3捕获中断流程图.49图5.4Q15格式信号的极性转换.50永磁同步电机矢量控制系统开发VIII图5.5电流采样及处理的流程图.50图5.6防积分饱和PI控制器结构.51图5.7转子定位流程图.54图5.8U、V、W信号及状态.55图5.9光电编码器A、B信号正交编码处理.56图5.10简化的SVPWM算法流程图.57图6.1驱动及信号调理电路.59图6.2控制系统实物图.59图6.3U相上下桥臂PWM波形.60图6.4PWM波形细分图.60图6.5转速300r/min时A、B相电流波形.61图6.6转速600r/min时A、B相电流波形.61图6.7转速900r/min时A、B相电流波形.61图6.8转速1500r/min时A、B相电流波形.61图6.9转速2100r/min时A、B相电流波形.61图6.10电机100r/min正转时A、B脉冲.62图6.11电机100r/min反转时A、B脉冲.62图6.12转速300r/min时电角度波形.62图6.13转速300r/min时A、B脉冲波形.62图6.14转速-300r/min时电角度波形.63图6.15转速-300r/min时A、B脉冲波形.63图6.16转速600r/min时A、B脉冲波形.63图6.17转速900/min时A、B脉冲波形.63图6.18转速1500r/min时A、B脉冲波形.64图6.19转速2100r/min时A、B脉冲波形.64图6.20速度阶跃响应曲线.64南京航空航天大学硕士学位论文IX表格清单表3.1P与扇区N之间的关系.16表3.2每个扇区相应寄存器的值.18表4.1CDD4044芯片真值表.43表4.2MC74HC366芯片真值表.44表5.1霍尔信号状态与扇区的关系.55表6.1永磁同步电机主要参数.58永磁同步电机矢量控制系统开发X注释表基本缩略词名称基本缩略词名称PMSM永磁同步电动机DSP数字信号处理器MCU微控制器IPM智能功率模块MOSFET金属氧化物半导体场效应晶体管SHEPWM特定次谐波消去脉宽调制技术IGBT绝缘栅双极型晶体管ASCI特定用途集成电路BJT双极结型晶体管SVPWM空间矢量脉宽调制SPWM正弦脉宽调制BLDC无刷直流电机SCI串行通信接口SPI串行外设接口CAN控制器局域网络MCBSP多通道缓冲串行接口ASR速度调节器ACR电流调节器ADC模拟数字转换器CCS代码调试器南京航空航天大学硕士学位论文1第一章绪论1.1研究背景和意义电机控制系统被第一次提出后，随着生产技术的发展，对电机控制系统的起动、制动、调速精度、调速范围、动静态特性与响应特性等提出了更高的要求12。

20世纪以来，因为直流电机控制系统具有良好的可调性、动静态特性，因此直流电机控制系统得到了很好的应用。

但是由于直流电机的电刷与机械换向器的存在，易磨损且易产生电火花，导致其不能在易燃易爆的场合应用，需经常检查维护。

直流电机自身存在的弱点，限制了它的应用及发展34。

因此，掀起了新一轮的交流调速系统的研究热潮。

20世纪70年代之前，由于实验条件的限制以及理论研究的不足，交流电机调速方法的研究并未取到实质性的进展。

20世纪70年代初，西德F.Blasschke等研究人员5第一次提出交流电机矢量控制理论，它的提出具有划时代的意义。

此后，矢量控制得到不断的完善与应用，呈现出直流电机控制系统逐步被交流电机控制系统取代的趋势。

近年来，随着永磁材料性能的提高、永磁电机的开发经验的逐步成熟，永磁电机在工农业、国防、日常生活等方面得到了广泛的应用。

交流永磁电机按照气隙磁场的分布形式的不同，分为方波型的永磁无刷电机与正弦型的永磁同步电机，习惯上，分别将它们称为永磁无刷直流电机（brushlessdirectcurrentmotor,BLDC）、永磁同步电机（permanentmagnetsynchronousmotor,PMSM）。

永磁无刷直流电机结构简单、控制技术成熟，在仪器仪表、家电、电动车等行业得到了广泛的应用。

无刷直流电机由于存在严重的转矩脉动问题，从而限制了其控制性能的提高。

永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转矩电流比高、转动惯量低、易于维护等优点68；同时，永磁同步电机采用正弦波驱动，从而具有转矩脉动小、调速比高、定位精度高等优点911。

随着电力电子技术、微电子技术、传感器技术、永磁材料与控制理论的飞速发展，以永磁同步电机为控制对象的控制系统也得到迅速的发展，其动静态特性可以与直流电机调速系统相媲美12。

国外涌现出一批拥有较先进的永磁同步电机控制系统技术的公司，比如西门子、Metronix、安川、Indramat、富士、三菱、Emerson、AMC、松下等。

我国永磁同步电机控制系统具备市场竞争力的产品很少，因此掌握其关键技术，研制出高水平的控制系统迫在眉睫。

矢量控制理论的出现引起了交流控制理论的研究热潮，国内不少高校对矢量控制技术进行了深入的研究，但与产品的实用化还存在一定的距离。

本文将研究的侧重点放在永磁同步电机矢量控制系统的实现上，开发一套性能良好的永磁同步电机控制系统具有重大的意义与实用价值。

永磁同步电机矢量控制系统开发21.2永磁同步电机控制系统介绍1.2.1永磁同步电机控制系统的组成及分类

（1）永磁同步电机控制系统的组成永磁同步电机控制系统一般由永磁同步电机、编码器、控制器、电流反馈模块、位置反馈模块、功率驱动模块构成13。

其系统组成框图如图1.1所示。

速度调节电流调节功率驱动交流永磁同步电机编码器S变换电流反馈信号位置反馈信号转速给定控制器图1.1典型永磁同步电机控制系统组成框图控制器模块控制器模块是永磁同步电机控制系统的核心，转速指令的给定、速度调节器、电流调节器的运算，都是在控制器模块完成的，控制器模块一般选用数字信号处理器（digitalsignalprocessor,DSP）、微控制器（microcontrollerunit,MCU），或者专门的电机控制芯片。

功率驱动模块永磁同步电机控制系统的功率驱动模块是为了实现交流电到直流电，再到交流电转换的功能。

其中，交流电到直流电的转换单元，采用整流桥芯片来实现；直流电到交流电的转换单元，采用电压型逆变器来实现。

电压型逆变器可选取智能功率模块（intelligencepowermodule,IPM），也可选择二极管与金属氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductorfieldeffecttransistor,MOSFET）或者绝缘栅双极型晶体管（insulatedgatebipolartransistor,IGBT）来搭建。

电流反馈模块永磁同步电机控制系统的电流特性的好坏直接反应出该系统性能的优劣。

控制器处理的信号都是低电压的信号，而功率驱动模块属于高电流、高电压模块，采集到的电流信号也属于高电流的信号，两者处理不当，会烧坏整个系统电路。

因此，在选取电流反馈模块时，必须考虑隔离问题。

霍尔电流传感器内部是隔离的，广泛应用于交流、直流信号的采集。

电流信号的获取也可以通过高精度采样电阻转换为电压信号，然后再经过线性光耦，达到隔离的目的。

位置反馈模块位置反馈单元是永磁同步电机控制系统的重要组成部分，该单元装置的选择关系到系统动静态特性及控制精度。

一般选取光电编码器、旋转变压器作为位置反馈模块，在控制精度要求南京航空航天大学硕士学位论文3较高的场合，需要选取高精度的光电编码器、高精度的旋转变压器。

（2）永磁同步电机控制系统的分类永磁同步电机控制系统的分类14可按照以下两种标准来划分：

按照系统控制信号的处理方法分类；按照系统的控制方法分类。

按照系统控制信号的处理方法又可分为：

模拟控制方式、数字控制方式、数字模拟混合控制方式。

模拟控制系统的显著标志是其电流、速度调节器及各主要功能单元是由模拟电子器件构成，偏差的运算及永磁同步电机速度信号均用模拟信号来控制。

系统中的输入指令信号、输出控制信号、转速和电流检测信号都是连续变化的模拟量，所以控制作用是连续施加于永磁同步电机上的。

其最大的缺点是，模拟器件的温漂和分散性对系统的性能影响较大，系统的抗干扰能力较差；难以实现较复杂的控制算法，系统缺少柔性。

数字控制方式是指控制系统的调节器由数字电子器件构成，普遍采用DSP、MCU、专用集成电路（ApplicationspecificIntegratedCircuit,ASIC）芯片。

系统中的模拟信号需经过离散化后，以数字量的形式参与控制。

数字控制方法特点为，系统的集成度较高，易于实现软件控制，温度对系统性能的影响很小，且适合实现复杂的控制算法。

数字模拟混合控制方式是指PMSM控制系统的内环调节器采用模拟控制，外环调节器采用数字控制。

该控制方法兼有数字控制系统的高精度、高柔性和模拟控制系统的快速性、低成本的优点，成为现有技术条件下满足机电一体化产品发展对高性能控制系统需求的一种较理想的控制方式。

按照系统的控制方式可分为三种：

开环控制系统、闭环控制系统、半闭环控制系统。

开环控制系统没有采取位移检测与校正误差的措施，在一些大型的精密数控机床，往往不能满足其定位精度的要求。

此外，系统常会出现噪声大、效率低、加减速