1、基于DSP模块化编程的永磁同步电机矢量控制系统的设计与实现学位论文完成日期：指导教师签字：答辩委员会成员签字： 一毕一蓑万方数据基于DSP模块化编程的永磁同步电机矢量控制系统的设计与实现摘要对于算法复杂的DSP控制系统，当使用C语言进行软件设计时存在开发难度大、周期长、寄存器配置复杂等问题。本文研究一种基于DSP模块化编程(Model-Based Design，MBD)的软件开发方法，该方法可大幅度提高系统的开发效率，使工程师不需要熟练掌握DSP繁杂的寄存器位的设置，从而降低代码的错误率，并能实现控制算法从仿真模型到实时软件的无缝集成，因此可以加快系统的开发进程。本文以永磁同步电机(Perma
2、nent Magnet Synchronous Motor,PMSM)为控制对象，采用矢量控制算法，基于DSP模块化编程的方法对系统设计过程进行研究，主要内容如下：1、研究PMSM矢量控制原理。结合坐标变换，给出PMSM在三种不同的坐标系下的数学模型，并在Simulink环境下对矢量控制算法建模并仿真。2、研究DSP基于模型设计的系统的开发流程。建立采用MBD法进行系统软件开发的步骤，并对每一步进行详细的分析；以流水灯和单极倍频法产生SPWM为例，用MBD方法进行软件设计，通过实验验证MBD方法的高效性与正确性。3、基于DSP模块化编程方法研究PMSM矢量控制系统的设计和实现问题。在MATLA
3、B环境下，利用Embedded Coder工具箱，结合DSP集成开发环境CodeComposer Studio 33(CCS33)，采用MBD方式实现PMSM矢量控制系统从系统构架、建模仿真到自动代码生成。结合外部硬件电路在Simulink环境下对电流环和转速环进行验证。最终实验结果表明，自动生成的代码能在TMS320F2812目标板中运行，结果正确，同时此方法可提高DSP的开发效率。关键词：DSP；矢量控制；代码自动生成：PMSM万方数据万方数据DESIGN AND REALIZATION ON PERMANENT MAGNETSYNCHRONOUS MOTOR VECTOR CONTROL
4、 SYSTEMBASED ON THE MODELDESIGN METHOD OF DSPABSTRACTA soRWare development technique for DSP using a method called model-baseddesign is studied aiming at the problem that a complex algorithm for D SP contr01svstem usually brings big difficulty,long development cycle and complicated。e91ste。con6跚ratio
5、n when written by C languageThis technique can greatly imp。oVe tneefficiencY of system developmentThe engineers do not need to master complexsettings of the DSP register,SO as to reduce the code error rateAnd can reallze theseamless integration of control algorithm from simulation model to real-time
6、 sottwareSo it can speed up the development process of the systemIn this paper,permanemmagnet synchronous motor(PMSM)is used as control object using vectorcontroJalgorithmThen the process of system design is studied on the basis ot themodeldesign method ofDSE The main contents are summarized as fbll
7、ows：1The PMSM vector control system theory is studiedCombined the principle ofcoordinate仃ansformation theory,the mathematical models of PMSM in the threedi妇研ent coordinate systems are given separatelyThen the modeling and simulation ofvector control are given in simulation environment2The developmen
8、t process of the system based on the model-design method ofDSP is studiedThe process of system software development is built by the method ofMBD and every step is analyzed detailedTake water lamp and unipolar&frequencymultiplication SPWM generating for example，use the method of MBD for softwaredesig
9、n，and validate the efficiency and accuracy through experiments3The design and realization of PMSM vector control system is studied on thebasis of the Hlodeldesign method of DSE In the Matlab environment，carry out theDSP control system with the method ofMBD，including system architecture，modeling,and
10、code generating，by using Embedded Coder toolbox and DSP integrated1II万方数据development environment Code Composer Stadiu33(ccs331Combined with theexternal hardware circuit，the current loop and speed loop are verified in SimulinkenvironmentThe final experimental results show that the automatic generatio
11、n ofcode can run smoothly in the TMS320F28 1 2 target board and the result is correctAtthe same time，this method can improve the development efficiency of D SPKEY WORDS：DSP；vector control；automatic code generation；PMSM万方数据目 录第1章绪论111课题研究背景及意义112 DSP基于模型设计的概念、特点及国内外应用现状413永磁同步电机的特点、结构及应用现状5131永磁同步电机的
12、特点及应用5132永磁同步电机的分类6133永磁同步电机的结构714矢量控制的发展现状及特点7141矢量控制的发展与研究现状7142矢量控制的特点与存在的问题815本文研究的主要内容8第2章永磁同步电机矢量控制的基本原理1021坐标变换1 0211三相两相坐标系变换10212静止两相旋转正交变换1 122永磁同步电机的数学模型12222两相静止坐标系下的数学模型12223两相旋转坐标系下的数学模型1 323矢量控制的基本原理l 324永磁同步电机矢量控制系统的组成及仿真14241电压空间矢量PWM(SVPWM)控制原理14242 PMSM控制系统的建模与仿真一2025本章小结2l第3章DSP基
13、于模型设计的系统的开发流程2231基于模型设计的软件设计步骤2232基于模型设计的软件编程实例24321实例一：用定时器控制小灯闪烁25322实例二：采用单极倍频法产生SPWM波2733本章小结32第4章DSP基于模型的PMSM矢量控制系统的设计与仿真33V万方数据41系统仿真模型的设计33411仿真模块的设计34412嵌入式模块的设计3542系统模型仿真的运行及分析3943本章小节41第5章DSP基于模型的PMsM矢量控制系统的实现4251模块化编程实现PMSM矢量控制系统框图42511系统硬件部分的设计一42512系统软件部分的设计一4652系统的开环控制软件设计及调试5253速度环的调试
14、与验证5454电流环的调试与验证5755系统的闭环调试运行5956本章小结61总结与展望63参考文献65致 谢69攻读学位期间发表的学术论文目录71独创性声明一73关于论文使用授权的说明74VI万方数据青岛科技大学研究生学位论文11课题研究背景及意义第1章绪论20世纪70年代以前，对于信号的处理，大多数情况下是使用的模拟方法来实现。随着各种数字信号处理方法的发现，数字信号处理得到蓬勃发展。DSP器件出现于上个世纪七八十年代。随着技术的逐步发展，DSP器件渐渐被应用于其它的领域，使DSP器件成为了技术行业的主要芯片之一。特别是从90年代开始，DSP器件的使用开始使其逐渐被广泛普及n1。目前的世界
15、范围内，在许多的电机控制系统中，人们更多地使用DSP作为控制器以DSP作为核心进行电机控制系统的开发，当前在电机控制领域得到很高的重视，而如今的研究领域，越来越多繁杂的控制系统和算法，也正在试图使用DSP来满足所需要的功能旧书。因此，使用DSP进行编程的效率就显得格外重要。对DSP进行软件编程设计主要有以下3种方法：a)汇编语言编写，它的开发周期长，难度大，代码效率高，但无法移植。b)C语言编写，它的开发周期短，难度小，代码效率低，可以进行移植。C)MATLAB模块化编程，开发周期最短，难度最小，可以进行完全移植。DSP技术的发展主要分为两个方面，一方面是软件技术的发展；另一方面则是硬件技术的
16、发展。软件技术的发展也包括两个方面，即集成开发环境和调试工具的发展。如今科技水平在不断提升，使得数字信号处理器的硬件处理能力有了大大的提高，而基于数字信号处理器上的应用程序编写却遇到了瓶颈。DSP处理器在很长时间内发展非常缓慢，根本原因就在于软件开发工具的发展滞后于硬件的发展。近年来，DSP的软件开发环境有了迅速发展，各大DSP厂商也都发布了适配自身DSP处理器的集成开发环境，这就极大的促进了DSP芯片的普及。但是，现在工程师所面临的项目规模较大，如果还采用传统的形式，这样编写的程序不但难以复用，并且由于程序员的习惯差别也导致项目难以进行维护。传统DSP编程方式，采用CC+编写代码来完成算法，
17、这种逐行手工编写代码的方式在目前已经出现局限性，编程效率低，经常会影响整个项目的开发周期，新型算法的迅速完成，新的系统需要缩短开发周期以降低开发成本和风险，于是找到一种新的编程方式就显得尤为重要H吲。传统的开发模式下，可能会在开发初期引入错误，如需求定义阶段、算法设计阶段、编码阶段，而设计错误修复上的每一次延迟，都会造成修复费用上指数万方数据基于DSP模块化编程的永磁同步电机矢量控制系统的设计与实现的增加，因此修复这类错误花费很高。软件开发过程中修复错误费用示意如图11所示。由图可以看出，开发初期引入的错误，若是到后期才发现，修复这种错误花费最高，根据NASA的报告，为纠正初期产生的错误而投入
18、纠错的资金占修正总费用的比例高达50。 l：修复需求定义阶段产生错误所需要的花费2：修复设计阶段产生错误所需要的花费3：修复编码阶段产生错误所需要的花赞2图1-1软件开发过程中修复错误费用示意Fig 11 In the process of software development cost of repairing errors而基于模型的设计支持早期验证和持续验证，它是模型的不断细化，验证的持续进行的过程，因此随时的验证可以在早期检测错误，避免一开始就发生方向性错误，同时这也是具有仿真的设计，可以减少对实物原型的依赖，而且自动代码的生成还可以减少编码的错误哺1。如果在传统模式下，出现一份需
19、求变更，就需要进行软件文档变更、设计变更、代码变更，并且变更之后还需要进行评审，而基于模型的这种方法的变更都是在模型的基础上进行的，因此这就更有利于我们系统的开发。近年来，汽车嵌入式代码出现了爆炸性增长，如图l-2所示，图示为一辆汽车上所存在的代码量，我们可以看出一辆车上的代码行数是逐年增加的，到2013年已经达到2000万行，而我们应该怎样应对这种行业的趋势呢?工程师要在尽可能降低成本和风险的同时，为客户提供可靠的服务。如果用传统方法即手写代码的方式，很明显己不现实。如今一辆车价格越来越低，如果招录更多的工程师进行代码的编写，无疑会增加汽车的开发成本。当前系统工程师主要面临以下几个问题：更快
20、地向客户交付产品，成本进一步降低，确保质量较高的代码，具备充足的灵活性以防止最终时刻可能产生的改变与修改。基于模型的设计便是解决该问题的一种方式。出于技术层面和经济层面的考虑，我们选择了基于模型的设计方法。2万方数据青岛科技大学研究生学位论文2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013年份图1-2汽车上的代码量Fig 1-2 Amotmt of code on the car基于模型的设计与传统设计相比具有以下优点：拥有统一的开发平台，利用一种公共设计环境，在开发的早期就防止了需求分析出现错误。模型复用性好。RTW技术使工程师从繁琐的代码编写中解放出来，使其重点关注于核
21、心算法的设计。明显缩短系统的开发周期，降低研发成本。支持早期验证和持续验证，可以不断地发现和纠正错误。本课题就是在这种背景下，以电机为控制对象，尝试采用这种新型的编程方法实现我们所需要的功能。如今电机作为主要的机电能量变换装置，被广泛应用于各个行业，在人们的日常生活中电机也是必不可少的。随着永磁性材料性能的大幅度提高和成本的降低，尤其是钕铁硼永磁的耐腐蚀性和热稳定性的改进和价格的逐步降低，同时许多的功率器件也得到进一步发展，并且永磁电机的开发和使用经验日趋成熟，永磁同步电机在许多生产领域得到越来越广泛的使用，正向高功能化和微型化方向发展旧剖。人们对永磁同步电机的调速特性提出了更高要求，GRSl
22、emon等人针对调速系统的动态响应和更高效率的要求，给出了现代PMSM的设计方式。近年来MCU、DSP技术的迅猛发展，使得PMSM矢量控制系统实现全数字化。在二十世纪七十年代，基于矢量控制理论，DNaunin等开发出一种基于PMSM的矢量控制系统，选用单片机8097作为核心进行数字控制，满足了高精度和动态响应的要求10-11。MATLAB作为一款功能强大的计算分析软件，在电机控制中是一个非常得力的助手，不仅可以用来进行仿真分析，更重要的是可以自动生成C语言代码，直接与DSP进行交互，省去了编写大量代码的麻烦，提高了效率，有利于系统的开炭123。万方数据基于DSP模块化编程的永磁同步电机矢量控制
23、系统的设计与实现本课题基于MATLAB平台研究了基于模型设计这一新型的编程方法，在分析、借鉴和总结别人的研究成果后，对永磁同步电机矢量控制算法进行了系统的设计。如此设计实现了Simulink仿真和硬件控制有机结合，对实现MATLAB与DSP相结合，共同开发复杂算法有着重要的意义，同时展现了目标代码自动生成在电力电子领域的应用前景，为DSP的开发提供了一种新的思路。因此本课题具有重要的理论意义和实用价值。12 DSP基于模型设计的概念、特点及国内外应用现状传统的开发模式，自上至下是“算法开发”、“具体编程”、“硬件电路设计”，这样编程的自由度较高，可以自由的进行算法的设计，不受模块化的约束。但缺
24、点是如此纯手工编程效率不高，每次编程都需要与上层算法设计者进行沟通以便确定算法思想，从而进行代码设计，同时还要与下层硬件电路设计者进行商讨比如IO口配置等问题，这三步彼此之间相互脱节，不利于系统的整体设计，同时编程时需要查阅大量手册资料，配置很多的寄存器，工作量很大。由于以上种种原因，影响着DSP的开发效率，从而影响着整个系统的开发。而选用基于模型的设计(ModelBased Design，MBD)，将MATLAB软件引入一到传统开发方法中，独特的RTW(Real-Time Workshop)开发环境，可以方便地将第三方软件融入到MATLAB与目标板之间，RTW开发环境是MATLABSimul
25、ink的重要组成部分，它可以在Simulink环境下进行代码的生成。这种方法可以将模块化的算法设计转换为实际的编程语言，所以传统方式的前两步可以简化为一步，而对于同一种算法，当其需要应用于不同的开发板时，只需要在Simulink环境下改变目标版模块参数即可实现，这样就可以很快的生成相应平台的代码，提高了算法的可移植性，从而简化了DSP的软件开发u 3l。为了充分发挥MATLAB软件开发周期短的特点，降低DSP程序开发难度，近年来TI公司和Mathworks公司联合推出的Embedded Target for TIS C2000工具箱和接口工具MATLAB Link forCCS Develop
26、ment Tools(CCS Link)使得自动代码生成方法成为可能。当前一台高档汽车的控制代码就已经超过500万行代码，F35战斗机软件代码超过1500万行，一艘航母的代码更是超过亿行u 4|。汽车生产商雪佛兰公司研发的一款新能源汽车Volt，这辆车上有100多个控制器，一共包含约1000多万行代码，这些代码量远比空客A380的还要多，试想如果是程序员埋头苦写，所耗费的时间难以计算，而且肯定是存在缺陷的，或者需求分析不完善，那就会耗费更多的时间与金钱。通用公司的一名开发工程师曾说过，这辆新能源汽车Volt里好多模块的代码，完全是使用自动代码生成功能生成的，而不是手写出来的，而4万方数据青岛科
27、技大学研究生学位论文所使用的工具就是Mathworks公司的Embedded coder工具箱，通过使用这种方法满足了项目开发的进度。通过几年的不断完善，该方法已经从概念演变成为实际应用中重要的开发模式。Lockheed Martin、Boeing、Airbus、GM、Benz、Siemens、Motorola等公司都有应用MBD技术开发的成功经验。在能源领域，这种基于模型的设计方法也得到了广泛的应用。在国外，风电场性能建模、电力电子控制器软件开发、实现具有安全苛刻要求的能源控制系统大部分都是采用这种方法，实现了安全高效的能源开发和生产。这类新生的编程方法，在美国得到广泛使用，美国直升飞机制造
28、商采用基于模型设计方式为Tiltrotor飞机开发了飞行控制程序，与原来的方式相比研发时间减少了近40。如果采用传统的开发方式，让有多年VHDL编码经验的工程师书写，正常情况下需至少645小时才能完成对全功能SDR波形的代码编写，而如果让一个没有丰富编程经验的程序员采用基于模型设计技术，只用了不超过46个小时就完成了相同的工作。通过采用MBD技术，英国国航公司的研发工程师们能够减少10的重复工作，同时研发周期也大为缩短。同时大部分_的新生事物也多采用这种技术，因为这种MBD的思想有助于新生事物的产生，我们的想法首先通过建模来实现甚至采用虚拟实现的方法，这些在MATLAB中已能完成。而我们国内，
29、如今使用MBD方法创建DSP程序的工作还处于起步阶段，还没哪所大学系统研究过这种方法，虽然有部分论文提到了与MBD相关的一些方法，但却都停留在了基础的功能实现上面，国内大家还喜欢用传统的方式进行研发，还有很多人并不相信MBD这种技术。采用这种模型设计方法，手写代码的行数为零，使工程师不需要熟练掌握DSP繁琐的寄存器位的设置，降低了代码的错误率，不需要在手工编程上花费过多的时间和精力，降低了工程师对硬件知识的要求，并且提供了硬件在环仿真的功能。因此可以加快系统的开发进程。13永磁同步电机的特点、结构及应用现状131永磁同步电机的特点及应用永磁同步电动机结构简单、体积小、效率高，同直流电机相比，没
30、有换向器和电刷。而和异步电动机相比，它因为不需要无功励磁电流，故效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好。但它也有成本高、起动困难等缺点。与普通同步电动机相比，它没有励磁装置，结构变得简单，效率得到提升。永磁同步电机矢量控制系统可以实现高精万方数据基于DSP模块化编程的永磁同步电机矢量控制系统的设计与实现度、高动态响应、大范围的调速，因此永磁同步电机矢量控制系统在国内外学术领域得到广泛关注u5161。中国是一个永磁材料丰富的国家，特别是稀土永磁材料钕铁硼资源更是极为丰富，稀土矿的存量约为所有其他国家总和的4倍，因此被称为“稀土王国”。稀土永磁材料
31、和稀土永磁电机的研发水平都走在世界前列n 71 8|。所以，对我国来讲，永磁同步电动机有很好的发展前景。132永磁同步电机的分类不同永磁同步电机的转子磁钢的结构不同，因而使得转子磁场的分布也不同，磁场有两类，梯形波和正弦波两种。这样导致两种电机在原理和控制方式上各有不同，为了区分这两种电机所构成的交流调速系统，习惯上把正弦波永磁同步电动机构成的调速系统称作正弦型永磁同步电动机(PMSM)调速系统；而由梯形波(方波)永磁同步电动机构成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机(BLDCM)调速系统【19】。二者区别归纳如表11所示。表11正弦波和方波永磁电机
32、对比Tabl一1 The contrast ofsine wave and square wave permanent magnet motor对比项目 正弦波永磁同步电机 方波永磁同步电机中电动机每相励 面l。磁磁通分布7击 、k电动机每相电流 0，m。 、 ， k波形 7电磁转矩 小丁 柑、古 L：凰几 乙2(elm(1)转矩脉动小 (1)相电流切换时产生转矩波动运行特点 (2)可用相位补偿电控制器滞后 (2)电流控制有延迟使转矩降落(3)需磁极传感器 (3)只需简单的磁极位置传感器(4)电流控制复杂 (4)电流控制简单6万方数据青岛科技大学研究生学位论文133永磁同步电机的结构永磁同步电
33、动机转子磁路构造不同，使得其运行特性、控制系统等也有所差异。按照永磁体在转子上的位置差别，可分永磁同步电动机为三类：面装式、插入式、内埋式，如图13所示。在面装式永磁同步电动机中，永磁体呈瓦片形状，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的特点是直、交轴的主电感相等。插入式转子结构，是将永磁体嵌在转子表面下，而永磁体的宽度小于一个极距。若永磁体都采用稀土永磁材料，由于永磁材料的相对磁导率接近l，所以面装式转子结构的永磁同步电动机在电磁性能上属于隐极式电机，其直、交轴(d、q轴)同步电感基本相同，转子磁路对称。而插入式转子的构造因相邻的磁极之间的铁磁材料的磁导率很大，故插入式转子结构的永磁同步电动机在
34、电磁性能上属于凸极式电机，q轴同步电感大于d轴同步电感。这类因转子磁路的不对称性所产生磁阻转矩能够被利用来提高电动机的功率密度，改良动态性能。而内埋式永磁同步电机的永磁体处于转子里面，永磁体外部与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，能够保护永磁体，这种永磁电机的重要特点是直、交轴的主电感不相等胆0|。、节洚嘲(囝)盥(I)|蕊 _一、面装式 插入式 内埋式图13永磁同步电机按转子不同分类Fig 1-3 The classify of PMSM according to the rotor14矢量控制的发展现状及特点141矢量控制的发展与研究现状20世纪70年代矢量控制技术的诞生，矢量控制在国
35、际上一般被称为磁场定向控制，也就是把磁场的方向作为坐标轴的基准，电动机电流矢量的大小、方向均由瞬时值来表示。这个理论是1 968年Darmstader工科大学的Hasse博士初步提出的。矢量控制实现了交流电机磁通和转矩的解耦控制，使交流传动系统的动态特性有了显著的改善，开创了交流传动的新纪元。欧洲是矢量控制技术的诞生地，其研究水平一直走在世界的前列。从20世纪80年代中期到20世纪90年代初期，欧洲电力电子会议(EPE)论文集中涉及到矢量控制的论文占有很大比例。由于需要直接或间接地得到转子磁链在空间上的7万方数据基于DSP模块化编程的永磁同步电机矢量控制系统的设计与实现位置才能实现定子电流解耦
36、控制，在这种矢量控制系统中需要配留转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便尽管如此，矢量控制技术仍然在努力融入通用型变频器中。进入2l世纪以来，矢量控制的研究仍在如火如荼地进行，德国、日本和美国依然走在世界的前列。国内厂商，如森兰、汇川、英威、腾普传等公司也相继推出了高性能矢量变频器，上海艾帕电力电子公司更是率先开发出无速度传感器控制的高性能级联式高压变频器瞳H 2|。142矢量控制的特点与存在的问题1、矢量控制系统的特点1)按转子磁链定向，实现了定子电流励磁分量和转矩分量的解耦，需要电流闭环控制。2)转子磁链系统的控制对象是稳定的惯性环节，可以采用磁链闭环控制，也可以采用开环控制。
37、3)采用连续的PI控制，转矩与磁链变化平稳，电流闭环控制可有效地限制起、制动电流。2、矢量控制系统存在的问题1)转子磁链计算精度受易于变化的转子电阻的影响，转子磁链的角度精度影响定向的准确性。2)需要进行矢量变化，系统结构复杂，运算量大瞳引。15本文研究的主要内容根据前文的分析可知，研究一种新型的设计方法运用到PMSM矢量控制系统中，是一个具有理论和实用价值的课题。课题主要利用MATLAB仿真与实验相结合，依据永磁同步电机的特点，联系自己所学的知识，建立永磁同步电机的数学模型，经过对数学模型的分析然后在Simulink中运用Embedded Target工具箱选择合适模块进行系统设计，先使用S
38、imulink提供的永磁同步电机模型与嵌入式模块建立的模型，进行仿真验证，观察波形的正确性，并对其进行可行性分析。然后将仿真模块部分改成嵌入式模块部分，加入外部永磁同步电机反馈量，然后进行代码的自动生成，下载到目标板运行。本论文主要包括一下几章内容：第1章：介绍选题的背景、目的及意义，对永磁同步电机的结构和特点进行概述，解释基于模型设计的概念及其特点，它的优势及国内外的使用现状。8万方数据青岛科技大学研究生学位论文第2章：在坐标变换的基础上对矢量控制的原理进行说明。在三种不同的坐标系下对PMSM进行数学建模，然后在Simulink中进行PMSM矢量控制系统模型的建立，并进行仿真运行，最后对结果
39、进行分析。第3章：研究基于模型设计的系统开发流程，并对每一步进行详细的分析和说明。然后给出两个使用基于模型设计方法编写软件的实例，从各个模块的功能，到整体程序的编写方法，最终代码的自动生成，并下载到目标板运行，都进行了详细的分析。第4章：研究DSP基于模型的PMSM矢量控制系统的设计与仿真，主要包括两大部分：仿真模块的设计、嵌入式模块的设计。并对每个模块的工作原理进行详细分析，最后在此基础上对系统进行仿真验证，并对结果进行分析。第5章：研究DSP基于模型的PMSM矢量控制系统的实现。首先设计系统的硬件开发平台，然后基于MBD方法设计矢量控制软件，最后进行系统的运行调试。为了检验程序是否正确，代
40、码是否正常下载到目标板，首先进行PMSM基于模型设计的开环实验，通过对实验结果的观察，验证程序设计和外部硬件设计的正确性，接着对双闭环即速度环和电流环进行了调试与验证，并对结果进行分析。最后归纳本文的主要研究工作，同时对今后研究的问题和方向进行了展望。9万方数据基于DSP模块化编程的永磁同步电机矢量控制系统的设计与实现第2章永磁同步电机矢量控制的基本原理矢量控制系统是一种基于动态模型的高性能交流电动机调速系统，通过矢量变换和转子磁链定向，获得到等效直流电动机模型，然后仿照直流电动机控制策略设计控制系统，这类调速系统能够实现良好的静、动态性能。本章首先介绍三种坐标系，并论述在此三种坐标系下PMS
41、M的数学模型，然后分析按转子磁链定向矢量控制的基本原理，最后搭建PMSM的矢量控制模型并进行仿真。21坐标变换永磁同步电机三相原始动态模型相当复杂，分析和求解这组非线性方程十分困难。在实际应用中必须予以化简，简化的基本方法就是坐标变换。如果能将交流电动机的物理模型等效地变换成类似直流电动机的模型，分析和控制就可以大大简化。坐标变换正是按照这条思路进行的堙4|。常用的坐标系有三类：(1)三相静止坐标系；(2)两相静止坐标系：(3)两相旋转坐标系。211三相两相坐标系变换三相绕组A、B、C和两相绕组0【、p之间的变换，称为三相坐标系和两相正交坐标系间的变换，简称32变换，如图21。 图2-1 32
42、变换中的磁动势矢量Fig 2-1 The magnetomotive force vector of 312 conversion图21中绘出了ABC和aB两个坐标系中的磁动势矢量，将两个坐标系原点重合，并使A轴和0【轴重合。电机的电流量i在三相静止ABC坐标系下的表示为iA，fB，fc，在两相静止0【p坐标系下表示为i，i13，三相绕组每相有效匝数为N3，两相绕组每相有效匝数为N2，按照磁动势相等的等效原则，三相合成磁动势与两相合成磁动势相等，故两套绕组磁动势仪、p轴上的投影都应相等，因此：10万方数据青岛科技大学研究生学位论文(撼或)依照变换前后总功率不变，能够得出匝数比等喜，代入式(21
43、)，得：(槲靴)(2-1)(2-2)其中变换矩阵为：础睡I 陋3，212静止两相旋转正交变换从静止两相0Lp坐标系到旋转dq坐标系的变换，称作静止两相旋转正交变换，简称2s2r变换，变换的原则是产生的磁动势相等，如图22所示。图2-2 2s2r变换中的空间矢量Fig 2-2 The space vector of 2s2r conversion图2-2中绘出了ap和dq坐标系中的空间矢量，绕组每相匝数均为N2，两相交流电流i，i13和两个直流电流id，iq产生相同的按照角速度031旋转的合成磁动势F。可得变换关系如下：(轳(二兰啷sin q叭o、I。iaB)(2-4)其中，够为转子磁链与0L轴
44、之间的角度，静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系的变换阵为：zr=(二慧：；)(2-5)万方数据基于DSP模块化编程的永磁同步电机矢量控制系统的设计与实现22永磁同步电机的数学模型221永磁同步电机的数学模型为建立永磁同步电机的数学模型，做如下假设：(1)忽略空间谐波，定子三相绕组互相对称，在空间相差等电角度，其产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布。(2)忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的。(3)忽略铁芯损耗。(4)忽略频率变和温度变化对绕组电阻产生的影响瞳引。定子三相绕组轴线A、B、C是静止的，uA，uB，uc为三相定子电压，iA，iB，ic为三相定子电流，转子以角速度山旋转，1fAJ砂B
45、，1fJc为A、B、C相定子磁链，Laa，Lbb，L。是定子三相绕组间的自感系数，鸭b，鸭。，a，。，收a，收b是三相定子绕组间的互感系数，lf，f为永磁体产生的与定子绕组交链的磁链，1fJfA、砂fB、qJfc分别为永磁体在三相绕组上产生的磁链。永磁同步电机在三相ABC静止坐标系下的电压方程为：(2-6)永磁同步电机在三相ABC静止坐标系下的磁链方程为：睦)=(蓬恐Mab篷Mbc)(辇iB)+(逛) c2忉222两相静止坐标系下的数学模型数学模型在三相静止坐标系下，经过变换矩阵能够得到两相静止坐标系下的数学模型：(耠锄代入变换矩阵得到定子电压方程：(嚣)=(台跏；)+鬻磁链方程为：(2-8)
46、(2-9)一龀蚍一m蚍一m+：谚，形，配SSS尺RR=ABCUUU，、【万方数据青岛科技大学研究生学位论文(榭习 陋聊转矩方程为：瓦=詈np(山口妇一巾Bf瑾) (2-11)式中i，fB为定子电流倪p轴分量，砂，1fIB为定子磁链c【p轴分量。223两相旋转坐标系下的数学模型定子磁链方程为：1fJd，亍Ldid+1fI(2-12)L 妒q 2 qiq电磁转矩方程为：瓦=15np(1fJdfq一砂qid)=1Snp1，ffq+(LdLq)idiq (214)对于面装式的永磁同步电机，有Ld=Lq，所以有下式：瓦=15nptfIffq (2-15)式中，ud，uq为定子电压轴d、q轴分量，iq，id为定子电流q、d轴分量，1f，d
