1、 本科生毕业设计（论文）文献综述题 目： 永磁同步电动机矢量控制 DSP 硬件系统设计 姓 名： 李权 学 号： 010600538 学 院： 电气工程与自动化 专 业： 电气工程与自动化（应用电子方向） 年 级： 2006 级 指导教师： 周扬忠 2010 年 2 月 28 日永磁同步电动机矢量控制 DSP 硬件系统设计文献综述摘要：介绍了一种基于矢量控制理论的永磁同步电动机控制系统。该系统以数字信号处理器(DSP) 为核心器件,采用速度、电流双闭环控制策略,同时将矢量控制和电压空间矢量脉宽调制(SVPWM) 控制应用到系统的闭环控制中。阐述了系统的工作原理、硬件结构和软件编程,最后进行了实
2、验研究。实验结果表明,该系统具有硬件设计独特、抗干扰能力强以及动态响应快等优点。关键词：永磁同步电动机，矢量控制，DSP 硬件设计1 引言永磁同步电动机具有转动惯量小、响应速度快、效率高和功率密度高等优点,因此在高性能的伺服领域中得到了广泛应用。但是永磁同步电动机存在非线性、时变性和强耦合的特点,因此采用经典的基于对象模型的控制算法难以得到有效的控制 。从改善永磁同步电动机系统的性能出发,采用矢量控制策略,实现了直轴电流i d和转矩分量电流i q的解耦,同时将SVPWM 控制应用到系统的闭环控制中,从而简化了系统设计并实现了宽范围调速。本设计以DSP芯片TMS320F2806为核心, 采用先进
3、的SVPWM控制技术, 结合硬件电路,对永磁同步电动机的控制系统进行硬件设计, 使系统具有良好的动静态性能。2 永磁同步电动机2.1 永磁同步电动机发展概况世界上第一台电机是由Barlow于1831年发明的。但是，由于当时采用的天然磁铁磁性能太差，电机的磁能积不足而很快被电励磁电机所取代。到本世纪20年代，美国GE公司利用铁氧体磁钢研制出一批微型永磁同步电动机，但功率很小。到了六七十年代，第一代和第二代稀土钐钴永磁材料SmCo5，SmCo17 相继问世，其优异的磁性能使得永磁电机的发展呈现出新的、繁荣的生机。但是钐、钴均为稀有金属，价格昂贵，给实际广泛的应用带来了困难。1983年，日本住友特殊
4、金属公司、美国通用汽车公司分别研制成功稀土钕铁硼（NdFeB）永磁材料，国际上称为第三代稀土永磁材料。 NdFeB磁钢磁能积高，性能优越，而且原材料丰富，价格较便宜，尤其我国是稀土大国，总储量占世界的80%，因此，研制、开发NdFeB永磁电机更具有得天独厚的条件。从 1984年起，各工业发达国家竞相研制高性能永磁电机。日本住友公司和美国通用公司分别批量制造用于计算机外存储器的音圈电机及NdFeB永磁汽车起动电机；德国西门子公司经十多年努力，采用多种结构，研制成功用于化纤工业的高速永磁电动机和用于交流调速系统的IUA3系列永磁同步电动机。与传统异步电机相比，稀土NdFeB永磁同步电动机的优点在于
5、：(1)明显的节电效果。效率表示电机运行时有功功率的利用率；而功率因数则表示电动机运行时的无功功率的利用率。效率与功率因数的乘积综合反应了电动机在能量转换过程中的电能利用的有效性，是衡量电动机能力水平高低的重要指标。永磁同步电动机用永磁体取代电励磁，且无励磁损耗；在同步运行时，转子绕组中无感应电流，就没有铜耗，由于定、转子同步，转子铁芯中也没有铁耗。因此，永磁同步电机的效率较电励磁同步电机和异步电机为高，而且不需要从电网吸取滞后的励磁电流，从而大大节约了无功，极大地提高了电机的功率因数(2)稀土永磁NdFeB磁钢具有很高的磁能积，它的剩余磁感应强度B r、矫顽力H C都较大，用较少的永磁磁钢就
6、能产生足够的电机磁能积，因此电机体积、尺寸可以大为减小，成为高效率、高密度电机。(3)对于采用NdFeB的永磁同步电动机，转子上不需要电励磁装置，大大简化了转子结构，提高了电机运行的稳定性。80年代以来，随着电力电子技术的飞速发展，交流调速已经到了可以与直流调速相媲美的程度，并大有后来居上的趋势，而交流变频调速又是当前交流电机凋速的主要发展方向虽然永磁同步电动机具有以下优点：(1)电机转速与电源频率间始终保持准确的同步关系，控制电源频率就能控制电机的转速；(2)永磁同步电机具有较硬的机械特性，对于因负载变化而引起的电机转矩的扰动具有较强的承受能力；(3)由于永磁电动机转子上有永久磁铁作为励磁，
7、电机可以在很低的转速下保持同步运行，调速范围宽；(4)一定范围内的开环调速，比交流异步电动机的闭环调速更具优越性但永磁同步电动机及其调速系统也存在着电压、电流，磁通、转矩的“脉动”或“振荡”现象，都是亟需研究的问题 1。2.2 永磁同步电动机的运行控制永磁同步电动机的运行可分为外同步和自同步二类。用独立的变频电源向永磁同步电动机供电，同步电动机转速严格地跟随电源频率而变化，此即为外同步式永磁同步电动机运行。外同步运行常用于开环控制，由于转速与频率的严格关系，此运行方式适合在多台电动机要求严格同步运行的场合使用。70 年代人们对交流电机提出了矢量控制的概念。这种理论的主要思想是将交流电机电枢绕组
8、的三相电流通过坐标变换分解成励磁电流分量和转矩电流分量，从而将交流电动机模拟成直流电动机来控制，可获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。这种控制方法已经成熟，并已成功地在交流伺服系统中得到应用。在现代的PMSM 运动控制系统中， 同步电动机比异步电动机更便于实现磁场定向控制，可获得与直流电动机一样优良的转矩控制特性，使控制系统具有优良的动、静态特性。目前，永磁同步电动机无传感器控制技术也是电机控制技术中非常活跃的一个领域。国外的许多研究机构和大学仍然对于永磁同步电动机无传感器控制方法进行研究，国内的许多高校和研究机构也对电机的无传感器控制技术进行了研究。无传感器控制技术已成为交流传动研究领域
9、的一个重要方向， 无传感器技术的研究在高速电机、微型电机、航空航天、水下机器人、家用电器等一些特殊场合具有重要意义 2。2.3 永磁同步电动机的应用规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现代永磁同步电动机的控制集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表，它们的飞速发展促进了电机控制技术的发展与创新。它不仅是高新电子信息产业的核心，又是不少传统产业的改造基础。能源危机使节能成为动力机械的重大课题，高性能永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。在同步电动机中用永磁体取代传统的电激磁磁极的好处是：用永磁体替代电激磁磁极，简化了结构，消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积；
10、省去了激磁直流电源，消除了激磁损耗和发热，具有明显的节能效果。尤其在现代的PMSM 控制系统中，它比异动电动机更便于实现磁场定向控制，可以获得与直流电动机一样的优良转矩控制特性，使控制系统具有十分优良的动静态特性 3。3 永磁同步电动机矢量控制3.1 永磁同步电机的数学模型为了便于分析，在建立数学模型时常忽略一些影响较小的参数，做如下假设 4：(1)忽略电动机铁心的饱和；(2)不计电动机中的涡流和磁滞损耗；(3)定子和转子磁动势所产生的磁场沿定子内圆是按正弦分布的，即忽略磁场中的所有空间谐波；(4)各相绕组对称，即各相绕组的匝数和电阻相同，各相轴线相互位移同样的电角度。在分析同步电机的数学模型
11、时，常采用坐标变换的方式，常用的坐标系有两相同步旋转坐标系为 dq 坐标系和两相静止坐标系为 坐标系。故可以得到永磁同步电动机在幽旋转坐标系下(见图1) 的数学模型为：若电机为隐极电机，即 ，选取定子电流 ， 及电机机械角速度 为状态变qdLdiq量，可以得到永磁同步电机的状态方程如下式所示： JTLuiJBnRi qdfpfpSpSqd /00/ 从上式中可以发现，三相永磁同步电机是一个多变量系统，而且 ， ，之间diq存在着非线性耦合关系，要想实现对三相永磁同步电机的高性能控制，是一个颇具挑战性的课题。3.2 永磁同步电动机矢量控制的基本原理和控制策略20世纪70年代,由德国学者首先提出的
12、交流电动机的矢量控制( Transvector control)理论,从理论上根本解决了交流电动机转矩的高性能控制的问题。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,将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量,并使得两个分量互相垂直,彼此独立,然后对其分别进行调节,从而获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。建立永磁同步电动机的d - q轴数学模型不仅可用于分析电动机的稳态运行性能,也可用于分析其瞬态性能。d - q坐标系中,永磁同步电动机的基本电压方程通常可以表示为: qrdsiLiRufrqse式中 ， d，q轴电压； ，
13、 d，q轴电流； ， d，q轴电感； dudi d sR电枢绕组的电阻； 电机旋转的角速度； 电机旋转切割永磁体磁链产生的电rfe势。永磁同步电动机的电磁转矩可表示为： )(qdqfnemiLiPT式中 永磁同步电机的极对数； 电机永磁体磁链。nPf假设:(1)忽略磁路中铁心的磁饱和; (2) 定子电枢绕组的空载电势是正弦波; (3)转子上无阻尼绕组; (4)不计铁心的涡流损耗与磁滞损耗。则其电磁转矩公式可以简化为: qfnemiPT通过检测定子绕组电流和转子位置角度,可以计算出实际的 , 。通过PI调节器控制diq它们与给定的值大体相等,即实现了永磁同步电动机的矢量控制。此时,电机的电磁转矩
14、与交轴电流 成正比,电机表现为类似直流电动机的外特性。与直流电动机相似,外加速度PIqi调节器还可以实现对电动机转速的控制。从而得到永磁同步电动机矢量控制系统框图如图2所示。图2 永磁同步电动机矢量控制系统框图4 DSP技术在永磁同步电动机运动控制系统中的应用4.1 Dsp简介DSP 技术是当代一种高新技术,越来越广泛地应用到如工业、农业、卫生和国防等多个领域。现代信息化社会也迫切需要大量掌握DSP技术的技术人才。DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修
15、改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。 DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点： （1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； （2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； （3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据
16、总线在两块中同时访问； （4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； （5）快速的中断处理和硬件I/O支持； （6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； （7）可以并行执行多个操作； （8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。4.2 DSP技术在永磁同步电动机运动控制系统中的应用伺服系统常用于快速、准确、精密的位置控制场合，因而不仅要求电机的过载能力强，转动惯量和转矩脉动小，具备线性的转矩-电流特性，而且要求控制系统的通频带和放大系数尽可能高，以便使整个伺服系统具有良好的动、静态性能。永磁同步电机（PMSM）用永磁体取代绕线式同步电机转子中的励磁绕组，省去了励磁线圈、电
17、刷和滑环，不消耗励磁功率，效率高，结构简单，所以PMSM在伺服系统中得到了广泛的应用。特别是近20 年来，由于高磁性稀土钴合金和钕铁硼合金的出现，使PMSM 从体积、重量、价格等方面都有了很大的改善，已成为电机强有力的竞争对手。随着嵌入式控制市场的不断扩大，用户希望能在驱动系统中集成更多的功能，以达到更高的性能。然而用8 位或 16 位微处理器实现电机的闭环控制，因其内部体系结构和计算功能有限，阻碍了高性能的实现。目前，在永磁同步电动机矢量控制设计中使用最多的是TI公司的TMS320LF2407系列数字信号处理器（DSP)。它是专门为高速控制应用设计的，集DSP 的高速运算能力和面向电机的高效
18、控制能力于一体，堪称业界最具竞争力的数字电机控制器。4.3 DSP-TMS320F2806本课题采用的控制芯片为TI公司的TMS320F2806 。TMS320F280x系列是美国德州仪器公司的数字信号处理器，该系列处理器是基于TMS320C2xx内核的定点DSP ，是集成度较高、性能较强的运动控制系列器件。器件内部集成多种先进的外设，为电机及其他控制应用提供良好平台。TMS320F2806的主要特点如下：采用高性能静态CMOS技术内核与I/O 的供电电压分别为18 V和33 V降低了控制器损耗：100 MI/s的执行速度使指令周期缩短至 10 as提高控制器的实时控制：片内含有高达32 KB
19、 x16的Flash程序存储器、10 KBx16 bit的SRAM、10 KBxl6 bit的OTPROM以及 4 KB x16 bit的Boot ROM；12位A/D转换器。最小转换时间为160 as。8个或16个多路复用输入通道采样时间与转换时间分开。提高了采样率和输入阻抗，支持自动顺序采样。无需CPU干预：多达16路的PWM为高效的马达控制(双电机控制)提供便利，其中6路为HRPWM(高分辨率脉宽调制) ，时间步长精度高达到150 ps，可控制所有类型电机：eCAN总线控制器可为控制器、传感器、激励源以及其他节点提供良好通讯适用于工业现场和汽车等大噪声和恶劣环境。5 结束语随着机器人、数
20、控机床等技术的发展,人们对高性能伺服系统的要求不断增长,而永磁同步电动机控制系统能实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制,因此永磁同步电动机控制系统已经成为中小容量交流控制系统研究的重点之一。参考文献1 王群京.稀土钕铁硼永磁同步电动机的设计理论及计算机仿真.1997/12.2 费飞.基于同步电动机技术的研究.科技信息.2009/13.3 谭弗娃.同步电机的发展前景.2004.4 田淳,胡育文 .永磁同步电机直接转矩控制系统理论及控制方案的研究J. 电工技术学,2002/17.5 陈伯时,陈敏逊 .交流调速系统M.1998.6 秦忆.现代交流伺服系统M.1994.7 李志民,张遇杰 .
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