1、运动控制系统课程设计题 目： 三相永磁同步电动机变频调速系统设计 专业班级： 自动化姓 名： 学 号： 指导教师： 评阅意见：指导老师签名： 日期： 2014 年 月 日 摘 要本论文在研究永磁同步电动机运行原理的基础上详细讨论了其变频调速的理论并且设计了一套基于 DSP 的永磁同步电动机磁场定向矢量控制系统。永磁同步电动机相对感应电动机来说具有体积小、效率高以及功率密度大等优点，因此自从上个世纪 80 年代，随着永磁材料性能价格比的不断提高，以及电力电子器件的进一步发展，永磁同步电动机的研究也进入了一个新的阶段。由于永磁同步电动机自身具有比感应电动机更为优越的性能，而且其 dq 变换算法相对
2、简单、电机转子磁极的位置易于检测，因此交流调速的矢量控制理论在永磁同步电动机的控制领域也得到了同样的重视，有关永磁同步电动机矢量控制研究的成果陆续发表。本文就是应用电压矢量控制 SVPWM 实现对永磁同步电机的转矩控制，使其拥有直流电机的性能。关键词：永磁同步电机 矢量控制 dq 变换 DSP目 录1 绪论11.1 研究背景与意义.11.2 研究现状及应用前景.12 永磁同步电机的矢量控制方法33 硬件电路设计43.1 电流检测电路.43.2 转速检测和转子磁极位置检测电路.53.3 PWM 发生电路.63.4 IPM 智能功率模块驱动电路73.5 系统保护电路.83.6 人机接口电路.94
3、软件设计9设计心得12参考文献1301 绪论1.1 研究背景与意义众所周知，电动机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为了在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法：一种是在电机绕组内通以电流来产生磁场，这种电励磁的电机既需要有专门的绕组和相关的装置，又需要不断的供给能量以维持励磁电流的持续流动；另一种方法是用永磁体来产生磁场。由于永磁体材料的固有特性，它经过预先磁化(充磁)后，不需要外加能量就能够在其周围空间建立磁场。永磁电机的发展是与永磁体材料的发展密切相关的。近几十年来，由于各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、构成和制造技术进行
4、了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢、钴钢等多种永磁材料。特别是 20 世纪 30 年代出现的铝镍钻永磁和 50 年代出现的铁氧体永磁，磁性能有了很大的提高，各种微型和小型电机又纷纷采用永磁体励磁。永磁电机的功率小至数毫瓦，大至几十千瓦，在军事、工农业和开常生活中得到了广泛的运用，产量急聚增加。按照工作原理，电动机一般分为直流电动机和交流电动机两大类。直流电动机的转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流恒定，通过改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。交流电动机的诞生已经有一百多年的历史。交流电动机又分为同步电动机和感应(异步)
5、电动机两大类。20 世纪 80年代以前，在变速传动领域，直流调速一直占据主导电位。随着交流调速技术的发展使交流电机的应用更加广泛，但是其转矩控制性能却不如直流电机。因此如何使交流电机的静态控制性能与直流系统相媲美，一直是交流电机的研究方向。本文就是针对永磁同步电机进行的矢量控制的变压变频调速系统设计。1.2 研究现状及应用前景自从上个世纪 80 年代以来，随着电机调速控制理论、电力电子和微电子技术的迅速发展以及永磁材料性能价格比的不断提高，永磁同步电动机的变频调速进入了深入研究和广泛应用的阶段。由于永磁同步电动机自身具有比感应1电动机更为优越的性能，而且其 dq 变换算法相对简单、电机转子磁极
6、的位置易于检测，因此交流调速的矢量控制理论在永磁同步电动机的控制领域也得到了同样的重视，有关永磁同步电动机矢量控制研究的成果陆续发表。与此同时，对永磁同步电动机的调速控制性能也提出了更高的要求：高性能的永磁同步电动机调速系统除了要有良好的转矩控制性能外，还应具有较宽的调速范围。随着现代工业生产方式的益自动化发展的需要，对作为其中重要组成部分的现代电伺服系统提出了越来越高的性能和技术要求，以永磁同步电动机为核心的电伺服系统具有精度高，稳定性好，转速高，功率密度大等特点，已日渐成为电伺服驱动系统的主流，尤其是在高精度、高性能要求的中小功率伺服领域更是具有取代传统直流伺服系统的趋势。从其应用领域的特
7、点和永磁同步电动机伺服系统自身技术的发展来看，今后永磁同步电动机伺服系统将向着以下两个方向发展：一个是适用于简易数控机床、办公自动化设备、家用电器、计算机外围设备以及对性能要求不高的工业运动控制等领域的简单、成本低的永磁同步电动机伺服系统；另一个方向则是适用于高精度数控机床、机器人、特种加工设备精细给进驱动以及航空、航天用的高性能的全数字化、智能化、柔性化的永磁同步电动机伺服系统。而后一个作为更能充分体现永磁同步电动机伺服系统优点的发展方向也必将是永磁同步电动机伺服系统的重点发展方向。22 永磁同步电机的矢量控制方法由电机学理论可知，在三相定子绕组中通入三相对称的电流，可以产生相应的三相磁动势
8、。其合成磁动势是一个圆形的空间旋转磁势。而且可以证明，旋转磁势可以形成一个圆形旋转磁场（若不考虑磁滞和涡流损耗，则旋转磁势和旋转磁场在空间上同相位） ，并与电机的转子永磁体所产生的磁场相互作用形成电磁力，从而推动转子旋转。由于电动机的转速与电源频率保持严格的同步关系，因而速度不可调。与感应电动机的控制相类似，高性能的永磁同步电动机的变频调速策略也有两种：矢量控制和直接转矩控制。矢量控制技术是从直流电动机的控制中得到启发，其励磁磁通和电枢磁势方向互相垂直，两者互不影响，励磁绕组和电枢绕组又相互独立，故可分别调节其励磁电流和电枢电流，实现对转矩的独立控制。永磁同步电动机的矢量控制就是分别控制定子电
9、流的幅值和相位，包含了 id=0 控制、cos=l 控制、恒磁链控制、最大转矩/电流控制等不同的控制方法。将永磁同步电机的转子励磁磁势方向定为 d 轴，超前 90 度的方向定义为q 轴，于是可以建立 dq 旋转坐标系。dq 轴电流的控制是通过 dq 轴电压的控制实现的。但 dq 轴电压无法直接输出，需要转换到三相静止坐标系中输出，系统的控制方案可以设计为图 2.1 所示。位置调节器ASRACR2 / 3变换三相电压源逆变器ACR速度计算a b c位置传感器d q给定给定i q给定u qI d 给定 = 0i qi di ai bi cP M图 2.1 系统结构图33 硬件电路设计系统采用的 D
10、SP 芯片为 TMS320F2407，它是电机专用控制 DSP，集成了相当多的电机控制外围电路，这使得系统硬件设计变得十分简单。硬件系统的主回路采用交一直一交电压型逆变器(VSI)形式，由不控整流桥、滤波电容、逆变器以及作为控制对象的永磁同步电动机等组成。硬件部分主要包括：人机接口、整流逆变装置、电流检测、光电码盘信号采集、系统保护等，硬件结构图如图3.1 所示。对 LF2407 控制器而言，其输入量主要为每一采样周期采样的 a、b相定子电流信号和由增量式脉冲编码器输出的电机转速信号，输出量主要为IPM 功率模块的控制信号。串行接口故障检测D S P 控制器T M S 3 2 0 L F 2
11、4 0 7三相电源三相整流电路I P M 逆变电路驱动电路电流传感器脉冲编码器P M S M图 3.1 系统硬件结构框图3.1 电流检测电路在没有中线时，可以认为电动机定子三相电流之和为 0，因此检测 a、b 两相电流值可以重构出 c 相电流。本系统检测电流使用霍尔电流传感器。由于霍尔元件输出的是弱电流信号，因此必须将该电流信号转换成电压信号，且由于霍尔传感器的输出为有正负方向的电流信号，其转换得到的电压信号也有正负，而 TMS320LF2407 的片内 A/D 转换器的输入为 0+5V 的电压信号，因而需要4电平偏移电路，将有正负极性的电压信号转换为 LF2407A/D 转换器所需的单极性电
12、压信号。电流采样电路的原理框图如图 3.2 所示。L E M2 . 5 V 电压偏移A D C 输入电压放大器输出电压霍尔元件输出电压图 3.2 采样电路原理图3.2 转速检测和转子磁极位置检测电路高性能的变频调速系统一般都要求有高精度的速度和转子位置反馈元件。光电编码器是一种直接将角位移变量转换为数字信号的检测元件。因为具有较高的分辨率和简单的接口电路，所以特别适合于交流调速系统。系统中选用增量式光电脉冲编码器检测转速，转子速度和位置检测的 DSP 外部接线电路如图3.3 所示。图中 PCA、PCB 是从编码器上引出的增量式光电信号，两路信号相位相差 90 度。C1、C2 、 C4、C8 是
13、从编码器混合编码盘得到的反映电机转子绝对位置的光电信号，按照格雷码规律变化，其中，C1 的变化频率是 C2 的一倍，是 C4、 C8 的四倍， C4、 C8 同频率，但相位相差 90 度。整形后的信号，PCA连接到 DSP 的 CAP1、CAP3 管脚，PCB 连接到 CAP2、CAP4 管脚。格雷码信号 Cl、 C2、 C4、C8 分别接到 DSP 的 4 个通用 10 端口IOPA0、IOPA1、IOPA2、IOPA3。C1 还同时连接到外部中断检测管脚 XINT2和 XINT3。5TMS320LF2407隔离放大混合编码盘C A P 4C A P 3C A P 2C A P 1I O P
14、 A 3I O P A 2I O P A 1I O P A 0X I N T 3X I N T 2P C BP C AC 1C 2C 4C 8图 3.3 外部接线图3.3 PWM 发生电路片上 PWM 发生电路是 LF2407 实现单片电机控制的又一硬件保证，它使在产生用于电机控制和运动控制场合的脉宽调制波形时，把 CPU 开销和用户的干预降至最少。在本系统中，我们使用空间矢量 SVPWM 波形发生器，由其产生的 PWM 信号进入死区发生单元，死区宽度从 0 102.4s 可调。要产生一个PWM 信号，需要一个合适的定时器来重复产生一个与 PWM 周期相同的计数周期，一个比较寄存器保持着调制值
15、。比较寄存器的值不断地与定时计数器的值相比较，当两个值匹配时，在相应的输出上就会产生一个变换(从高到低或从低到高)。当两个值之间的第二个匹配产生或一个定时周期结束时，相应的输出上会产生又一个转换(从低到高或从高到低)。通过这种方法，所产生的输出脉冲的开关时间就会与比较寄存器的值成比例。在每个定时器周期中，这个过程都会出现，但每次比较寄存器中的调制值是不同的，这要由控制软件根据每个采样周期的反馈量实时计算得到。这样在相应的输出引脚就会产生一个 PWM 信号。在 PWM 发生电路中，还有一个关键部分即死区发生。在系统主回路中，两个功率器件被串联放在一个功率转换支路中。为避免击穿失效，两个器件的导通
16、时问必须不能重叠，这样就需要一对非重叠的 PWM 输出来正确地开关这两个器件。为此，在一个功率器件的关断和另一个功率器件的导通之间要插入一段死区。这段延迟允许一个器件在同一桥臂上的另一器件导通之前完全关断。图 3.4 为一个全比较单元的死区逻辑的框图。死区单元的输入为 PHl、PH2 和PH3，分别来自于全比较单元的波形发生器。其输出有 DTPHl、DTPHl-6、DTPH2、DTPH2-、DTPH3 和 DTPH3-，分别对应于 PHl、PH2 和PH3。PWMx(1、3、5)信号的输出根据 DTPHx 来决定，ACTR 控制高有效时输出 DTPHx，低有效时输出为 DTPHx 取反。PWM
17、x(2、4、6)信号的输出根据DTPHx-一来决定，ACTR 控制高有效时输出 DTPHx-，低有效时输出为DTPHx-取反。DSP 的死区根据 ACTR 的高低有效性而改变，高有效时不允许上下桥臂的控制信号同时为高电平，低有效时不允许同为低电平，因此 DSP 死区对高低电平开通的功率管都有效。软件产生死区只须将 DBTCON 高 8 位载入死区时间值即可实现。D B T C O N死区控制寄存器边沿检测预定标比较逻辑D B T C O N死区控制寄存器C L KE N计数器D T P H XD T P H xP H x内部 C P U 时钟图 3.4 死区逻辑框图3.4 IPM 智能功率模块
18、驱动电路系统选用智能功率模块 6MBP25RAl20 构成的电压型变频器为三相桥式结构，模块工作时需外部提供独立的驱动电源基极控制信号，通过光电隔离电路接于模块接口。智能功率模块是把功率放大器件与起控制作用的逻辑电路和检测电7路集成在一起，完成驱动信号放大、功率放大及各种保护等功能，具有 IGBT的开关特性。系统 IPM 的驱动接口电路如图 3.5 所示。其外部控制电源有四组，三组电源分别为 U、V、W 三相的上桥臂驱动电路供电，第四组电源供给三个下桥臂元件。六个 IGBT 的基极驱动信号都是低电平有效的信号，与外部控制电路通过光电隔离器件 TLP559 隔离。TLP559 将 DSP 输出的
19、 05V 的 PWM信号转换成 015V 的驱动信号。R2110KR11330Q?NPNC110.1FVUP1VUPCVCCDPU+UP4712231568OPT1 TLP559 图 3.5 IPM 的驱动接口电路3.5 系统保护电路为保证系统中功率转换电路及电机驱动电路的安全可靠，LF2407 还提供了一个外部中断输入引脚一一 PDPINT。该中断为功率驱动保护专用设计。整个过程不需要程序干预，全部自动完成，这对实现各种故障状态的快速处理非常有用。为了保证系统的安全运行，实际系统中设计了如下的硬件故障检测和保护环节：(1)直流过电压。当逆变器直流侧的电压高于某特定值时，会危及功率器件和滤波电
20、容器的安全。因此为防止直流电压过高，设计了直流过电压保护电路；(2)控制电路欠压。当控制电源电压过低时，会引起控制信号紊乱，使8控制系统有可能发生误动作，为此设计了欠压保护，在欠压时停止控制系统的工作，以保护逆变器功率器件；(3)IPM 故障。当 IPM 内部检测到过流、短路、模块驱动控制电压欠压或者模块温度过高时，输出故障报警信号，使系统能够采取适当的方式关断功率器件。系统保护功能框图如图 3.6 所示。P D P I N T光电隔离或门T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7过电压欠压过电流各种故障图 3.6 系统保护功能框图3.6 人机接口电路为了方便系统调试，系统设计了一套简单的
21、人机接口电路，实现 DSP 和上位机之间的通讯。调试人员可以在系统运行之前设定电机的给定速度、PI 调节器比例、积分系数等系统参数，并能够在电机运行时随时改变给定速度。TMS320LF2407 提供了串行通讯接口 (SCI)，它的两个外部引脚分别是串行通讯数据的接收引脚和发送引脚。系统通过 RS232 协议与上位机的 COM1 口进行通讯。94 软件设计本系统软件程序结构是由一个主程序和四个中断程序组成。四个中断程序分被为定时器 l 下溢出中断，实现转速环和电流环的采样计算； XINT 中断程序参与转子位置检测；CAP 中断程序和定时器 2 中断服务程序共同实现 M/T 法转速的检测。图 4.
22、1 为主程序流程图，图 4.2、图 4.3、图 4.4、图 4.5 分别为四个中断程序流程图。10主程序封锁 P W M 输出启动系统主电路正常与上位机通讯参数设置初始化转子位置初始定位开中断关闭系统封锁 P W M 输出关中断NYNYNY定时器 1 中断服务程序保护现场关中断转速采样读光电编码器的计数值计算转子位置得转子位置的正余弦计算电流反馈坐标变换 电流调节器计算得指定电压值S V P W M 运算控制输出开中断恢复现场中断返回图 4.1 主程序流程图 图 4.2 定时器 1 中断程序流程图11I N T 中断服务程序保护现场关中断读取格雷码求转子绝对位置记录当前计数值恢复现场开中断返回
23、C A P 3 / 4 中断服务程序保护现场关中断读取 T 2 C N T ， 计算 m 2停止定时器 2 ， 清零 T 2 C N T重新启动定时器读取 T 3 C N T 值 ， 计算 m 1计算转速屏蔽 C A P 3 / 4 中断恢复现场关中断返回图 4.3 转子绝对位置处理程序 图 4.4 CAP3/4 中断服务程序流程定时器 2 中断程序保护现场关中断使能 C A P 3 / 4 中断恢复现场关中断返回图 4.5 定时器 2 中断服务程序流程12设计心得经过一周的课程设计，我对于运动控制这门课程又有了进一步的认识。在这一周中，通过和同学们讨论，和老师交流，最终完成了本次课程设计。通
24、过此次设计，让我们对之前所学的各门课程（如单片机、DSP 等）有了一个更深的理解，让我们能对于自己的专业又有一个更清醒的认识，能够站在更高的角度去审视我们学习的成果，也让我们有机会并且有意识地将以往所学的知识串成一个系统，让我们能够对自己所学有所思考，能够在各个环节上查漏补缺，知道我们学习的具体目的。在这次设计的过程中，我也遇到了许多的问题。让我对于之前走马观花式学过的知识或者没太弄明白的知识，最终都有了一个更清楚的认识。这次遇到了这么多麻烦，也算是对我之前学习不太仔细的一次教训吧！13参考文献1陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统M.4 版.北京：机械工业出 版社，20102刘和平，等.DSP 原理及电机控制应用-基于 TMS320LF240x 系列M.北京：北京航空航天大学出版社，20063唐任远现代永磁电机理论与设计北京：机械工业出版社，20004徐广人，唐任远，安忠良永磁同步电动机气隙磁场分析沈阳电力高等专科学校校报，200l，3(2)5万文斌，徐衍亮，唐任远永磁同步电动机的高性能电流控制器中国电机工程学报，2000，20(12)
