《永磁同步电机SPWM控制器设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《永磁同步电机SPWM控制器设计（55页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘 要摘 要本文主要介绍了利用正弦脉宽调制技术对永磁同步电动机进行恒压频比开环调速的控制器功率设计。正弦脉宽调制技术是常用的一种脉宽调制技术，用一系列脉冲宽度按正弦规律变化的脉冲代替正弦波。本文介绍了基于面积等效原理，采用查表法，利用MSP430单片机生成正弦脉宽调制（SPWM）波的方法。在功率电路中，以半桥驱动器IR2103s为驱动芯片，驱动N沟道场效应晶体管IRF540N构成逆变桥，将直流电逆变为交流电通入三相正弦永磁同步电动机。在调速中，采用分段同步调制技术对电机进行调速。在调试过程中，应用直流电动机H型主电路可逆脉宽调速的原理对原有的控制器功率电路的性能进行调试测试。关 键 词：正弦脉
2、宽调制；永磁同步电动机；MSP430单片机；分段同步调制IIIABSTRACTABSTRACTThis paper described the open-loop power controller design for permanent magnet synchronous motor by using sinusoidal pulse width modulation technique. Sinusoidal pulse width modulation technique is commonly used as a kind of pulse width modulation tech
3、nology, with a series of pulses instead of the sine wave and the width of the pulses are changing as sinusoidal. Introduction was made to the method of sine pulse width modulation (SPWM) wave generated by table searching, which is based on area equivalence principle. In the power circuit, the half-b
4、ridge driver chip IR2103s was used to drive N-channel field effect transistor IRF540N which constituted the inverter bridge so that the current fed three-phase sinusoidal permanent magnet synchronous motor. The sub-synchronous modulation technique was used to regulate the motor speed. During the com
5、missioning process, the performance test of the original controller power circuit was with H-type main circuit DC motor reversible PWM speed control principle.KEY WORDS: Sine pulse width modulation; Permanent magnet synchronous motor; MSP430 single chip; Sub-synchronous modulation technique目 录绪论目 录1
6、 绪论11.1 课题的研究背景和意义11.2 课题对象的特点及控制要求21.3 课题任务和要求31.3.1 课题的主要任务31.3.2 课题的基本要求31.4 设计思路32 控制器硬件设计52.1 概述52.2 硬件电路的设计52.3 元器件的参数和功能62.3.1 电力场效应晶体管62.3.2 半桥驱动器IR2103s72.3.3 光电耦合器6N13782.4 印制电路板的设计及注意事项92.5 本章小结103 控制器软件设计113.1 正弦脉宽调制技术113.2 SPWM波的生成方法123.2.1 计算法和调制法123.2.2 异步调制和同步调制123.2.3 自然采样法和规则采样法133
7、.3 SPWM波生成的软硬件环境及实现方法143.3.1 SPWM波生成的硬件环境143.3.2 SPWM波生成的软件环境IAR153.3.3 MSP430的编程方法和SPWM波的生成163.4 本章小结184 控制器的调试及运行结果194.1 控制器的软硬件完成情况194.2 调试中出现的问题204.3 直流电动机可逆脉宽调速H桥主电路214.4 直流电动机H桥主电路可逆脉宽调速调试及运行结果214.5 本章小结235 结论与展望24参考文献25附 录1 英语文献原文26附 录2 英文文献翻译34附 录3 控制器硬件电路原理图47附 录4 印制板PCB设计图48附 录5 SPWM波生成程序4
8、9致 谢52 4 控制器的调试及运行结果1 绪论1.1 课题的研究背景和意义直流和交流异步伺服电动机的转速是随电机轴上所带的负载阻转矩或者加在控制绕组上的信号电压的改变而变化的1。但是在有些控制设备和自动装置中，往往要求电动机具有恒定不变的转速，即要求电动机的转速不随负载和电压的变化而变化。同步电动机就是具有这种特性的电动机。目前，功率从零点几瓦到数百瓦的各种同步电动机，在需要恒速运转的自动控制装置中得到了广泛的应用。例如它们用于自动和遥控装置，无线电通讯设备，同步联络系统，磁带录音和钟表工业等。 小功率同步电动机是交流电动机，在结构上主要是定子和转子两部分组成。各种同步电动机的定子与一般异步
9、电动机的定子没有什么不同，定子铁心通常也是由带有齿和槽的冲片叠成，在槽中嵌入三相或两相绕组。当三相电流通入三相绕组或两相电流通入两相绕组时，在定子中就会产生旋转磁场。旋转磁场的转速即为同步转速，以下式表示： （1-1）式中：ns同步转速/ r·min-1; f电源频率/Hz; p电机极对数。 各种小功率同步电动机的定子都是相同的，或者是三相绕组通入三相电流，或者是两相绕组通入两相电流，其主要作用都是为了产生一个旋转磁场。但是转子的结构型式和材料却又很大差别，因而其运行原理也就不同。根据转子型式的不同，小功率同步电动机主要可分为永磁式电动机、反应式电动机、磁滞式电动机等。 永磁式同步电
10、动机的转子由永久磁钢做成。它可以做成两极的，也可以做成多极的。其作用原理相当简单，这里以两极电动机简单加以说明。当同步电动机的定子通上交流电源后，就能产生一个旋转磁场。当定子旋转磁场以同步速ns旋转时，根据N极与S极相互吸引的道理，定子旋转磁极就要与转子永久磁极紧紧吸住，并带着转子一起旋转。由于转子是由旋转磁场带着转的，因而转子的转速应该与旋转磁场转速相等。12 随着永磁材料性能的不断提高，高性能低价格永磁材料（如钕铁硼）的出现，使永磁式同步电动机的应用范围更加扩大。与其它型式同步电动机相比，它出力大，体积小，耗电小，结构简单、可靠，因而已成为同步电动机中最主要的品种。目前功率从几瓦到几百瓦，
11、甚至是几个千瓦的永磁同步电动机在各种控制系统中得到广泛的应用。 在高性能的控制系统中，同步电动机的同步速调节主要采用矢量控制和直接转矩控制。而在一般情况下，同步速的调节主要是通过变频来实现。近十几年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其有意的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。3而在变频调
12、速中，脉宽调制（PWM） 技术具有优良的调压和调频性能, 使得其在变频调速系统中得到了广泛的应用。脉冲宽度调制的方式很多, 其中应用最广, 也是最成熟的是正弦脉宽调制技术, 即SPWM。目前，正弦脉宽调制技术已经在变频电源领域、直流输电领域、交流调速领域等许多领域得到了广泛应用。为了提高整个系统的控制效果，生成高性能的SPWM脉冲一直是人们不懈探索努力的目标。45一直以来生成SPWM 波的方法有很多种。其中采用模拟电路和数字电路等硬件电路来产生SPWM 波形是一种有效的方法，但是这种实现方法的有控制电路复杂、抗干扰能力差、实时调节比较困难等缺点，性能不高，常常不能令人满意。而随着微控制器( 如
13、单片机)的高速发展，其内部集成了许多控制电路，如定时器、PWM 电路、可编程计数器阵列等，而且这些内部控制电路的性能越来越高，所以就产生了一种利用微控制器来生成SPWM 波形的数字控制方法，这种实现方法具有控制电路简单、运算速度快、控制精度高、抗干扰能力强等优点。本课题应用一种基于面积等效原理，采用查表法，利用MSP430F149单片机的定时器模块产生SPWM波。1.2 课题对象的特点及控制要求本课题“基于单片机的永磁同步电动机控制器功率电路设计”，控制对象是正弦波三相永磁同步电动机，该电机额定电压UN=24V DC，额定功率PN =100W，额定电流3.94A，额定转速nN=6000r/mi
14、n，电机极数8，额定效率88%，空载电流1.5A。开发系统包括TI公司MSP430F149最小开发板，TI公司MSP系列单片机仿真器和MSP系列单片机软件编写环境。永磁同步电动机工作原理前面已经简单说明，下面说明恒压频比开环控制原理。同步电动机定子绕组是三相对称交流绕组，当通入三相电流时产生旋转磁场，转子的永久磁极也会同向同速旋转，定子导体则反向切割转子永久磁极的磁场，会在定子每相绕组中分别感应出大小和方向按周期性变化的交变电势，由电机学知识可知，每相感应电势的有效值为 （1-2）式中：E0主电势/V;f频率/Hz;N每相绕组总的串联匝数；每极基波磁通/Wb；定子绕组系数。所以，当电机选定时，
15、结构参数确定后，变化的量只有主电势，每极基波磁通和频率。为了保证电机获得良好的运行性能和力能指标，要求磁通保持不变，E0/f，而定子相电压U1E0，则得U1/f=常值，此即为恒压频比控制方式。6恒压频比控制是开环控制，无需速度传感器进行速度反馈，控制电路简单。1.3 课题任务和要求1.3.1 课题的主要任务1、学习理解正弦波永磁同步电动机的工作原理及其开环控制系统的构成。 2、设计并调试正弦波永磁同步电动机控制器功率部分硬件电路，包括： 1）以IRF540N型号Mosfet设计三相逆变桥电路； 2）以IR2103s半桥驱动芯片为IRF540N的驱动器件； 3）设计单片机PWM输出口与IR2103s的光耦隔离电路； 4）设计并绘制驱动板PCB电路，完成器件焊接和电路调试；
