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1、基于TMS320F2812 永磁同步电机交流调速系统实验1.引言数字信号处理器（DSP）可以用于语言处理、图象处理、高速控制、数字通讯、振动和噪声信号处理、声纳和雷达信号处理、仪器仪表、机器人等多个领域。由于它能把数字信号处理的一些理论和算法实时实现，并迅速地推广到应用方面，因此得到了学术界和工程界的高度重视，被认为是实现数字化革命的催化剂。交流永磁同步电动机（PMSM）具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗少、转矩/质量比高、功率因数高、效率高、易于散热、易于保养等显著特点，因而应用范围极为广泛，尤其是在要求高精度控制和高可靠性的场合，如航空航天、数控机床、机器人控制等方面。够在石油、
2、煤矿、大型工程机械等比较恶劣的工作环境下运行，这不仅加速了它取代异步电机的速度，同时也为永磁同步电机专用变频器的发展提供了广阔的空间。随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，以及电力电子器件的进一步发展，永磁同步电动机己逐步成为交流伺服系统的主流。同时随着微电子技术和功率电子技术的飞速发展，数字信号处理器(DSP)，智能功率模块(IPM)出现等，促使交流伺服控制系统向全数字化、智能化、小型化、高速、高精度方向发展。本文对全数字交流永磁同步伺服驱动器进行了研究与开发。首先在熟练掌握永磁同步电动机工作原理的基础上，分析永磁同步电动机的数学模型，其次在电压空间矢量（SVPWM）技术以及永磁同步电机
3、矢量控制原理基础上，利用系统的核心器件TMS320F2812，功率变换装置智能功率模块IPM，构建了全数字伺服系统的硬件平台。然后设计了基于TMS320F2812的软件平台，给出了主程序流程图和中断服务子程序流程图，结合CCS集成开发环境，对整个控制系统进行了软件调试并且做了相关实验，得到了SVPWM的输出波形以及相电流波形，经实验证明该数字控制系统具有良好的控制性能。2. 永磁同步电机原理2.1永磁同步电机数学模型永磁同步电动机和绕线式同步电动机，它们在定子结构上都是由铁心和电枢绕组构成。它们的区别在于，前者的转子采用永磁体励磁，而后者由转子上的励磁线圈产生励磁。所以，永磁同步电动机(PMS
4、M)具有结构简单、功率耗损低的优点。永磁同步电动机根据永磁体在转子上的安装位置不同，可分为：表贴式永磁同步电动机、嵌入式永磁同步电动机、内置式永磁同步电动机三种，如图2-1中a、b、c 所示；根据主磁场方向的不同，分为磁场式和轴向磁场式；按照反电势波形的不同，永磁同步电机分为：正弦波永磁同步电机（PMSM）、矩形波永磁同步电动机（BLDCM）(简称无刷直流电动机)。本文中的永磁同步电动机都是指表贴式正弦波永磁同步电动机。 a 表贴式 b 嵌入式 c 内置式图2-1 永磁同步电机转子结构永磁同步电机(PMSM)数学模型的基本方程包括电压方程、磁链方程、电磁转矩方程以及运动方程。电机是利用定子的三
5、相交流电流和永磁转子的磁场互相作用所产生的电磁转矩来带动电机转子转动的。一般在定子上放置三相对称绕组，转子上安装永磁体代替电励磁。在图中定义逆时针旋转的方向为转速的正方向，其中f为永磁体磁链，它的方向与磁极磁场轴线相同，is为定子电流矢量。为了便于简化分析，对永磁同步电动机作以下参数假设：(1)认为永磁同步电动机的铁心不饱和；(2)感应电动势波形为正弦波，忽略高次谐波；(3)磁路是线性的，忽略电机中的涡流和磁滞损耗；(4)转子上无阻尼绕组，永磁体无阻尼作用；(5)各相绕组对称，即各相绕组的匝数与电阻相同，各相轴线相互位移同样的电角度；(6)不考虑温度对电机的影响。永磁同步电机的d-q坐标系下的
6、等效模型如图1-2所示，d-q坐标系随定子磁场同步旋转，永磁体磁链f 固定在d轴的方向上，q轴与d轴成90度，q轴逆时针超前d轴。图2-2 永磁同步电机d-q坐标系下的等效模型在上述假定下，PMSM在d-q坐标系下的电机方程如下：定子磁链方程： （2-1） f是转子磁钢在定子绕组上的耦合磁链；Ld 、Lq是d-q坐标系上的等效电枢电感分量；id 、iq是d-q坐标系上的电枢电流分量。定子电压方程： （2-2）p是微分算子；rs是电枢绕组电阻；是转速；d、q是d-q坐标系上的磁链；ud、uq是定子在d、q轴上的电压。将式（2-1）代入式（2-2）得： （2-3） 输出电磁转矩方程： （2-4）其
7、中，pm 是电机极对数；Te是输出电磁转矩。把式(2-1)代入（2-4)得： （2-5）机械运动方程： （2-6） m 是转子机械角速度；J 是电机与负载的转动惯量之和；TL 是负载转矩。d-q坐标系的旋转角频率(即转子电角速度)和电机转子机械角速度之间的关系为： （2-7）对于普通的永磁同步电机，在Ld =Lq =L 时，凸极转矩项pm（Ld-Lq）idiq为零 。由式（2-5）、（2-6）和（2-7）写成状态方程形式见式（2-8）。 (2-8)由式(2-8)中可以看出，在永磁同步电动机模型中，转子机械角速度m和d-q轴上的电枢电流分量id 、iq相互耦合，而且方程为非线性方程，因此不能简单
8、的通过调节电枢电流来直接控制电机的电磁转矩，必须进行矢量解耦控制。2.2 PMSM矢量控制原理调速系统的目的是要实际转速能够快速、稳定地跟踪给定转速。矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施仍然是落实在对定子电流（交流量）的控制上。将转子上的d-q 坐标系定为参考坐标系，就可以将电流变换为d、q 轴上的两个电枢电流量id 、iq ，根据（2-5）式可以看出，通过控制q 轴电流iq 即可完全控制电机转矩Te。图2-3 永磁同步电动机矢量变换原理图在电机矢量控制中，电流id 为电机励磁电流给定值，可以根据实际控制要求设定；电流iq 为电机转矩电流给定量，这一给定量为直流量，与转矩大小成正比
9、。进行d、q 反变换必须先确定了iq 、id 的值，从而得到应该施加于定子三相电枢绕组电流的给定值的大小。2.3 永磁同步电机的坐标变换为了简化和求解永磁同步电动机的数学模型的方程，一般使用电机坐标变换理论对永磁同步电机的基本方程进行线性变化来实现电机数学模型的解耦。常用的坐标系有：三相静止坐标系ABC、二相静止坐标系、二相旋转坐标系MT。下面分别对各坐标系之间进行简单的变换。2.3.1 Clarke变换三相静止A-B-C坐标系与两相静止-坐标系之间的变换，称为Clarke变换，也可以叫做32变换。其主要思想是一个旋转矢量从A-B-C坐标系变换到两-坐标系，为方便起见轴与a轴重合。图2-4为a
10、、b、c和、两个坐标系。图2-4 二相静止和旋转坐标系与磁动势空间矢量设二相电机系统各相绕组的有效匝数都为N2，三相电机系统各相绕组的有效匝数都为N3，且磁动势波形为正弦波，当三相总磁动势等于二相总磁动势时，两种绕组其瞬时磁动势在、轴上的分量应相等。 （2-9） （2-10） （2-11） 将（2-9）（2-10）（2-11）合并，写成矩阵形式，有 （2-12） 其中，C3/2是三相静止坐标系到二相静止坐标系的变换矩阵。 在满足功率不变的情况下，有： （2-13） 由单位矩阵C3/2C3/2-1=E，可得，N3/N2= 和K=，代入上式得： （2-14） （2-15）2.3.2 Park变换一
11、个旋转矢量从-垂直坐标系变到d-q旋转坐标系，称做Park变换。dqNS 图2-5 二相静止和旋转坐标系与磁动势空间矢量 二相静止坐标系、和二相旋转坐标系d，q之间的关系如图2-5所示。 根据图形，有： （2-16） （2-17） 由（2-16）、（2-17）变换得： （2-18） (2-19) 把（2-18）、（2-19）写成矩阵形式，有： (2-20) 根据Clarke变换和Park变换，可以得到从三相坐标系到二相旋转坐标系的变换式： (2-21)2.4 电压空间矢量脉宽调制技术基本原理电压空间矢量SVPWM技术就是使逆变器向电机提供变频电源，并能保证电机形成定子磁链圆，从而实现电机的变频调速。其从电动机的角度出发，着眼点在于如何使电动机获得圆形磁场。与正弦脉宽调制(SPWM)技术相比，SVPWM在输出电压或电机线圈中的电流中都将产生更少的谐波，降低了电磁转矩脉动，减小了电流波形畸变，提高了对电源逆变器直流供电电源的利用效率，更易于数字化的实现，是现代伺服系统理想的调制技术。 一种典型的三相电压源逆变器的结构如图2-6所示。 图2-6 三相电源逆变结构图中所示，Q1到Q6是6个功率晶体管IGBT，Va、Vb、Vc是逆变器的输出电压，它们分别被a， a，b，b，c，c这6个控制信号所控制，将
