《毕业设计答辩-基于ARM Cortex-M4的PMSM驱动器研制》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计答辩-基于ARM Cortex-M4的PMSM驱动器研制（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、LOGO基于基于ARM Cortex-M4ARM Cortex-M4的的PMSMPMSM驱动器研制驱动器研制LOGO答辩人：答辩人： 导师：导师：LOGO*目 录1、课题的背景和意义6、总结和展望2、系统方案设计4、软硬件设计3、MATLAB仿真5、系统测试与分析LOGO*课题背景课题背景 应用应用LOGO*课题背景课题背景 意义意义水下电池组给有刷直流电动机供电电池组成本高，体积庞大，需要充电，水下作业时间受限有刷直流电机采用电刷换向，易产生火花，存在安全隐患无刷直流电机和光电复合缆供电光电复合缆成本高，船上资源受限若选用同轴缆，BLDC转矩脉动大，严重影响通信永磁同步电机和同轴缆供电转矩十
2、分平滑通信流畅LOGO*课题背景课题背景 研究内容研究内容1、结合STM32F4处理器和IPM（智能功率模块）设计了一个PMSM驱动器2.3KW永磁同步电机无传感器矢量控制额定转速1500转每分钟（rpm）同轴缆传输3KW级功率时，2路视频正常传输2、用MATLAB对PMSM控制系统进行了仿真3、利用C#设计了一个上位机，对PMSM进行控制和调试LOGO*系统方案系统方案 控制技术控制技术原理：通过控制定子磁链，实现对磁链和转矩的直接控制方法：检测电机定子电压和电流，计算出相应的电磁转矩和磁链大小并加以参数设置优点：动态响应快，参数依赖小，控制结构简单原理：引入坐标变换，使电机的励磁分量和转矩
3、分量得以独立控制方法：从三相输出电压的整体效果出发，着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹，通过矢量变换实现交流电机的磁通与转矩的解耦控制优点：转矩平滑，调速范围宽，启动、制动性能好DTC直接转矩控制FOC场定向矢量控制LOGO*系统方案系统方案 PMSMPMSM模型模型 表面式表面式嵌入式嵌入式内置式内置式PMSM由定子和转子两部分组成转子用稀土永磁材料做成磁钢，其磁路结构是区别于其他电机的关键。按转子永磁体的结构，PMSM可分成表面式、嵌入式、内置式三种LOGO*系统方案系统方案 PMSMPMSM模型模型 （a,b,c ）是复数平面上的三相静止坐标系。(,)是该平面上的两相静止坐标系。 轴与
4、a轴重合， 轴与a轴垂直。定义在（a,b,c ）坐标系中的空间电流矢量可通过如下运算变换到坐标系（,）中：LOGO*系统方案系统方案 PMSMPMSM模型模型 定义一个以转速旋转的直角坐标系 ，其转角为 =t在此坐标系中电流矢量是一个静止矢量，其分量id, iq也就成了非时变量（直流量）。由几何关系可得出空间矢量从（,)坐标系到 （d,q)坐标系的变换关系：LOGO*系统方案系统方案 矢量控制矢量控制 LOGO*系统方案系统方案 矢量控制矢量控制 双闭环双闭环 PMSM三相电流变换成旋转坐标系下的两个电流分量：id和iq，将其与期望转速所映射的交直轴电流参考值进行对比，通过PI调节，对偏差进行
5、校正，使其不断趋于参考值电流环无传感器转子位置/速度检测反电动势估计法基于一个通过估计实现的类似同步电机参考结构的电动势函数模型，反电动势观测器检测永磁体产生的电压，跟踪观测器用这个电压信号来计算转子的位置与速度。速度环LOGO*系统方案系统方案 矢量控制矢量控制 SVPWMSVPWM调制调制 SVPWM（Space Vector PWM）技术的基本思路就是把电机和逆变器看做一体，通过控制逆变器功率器件的开关模式及导通时间，产生有效电压矢量来逼近圆形磁场轨迹的一种方法。合成定子电压矢量为：LOGO*系统方案系统方案 矢量控制矢量控制 SVPWMSVPWM调制调制 同样可以定义合成磁链空间矢量：
6、磁链矢量顶端的运动轨迹为磁链圆。用合成空间矢量表示的定子电压方程式为： 忽略电机低速运行时定子绕组所产生的压降可得，合成电 压矢量与合成磁链矢量之间的关系：可见当磁链幅值一定时，Us的大小与ss的变化率成正比，其方向则与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向。LOGO*系统方案系统方案 矢量控制矢量控制 SVPWMSVPWM调制调制 1、Ud为母线电压，任一桥臂的上下开关状态互逆 2、上桥臂开关Sa、Sb、Sc导通时 “1”，关断为“0”，则有U0(000)、U7(111)两个零矢量和U1(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)六个非零矢量 1、以状
7、态（100）为例 2、每个非零电压矢量的幅值如下： UaN=2Ud/3，UbN=-Ud/3，UcN=-Ud /3LOGO*系统方案系统方案 矢量控制矢量控制 SVPWMSVPWM调制调制 LOGO*SVPWMSVPWM实现双要素扇区判断电压分量作用时间系统方案系统方案 矢量控制矢量控制 SVPWMSVPWM调制调制LOGO*MATLABMATLAB仿真仿真LOGO*MATLABMATLAB仿真仿真3、在PMSM模型以1450rpm的速度稳定运行时，对其逐步增加负载直至15N.m的额定转矩，观察转矩与速度响应曲线1、首先在电机空载时，PI参数较合理的条件下，将PMSM从静止加速到最大1450rp
8、m2、第二步，仿真PMSM的动态加速过程LOGO*2024/8/21软硬件设计软硬件设计 电路设计电路设计一、驱动器硬件框图LOGO*2024/8/21软硬件设计软硬件设计 电路设计电路设计二、系统供电电路LOGO*2024/8/21电流采样电路信号调理电压采样主控制器选型STM32F407ZGT6STM32F407电流电压采样、信号调理PWM隔离基于ARM Cortex-M4内核、工作频率高达168MHz扩展极其丰富：用户接口、总线接口浮点运算、DSP指令集2个电机PWM高级定时器、10个通用定时器、高速高精度ADC分压电阻测电压（不赘述）三电阻法测电流电流信号放大强弱电之间进行隔离，在微控
9、制器六路PWM输出端和IPM之间分别加上6个光耦隔离电路软硬件设计软硬件设计 电路设计电路设计三、控制电路PWM隔离电路LOGO*2024/8/21软硬件设计软硬件设计 电路设计电路设计四、串口通信电路LOGO*2024/8/21软硬件设计软硬件设计 电路设计电路设计五、功率驱动电路FSAM30SH60A耐压600V额定30A欠压保护频率15KHz短路保护温度监视IPMLOGO*2024/8/21软硬件设计软硬件设计 软件设计软件设计一、驱动器主程序LOGO*2024/8/21软硬件设计软硬件设计 软件设计软件设计一、驱动器主程序LOGO*2024/8/21软硬件设计软硬件设计 软件设计软件设
10、计二、上位机程序LOGO*1、模拟电视抓斗的混合传输试验平台搭建2、PMSM驱动部分系统测试与分析系统测试与分析 调试LOGO*系统测试与分析系统测试与分析 调试调速性能测试LOGO*系统测试与分析系统测试与分析 调试大功率运行对混合传输的影响UO(V)IO(A)PO(W)UM(V)IM(A)PM(W)转速（rpm）液压（MPa）图像 传输效果4501.75787.503031.6484.8014500正常5002.091045.003032.3696.9014502正常5002.951475.003032.9878.7014504正常6003.001800.003033.91181.7014
11、506正常7012.902032.903034.61393.8014508正常7473.252427.753035.51666.50145010正常8013.422739.423036.31908.90145012正常8453.683109.603037.12151.30145014正常8763.843363.843037.72333.10145015正常注：UO表示高压电源输出电压；IO表示总输出电流；PO表示电源总输出功率；UM表示PMSM母线电压；IM表示PMSM三相输出电流之和；PM表示PMSM控制系统功率。LOGO*系统测试与分析系统测试与分析 结果分析结果分析1、在01450rpm
12、的范围内具有良好的调速性能，其静态起动性能也比较优秀，无传感器控制；马鞍形的SVPWM波，矢量控制2、驱动器达到的最大功率为2333W，十分接近目标的2400W；能源与数据混合传输系统中，电机功率占了总功率近70%时，图像传输正常3、上一套带BLDC电机的系统那样出现连接中断，图像卡顿的情况，BLDCM的反电势是方波，由于其脉动较大会对信号传输产生较大的干扰，而PMSM反电动势是较为平滑的正弦波，脉动小，对信号干扰也小与上一代BLDC驱动器对比矢量控制实现PMSM大功率驱动器实现LOGO总结和展望总结和展望*研究总结理论分析PMSM无传感矢量控制并仿真设计大功率PMSM驱动器（软硬件）设计上位机，搭建调试平台展望发挥ARM Cortex-M4处理器的优势，使PMSM能够在操作系统环境下运行尝试引入更加优化的控制理论，比如自适应控制、模糊控制和神经网络控制等应用弱磁控制、前馈电流控制等新技术利用STM32F4系列控制器的丰富外设功能，同时驱动多路PMSM电机LOGO感谢收看
