汽车风扇用永磁同步电机矢量控制(附件)【字数：12205】
摘 要摘 要在节能减排的大背景下，要求电能的使用能达到更高的效率，越来越多更高效的调速系统得到发展和使用，永磁同步电机(PMSM)控制系统因其良好的控制性能和高效运行性能而在生产生活中存在很大的发展潜力。由于这些良好的性能永磁电机（PMSM）在很多领域得到广泛使用，同时对永磁同步电机的控制也呈现出要求更加高效、稳定的趋势，涌现出了各种不同的控制理论和控制算法。本文将通过对永磁同步电机的结构、工作原理和一般常用的控制策略进行分析，再以具体的控制算法为基础分析控制系统的整体系统架构，再细分系统的组成部分、各个状态电机的数学模型、工作原理等，然后对各阶段软件实现的方法进行说明最后根据电机运行的实验结果对永磁同步电机的控制系统进行了论述。控制系统采用最新的NXP公司专门的电机控制芯片MC9S12ZVMC128作为系统控制器以及采用矢量控制（FOC）作为控制算法[1]。对控制器软件系统架构的设计和硬件平台的设计进行详细说明，其中硬件部分主要包括MC9S12ZVMC128控制电路、MOSFET三相桥逆变电路、电流采样电路、PWM输入输出电路。软件部分包括主程序模块、初始化模块、状态机模块、FOC算法模块、上位机显示和调试模块等设计。采用状态机模型来对电机运行分不同阶段的控制，包括电机的启动阶段，开环阶段和闭环阶段以及故障检测和处理等。MC9S12ZVMC128主控电路最大的优势在于其稳定性好较多用于汽车电子领域，功能模块丰富包含有多通道AD模块，PTU可编程触发器，电压管理模块等，并且集成了两个运放，可以实现对电机两相电流的采样，因而能够帮助减少复杂的硬件电路设计，实现永磁同步电机矢量控制（FOC)。实验结果表明在NXP MC9S12ZVMC128硬件平台下，采用矢量控制算法，永磁同步电机可以高效稳定的运行。 关键词永磁同步电机，NXPMC9S12ZVMC128，反电动势（BEMF），矢量控制（FOC）
目录
第一章 绪论 1
1.1 永磁同步电机概述 1
1.1.1永磁同步电机特点 1
1.1.2永磁同步电机在汽车领域的发展 2
1.1.3永磁同步电机的研究现状 2
1.2 研究课题学术背景及其理论与实际意义 3
第二章 永磁同步电机的结构及工作原理 5 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
2.1永磁同步电机的基本结构 5
2.1.1 永磁同步电机的工作原理 5
2.2 永磁同步电机矢量控制原理 6
2.2 .1三相静止坐标系ABC到两相静止坐标系 6
2.2 .2两相静止坐标系到旋转坐标系 8
2.2 .3三相静止ABC坐标系到旋转坐标系变换 9
2.3 永磁同步电机数学模型 10
2.3.1永磁同步电机在ABC三相坐标系下的数学模型 10
2.3.2永磁同步电机在两相静止坐标系下的数学模型 11
2.3.3永磁同步电机在两相旋转坐标系下的数学模型 12
2.4空间矢量脉宽调制技术SVPWM 13
2.5永磁同步电机矢量控制系统构建 14
2.6 本章小结 15
第三章 永磁同步电机矢量控制系统硬件设计 16
3.1 硬件总体设计 16
3.2 主控制器MC9S12ZVMC128介绍 16
3.3 MC9S12ZVMC128外围电路设计 17
3.3.1 MC9S12ZVMC128工作电路的设计 17
3.3.2 永磁同步电机驱动电路的设计 18
3.3.3 电流采样电路的设计 19
3.3.4 PWM输入输出电路 20
3.3.5 CAN总线通信电路设计 21
3.4 本章小结 21
第四章 永磁同步电机矢量控制软件设计 22
4.1 软件实现流程 22
4.2 初始化子程序的设计 22
4.3 ADC中断服务程序设计 23
4.4 电机控制状态机设计 24
4.5 反电动势实现位置检测 27
4.6 矢量控制算法的实现 27
4.7 FreeMASTER通过CAN总线标定的实现 28
4.8 通过PWM调速功能的设计 29
4.9 本章小结 29
第五章 实验结果及分析 30
5.1 实验结果 30
5.2 实验分析 32
第六章 结论 34
致 谢 35
参 考 文 献 36
第一章 绪论
1.1 永磁同步电机概述
1.1.1永磁同步电机特点
（1）效率高、节省电能
永磁同步电机与一般的有刷直流电机相比，不使用机械换向减少了机械磨损和电能的浪费，也在一定程度上减少了电机的维护成本。并且永磁同步电机与传统的交流异步电机相比，因为永磁同步电机的磁场是由永久磁体产生的，避免由励磁电流来产生磁场而导致励磁损耗（铜耗）。
（2）功率因素高
永磁同步电机在设计电机的时候，它的功率因数可以调节的，甚至还可以把永磁同步电机的功率因数设计成1，而且与电机的极数无关。功率因数高，电机相对电流小，电机定子损耗（铜耗）降低，更节能；与电机配套的控制器电源，如变压器，逆变器等，其容量可以设计更低，与此同时其他辅助器件像功率管、电感、电阻、电容、电缆等规格可以选择更小，相应整个控制系统成本会更低。
（3）起动力矩大
永磁同步电机在低频低转速的时候仍能保持稳定的转速运行和转矩的输出，低频时的输出力矩大，高频运行时的噪音小，转矩脉动小。
除此之外，永磁同步电机还有可靠性高、体积小、功率密度大等特点；PMSM起源于饶线式同步电机它用永磁体代替了绕线式同步电机的励磁绕组，它的一个显著特点是反电势波形是正弦波[2]，与感应电机非常相似（如图1.1 PMSM反电动势波形和电流波形）。在转子上有永磁体，定子上有三相绕组。
图1.1 PMSM反电动势波形和电流波形
1.1.2永磁同步电机在汽车领域的发展
在环境和能源需求越来越高的今天，能源消耗已经成为一个严俊的问题，其中汽车的普及和发展致使能源的消耗成爆发式发展，不能阻止能源的消耗，因此节能减排已经成为了一个大的趋势。而在整车中有大量的电机使用，导致其成为整车能量消耗最重要的原因之一相比于其它车载电子产品。如，在整车中，汽车空调、风扇、水泵、油泵、雨刮等很多用到电机控制的部分。目前，这部分电机很多还是采用传统的有刷电机或者效率比较低的无刷直流电机等。
距最初永磁同步电机出现已经有快一百年的历史，当时的永磁体磁性能不好导致其有一段时间几乎处于停滞发展，而且当时的控制技术和电力电子技术的落后，无法得到良好的控制效果；后来由于高性能的永磁体的发展和半导体行业的发展电力电子器件得到普及高速的微处理器和计算机辅助开发技术的成熟，永磁同步电机的性能和控制策略也得到了极大的提升，慢慢的应用于各个领域。
因此，在汽车领域中，永磁同步电机也在这种背景下得到了应用，由于有刷电机的效率低，维护成本高而永磁同步电机则不存在这些问题，而且控制技术的成熟目前整车上的有刷电机正在一步一步被无刷的永磁同步电机所取代。
另外，除了汽车电子领域，永磁同步电机还在工业控制、航空航天[4]、军事等领域中取得很大的进步。
1.1.3永磁同步电机的研究现状
目录
第一章 绪论 1
1.1 永磁同步电机概述 1
1.1.1永磁同步电机特点 1
1.1.2永磁同步电机在汽车领域的发展 2
1.1.3永磁同步电机的研究现状 2
1.2 研究课题学术背景及其理论与实际意义 3
第二章 永磁同步电机的结构及工作原理 5 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
2.1永磁同步电机的基本结构 5
2.1.1 永磁同步电机的工作原理 5
2.2 永磁同步电机矢量控制原理 6
2.2 .1三相静止坐标系ABC到两相静止坐标系 6
2.2 .2两相静止坐标系到旋转坐标系 8
2.2 .3三相静止ABC坐标系到旋转坐标系变换 9
2.3 永磁同步电机数学模型 10
2.3.1永磁同步电机在ABC三相坐标系下的数学模型 10
2.3.2永磁同步电机在两相静止坐标系下的数学模型 11
2.3.3永磁同步电机在两相旋转坐标系下的数学模型 12
2.4空间矢量脉宽调制技术SVPWM 13
2.5永磁同步电机矢量控制系统构建 14
2.6 本章小结 15
第三章 永磁同步电机矢量控制系统硬件设计 16
3.1 硬件总体设计 16
3.2 主控制器MC9S12ZVMC128介绍 16
3.3 MC9S12ZVMC128外围电路设计 17
3.3.1 MC9S12ZVMC128工作电路的设计 17
3.3.2 永磁同步电机驱动电路的设计 18
3.3.3 电流采样电路的设计 19
3.3.4 PWM输入输出电路 20
3.3.5 CAN总线通信电路设计 21
3.4 本章小结 21
第四章 永磁同步电机矢量控制软件设计 22
4.1 软件实现流程 22
4.2 初始化子程序的设计 22
4.3 ADC中断服务程序设计 23
4.4 电机控制状态机设计 24
4.5 反电动势实现位置检测 27
4.6 矢量控制算法的实现 27
4.7 FreeMASTER通过CAN总线标定的实现 28
4.8 通过PWM调速功能的设计 29
4.9 本章小结 29
第五章 实验结果及分析 30
5.1 实验结果 30
5.2 实验分析 32
第六章 结论 34
致 谢 35
参 考 文 献 36
第一章 绪论
1.1 永磁同步电机概述
1.1.1永磁同步电机特点
（1）效率高、节省电能
永磁同步电机与一般的有刷直流电机相比，不使用机械换向减少了机械磨损和电能的浪费，也在一定程度上减少了电机的维护成本。并且永磁同步电机与传统的交流异步电机相比，因为永磁同步电机的磁场是由永久磁体产生的，避免由励磁电流来产生磁场而导致励磁损耗（铜耗）。
（2）功率因素高
永磁同步电机在设计电机的时候，它的功率因数可以调节的，甚至还可以把永磁同步电机的功率因数设计成1，而且与电机的极数无关。功率因数高，电机相对电流小，电机定子损耗（铜耗）降低，更节能；与电机配套的控制器电源，如变压器，逆变器等，其容量可以设计更低，与此同时其他辅助器件像功率管、电感、电阻、电容、电缆等规格可以选择更小，相应整个控制系统成本会更低。
（3）起动力矩大
永磁同步电机在低频低转速的时候仍能保持稳定的转速运行和转矩的输出，低频时的输出力矩大，高频运行时的噪音小，转矩脉动小。
除此之外，永磁同步电机还有可靠性高、体积小、功率密度大等特点；PMSM起源于饶线式同步电机它用永磁体代替了绕线式同步电机的励磁绕组，它的一个显著特点是反电势波形是正弦波[2]，与感应电机非常相似（如图1.1 PMSM反电动势波形和电流波形）。在转子上有永磁体，定子上有三相绕组。
图1.1 PMSM反电动势波形和电流波形
1.1.2永磁同步电机在汽车领域的发展
在环境和能源需求越来越高的今天，能源消耗已经成为一个严俊的问题，其中汽车的普及和发展致使能源的消耗成爆发式发展，不能阻止能源的消耗，因此节能减排已经成为了一个大的趋势。而在整车中有大量的电机使用，导致其成为整车能量消耗最重要的原因之一相比于其它车载电子产品。如，在整车中，汽车空调、风扇、水泵、油泵、雨刮等很多用到电机控制的部分。目前，这部分电机很多还是采用传统的有刷电机或者效率比较低的无刷直流电机等。
距最初永磁同步电机出现已经有快一百年的历史，当时的永磁体磁性能不好导致其有一段时间几乎处于停滞发展，而且当时的控制技术和电力电子技术的落后，无法得到良好的控制效果；后来由于高性能的永磁体的发展和半导体行业的发展电力电子器件得到普及高速的微处理器和计算机辅助开发技术的成熟，永磁同步电机的性能和控制策略也得到了极大的提升，慢慢的应用于各个领域。
因此，在汽车领域中，永磁同步电机也在这种背景下得到了应用，由于有刷电机的效率低，维护成本高而永磁同步电机则不存在这些问题，而且控制技术的成熟目前整车上的有刷电机正在一步一步被无刷的永磁同步电机所取代。
另外，除了汽车电子领域，永磁同步电机还在工业控制、航空航天[4]、军事等领域中取得很大的进步。
1.1.3永磁同步电机的研究现状
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