dsp的永磁同步电机控制系统软件设计(附件)
本文主要研究和设计了基于型号为TMS320LF2407A 的DSP的永磁同步电机控制系统，重点进行系统仿真分析和设计系统的软件程序，主要研究工作如下 首先介绍了课题的研究背景、研究意义、研究现状和发展趋势；讨论了永磁同步电机的控制方法，简介了交流伺服控制系统的组成和工作原理；给出了论文主要研究内容和工作安排。介绍了永磁同步电机结构，建立了永磁同步电动机的数学模型，分析了永磁同步电机矢量控制原理和电流滞环跟踪比较控制方法的实现，给出了基于CRPWM的永磁同步电机矢量控制策略。通过MATLAB/SIMULINK软件建立了永磁同步电机电流滞环跟踪控制系统的仿真模型，经过仿真得到了三相电流、转速和电磁转矩等仿真曲线，并对仿真结果进行了分析。在仿真分析的基础上，以TI公司的型号为TMS320LF2407A的 DSP为控制核心，设计了基于TMS320LF2407A 的永磁同步电机控制系统，给出了系统的控制框图。对系统软件部分进行了设计，给出了主程序、初始化程序和中断服务程序等流程图；在CCS3.3环境中编写了部分模块的程序。关键词 永磁同步电机，矢量控制，电流滞环跟踪，仿真分析，软件设计
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 研究现状及发展趋势 1
1.3 永磁同步电机控制方法 2
1.4 交流伺服系统简介 3
1.5 课题的研究内容和工作安排 3
2 永磁同步电机的数学模型和控制方法 4
2.1 永磁同步电机的结构 4
2.2 永磁同步电机的数学模型 5
2.3 永磁同步电机的矢量控制方法 8
2.4 永磁同步电机的矢量控制策略 9
2.5 CRPWM原理 10
3 永磁同步电机矢量控制系统的MATLAB仿真分析 11
3.1 MATLAB/SIMULINK仿真环境 11
3.2永磁同步电机的建模 11
3.3 永磁同步电机PWM控制技术分析 12
4 基于DSP的永磁同步电机矢量控制设计及其软件实现 15
4.1 永磁同步电机的控制系统设计 15
4.2 DSP介绍 16 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
4.3控制算法 17
4.4 数学PI算法 17
4.5 系统软件设计 19
总结与展望 25
致 谢 26
参考文献 27
附录A 源程序代码 29
1 绪论
1.1 课题研究背景和意义
如今工业发展规模巨大，能源的高效利用和节约使用方面广受人们关注和重视。在工业生产中，电机作为驱动装置，在能源消耗中占很高的比重。永磁同步电机（PMSM）以其效率高、功率大、结构简单、节能效果显著等一系列优点在工业生产和和日常生活中逐步得到广泛运用[1]。
在电机的发展中，直流电机、异步电机都具有一些缺陷从而不能满足现代工业迅速发展的要求。对于直流电机而言，其转子换向需要电刷和换向器，这就导致转子需要时常维修；然而异步电机具有调速性能差，电功率因数与其他类型电机相比很低。永磁电机的转子是永磁体，代替了励磁绕组，能够产生稳定的磁场，损耗低[1]。永磁同步电机深受研究设计人员的青睐，逐渐应用于多领域。永磁同步交流电机的出现，促进了伺服控制系统的进一步发展，并且传感器技术、永磁材料的不断推陈出新，使永磁同步电机配备更优异的控制系统，性能在上一个台阶的可能大大增加。
永磁同步电机矢量控制系统作为一种高性能的交流伺服系统，在该领域占据很重要的地位。我国丰富的稀土资源，使我们国家有能力大力发展永磁同步电机技术，并且国家对科学技术发展大力支持。现代电机调速控制系统向数字化发展，智能控制技术发展迅速，当前我国正在向创新型国家转变，我们应当把握时机，争取在电机控制领域取得更大突破，缩小与其他国家在该领域的技术水平的差距。
1.2 研究现状及发展趋势
随着工业自动化发展，交流电机被广泛使用。永磁同步电机使用永磁体作为转子，无集电环和电刷，降低了损耗，其结构更加简单，体积更小，不需要励磁直流电源，因此无励磁损耗和发热。在20世纪初期，人们发现钴钢具有永磁性能，在三十年代成功研发出铝镍钴永磁材料。在五十年代研发出铁氧体系永磁材料，这是第一代永磁材料，成本相比于第一代更加低廉，但是仍然有不足之处。在六十、七十年代，人们又研制出Smco5和Sm2co17，被称为第二代永磁材料，其典型合金是Sm2co17[2]。随着稀土永磁材料取得较大发展，出现了钕铁硼这一新型永磁材料，该材料的具备的特点，使其特别适合应用于电机中，在当时，它的不足之处是温度系数大、化学性能不稳定以及居里点低。在后期对钕铁硼材料的研究中，改善了它的不足之处，并且能够将钕铁硼材料制品更加微型化，这种材料能够满足绝大多数的电机的使用要求。
电力电子技术的发展在一定程度上极大地推进了电机控制的发展，在上世纪七十年代，人们研制出通用变频器，变频器能够工频电源可转换成可变频电源，使得交流电机能够变频调速。目前的永磁同步电机的控制系统，需要逆变器电路作为功率环节，这是不可缺少的一个环节。逆变器电路是由半导体开关器件构成的，具有高性能特点的电力半导体开关器件使得控制电路更加完善[2]。
传统的电机控制系统是基于单片机研发的，其响应速度慢，只能实现简单的控制算法。现在的控制性能要求越来越高，控制算法也更加复杂，DSP能够更加适合电机控制系统的研发，其运算速度快，能够实现复杂的控制算法，使硬件更加简化，成本降低，使得系统控制精度大大提高，更加可靠。在目前的交流电机调速系统中，高性能的控制策略的运用已经很广泛。永磁同步电机的数学模型难以精确，其非线性、多变量的特点，使其需要高性能的控制策略。早期的矢量控制技术只单独控制力矩，在现在的科学研究中，大部分是将矢量控制与元器件相结合，例如，将DSP与矢量控制结合，控制定子电流并利用PI控制器，来实现对力矩的控制。矢量控制技术不仅可以在工业生产中运用，而且逐渐在国防军事中运用[3]。
当前，只有日本和欧美少数发达国家有能力制造先进的交流伺服系统。早在上世纪七十、八十年代，这些国家就已经开始对交流伺服电机进行研制，并且在八十年代末就已经有完整的一系列产品。比如德国的西门子公司，美国的AB公司，日本的三菱电机公司、松下电器公司以及三洋电气公司等，国际市场几乎被这些掌握着尖端技术的集团公司所占领。国内这方面的技术只有研究院和高等院校等单位在进行研究，并且尚在实验阶段，还未能制成产品投入市场。交流伺服系统已经向全数字化方向发展，软件矢量控制将逐步替代原先的硬件矢量控制[3]。智能化是工业自动化发展的大趋势，人工智能技术是当前科学技术领域一大热点，随着人工智能的发展，矢量控制系统的性能将得到进一步的提高。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 研究现状及发展趋势 1
1.3 永磁同步电机控制方法 2
1.4 交流伺服系统简介 3
1.5 课题的研究内容和工作安排 3
2 永磁同步电机的数学模型和控制方法 4
2.1 永磁同步电机的结构 4
2.2 永磁同步电机的数学模型 5
2.3 永磁同步电机的矢量控制方法 8
2.4 永磁同步电机的矢量控制策略 9
2.5 CRPWM原理 10
3 永磁同步电机矢量控制系统的MATLAB仿真分析 11
3.1 MATLAB/SIMULINK仿真环境 11
3.2永磁同步电机的建模 11
3.3 永磁同步电机PWM控制技术分析 12
4 基于DSP的永磁同步电机矢量控制设计及其软件实现 15
4.1 永磁同步电机的控制系统设计 15
4.2 DSP介绍 16 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
4.3控制算法 17
4.4 数学PI算法 17
4.5 系统软件设计 19
总结与展望 25
致 谢 26
参考文献 27
附录A 源程序代码 29
1 绪论
1.1 课题研究背景和意义
如今工业发展规模巨大，能源的高效利用和节约使用方面广受人们关注和重视。在工业生产中，电机作为驱动装置，在能源消耗中占很高的比重。永磁同步电机（PMSM）以其效率高、功率大、结构简单、节能效果显著等一系列优点在工业生产和和日常生活中逐步得到广泛运用[1]。
在电机的发展中，直流电机、异步电机都具有一些缺陷从而不能满足现代工业迅速发展的要求。对于直流电机而言，其转子换向需要电刷和换向器，这就导致转子需要时常维修；然而异步电机具有调速性能差，电功率因数与其他类型电机相比很低。永磁电机的转子是永磁体，代替了励磁绕组，能够产生稳定的磁场，损耗低[1]。永磁同步电机深受研究设计人员的青睐，逐渐应用于多领域。永磁同步交流电机的出现，促进了伺服控制系统的进一步发展，并且传感器技术、永磁材料的不断推陈出新，使永磁同步电机配备更优异的控制系统，性能在上一个台阶的可能大大增加。
永磁同步电机矢量控制系统作为一种高性能的交流伺服系统，在该领域占据很重要的地位。我国丰富的稀土资源，使我们国家有能力大力发展永磁同步电机技术，并且国家对科学技术发展大力支持。现代电机调速控制系统向数字化发展，智能控制技术发展迅速，当前我国正在向创新型国家转变，我们应当把握时机，争取在电机控制领域取得更大突破，缩小与其他国家在该领域的技术水平的差距。
1.2 研究现状及发展趋势
随着工业自动化发展，交流电机被广泛使用。永磁同步电机使用永磁体作为转子，无集电环和电刷，降低了损耗，其结构更加简单，体积更小，不需要励磁直流电源，因此无励磁损耗和发热。在20世纪初期，人们发现钴钢具有永磁性能，在三十年代成功研发出铝镍钴永磁材料。在五十年代研发出铁氧体系永磁材料，这是第一代永磁材料，成本相比于第一代更加低廉，但是仍然有不足之处。在六十、七十年代，人们又研制出Smco5和Sm2co17，被称为第二代永磁材料，其典型合金是Sm2co17[2]。随着稀土永磁材料取得较大发展，出现了钕铁硼这一新型永磁材料，该材料的具备的特点，使其特别适合应用于电机中，在当时，它的不足之处是温度系数大、化学性能不稳定以及居里点低。在后期对钕铁硼材料的研究中，改善了它的不足之处，并且能够将钕铁硼材料制品更加微型化，这种材料能够满足绝大多数的电机的使用要求。
电力电子技术的发展在一定程度上极大地推进了电机控制的发展，在上世纪七十年代，人们研制出通用变频器，变频器能够工频电源可转换成可变频电源，使得交流电机能够变频调速。目前的永磁同步电机的控制系统，需要逆变器电路作为功率环节，这是不可缺少的一个环节。逆变器电路是由半导体开关器件构成的，具有高性能特点的电力半导体开关器件使得控制电路更加完善[2]。
传统的电机控制系统是基于单片机研发的，其响应速度慢，只能实现简单的控制算法。现在的控制性能要求越来越高，控制算法也更加复杂，DSP能够更加适合电机控制系统的研发，其运算速度快，能够实现复杂的控制算法，使硬件更加简化，成本降低，使得系统控制精度大大提高，更加可靠。在目前的交流电机调速系统中，高性能的控制策略的运用已经很广泛。永磁同步电机的数学模型难以精确，其非线性、多变量的特点，使其需要高性能的控制策略。早期的矢量控制技术只单独控制力矩，在现在的科学研究中，大部分是将矢量控制与元器件相结合，例如，将DSP与矢量控制结合，控制定子电流并利用PI控制器，来实现对力矩的控制。矢量控制技术不仅可以在工业生产中运用，而且逐渐在国防军事中运用[3]。
当前，只有日本和欧美少数发达国家有能力制造先进的交流伺服系统。早在上世纪七十、八十年代，这些国家就已经开始对交流伺服电机进行研制，并且在八十年代末就已经有完整的一系列产品。比如德国的西门子公司，美国的AB公司，日本的三菱电机公司、松下电器公司以及三洋电气公司等，国际市场几乎被这些掌握着尖端技术的集团公司所占领。国内这方面的技术只有研究院和高等院校等单位在进行研究，并且尚在实验阶段，还未能制成产品投入市场。交流伺服系统已经向全数字化方向发展，软件矢量控制将逐步替代原先的硬件矢量控制[3]。智能化是工业自动化发展的大趋势，人工智能技术是当前科学技术领域一大热点，随着人工智能的发展，矢量控制系统的性能将得到进一步的提高。
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