svpwm的永磁同步电机控制系统设计硬件子系统
本文为了研究永磁同步电机，以DSP控制原理、现代电力电子技术以及自动控制原理等资料为参考，在了解永磁同步电机发展现状的基础上，介绍了永磁同步电机控制技术，设计了基于SVPWM的永磁同步电机控制系统。论文首先建立了永磁同步电机的数学模型，为了达到所需的控制效果，采用矢量控制的方式来控制磁链，再通过控制磁链来达到控制永磁同步电机的转矩的目的。同时，根据电力电子技术采用SVPWM的方式来驱动永磁同步电机。然后结合自动控制原理，设计了电流环调节器，速度环调节器，采用经典PI算法来控制被控对象来达到预期控制效果。最后在理论研究的基础上，以（DSP）TMS320F2812为控制核心对系统进行了硬件电路设计及实验研究。设计了DSP电源电路，功率驱动电路等，并在MATLAB软件中，成功进行了硬件仿真，实验结果表明设计的基于SVPWM永磁同步电机硬件系能够满足所需要求,实现了定位、调速、加减速、转速显示等功能。关键词 永磁同步电机，SVPWM，矢量控制，控制系统
目录
1 绪论 1
1.1 永磁同步电机研究现状 1
1.2 课题研究的背景及意义 4
1.3 课题研究的主要内容 4
2 永磁同步电机矢量控制技术 5
2.1 PMSM结构和种类 5
2.2 PMSM的解耦模型 6
2.3 PMSM等效电路图 9
2.4 PMSM矢量控制方式 10
2.5 SVPWM的原理及实现 12
2.6永磁同步电机矢量控制系统的仿真 17
3 永磁同步电机矢量控制系统调节器的设计 23
3.1电流环调节器的设计 23
3.2速度环调节器的设计 25
4 控制系统的硬件电路设计 26
4.1 系统的硬件构成 26
4.2 DSP控制板 27
4.3 功率驱动电路设计 28
4.4 信号检测电路设计 31
4.5 保护电路的设计 33
5 软件设计及验证结果 34
5.1 CCS3.3软件开发环境介绍 34
5.2 主程序部分 34
5.3 中断服务 35 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
5.4 主要子程序模块 36
5.5 实验结果 36
结论 37
致谢 38
参考文献 39
1 绪论
1.1 永磁同步电机研究现状
随着工业自动化不断深入发展，将高效率、高动态性能的永磁同步电机与现代电力电子技术、微计算机技术等相结合已经成为二十一世纪电机控制系统的发展方向之一。永磁同步电机控制系统除了电机本身外，还有逆变器、电流环、速度环以及位置环控制器和传感器等器件，其中传感器主要起反馈作用，控制器主要负责处理反馈信息并对逆变器进行控制[1]。如图1.1是永磁同步电机控制系统的经典结构。目前，此种结构在永磁同步电机控制系统中已经被广泛运用。
图1.1 PMSM驱动系统框图
在图1.1中，永磁同步电机驱动电路系统框图中的位置反馈能够让定子磁链在一定程度上实现与转自磁链的同步，同时也可以通过反馈得到位置和速度的信息。用电流传感器可以得到电流的反馈，也就可以达到对永磁同步电机三相电流的控制，也就能够控制永磁同步电机的电磁转矩[2]。电力电子开关器件主要用于产生PWM波形，将电机电压命令转化为器件开关周期命令。由上图可以看出，当下所用的电力电子器件、传感器技术等都是永磁同步电机控制系统的构成部分。
1.1.1 永磁同步电机发展现状
永磁同步电机的旋转扭矩是在定子侧三相电流变化时出现的旋转磁场还有转自磁 场之间的作用下产生的，所以在原理和结构方面同感应电机是相差不多的[3]。两者的主要区别在于，永磁同步电机的转子是因为使用磁铁，最后致使永磁体产生了磁场，而三相异步感应电机的转自则是线圈通电后，因为自身的相互作用，从而线圈内产生了磁场。
（1）永磁同步电机发展历史
通过对永磁同步电机各方面的研究，永磁材料的迅猛发展推动了永磁同步电机的发展。在二十世纪初，在工业生产中永磁材料钴被生产出来敲开了永磁同步电机发展的大门。但是由于是发展初期，所以钴的产量很小，并且生产出来的钴体积很小，使得永磁同步电机发展缓慢，一直到后来发现了稀土这一资源，才使得永磁同步电机走上了快速发展的道路[4]。
在稀土被使用后，永磁同步电机的发展进程可以分为三个时期：
第一时期：从20世纪60年代到70年代，由于稀土资源少，产量少，致使稀土在国际上价格很高，所以永磁同步电机主要集中运用在军事和航天等高端领域。
第二时期：20世纪80年代随着铁硼等永磁材料的发现，用磁铁的成本大大降低，与此同时电力电子技术的大力发展使得永磁同步电机控制更易于实现，所以永磁同步电机也得到了高速发展，快速走进工业控制领域。
第三时期：20世纪90年代至今，随着工业领域自动化快速发展，高端制造的极大需求，同时微电子、微处理器等技术快速发展，使得永磁同步电机应用更加广泛，尤其是高端电机控制中如伺服控制系统永磁同步电机已经成为首选电机[5]。
1.1.2 控制策略研究现状
目前，速度环、电流环都是闭环的双环闭环结构是最流行也是最经典的，伺服控制结构如图1.2所示:
图1.2三环伺服控制系统
外环能够实现的是快速、准确的进行定位，内环的稳定性越高，外环的性能就将越好。电流环作为内环，是提高速度环性能和位置精度的重要部分[6]。所以选择合适的控制策略对于控制系统性能的提高和物理实现是非常关键的一步。
传统控制策略目前主要有三类：
经典控制策略
PID控制很早之前就是非常典型的控制策略，由于它的算法简洁易懂并且动态控制中包含了对现在、过去、将来信息的处理，即通过比例、积分、微分等环节对系统进行实时动态控制，故被广泛运用于工业过程控制。PID控制也是交流电机控制系统最基本的控制策略[7]。
1941年交流电机矢量控制的提出解决了恒压频比不能对控制电机动态中的转矩进行控制的难题，使交流电机控制由过去的稳态控制上升到交流电机的瞬态控制。矢量控制基本原理是经过坐标变换将交流电机高度耦合的励磁分量同转矩分量一起进行解耦，能够达到与直流电机控制基本相同的效果[8]。
其中，将PID反馈控制和矢量控制策略相结合运用到交流伺服控制系统中已经成为了一大趋势，而且现代电力电子技术的成熟也使得这一方法在实际工业生产中被广泛运用。但是这种控制方法也有一些缺陷，例如对于参数变化和外界因素的干扰鲁棒性不强等[7]。
目录
1 绪论 1
1.1 永磁同步电机研究现状 1
1.2 课题研究的背景及意义 4
1.3 课题研究的主要内容 4
2 永磁同步电机矢量控制技术 5
2.1 PMSM结构和种类 5
2.2 PMSM的解耦模型 6
2.3 PMSM等效电路图 9
2.4 PMSM矢量控制方式 10
2.5 SVPWM的原理及实现 12
2.6永磁同步电机矢量控制系统的仿真 17
3 永磁同步电机矢量控制系统调节器的设计 23
3.1电流环调节器的设计 23
3.2速度环调节器的设计 25
4 控制系统的硬件电路设计 26
4.1 系统的硬件构成 26
4.2 DSP控制板 27
4.3 功率驱动电路设计 28
4.4 信号检测电路设计 31
4.5 保护电路的设计 33
5 软件设计及验证结果 34
5.1 CCS3.3软件开发环境介绍 34
5.2 主程序部分 34
5.3 中断服务 35 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
5.4 主要子程序模块 36
5.5 实验结果 36
结论 37
致谢 38
参考文献 39
1 绪论
1.1 永磁同步电机研究现状
随着工业自动化不断深入发展，将高效率、高动态性能的永磁同步电机与现代电力电子技术、微计算机技术等相结合已经成为二十一世纪电机控制系统的发展方向之一。永磁同步电机控制系统除了电机本身外，还有逆变器、电流环、速度环以及位置环控制器和传感器等器件，其中传感器主要起反馈作用，控制器主要负责处理反馈信息并对逆变器进行控制[1]。如图1.1是永磁同步电机控制系统的经典结构。目前，此种结构在永磁同步电机控制系统中已经被广泛运用。
图1.1 PMSM驱动系统框图
在图1.1中，永磁同步电机驱动电路系统框图中的位置反馈能够让定子磁链在一定程度上实现与转自磁链的同步，同时也可以通过反馈得到位置和速度的信息。用电流传感器可以得到电流的反馈，也就可以达到对永磁同步电机三相电流的控制，也就能够控制永磁同步电机的电磁转矩[2]。电力电子开关器件主要用于产生PWM波形，将电机电压命令转化为器件开关周期命令。由上图可以看出，当下所用的电力电子器件、传感器技术等都是永磁同步电机控制系统的构成部分。
1.1.1 永磁同步电机发展现状
永磁同步电机的旋转扭矩是在定子侧三相电流变化时出现的旋转磁场还有转自磁 场之间的作用下产生的，所以在原理和结构方面同感应电机是相差不多的[3]。两者的主要区别在于，永磁同步电机的转子是因为使用磁铁，最后致使永磁体产生了磁场，而三相异步感应电机的转自则是线圈通电后，因为自身的相互作用，从而线圈内产生了磁场。
（1）永磁同步电机发展历史
通过对永磁同步电机各方面的研究，永磁材料的迅猛发展推动了永磁同步电机的发展。在二十世纪初，在工业生产中永磁材料钴被生产出来敲开了永磁同步电机发展的大门。但是由于是发展初期，所以钴的产量很小，并且生产出来的钴体积很小，使得永磁同步电机发展缓慢，一直到后来发现了稀土这一资源，才使得永磁同步电机走上了快速发展的道路[4]。
在稀土被使用后，永磁同步电机的发展进程可以分为三个时期：
第一时期：从20世纪60年代到70年代，由于稀土资源少，产量少，致使稀土在国际上价格很高，所以永磁同步电机主要集中运用在军事和航天等高端领域。
第二时期：20世纪80年代随着铁硼等永磁材料的发现，用磁铁的成本大大降低，与此同时电力电子技术的大力发展使得永磁同步电机控制更易于实现，所以永磁同步电机也得到了高速发展，快速走进工业控制领域。
第三时期：20世纪90年代至今，随着工业领域自动化快速发展，高端制造的极大需求，同时微电子、微处理器等技术快速发展，使得永磁同步电机应用更加广泛，尤其是高端电机控制中如伺服控制系统永磁同步电机已经成为首选电机[5]。
1.1.2 控制策略研究现状
目前，速度环、电流环都是闭环的双环闭环结构是最流行也是最经典的，伺服控制结构如图1.2所示:
图1.2三环伺服控制系统
外环能够实现的是快速、准确的进行定位，内环的稳定性越高，外环的性能就将越好。电流环作为内环，是提高速度环性能和位置精度的重要部分[6]。所以选择合适的控制策略对于控制系统性能的提高和物理实现是非常关键的一步。
传统控制策略目前主要有三类：
经典控制策略
PID控制很早之前就是非常典型的控制策略，由于它的算法简洁易懂并且动态控制中包含了对现在、过去、将来信息的处理，即通过比例、积分、微分等环节对系统进行实时动态控制，故被广泛运用于工业过程控制。PID控制也是交流电机控制系统最基本的控制策略[7]。
1941年交流电机矢量控制的提出解决了恒压频比不能对控制电机动态中的转矩进行控制的难题，使交流电机控制由过去的稳态控制上升到交流电机的瞬态控制。矢量控制基本原理是经过坐标变换将交流电机高度耦合的励磁分量同转矩分量一起进行解耦，能够达到与直流电机控制基本相同的效果[8]。
其中，将PID反馈控制和矢量控制策略相结合运用到交流伺服控制系统中已经成为了一大趋势，而且现代电力电子技术的成熟也使得这一方法在实际工业生产中被广泛运用。但是这种控制方法也有一些缺陷，例如对于参数变化和外界因素的干扰鲁棒性不强等[7]。
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