三相永磁同步电动机变频调速专业系统设计.doc

运动控制系统
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题 目： 三相永磁同时电动机变频调速系统设计
专业班级： 自动化
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摘 要
本论文在研究永磁同时电动机运行原理基础上具体讨论了其变频调速理论而且设计了一套基于DSP永磁同时电动机磁场定向矢量控制系统。永磁同时电动机相对感应电动机来说含有体积小、效率高和功率密度大等优点，所以自从上个世纪80年代，伴随永磁材料性能价格比不停提升，和电力电子器件深入发展，永磁同时电动机研究也进入了一个新阶段。因为永磁同时电动机本身含有比感应电动机更为优越性能，而且其dq变换算法相对简单、电机转子磁极位置易于检测，所以交流调速矢量控制理论在永磁同时电动机控制领域也得到了一样重视，相关永磁同时电动机矢量控制研究结果陆续发表。本文就是应用电压矢量控制SVPWM实现对永磁同时电机转矩控制，使其拥有直流电机性能。
关键词：永磁同时电机 矢量控制 dq变换 DSP

目 录
1 绪论............................................................................................................................1
1.1 研究背景和意义.................................................................................................1
1.2 研究现实状况及应用前景.........................................................................................1
2 永磁同时电机矢量控制方法................................................................................3
3 硬件电路设计............................................................................................................4
3.1 电流检测电路.....................................................................................................4
3.2 转速检测和转子磁极位置检测电路.................................................................5
3.3 PWM发生电路...................................................................................................6
3.4 IPM智能功率模块驱动电路..............................................................................7
3.5 系统保护电路.....................................................................................................8
3.6 人机接口电路.....................................................................................................9
4 软件设计....................................................................................................................9
设计心得..................................................................................................................12
参考文件..................................................................................................................13

1 绪论
1.1 研究背景和意义
众所周知，电动机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换电磁装置。为了在电机内建立进行机电能量转换所必需气隙磁场，能够有两种方法：一个是在电机绕组内通以电流来产生磁场，这种电励磁电机既需要有专门绕组和相关装置，又需要不停供给能量以维持励磁电流连续流动；另一个方法是用永磁体来产生磁场。因为永磁体材料固有特征，它经过预先磁化(充磁)后，不需要外加能量就能够在其周围空间建立磁场。永磁电机发展是和永磁体材料发展亲密相关。近几十年来，因为多种电机快速发展需要和电流充磁器发明，大家对永磁材料机理、组成和制造技术进行了深入研究，相继发觉了碳钢、钨钢、钴钢等多个永磁材料。尤其是20世纪30年代出现铝镍钻永磁和50年代出现铁氧体永磁，磁性能有了很大提升，多种微型和小型电机又纷纷采取永磁体励磁。永磁电机功率小至数毫瓦，大至几十千瓦，在军事、工农业和开常生活中得到了广泛利用，产量急聚增加。
根据工作原理，电动机通常分为直流电动机和交流电动机两大类。直流电动机转速轻易控制和调整，在额定转速以下，保持励磁电流恒定，经过改变电枢电压方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可用改变励磁方法实现恒功率调速。交流电动机诞生已经有一百多年历史。交流电动机又分为同时电动机和感应(异步)电动机两大类。20世纪80年代以前，在变速传动领域，直流调速一直占据主导电位。伴随交流调速技术发展使交流电机应用愈加广泛，不过其转矩控制性能却不如直流电机。所以怎样使交流电机静态控制性能和直流系统相媲美，一直是交流电机研究方向。本文就是针对永磁同时电机进行矢量控制变压变频调速系统设计。
1.2 研究现实状况及应用前景
自从上个世纪80年代以来，伴随电机调速控制理论、电力电子和微电子技术快速发展和永磁材料性能价格比不停提升，永磁同时电动机变频调速进入了深入研究和广泛应用阶段。因为永磁同时电动机本身含有比感应电动机更为优越性能，而且其dq变换算法相对简单、电机转子磁极位置易于检测，所以交流调速矢量控制理论在永磁同时电动机控制领域也得到了一样重视，相关永磁同时电动机矢量控制研究结果陆续发表。和此同时，对永磁同时电动机调速控制性能也提出了更高要求：高性能永磁同时电动机调速系统除了要有良好转矩控制性能外，还应含有较宽调速范围。
伴随现代工业生产方法益自动化发展需要，对作为其中关键组成部分现代电伺服系统提出了越来越高性能和技术要求，以永磁同时电动机为关键电伺服系统含有精度高，稳定性好，转速高，功率密度大等特点，已日渐成为电伺服驱动系统主流，尤其是在高精度、高性能要求中小功率伺服领域更是含有替换传统直流伺服系统趋势。从其应用领域特点和永磁同时电动机伺服系统本身技术发展来看，以后永磁同时电动机伺服系统将向着以下两个方向发展：一个是适适用于简易数控机床、办公自动化设备、家用电器、计算机外围设备和对性能要求不高工业运动控制等领域简单、成本低永磁同时电动机伺服系统；另一个方向则是适适用于高精度数控机床、机器人、特种加工设备精细给进驱动和航空、航天用高性能全数字化、智能化、柔性化永磁同时电动机伺服系统。以后一个作为更能充足表现永磁同时电动机伺服系统优点发展方向也必将是永磁同时电动机伺服系统关键发展方向。

2 永磁同时电机矢量控制方法
由电机学理论可知，在三相定子绕组中通入三相对称电流，能够产生对应三相磁动势。其合成磁动势是一个圆形空间旋转磁势。而且能够证实，旋转磁势能够形成一个圆形旋转磁场（若不考虑磁滞和涡流损耗，则旋转磁势和旋转磁场在空间上同相位），并和电机转子永磁体所产生磁场相互作用形成电磁力，从而推进转子旋转。因为电动机转速和电源频率保持严格同时关系，所以速度不可调。和感应电动机控制相类似，高性能永磁同时电动机变频调速策略也有两种：矢量控制和直接转矩控制。矢量控制技术是从直流电动机控制中得到启发，其励磁磁通和电枢磁势方向相互垂直，二者互不影响，励磁绕组和电枢绕组又相互独立，故可分别调整其励磁电流和电枢电流，实现对转矩独立控制。永磁同时电动机矢量控制就是分别控制订子电流幅值和相位，包含了id=0控制、cosφ=l控制、恒磁链控制、最大转矩/电流控制等不一样控制方法。
将永磁同时电机转子励磁磁势方向定为d轴，超前90度方向定义为q轴，于是能够建立dq旋转坐标系。dq轴电流控制是经过dq轴电压控制实现。但dq轴电压无法直接输出，需要转换到三相静止坐标系中输出，系统控制方案能够设计为图2.1所表示。
图2.1 系统结构图

3 硬件电路设计
系统采取DSP芯片为TMS320F2407，它是电机专用控制DSP，集成了相当多电机控制外围电路，这使得系统硬件设计变得十分简单。硬件系统主回路采取交一直一交电压型逆变器(VSI)形式，由不控整流桥、滤波电容、逆变器和作为控制对象永磁同时电动机等组成。硬件部分关键包含：人机接口、整流逆变装置、电流检测、光电码盘信号采集、系统保护等，硬件结构图图3.1所表示。对LF2407控制器而言，其输入量关键为每一采样周期采样a、b相定子电流信号和由增量式脉冲编码器输出电机转速信号，输出量关键为IPM功率模块控制信号。

图3.1 系统硬件结构框图
3.1 电流检测电路
在没有中线时，能够认为电动机定子三相电流之和为0，所以检测a、b两相电流值能够重构出c相电流。本系统检测电流使用霍尔电流传感器。因为霍尔元件输出是弱电流信号，所以必需将该电流信号转换成电压信号，且因为霍尔传感器输出为有正负方向电流信号，其转换得到电压信号也有正负，而TMS320LF2407片内A/D转换器输入为0～+5V电压信号，所以需要电平偏移电路，将有正负极性电压信号转换为LF2407A/D转换器所需单极性电压信号。电流采样电路原理框图图3.2所表示。

图3.2 采样电路原理图
3.2 转速检测和转子磁极位置检测电路
高性能变频调速系统通常全部要求有高精度速度和转子位置反馈元件。光电编码器是一个直接将角位移变量转换为数字信号检测元件。因为含有较高分辨率和简单接口电路，所以尤其适合于交流调速系统。系统中选择增量式光电脉冲编码器检测转速，转子速度和位置检测DSP外部接线电路图3.3所表示。图中PCA、PCB是从编码器上引出增量式光电信号，两路信号相位相差90度。C1、C2、C4、C8是从编码器混合编码盘得到反应电机转子绝对位置光电信号，根据格雷码规律改变，其中，C1改变频率是C2一倍，是C4、C8四倍，C4、C8同频率，但相位相差90度。整形后信号，PCA连接到DSPCAP1、CAP3管脚，PCB连接到CAP2、CAP4管脚。格雷码信号Cl、C2、C4、C8分别接到DSP4个通用10端口IOPA0、IOPA1、IOPA2、IOPA3。C1还同时连接到外部中止检测管脚XINT2和XINT3。

图3.3 外部接线图
3.3 PWM发生电路
片上PWM发生电路是LF2407实现单片电机控制又一硬件确保，它使在产生用于电机控制和运动控制场所脉宽调制波形时，把CPU开销和用户干预降至最少。在本系统中，我们使用空间矢量SVPWM波形发生器，由其产生PWM信号进入死区发生单元，死区宽度从0～102.4μs可调。要产生一个PWM信号，需要一个适宜定时器来反复产生一个和PWM周期相同计数周期，一个比较寄存器保持着调制值。比较寄存器值不停地和定时计数器值相比较，当两个值匹配时，在对应输出上就会产生一个变换(从高到低或从低到高)。当两个值之间第二个匹配产生或一个定时周期结束时，对应输出上会产生又一个转换(从低到高或从高到低)。经过这种方法，所产生输出脉冲开关时间就会和比较寄存器值成百分比。在每个定时器周期中，这个过程全部会出现，但每次比较寄存器中调制值是不一样，这要由控制软件依据每个采样周期反馈量实时计算得到。这么在对应输出引脚就会产生一个PWM信号。
在PWM发生电路中，还有一个关键部分即死区发生。在系统主回路中，两个功率器件被串联放在一个功率转换支路中。为避免击穿失效，两个器件导通时问必需不能重合，这么就需要一对非重合PWM输出来正确地开关这两个器件。为此，在一个功率器件关断和另一个功率器件导通之间要插入一段死区。这段延迟许可一个器件在同一桥臂上另一器件导通之前完全关断。图3.4为一个全比较单元死区逻辑框图。死区单元输入为PHl、PH2和PH3，分别来自于全比较单元波形发生器。其输出有DTPHl、DTPHl-、DTPH2、DTPH2-、DTPH3和DTPH3-，分别对应于PHl、PH2和PH3。PWMx(1、3、5)信号输出依据DTPHx来决定，ACTR控制高有效时输出DTPHx，低有效时输出为DTPHx取反。PWMx(2、4、6)信号输出依据DTPHx-一来决定，ACTR控制高有效时输出DTPHx-，低有效时输出为DTPHx-取反。DSP死区依据ACTR高低有效性而改变，高有效时不许可上下桥臂控制信号同时为高电平，低有效时不许可同为低电平，所以DSP死区对高低电平开通功率管全部有效。软件产生死区只须将DBTCON高8位载入死区时间值即可实现。

图3.4 死区逻辑框图
3.4 IPM智能功率模块驱动电路
系统选择智能功率模块6MBP25RAl20组成电压型变频器为三相桥式结构，模块工作时需外部提供独立驱动电源基极控制信号，经过光电隔离电路接于模块接口。智能功率模块是把功率放大器件和起控制作用逻辑电路和检测电路集成在一起，完成驱动信号放大、功率放大及多种保护等功效，含有IGBT开关特征。系统IPM驱动接口电路图3.5所表示。其外部控制电源有四组，三组电源分别为U、V、W三相上桥臂驱动电路供电，第四组电源供给三个下桥臂元件。六个IGBT基极驱动信号全部是低电平有效信号，和外部控制电路经过光电隔离器件TLP559隔离。TLP559将DSP输出0～5VPWM信号转换成0～15V驱动信号。

图3.5 IPM驱动接口电路
3.5 系统保护电路
为确保系统中功率转换电路及电机驱动电路安全可靠，LF2407还提供了一个外部中止输入引脚一一PDPINT。该中止为功率驱动保护专用设计。整个过程不需要程序干预，全部自动完成，这对实现多种故障状态快速处理很有用。为了确保系统安全运行，实际系统中设计了以下硬件故障检测和保护步骤：
(1)直流过电压。当逆变器直流侧电压高于某特定值时，会危及功率器件和滤波电容器安全。所以为预防直流电压过高，设计了直流过电压保护电路；
(2)控制电路欠压。当控制电源电压过低时，会引发控制信号紊乱，使控制系统有可能发生误动作，为此设计了欠压保护，在欠压时停止控制系统工作，以保护逆变器功率器件；
(3)IPM故障。当IPM内部检测到过流、短路、模块驱动控制电压欠压或模块温度过高时，输出故障报警信号，使系统能够采取合适方法关断功率器件。
系统保护功效框图图3.6所表示。

图3.6 系统保护功效框图
3.6 人机接口电路
为了方便系统调试，系统设计了一套简单人机接口电路，实现DSP和上位机之间通讯。调试人员能够在系统运行之前设定电机给定速度、PI调整器百分比、积分系数等系统参数，并能够在电机运行时随时改变给定速度。TMS320LF2407提供了串行通讯接口(SCI)，它两个外部引脚分别是串行通讯数据接收引脚和发送引脚。系统经过RS232协议和上位机COM1口进行通讯。

4 软件设计
本系统软件程序结构是由一个主程序和四个中止程序组成。四个中止程序分被为定时器l下溢出中止，实现转速环和电流环采样计算；XINT中止程序参与转子位置检测；CAP中止程序和定时器2中止服务程序共同实现M/T法转速检测。图4.1为主程序步骤图，图4.2、图4.3、图4.4、图4.5分别为四个中止程序步骤图。

图4.1 主程序步骤图 图4.2 定时器1中止程序步骤图
图4.3 转子绝对位置处理程序 图4.4 CAP3/4中止服务程序步骤

图4.5 定时器2中止服务程序步骤
设计心得
经过一周课程设计，我对于运动控制这门课程又有了深入认识。在这一周中，经过和同学们讨论，和老师交流，最终完成了此次课程设计。经过此次设计，让我们对之前所学各门课程（如单片机、DSP等）有了一个更深了解，让我们能对于自己专业又有一个更清醒认识，能够站在更高角度去审阅我们学习结果，也让我们有机会而且有意识地将以往所学知识串成一个系统，让我们能够对自己所学有所思索，能够在各个步骤上查漏补缺，知道我们学习具体目标。在这次设计过程中，我也碰到了很多问题。让我对于之前走马观花式学过知识或没太弄明白知识，最终全部有了一个更清楚认识。这次碰到了这么多麻烦，也算是对我之前学习不太仔细一次教训吧！

参考文件
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统--运动控制系统[M].4版.北京：机械工业出 版社，
[2]刘和平，等.DSP原理及电机控制应用--基于TMS320LF240x系列[M].北京：北京航空航天大学出版社，
[3]唐任远．现代永磁电机理论和设计．北京：机械工业出版社，
[4]徐广人，唐任远，安忠良．永磁同时电动机气隙磁场分析．沈阳电力高等专
科学校校报，200l，3(2)
[5]万文斌，徐衍亮，唐任远．永磁同时电动机高性能电流控制器．中国电机工程学报，，20(12)