三相永磁同步电动机变频调速系统设计要点.pdf

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1、运动控制系统 课程设计 题目： 三相永磁同步电动机变频调速系统设计 专业班级：自动化 姓名： 学号： 指导教师： 评阅意见： 指导老师签名： 日期：2014年月日 摘要 本论文在研究永磁同步电动机运行原理的基础上详细讨论了其变频调速的 理论并且设计了一套基于DSP的永磁同步电动机磁场定向矢量控制系统。永磁 同步电动机相对感应电动机来说具有体积小、效率高以及功率密度大等优点， 因此自从上个世纪80 年代，随着永磁材料性能价格比的不断提高，以及电力 电子器件的进一步发展，永磁同步电动机的研究也进入了一个新的阶段。由于 永磁同步电动机自身具有比感应电动机更为优越的性能，而且其dq 变换算法 相对简单

2、、电机转子磁极的位置易于检测，因此交流调速的矢量控制理论在永 磁同步电动机的控制领域也得到了同样的重视，有关永磁同步电动机矢量控制 研究的成果陆续发表。 本文就是应用电压矢量控制SVPWM 实现对永磁同步电机 的转矩控制，使其拥有直流电机的性能。 关键词：永磁同步电机矢量控制dq 变换 DSP 目录 1 绪论1 1.1 研究背景与意义 .1 1.2 研究现状及应用前景 .1 2 永磁同步电机的矢量控制方法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

3、 .8 3.6 人机接口电路 .9 4 软件设计 9 设计心得 12 参考文献 13 1 1 绪论 1.1 研究背景与意义 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的电磁装置。 为了在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法：一 种是在电机绕组内通以电流来产生磁场，这种电励磁的电机既需要有专门的绕 组和相关的装置，又需要不断的供给能量以维持励磁电流的持续流动；另一种 方法是用永磁体来产生磁场。由于永磁体材料的固有特性，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。永磁电机的发展是与永 磁体材料的发展密切相关的。近几十年来，由于各种电机迅速

4、发展的需要和电 流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、构成和制造技术进行了深入研究， 相继发现了碳钢、钨钢、钴钢等多种永磁材料。特别是20 世纪 30 年代出现的 铝镍钻永磁和 50年代出现的铁氧体永磁， 磁性能有了很大的提高， 各种微型和 小型电机又纷纷采用永磁体励磁。永磁电机的功率小至数毫瓦， 大至几十千瓦， 在军事、工农业和开常生活中得到了广泛的运用，产量急聚增加。 按照工作原理，电动机一般分为直流电动机和交流电动机两大类。直流电 动机的转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流恒定，通过改变 电枢电压的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 改变励磁的方法实现

5、恒功率调速。交流电动机的诞生已经有一百多年的历史。 交流电动机又分为同步电动机和感应(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。随着交流调速技术的发展 使交流电机的应用更加广泛，但是其转矩控制性能却不如直流电机。因此如何 使交流电机的静态控制性能与直流系统相媲美，一直是交流电机的研究方向。 本文就是针对永磁同步电机进行的矢量控制的变压变频调速系统设计。 1.2 研究现状及应用前景 自从上个世纪 80年代以来，随着电机调速控制理论、电力电子和微电子技 术的迅速发展以及永磁材料性能价格比的不断提高，永磁同步电动机的变频调 速进入了深入研究和广泛应

6、用的阶段。由于永磁同步电动机自身具有比感应电 动机更为优越的性能， 而且其 dq 变换算法相对简单、 电机转子磁极的位置易于 2 检测，因此交流调速的矢量控制理论在永磁同步电动机的控制领域也得到了同 样的重视，有关永磁同步电动机矢量控制研究的成果陆续发表。与此同时，对 永磁同步电动机的调速控制性能也提出了更高的要求：高性能的永磁同步电动 机调速系统除了要有良好的转矩控制性能外，还应具有较宽的调速范围。 随着现代工业生产方式的益自动化发展的需要，对作为其中重要组成部分 的现代电伺服系统提出了越来越高的性能和技术要求，以永磁同步电动机为核 心的电伺服系统具有精度高，稳定性好，转速高，功率密度大等特

7、点，已日渐 成为电伺服驱动系统的主流， 尤其是在高精度、 高性能要求的中小功率伺服领 域更是具有取代传统直流伺服系统的趋势。从其应用领域的特点和永磁同步电 动机伺服系统自身技术的发展来看，今后永磁同步电动机伺服系统将向着以下 两个方向发展：一个是适用于简易数控机床、办公自动化设备、家用电器、计 算机外围设备以及对性能要求不高的工业运动控制等领域的简单、成本低的永 磁同步电动机伺服系统；另一个方向则是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以及航空、航天用的高性能的全数字化、智能化、柔 性化的永磁同步电动机伺服系统。而后一个作为更能充分体现永磁同步电动机 伺服系统优点的发展方向也

8、必将是永磁同步电动机伺服系统的重点发展方向。 3 2 永磁同步电机的矢量控制方法 由电机学理论可知，在三相定子绕组中通入三相对称的电流，可以产生相 应的三相磁动势。其合成磁动势是一个圆形的空间旋转磁势。而且可以证明， 旋转磁势可以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） ，并与电机的转子永磁体所产生的磁场相互作用 形成电磁力， 从而推动转子旋转。 由于电动机的转速与电源频率保持严格的同 步关系，因而速度不可调。与感应电动机的控制相类似，高性能的永磁同步电 动机的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 直流电动机的控制中得到启

9、发，其励磁磁通和电枢磁势方向互相垂直，两者互 不影响，励磁绕组和电枢绕组又相互独立，故可分别调节其励磁电流和电枢电 流，实现对转矩的独立控制。 永磁同步电动机的矢量控制就是分别控制定子电 流的幅值和相位，包含了id=0 控制、 cos=l 控制、恒磁链控制、最大转矩/ 电流控制等不同的控制方法。 将永磁同步电机的转子励磁磁势方向定为d轴，超前 90度的方向定义为q 轴，于是可以建立dq 旋转坐标系。 dq 轴电流的控制是通过dq 轴电压的控制 实现的。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 统的控制方案可以设计为图2.1 所示。 位 置 调 节 器 ASRACR 2/

10、3 变 换 三相 电压 源逆 变器 ACR 速度 计算 abc 位置传 感器 dq 给定 给 定 iq 给 定 uq Id给定 =0 iq id ia ib ic PM 图 2.1 系统结构图 4 3 硬件电路设计 系统采用的 DSP芯片为 TMS320F2407，它是电机专用控制DSP，集成了相 当多的电机控制外围电路， 这使得系统硬件设计变得十分简单。硬件系统的主回 路采用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 以及作为控制对象的永磁同步电动机等组成。硬件部分主要包括： 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，硬件结构图如图3.1

11、所示。对 LF2407 控制器而言，其输入量主要为每一采样周期采样的a、b 相定 子电流信号和由增量式脉冲编码器输出的电机转速信号，输出量主要为IPM 功 率模块的控制信号。 串行 接口 故障 检测 DSP 控制器 TMS320LF2407 三相电源 三相整流 电路 IPM逆变 电路 驱动电路 电流传感器 脉冲编码器 PMSM 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，可以认为电动机定子三相电流之和为0，因此检测 a、b 两相 电流值可以重构出c 相电流。本系统检测电流使用霍尔电流传感器。由于霍尔元 件输出的是弱电流信号， 因此必须将该电流信号转换成电压信号，且由于霍尔

12、传 感器的输出为有正负方向的电流信号，其转换得到的电压信号也有正负，而 TMS320LF2407 的片内 A/D 转换器的输入为0+5V 的电压信号，因而需要电平 偏移电路，将有正负极性的电压信号转换为LF2407A/D 转换器所需的单极性电 5 压信号。电流采样电路的原理框图如图3.2 所示。 LEM 2.5V电 压偏移 ADC 输入 电压 放大器输 出电压 霍尔元件 输出电压 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 高性能的变频调速系统一般都要求有高精度的速度和转子位置反馈元件。光 电编码器是一种直接将角位移变量转换为数字信号的检测元件。因为具有较高的 分辨率和

13、简单的接口电路， 所以特别适合于交流调速系统。 系统中选用增量式光 电脉冲编码器检测转速， 转子速度和位置检测的DSP外部接线电路如图 3.3所示。 图中 PCA、 PCB是从编码器上引出的增量式光电信号，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的反映电机转子绝对位置的光电信 号，按照格雷码规律变化，其中，C1 的变化频率是 C2 的一倍，是 C4、C8 的四 倍， C4、 C8同频率，但相位相差 90 度。 整形后的信号，PCA 连接到 DSP的 CAP1、 CAP3 管脚， PCB 连接到 CAP2、CAP4 管脚。格雷码信号Cl、C2、C4、C8 分

14、别接到 DSP的 4 个通用 10 端口 IOPA0、IOPA1、IOPA2、IOPA3。C1 还同时连 接到外部中断检测管脚XINT2 和 XINT3 。 TMS320LF2407 隔 离 放 大 混 合 编 码 盘 CAP4 CAP3 CAP2 CAP1 IOPA3 IOPA2 IOPA1 IOPA0 XINT3 XINT2 PCB PCA C1 C2 C4 C8 图 3.3 外部接线图 6 3.3 PWM 发生电路 片上 PWM 发生电路是 LF2407 实现单片电机控制的又一硬件保证，它使在 产生用于电机控制和运动控制场合的脉宽调制波形时，把CPU 开销和用户的干 预降至最少。在本系统

15、中，我们使用空间矢量SVPWM 波形发生器，由其产生 的 PWM 信号进入死区发生单元， 死区宽度从 0102.4s可调。 要产生一个 PWM 信号，需要一个合适的定时器来重复产生一个与PWM 周期相同的计数周期， 一 个比较寄存器保持着调制值。比较寄存器的值不断地与定时计数器的值相比较， 当两个值匹配时，在相应的输出上就会产生一个变换(从高到低或从低到高 )。当 两个值之间的第二个匹配产生或一个定时周期结束时，相应的输出上会产生又一 个转换 (从低到高或从高到低 )。通过这种方法，所产生的输出脉冲的开关时间就 会与比较寄存器的值成比例。 在每个定时器周期中， 这个过程都会出现， 但每次 比较

16、寄存器中的调制值是不同的， 这要由控制软件根据每个采样周期的反馈量实 时计算得到。这样在相应的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， 两个器件的导通 时问必须不能重叠， 这样就需要一对非重叠的PWM 输出来正确地开关这两个器 件。 为此， 在一个功率器件的关断和另一个功率器件的导通之间要插入一段死区。 这段延迟允许一个器件在同一桥臂上的另一器件导通之前完全关断。图 3.4 为一 个全比较单元的死区逻辑的框图。死区单元的输入为PHl、PH2 和 PH3，分别来 自于全比较

17、单元的波形发生器。其输出有DTPHl、DTPHl- 、DTPH2、DTPH2-、 DTPH3 和 DTPH3-，分别对应于 PHl、PH2 和 PH3。PWMx(1、3、5)信号的输出 根据 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)信号的输出根据 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 的死区根据 ACTR 的高低有 效性而改变， 高有效时不允许上下桥臂的控制信号同时为高电平，低有效时不允 许同为低电平，因此DSP 死区对高低电平开通的功率管都有效。软

18、件产生死区 只须将 DBTCON 高 8 位载入死区时间值即可实现。 7 DBTCON 死区控制寄存器 边沿检测 预定标 比较逻辑 DBTCON 死区控制寄存器 CLK EN 计数器 DTPHX DTPHx PHx 内部 CPU 时钟 图 3.4 死区逻辑框图 3.4 IPM 智能功率模块驱动电路 系统选用智能功率模块6MBP25RAl20 构成的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的驱动电源基极控制信号，通过光电隔离电路接 于模块接口。智能功率模块是把功率放大器件与起控制作用的逻辑电路和检测电 路集成在一起，完成驱动信号放大、功率放大及各种保护等功能，具有IGBT 的 开关

19、特性。 系统 IPM 的驱动接口电路如图3.5 所示。其外部控制电源有四组， 三 组电源分别为 U、V、W 三相的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 的基极驱动信号都是低电平有效的信号，与外部控制电路通 过光电隔离器件 TLP559 隔离。TLP559 将 DSP 输出的 05V 的 PWM 信号转换 成 015V 的驱动信号。 8 R21 10K R11 330 Q? NPN C11 0.1F VUP1 VUPC VCCD PU+ UP 4 7 1 2 231 5 6 8 OPT1 TLP559 图 3.5 IPM 的驱动接口电路 3.5 系统保护电路 为保证

20、系统中功率转换电路及电机驱动电路的安全可靠，LF2407 还提供 了一个外部中断输入引脚一一PDPINT。该中断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，这对实现各种故障状态的快速处 理非常有用。为了保证系统的安全运行，实际系统中设计了如下的硬件故障 检测和保护环节： (1)直流过电压。当逆变器直流侧的电压高于某特定值时，会危及功率器 件和滤波电容器的安全。因此为防止直流电压过高，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，会引起控制信号紊乱，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的 工作，以保护逆变器功率器件；

21、 (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 者模块温度过高时，输出故障报警信号，使系统能够采取适当的方式关断功 率器件。 系统保护功能框图如图3.6 所示。 9 PDPINT 光电隔离 或 门 TMS320LF2407 过电压 欠压 过电流 各种 故障 图 3.6 系统保护功能框图 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的人机接口电路，实现 DSP 和上位 机之间的通讯。调试人员可以在系统运行之前设定电机的给定速度、PI 调节器 比例、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

22、行通讯接口 (SCI)，它的两个外部引脚分别是串行通讯 数据的接收引脚和发送引脚。系统通过RS232协议与上位机的 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断程序组成。四个中断程序分 被为定时器 l 下溢出中断，实现转速环和电流环的采样计算；XINT 中断程序参 与转子位置检测； CAP 中断程序和定时器2 中断服务程序共同实现M/T 法转速 的检测。图 4.1 为主程序流程图，图4.2、图 4.3、图 4.4、图 4.5 分别为四个中断 程序流程图。 10 主程序 封锁PWM 输出 启动系统 主电路正常 与上位机通讯 参数设置 初始化 转子位置 初始定

23、位 开中断 关闭系统 封锁PWM 输出 关中断 N Y N Y N Y 定时器 1中 断服务程序 保护现场 关中断 转速采样 读光电编码器 的计数值 计算转子位置 得转子位置的 正余弦 计算电流反馈 坐标变换 电流调节 器计算 得指定电压值 SVPWM运算 控制输出 开中断 恢复现场 中断返回 图 4.1 主程序流程图图4.2 定时器1 中断程序流程图 11 INT中断 服务程序 保护现场关中断 读取格雷码 求转子绝对位置 记录当前计数值 恢复现场开中断 返回 CAP3/4中断服 务程序 保护现场关中断 读取 T2CNT ，计算 m2 停止定时器 2，清零 T2CNT 重新启动定时器 读取 T

24、3CNT 值，计算 m1 计算转速 屏蔽 CAP3/4中断 恢复现场关中断 返回 图 4.3 转子绝对位置处理程序图 4.4 CAP3/4 中断服务程序流程 定时器 2中断程序 保护现场关中断 使能 CAP3/4中断 恢复现场关中断 返回 图 4.5 定时器 2 中断服务程序流程 12 设计心得 经过一周的课程设计，我对于运动控制这门课程又有了进一步的认识。在这 一周中，通过和同学们讨论，和老师交流，最终完成了本次课程设计。通过此次 设计，让我们对之前所学的各门课程 （如单片机、 DSP 等）有了一个更深的理解， 让我们能对于自己的专业又有一个更清醒的认识，能够站在更高的角度去审视我 们学习的

25、成果，也让我们有机会并且有意识地将以往所学的知识串成一个系统， 让我们能够对自己所学有所思考，能够在各个环节上查漏补缺， 知道我们学习的 具体目的。 在这次设计的过程中， 我也遇到了许多的问题。 让我对于之前走马观 花式学过的知识或者没太弄明白的知识，最终都有了一个更清楚的认识。 这次遇 到了这么多麻烦，也算是对我之前学习不太仔细的一次教训吧！ 13 参考文献 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， 2010 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，2006 3 唐任远现代永磁电机理论与设计北京：机械工业出版社，2000 4 徐广人，唐任远，安忠良永磁同步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，唐任远永磁同步电动机的高性能电流控制器中国电机 工程学报， 2000，20(12)