永磁電動機的控制系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　本章介紹了本文所論述問題的提出和研究的意義，隨后又介紹永磁電動機的控制系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀。</p><p>　　1.1問題的提出和意義</p><p>　　目前為止，中國能源消耗是美國的4倍多。中國的能耗問題已經(jīng)非常突出。本文研究內(nèi)容是以工程項目“通用永磁同步電動機的驅(qū)動器”的開

2、發(fā)為背景。由該驅(qū)動器加上永磁同步電動機一起組成的調(diào)速系統(tǒng)能夠在一些場合中取代由交流異步電動機和通用變頻器組成的調(diào)速系統(tǒng)。矢量控制的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量 (勵磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量

3、，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。簡單的說，矢量控制就是將磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦，有利于分別設(shè)計兩者的調(diào)節(jié)器，以實現(xiàn)對交流電機的高性能調(diào)速。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。這樣就可以將一臺三相異步電機等效為直流電機來控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動態(tài)性能。調(diào)速控制系統(tǒng)通常由以下三大部分組成：控制部分、功率部分和電動機。目前基本上存在以下三大類的調(diào)速系統(tǒng)，直流&l

4、t;/p><p>　　直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的電源供給的結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，在相當長的一個時期內(nèi)占據(jù)了拖動的主要地位，雖然有這么多優(yōu)點但是也有很多缺點，它的結(jié)構(gòu)上有很多的缺陷。電刷和換向器在電機結(jié)構(gòu)上是接觸的，在轉(zhuǎn)動的時候會產(chǎn)生機械上的摩擦，這樣就容易損壞，不但如此還容易打火產(chǎn)生火花，這樣一來就使直流電動機的可靠度變的很差、能正常使用的時間也很短、后期的使用過程中就要經(jīng)常維修，導(dǎo)致了額外的工作量。</p><

5、;p>　　交流異步電動機部件不多，而且沒有那種摩擦件。不但運行的時候非常穩(wěn)定而且可以用很長時間都不出問題，轉(zhuǎn)動的效率也非常高，在運轉(zhuǎn)的時候響應(yīng)也非?？?。不過異步電動機也有一些缺點，功因很低，特別是負載比較小的時候功因和效率特別低，電網(wǎng)損耗會增加，線路損耗也會增加。</p><p>　　和異步電動機來比較的話，永磁同步電動機就有著非常多它們沒有的優(yōu)點，首先從體積上看占空間比較小、功率和密度的比值非常高、效率和

6、功因也非常高?？墒窃谥暗耐蟿酉到y(tǒng)中，一般都用直流電機或者感應(yīng)電機，原因主要是因為同步電動機在當時不能夠在沒有改變頻率的電源下轉(zhuǎn)動起來，若要想自行的轉(zhuǎn)動起來就需要有能改變頻率的電源，而能改變頻率的電源在之前是很難弄到的裝備。但是，隨著科學(xué)和技術(shù)的不斷前進，永磁同步電動機才慢慢開始被使用。所以研究永磁同步電動機如何控制，尋找能提升系統(tǒng)性能的策略，是一件非常有意義的事情。</p><p>　　1.2永磁同步電動機控制

7、系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀</p><p>　　在之前絕大多數(shù)工控上的裝備，家電裝備及商用裝備上的傳動裝備通常都被做成轉(zhuǎn)速不變的方式運行。如果傳動裝備能夠改變轉(zhuǎn)速運行是能夠使其控制性能變好的。近來，電氣傳動的改革比較大，其原因有以下兩點：(1)隨著器件的發(fā)展，使傳動可以實現(xiàn)變速，而且花銷也在不斷變少；(2)隨著對以后用電成本的關(guān)心不斷的變大，能改變速度的傳動裝備慢慢的被用在新近開發(fā)的裝備和現(xiàn)有的裝備改善上面。</p&

8、gt;<p>　　1.2.1交流永磁同步電動機控制系統(tǒng)</p><p>　　交流永磁電動機是一種具有很多優(yōu)勢的裝置，特別是迎合了現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)。永久性的磁鐵能夠自己產(chǎn)生磁通，這樣永磁同步電動機就可以做的非常大效率，人們越來越看重高效率這一優(yōu)勢。另一方面，永久性磁鐵適當?shù)膽?yīng)用能夠帶來比較小的損耗。</p><p>　　1.2.2交流永磁同步電動機控制系統(tǒng)的發(fā)展</p&g

9、t;<p>　　永磁同步電動機的出現(xiàn)是兩種不同的發(fā)展線路結(jié)合產(chǎn)生的結(jié)果。其中一條線路是帶轉(zhuǎn)子鼠籠式繞組的永磁電動機的出現(xiàn)，其能夠直接啟動，這種電機設(shè)計的目的是為了能夠直接用公用電網(wǎng)轉(zhuǎn)動。</p><p>　　第二條發(fā)展線路就是永磁伺服電動機出現(xiàn)后，帶勵磁式繞組就被逐漸取代。最后就出現(xiàn)了無轉(zhuǎn)子鼠籠式的永磁同步電動機，它與頻率能夠變化和電壓也能變化的逆變器一起就能夠做出高性能的運動控制系統(tǒng)。</p

10、><p>　　1.2.3交流永磁同步電動機控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀</p><p>　　從70年代開始，人們不斷的學(xué)習(xí)永磁交流運動系統(tǒng)，而且已經(jīng)具有非常高穩(wěn)態(tài)質(zhì)量，非常大的轉(zhuǎn)速比，非常短的過渡過程等這些優(yōu)點，其過渡時的性能和平穩(wěn)運行時的性能已經(jīng)能和直流隨動系統(tǒng)非常接近。</p><p>　　1.3永磁同步電動機概述</p><p>　　經(jīng)過學(xué)習(xí)和改造線繞式

11、同步電機，永磁同步電動機逐漸別人們認識。它不用電進行勵磁而是利用永磁型材料，這樣就可以不需要勵磁線圈、滑環(huán)與電刷，它的定子上的電流基本上與線繞式的一樣。</p><p>　　1.3.1永磁同步電動機的種類</p><p>　　交流同步電動機的種類很多。就轉(zhuǎn)子的構(gòu)造來看，永磁同步電動機能夠分為，表面貼裝式的永磁同步電動機(SPM)與內(nèi)埋式的永磁同步電動機(IPM)兩種型式。</p>

12、;<p>　　圖1-1 PMSM切面圖</p><p>　　1.3.2永磁同步電動機的特點</p><p>　　本課題所選用電動機是表面貼裝式的永磁同步電動機，在之后的章節(jié)中將對其控制策略，控制系統(tǒng)構(gòu)成以及如何提高系統(tǒng)性能作詳細的分析和介紹，本小節(jié)先簡單介紹永磁同步電動機的特點。</p><p><b>　　優(yōu)點主要有：</b>&

13、lt;/p><p>　　①結(jié)構(gòu)多樣，應(yīng)用廣，可靠性高。</p><p><b>　　②重量輕，體積小。</b></p><p><b>　?、酃σ蚋?，效率高。</b></p><p>　?、芗y波小，轉(zhuǎn)速平滑，過渡過程快速精確，帶載能力強。</p><p>　　2 永磁同步電動機控

14、制系統(tǒng)控制策略分析</p><p>　　2.1永磁同步電動機控制系統(tǒng)組成</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示，永磁同步電動機在緒論中已作了詳細的介紹，下面主要介紹其它幾個部分：</p><p>　?。?）速度和位置傳感器</p><p>　　本系統(tǒng)的控制上有速度

15、環(huán)控制，既然有速度環(huán)，就需要有速度反饋，速度反饋就需要去對電機的速度信號進行采樣。從而為了檢測電動機的實際轉(zhuǎn)的速度，通常都在電動機的軸上裝上采樣速度信號的傳感器；但是永磁同步電動機的控制還需要知道轉(zhuǎn)子具體在什么地方，也就是要知道角度才能去做矢量控制的計算。從而就需要有采樣位置的傳感器。當然在實際做的時候，只需要用一種傳感器就可以得到速度的信號和位置的信號。知道了速度的信號和位置的信號后就可以按照矢量控制的方式去處理了。永磁同步電動機要旋

16、轉(zhuǎn)起來必須要知道轉(zhuǎn)子所在的位置，知道了位置才能通過矢量去合成在該位置所需要的電壓信號。而且速度信號的正確性也非常重要，因為該信號是作為反饋信號去做閉環(huán)控制的，如果該反饋信號不準確的話，也會導(dǎo)致控制上出現(xiàn)偏差。所以速度信號和位置信號的采集是非常重要的一個環(huán)節(jié)，在選擇傳感器時就要非常注意，要根據(jù)需要選擇合適的傳感器。選擇好傳感器后下一個問題就是安裝的問題了，安裝傳感器同樣也是很麻煩的。這個問題要從機械和電機兩個方面去考慮，安裝的好壞同樣會影

17、響控制的好壞，安裝好后在以后的長時間的使用過程中不能出現(xiàn)安裝上的故障。如果出現(xiàn)故障會導(dǎo)致控制上失敗，</p><p><b>　?。?）功率驅(qū)動單元</b></p><p>　　功率驅(qū)動單元就是要提供給電機能量，而輸入的是市電，在市電進來后就要經(jīng)過整流單元模塊把交流電先整成直流，再把整成的直流信號經(jīng)過逆變單元模塊，把直流信號逆變成電動機所需要的交流信號。這個控制過程由

18、驅(qū)動控制單元模塊和保護單元模塊完成的?？刂贫嗽杉姍C轉(zhuǎn)子的位置信號和速度信號然后根據(jù)電機驅(qū)動原理產(chǎn)生驅(qū)動信號去驅(qū)動逆變橋。而使逆變橋產(chǎn)生此時維持電機轉(zhuǎn)動的信號，這中間的過程是很復(fù)雜的，電機在轉(zhuǎn)動過程中會遇到各種不能想到的情況，控制單元就要做出各種不同的反應(yīng)去處理這些問題。整流單元模塊通常采用的是全橋不控整流這種形式。對于功率不大的的傳動控制系統(tǒng)來說，逆變部分模塊一般不采用分離器件作為逆變器件而采用智能功率模塊(IPM)。</p

19、><p><b>　?。?）控制單元</b></p><p>　　控制單元模塊在整個控制系統(tǒng)中占據(jù)的地位是非常核心的，硬件部分做的再好，如果控制部分做的不好也沒用?？刂茊卧K要實現(xiàn)信號的采集，然后根據(jù)采集的信號進行速度的控制和電流的控制。速度主要是采用恒速控制，也就是根據(jù)給定的轉(zhuǎn)速與反饋的轉(zhuǎn)速進行比較后作出控制。而電流的控制主要是為了限制電流，就是在啟動或者過載的時候不

20、讓電流信號變的太大而產(chǎn)生對器件和電機不好的影響。速度控制直接影響到系統(tǒng)性能的好壞，速度控制不好的話那整個系統(tǒng)就沒法使用，而電流的控制則是起到一些增強系統(tǒng)性能的作用同時也起到保護系統(tǒng)的作用。速度的控制都是采用比例積分的控制。這樣不僅使系統(tǒng)具有快速的跟隨給定轉(zhuǎn)速而且也能在電機平穩(wěn)時轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，也就是不要產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)速波動。</p><p>　　電流控制通常也是采用比例積分的控制，也是要求具有非常高的隨動性，使之能夠滿

21、足對電流瞬時值快速的控制。</p><p>　　2.2永磁同步電動機數(shù)學(xué)模型</p><p>　　矢量控制最初由德國的KHasse博士在1968年提出來，德國西門子公司的F.Blaschke，在 1971年將此概念研究成系統(tǒng)的控制理論。矢量控制的提出使電動機的控制產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，使電動機的控制動態(tài)性能得到了極大的提高。矢量控制的出發(fā)點是參照直流電動機的控制方式來控制交流電動機，以磁場矢量的

22、方向作為坐標軸的基準方向采用坐標變換的方法實現(xiàn)解藕交流電動機的磁通與轉(zhuǎn)矩。經(jīng)過這么多年的發(fā)展研究，在廣大學(xué)者和工程技術(shù)人員的不斷改進和完善下，形成了現(xiàn)已普遍應(yīng)用的矢量控制伺服系統(tǒng)。</p><p>　　矢量控制的主要特點是:通過矢量變換的方法重構(gòu)永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型，在同步旋轉(zhuǎn)的參考軸系內(nèi)，將交變的定子電流變換為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量在空間上相互垂直的兩個直流分量。對兩個分量進行解禍控制，就能

23、實現(xiàn)對永磁同步電動機勵磁磁場和電磁轉(zhuǎn)矩的分別控制。</p><p>　　圖2.2給出了永磁同步電動機的簡化的結(jié)構(gòu)模型。A、B、C為定子三相繞組，在空間上它們相差120°。將軸放在轉(zhuǎn)子磁鏈的方向上，建立跟轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的坐標系，從而就能夠確定數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　在永磁同步電動機的矢量控制中，最常用的電動機數(shù)學(xué)模型是軸數(shù)學(xué)模型，它可以很好的分析電動機的穩(wěn)態(tài)運行性能和瞬態(tài)性能

24、，在軸同步旋轉(zhuǎn)軸系下，將定子繞組的自感、互感系數(shù)由時變系數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｏ禂?shù)，對、軸繞組實現(xiàn)解藕，則能獲得良好的永磁同步電動機控制性能。</p><p><b>　　2.2.1坐標變換</b></p><p>　　(1)三相靜止坐標系和兩相靜止坐標系的坐標變換</p><p>　　從三相靜止ABC坐標變換到兩相靜止坐標系，如圖2.3所示，稱3/2變換

25、，即Clack變換。</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　圖2-2 永磁同步電動機結(jié)構(gòu)的簡化模型圖 圖2-3 三相坐標和兩相坐標</p><p>　　其逆變換被稱為2/3變換，即從兩相靜止的坐標系變換到三相靜止的ABC坐標系，它有如下關(guān)系</p><p><b>

26、;　?。?-2）</b></p><p>　　(2)同步旋轉(zhuǎn)坐標系和兩相靜止坐標系之間的變換</p><p><b>　　圖2-4 坐標變換</b></p><p>　　從兩相靜止坐標系變換成同步旋轉(zhuǎn)坐標系，如圖2.4所示，被稱為交/直變換，也即Park變換。再根據(jù)功率不變的原則可以得到</p><p>&l

27、t;b>　?。?-3）</b></p><p>　　它的逆變換被稱為直/交變換，即從同步旋轉(zhuǎn)坐標系變換到兩相靜止坐標系。</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　(3)三相靜止坐標系和同步旋轉(zhuǎn)坐標系的變換</p><p>　　根據(jù)上面所說的坐標變換和矩陣運算的法則，可以得到/

28、ABC變換。</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　同樣得到ABC/變換</p><p><b>　　（2-6）</b></p><p>　　上述的變換也適合于不同坐標系下的電流和磁鏈的變換。</p><p>　　2.2.2永磁同步電動機在三相靜

29、止坐標系下的電壓和磁鏈方程</p><p>　　當在定子中加入三相電時，由電磁感應(yīng)定律就可以得到定子磁鏈，定子電壓和轉(zhuǎn)子耦合磁鏈的關(guān)系式為</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　（2-8）</b></p><p><b>　?。?-9）</b&g

30、t;</p><p>　　2.2.3永磁同步電動機在坐標系下的電壓和磁鏈方程</p><p>　　將方程式(2-1)式(2-3)式(2-5)代入方程式(2-7)和式(2-8)中化簡，能夠得到在坐標系下的電壓方程為</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p><b>　　磁鏈方程為</

31、b></p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　2.2.4永磁同步電動機在坐標系下的轉(zhuǎn)矩方程</p><p>　　根據(jù)電機學(xué)理論，電磁轉(zhuǎn)矩就可以表示成</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　其中是極對數(shù)；是磁鏈

32、空間矢量；是電流空間矢量。若用坐標軸表示，則有</p><p><b>　　(2-13)</b></p><p>　　將方程式(2-13)代入方程式(2-12)中可得</p><p><b>　　(2-14)</b></p><p>　　將方程式(2-11)代入方程式(2-14)中可得到</p

33、><p><b>　　(2-15)</b></p><p>　　從上式可以得到，因為轉(zhuǎn)子磁鏈是恒定不變的，電磁轉(zhuǎn)矩的大小就是由定子的直軸的電流分量和交軸的電流分量來決定，因此通過對電流和的控制，就能夠?qū)﹄姶呸D(zhuǎn)矩直接進行控制。對于凸極的永磁同步電動機，因為直軸磁路上存在著永磁體，所以<，電機存在著磁阻轉(zhuǎn)矩；對于隱極式的同步電動機， =，此時的電磁轉(zhuǎn)矩是</p&g

34、t;<p><b>　?。?-16）</b></p><p>　　由上式可以看出，通過對定子電流的控制，就能夠控制電動機的轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　2.2.5永磁同步電動機的機械運動方程</p><p><b>　　機械運動的方程為</b></p><p><b>　　(2

35、-17)</b></p><p>　　2.3永磁同步電動機的矢量控制策略</p><p>　　在永磁同步電動機運行過程中，永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子磁場與定子磁動勢之間的空間角度是不固定的，它是隨著負載的變化而變化的，只有對對定子電流進行合理的控制，才能保持轉(zhuǎn)子磁場與定子磁動勢之間的空間角度的固定以利于電動機的轉(zhuǎn)矩控制。</p><p>　　矢量控制是使定子正

36、弦磁動勢波與永磁轉(zhuǎn)子磁場正交，實現(xiàn)直軸和交軸的解禍控制；矢量控制就是控制定子電流空間矢量相位和幅值來實現(xiàn)磁場的定向控制。矢量控制的主要特點是：通過矢量變換的方法重構(gòu)永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型，在同步旋轉(zhuǎn)的參考軸系內(nèi)，將交變的定子電流變換為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量在空間上相互垂直的兩個直流分量。對兩個分量進行解藕控制，就能實現(xiàn)對永磁同步電動機勵磁磁場和電磁轉(zhuǎn)矩的分別控制。</p><p>　　根據(jù)調(diào)速范

37、圍和控制性能，矢量控制策略一般可以分為：=0控制，=1控制，恒磁鏈的控制，最大轉(zhuǎn)矩/電流的控制，弱磁控制，最大輸出功率的控制等。不同的控制方法有其不同的優(yōu)點和缺點，如=0控制非常簡單，=1控制能夠使逆變器的容量減小很多，恒磁鏈的控制能夠使電動機的最大的輸出的轉(zhuǎn)矩增大。在本套系統(tǒng)中采用的是=0控制；下面重點分析一下=0控制。</p><p>　　=0控制，從電動機的端口的方向來看，和他勵的直流電動機是一樣的，所以按

38、照轉(zhuǎn)子磁鏈定向和=0，反電勢是正弦波的永磁電動機的調(diào)速系統(tǒng)的定子電流獨立于與轉(zhuǎn)子永磁磁通，也就是它們之間是相互獨立，也稱為解耦。這樣就使得控制系統(tǒng)非常簡單，而且轉(zhuǎn)矩的控制特性也非常好，還有一點就是能夠獲得非常大的調(diào)速比。</p><p>　　當然這種控制系統(tǒng)也有一些缺點：1．當外面接的負載變的很大時，定子上所需要的電流也要不斷增大，只有這樣才能帶動負載。又因為電樞反應(yīng)也會對它造成一些影響，這樣就會使得定子上的電壓

39、升到很高。供給電機定子上的電壓的電源就需要很高的電壓，為了得到這么高的電壓，電控裝置就要有足夠大的的容量才能滿足需要。2．當外面的負載變的很大時還有一個問題，電抗上的壓降會非常大，這樣就會造成功因變低。由于上述這些問題，只能夠用在容量不大的場合。如果用在大容量的系統(tǒng)中，就沒有太大的優(yōu)勢了。</p><p>　　因為永久磁體充好磁后，其能夠產(chǎn)生的磁鏈基本上恒定不變，所以運用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制，將兩相的同步旋轉(zhuǎn)的

40、坐標系的軸放在轉(zhuǎn)子磁鏈的方向上，軸選擇在逆時針方向上超前軸90度。然后再采用直軸電樞的電流=0的控制策略，此時定子電流中就只有交軸分量了，而且定子上的磁動勢的空間矢量正交于轉(zhuǎn)子上的永久磁體產(chǎn)生的磁場空間的矢量，定子電流就只有產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分量了，電壓方程就可以簡化為</p><p><b>　　(2-22)</b></p><p>　　轉(zhuǎn)矩方程式（2-15）可以簡化為&l

41、t;/p><p><b>　　(2-23)</b></p><p>　　綜上所述，永磁同步電動機控制時，如果用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的控制方式，轉(zhuǎn)矩正比于定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，轉(zhuǎn)子的磁鏈也正比于定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，且和相互之間可以分開進行控制而不受到交叉影響，這樣做之后就不需要考慮轉(zhuǎn)子磁場，而只要考慮定子上的電流，只要能夠控制好電流從而就可以控制轉(zhuǎn)矩了。</p><

42、;p>　　永久磁鐵產(chǎn)生的磁鏈的幅值一般是不變化的（除了溫度或其它的影響外），此時轉(zhuǎn)矩就只由定子電流的轉(zhuǎn)矩分量決定，這樣，永磁同步電動機的矢量控制就能夠獲得跟直流電動機差不多的性能。另外，若能夠在永磁同步電動機的運轉(zhuǎn)過程中使得=0，那么轉(zhuǎn)矩就只受到定子電流軸分量的影響，如果要轉(zhuǎn)矩恒定不變的話，定子上需要的電流也能使之最小，從而能夠使銅耗大大地降低，效率大大的提高了。這種控制策略不但算法非常簡單，控制起來也非常靈活。</p>

43、;<p>　　2.4永磁同步電動機控制系統(tǒng)的控制環(huán)路設(shè)計</p><p>　　2.4.1永磁同步電動機控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析</p><p>　　若忽略電樞反應(yīng)的影響，考慮到關(guān)系式，由式(2-22)的第二式寫成</p><p><b>　　(2-24)</b></p><p>　　令其中，對式(2-24)兩

44、邊進行Laplace變換，整理后就能夠得到電樞軸軸繞組的電壓和電流的傳遞函數(shù)的關(guān)系式</p><p><b>　　(2-25)</b></p><p>　　將電磁轉(zhuǎn)矩方程式(2-23)代到機械運動方程式中(2-21)，得到</p><p><b>　　(2-26)</b></p><p>　　令其中

45、的，同時先不把電機軸上的黏滯摩擦系數(shù)B的影響考慮進來，對式(2-26)兩邊進行Laplace變換，整理后就能夠得到傳遞函數(shù)</p><p><b>　　(2-27)</b></p><p>　　根據(jù)上面式（2-25）和（2-27），就能夠得到解耦后的動態(tài)結(jié)構(gòu)的框圖如圖2.5所示。</p><p>　　圖2-5 解耦后永磁同步電機的模型的動態(tài)結(jié)構(gòu)

46、框圖</p><p>　　在圖2-5中加入速度和電流各環(huán)路的調(diào)節(jié)器模塊，就能夠得到調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6 永磁同步電機的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　其中，是反電勢系數(shù)，是轉(zhuǎn)矩系數(shù)，是電流反饋系數(shù)，是速度反饋系數(shù)。</p><p>　　2.4.2基于PI控制的電流環(huán)的設(shè)計</p&g

47、t;<p>　　在設(shè)計電流環(huán)的時候，首先會遇到的問題就是反電動勢的影響，因為它會產(chǎn)生的交叉反饋的作用，而且這種交叉反饋會影響控制器的結(jié)構(gòu)。當結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，控制參數(shù)不變化的話，控制性能就會受到影響。在實際的系統(tǒng)中，由于電磁時間常數(shù)一般很小，相比機電時間常數(shù)要小很多。一般情況下，電流的變化比較快，控制之后也容易很快的變化。而速度就不一樣，加上控制信號之后速度還要一個過程才能變化過來。所以電流控制的時間要比速度控制時間小很多。

48、假定。這樣，在設(shè)計電流環(huán)的時，就能夠先不用把由反電勢變化產(chǎn)生的影響考慮進來，而是把電勢反饋去掉，這樣就能夠使電流環(huán)結(jié)構(gòu)得到簡化，如圖2.7所示。其中，電流環(huán)的被控對象的傳遞函數(shù)是</p><p><b>　　(2-28)</b></p><p>　　圖2-7 簡化后結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　根據(jù)控制系統(tǒng)的工程設(shè)計方法，為了使電流環(huán)能夠整定為典

49、型的I型系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)器應(yīng)該采用積分調(diào)節(jié)器</p><p><b>　　(2-29)</b></p><p>　　式中——電流調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)</p><p>　　圖2-8 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　加入電流調(diào)節(jié)器后，電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2.8所示，其中。此時，電流環(huán)就被校正成了二階系統(tǒng)，為了使電流環(huán)

50、快速的響應(yīng)，超調(diào)小，按要求，可以取阻尼系數(shù)，超調(diào)量，，因此有</p><p><b>　　(2-30)</b></p><p>　　由此能夠得出電流調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)</p><p><b>　　(2-31)</b></p><p>　　2.4.3基于PI控制的速度環(huán)的設(shè)計</p>

51、<p>　　經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器校正后，電流環(huán)就變成了典型的1型系統(tǒng)，是速度環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，因為速度環(huán)的穿越角頻率比較低，電流閉環(huán)就能夠近似成一個一階慣性環(huán)節(jié)。于是，就得到了電流環(huán)的閉環(huán)的傳遞函數(shù)</p><p><b>　　(2-32)</b></p><p>　　其近似條件為，令則，</p><p><b>　　(2-33)&

52、lt;/b></p><p>　　經(jīng)過近似處理后，速度環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2-9所示</p><p>　　圖2-9 速度環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　則速度環(huán)的被控對象的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(2-34)</b></p><p>　　為了實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速沒有靜差，具有比較好的抗

53、擾能力，將速度環(huán)校正后使之成為典型的II型系統(tǒng)，故速度調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器。</p><p><b>　　(2-35)</b></p><p>　　校正后的速度的開環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(2-36)</b></p><p>　　式中，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益。校正后的轉(zhuǎn)速的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2

54、.10所示。</p><p>　　圖2-10 校正后轉(zhuǎn)速動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　一般中頻的寬度h在5或者6時，II型系統(tǒng)通常具有比較好的跟隨性能和抗擾性能。根據(jù)調(diào)節(jié)器的工程的設(shè)計的方法，用中頻寬h=5來設(shè)計速度的調(diào)節(jié)器，就能夠得到超前的時間常數(shù)</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)增益</b></p><p>

55、;<b>　　(2-37)</b></p><p>　　進一步就能夠求出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的ASR的比例系數(shù)</p><p><b>　　(2-38)</b></p><p><b>　　2.5本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了永磁同步電動機的控制系統(tǒng)的組成和永磁同步電動

56、機的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上介紹了矢量控制策略、基于PI控制的電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計方法。</p><p>　　3 永磁同步電動機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計</p><p>　　永磁同步電動機控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和三相的不間斷電源，三相逆變器，通用變頻器的差不多。都是市電進來后先把交流電整成直流電，再把直流電送到逆變裝置里進行逆變，雖然都是實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換，但是其要達到的要求是不一樣的。在硬件結(jié)構(gòu)上都有交流

57、變直流的模塊，然后就是直流變交流的模塊，還有控制這些電能轉(zhuǎn)換的控制模塊，核心就是這個控制模塊。如果有需要的話，可能還需要一個進行數(shù)據(jù)顯示的顯示模塊，顯示模塊可以把系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)顯示出來，也可以加上按鍵來設(shè)置系統(tǒng)的一些參數(shù)。下面分別對其進行介紹。</p><p>　　3.1主電路硬件結(jié)構(gòu)</p><p>　　在整體結(jié)構(gòu)上，功率控制電路包括入端的單相整流電路，起動電路，濾波電路，逆變電路等幾個部

58、分。逆變器采用三相全橋拓撲。</p><p>　　圖3-1 主電路硬件結(jié)構(gòu)示意圖</p><p><b>　　(1)接線端子排</b></p><p>　　控制系統(tǒng)的接線端子上如下所示：</p><p>　　這些端口的選擇一般要根據(jù)電流的大小和安規(guī)來選擇，過電流大的要選擇腳位之間距離大的，過電流小的一般選擇腳位之間距離小

59、的，還都要符合安規(guī)的要求。電流分別是單相入端的AC1，AC2，F(xiàn)G接單相交流電源，要注意FG端外面要接電源線的大地，驅(qū)動器PCB板上的大地要接驅(qū)動器的外殼。三相出端U，V，W接三相電機相線，如果電機也有接地線也可以接到FG上去。母線電壓輸出，，，端子，之間通常接電感，電感能夠?qū)χ绷髂妇€電壓進行濾波。如果不接則通常將，短接在一起使之成為回路?？稍诤椭g外接上制動的電路，也就是通過一個開關(guān)管和功率電阻去控制制動的速度。當要制動時，控制開關(guān)管

60、的驅(qū)動信號的占空比，使電機相線上的電能通過這個回路放掉。此時就要注意選擇這個開關(guān)管的規(guī)格以及放電電阻的規(guī)格。不然的話就容易損壞器件，放電時候的電流控制不好是非常大的。</p><p>　　(2)直流母線電路中發(fā)光二極管的顯示電路</p><p>　　在控制系統(tǒng)中，功率越大的話，直流母線上的電解電容的容量就需要越大。也就是直流母線上存在很大容量的電解電容，當輸入的電源掉電后，電解電容里的電能

61、不會立馬就消失，還會存在比較長一段時間，主要是看放置在直流母線上的放電電阻的大小。放電電阻越大，放電時間越長，放電電阻越小，放電時間越短。但是如果放電電阻阻值比較小的話還要考慮電阻的功率問題。正因為電解電容里的電掉電后不容易放掉，所以輸入電壓掉電后，電容里還是比較高的電壓，如果這個時候去維護功率板或者觸摸板子的話就會發(fā)生觸電的危險。這樣設(shè)置這個發(fā)光二極管電路就可以指示電容里的電有沒有放完，如果放完了才可以進行拆機動作，如果沒放完就不能進

62、行拆機動作。如果電沒放完的話，去進行拆機動作，不僅會對人產(chǎn)生危險還會損壞電路板本身。除此之外還有一個好處就是也可以通過二極管的亮暗程度判斷直流母線電壓是否正常。</p><p>　　圖3-3 發(fā)光二極管顯示電路</p><p>　　在圖3-3中，通常采用幾個比較小的電阻串聯(lián)的方式，而不只采用一個比較大的電阻。</p><p>　　(3)啟動電阻的切換電路</p

63、><p>　　控制系統(tǒng)在電源上電時，輸入的交流電源經(jīng)過整流器出來的電壓比較高，如果是交流220V的話，整流濾波出來的一般是直流310V。如果310V直流加在電容上的話，此時電容由于剛上電，電容里面沒有儲存電能，也不存在電壓。這樣就相當于310V加在一個電阻值很小的器件上面，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，在情況不好的時候，有可能使電容發(fā)生損壞或者爆炸，是相當危險的事情。所以整流后的電壓一般都要先經(jīng)過大電阻對電容以較小的電流先進

64、行充電，在充電結(jié)束以后，再用開關(guān)切除啟動電阻，來避免造成不必要的損耗。在實際應(yīng)用中，對于容量比較小的控制系統(tǒng)，通?？梢圆捎靡?guī)格合適的繼電器，但對于對于容量比較大的場合，就必須要使用規(guī)格合適的接觸器來切斷電阻。</p><p>　　3.2智能功率模塊及其使用方法</p><p>　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了集外圍電路一體的功率模塊IPM（智能功率模塊）?，F(xiàn)在智能功率模塊用的越來越廣泛了，

65、一方面由于做功率器件技術(shù)越來越成熟，一方面由于現(xiàn)在有很多家做智能功率模塊的廠家，而且競爭也越來越激烈，這就導(dǎo)致智能功率模塊的價格越來越低。之前運用的較少是因為技術(shù)不成熟之外還存在價格貴的問題，一般的裝備上還用不起。而現(xiàn)在情況發(fā)生了很大的變化，智能功率模塊已經(jīng)被用于各種各樣的逆變器系統(tǒng)，UPS系統(tǒng)和電機控制系統(tǒng)等。</p><p>　　3.2.1智能功率模塊的概述</p><p>　　IPM

66、把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起，而且最重要的是模塊里面帶欠壓，過壓，過流和過熱等電路，并能夠?qū)z測到的故障信號送到CPU或DSP作處理。即使負載異常，也能夠保證IPM自身不被損壞。</p><p>　　IPM模塊具有以下的優(yōu)點:</p><p>　　(1)開關(guān)速度快。智能功率模塊里面的IGBT芯片都是采用的開關(guān)速度很快的開關(guān)管，而且驅(qū)動電路和開關(guān)芯片離的很近，這樣驅(qū)動延時很小，所以開關(guān)

67、速度可以做到很快，還有一個好處就是損耗也小。</p><p>　　(2)低功耗。智能功率模塊里面的IGBT的內(nèi)阻很小，導(dǎo)通的電壓降也很小，開關(guān)速度又很快，所以損耗可以做到很低。</p><p>　　(3)過流保護。智能功率模塊里面有個專門的電流比較的比較器，它能夠?qū)崟r的檢測電流，如果電流過大超過設(shè)定的保護值就會發(fā)出保護動作，這樣就不容損壞模塊。</p><p>　　

68、(4)過熱保護。在非?？拷悄芄β誓K里面IGBT的管芯的地方設(shè)置了一個可以檢測溫度的傳感器，溫度傳感器能夠?qū)崟r的檢測管芯的溫度，只要管芯的溫度超過允許的溫度就會在內(nèi)部關(guān)斷驅(qū)動信號，同時會發(fā)出一個故障信號。</p><p>　　(5)橋臂對管互鎖。在上下的兩個管子驅(qū)動信號上形成互相鎖定，就是上管開下管一定關(guān)，不然出現(xiàn)上下管同時開通的情況。這樣可以保護管子不被大電流損壞，也可以防止上下直通造成損耗和電流尖峰。<

69、;/p><p>　　(6)抗干擾能力強。智能功率模塊采用的是優(yōu)化了方式去驅(qū)動門級，而且驅(qū)動信號到IGBT的驅(qū)動級的距離很短，這樣在里面可以實現(xiàn)合理的布局，大大的可以屏蔽外面的干擾信號。</p><p>　　(7)驅(qū)動電源的欠壓保護。智能功率模塊的驅(qū)動電源非常重要，如果發(fā)生電壓不足的情況的話，就會導(dǎo)致驅(qū)動不夠，以至于管子的內(nèi)阻變大，從而導(dǎo)致功耗變大。而智能功率模塊里面集成有欠壓保護電路，可以實時

70、的檢測驅(qū)動電壓，如果驅(qū)動電壓太低的話，就會自動的關(guān)閉驅(qū)動信號起到保護系統(tǒng)的目的。</p><p>　　3.2.2智能功率模塊的使用方法</p><p>　　IPM的輸入通常采用光耦隔離，驅(qū)動電路性能常常受到光耦的開關(guān)速度的影響。一般在做逆變驅(qū)動控制時，都要加上死區(qū)時間，死區(qū)時間太長太短都會影響控制的性能。所以設(shè)置死區(qū)時間就要慎重考慮，一般要注意IPM器件的驅(qū)動產(chǎn)生的延時和光耦的傳輸產(chǎn)生的延

71、時。一般低速的光耦器件的傳輸延遲的時間的典型值是2us，最大值是9us，這就要比IPM的開關(guān)時間高出很多，系統(tǒng)的控制性能會變的不好，最壞的情況下還會損壞IPM器件。</p><p>　　故障信號需要送到DSP的控制部分做相應(yīng)的處理，所以也需要隔離。故障信號的隔離就不需要用傳輸速度很快的光耦，只需要用普通速度的光耦就可以了。</p><p>　　3.3基于DSP的電路設(shè)計</p>

72、<p>　　控制電路DSP芯片的外圍電路通常是根據(jù)系統(tǒng)需要而設(shè)計的。一般DSP具有很多種功能接口，譬如專門針對馬達驅(qū)動的PWM功能口和QEP功能口，還有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能口，通信功能口和普通的IO口。模數(shù)轉(zhuǎn)換功能口主要用來進行模擬量的采集，在電機驅(qū)動系統(tǒng)中就是采集直流母線電壓，直流母線電流，速度給定電壓，相電流等等。PWM功能口就是實現(xiàn)三相橋的PWM的驅(qū)動動作。QEP功能口主要是實現(xiàn)編碼器信號的采集工作，由此能得到轉(zhuǎn)速信號和轉(zhuǎn)子

73、的位置信號。通信功能口就是實現(xiàn)跟外界的交換數(shù)據(jù)的通信功能。單片機與DSP之間采用SPI通信的方式進行數(shù)據(jù)交換?？刂葡到y(tǒng)的在硬件結(jié)構(gòu)上以DSP為核心。</p><p>　　3.3.1 DSP MC56F8323</p><p>　　應(yīng)用于電動機驅(qū)動的微控器，必須價格便宜、很強的運算能力、完備的電機驅(qū)動接口。一般的MCU如Intel 8051,Microchip Pic16f73等，已廣泛應(yīng)用

74、于工業(yè)控制領(lǐng)域，但應(yīng)用于馬達驅(qū)動，則有運算能力不夠等缺點。</p><p>　　數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor,DSP)的設(shè)計主要是以數(shù)字的計算進行信號的處理，因而具有強大的數(shù)值處理的能力，主要應(yīng)用在繪圖、量測、圖像、語音、控制通訊等領(lǐng)域。近年來，由于半導(dǎo)體技術(shù)與微電子的超速發(fā)展，以及未來的馬達驅(qū)動的廣闊市場的需求，已有很多家半導(dǎo)體公司研制了專門應(yīng)用于馬達驅(qū)動的專用的DSP芯片。

75、如下所示主要的公司及其型號:</p><p>　　Texas Instrument--TMS320F240X/28XX</p><p>　　Microchip--dsPIC30F/33F</p><p>　　Freescale--MC56F8000/8100/8300</p><p>　　圖3-4 基于DSP的主控電路結(jié)構(gòu)</p>

76、<p>　　在以56800E為核心的DSP家族中，比較適合于電機控制和電源控制的有56F8000系列DSP和56F8300系列DSP，其中56F8000系列DSP適用于低端電機或電源控制產(chǎn)品，如通用變頻控制器，UPS電源等；56F8300系列DSP則適用于高端的電機控制系統(tǒng)，如永磁同步電機的伺服控制，異步電機的矢量控制等。</p><p>　　MC56F8323是基于56800E內(nèi)核數(shù)字信號控制器的

77、56F83xx系列的成員之一，融合了數(shù)字信號處理器(DSP)處理功能和微控制器(MCU)功能于一體。具有60MIPS（60MHz主頻率下）處理功能，并具有48KB的片內(nèi)閃存和綜合的外設(shè)接口配置。作為56F8323功能的延伸，通過增加模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入引腳和定時/計數(shù)器的輸入輸出引腳而擴展了56F8323的功能。它采用了64引腳的LQFP封裝。并且I/O是5V兼容的。</p><p>　　作為對電機控制而設(shè)

78、計的56F8323，其結(jié)構(gòu)特性簡介如下:</p><p>　?、費C56F8323芯片的執(zhí)行速度很快，內(nèi)部采用的是雙哈佛結(jié)構(gòu)，流水作業(yè)，在60MHz的主頻時，運算能力可以達到60兆條指令/秒，單指令周期就能夠完成16×16位的并行的乘加運算，具有4個帶擴展位的36位累加器，支持專用的尋址方式的并行指令集，硬件DO和REP循環(huán)指令，具有3條內(nèi)部的地址總線和4條內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線，從而提高了控制器的實時控制的能

79、力。</p><p>　?、诠鸾Y(jié)構(gòu)使得指令流水線支持同時對程序和數(shù)據(jù)存儲器進行三次訪問。片內(nèi)存儲器包括：32KB的程序閃存存儲器，4KB的程序隨機存儲器（RAM），8KB的數(shù)據(jù)閃存存儲器，8KB的數(shù)據(jù)隨機存儲器(RAM)，8KB的程序啟動閃存存儲器。</p><p>　　③外設(shè)非常豐富：一個脈寬調(diào)制模塊，包括6路PWM輸出口，3路電流檢測輸入口和3路故障信號輸入口，支持自動死區(qū)設(shè)置；兩個

80、12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，可對2路模擬信號同時采樣，ADC與PWM模塊可由定時器C同步；兩個16位定時器單元，對應(yīng)7個腳，定時器A與正交解碼復(fù)用，定時器C與PWMA和ADCA復(fù)用；一個積分解碼模塊，與定時器A復(fù)用一個引腳。一個FlexCAN模塊；兩個異步串行通信接口模塊SCI；兩個同步串行外設(shè)接口模塊SPI；一個專門的外部中斷。</p><p>　　④電氣特性：高密度的CMOS工藝制造，兼容TTL電平標準，可接受5V數(shù)

81、字輸入；片內(nèi)邏輯與存儲器工作于2.6～3.3V；片內(nèi)含數(shù)字與模擬校正器以實現(xiàn)低功耗與低噪聲；片內(nèi)外設(shè)都可以單獨禁用以降低功耗。</p><p>　?、葜С諨SP和MCU兩種風格的指令系統(tǒng)。</p><p>　?、薷咝实腃編譯器，支持局部變量。</p><p>　?、咧С周浖映绦?，軟件中斷堆棧空間僅局限于存儲器進行三次訪問。</p><p>

82、;　　3.3.2電流信號采樣電路</p><p>　　控制系統(tǒng)中所用的電流信號采樣器件采用的是霍爾效應(yīng)的電流感測器(Hall Effect Current Sensor)，為了減少雜訊的影響，在電流傳感器的輸出端，要放置由運放組成的低通濾波器。為了提高采樣的精度，可以采用基準電壓芯片。</p><p>　　3.3.3位置信號采樣電路</p><p>　　轉(zhuǎn)子位置檢測

83、裝置有多種型式，常見的有電磁式的，磁敏式的，光電式的等幾種檢測方法，可以用在不同的同步電動機的位置檢測的系統(tǒng)中?？刂葡到y(tǒng)所采用的檢測器件的好壞也將直接地影響到系統(tǒng)的性能。</p><p>　　在實際的編碼器應(yīng)用中:</p><p>　　(1)QEP電路一般對上升沿或者下降沿有效，本系統(tǒng)中采用的是2500線編碼器，電機旋轉(zhuǎn)一圈記數(shù)10000，一般誤差在2°之內(nèi)是能夠接受的，若計數(shù)誤

84、差太大的話，對系統(tǒng)會造成不良的影響。對于設(shè)計良好的編碼器電路，在軟件編程中還應(yīng)該設(shè)置軟件的抗干擾的措施。</p><p>　　(2)編碼器的電路有很多種的輸出形式，在電路設(shè)計上需要考慮其具體情況。通常的輸出形式有OE門輸出，推挽輸出，OC門輸出三種形式。OC門輸出必須要加上上拉電阻，OE門輸出必須要加上下拉電阻。</p><p>　　3.3.4 DSP電源設(shè)計電路</p>&

85、lt;p>　　CPU在上電時，當電源的電壓還處于上升階段的時候，此時CPU的狀態(tài)也不確定，數(shù)據(jù)總線電平狀態(tài)也處于不確定的狀態(tài)，故系統(tǒng)上電的過程中，必須維持在復(fù)位狀態(tài)；CPU掉電時，電源電壓還處于下降的過程，當電源電壓低到一定的程度時，CPU應(yīng)該處于復(fù)位狀態(tài)，故在掉電的時候也應(yīng)保持在復(fù)位狀態(tài)。</p><p><b>　　3.3.5顯示電路</b></p><p>

86、;　　顯示模塊由4位集成在一起的數(shù)碼管。運用集成在一起的數(shù)碼管陣列電路不斷可以節(jié)省MCU的腳位，而且也使線路非常簡潔。一般采用的共陽的方式的數(shù)碼管。這種驅(qū)動方式可以使MCU的功耗變的很小，就是不需要MCU輸出太大的電流。</p><p>　　MCU的功耗大的話會導(dǎo)致MCU不穩(wěn)定出現(xiàn)異常情況。在PCB板布線方面也可以做的很簡潔，如果采用分離的數(shù)碼管顯示電路，要么需要很多個MCU的腳位去控制，要么就是需要外擴驅(qū)動芯片

87、去控制。采用本驅(qū)動方式只需要8個數(shù)據(jù)輸出口和4個選通口就可以了。</p><p><b>　　3.3.6存儲電路</b></p><p>　　控制系統(tǒng)在掉電之后，又重新起動時，需要能按照之前設(shè)定的方式運轉(zhuǎn)，而不需要重新設(shè)定參數(shù)，因此對于一些控制參數(shù)，如電流保護點等，在系統(tǒng)掉電后必須保存。電路如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 EEP

88、ROM數(shù)據(jù)存儲電路</p><p><b>　　3.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章詳細地介紹了系統(tǒng)的硬件的設(shè)計，包括功率部分主電路設(shè)計，保護電路，采樣電路，顯示部分電路設(shè)計等等。</p><p>　　4 永磁同步電動機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計</p><p><b>　　4.1控制系統(tǒng)框架</b&g

89、t;</p><p>　　圖4-1 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的基本框圖</p><p>　　4.2控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計及其實現(xiàn)</p><p>　　本控制系統(tǒng)是用在工業(yè)控制中，選用的永磁同步電動機是表面貼裝式。這種電機有許多好處，不僅控制上容易實現(xiàn)，而且在這種電機的工藝也比較容易，成本也比較低，同時也適合大批量的生產(chǎn)?，F(xiàn)在市場上大部分都是這種類型的電機?？刂葡到y(tǒng)采用

90、的是=0的矢量控制，并且控制結(jié)構(gòu)上采用轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的雙環(huán)控制。在DSP上實現(xiàn)時，就是把前面幾章分析的理論變成實際的控制程序。譬如要實現(xiàn)坐標變換在軟件上就是矩陣的變換，程序上就是乘累加的動作，實現(xiàn)起來其實非常的簡單。難點主要在數(shù)值處理上，如何對數(shù)值就行變換處理，數(shù)據(jù)的格式怎么選取才能符合設(shè)計的要求。這些都是在具體程序中才會遇到的問題。理論上雖然不是很麻煩，但是在具體的實現(xiàn)過程中卻不太容易處理。如果處理不的當?shù)脑?，就會得到適得其反的結(jié)果。

91、在這個過程中，要考慮系統(tǒng)的物理關(guān)系，也要考慮其數(shù)學(xué)關(guān)系。同樣一個控制結(jié)構(gòu)，同樣一個控制策略，實現(xiàn)起來可能會得到不同的結(jié)果。</p><p>　　4.2.1控制系統(tǒng)軟件總體</p><p>　　系統(tǒng)軟件的總體的框圖如圖4.2所示，主要包括DSP程序和MCU程序兩大部分。單片機程序主要工作是與DSP交換數(shù)據(jù)，通過人機接口，設(shè)定系統(tǒng)的控制的參數(shù)，并顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并提供故障顯示，報警指示等。

92、這里詳細的介紹DSP程序的設(shè)計。</p><p>　　控制系統(tǒng)是基于DSP的，DSP的主頻很高，達到60MHz，可以達到60MIPS,也就是一秒鐘能執(zhí)行60M條單周期指令，執(zhí)行速度相當。由于電流的控制都是在AD中斷里完成的，而AD轉(zhuǎn)換一般都是在PWM周期的中間被觸發(fā)。所以AD中斷的間隔時間就是PWM的周期。所以PWM的頻率就不能選的太高，不然就沒有多余的時間去執(zhí)行別的工作了。但是PWN的頻率又不能選的太長，選的太

93、長了會導(dǎo)致電源電流諧波變大，電機的噪音也會變大。采用的是10KHz的PWM頻率，周期為100us，即電流環(huán)的執(zhí)行一次的時間為100us。這也是AD中斷的間隔時間。前面也講過速度環(huán)的執(zhí)行時間一般要比電流環(huán)的執(zhí)行時間長很多。這也是由于速度和電流的物理意義上得到的。當然具體應(yīng)該選取多長的控制時間也要根據(jù)具體的系統(tǒng)來選擇。一般的經(jīng)驗就是電流環(huán)的時間常數(shù)是速度環(huán)的時間常數(shù)是的幾十分之一，本控制系統(tǒng)中，速度控制的執(zhí)行時間為2ms，是電流控制的執(zhí)行時

94、間的20倍。</p><p>　　圖4-2 系統(tǒng)軟件總體框圖</p><p>　　整個系統(tǒng)軟件的核心就是DSP控制程序，電動機實現(xiàn)雙閉環(huán)的控制就是由DSP來完成。DSP控制程序主要以下三個部分：系統(tǒng)初始化，中斷程序和主程序。</p><p><b>　　主要包括以下工作：</b></p><p>　　①初始化DSP定時器

95、</p><p>　　②初始化DSP通用IO口</p><p>　?、鄢跏蓟疍SP PWM模塊</p><p>　?、艹跏蓟刂葡到y(tǒng)變量</p><p><b>　?、蒿@示單元的處理</b></p><p><b>　?、轆D中斷處理程序</b></p><

96、;p><b>　　⑦電流控制程序</b></p><p><b>　?、嗨俣瓤刂瞥绦?lt;/b></p><p>　　中斷程序執(zhí)行頻率為10Khz，100us執(zhí)行一次，程序中包括電流檢測的程序、電流調(diào)節(jié)的程序、轉(zhuǎn)速計算的程序、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的程序、PWM調(diào)制的程序、park變換的程序、park逆變換的程序，控制系統(tǒng)的監(jiān)測，故障處理功能模塊等等。中斷中

97、的程序一定要注意簡潔性，在做實時系統(tǒng)控制的時候，處理時間要事先計算好，做之前就要知道中斷中的每個任務(wù)的執(zhí)行時間，然后根據(jù)具體的需要分配各個模塊的事件數(shù)。除了中斷中的程序需要控制執(zhí)行時間外，主程序中的時間執(zhí)行時間也需要控制恰當?？梢园咽录M行分類，哪些事件的執(zhí)行時間可以長一點，哪些事件的執(zhí)行時間也好短一點。就是用定時器做幾個時基出來，到了定時的時間就去執(zhí)行相應(yīng)的事件。這樣分配好后，不會出現(xiàn)時間沖突的情況，也能更好的發(fā)揮系統(tǒng)的資源。圖4-3

98、是控制系統(tǒng)的中斷子程序。</p><p>　　在寫DSP的程序時，MC56F8323系統(tǒng)的控制程序可以用C語言編寫，或者用匯編語言編寫，由于中斷時間很短，要做的動作又很多，所以必須要用最簡潔的程序來編寫。所以最好是AD中斷中的程序代碼用匯編語言來編寫。其實用匯編語言編程，可以充分發(fā)揮DSP的優(yōu)勢，特別是很多匯編指令就是根據(jù)要實現(xiàn)的控制算法產(chǎn)生的。譬如乘累加指令以及移位，特被適合做PID控制算法，還有坐標變換是的矩

99、陣變換的程序?qū)崿F(xiàn)，這樣就可以把DSP芯片的資源得到充分的發(fā)揮。</p><p>　　圖4-3 控制系統(tǒng)ISR中斷的軟件流程</p><p>　　4.2.2 控制系統(tǒng)的測速方法</p><p>　　在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，穩(wěn)定和準確的反饋是系統(tǒng)精度和穩(wěn)定的關(guān)鍵，在電動機的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電動機轉(zhuǎn)速測量的精度對伺服控制系統(tǒng)的控制性能起著極為重要的作用?，F(xiàn)代伺服系統(tǒng)最常用的

100、速度和位置反饋裝置是光電編碼器，光電編碼器是將電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動機械移動轉(zhuǎn)化成脈沖的形式的裝置。用光電編碼器測速，都是采用定時器/計數(shù)器和編碼器脈沖相結(jié)合的方法，通常在DSP中實現(xiàn)速度檢測有以下幾種方法：M法、T法和M/T法這三種。</p><p><b>　?。?）M法測速</b></p><p>　　M法又稱為測頻法，其測速原理是，在規(guī)定時間內(nèi)，使用計數(shù)器對光電編碼器

101、發(fā)出的脈沖進行計數(shù)，就是得到這段時間內(nèi)有多少脈沖的個數(shù)。由此來得到電機的轉(zhuǎn)速。從而轉(zhuǎn)速就可以表示成</p><p>　　，r/min (4-1)</p><p>　　式中，為規(guī)定的采樣周期，是一個固定不變時間，單位為；是在時間內(nèi)，編碼器輸出的脈沖數(shù)量；是電機軸每旋轉(zhuǎn)一圈的時候，光電編碼盤所發(fā)出的脈沖的個數(shù)。</p><p>

102、　　用M法的時候，高低速時的情況有點不一樣，高轉(zhuǎn)速的用這種方法的時候，測量的精度比較高。但是低轉(zhuǎn)速時，用這種方法測量轉(zhuǎn)速的話就不是很準確，可能會造成比較大的誤差，所以一般在高轉(zhuǎn)速的情況的時候才用M法。</p><p>　　在讀取一固定周期內(nèi)的編碼器脈沖數(shù)來計算電動機的轉(zhuǎn)速。比如測速周期長為ls，那么如果在ls內(nèi)對于2500線的增量式光電編碼器，QEJ模塊在4倍頻時， CPU讀到 10000個脈沖，那么這時電動機的

103、轉(zhuǎn)速就是1轉(zhuǎn)/秒。但是，定周期的測速方法只有在轉(zhuǎn)速較高時，單位周期的脈沖數(shù)就多，這樣誤差就小，所以M法適用于高轉(zhuǎn)速場合。</p><p><b>　?。?）T法測速</b></p><p>　　T法又稱為測周法，對于光電編碼器發(fā)出的脈沖進行捕捉間隔的時間，也就是對于編碼器輸出的相鄰的脈沖，用定時器捕捉該脈沖的時間寬度。也就是定時器的時基數(shù)量乘以所計的個數(shù)，這樣就得到了

104、相鄰脈沖的寬度。然后再取倒數(shù)，就可以得到轉(zhuǎn)速的測量值。設(shè)主時基的脈沖的頻率為，測得兩個編碼器輸出的相鄰的脈沖的時間間隔，主時基脈沖數(shù)為，則可以得出主軸的轉(zhuǎn)速為</p><p>　　，r/min (4-2)</p><p>　　用T法的時候，高低速時的情況也有點不一樣，低轉(zhuǎn)速的用這種方法的時候，測量的精度比較高。但是高轉(zhuǎn)速時，用這種方法測量轉(zhuǎn)速的話

105、就不是很準確，可能會造成比較大的誤差。通過測量增量式光電編碼器兩個相鄰脈沖之間的時間間隔來計算電動機的轉(zhuǎn)速。既在兩脈沖間隔時間為0.00015時，那么這時電動機的轉(zhuǎn)速就是1轉(zhuǎn)/秒。但是，一般情況脈沖越多測速也越精確，而且由于定時器的精度和溢出等問題，所以一般在低轉(zhuǎn)速的情況的時候才用T法。</p><p><b>　?。?）M/T法測速</b></p><p>　　其測

106、量的時間通常由兩個部分組成,也就是說他要測量兩個部分的時間長度。一部分是規(guī)定的恒定不變時間；是從時間結(jié)束，之后出現(xiàn)的編碼器發(fā)出的第一個脈沖的時間的間隔。設(shè)在時間范圍內(nèi)讀取的脈沖的數(shù)量為，在時間內(nèi)，測量的時基的脈沖數(shù)量為，則轉(zhuǎn)速為</p><p>　　,r/min (4-3)</p><p>　　式中，為角位移， （為時基頻率），將其代入上式后，

107、得M/T法測速的計算公式為：</p><p>　　，r/min (4-4)</p><p>　　此法是M法和T法的結(jié)合，它在整個速度范圍內(nèi)都有較好的準確性，因為其同時測量一定個數(shù)編碼器脈沖和產(chǎn)生這些脈沖所用的時間。但是當電動機在低速運行時，MT法需要較長的檢測時間才能保證速度測量的準確性，難以滿足快速動態(tài)響應(yīng)的系統(tǒng)要求。</p><

108、;p>　　從原理上可以看到，用M/T法來測量轉(zhuǎn)速的時候，不管是高轉(zhuǎn)速還是低轉(zhuǎn)速效果都比較好。但轉(zhuǎn)速比較高的時候，此時就相當M法測速的情況；當轉(zhuǎn)速比較低的時候，此時該方法就相當于T法測速的情況。也就是說不管現(xiàn)在的轉(zhuǎn)速是處在高速階段還是低速階段，這種測速的方法都比較好。所以在非常寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，M/T法能測速比較準確。但是有利必有弊，M/T法在軟件上實現(xiàn)起來非常麻煩，占用的DSP的資源也很多。所以通常在實際做的時候，一般都不用上述的這

109、三種方法，而是結(jié)合起來使用，也就是在轉(zhuǎn)速比較高的時候使用M法去測量轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)速比較低的時候，使用T法去測量轉(zhuǎn)速。用這兩種方法結(jié)合起來去測量轉(zhuǎn)速的話，在實現(xiàn)的時候非常的簡單，而且占用的芯片資源還很少，最重要的是檢測的誤差比較小。所以用這兩種結(jié)合起來的方法是能夠得到比較好的效果的。</p><p>　　4.2.3 PID調(diào)節(jié)器的原理</p><p>　　PID控制策略是非常的成熟的一種控制技術(shù)

110、，也應(yīng)用非常的廣泛。結(jié)構(gòu)上比較簡單，參數(shù)的調(diào)整也很容易。因此在控制中一般都能應(yīng)用。一般在設(shè)計新系統(tǒng)時可以先采用PID控制，然后觀察控制效果，再仔細的調(diào)整參數(shù)，看看能不能得到想要的效果。如果能得到，就可以采用這種控制策略。如果不能達到效果的話，就要嘗試別的更先進的控制策略。即使用PID控制達不到效果的話，也能學(xué)習(xí)一些系統(tǒng)本身存在的控制這方面的特性，這對于應(yīng)用其他的控制策略是非常有幫助的。在PID控制器各種應(yīng)用的變種中，用的最多的還是比例積

111、分的控制，因為（1）使用比例積分微分的控制，而微分對誤差非常的敏感，也就是反應(yīng)非常的強烈，只要有一點點誤差，微分就會起作用，經(jīng)常會導(dǎo)致小幅的振蕩，其控制系統(tǒng)響應(yīng)不太容易穩(wěn)定，在電機平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動時就會看到轉(zhuǎn)速曲線總是在晃來晃去，看上去不是很平穩(wěn)，特別是有轉(zhuǎn)速顯示的時候，就會看到轉(zhuǎn)速值總是在跳來跳去的。因為上述的這些個原因，微分環(huán)節(jié)在電機控制系統(tǒng)中應(yīng)用的不是很多；（2）如果只有比例控制器時，穩(wěn)態(tài)性能又得不到很大的保證，但是P值不大時穩(wěn)態(tài)誤差會