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1、基于DSP2812永磁同步电机调速设计 摘要：本文主要介绍基于DSP2812永磁同步电机调速系统设计。首先介绍了永磁同步电机的结构、原理及数学模型，并分析了矢量控制的基本工作原理。其次使用Matlab/Simulink对整个电机控制系统建立仿真模型，并得到相应仿真波形，得到的结果符合预期设计，为接下来的硬件设计打下了基础。根据控制要求，主要采用以TMS320F2812为系统核心，智能功率模块IPM为变换装置，运用电压空间矢量技术，最后编写好相应程序后，在硬件平台eEEP1000N电力电子实验装置进行实验调试。关键词： 永磁同步电机 空间电压矢量 TMS320F2812中图分类号：TP27 文献
2、标志码：AThe Design of Permanent Magnet Synchronous MotorControl System Based on DSP2812LIU Qing-jian1QingDao University,Shangdong Qingdao,266071Abstract：This paper mianly describes the permanent magnet synchronous motor(PMSM) control system design based on the DSP2812.First of all,this paper not only i
3、ntroduces the structure,principle and mathematical model of PMSM but also analyzes the basic working principles of the vector control.Second, we use Matlab / Simulink to build the simulation model of the entire motor control system and get corresponding simulation waveforms,the results we get are in
4、 accordance with the expectant design,which make bases for the following hardware designs.According to the requirement of controlling,based on TMS320F2812 as the control center, the IPM as the intelligent power module,we use the voltage space vector technology to do some experimental analyses. At la
5、st,after writing the corresponding programs, we could do some tests and experimental debuggings on the hardware platform of eEEP1000N power electronics experimental device. Keywords PMSM Space voltage vector TMS320F28120 引言19世纪20年代左右，第一台永磁同步电机在世界上出现，那时候用作制造电机磁体材料的是具有永久磁性的天然矿石，因为科技较为落后，使得制成的电动机体积过于庞大
6、。直到上世纪七八十年代，永磁材料迅速发展，使得永磁同步电机体积缩小，功率密度增高，效率也显著提高，因此得到人们的广泛关注。而且由于我国稀土资源丰富，非常利于开发高磁场材料和永磁电机的发展。当今世界经济的快速发展，使得节约能源对人类的生存和发展变得至关重要。因此，节能减排成为我国的重要政策之一。本文研究永磁同步电机的矢量控制系统是高性能的控制系统，而且具有运行效率高，过载能力强，硬件设备相对简单等优点，在性能方面能够取得比较好的控制效果。现在，使用稀土材料的永磁同步电机生产规模增大，尤其是对于能源损耗较严重的我国来说，发展稀土永磁同步电机对国民经济的建设发展有很大意义。1 永磁同步电机调速系统及
7、矢量控制1.1 永磁同步电机的结构及工作原理永磁同步电动机跟其他交流异步电动机一样1，都是由定子和转子构成，定子主要包括电枢铁心和三相对称电枢绕组，绕组嵌放在铁心的槽中，不同的是永磁同步电机的转子主要由永磁体、导磁轭和转轴构成，代替了传统的电励磁，从而省去了电刷、滑环等。结构示意图为：图1 永磁同步电机的结构示意图工作原理：当在同步电动机的电枢绕组中通入三相对称的电流时，一个与同步转速相同地旋转磁场立刻会在定子那侧产生，在稳态时，转子的转速恒与旋转磁场的同步转速相等。于是，转子产生的主极磁场会和定子一侧的旋转磁场之间保持相对的静止，它们之间的相互作用将会产生电磁转矩，从而牵引转子旋转，并进行机
8、电能量之间转换，或者可以将定子绕组产生的那个旋转磁场看作成一对旋转磁极正在吸引转子的磁极随它一块旋转。则旋转磁场的转速（又叫同步转速）为： （1）其中，交流电源频率，电机的极对数。当负载一侧发生变化时，转子的瞬时转速也会相应发生变化。此时，如果通过位置速度传感器检测转子的位置和速度，根据转子永磁体磁场的位置，并利用逆变器控制定子绕组中电流的频率、大小和相位，便会在转子上产生连续的转矩作用2。1.2 永磁同步电机基本运动方程要想很好的控制一台电动机，必须要建立准确的数学模型，从中找出各个物理量之间的关系，尤其是定子与转子各量之间，才能高效、精确的控制电机系统。交流电动机是具有非线性、强耦合特点的
9、多变量系统，数学模型是对系统过程的模拟。永磁同步电动机动态过程中，永磁体与各绕组，及各绕组之间相互影响，电磁关系非常复杂，再加上磁路饱和等其它非线性的因素，使得建立其数学模型3变得较为困难。三相静止坐标系下的电压方程式为： （2） （3） （4）1.3 矢量控制原理目前，矢量控制在异步电机中应用较为广泛，那异步电机矢量控制和同步电机矢量控制有什么区别呢？我们知道，异步电机磁场定向需要知道转子速度，电机的实际角度和电枢的空间矢量的相对位置不统一，转子磁链相对于定子空间矢量不静止，经过3/2变换后无法将矢量变为直流量，即无法控制直轴分量为零，因此异步电机矢量控制相对同步电机较难一点；同步电机对转子
10、磁链观测时需要知道转子速度和磁极的位置，机械角度和电角度之间位置固定，这就保证在进行3/2变换后，可以采用控制Id=0的矢量控制策略。不同于直流电动机，永磁同步电动机主磁场和电枢磁场之间互不垂直，而且彼此影响，长期以来控制较为复杂，性能也不理想。随着电力技术的发展，交流电机的控制有了很大进步。目前，主要控制策略有矢量控制、恒压频比控制、直接转矩控制、转差频率控制、自适应控制、滑模变结构控制 、PID控制以及线性化控制等。本文主要依据矢量控制对永磁同步电机进行调速系统的设计。矢量控制理论4首先于1971年由西门子工程师F.Balschke提出，使得交流电机的发展获得一次质的跨越。矢量控制又称作磁
11、场定向控制（FOC），它的控制基本原理即：在一般三相交流电机上模拟直流电动机转矩的控制方法，通过相关磁场矢量变换，将交流电机的定子电流分解为与磁链同方向的励磁电流分量以及与磁链方向正交的转矩电流分量，二者相互独立，然后分别调节，这样就可以得到如同直流电动机那样良好的动态特性。图2 永磁同步电机矢量控制系统结构图2 永磁同步电机调速系统的Matlab仿真在研究设计系统的过程中，用软件进行仿真是一种很重要的手段，因为它能够模拟你所设计系统的实际运行情况，而且能够较全面分析系统参量怎样的变化规律，你就知道自己所设计系统哪部分的正确与否，更可以验证设计初期猜想及所参考理论的准确性。近些年来，各种各样的
12、专业仿真软件的迅速发展，使得系统实验设计的效率大大提高，系统相关的建模也变得越来越简单、直观、易懂。Matlab作为用于数学计算以及系统设计控制仿真地软件，经过多年的设计改进，内部功能已经变得足够强大。Simulink作为 MATLAB内部一个具有强大功能的软件包，是专门用于为相关动态系统进行仿真的5。本仿真模型主要由坐标变换模块、SVPWM模块、扇区判断模块和基本电压矢量作用时间计算模块等构成。图3 PMSM矢量控制系统仿真模型整个仿真系统中，PMSM定子电阻2.875，励磁磁通=0.175wb，定子d、q轴电感为Ld=Lq=0.0085H，转动惯量J=0.008，极对数Pn=1，电机空载启
13、动，在0.1s时刻加载4N.m。3 基于DSP2812永磁同步电机调速系统的实现通过对永磁同步电机的调速系统仿真，本章主要论述基于DSP TMS320F2812控制永磁同步电机调速系统的实现，包括系统硬件结构及系统软件设计等。3.1 系统硬件电路设计系统的硬件结构如图所示，由此可见系统主要由DSP F2812主控板、永磁同步电机、主功率电路、光电码盘、调理电路及保护电路构成等。图4 系统硬件总体结构所设计的DSP F2812外围电路主要包括时钟电路和复位电路，时钟电路采用内部振荡器方式，选择30MHZ的振荡频率，通过内部锁相环6实现5倍频，实现150MHZ的CPU系统时钟。2812DSP为低电
14、平复位，内部具有复位电路，所以直接在复位引脚接一个上拉电阻即可，采用RC电路法。3.2 电流调理电路 在永磁同步电机伺服控制系统中，三相电流的实时性和检测精度对整个控制系统的控制精度有很大的影响，为提高电机的控制性能，选用LEM霍尔电流传感器模块来检测电机定子电流。PMSM电机的绕组方式为不带零线的星型接法，即三相电流对称，满足，故只需检测其中两相即可。电流检测调理电路的主要功能是把霍尔传感器输出的信号进行滤波、幅值调整、偏移量调整以及限幅，把调整后的信号送给DSP的A/D转换口，下图为电流调理电路设计图7。图5 电流调理电路上图中，将电流霍尔传感器的输出用幅值为33mA的电流源代替，由于霍尔
15、传感器输出的是弱电流信号，需经过100的电阻转化为幅值为3.3伏的正弦交流电压信号，电阻的比值R3/R1决定了幅值调整的倍数，电阻R4=R5，由于DSP模拟输入参考电压为3.3V，需要把正负电压信号变换为单极性电压信号8，故调理电路中加入电压偏移电路；为了防止电压过高或过低，电路中设计了由钳位二极管构成的限幅电路，限幅电路输出的信号为03V的直流电压信号，可以实现与DSP的电平匹配。电路仿真如图所示：待添加的隐藏文字内容3A通道 B通道图6 示波器测量波形注：横坐标为时间轴，1ms/Div；纵坐标为电压轴，2V/Div。本设计采用6N137高速光耦合器，可有效的用于电路隔离。驱动电路采用IR2
16、136芯片，其中集合有6个IGBT高电压栅极驱动器，并融合了多元化保护功能。4 结论主要介绍了永磁同步电动机的结构，对其工作原理进行了简要分析，并介绍了永磁同步电机的基本运动方程,接着介绍了矢量控制方法及原理，并给出了三相静止到两相静止坐标系、两相静止到两相旋转坐标系的变换模型，可见通过坐标变换后，最终在（d,q)坐标系中，我们可以像控制直流电动机那样，通过控制电动机的电流来改变转矩9，大大简化了永磁同步电机的控制。利用Matlab/Simulink软件对基于DSP2812的永磁同步电机调速系统进行建模仿真，并得到预期的仿真波形，通过仿真更好的学习了矢量控制的相关原理10,给出了基于DSP28
17、12永磁同步电机调速系统的硬件设计和软件设计，并在硬件平台eEEP1000N电力电子实验装置上进行相关的调试，得到了预期的实验结果。但是，实验过程中也存在电机启动时间较长，在高速运行时转速有波动等不足之处，还有待于进一步的设计与调试。参考文献：1 Raymond B Sepe，Jefrey H LangRealTime Adaptive Control of the PermanentMagnet Synchronous J IEEE Transon IA，1994，27(4)：706-7142 李付举PID参数自整定模糊控制器的应用J辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2011，30(1)：1
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