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1、永磁直线同步电机的设计与研究摘 要直线电机是一种将电能直接转换成直线运动，而不需要通过任何中间机构的新型电机，具有广阔的应用和发展前景。所以，对直线电机及其位置伺服控制系统的研究，已成为当前各国研究的热点和前沿。近年来，随着永磁材料性能的快速发展，永磁直线同步电机得到更广泛的应用。与普通的直线电机相比，具有效率高、输出力矩大、体积小、易于控制等优点，极大地提高了进给系统的快速响应性和运动精度，已成为新一代超精密机床中最具有代表的技术。永磁直线同步电机伺服控制系统将是当前和今后直线电机发展应用的一个方向。本文主要针对基于DSP的永磁直线同步电机的伺服控制系统进行研究，并给出系统设计的整体方案，设
2、计硬件电路，完成软件部分的编写。文中先通过对永磁同步直线电机的内部结构和工作原理分析，建立了一种以电流空间矢量为基础的数学模型，并在此基础上对转子磁链定向矢量控制、空间矢量PWM波形的产生、电流环、速度环、位置环等进行研究，设计整个系统的软硬件。在硬件方面，对系统功能模块化，使用的DSP芯片是TI公司的TMS320F2812芯片，并采用以TMS320F2812芯片为硬件结构的核心的伺服控制系统方案,接着对控制系统方案的各个功能模块进行了具体的设计。在软件方面，以CCS环境为软件平台，以汇编语言为主要编程语言，完成主程序、中断程序、电流检测程序、键盘程序等部分的编写，成功地实现了SVPWM的输出
3、及其对永磁直线同步电机的伺服控制。关键词：永磁直线同步电机；矢量控制；SVPWM；TMS320F2812AbstractLinear motor is a novelty motor that can convert electricity energy into linear movement without any medium machine.It has wide expected application and development prospect.As a result,the research involved linear motor and its servo contr
4、ol system has becamed a research focus. In recent years, Along with the fast development of permanent magnet materials, permanent magnet linear synchronous motor（PMLSM） has been get more extensive application. response to the chin and precision movment，have advantages in high efficient，large export
5、moment，small and easy to control advnatages，has greatly improved the rapid response system into motion precision. It has been a new generation of utlra-precision machine tools，most of the technology. Permnaent mganet linear snyehronous motor servo system will be the development of the electrical cur
6、rent and future applications of a linear motor.In this paper，the servo control system of a permanent magnet linear synchronous motor(PMSLM) based on DSP is investigated mostly, give the overall system design program,design a hardware circuit,and the completion of the software part. First of all, thr
7、ough analyzing its interior configuration and movement principle,a mathematical model of PMSLM is established based on space vector of electric current，and on the basis of the rotor flux vector control, space vector PWM waves of velocity loop, current loop, and position loop, etc.,at last designing
8、the hardware and software of the system. In the hardware, through the system function module, adopted by TI company TMS320F2812 chips for hardware structure of the servo control system is the core, then the control system scheme of each module of the specific design. In software, with CCS for softwa
9、re platform, mainly in assembly language programming languages, completed the program, interrupt program, current test procedures, keyboard program etc, successfully realized the output and implementing SVPWM control of permanent magnet linear synchronous motor.Keywords： PMLSM; Vector Control; SVPWM
10、; TM320F2812目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题的国内外现状11.2 课题的背景、意义31.2.1 课题的背景31.2.2 课题的意义3 第2章 永磁直线同步电机的基本结构及原理52.1 直线电机概述52.1.1 直线电机的基本结构52.1.2 直线电机的分类及特点62.2 永磁直线同步电机的基本结构及原理82.2.1 永磁直线同步电机的基本结构82.2.2 永磁直线同步电机的原理8第3章 永磁直线同步电机的数学模型及矢量控制103.1 永磁直线同步电机的数学模型103.2 永磁直线电机的坐标变换133.3 PWM（脉宽调制）控制技术143.3.1 PWM技
11、术概述143.3.2 空间电压矢量(SVPWM)控制技术153.4 永磁直线同步电机矢量控制策略分析18第4章 永磁直线同步电机伺服系统的硬件设计214.1 系统硬件总体结构214.2 系统主功率回路电路的设计224.2.1 交直部分电路234.2.2 直交部分电路234.3 系统控制回路设计244.3.1 TMS320F2812的最小系统244.3.2 PWM波产生电路设计254.4 保护电路设计274.4.1 欠过电压保护274.4.2 过热保护27第5章 永磁直线同步电机控制系统的软件设计285.1 DSP软件平台及汇编语言基础285.1.1 软件平台CCS简介285.1.2 汇编语言基
12、础295.2 系统主程序设计30第6章 结论32致 谢34参 考 文 献35第1章 绪论1.1 课题的国内外现状本课题的研究对象是永磁直线同步电机。传统的电机为旋转运动，如要获得线性运动需要借助如滚珠丝杠传动等机构，这一过程往往会使得传动的效率和精度下降。直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能、而不需要任何中间转换机构的传动装置1。在许多工业领域中，被控对象的运动路径往往是直线形式。永磁直线同步电机是直线电机的一种，兼有永磁同步电机和直线电机的双重特点。与直线感应电机相比，永磁直线同步电机的力能指标高、体积小、重量轻且具有发电制动功能2。因而不断在许多领域得到了应用。例如垂直升降输送系统
13、，高速地面运输系统，往复式空气压缩机等等。但永磁直线电机也存在造价高，控制较为复杂的特点。随着科学技术的不断发展，生产工艺的提高，这些以前让很多电机设计人员望而却步的缺点也显得微不足道了。永磁直线同步电动机伺服系统因为高推力和高响应的优点越来越成为现代高速加工中心的首选，具有广泛的应用和发展前景。是20世纪下半叶电工领域出现的具有新原理、新理论的新技术。它所具有的突出优势，已越来越受到人们的重视3-4。其实，早在19世纪末与20世纪初就有人开始从事直线电机的研究。当时，研究直线电机有两个目的，其一想用它来推动织布机上的梭子，其二想用它作为推动列车的动力，但均未获得成功，这两者都停留在试验论证阶
14、段。在以后很长的一段时间内，虽有少量的研究成果，但都未超出试验模型阶段。如果驱动器能给被控对象提供直线运动形式的推力，以获得单向或者双向的有限可控位移，那么两者在运动形式上就直接匹配一致了，省去了中间的变换环节，这就具有天然的合理性了。以电磁原理工作的各种形式的直线电机是提供大功率、高推力的主要执行元件。由于它能直接产生连续单向或往复短行程的直线机械运动，而不需要中间机械传动变换装置，因而在国民经济各个部门都获得了应用，而且应用的前景越来越广阔5。特别是随着上海磁悬浮商业线的投入运行，各个国家加大了对直线电机设计和控制的研究。从目前的发展趋势来看，可能形成巨大市场的“直线运动工业”。目前，世界
15、上对直线电机的研究已经处于应用阶段，美国、德国等国家的直线电机产品技术成熟、种类丰富,但价格昂贵。作为高速、精密机床的关键功能部件之一,直线电机的核心关键技术都被国外所拥用,市场也基本被国外著名的直线电机公司如Siemens、Anorad、Indramat、Kollmorgen、Aerotech、Park等所垄断。从技术上说,直接驱动线性(Direct-Drive Linear,DDL)传动系统已走上一条成功之路。我国虽然赶不上西方发达国家直线电机的发展,但各高等院校和科研院所也加大了直线电机的开发和研究工作,有不少单位开始研究和开发，但还处于探讨和试验阶段,与发达国家有较大差距。清华大学制造
16、工程研究所研究直线电机及其控制技术已有近15年的历史。一开始主要研究用来推动车床横向刀架的高频、小行程永磁直流直线电机,以实现非圆截面零件的车削加工,并且已经成功地应用于实际生产中,取得的很好的效果。浙江大学成立了直线电机研究所,研究各种类型的直线电机及其应用,如直线电机冲压机、记录仪、输送线、门窗驱动等。西安交通大学对圆筒型直线感应电机的性能进行了深入的理论研究,并开发出实用电机,性能分析方面做了大量工作。宁波大学对微特直线电机,主要是直线步进电机进行了长期的研究工作,取得了一定的成果。武汉理工大学、中国科学院电工研究所等,也对不同类型的直线电机进行了研究。沈阳工业大学从九十年代后期开始对L
17、PMSMS进行研究,并制造了推力为100N的样机。除了样机的研制外,他们研究的另一重点是直线电机的控制。广东工业大学成立了“超高速加工与机床研究所”,要研究和开发“超高速电主轴”和“直线电机高速进给单元”。开发了GD-3型直线电机高速数控进给单元,额定推力为2000N,最高进给速度100m/min,定位精度0.004mm,行程为80mm。华中科技大学对长行程、高相应永磁同步直线电机进行了研究,但性能还有待检验和完善,需要进行更深入的研究2,5。1.2 课题的背景、意义1.2.1 课题的背景随着电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术、传感器技术、稀土永磁材料与电机控制理论的发展，永磁直线同步电
18、机在中低容量的运动控制系统中得到了广泛的应用,尤其是在伺服传动领域,永磁直线电机正在逐步取代直流电机、步进电机而成为伺服驱动的发展方向。交流伺服控制技术也有了长足的进步11,12。借助于计算机技术、现代控制理论的发展，人们有可能构成高精度、快速响应的交流伺服驱动系统。因此，近年来，世界各国在高精度速度和位置控制场合，都已经由交流电力传动取代电液和直流传动。在交流伺服传动领域中，伺服系统有三种构成形式，其执行元件分别是：感应电动机、无刷直流电动机和三相永磁同步电动机，所构成的伺服系统除以上执行元件外还有：变频装置（整流器和逆变器）、控制系统。这三种伺服驱动系统，其逆变器和控制器的功能几乎相同，虽
19、说感应电机矢量控制技术比永磁交流伺服电机的控制复杂些，但由于控制器件价格的下降，其控制器成本相差不大13。由于永磁直线同步电机具有结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转矩电流比高、转动惯量低、易于散热及维护保养等优点，特别是随着永磁材料价格的下降、材料磁性能的提高，以及新型永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服系统中，永磁直线电机引起了众多研究与开发人员的青睐。1.2.2 课题的意义随着电力电子技术、微型计算机技术、稀土永磁材料和控制理论的飞速发展,永磁直线同步电机在中低容量的运动控制系统中得到了广泛的应用,尤其是在伺服传动领域,永磁直线同步电机正在逐步取代直流电机、
20、步进电机而成为伺服驱动的发展方向。然而,由于永磁直线同步电机伺服系统受电机参数变化、外部负载扰动等因素的影响,要获得高性能、宽调速范围永磁同步伺服系统,必须研究先进的控制策略与控制手段,使系统具有较强的适应性和较强的抗干扰能力14,15。传统的旋转电机加滚珠丝杠的驱动方式由于存在机械间隙，螺距周期误差，较长的传动链，综合刚度等弊端，很难满足高速精密机床的要求。而直线电机驱动的位移机构在快速响应能力和精度等方面,都具有普通伺服驱动机构难以匹敌的优势。与旋转电机相比，直线电机省去了中间传动环节，从而可以做到高速度、高精度和高加速度16-18。而且随着永磁直线同步电机制造技术的提高和高性能的永磁材料
21、的出现，特别是钕铁硼永磁材料的出现，使永磁直线同步电机成为一种高速、高精、高效驱动方式中最具竞争力的发展方向。因而，永磁直线同步电机伺服系统无论是其实际应用还是理论探讨，都具有一定的研究价值，受到了电气传动工程界的广泛关注。研究永磁直线同步电动机的研究及应用具有重要的意义。 第2章 永磁直线同步电机的基本结构及原理2.1 直线电机概述2.1.1 直线电机的基本结构直线电机是直接产生直线运动的电磁装置。它可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，即看作是将一台旋转电机沿着某一半径的方向剖开，然后将电机的圆周展成直线，如图2-1所示，这样就成了一台直线电机5。旋转电机的径向、周向和轴向，在直线电机中
22、分别对应地成为法向、纵向和横向。在直线电机中，相当于旋转电机定子的，叫初级；相当于旋转电机转子的，叫次级。初级中通以交流电，次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动。（a）旋转电机 （b）直线电机图2-1 旋转电机变为直线电机的过程在图2-1中，直线电机的初级和次级长度是相等的。在直线电机运行时，初级与次级之间是要作相对运动的，如果在运动开始时，初级与次级正巧对齐，那么，在运动中初级与次级之间互相祸合的部分越来越少，从而使直线电机不能正常运动下去。为了保证在所需的行程范围之内，初级与次级之间的耦合能保持不变，实际应用时，初级与次级的长度要制造成不相等的。事实上，在直线电机制造时，直线电机既可以
23、把初级做得很长，也可以把次级做得很长；既可以初级固定、次级移动，也可以次级固定、初级移动，如图2-2所示，图(a)称为短初级长次级，图(b)称为长初级短次级2,8。图(a) 短初级长次 图(b) 长初级短次级图2-2 单边型直线电机但是由于短初级在制造成本上、运行的费用上均比短次级低得多，因此，目前除特殊场合外，直线电机一般都采用短初级长次级的结构形式。2.1.2 直线电机的分类及特点在不同场合下，直线电机可以有不同的分类型式。可以按结构、功能工作原理等进行分类。直线电机按其结构型式主要可分为扁平型、圆筒型(或管型)、圆弧型和圆盘型四种；直线电机，特别是直线感应电机，按其功能用途主要可分为力电
24、机、功电机和能电机；在分析电机性能或机理时，通常以直线电机的工作原理进行分类，从原理上讲，每种旋转电机都有与之相对应的直线电机，然而从使用角度来看，直线电机得到了更广泛的应用5。按其工作原理，直线电机的分类如图2-3所示。在图中，交流直线同步电机中永磁式电机是本文的研究对象，它采用永磁材料，可减少电动机尺寸，实现每单位尺寸更大出力。并且由于没有励磁电流流过，因此也就没有磁场损耗，此外，不会发生断路和开路现象，不会造成磁场运行干扰，同时无励磁绕组也就意味着不需要电刷和滑环；发热少，冷却要求低，长次级不需冷却。它在推力、速度、定位精度、效率等方面比直线感应电机具有更多的优点5。而且永磁直线电机在低
25、速下仍能平滑运动而对推力脉动不敏感。图2-3 直线电机的分类同样，永磁直线电机也存在缺点，永磁体产生的强磁场使其安装和操作较困难；永磁磁场吸引铁屑，电机必须加密封以防止铁屑阻塞气隙或进入运动副中；需通过位置传感器对电机进行电流换向控制。2.2 永磁直线同步电机的基本结构及原理2.2.1 永磁直线同步电机的基本结构永磁直线同步电机与直线电机的结构类似，只是在定子侧，沿全行程法方向的一条直线上，一块接一块的交替安装N、S永磁体。在动子下方的全长上，对应的安装含铁心的通电绕组（永磁同步旋转电机则是转子上装永磁体，而定子中含有电枢绕组）。为此，动子必须带电缆一起运动。永磁直线同步电机利用的是高能永磁体
26、，具有的推力强度高、损耗低、时间常数小、响应时间快、控制比较容易等一系列特点，能够直接产生连续单项或往复短行程直线机械运动。其主要缺点是永磁体的高成本带来整体装置的高价格，以及在端部存在较严重的漏磁场，特别是在单边圆筒型中，漏磁现象更为严重。这种电机也分为平面型(单边、双边)或圆筒型。对于任何一种形状，均可将初级制成动子，次级的永磁体作为定子。借助于支撑系统，动子和定子之间保持恒定的气隙8。2.2.2 永磁直线同步电机的原理永磁直线同步电机不仅在结构上相当于是对应旋转电机演变过来的，而且其工作原理也与旋转电机相似。根据永磁体的安装位置，永磁直线同步电机分为表面磁极型和内部磁极型。用于伺服目的的
27、永磁同步直线电动机一般采用表面磁极的结构，其凸极效应很弱，气隙均匀且有效气隙大。如图2-4所示是永磁直线电机的基本工作原理示意图。图2-4 永磁直线同步电机的基本工作原理在图2-4中，这台永磁直线电机动子的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，同样会产生气隙磁场。当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向端部效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，即可以看成是沿展开的直线方向呈正弦分布。当三相电流随时间变化的频率为时，气隙磁场将按A、B、C相序沿直线运动。这个原理与旋转电机相似，但两者的差异是：直线电机的气隙磁场是沿直线方向平移的，而不是旋转的，因此，该磁场称为行波磁场。显然，行波磁场的移动速度与
28、旋转磁场在定子内圆表面上的线速度（称为同步速度）是一样的，即有： （2-1） 其中为极距（m）。对于永磁同步直线电机来说，永磁体额励磁磁场与行波磁场相互作用便会产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，由于定子固定不动，那么动子（即初级）就会沿行波磁场运动的相反方向作直线运动，其速度为。这便是永磁直线同步电机的基本工作原理。直线电机就这样把电能直接转变为直线运动的机械能而无需任何中间变换装置8。第3章 永磁直线同步电机的数学模型及矢量控制3.1 永磁直线同步电机的数学模型数学模型是研究实际对象的重要手段，建立能够反映研究对象本质规律的数学模型，可对其进行有效的分析和控制。因此，为便于分析与控制，需
29、要建立简便可行的永磁直线同步电机数学模型。永磁直线同步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，但是在一定的假定下，可以通过坐标变换的方法使之简化，还可以通过空间矢量的概念进行运算，同时空间矢量有助于说明坐标变换的物理意义。为了更好的利用空间矢量来说明问题，将永磁直线同步电机等价为其相应的永磁同步旋转电机。转子磁极为凸极永磁结构，定子有三相对称的电枢绕组，如图3-1所示，a轴、b轴、c轴分别为定子绕组的轴线。转子的磁极轴线为直轴d，逆时针方向转90度为交轴q。为转子d轴相对于定子a轴逆时针转过的角度。图3-1 永磁同步电机矢量图通常，在分析前先作如下假定：(1)不计剩磁、涡流、磁滞
30、、饱和等效应，认为磁路是线性的。(2)忽略空间谐波，认为绕组磁势及气隙磁密按正弦规律分布。在上述假定下，可引入空间矢量的概念。在图3-1中，把永磁同步电机矢量图看作一个复数平面；在此平面上三相定子绕组的轴线为a、b、c轴，将a相绕组的轴线a作为复数平面上的实轴（Re）,逆时针方向转过90为虚轴（Im）。这样，复数平面上的一个复数可以和一根矢量相对应，反之亦然。接着可定义电流空间矢量如下： （3-1）式中，三相瞬时电流值。事实上，、分别对应于a、b、c轴线上的三根矢量，它们分别反映了各相绕组产生的磁势。电流空间矢量则反映了定子合成磁势，它的长度反映了定子合成磁势的大小, 的方向就是定子合成磁势的
31、方向。接着可讨论abc坐标分量和dq0坐标分量之间的坐标变量关系13-14。这种坐标变换是将a、b、c三相绕组的电流、电压、磁链等实际值，通过数学公式进行变换，转换成假想的d、q、0分量，以便于解题。先定义d、q、0分量中的零轴电流分量如下： （3-2）由于永磁直线同步电动机的定子绕组为无中线的Y型接法,固有 （3-3）此种情况下,零轴电流分量恒等于零1。定子电流的d、q分量用、表示，它们分别是定子电流空间矢量在d、q轴方向的投影分量。因为电流空间矢量在d轴方向的投影等于组成的各个分量在d轴方向的投影之和，所以可得到： (3-4)同理，可得到 (3-5)式（3-2）至式（3-5）就是电流分量从
32、ABC坐标转换到dq0坐标的公式5。若把、看作未知数，、看作为已知数，且则通过公式（3-2）至式（3-5）可以解出、如下： （3-6） （3-7） （3-8）在dq0坐标系统中，可以证明电磁转矩为 （3-9）式中，驱动电动机的电磁转矩，它与转角取同样的正方向；电动机的极对数。由上式可见，构成电磁转矩的两个分量是：（1）电枢直轴磁链与交轴电流分量相互的作用。（2）电枢交轴磁链与直轴电流分量相互的作用。3.2 永磁直线电机的坐标变换对于永磁直线电机来讲，矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施是落到对定子电流(交流量)的控制上。由于在定子侧的各物理量都是交流量，其空间矢量以同步转速在空间旋
33、转，对其调节、控制和计算均不方便。因此，需借助于坐标变换的方法，使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系。从同步旋转坐标系观察，电动机的各空间矢量都变成了静止矢量10,18。坐标变换，就是将方程中原来的一组变量，换成一组新的变量。电机控制中的坐标系有三种，即三相定子坐标系(A,B,C坐标系)、两相定子坐标系(-坐标系)和转子坐标系(d-q坐标系)。三种坐标系的关系如图3-2所示，图中一个旋转矢量从三相定子坐标系(A-B-C轴系)变换到定子两相坐标系(-轴系)称为3/2变换，也叫Clarke变换，变换公式如（3-10）所示，其反变换叫做2/3变换，也叫Clarke逆变换，变换公式如(3-11)
34、所示。从定子两相坐标系(-轴系)变换到转子坐标系(d-q坐标系)称为Park变换，变换公式如(3-12)所示，其反变换叫做Park逆变换，变换公式如(3-13)所示11,19。图3-2 各坐标系的关系 (3-10) (3-11) (3-12) (3-13)3.3 PWM（脉宽调制）控制技术3.3.1 PWM技术概述PWM控制技术一直是交流调速技术的核心，由于PWM变换器具有功率因数高、可同时实现变频变压及抑制谐波的特点，因此在交流传动变换系统中得到广泛的应用，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM控制方式完成的，尤其是微处理器应用于PWM技术并使之数字化以后，控制方法不断更新。PWM控制技
35、术的发展经历了一个不断完善和不断创新的过程12,20。脉宽调制(PWM)技术的发展和应用优化了变频装置的性能，变频调速系统采用PWM技术不仅能够及时准确地实现变压变频控制要求，而且更重要的意义是抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量，从而降低或消除了变频调速时电机的转矩脉动，提高了电机的工作效率，扩大了调速系统的调速范围。PWM技术种类很多，并且正在不断发展之中。基本上可分为四类，即等宽PWM法、电压正弦PWM法（SPWM）、磁链追踪型PWM法(SVPWM)及电流跟踪型PWM法。其中，空间矢量PWM技术以其电压利用率高、控制算法简单、电流谐波小、易于数字化等特点在交流调速系统中得到了广泛的应用2
36、1。本次课程设计就采用空间电压矢量PWM控制技术。3.3.2 空间电压矢量(SVPWM)控制技术空间电压矢量技术(SVPWM，也称磁通正弦PWM)，也称磁链跟踪控制技术，是从电动机的角度出发，把电动机与PWM逆变器视为一体，着眼于如何使电动机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通，为目标，他以三相对称正弦电压供电时交流电动机中的理想磁链圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的磁链有效矢量来逼近基准圆，即用多边形来近似逼近圆形，从而达到较高的控制性能。理论分析和实验都表明SVPWM调制具有转矩脉动小，噪音低，直流电压利用率高(比普通的SPWM调制约高15%)等优点。目前己在通用变频器产品中得到了广泛
37、的应用。如图3-3所示，三相电压源型逆变器由六个功率开关器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6组成，对应的控制信号分别为Sa，Sa_，Sb，Sb_，Sc，Sc_。因为逆变器的上桥臂和下桥臂开关状态互补，故可以用三个上桥臂的功率器件的开关状态来描述逆变器的工作状态，记功率器件开通状态为“1”，关断状态为“0，则上桥臂Q1、Q3、Q5的开关状态有八种组合，即有U(a，b，c)分别为U000，U001，U010，U011，U100，U10l，U110，U111。如图3-4图空间电压矢量示意图。图3-3三相逆变器简图用开关状态来表示相电压输出为： （3-14）用开关状态表示线电压： （3-15）在图3
38、-3中，得到电压矢量后，在利用坐标变换，可以将abc坐标三相逆变器的八种开关状态矢量转换为dq坐标的八种电压矢量，分别记为U0，U60，U120。，U180，U240，U300，U000，U111，称为基本空间电压矢量，其中U000，U111为零矢量，如图3-4所示。图中，U0，U60，U120，U180，U240，U300，U000，U111这六个矢量均匀间隔60度，将dq平面分为6个区域，其中U000，U111两个零矢量位于坐标原点21。非零的基本电压空间矢量只有六个，为了获得尽可能多的多边形旋转磁场，就需要更多的逆变器状态，因此用六个非零的六个基本电压空间矢量及两个零向量的线性时间的组合
39、来得到更多的开关状态,SVPWM控制技术的目标就是要通过控制开关状态组合，将空间电压矢量Uout控制为按设定的参数做圆形旋转。图3-4 空间电压矢量示意图实现SVPWM的方法很多，本课题采用一种最简单的方法，即两个非零矢量和一个零矢量合成一个等效的电压矢量Uout。在不同区间内，向量都可使用它邻近的两个基本向量来进行合成，可以使用PWM的概念通过占空比来调节基本的大小，通过在采样周期内导通时间来近似被调制向量在该方向上的大小。如图3-4所示，可以看到在某个时刻Uout,旋转到某个区域中，就由组成这个区域的两个非零矢量Ux和Ux60分别作用T1，T2时间，先作用的Ux称为主矢量，后作用的Ux60
40、称为辅矢量，时间分解如图3-5所示。为补偿Uout的旋转频率，插入零矢量，作用时间T0。对于零矢量的插入，可以是两个非零矢量和一个零矢量或两个非零矢量和两个零矢量，例如图3-5(a)，(b)所示区域工中的对称的SVPWM波形图。从只有一种零矢量输出到两种零矢量按一定的先后顺序输出，可使谐波更小21-22。图3-5 SVPWM波形图3.4 永磁直线同步电机矢量控制策略分析永磁直线同步电机按照磁链定向控制的方法分类可以分为四种控制方案:转子磁链定向控制，定子磁链定向控制，气隙磁链定向控制，和阻尼磁链定向控制。按照控制目标可以分为:控制、控制、总磁链恒定控制、最大转矩/电流控制、最大输出功率控制、转
41、矩线性控制、直接转矩控制等。它们各有各的特点：控制最为简单，控制可以降低与之匹配的变频器容量，恒磁链控制可以增大电动机的最大输出转矩等21,23。本课题所控制的对象为小容量永磁直线同步电机，其主要用途为伺服系统，有一定的速度和较高的定位要求，由前面介绍的数学模型可知，永磁同步电机是一个非线性的控制对象，且d轴电流和q轴电流之间存在耦合作用。用只有交轴电枢反应的同步机矢量控制方法进行解耦，即通过计算机控制，设法使定子电流空间矢量总是保持在q轴的轴线上，此时、，代入式（3-9）可得： （3-16）式中比例系数。由此可见，此时电磁转矩的大小将和电流空间向量的大小直接成正比，改变就可以改变电动机产生的
42、电磁转矩，从而实现转矩的单变量控制。把、代入式（3-6）、（3-7）、（3-8）得： （3-17）这样，只要我们在定子三相绕组中通入符合上式的三相电流，就可以保证定子电流空间矢量总是保持在q轴的轴线上，实现转矩的单变量控制。所以，本系统选择转子磁链定向，速度和电流双闭环控制的矢量控制方案。对于永磁直线同步电机而言，矢量变换的实质就是对电机定子电流空间矢量幅值和相位进行控制，最终可归结为对d轴和q轴的电流控制。永磁直线同步电机这种矢量控制方法的原理框图如图3-7所示。从图中可以知道，本系统是位置、速度和电流的三闭环位置伺服系统，位置坏采用比例控制，速度坏和电流坏采用PI控制，实现速度和电流的无差
43、调节。这种控制方案中包含的速度和电流两个闭环，其中速度控制作为外环，电流闭环作为内环。给定转速与反馈回来的转速进行比较，差值经过速度PI调节输出作为，同时给定，再对三相反馈电流进行坐标变换后获得、的反馈信号，然后对、进行电流双闭环控制从而实现的控制。图3-7 永磁直线同步电机控制系统原理框图由图3-7可知，本系统是由位置、速度与电流三闭环所组成，最外环“位置控制器”实现对电机的行程控制；其位置反馈信号及速度环的速度反馈信号来自与电机动子同步移动的位置传感器：内环电流环是据派克变换原理以及一系列坐标变换后对电流的两个分量分别进行调节控制；最终采用SVPWM对逆变器进行脉宽调制15。第4章 永磁直
44、线同步电机伺服系统的硬件设计4.1 系统硬件总体结构永磁直线同步电机伺服系统总体设计如图4-1所示。系统硬件可分为主功率电路、控制回路两大部分。主功率电路部分主要包括整流电路、滤波电路、智能功率模块(IPM)和永磁直线同步电机。控制回路部分主要包括以TMS320F2812芯片为核心的电路，并辅以检测电路、键盘和显示电路等。另外，系统还包含了一些保护电路16。图4-1 系统总体设计框图系统所使用的电源为380V交流电，而TMS320F2812需要3.3V、1.8V的直流电，IPM模块需要+15V直流电，开关电源的主要作用是为IPM，DSP及其它的元件提供正常工作的电压。片外外挂SRAM存储器，可
45、用于程序的片外仿真；JTAG接口用来连接仿真器，可通过仿真器将程序直接烧写到F2812中运行；人机界面指的是键盘和显示部分，用的是4*4键盘；逆变电路采用智能功率模块IPM；光电编码器用于位置、速度检测；F2812内部包含16路A/D转换通道，可快速实现模数转换。用功率驱动模块IR2132S来完成对IPM驱动；另外，系统还包含了一些保护电路4。4.2 系统主功率回路电路的设计系统主电路采用典型的交直交电压型逆变电路，主要由整流滤波、中间滤波电路、三相逆变电路（IPM智能功率模块）以及永磁同步直线电机组成，输入功率级采用三相不可控整流电路。其工作原理是将交流电通过桥式不控整流变为直流，由于整流电
46、路输出直流电压含有脉动成分，逆变部分产生的脉动电流及负载变化也使直流电压脉动，因此要加入大电容滤波，最后通过三相逆变器(IPM)将经过滤波的直流高压变为电压和频率可调的交流电提供给永磁直线同步电机。其功率主回路电路图如图4-2所示16。图4-2 功率主回路电路图功率主回路是一“交直交”变频器，将工频电源通过整流桥臂为固定的直流电压，然后利用IGBT模块组成的具有正弦波脉宽调制功能的三相桥式逆变器，通过PWM信号的控制，将直流电逆变成频率和电压可变变得交流电。4.2.1 交直部分电路交直部分电路即整流电路和滤波电路。整流电路有三相桥式和单相桥式两种形式，这主要是由后级逆变器所驱动的三相交流电机额定电压决定的17。采用整流模块可以降低系统的复杂程度、减小体积、提高系统运行的稳定性。本系统采用的是三相桥式不可控模块将交流电变成直流电。整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但是脉动较大，含有较大的谐波成分，为了解决整流后的谐波问题，在整流后，还需要进行滤波电路的设计，其作用是将脉动的直流电压变为平滑的直流电压，以提高整个系统的抗干扰能力；电路中，50K的电阻在系统停止时为电容提供放电回路；电阻RL是限流电阻；开关SL的功能是当CP充电到一定程
