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1、江苏大学本科学位论文基于DSP的伺服控制系统设计专业班级：电子信息科学与技术0701班 学生姓名：指导老师： 职称：副教授摘要 ： 伺服系统是一种输出能够快速而精确地响应外部的输入指令信号的控制系统。文章结合大量的文献资料，总结和分析了当前交流伺服系统的发展现状，明确了加强开发交流感应电机伺服系统的意义。本交流伺服系统以数字信号处理器TMS320LF2407为主控芯片，从控制理论和实际应用两个方面出发，对永磁同步电机转子磁场定向矢量控制伺服系统进行深入、全面的研究。本文首先介绍了永磁同步伺服系统发展概况，建立了交流永磁同步电机系统的数学模型，并在此基础上对转子磁链定向矢量控制、空间矢量PWM波
2、形的产生、详细探讨空矢量变换控制原理及实现方法，并大致对伺服控制系统总体进行设计。其次，大致介绍了DSP的分类与特点，并给出了选择TMS320LF2407芯片的原因以及TMS320LF2407芯片的优点。最后，详细介绍了基于TMS320LF2407永磁同步电机伺服控制系统的硬件结构。主要内容有主控芯片TMS320LF2407及其组成的最小系统，组成核心模块的各个电路、功率驱动模块、检测和保护电路及其接口电路的设计。关键词：伺服控制 TMS320LF2407芯片 DSP 矢量控制 PWMDSP-based Servo Control SystemAbstract: Output of the s
3、ervo system is a fast and accurate response to external input command signal control system. In this paper, a lot of literature, summarized and analyzed the current status of AC servo system development, specifically to strengthen the development of AC induction motor servo system significance. The
4、AC servo system for the master digital signal processor chip TMS320LF2407, control theory and practical application from the two starting permanent magnet synchronous motor rotor field oriented vector control servo system for in-depth, comprehensive study.First,this paper introduces the overview of
5、the development of permanent magnet synchronous servo system, the establishment of a permanent magnet synchronous motor system model, and based on rotor flux oriented vector control, space vector PWM waveform generation, empty vector control detail principle and method, and generally the overall ser
6、vo control system design.Second, a broad overview of the classification and characteristics of the DSP, and gives reasons for the selection of TMS320LF2407 chip and chip TMS320LF2407 advantages. Finally, the details of TMS320LF2407 permanent magnet synchronous motor based servo control system hardwa
7、re structure. The main content and composition of the master chip TMS320LF2407 minimal system, form the core of every circuit module, power module, detection and protection circuit and interface circuit design.Keywords: servo control chip TMS320LF2407 DSP vector control PWM II目 录第一章 绪论11.1伺服控制系统的发展历
8、史和研究背景11.2伺服控制系统的国内外研究现状和性能要求21.3伺服控制系统的发展前景41.4本文所作的工作6第二章 永磁同步电机控制理论82.1永磁同步电机的数学模型82.1.1永磁同步电机的基本方程82.1.2坐标变换后的PMSM模型102.2永磁同步电机矢量控制原理152.3空间矢量PWM原理及实现162.3.1空间矢量PWM基本原理162.3.2空间矢量PWM实现方法16第三章 DSP概述183.1 DSP的分类及其特点183.1.1 DSP的分类183.1.2 DSP的特点193.2永磁同步电机伺服控制系统芯片选择依据203.3 TMS320LF2407芯片概述223.4 TMS3
9、20LF2407主要引脚配置说明23第四章 伺服控制系统硬件电路设计264.1伺服控制系统的核心总体电路264.2 TMS320LF2407核心控制电路274.2.1主运算模块及外围电路设计274.2.2 RAM的扩展电路设计284.2.3时钟电路设计294.2.4电源电路设计304.3驱动电路设计314.3.1三相交流逆变电路的设计314.3.2隔离电路设计324.4检测与保护电路设计334.4.1电流信号采样电路设计334.4.2速度与位置检测电路设计354.4.3过压和过流保护电路设计374.5硬件接口电路设计374.5.1通信接口电路设计374.5.2 JTAG 接口电路设计394.6
10、硬件可靠性设计40第五章 总结与展望425.1总结425.2展望43致 谢44参考文献45IV第一章 绪论1.1伺服控制系统的发展历史和研究背景伺服技术从应用至今已有50多年的历史1-7，它广泛应用于工业领域中的机器人数控机床、计算机硬盘驱动场合。国防领域中的雷达跟踪和火炮定位亦是伺服技术的重要应用场合。伺服技术是电力电子技术、微电子技术、计算机技术、控制技术和驱动技术的综合应用。电力电子技术、微电子技术、计算机技术每发展一步，伺服技术就产生一次新的飞跃，先进控制理论的应用，使伺服技术的跟踪速度不断加快、控制精度不断提高、功能不断完善、智能化程度越来越高。为伺服技术的更广泛应用奠定了更加坚实的
11、基础。伺服发展初期，主要是利用空气和油的压力作动力的气动伺服和液压伺服。这类伺服具有功率/重量比大和力矩/惯量比大等特点，很容易通过缸体实现大功率直线伺服驱动，而且结构简单。但是，这类伺服也存在明显不足，具有使用不方便、过载能力差、噪音大、故障率高、维护困难、响应速度慢和控制精度低等缺点，因此很快被淘汰了。伺服发展中期，以小惯量的直流电动机作为驱动部件的直流伺服系统取代了大部分液压驱动的液压伺服系统。由于直流伺服系统具有响应速度快、控制精度高、体积小、应用方便等特点，推广应用很快。但是，直流伺服系统在很长的一段时间内受到伺服放大器的制约，性能不够理想，可靠性不够稳定。进入70年代，由于大功率电
12、力电子器件GTR等的发明，直流伺服系统综合性能显著提高，因此直流伺服从这时占据了统治地位。进入上世纪80年代，随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术及交流电动机控制理论的发展，交流伺服技术得到了迅速发展和应用。早期，虽然交流电动机自身具有结构简单、结实耐用、价格便宜和易于维护等优点，但由于交流电动机的数学模型具有多变量、强耦合、非线性和高阶次的特点，因此，转矩控制困难，很难达到预期的控制目标和要求。1972年，德国西门子公司工程师利用矢量变换理论，实现了交流电动机的解耦，进而将交流电动机模拟成直流电动机去控制，使其具有了可以和直流伺服相媲美的性能，同时又发挥了交流电动机的自身优势。因此电力电
13、子技术、微电子技术、计算机技术及矢量控制理论的发展，交流伺服技术得以迅速发展。到了80年代末期，交流伺服取代直流伺服系统已成为不可逆转的趋势。到1992年，交流伺服系统在工业化伺服应用中已占到70%比例。今后电力电子技术、微电子技术、计算机技术及先进控制理论的发展推动下，交流伺服会向着高性能、高智能化、高可靠性方向发展。 交流伺服控制系统中的驱动电机主要有同步永磁电机和感应式异步电机两类。其中技术上比较成熟，运用较为广泛的交流伺服控制系统为永磁同步电动机交流伺服系统，其缓慢运转的性能良好，且可以进行高速的弱磁控制。而且永磁同步交流电机的可控调速区间较宽，可使用于对性能要求高的伺服控制系统中。随
14、着材料学的发展，永磁模块的性能提高，永磁同步电机的性能也不断的提高。现阶段永磁同步电机是交流伺服系统中广泛运用的驱动电机8。而感应式异步电动机和同步永磁电机相比较也有其自身的优势，比如感应式交流电机的构造结实，生产方便，生产成本低等。因此感应式异步电动机有着广阔的发展空间，是以后交流伺服控制系统的发展方向。但是感应式异步电机的矢量控制技术复杂，缓慢运转时的运行效率低，会产生大量的热量，因此感应式异步电机伺服控制系统的控制性能还有待进一步提高9。在我国交流伺服产品广泛应用于国防、工业和社会各个领域，其年市场量达数百亿元以上。目前，绝大多数伺服产品依赖于进口，尤其是少数几家跨国公司，研究具有自主知
15、识产权的智能型高性能交流伺服系统，对于缩小我国在交流伺服领域同国外的差距，提高国防和工业领域在伺服技术方面的应用水平，实现交流伺服系统的产业化，具有较大经济效益和社会效益。1.2伺服控制系统的国内外研究现状和性能要求目前，交流伺服系统在我国还处在研制阶段，许多科研单位和高校都投入了大量的人力、物力和技术力量，并取得了一些进展。目前，国内基本上是在引进吸收国外同类产品的基础上生产出自己的产品，且存在可靠性低、性能不稳定等缺点，至于高性能和国产化的产品尚在研究阶段。早期交流伺服系统的研究主要集中在固定频率供电的永磁交流电机运行特性方面，尤其是对直接启动和稳态特性方面的研究。20世纪80年代以后，随
16、着电机理论、控制理论、永磁材料、电力电子技术和计算机技术的快速发展，国内外开始对以逆变器供电的永磁交流电动机性能和永磁交流伺服系统控制进行研究。逆变器供电的交流电机和直接启动的直流电机的结构基本相同。但是在大多数情况下永磁交流电机没有阻尼绕组，从而可以防止永磁材料的温升，提高电机力矩惯量比，减小电机的转矩波动。在逆变器供电的情况下，交流伺服电机的原有工作特性会受到影响。G.R.Slemon等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出了永磁交流电机的设计方法，设计了高效率、高能量密度的永磁交流电动机，永磁交流电动机伺服系统的性能得到了提高。在控制方法方面，1971年，德国西门子公司F.Bla
17、schke提出了感应电机矢量控制思想，在理论上解决了交流感应电机转矩控制问题。1972年德国西门子公司学者Bayer提出了同步电机磁场定向控制原理。1985年，DePenbrock教授提出异步电机直接转矩控制方法，该方法只是在定子坐标下分析交流电机的数学模型，强调对电机转矩的直接控制，不必进行矢量旋转等复杂的变换和计算，很大程度上克服了矢量控制时控制特性易受电机参数变化影响的缺点。直接转矩控制受到了普遍关注，并得到了迅速的发展，直接转矩控制技术已成功的应用在电力机车牵引等大功率交流传动上，德国、日本和美国都在竞相发展此技术。此外，滑膜变结构控制、非线性控制、自适应控制、观测控制机状态观测器、线
18、性二次积分控制、以及模糊控制等新型控制策略都得到了深入研究。国外一些著名公司不断推出新的交流伺服驱动产品，如日本的FANUC、安川、富士通、松下;德国的西门子公司;美国的AB公司、科尔摩根公司;法国的BBC公司;韩国的三星公司等。这些公司的产品占据着我国交流伺服市场的近90%的市场份额。在国外公司相继推出新产品的同时，我国的高校和科研院所也对交流伺服系统进行了大量的研究，并取得了一定的成果，如天津大学、沈阳工业大学、华中科技大学等研究了单片机或DSP构成的全数字交流伺服系统，采用了预测控制和空间矢量控制技术，改善了电机控制性能和系统响应精度。全数字控制技术的应用不仅提高了系统的精度和可靠性，还
19、为新型控制理论和方法的应用提供了基础。其中，广州数控公司生产的DA98全数字式交流伺服驱动装置和高原数控烟台公司生产的GY-2000系列全数字化交流伺服驱动器，在我国高精度、高性能数控制伺服驱动行业己经占有一定的市场份额，打破了外国公司垄断的格局。但总的来说我国伺服控制器的设计与研发还处于起步阶段，与国外知名公司的技术和产品还有一定的差距，这需要我国的科研工作者不断地努力，以期缩小与世界先进水平的差距。在现代交流伺服系统中，普遍应用的永磁交流伺服电动机主要有:无刷直流电动机(BrushlesSDCMotorBLDCM);永磁同步电动机(PermanentMagnetSynchronousMot
20、orPMSM)。BLneM一般采用方波电流驱动，PMSM一般采用三相正弦电流驱动。由于永磁交流伺服电机能够克服直流无刷电机的转矩脉动大、电压利用率低等缺点，可以应用于高精度、高性能的场合，所以目前国内外对交流伺服技术的研究主要集中在永磁交流伺服电机系统上。伺服控制主要包括速度伺服和位置伺服两个重要方面的内容。指令信号通常为模拟电压量输入或数字脉冲量输入。伺服控制的要求在电机控制领域中属于控制要求较高的，其速度控制精度及调速范围一般要高于通用的变频调速控制相关性能。位置控制是伺服控制一个最突出的特点，也是研究的重点和难点所在。以数控机床应用为例，为了提高数控机床的性能，对机床用进给伺服系统提出了
21、很高的要求。由于各种数控机床所完成的加工任务不同，所以对进给伺服系统的要求也不尽相同，但大致可概括为：高精度 、快响应、宽调速范围 、低速大转矩为了满足上述四点要求，对进给伺服系统的执行元件伺服电动机也提出了相应的要求，它们是：(1)电动机在整个转速范围内都能平滑地运转，转矩波动要小，特别在低速时应仍有平稳的速度而无爬行现象。(2)电动机应有一定的过载能力，以满足低速、大转矩的要求。(3)为了满足快速响应的要求，电动机必须具有较小的转动惯量和大的堵转转矩、尽可能小的机电时间常数和起动电压。(4)电动机应能承受频繁的起动、制动和反转。1.3伺服控制系统的发展前景 在技术水平不断发展进步的信息化社
22、会，伺服控制系统中硬件设备的工作性能、运行精度和反应速度在不断的提高。同时伴随着和伺服控制系统相关的电力电子、微电子、传感器技术、永磁技术和控制理论等技术的快速发展，伺服控制系统的整体性能和运用范围也在不断的提升和扩展。如今的伺服控制系统己经具备了从极低转速到高转速的调控范围，良好的控制精确度，优异的运行准确性，迅捷的反应能力。同时，交流伺服控制系统也在不断的取代一些原本由直流伺服控制系统掌握领域的地位。当今，交流伺服控制系统己经成为伺服控制领域的研究热点。从近现代伺服系统的发展方向来看，有如下的发展趋势:(1)交流化交流伺服控制系统正在成为伺服控制领域的发展趋势。交流电机比直流电机有着更为优
23、越的驱动性能，因此交流伺服控制系统比直流伺服控制系统有着更广阔的发展空间。而且在现今的国际伺服控制系统的市场上，以交流伺服控制系统为基础进行伺服控制的工业产品的市场占有率在不断的提高10。中国是稀土资源保有量大国，稀土资源丰富，而稀土中的许多元素是制造交流永磁电机的优质材料。近年来，我国对稀土资源的不断重视，不断的加大在稀土资源产品上的研究投入，我国的交流永磁电机的性能将得到快速的提升11。同时，随着国内越来越多的企业和院校开始加大对交流永磁伺服系统研究，我国在交流永磁电机的伺服控制领域将有广阔的发展空间。在整个伺服控制领域，伴随着现代控制理论的进步和交流电机本身的性能不断的优化，交流伺服控制
24、系统的控制性能和使用前景将越来越好。(2)数字化随着高性能运算处理设备和电子计算机技术的快速发展，伺服控制系统中的伺服控制器也从模拟伺服控制器转化成为由数字化处理单元为主体的伺服控制器。和模拟伺服控制器相比，数字伺服控制器有着更多的优点，数字伺服控制器的硬件结构比较简单，控制器的控制量输出精度受外围环境的影响小，内部控制算法的升级方便，控制系统的可移植能力强，设备的集成度高10。在伺服控制器中，随着高运算速度的微型处理器(CPU)以及专用的数字信号处理器(DSP)等数字运算处理设备的使用，促使现代控制理论中的先进控制算法得以在伺服控制系统中加以使用。从最近几年的伺服元件的发展趋势来看，也在不断
25、的向数字化方向发展10。伺服控制器的数字化发展使得单一伺服控制器可以对多个伺服控制环进行控制。伺服控制器接受各控制环的反馈数据，然后通过数字化设备的软件程序实现对多个控制环单元的综合控制。并且伺服控制器可以通过改变数字伺服控制器的软件达到性能升级的目的。数字化也带来了高集成度，高集成度使得伺服控制系统的体积得以较大的降低，也使伺服控制系统的安装和调试趋于简单10。(3)网络化。在当今信息社会，需要设备间可以进行大量的数据参数传递和远程控制，以满足社会网络化进步的要求。同样，伺服控制系统也希望具有高性能的数据传输能力。在现今的伺服控制器的设计时，都会加入一定的数据传输接口，实现设备之间的数据传输
26、。甚至加入网口，实现远程数据的发送和接受。(4)模块化模块化，使得伺服控制系统本身趋于简单化和可维护化，对于伺服控制系统的使用方来说，模块化，可以使得设备的安装和调试趋于简单，设备维护时，只需要更换损坏的模块，而不需要对整个系统进行修理，缩短了维护时间，减少了维护成本。对研发方来说，模块化使系统的保密性和安全性得以加强错误！未找到引用源。伺服控制系统的反馈回路的精度对系统的控制精度影响巨大，而反馈回路的精度取决于传感器的精度。随着材料技术的发展和传感器的不断改进创新，伺服控制系统的各反馈环节也在不断有新的测量方式产生，使伺服控制系统适应各种工作环境的需求。同时，在工业制造工艺的不断精细化下，传
27、感器的精度也在不断升高，成本却在不断降低，使得高性能传感器可以在更多的伺服控制领域得以应用。综上所述，伺服控制系统的发展方向是在满足工业控制对系统的苛刻要求下，不断的追求更加低廉的成本，更加平稳的可靠性，更加少的维修率，不断的简化控制系统的构造，而且要提高伺服控制系统的环境适应能力，增强在恶劣环境下工作的可靠性。同时增加伺服控制系统的远程通信能力，提升系统的可升级性能和远程控制性能10。1.4本文所作的工作本课题主要基于TMS320LF2407芯片对永磁同步电动机伺服系统进行了设计。本文分析了永磁同步电动机的工作原理和数学模型，控制过程和实现方法，进行了系统硬件的研究和设计，实现了基于TI公司
28、的DSP对永磁同步电机伺服系统的矢量控制。本文分五个章节系统地阐述了所从事的课题研究工作，各章内容安排如下:第一章介绍了伺服控制系统的历史和、国内外研究现状以及发展的前景。第二章介绍了电机控制的一些基础知识。第三章详细介绍了交流伺服电机运动控制系统主控制器TMS320LF2407 DSP。 第四章首先给出了硬件电路整体结构，然后按模块对各部分组成电路进行具体介绍，主要包括：核心总体最小电路，驱动电路设计，供电系统、保护电路、信号检测及接口电路等。 第五章给出了总结和展望。第二章 永磁同步电机控制理论2.1永磁同步电机的数学模型错误！未找到引用源。永磁同步电机的数学模型必须能够准确反映出被控系统
29、的静态和动态特性，因此数学模型的好坏是控制系统性能准确度的关键所在。为了简化分析过程，可以忽略一些影响较小的参数，需作如下假设12：(1)忽略磁路涡流、饱和和磁组效应；(2)忽略空间谐波，设三相绕组是对称的，且其产生的磁动势按正弦规律分布；(3)假设三相供电电压是平衡的；2.1.1永磁同步电机的基本方程机械角度和电角度是在电机控制建模过程中会涉及到的两个概念。机械角度就是我们平时认为的实际位置对应的角度，众所周知，转子旋转一周为360度机械角度。电角度则是与极对数成正比的转子旋转磁场的角度。电角度可由机械角度和极对数推算出来： (2.1) 式中：错误！未找到引用源。为电角度，错误！未找到引用源
30、。为机械角度。永磁同步电动机利用定子三相交流电流与永磁转子的磁场互相作用所产生的电磁转矩带动电动机转子转动。由电机知识知道，电机转速、频率及极对数的关系如下： (2.2)式中：n为同步转速，f为定子电流频率。 图2.1为有代表性的三相、二极的凸极式永磁同步电机等效结构示意图。图2.1 三相两极永磁同步电机结构简图由上图以及数学常识可知，永磁同步电机定子电压方程如下： 错误！未找到引用源。 (2.3)式中：错误！未找到引用源。为每相绕组电阻，错误！未找到引用源。为三相绕组匝链的磁链。磁链方程为错误！未找到引用源。 (2.4) 由于三相绕组每相间的互感是对称的互为120度，则有：错误！未找到引用源
31、。 (2.5) (2.6)式中:错误！未找到引用源。为自感，错误！未找到引用源。为互感，错误！未找到引用源。为漏磁通。另外，永磁磁通对定子侧产生的磁链为: 错误！未找到引用源。 (2.7)由电机Y型接法，三相电流满足：错误！未找到引用源。+错误！未找到引用源。+错误！未找到引用源。=0将式 (2.7)、(2.6)、(2.5) 代入式 (2.4)中，得磁链方程为错误！未找到引用源。 (2.8)式中 错误！未找到引用源。 把式 (2.8)代入式 (2.3)中可得电压方程为:错误！未找到引用源。 (2.9)2.1.2坐标变换后的PMSM模型 坐标变换，就是用一组新的变量代替方程中原来的那组变量。本永
32、磁同步机控制系统用旋转坐标系代替原来的静止坐标系13。 本文中永磁同步电机的矢量控制目的是为了改善本系统的控制性能，而达到通过对定子电流(交流量)的控制来控制系统的目的。很显然，永磁同步电机定子侧都是交流物理量，其空间矢量按照永磁同步电机的同步转速旋转，对这些交流量的控制调节以及计算都不会很方便。因此，本系统进行了坐标变换，使难以控制的交流量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系而达到很好的控制性能。如果从同步旋转坐标系进行观察，我们只要控制同步电机的静止矢量就可以很好的控制永磁同步电机的交流量。 (l)三相定子坐标系(A，B，C坐标系) 分别以互差120度空间电角度的三相交流电机绕组A，B，C为轴
33、线，这样就能形成了一个A错误！未找到引用源。BC三相坐标系。 (2)两相定子坐标系(错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。坐标系) 由图2.3可以看出，错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。坐标系是静止坐标系。为了更好的实现矢量变换的目的，我们设错误！未找到引用源。轴逆时针超前错误！未找到引用源。轴90度空间电角度，而错误！未找到引用源。轴和三相定子坐标系的A轴重合。 其结构如图2.3所示: 图 2.2 三相和两组绕组各相的磁势图 (1)Clark变换 Clarke也叫3/2变换，是用定子两相坐标系( 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 轴系)的旋转矢量代替三相定子坐标系(ABC轴系
34、)，其反变换叫做Clarke逆变换14。根据矢量坐标变换原则，两者的磁动势应该完全等效，即合成磁势矢量分别在两个坐标系坐标轴上的投影相等。错误！未找到引用源。 (2.10)错误！未找到引用源。 (2.11)因此： 错误！未找到引用源。 (2.12)其中：错误！未找到引用源。 是三相坐标系变换到二相坐标系的变换阵。由功率不变的变换原则，且错误！未找到引用源。=E (单位阵)，得： (2.13)因此，Clarke变换式为 错误！未找到引用源。 (2.14)其逆变换为错误！未找到引用源。 (2.15)(2)Park变换Park变换是用两相旋转直角坐标系替代两相静止直角坐标系的转换。图2.4中表示的是
35、定子电流矢量错误！未找到引用源。在错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。静止坐标系与旋转坐标系上的投影。图中，错误！未找到引用源。轴与错误！未找到引用源。轴的夹角为错误！未找到引用源。(错误！未找到引用源。是初始角)，且dq坐标系是以角速度错误！未找到引用源。速度在旋转，由于dq坐标系是旋转的，错误！未找到引用源。随时间在变化，因此 错误！未找到引用源。 错误！未找到引用源。 。图2.4定子电流矢量在固定坐标系和旋转坐标系上的投影图由图2.4可知： 错误！未找到引用源。 (2.16) 错误！未找到引用源。 (2.17)由上式可得：错误！未找到引用源。 (2.18)错误！未找到引用源。 (2.
36、19)上式可写成矩阵形式：错误！未找到引用源。 (2.20)由式(2.19)和(2.20)得0ABC坐标系到两相0dq旋转坐标系的变换矩阵 (2.21)其逆矩阵为：错误！未找到引用源。 (2.22)最终我们可求得电压转换矩阵：错误！未找到引用源。 (2.23)前面己经提到，分析永磁同步电机性能最常用的方法就是利用其dq0坐标系方程。然而，PMSM运转时其定子和转子处于相对运动状态之中，永磁磁极与定子绕组，定子绕组与绕组之间的相互影响，导致PMSM内部的电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，给建立电机的精确数学模型带来了很大困难。为了得到简化的PMSM数学模型，通常作如下假设： (1)认
37、为磁路是线性的，可以用叠加原理进行分析。忽略磁路饱和、磁滞和涡流的影响； (2)当定子通入三相对称正弦波电流时，气隙中只产生正弦分布的磁势而没有高次谐波； (3)永磁磁极在气隙中产生的磁势为正弦分布，也无高次谐波，即定子的空载电势为正弦波； (4)转子无阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用。根据上述错误！未找到引用源。和 错误！未找到引用源。 坐标变换，即可推得三相绕组永磁同步电机在dq旋转坐标系的数学模型如下：定子电压方程为：错误！未找到引用源。 (2.24)式中：错误！未找到引用源。 分别为d轴和q轴上的等效电枢电压分量定子磁链方程为：错误！未找到引用源。 (2.25)式中，错误！未找到引用源。
38、分别为d轴和q轴的等效磁链; 错误！未找到引用源。分别为d轴和q轴上的等效电枢电感分量输出转矩方程为：错误！未找到引用源。 (2.26)机械运动方程：错误！未找到引用源。 (2.27) 式中，J 转动惯量;一转子机械角速度；错误！未找到引用源。一阻力系数；错误！未找到引用源。一负载转矩电机状态方程：错误！未找到引用源。(2.28)2.2永磁同步电机矢量控制原理矢量控制中定子电流被分解为相互正交的励磁和转矩两个分量，其中代表定子电流励磁分量的与磁链同方向，代表定子电流转矩分量的与磁链方向正交。具体来说，矢量控制的核心思想是将电机的三相电流、电压、磁链经坐标变换变到以转子磁链定向的两相参考坐标系。
39、矢量控制的目的在于构造直流电机的调速效果，即维持励磁电流不变，通过控制电枢电流来控制电机的转矩，从而使系统获得与直流调速一样的动态特性。由上面永磁同步电机数学模型可知，dq坐标系下PMSM的电磁转矩公式为： (2.29)对于插入式和内装式转子结构，由于直轴磁路上有永磁体，所以错误！未找到引用源。 错误！未找到引用源。，磁阻转矩与两电感差值成正比。对于面装式转子结构，因此错误！未找到引用源。 =错误！未找到引用源。不存在磁阻转矩。此时转矩方程变为： (2.30)因为是永磁转子，所以错误！未找到引用源。是一个不变的值，所以上式表明采用转子磁场定向的方法使得错误！未找到引用源。，就可以实现错误！未找
40、到引用源。与d轴垂直，从而可实现PMSM控制参数的解祸和转矩线性化控制。错误！未找到引用源。的控制方案简单易行，而且此控制方法对面装式永磁同步电机而言每安培定子电流产生的转矩值最大，即可以获得最高的转矩/电流比值，电动机铜损耗也最小。这是一种很有吸引力的运行状态。目前高性能伺服驱动系统在恒转矩运行区，面装式PMSM几乎都采用“磁场定向”控制方式。除了与错误！未找到引用源。控制，永磁同步电机矢量控制系统可以采用的电流控制方法还有转矩电流比最大控制和弱磁控制。这些控制方法有其各自的特点，适用于不同的运行场合。2.3空间矢量PWM原理及实现PWM控制技术是电压型变频器中应用十分广泛的一种电压和频率控
41、制方法，它可以极为有效地抑制输出电压的谐波，而且动态响应较好。在频率控制、效率等诸方面有着十分显著的优点。2.3.1空间矢量PWM基本原理PWM（pulse width modulation）即脉宽调制。PWM控制是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到改变电压的目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频的目的。在变频调速应用中，它主要是变频电压。利用PWM控制逆变器的输出电压，可以有效地抑制谐波，并可同时控制频率和电压。2.3.2空间矢量PWM实现方法形成PWM波形的方法有很多种，其中最基本的方法是利用的三角波调制波和控制波
42、的比较。在电动机调速控制中，这个控制波是三相对称以期控制逆变输出的波形能够接近正弦波，即所谓的正弦波PWM，其波形如图2.5所示。控制系统通过比较电路将调制三角波与各相的控制波进行比较，变换为逻辑电平，并通过驱动电路使功率器件交替导通和关断，各相间的线电压如图2.6（a）所示，图2.6（b）则是反映在电机上的相电压波形。图2.5 PWM波形的产生图2.6 PWM变频器的线电压（上）和相电压（下）波形由上述方法获得的逆变器输出电压波形，可以证明其基波的幅值和频率均完全受控于正弦波控制信号的幅值和频率，并且谐波含量较低；当三角波调制波的频率增加时，由前面的原理分析可知，输出波形的谐波含量将进一步减
43、少，负载的电流波形就越接近于正弦波。正弦PWM的控制方法除了上述的正弦波比较法以外，还有梯形波、马鞍形波等十余种。但不论何种具体方法，它们均是着眼于如何使变频器的输出电压更好地获得对称的三相正弦波。此外，还有以各种目标为条件的优化PWM和随机PWM控制技术，它们与正弦PWM技术一起构成了PWM控制技术的整体。 第三章 DSP概述3.1 DSP的分类及其特点3.1.1 DSP的分类DSP芯片可以按照工作方式进行分类。 (1)按基础特性分这是根据DSP芯片的工作时针和指令类型来分类的。如果在某个时钟频率范围内的任何时钟频率上，DSP芯片都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类DSP芯
44、片一般称之为静态DSP芯片.例如日本OKI电气公司的DSP芯片就属于这一类。这种DSP芯片在存取速度较慢的存储器时不必再插入等待状态。如果有两种或两种以上的DSP芯片,它们的指令集和相应的机器代码机管脚结构相互兼容,则这类DSP芯片称为一致性芯片。例如TI公司的TMS320C54x就属于这一类。 (2)按数据格式分这是根据DSP芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的DSP芯片称为定点DSP芯片，如TI公司的TMS320C1x/C2x、TMS320C55x/C54x系列，AD公司的DSP/16/16A系列，Motorola公司的DSP56000等；以浮点格式工作的称为浮点DSP芯片，如
45、TI公司的TMS320C62x/C67x,AD公司的ADS21xxx系列。不同的浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式，如TMS320C3x，而有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式，如Motorola公司的MC96002。 (3)按用途分按照DSP芯片的用途可以分为通用DSP芯片和专用DSP芯片。通用DSP芯片适合普通的DSP应用,如TI公司的一系列DSP芯片就属于通用DSP芯片。专用DSP芯片是为特定的DSP运算而设计，更适合特殊的运算，如数字滤波器、卷积和FFT，如Motorola公司的DSP56200。3.1.2 DSP的特点数字信号处理器(Digita
