基于DSP永磁同步電機(jī)控制畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)基于dsp的永磁同步電機(jī)控制設(shè)計(jì)總說(shuō)明3abstract41. 緒論51.1 交流調(diào)速概述51.2 相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展51.2.1 功率器件發(fā)展51.2.2 變頻技術(shù)發(fā)展61.2.3 電機(jī)制造技術(shù)和交流調(diào)速理論的發(fā)展61.2.4 控制理論發(fā)展71.2.5 微處理器發(fā)展81.3 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)和發(fā)展方向81.4 本文研究的主要內(nèi)容92永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)及控制原理92.1永磁同步電機(jī)控制理論的發(fā)展92.2永磁交流伺服控制系統(tǒng)92.3永磁同步電機(jī)的矢量控制原理102.3.1永磁同步電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和種類(lèi)102.3.2 永磁同步電機(jī)的控制策略102.3.3永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立112.4 svpwm

2、基本原理182.4.1 空間矢量的定義182.4.2電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系182.4.3 六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)202.4.4 t1，t2，t0的計(jì)算232.5電機(jī)的位置檢測(cè)原理242.6光耦隔離電路的原理272.7逆變器原理29第三章 硬件電路設(shè)計(jì)343.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)343.2 主控芯片dsp2812的基本特征353.3 dsp外設(shè)介紹353.4主電路模塊設(shè)計(jì)413.4. 1 整流濾波電路的設(shè)計(jì)413.4.2 逆變電路的設(shè)計(jì)423.4.3 測(cè)速電路的設(shè)計(jì)433.4.4通信接口電路設(shè)計(jì)44圖3-2 sci接口電路圖443.4.5最小系統(tǒng)電路453.5 led顯示電路4

3、5光耦隔離電路462. 第五章軟件設(shè)計(jì)475.1 dsp開(kāi)發(fā)軟件的安裝與應(yīng)用47總結(jié)與致謝56參考文獻(xiàn)57基于dsp的永磁同步電機(jī)控制設(shè)計(jì)總說(shuō)明 隨著電力電子技術(shù)現(xiàn)代控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)微芯片技術(shù)的迅速發(fā)展,在交流調(diào)速技術(shù)中,變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速性能和高效節(jié)能效果等優(yōu)點(diǎn)成為了國(guó)內(nèi)外交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展方向,現(xiàn)階段運(yùn)用計(jì)算機(jī)電子技術(shù)的最新發(fā)展成果將成熟的電機(jī)控制理論應(yīng)用并構(gòu)建成完整的系統(tǒng)已經(jīng)是該領(lǐng)域內(nèi)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。在交流伺服系統(tǒng)中，由于電機(jī)本身具有的非線性和強(qiáng)耦合特性，其控制方法相當(dāng)復(fù)雜，因此用普通單片機(jī)很難取得良好的控制效果。本文中采用ti公司的高速數(shù)字信號(hào)處理器tms320f2812為控制核

4、心，利用空間矢量脈寬調(diào)制控制算法，可以有效地解決電機(jī)的強(qiáng)耦合特性；適時(shí)地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、速度和位置狀態(tài)；并且不用過(guò)大體積的能量變換裝置即可隨意地控制瞬態(tài)電流的幅值；當(dāng)采用正弦波電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以完全消除轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。采用tms320f2812定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器為主控芯片，完成電流環(huán)、速度環(huán)，位置環(huán)的算法實(shí)現(xiàn)及其控制。由于tms230f2812的高集成、高性能的特點(diǎn)，使得控制系統(tǒng)具有控制精度高、硬件簡(jiǎn)單、可靠性能高等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)主要由dsp、ipm（智能功率模塊)、檢測(cè)電動(dòng)機(jī)速度信號(hào)和電流信號(hào)的傳感器、光電隔離電路、電源電路等組成。首先，傳感器將檢測(cè)到的定子相電流信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)送入dsp的adc和qe

5、p，dsp對(duì)檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算處理后產(chǎn)生pwm脈沖信號(hào)，經(jīng)光電隔離后，驅(qū)動(dòng)ipm智能功率模塊以產(chǎn)生期望的電壓來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行。此外，系統(tǒng)還具有鍵盤(pán)設(shè)定及顯示功能。本論文是基于電機(jī)矢量控制理論構(gòu)建了系統(tǒng)的模型并以ti公司的電機(jī)控制專(zhuān)用dsp 芯片tms320f2812 為核心設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套針對(duì)永磁同步電機(jī)的變頻調(diào)速數(shù)字化控制系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了dsp開(kāi)發(fā)軟件ccs3.3的安裝與應(yīng)用，dsp 2812芯片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電機(jī)的空間矢量控制理論以及pwm逆變技術(shù)。給出了系統(tǒng)的硬件總體方案和主要模塊的設(shè)計(jì)，包括主控制電路以及一些器件模塊的選取，采用空間電壓矢量svpwm調(diào)制方式并給出了基于dsp 芯片的軟件

6、編程。關(guān)鍵字：dsp2812； 空間電壓矢量控制；永磁同步電機(jī)abstractas the rapid development of modern control technology power electronic technology and computer microchip technology, the speed of regulating technique, frequency control of motor speed, with its excellent speed regulating performance and advantages of high effi

7、ciency and energy saving effect ,has become a development direction of ac speed regulating system both at home and abroad, using the latest developments of computer electronic technology at the present stage to apply mature motor control theory, and build into a complete system has been a hot spot o

8、f research in this area.this paper is based on the theory of motor vector control system model ,the motor control special dsp chip tms320f2812 of ti company as the core was designed,developed a set of digital frequency control of motor speed control system for permanent magnet synchronous motor.ccs3

9、.3 dsp development software ,the installation and application of dsp chip 2812 structure characteristics ,and the space vector control theory of motor and pwm inverter technology presents are introduced in detail in this paper. gives the system scheme of hardware and the main module design, includin

10、g the selection of main control circuit and some device module.adopts the space voltage vector svpwm modulation method and the software programming based on dsp chip is givenkey words: dsp2812 ；voltage space vector control；permanent magnet synchronous moto1. 緒論 1.1 交流調(diào)速概述 在電力系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷約占總發(fā)電量的60%70%。電

11、動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，不僅要具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率，而且應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求，控制和調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度。調(diào)速系統(tǒng)是伺服系統(tǒng)的重要組成部分，其性能對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能起著決定性的影響，因此，調(diào)速系統(tǒng)一直是傳動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。調(diào)速系統(tǒng)是由功率部分、執(zhí)行部分和控制部分三大要素組成的一個(gè)有機(jī)整體，各部分之間的不同組合，構(gòu)成多種多樣的調(diào)速系統(tǒng)。長(zhǎng)期以來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)因其調(diào)速性能優(yōu)越而掩蓋了其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以維護(hù)等缺點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工程中。但直流電動(dòng)機(jī)的固有缺點(diǎn)，限制了其向高轉(zhuǎn)速、高電壓、大容量方向的發(fā)展。 近年來(lái)，隨著大功率開(kāi)關(guān)器件、模擬和數(shù)字專(zhuān)用集成電路的不斷問(wèn)世

12、，控制理論的不斷進(jìn)步，以及高性能微處理器的出現(xiàn)，為交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的技術(shù)條件和物質(zhì)基礎(chǔ)，促使其迅速發(fā)展，并進(jìn)入了實(shí)用化階段?，F(xiàn)階段，交流調(diào)速系統(tǒng)不但性能可以和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，而且成本和維護(hù)比直流調(diào)速系統(tǒng)更低，可靠性更高。國(guó)內(nèi)外直流傳動(dòng)裝置的生產(chǎn)呈下降趨勢(shì)，而交流變頻調(diào)速裝置的生產(chǎn)大幅度上升。目前已形成直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三大類(lèi)調(diào)速系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著價(jià)格低廉、性能優(yōu)越永磁材料的出現(xiàn)，永磁同步電機(jī)的研究和應(yīng)用得到了空前的發(fā)展。永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、無(wú)需勵(lì)磁電流、功率因數(shù)高、發(fā)熱少

13、等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛的應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療器械、化工、輕紡、計(jì)算機(jī)外設(shè)、儀器儀表、微型汽車(chē)和電動(dòng)自行車(chē)等領(lǐng)域。隨著永磁電機(jī)控制技術(shù)的成熟和完善，永磁同步電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛：從小型到大型、從一般的控制驅(qū)動(dòng)到高精度的伺服系統(tǒng)、從日常電器到各種高精尖的科技領(lǐng)域均采用永磁電機(jī)作為主要的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 1.2 相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展 永磁同步電機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展離不開(kāi)電機(jī)制造技術(shù)、永磁材料、傳感器、功率器件、微處理器和控制理論等各方面技術(shù)、理論的發(fā)展與綜合。 1.2.1 功率器件發(fā)展 電力電子技術(shù)是弱電與被控強(qiáng)電之間的橋梁。交流調(diào)速系統(tǒng)中，功率主回路中的電力半導(dǎo)體是現(xiàn)代電力電子設(shè)備的心臟和靈魂，電力半導(dǎo)體

14、器件的發(fā)展為交流調(diào)速系統(tǒng)的完善奠定了基礎(chǔ)。其發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：50年代出現(xiàn)的半控型器件，由其構(gòu)成的逆變器用于交流調(diào)速系統(tǒng)必須附加強(qiáng)迫換向電路；70年代以后出現(xiàn)的本身兼有開(kāi)通和關(guān)斷功能的全控型高速器件和復(fù)合型器件；80年代以后出現(xiàn)的智能功率模塊（ipm）是微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它不但能提供一定的功率輸出，而且具有邏輯、控制、傳感、檢測(cè)、保護(hù)、自診斷等功能，是功率器件的重要發(fā)展方向。1.2.2 變頻技術(shù)發(fā)展 調(diào)速系統(tǒng)必須具備能夠同時(shí)控制電壓幅值和頻率的電源，而電網(wǎng)提供的是恒壓恒頻的電源，因此應(yīng)該配置變壓變頻器。從整體結(jié)構(gòu)上看，電力電子變壓變頻器可分為交直交和交交兩大類(lèi)當(dāng)前應(yīng)用

15、最廣泛的是由不控整流和全控型功率開(kāi)關(guān)器件組成的脈寬調(diào)制逆變器構(gòu)成的變壓變頻器。目前脈寬調(diào)制技術(shù)主要有正弦脈寬調(diào)制（spwm）、電流滯環(huán)控制（chbpwm）、空間矢量脈寬調(diào)制（svpwm）等。spwm旨在輸出正弦電壓，chbpwm旨在輸出正弦波電流，svpwm 是針對(duì)形成旋轉(zhuǎn)的圓形磁場(chǎng)提出的，所以比較適合于電機(jī)調(diào)速的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。 1.2.3 電機(jī)制造技術(shù)和交流調(diào)速理論的發(fā)展 作為傳動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行部件的電機(jī)，要求具有體積小、重量輕、輸出力矩大、低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、優(yōu)良的起制動(dòng)性能、寬的調(diào)速范圍、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小等特點(diǎn)。直流電機(jī)控制簡(jiǎn)單，調(diào)速性能好，變流裝置簡(jiǎn)單，長(zhǎng)期以來(lái)在調(diào)速系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位。直流電機(jī)由

16、于存在機(jī)械換向、維護(hù)困難、工作環(huán)境要求較高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、效率低、散熱條件差等缺點(diǎn)，限制了其向高轉(zhuǎn)速、高電壓、大容量的方向發(fā)展。交流電機(jī)克服了上述直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，因而逐漸取代直流電機(jī)，成為調(diào)速和伺服系統(tǒng)的主要執(zhí)行部件。交流調(diào)速電機(jī)主要有異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁同步電機(jī)（包括永磁同步正弦波電機(jī)和直流無(wú)刷方波電機(jī)）、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。異步感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，不需要特殊維護(hù)，易于實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行。永磁同步電機(jī)無(wú)勵(lì)磁電流，功率因數(shù)高，發(fā)熱少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需勵(lì)磁，控制策略易于實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)超高速運(yùn)行。國(guó)內(nèi)外感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究都在不斷的

17、發(fā)展，并取得了顯著的成果。永磁同步電機(jī)的發(fā)展和永磁材料的發(fā)展息息相關(guān)，我國(guó)的永磁材料豐富，隨著制造工藝的不斷進(jìn)步，性能不斷的完善，價(jià)格逐漸下降，永磁同步電機(jī)正朝著高效、高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、大功率的方向發(fā)展，應(yīng)用前景也會(huì)越來(lái)越廣泛。 交流電機(jī)具有強(qiáng)耦合、時(shí)變、非線性等特點(diǎn)，為了能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，使之具備優(yōu)良的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，且對(duì)外界的擾動(dòng)具有不敏感性，控制策略的選擇發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。優(yōu)良的控制策略不僅能彌補(bǔ)硬件上的不足，而且能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的綜合性能。目前，比較成熟的交流調(diào)速系統(tǒng)控制策略主要有：vvvf(變壓變頻) 控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。vvvf的控制對(duì)象是電機(jī)的外部變量：電壓和

18、頻率，屬于開(kāi)環(huán)控制，無(wú)須引入反饋量，無(wú)法反映電機(jī)的狀態(tài)，不能精確控制電磁轉(zhuǎn)矩，因而控制精度不高，而且對(duì)于同步電機(jī)容易引起失步。1971年德國(guó)西門(mén)子公司的f.blaschke提出了矢量控制理論，使交流電機(jī)控制理論獲得質(zhì)的飛躍。矢量控制思想的核心是將電機(jī)的三相電流、電壓、磁鏈從三相靜止坐標(biāo)系中變換到以磁場(chǎng)定向的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，從而實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子之間的解耦。矢量控制需要進(jìn)行坐標(biāo)變換，精確觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈大小和空間位置，運(yùn)算量大，且在異步電機(jī)控制中易受到轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響。1.2.4 控制理論發(fā)展 控制理論的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段。首先是以傳遞函數(shù)為基本的描述、以頻域法或根軌跡法作為主要分析和設(shè)計(jì)方法的經(jīng)典控制

19、理論。經(jīng)典控制理論局限于對(duì)單輸入和單輸出系統(tǒng)的分析，對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)無(wú)法進(jìn)行觀測(cè)和進(jìn)行定性、定量的分析。對(duì)于多變量、多輸入、多輸出、控制精度要求較高的復(fù)雜系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論逐漸表現(xiàn)出不足之處。針對(duì)上述經(jīng)典控制理論的不足，基于狀態(tài)方程或差分方程的現(xiàn)代控制理論逐漸發(fā)展起來(lái)。現(xiàn)代控制理論主要包括線性系統(tǒng)的分析與綜合、最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識(shí)、最優(yōu)估計(jì)等重要理論分支。經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論都是以被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，所以精確建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型是至關(guān)重要的。但在現(xiàn)實(shí)中，對(duì)于存在各種不確定因素、非線性或參數(shù)時(shí)變的系統(tǒng)，建立其數(shù)學(xué)模型是十分困難的。為了分析和綜合難以建立數(shù)學(xué)模型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以設(shè)計(jì)控制器的系統(tǒng)，

20、預(yù)測(cè)控制、非線性控制、智能控制也逐漸發(fā)展起來(lái)并得到廣泛的應(yīng)用。 1.2.5 微處理器發(fā)展 實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的控制策略必須有性能優(yōu)越的控制器作為基礎(chǔ)。模擬控制器具有以下優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，不會(huì)因峰值噪聲的影響導(dǎo)致致命的誤動(dòng)作；控制信號(hào)連續(xù)，響應(yīng)速度快；信號(hào)易讀取、測(cè)量等。但是，模擬控制器也存在以下不足之處：參數(shù)不易調(diào)整、自適應(yīng)能力差、難以實(shí)現(xiàn)高精度和復(fù)雜的控制策略、集成度不高、硬件復(fù)雜、通用性差等。正是由于模擬控制器的上述缺陷，以dsp(數(shù)字信號(hào)處理器)為核心的數(shù)字控制器迅速發(fā)展起來(lái)。數(shù)字控制一定程度上克服了模擬控制的某些缺陷，能實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)的高復(fù)雜和高精度的控制算法，具有硬件電路簡(jiǎn)單、可靠性好

21、、集成度高、易于移植、自適應(yīng)能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)采集速度快、易于實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、故障診斷和自恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在量化誤差、受微處理器運(yùn)算速率限制等不足之處。數(shù)字控制在傳動(dòng)領(lǐng)域中的推廣很大程度上取決于控制芯片的性能。目前，在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中，ti、analog device和motorola 公司分別推出了各自的專(zhuān)用芯片。電機(jī)控制領(lǐng)域中常用的是 ti 公司tms320f2000系列的dsp芯片。2000系列的dsp主要經(jīng)歷了tms320f20x、tms320f24x和tms320f28x三代，運(yùn)算速度逐漸加快，存儲(chǔ)容量逐漸加大，功能越來(lái)越強(qiáng)，功耗也越來(lái)越小。其中tms320f2812是32 位可進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算的定

22、點(diǎn)數(shù)字處理器，運(yùn)算速率達(dá)到150mips，片上ram達(dá)18k16bit，片內(nèi) flash達(dá)128k16bit ，可擴(kuò)展 ram達(dá)1m16bit，支持 45 個(gè)外部中斷，可擴(kuò)展spi、sci 、ecan 、mcbsp等串行通訊外設(shè)，具有 128 位保護(hù)密碼、兩個(gè)電機(jī)控制外設(shè)事件管理器和16路12位高精度ad轉(zhuǎn)換通道等豐富的資源，非常有利于高復(fù)雜、高精度控制策略的實(shí)現(xiàn)。 1.3 本文研究的主要內(nèi)容 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是利用dsp2812控制永磁同步電機(jī)的控制，在ccs3.3的環(huán)境下編寫(xiě)并編譯程序，利用dsp2812開(kāi)發(fā)板以及仿真器實(shí)現(xiàn)程序的仿真。在研究dsp2812控制永磁同步電機(jī)的控制之前，

23、本文先對(duì)永磁同步電機(jī)以及控制芯片的發(fā)展做了簡(jiǎn)單的介紹，并詳細(xì)介紹了空間電壓矢量svpwm調(diào)制方式，最后結(jié)合設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)硬件部分做了簡(jiǎn)要說(shuō)明，并給出了基于dsp 芯片的軟件編程。2永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)及控制原理2.1永磁同步電機(jī)控制理論的發(fā)展 交流調(diào)速理論包括矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。1971年，由fblaschke提出的矢量控制理論第一次使交流電機(jī)控制理論獲得了質(zhì)的飛躍。矢量控制的基本思想是在普通的三相交流電動(dòng)機(jī)上設(shè)法模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成為產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使得兩個(gè)分量互相垂直，彼此獨(dú)立，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩

24、控制，從原理和特性上就和直流電動(dòng)機(jī)相似了?？刂撇呗缘倪x擇上是pid控制，傳統(tǒng)的數(shù)字pid控制是一種技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的控制算法，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便。2.2永磁交流伺服控制系統(tǒng)永磁交流伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)如下：(1)電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是永磁同步電機(jī)將會(huì)取代原有直流有刷伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)及感應(yīng)電機(jī)。(2)綠色化發(fā)展。由于全球電能的80以上通過(guò)電力變換裝置來(lái)消耗，作為廣泛使用的電力變換裝置的變頻器，將朝著節(jié)約能源，降低對(duì)電網(wǎng)的污染和對(duì)環(huán)境的輻射干擾，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命的綠色化方向發(fā)展。 2.3永磁同步電機(jī)的矢量控制原理2.3.1永磁同步電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和種類(lèi) 永磁同步電動(dòng)機(jī)分類(lèi)方法較多：按工

25、作主磁場(chǎng)原理方向的不同，可分為徑向磁場(chǎng)式和軸向磁場(chǎng)式；按電樞繞組位置不同，可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子式和外轉(zhuǎn)子式；按轉(zhuǎn)子上有無(wú)啟動(dòng)繞組，可分為無(wú)啟動(dòng)繞組的電動(dòng)機(jī)和有啟動(dòng)繞組的電動(dòng)機(jī)(又稱(chēng)為異步啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī))；根據(jù)極對(duì)數(shù)的不同，永磁同步電機(jī)可分為單極和多極；根據(jù)磁通分布或反電動(dòng)勢(shì)波形，可分為永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)。2.3.2 永磁同步電機(jī)的控制策略現(xiàn)代交流調(diào)速控制策略主要有：矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、變壓變頻控制、轉(zhuǎn)差頻率控制等。針對(duì)永磁同步電機(jī)，控制策略主要有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，本節(jié)主要介紹矢量控制策略。交流電機(jī)都是多變量、強(qiáng)耦合、時(shí)變的高階復(fù)雜系統(tǒng)，對(duì)于系統(tǒng)分析和控制思想的實(shí)現(xiàn)都有很大

26、的難度，如果能將非線性時(shí)變的問(wèn)題轉(zhuǎn)換為線性時(shí)不變的問(wèn)題，那么系統(tǒng)的分析和控制都將得到大大的簡(jiǎn)化。矢量變換控制的實(shí)質(zhì)是：以從電機(jī)真實(shí)物理模型建立起來(lái)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)一系列的坐標(biāo)變換，將原來(lái)的數(shù)學(xué)模型變換成公共旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的等效兩相模型（d-q模型），然后通過(guò)對(duì)公共坐標(biāo)系統(tǒng)中相關(guān)矢量進(jìn)行獨(dú)立控制，最后利用坐標(biāo)反變換獲得三相靜止坐標(biāo)系中的控制量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。矢量變換中的公共坐標(biāo)系通常是建立在某一磁場(chǎng)（定子磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)或氣隙磁場(chǎng)）矢量的位置上，也就是由該磁場(chǎng)矢量確定的公共坐標(biāo)系，因此矢量變換控制也稱(chēng)為磁場(chǎng)定向控制（field_oriented control，簡(jiǎn)稱(chēng) foc）。矢量控制

27、的公共坐標(biāo)系通常以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向來(lái)建立的，因而矢量控制也可以稱(chēng)之為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制。 對(duì)于永磁同步電機(jī)來(lái)說(shuō)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體，因其參數(shù)對(duì)定子的影響相對(duì)較小，而且公共坐標(biāo)系可以選擇永磁磁鏈的方向，可以極大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的分析，所以多數(shù)永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用矢量變換控制策略。svpwm 控制是針對(duì)形成旋轉(zhuǎn)的圓形磁場(chǎng)提出的，其基本思想是把電動(dòng)機(jī)和pwm控制逆變器作為一個(gè)整體，通過(guò)選擇逆變器的不同開(kāi)關(guān)模式，使的電機(jī)定子繞組產(chǎn)生圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。svpwm 控制具有易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、電壓利用率高、開(kāi)關(guān)頻率固定等優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)控制的目的是產(chǎn)生圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，所以svpwm 控制技術(shù)比較適合于電

28、機(jī)控制。2.3.3永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型主要包括電壓平衡方程、運(yùn)動(dòng)方程和轉(zhuǎn)矩方程。在永磁同步電機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程中存在永磁體與繞組、繞組與繞組之間的相互影響，電磁關(guān)系十分復(fù)雜，要精確建立永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型十分困難。因此數(shù)學(xué)模型的建立做以下假設(shè)：轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)在氣隙空間中為正弦分布、電樞繞組的反電勢(shì)波形為正弦、忽略定子的鐵心飽和，認(rèn)為磁路線性、不計(jì)鐵心和渦流損耗、轉(zhuǎn)子沒(méi)有阻尼繞組；矢量控制中，電機(jī)的變量，如電流、電壓、電動(dòng)勢(shì)和磁通等，均由空間矢量來(lái)描述，并通過(guò)建立電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，得到各物理量之間的關(guān)系，通過(guò)坐標(biāo)變換，在定向坐標(biāo)系上實(shí)現(xiàn)各物理量的控制和調(diào)節(jié)。坐標(biāo)系以及坐標(biāo)

29、變化在本文中，將涉及到以下幾種，對(duì)其進(jìn)行一一介紹。（1）三相定子坐標(biāo)系(abc坐標(biāo)系) pmsm的定子中有三相繞組，其軸線分別為a,b,c，且彼此間互差1200的空間電角度。當(dāng)定子通入三相對(duì)稱(chēng)交流電時(shí)，就產(chǎn)生了一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。三相定子坐標(biāo)系定義如圖2-1所示。圖 2-1 三相定子坐標(biāo)系（2）定子靜止直角坐標(biāo)系(坐標(biāo)系)為了簡(jiǎn)化分析，定義一個(gè)定子靜止直角坐標(biāo)系即坐標(biāo)系(圖2-2)，其軸與a軸重合，軸超前軸900。如果在軸組成的兩相繞組內(nèi)通入兩相對(duì)稱(chēng)正弦電流時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其效果與三相繞組產(chǎn)生的一樣。因此可以將兩相坐標(biāo)系代替三相定子坐標(biāo)系進(jìn)行分析，從而達(dá)到簡(jiǎn)化運(yùn)算的目的。圖2-2 定子靜止

30、坐標(biāo)系（3）轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系(dq坐標(biāo)系)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系固定在轉(zhuǎn)子上(圖2.3)，其d軸位于轉(zhuǎn)子軸線上，q軸超前d軸900，空間坐標(biāo)以d軸與參考坐標(biāo)軸之間的電角度確定。該坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子一起在空間以轉(zhuǎn)子速度旋轉(zhuǎn)，故相對(duì)于轉(zhuǎn)子來(lái)說(shuō)，此坐標(biāo)系是靜止的，又稱(chēng)為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。圖2-3 定子靜止坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下面介紹坐標(biāo)變換關(guān)系：三相定子坐標(biāo)系與兩相定子坐標(biāo)系變換(3s-2s)圖2-2中繪出了abc和兩個(gè)坐標(biāo)系，為了方便起見(jiàn)，取a軸與軸重合。設(shè)三相繞組每相有效匝數(shù)為n3，兩相繞組每相有效匝數(shù)為n2，各相磁動(dòng)勢(shì)為有效匝數(shù)與電流的乘積，其空間矢量均位于有關(guān)相的坐標(biāo)軸上。設(shè)磁動(dòng)勢(shì)波形是正弦分布的，當(dāng)三

31、相總磁動(dòng)勢(shì)與兩相總磁動(dòng)勢(shì)相等時(shí)，則兩套繞組瞬時(shí)磁動(dòng)勢(shì)在，軸上的投影也相等寫(xiě)成矩陣形式得： (2.1)考慮變換前后總功率不便，在此前提下，可以證明，匝數(shù)比應(yīng)為 (2.2)代入式（2.1）得 (2.3)令表示從三相坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系的變換矩陣，則 (2.4)如果三相繞組是y型聯(lián)結(jié)不帶零線，則有，代入式（2.3）和式（2.4）并整理后得: (2.5) 按照所采用的條件，電流變換陣也就是電壓變換陣，同時(shí)還可證明，它們也是磁鏈的變換。兩相定子坐標(biāo)系與兩相轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換(2s-2r)圖2-3是兩相坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換，簡(jiǎn)稱(chēng)2s-2r變換，其中s表示靜止，r表示旋轉(zhuǎn)。把兩個(gè)坐標(biāo)系畫(huà)在一起，如

32、圖2-4所示。兩相交流電流、和兩個(gè)直流電流、產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì)。由于繞組匝數(shù)都相等，可以消去磁動(dòng)勢(shì)中的匝數(shù)，直接用電流表示。在圖2-5中，d、q軸和矢量（）都以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，分量、的長(zhǎng)短不便，相當(dāng)于d、q繞組的直流磁動(dòng)勢(shì)。但、軸是靜止的，軸與d軸的夾角隨時(shí)間而變化，因此在、軸上的分量、的長(zhǎng)短也隨時(shí)間變化，相當(dāng)于、繞組交流磁動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值。由圖可見(jiàn)，、和、之間存在下列關(guān)系圖2-5兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與磁動(dòng)勢(shì)（電流）空間矢量 (2.6)寫(xiě)成矩陣形式，得式中 (2.7) 是兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣。對(duì)式（3.6）兩邊都左乘以變換陣的逆矩陣，得： (2.8)則兩相靜止坐

33、標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換陣是: (2.9)電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣也與電流（磁動(dòng)勢(shì)）旋轉(zhuǎn)變換陣相同，其中為x軸與d軸的夾角，即轉(zhuǎn)矩角。下面介紹永磁同步電機(jī)在各個(gè)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：1）永磁同步電機(jī)在abc坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型對(duì)于三相繞組電動(dòng)機(jī)，在忽略了內(nèi)部繞組電容的前提下，其電壓矢量和磁鏈?zhǔn)噶浚?(2.10) (2.11) 其中：為定子電壓矢量，和，分別表示定子電阻和定子電感，和分別表示定子磁鏈?zhǔn)噶亢娃D(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?，表示定子電流。根?jù)式(2.8)和式(2.9)，可以得到永磁同步電機(jī)三相繞組的電壓回路方程如下： (2.12)其中為、各相繞組端電壓，、為各相繞組電流，、為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在定子繞組中產(chǎn)生的

34、交鏈，為微分算子。由于假設(shè)轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中呈正弦分布，根據(jù)圖2-1及圖2-22可知： (2.13)另外，對(duì)于星形接法的三相繞組，根據(jù)基爾霍夫（kirchhoff）定律有 (2.14)聯(lián)合式（3.14）、式（3.15）和式（3.16）整理可以得到： （2.15） 2）永磁同步電機(jī)在坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 （2.16）根據(jù)坐標(biāo)變換理論，對(duì)用此同步電機(jī)在abc坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行3s-2s的坐標(biāo)變換，就可以得到在坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。由式（2.4）、（2.5）和（2.15）可得電壓方程 （2.17） 其中、分別為定子電壓在軸上的的分量，、為在 軸上的電感分量，其中，為轉(zhuǎn)子磁鏈在定子側(cè)的耦合磁鏈，為轉(zhuǎn)子角

35、速度。3）永磁同步電機(jī)在坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型在坐標(biāo)系下建立永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于分析永磁同步電機(jī)控制過(guò)程系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能都十分方便。對(duì)永磁同步電機(jī)在坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行2s-2r坐標(biāo)變換，就可以獲得永磁同步電機(jī)在坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。由式(3.5)和式(3.8)得到永磁同步電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的電流方程： (2.18)其中、分別為定子電流在dq坐標(biāo)系下的分量，結(jié)合式(2.14)整理得 （2.19） 永磁同步電機(jī)在dq坐標(biāo)系磁鏈方程 (2.20)(2.21)、(2.22)電壓方程為： （2.23） （2.24） (2.25)轉(zhuǎn)矩方程為： (2.26)運(yùn)動(dòng)方程為： (2.27)其中為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，

36、為轉(zhuǎn)矩負(fù)載。其中、分別是定子繞組、軸的磁鏈、電壓、電流和電感，、為定子端電壓、磁鏈和定子繞組電阻；為轉(zhuǎn)子磁鏈在定子側(cè)的耦合磁鏈，、為電機(jī)極對(duì)數(shù)、電磁轉(zhuǎn)矩和角頻率，為微分算子。以上即是永磁同步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系下的數(shù)學(xué)模型。2.4 svpwm基本原理把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)控制逆變器的工作，這種控制方法稱(chēng)作“磁鏈跟蹤控制”，磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的，所以又稱(chēng)“電壓空間矢量pwm（svpwm，space vector pwm）控制”。2.4.1 空間矢量的定義 交流電動(dòng)機(jī)繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時(shí)間變化的，分析時(shí)常用時(shí)間相量來(lái)表示，但

37、如果考慮到它們所在繞組的空間位置，也可以如圖所示，定義為空間矢量ua0，ub0，uc0。 圖2-6 電壓空間矢量電壓空間矢量的相互關(guān)系,定子電壓空間矢量：ua0、ub0、uc0的方向始終處于各相繞組的軸線上，而大小則隨時(shí)間按正弦規(guī)律脈動(dòng)，時(shí)間相位互相錯(cuò)開(kāi)的角度也120。合成空間矢量：由三相定子電壓空間矢量相加合成的空間矢量us是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值不變，是每相電壓值的3/2倍。當(dāng)電源頻率不變時(shí)，合成空間矢量us以電源角頻率1為電氣角速度作恒速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)某一相電壓為最大值時(shí)，合成電壓矢量 us 就落在該相的軸線上。用公式表示，則有 （2.28）與定子電壓空間矢量相仿，可以定義定子電流和磁鏈

38、的空間矢量 is 和s 2.4.2電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系 三相的電壓平衡方程式相加，即得用合成空間矢量表示的定子電壓方程式為： （2.29） us 定子三相電壓合成空間矢量； is 定子三相電流合成空間矢量；s 定子三相磁鏈合成空間矢量。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不是很低時(shí)，定子電阻壓降在式（2.29）中所占的成分很小，可忽略不計(jì)，則定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關(guān)系為： （2.30） （2.31） 磁鏈軌跡:當(dāng)電動(dòng)機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\(yùn)動(dòng)軌跡呈圓形（一般簡(jiǎn)稱(chēng)為磁鏈圓）。這樣的定子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量可用下式表示。 （2.32） 其中 m

39、是磁鏈s的幅值，ww1為其旋轉(zhuǎn)角速度。由式（2.31）和式（2.32）可得（2.33） 上式表明，當(dāng)磁鏈幅值一定時(shí)，us的大小與w1（或供電電壓頻率）成正比，其方向則與磁鏈?zhǔn)噶縮正交，即磁鏈圓的切線方向，磁場(chǎng)軌跡與電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系如圖所示，當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運(yùn)動(dòng)，其軌跡與磁鏈圓重合。這樣電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軌跡問(wèn)題就可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡問(wèn)題。 圖2-7旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡2.4.3 六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) （1）電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡 在常規(guī)的 pwm 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)由六拍階梯波逆變器供電，這

40、時(shí)的電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡是怎樣的呢?為了討論方便起見(jiàn)，再把三相逆變器-異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖繪出，圖2-8中六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件都用開(kāi)關(guān)符號(hào)代替，可以代表任意一種開(kāi)關(guān)器件。圖2-8三相逆變器-異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖 開(kāi)關(guān)工作狀態(tài):如果圖中的逆變器采用180導(dǎo)通型，功率開(kāi)關(guān)器件共有8種工作狀態(tài)（見(jiàn)附表），其中6種有效開(kāi)關(guān)狀態(tài)；2種無(wú)效狀態(tài)（因?yàn)槟孀兤鬟@時(shí)并沒(méi)有輸出電壓）：上橋臂開(kāi)關(guān) vt1、vt3、vt5 全部導(dǎo)通下橋臂開(kāi)關(guān) vt2、vt4、vt6 全部導(dǎo)通。svpwm 的理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)通過(guò)對(duì)基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個(gè)時(shí)

41、刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)區(qū)域中，可由組成這個(gè)區(qū)域的兩個(gè)相鄰的非零矢量和零矢量在時(shí)間上的不同組合來(lái)得到。兩個(gè)矢量的作用時(shí)間在一個(gè)采樣周期內(nèi)分多次施加，從而控制各個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn)，通過(guò)逆變器的不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結(jié)果來(lái)決定逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而形成pwm 波形。設(shè)直流母線側(cè)電壓為udc，逆變器輸出的三相相電壓為ua、ub、uc，其分別加在空間上互差120的三相平面靜止坐標(biāo)系上，可以定義三個(gè)電壓空間矢量 ua(t)、ub(t)、uc(t)，它們的方向始終在各相的軸線上，而大小則隨時(shí)間按正弦規(guī)律做變化，時(shí)間相位互差120。假設(shè)u

42、m為相電壓有效值，f為電源頻率，則有： （2.34）其中，則三相電壓空間矢量相加的合成空間矢量 u(t)就可以表示為： （2.35）可見(jiàn) u(t)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值為相電壓峰值的1.5倍，um為相電壓峰值，且以角頻率=2f按逆時(shí)針?lè)较騽蛩傩D(zhuǎn)的空間矢量，而空間矢量 u(t)在三相坐標(biāo)軸（a，b，c）上的投影就是對(duì)稱(chēng)的三相正弦量。圖2-9逆變電路由于逆變器三相橋臂共有6個(gè)開(kāi)關(guān)管，為了研究各相上下橋臂不同開(kāi)關(guān)組合時(shí)逆變器輸出的空間電壓矢量，特定義開(kāi)關(guān)函數(shù) sx ( x = a、b、c) 為：(sa、sb、sc)的全部可能組合共有八個(gè)，包括6個(gè)非零矢量 ul(001)、u2(010)、u

43、3(011)、u4(100)、u5(101)、u6(110)、和兩個(gè)零矢量 u0(000)、u7(111)，下面以其中一種開(kāi)關(guān)組合為例分析，假設(shè)sx ( x=a、b、c)= (100)，此時(shí)： （2.36）求解上述方程可得：uan=2ud /3、ubn=-u d/3、ucn=-ud /3。同理可計(jì)算出其它各種組合下的空間電壓矢量，列表如下：表2.1基本電壓空間矢量由表中的八組電壓值，就可以求出這些相電壓的矢量和與相位角。這八個(gè)矢量和就稱(chēng)為基本電壓空間矢量，根據(jù)其相位角的特點(diǎn)分別命名為u000、u0、u60、u120、u180、u240、u300、u111，其中u000和u111稱(chēng)為零矢量。圖2

44、-10給出了八個(gè)基本電壓空間矢量的大小和位置。圖2-10電壓空間矢量圖 其中非零矢量的幅值相同（模長(zhǎng)為2udc/3），相鄰的矢量間隔60度，而兩個(gè)零矢量幅值為零位于中心。在每一個(gè)扇區(qū)，選擇相鄰的兩個(gè)電壓矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原則來(lái)合成每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的任意電壓矢量，即：（2-37）或者等效成下式：（2-38）其中，uref 為期望電壓矢量；t為采樣周期；tx、ty、t0分別為對(duì)應(yīng)兩個(gè)非零電壓矢量 ux、uy 和零電壓矢量 u 0在一個(gè)采樣周期的作用時(shí)間；其中u0包括了u0和u7兩個(gè)零矢量。矢量uref在t時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的積分效果值和ux、uy、u0分別在時(shí)間tx、ty、t0內(nèi)產(chǎn)生的積分效果相加

45、總和值相同。由于三相正弦波電壓在電壓空間向量中合成一個(gè)等效的旋轉(zhuǎn)電壓，其旋轉(zhuǎn)速度是輸入電源角頻率，等效旋轉(zhuǎn)電壓的軌跡將是如圖3-10所示的圓形。所以要產(chǎn)生三相正弦波電壓，可以利用以上電壓向量合成的技術(shù)，在電壓空間向量上，將設(shè)定的電壓向量由u4(100)位置開(kāi)始，每一次增加一個(gè)小增量，每一個(gè)小增量設(shè)定電壓向量可以用該區(qū)中相鄰的兩個(gè)基本非零向量與零電壓向量予以合成，如此所得到的設(shè)定電壓向量就等效于一個(gè)在電壓空間向量平面上平滑旋轉(zhuǎn)的電壓空間向量，從而達(dá)到電壓空間向量脈寬調(diào)制的目的。2.4.4 t1，t2，t0的計(jì)算電壓空間矢量： 計(jì)算得：圖2-11電壓矢量圖其中tpwm是事先選定的，由電力電子器件頻

46、率決定，當(dāng)逆變器單獨(dú)輸出零矢量時(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈?zhǔn)噶渴遣蛔兊?，根?jù)這一特點(diǎn)在tpwm期間插入零矢量作用時(shí)間t0使得tpwm=t0+t1+t2，即t0=tpwm-t1-t2。選擇零矢量是遵循功率開(kāi)關(guān)次數(shù)最小原則，由此得到：t0=tpwm-t1-t2，2.5電機(jī)的位置檢測(cè)原理光電編碼器在電機(jī)控制中的應(yīng)用：電機(jī)的位置檢測(cè)在電機(jī)控制中是十分重要的，特別是需要根據(jù)精確轉(zhuǎn)子位置控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的應(yīng)用場(chǎng)合，如位置伺服系統(tǒng)。電機(jī)控制系統(tǒng)中的位置檢測(cè)通常有：微電機(jī)解算元件，光電元件，磁敏元件，電磁感應(yīng)元件等。這些位置檢測(cè)傳感器或者與電機(jī)的非負(fù)載端同軸連接，或者直接安裝在電機(jī)的特定的部位。其中光電元件的測(cè)量精度

47、較高，能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的機(jī)械位置，從而間接的反映出與電機(jī)連接的機(jī)械負(fù)載的準(zhǔn)確的機(jī)械位置，從而達(dá)到精確控制電機(jī)位置的目的。 光電編碼器的介紹：光電編碼器是通過(guò)讀取光電編碼盤(pán)上的圖案或編碼信息來(lái)表示與光電編碼器相連的電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息的。根據(jù)光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為絕對(duì)式光電編碼器與增量式光電編碼器，下面我就這兩種光電編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理做介紹。 絕對(duì)式光電編碼器：絕對(duì)式光電編碼器如圖2-12所示，他是通過(guò)讀取編碼盤(pán)上的二進(jìn)制的編碼信息來(lái)表示絕對(duì)位置信息的。編碼盤(pán)是按照一定的編碼形式制成的圓盤(pán)。圖1是二進(jìn)制的編碼盤(pán)，圖中空白部分是透光的，用“0”來(lái)表示;涂黑的部分是不透光

48、的，用“1”來(lái)表示。通常將組成編碼的圈稱(chēng)為碼道，每個(gè)碼道表示二進(jìn)制數(shù)的一位，其中最外側(cè)的是最低位，最里側(cè)的是最高位。如果編碼盤(pán)有4個(gè)碼道，則由里向外的碼道分別表示為二進(jìn)制的23、22、21和20，4位二進(jìn)制可形成16個(gè)二進(jìn)制數(shù)，因此就將圓盤(pán)劃分16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)，如0000、0001、1111。 圖2-12絕對(duì)式光電編碼器按照碼盤(pán)上形成的碼道配置相應(yīng)的光電傳感器，包括光源、透鏡、碼盤(pán)、光敏二極管和驅(qū)動(dòng)電子線路。當(dāng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)到一定的角度時(shí)，扇區(qū)中透光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管導(dǎo)通，輸出低電平“0”，遮光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管不導(dǎo)通，輸出高電平“1”，這樣形成與編碼方式一致的高、低電

49、平輸出，從而獲得扇區(qū)的位置腳。 增量式光電編碼器：增量式光電編碼器是碼盤(pán)隨位置的變化輸出一系列的脈沖信號(hào)，然后根據(jù)位置變化的方向用計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行加/減計(jì)數(shù)，以此達(dá)到位置檢測(cè)的目的。它是由光源、透鏡、主光柵碼盤(pán)、鑒向盤(pán)、光敏元件和電子線路組成。增量式光電編碼器的工作原理是是由旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)，在主光柵碼盤(pán)的上面有與其平行的鑒向盤(pán)，在鑒向盤(pán)上有兩條彼此錯(cuò)開(kāi)相位的窄縫，并分別有光敏二極管接收主光柵碼盤(pán)透過(guò)來(lái)的信號(hào)。工作時(shí)，鑒向盤(pán)不動(dòng)，主光柵碼盤(pán)隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼盤(pán)，通過(guò)主光柵碼盤(pán)和鑒向盤(pán)后由光敏二極管接收相位差的近似正弦信號(hào)，再由邏輯電路形成轉(zhuǎn)向信

50、號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。為了獲得絕對(duì)位置角，在增量式光電編碼器有零位脈沖，即主光柵每旋轉(zhuǎn)一周，輸出一個(gè)零位脈沖，使位置角清零。利用增量式光電編碼器可以檢測(cè)電機(jī)的位置和速度。 光電編碼器的測(cè)量方法：光電編碼器在電機(jī)控制中可以用來(lái)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)位置和機(jī)械位置以及轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)和機(jī)械位置的變化速度與變化方向。下面就我就光電編碼器在這幾方面的應(yīng)用方法做一下介紹。 使用光電編碼器來(lái)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速：可以利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器配合光電編碼器的輸出脈沖信號(hào)來(lái)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。具體的測(cè)速方法有m法、t法和m/t法3種。 m法又稱(chēng)之為測(cè)頻法，其測(cè)速原理是在規(guī)定的檢測(cè)時(shí)間tc內(nèi)，對(duì)光電編碼器輸出的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)的測(cè)速方法，例如光

51、電編碼器是n線的，則每旋轉(zhuǎn)一周可以有4n個(gè)脈沖，因?yàn)閮陕访}沖的上升沿與下降沿正好使編碼器信號(hào)4倍頻?，F(xiàn)在假設(shè)檢測(cè)時(shí)間是tc，計(jì)數(shù)器的記錄的脈沖數(shù)是m1，則電機(jī)的每分鐘的轉(zhuǎn)速為： t為轉(zhuǎn)一圈所用的時(shí)間。綜上得：在實(shí)際的測(cè)量中，時(shí)間tc內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)不一定正好是整數(shù)，而且存在最大半個(gè)脈沖的誤差。如果要求測(cè)量的誤差小于規(guī)定的范圍，比如說(shuō)是小于百分之一，那么m1就應(yīng)該大于50。在一定的轉(zhuǎn)速下要增大檢測(cè)脈沖數(shù)m1以減小誤差，可以增大檢測(cè)時(shí)間tc單考慮到實(shí)際的應(yīng)用檢測(cè)時(shí)間很短，例如伺服系統(tǒng)中的測(cè)量速度用于反饋控制，一般應(yīng)在0.01秒以下。由此可見(jiàn)，減小測(cè)量誤差的方法是采用高線數(shù)的光電編碼器。 m法測(cè)速適用于

52、測(cè)量高轉(zhuǎn)速，因?yàn)閷?duì)于給定的光電編碼器線數(shù)n機(jī)測(cè)量時(shí)間tc條件下，轉(zhuǎn)速越高，計(jì)數(shù)脈沖m1越大，誤差也就越小。 t法也稱(chēng)之為測(cè)周法，該測(cè)速方法是在一個(gè)脈沖周期內(nèi)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法，如圖3所示。例如時(shí)鐘頻率為fclk,計(jì)數(shù)器記錄的脈沖數(shù)為m2，光電編碼器是n線的，每線輸出4n個(gè)脈沖，那么電機(jī)的每分鐘的轉(zhuǎn)速，為了減小誤差，希望盡可能記錄較多的脈沖數(shù)，因此t法測(cè)速適用于低速運(yùn)行的場(chǎng)合。但轉(zhuǎn)速太低，一個(gè)編碼器輸出脈沖的時(shí)間太長(zhǎng)，時(shí)鐘脈沖數(shù)會(huì)超過(guò)計(jì)數(shù)器最大計(jì)數(shù)值而產(chǎn)生溢出;另外，時(shí)間太長(zhǎng)也會(huì)影響控制的快速性。與m法測(cè)速一樣，選用線數(shù)較多的光電編碼器可以提高對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的快速性與精度。m/t法測(cè)速

53、是將m法和t法兩種方法結(jié)合在一起使用，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，同時(shí)對(duì)光電編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)m1和m2進(jìn)行計(jì)數(shù)，則電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速為 實(shí)際工作時(shí)，在固定的tc時(shí)間內(nèi)對(duì)光電編碼器的脈沖計(jì)數(shù)，在第一個(gè)光電編碼器上升沿定時(shí)器開(kāi)始定時(shí)，同時(shí)開(kāi)始記錄光電編碼器和時(shí)鐘脈沖數(shù)，定時(shí)器定時(shí)tc時(shí)間到，對(duì)光電編碼器的脈沖停止計(jì)數(shù)，而在下一個(gè)光電編碼器的上升沿到來(lái)時(shí)刻，時(shí)鐘脈沖才停止記錄。采用m/t法既具有m法測(cè)速的高速優(yōu)點(diǎn)，又具有t法測(cè)速的低速的優(yōu)點(diǎn)，能夠覆蓋較廣的轉(zhuǎn)速范圍，測(cè)量的精度也較高，在電機(jī)的控制中有著十分廣泛的應(yīng)用。 使用增量式光電編碼器來(lái)判別電機(jī)轉(zhuǎn)速方向的原理：增量式光電編碼器輸出兩路相位相差的脈沖信號(hào)

54、a和b，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖信號(hào)a的相位超前脈沖信號(hào)b的相位，此時(shí)邏輯電路處理后可形成高電平的方向信號(hào)dir。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖信號(hào)a的相位滯后脈沖信號(hào)b的相位，此時(shí)邏輯電路處理后的方向信號(hào)dir為低電平。因此根據(jù)超前與滯后的關(guān)系可以確定電機(jī)的轉(zhuǎn)向。2.6光耦隔離電路的原理光耦合器亦稱(chēng)光電隔離器，簡(jiǎn)稱(chēng)光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類(lèi)最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（led），使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，

55、再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長(zhǎng)線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。光耦合器的性能及類(lèi)型：用于傳遞模擬信號(hào)的光耦合器的發(fā)光器件為二極管、光接收器為光敏三極管。當(dāng)有電流通過(guò)發(fā)光二極管時(shí)，便形成一個(gè)光源，該光源照射到光敏三極管表面上，使光敏三極管產(chǎn)生集電極電流，該電流的大小與光照的強(qiáng)弱，亦即流過(guò)二極管的正向電流的大小成正比。由于光耦合器的輸入端和輸出端之間通過(guò)光信號(hào)來(lái)傳輸，因而兩部分之間在電氣上完全隔離，沒(méi)有電信號(hào)的反饋和干擾，故性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。發(fā)光管和光敏管之間的耦合電容小（2pf左右）、耐壓高(2.5kv左右)，故共模抑制比很高。輸入和輸出間的電隔離度取決于兩部分供