基于DSP永磁同步電機(jī)控制設(shè)計(jì)

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61.2.2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 71.3國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)和發(fā)展方向錯(cuò)誤！未定義書簽1.4本文研究的主要內(nèi)容 82永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)及控制原理 82.1永磁同步電機(jī)控制理論的發(fā)展 82.2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 92.3.1永磁同步電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和種類 92.3.2永磁同步電機(jī)的控制策略92.3.3永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立 102.4 SVP

2、WM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 19243六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng).20244 T1 , T2, TO 的計(jì)算242.5電機(jī)的位置檢測(cè)原理 252.6光耦隔離電路的原理282.7逆變器原理 30第三章硬件電路設(shè)計(jì)333.1系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)333.2主控芯片 DSP2812的基本特征 343.3 DSP外設(shè)介紹353.4主電路模塊設(shè)計(jì)393.4. 1整流濾波電路的設(shè)計(jì) 393.4.2逆變電路的設(shè)計(jì)403.4.3測(cè)速電路的設(shè)計(jì)413.4.4通信接口電路設(shè)計(jì) 42圖3-2 SCI接口電路圖423.4.5最小系統(tǒng)電路433.5 LED顯示電

3、路43光耦隔離電路442.第五章軟件設(shè)計(jì) 545.1 DSP開發(fā)軟件的安裝與應(yīng)用 54總結(jié)與致謝64參考文獻(xiàn)77基于DSP的永磁同步電機(jī)控制設(shè)計(jì)總說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TMS320F2

4、812為控制核心，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)

5、速信號(hào)送入 DSP的ADC和QEP，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)生期望的電壓來控制 電機(jī)運(yùn)行。此外，系統(tǒng)還具有鍵盤設(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)控制專用DSP芯片TMS320F2812為核心設(shè)計(jì)開發(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SVPW

6、M調(diào)制方式并給出了基于DSP芯片的軟件編程。關(guān)鍵字：DSP2812;空間電壓矢量控制；永磁同步電機(jī)AbstractAs the rapid developme nt of moder n con trol tech no logy power electr onic tech no logy and computer microchip tech no logy, the speed of regulat ing tech niq ue, freque ncy con trol of motor speed, with its excelle nt speed regulati ng perf

7、orma nee and adva ntages of high efficie ncy and en ergy sav ing effect ,has become a developme nt directi on of ac speed regulat ing system both at home and abroad, using the latest developme nts of computer electr onic tech no logy at the prese nt stage to apply mature motor control theory, and bu

8、ild into a complete system has bee n a hot spot of research in this area.This paper is based on the theory of motor vector con trol system model ,the motor con trol special DSP chip TMS320F2812 of TI compa ny as the core was desig ned,developed a set of digital freque ncy con trol of motor speed con

9、 trol system for perma nent magnet synchronous motor.CCS3.3 DSP developme nt software ,the in stallatio n and 即 plicati on of DSP chip 2812 structure characteristics ,and the space vector con trol theory of motor and PWM in verter tech no logy prese nts are in troduced in detail in this paper. Gives

10、 the system scheme of hardware and the main module desig n, in clud ing the select ion of main con trol circuit and some device module.Adopts the space voltage vector SVPWM modulati on method and the software program ming based on DSP chip is give nKey words: DSP2812 ； voltage space vector controj p

11、ermanent 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，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

12、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，隨著大功率開關(guān)器件、模擬和數(shù)字專用集成電路的不斷問世，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)的三大類調(diào)速系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代以來，隨著價(jià)格低廉、性能優(yōu)越

13、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、無需勵(lì)磁電流、功率因數(shù)高、發(fā)熱少等優(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 車和電動(dòng)自行車等領(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

14、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)

15、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-交兩大類當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的是由不控整流和全控型功率開關(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

16、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)期以來在調(diào)速系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位。直流電機(jī)由于存在機(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)和直流無刷方波電機(jī)）、開關(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

17、磁同步電機(jī)無勵(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。開關(guān)磁 阻電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需勵(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)、開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究都在不斷的發(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

18、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：電壓和頻率，屬于開 環(huán)控制，無須引入反饋量，無法反映電機(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)西門子公司的F.BIaschke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)

19、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。124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。 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

20、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)，預(yù)測(cè)控制、非線性控制、智能控制也逐漸發(fā)展起來并 得到廣泛的應(yīng)用。125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

21、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。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、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用芯片。電機(jī)控制領(lǐng)域中常用的是TI公司TMS320F20

22、00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，功能越來越強(qiáng)，功耗也越來越小。其中 TMS320F2812是32位可進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算的定點(diǎn)數(shù)字處理器， 運(yùn)算速率達(dá)到150MIPS，片 上 RAM 達(dá) 18kx 16bit，片內(nèi) Flash達(dá) 128kx 16bit，可擴(kuò)展 RAM 達(dá) 1M x 16bit，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

23、， 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)境下編寫并編譯程序，利用 DSP2812開發(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，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F. Blaschke提出的

24、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)矩控制，從原理和特性上 就和直流電動(dòng)機(jī)相似了。控制策略的選擇上是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)

25、。綠色化發(fā)展。由于全球電能的80%以上通過電力變換裝置來消耗，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)和種類永磁同步電動(dòng)機(jī)分類方法較多：按工作主磁場(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)子上有無啟動(dòng) 繞組，可分為無啟動(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，可分為永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)和永

26、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)都有很大的難度，如果能將非線性時(shí)變的問題轉(zhuǎn)換為線性時(shí)不變的問 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)物理模型建立起來的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，經(jīng)過一系列的坐標(biāo)變換，將原來的數(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），然后通過對(duì)公共坐標(biāo)系統(tǒng)中相關(guān)矢量進(jìn)行獨(dú)立控

27、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 稱為磁場(chǎng)定向控制（Field_Oriented Control，簡(jiǎn)稱FOC）。矢量控制的公共坐標(biāo)系通常 以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向來建立的，因而矢量控制也可以稱之為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制。對(duì)于永磁同步電機(jī)來說，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)

28、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，通過選擇逆變器的不同開關(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)比較適合于電機(jī)控制。233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

29、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，均由空間矢量來描述， 并通過建立電動(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)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120°的空間電 角度。當(dāng)定子通入三相對(duì)稱交流電時(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-

30、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a軸與A軸重合，軸超前B軸90°。如果在：上軸組成的兩相繞組內(nèi)通入兩相對(duì)稱正弦電流時(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。BA120C圖2-2定子靜止坐標(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)

31、，故相對(duì)于轉(zhuǎn)子來說，此坐標(biāo)系是靜止的，又稱為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。I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和門兩個(gè)坐標(biāo)系，為了方便起見，取A軸與a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a B軸上的投影也相等寫成矩陣形式得:N3N212<321 ：iAiiB!_GC(2.1)考慮變換前后總功率不便，在此前提下，可以證明，匝

32、數(shù)比應(yīng)為N32N2 3(2.2)代入式(2.1)得-12121. 1i - 302-1iA2ia/3 I B (2.3) -*令C3/2表示從三相坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系的變換矩陣，則302 x323(2.4)如果三相繞組是丫型聯(lián)結(jié)不帶零線，貝U有iA iB iQ，代入式（2.3）和式（2.4）并整理后得:2 - 3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 2s-2r變換，其中s表示靜止, r表示旋轉(zhuǎn)。把兩個(gè)坐標(biāo)系畫在一起，如圖 2-4所示。兩相交流電流h

33、、i：.和兩個(gè)直流電 流id、iq產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速 1旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì)Fs。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Fs（ is ）都以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，分量id、iq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is在、：軸上的分量i-.、匚的長(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，i 、i 和id、iq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i： = id cos - iqSink = id si n iq c os示定子磁鏈?zhǔn)噶亢娃D(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?/p>

34、,Is表示定子電流。cos申-cos ® 1式中C2r/2S-.cos ®.sin 申寫成矩陣形式，得(2.7)cos - cos ididI .I- = C2r ；2s L(2 6).Sin 申 COS® _lq'Jq(2.6)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：id cos -sin 1 i cos -sin iIdI = iI= IIiq si n 申cos 申一Jpsi n 申cos®Jp（2.8）則兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換陣是(2.9)c2s/2rcosIL-

35、sinsincos®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?dt(2.10)(2.11)其中：Us為定子電壓矢量，Rs和Ls,分別表示定子電阻和定子電感，:s和，r分別表根據(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:UaUbRs + LsP,4兀pL. cos I32兀 |PLs cos I3pLg cosRsLsPPLs cos2npLg

36、cos 32 klfPLs cos j B+ PB I3” ccjRs + LsP4 二34 二(2.12)其中為Ua、Ub、Uc各相繞組端電壓，iA、iB、ic為各相繞組電流，a 為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在定子繞組中產(chǎn)生的交鏈，P為微分算子d/dt。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：'-'b、C一 cos ®屮 r cos( w 2江 / 3) cos( ® - 4兀 / 3)另外，對(duì)于星形接法的三相繞組，根據(jù)基爾霍夫(2.13)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:Ua!R

37、sF BUc3L20sP丄3RsLs P20Rs屮Ai b+ P屮Bc 一cJ(2.佝2)永磁同步電機(jī)在i坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型21V30；i a 1J P 一1J B 一i根據(jù)坐標(biāo)變換理論，對(duì)用此同步電機(jī)在(2.16)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a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U R LpU門0 R'-.2I -sin cos®(2.17)其中U :.、U 分別為定子電壓在：川軸上的的分量，L：.、L .為在 軸上的電感分量,其中L = L = 3/ 2Ls, t f為轉(zhuǎn)子磁鏈在定子側(cè)的耦合磁鏈，r

38、為轉(zhuǎn)子角速度3)永磁同步電機(jī)在dq坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型在dq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-：片'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dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。由式(3.5)和式(3.8)得到2 cos3 iin (2.18)永磁同步電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的電流方程:cos(:)32 -si n( )3其中id、iq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)sin2半+cos申2J2 sin 申卜q 一<6 . sinJ2W +cos ®

39、< 2 cos 單i22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：Ud二 RJ d P d - r q(2.23)Uq二 Rsiq P qd(2.24)轉(zhuǎn)矩方程為:|Us|ud u；(2.25)T =1.5npCdiq - - qid)(2.26)運(yùn)動(dòng)方程為:TeF匕np dt(2.27)其中J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,Tl為轉(zhuǎn)矩負(fù)載。其中，d、 q、U d、U q、id、jq、 Ld、Lq 分' s、Rs為定子端電壓、磁鏈別是定子繞組d、q軸的磁鏈、電壓、電流和電感，Us、 和定子繞組電阻；t r為轉(zhuǎn)子磁鏈在定子側(cè)的耦合磁鏈，np、二為電機(jī)極對(duì)數(shù)、電

40、磁轉(zhuǎn)矩和角頻率，p為微分算子d / dt o以上即是永磁同步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo) dq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)來控制逆變器的工作，這種控制方法稱作“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“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 相量來表示，但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 uAO，uBO，uCO。圖2-6電壓空間矢量電壓空間矢量的

41、相互關(guān)系，定子電壓空間矢量：uAO、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u S 二 u A0u B0u C0(2.28)Is和屮s與定子電壓空間矢量相仿，可以定義定子電流和磁鏈的空間矢量242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，

42、即得用合成空間矢量表示的定子電壓方程式為:二 Rs I s dZ,dt(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；Z s定子三相磁鏈合成空間矢量。dt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)u sd t(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Zm是磁鏈Z s旳郵伯.W1為其旋轉(zhuǎn)角速度。由式（2.31）

43、和式（2.32）可得n警(Zmejj-1Zmej(2.33)dt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)噶縕s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)的軌跡問題就可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量 的運(yùn)動(dòng)軌跡問題。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 時(shí)的電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡是怎

44、樣的呢 ？為了討論方便起見，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)功率開關(guān)器件都用開關(guān)符號(hào)代替，可以代表任意一種開關(guān)器件。開關(guān)工作狀態(tài)：如果圖中的逆變器采用180。導(dǎo)通型，功率開關(guān)器件共有 8種工作 狀態(tài)（見附表），其中6種有效開關(guān)狀態(tài)；2種無效狀態(tài)（因?yàn)槟孀兤鬟@時(shí)并沒有輸出電 壓）：上橋臂開關(guān) VT1、VT3、VT5全部導(dǎo)通下橋臂開關(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)開關(guān)周期內(nèi)通過對(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)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

45、矢量在時(shí)間上的不同組合來得到。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)，通過逆變器的不同開關(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)果來決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，從而形成PWM波形。設(shè)直流母線側(cè)電壓為Ude,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)Um為相電壓有效值，f為電源頻率，則有：U

46、A(t) = Umcose)(2.34)UB(t)二 Um cose - 2二 /3)Uc(t)=UmCOS +2代/3)U(t)就可以表示為:其中，v - 2”：ft，則三相電壓空間矢量相加的合成空間矢量U(t) =UA(t) UB(t)ej2"Uc(t)e"/3 持Ume宀(2.35)可見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3 =2n按逆時(shí)針方向勻速旋轉(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)開關(guān)管，為了研究各相上下橋臂不

47、同開關(guān)組合時(shí)逆變器輸出的空間電壓矢量，特定義開關(guān)函數(shù)Sx ( x = a、b、c)為：Sx1上橋臂導(dǎo)通0下橋臂導(dǎo)通(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)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)、和兩個(gè)零矢量U0(000)、U7(111)，下面以其中一種開關(guān)組合為例分析，假設(shè) Sx ( x=a、b、c)= (100)，此時(shí)：U ab = U de 7 U be = 0,U ca = U dc“UaNUbN=Udc,UaNUcN=Udc( 2.36)U aN + U bN * U cN = 0求解上述方程可得：Uan=2U

48、d /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abcUaI UsUc 1UaBUseUca00 j00000001002Uocf3並3*UocfiUdc0-UdcI10tW32血30Udc010 -EW32必Uoc；UdcI 0011-2Udc/3IMUdc/3Udc0Uqc001w*Udc/30 '-UdcP Udc10121W3Udc!3 Udc011100000 0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、

49、U0、U60、U120、U180、U240、U300、U111,其中U000和U111稱為零矢量。圖2-10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 平衡的原則來合成每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的任意電壓矢量，即：TTxTx TyTU ref = U xdtU ydtU odt（2-37）o0TxTx Ty或者等效成下式：Uref *T =Ux*Tx Uy*TyUo*To（2-38）其中，Uref為期望電壓矢量；T為采樣周期；Tx

50、、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

51、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。244 T1, T2, TO 的計(jì)算電壓空間矢量：IM=Tl/Tpwm«Ux + 丁2仰恤1爲(wèi)(Tl/Tpwm Ux)/(sin(60° - 9)=Uout/sin(120°)(T2/Tpwm Ux)/isin(fi)=Uout/sm(120°)計(jì)算得：Tl=2UouVXTpwmsin60° £丿T2 二 2Uout/3Ux+ 60° X Tpwmsin0圖2-11電壓矢量圖其中Tpwm是事先選定的

52、，由電力電子器件頻率決定，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TO使得Tpwm=T0+T1+T2，即T0=Tpwm-T1-T2。選擇零矢量是遵循功率開關(guān)次數(shù)最小原 則，由此得到：T0=Tpwm-T1-T2，T1=2Uout/3Ux X Tpwm sin (60T2 二 2Uout/V3Ux + 60°X TpwmsinO2.5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

53、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：光電編碼器是通過讀取光電編碼盤上的圖案或編碼信息來表示 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，他是通過讀取編碼

54、盤上的 二進(jìn)制的編碼信息來表示絕對(duì)位置信息的。編碼盤是按照一定的編碼形式制成的圓盤。 圖1是二進(jìn)制的編碼盤，圖中空白部分是透光的，用“0”來表示;涂黑的部分是不透光的，用“ 1”來表示。通常將組成編碼的圈稱為碼道，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DecimalGray Cade0000010001200113001040110

55、50111e010170100DecimalGrav Code811009110110111111111Q121010131011141001151000按照碼盤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、光敏二極 管和驅(qū)動(dòng)電子線路。當(dāng)碼盤轉(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、鑒向盤、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旋轉(zhuǎn)，在主光柵碼盤的上面有與其平行的鑒向盤，在