三相永磁同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

三相永磁同步電動

機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計題目三相永磁同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)班級：自動化姓名：學號：指導(dǎo)教師：本論文在研究永磁同步電動機運行原理的基礎(chǔ)上詳細討論了其變頻調(diào)速的理論而且設(shè)計了一套基于DSP的永磁同步電動機磁場定向矢量控制系統(tǒng)。永磁同步電動機相對感應(yīng)電動機來說具有體積小、效率高以及功率密度大等優(yōu)點，因此自從上個世紀80年代，隨著永磁材料性能價格比的不斷提高，以及電力電子器件的進一步發(fā)展，永磁同步電動機的研究也進入了一個新的階段。由于永磁同步電動機自身具有比感應(yīng)電動機更為優(yōu)越的性能，而且其dq變換算法相對簡單、電機轉(zhuǎn)子磁極的位置易于檢測，因此交流調(diào)速的矢量控制理論在永磁同步電動機的控制領(lǐng)域也得到了同樣的重視，有關(guān)永磁同步電動機矢量控制研究的成果陸續(xù)發(fā)表。本文就是應(yīng)用電壓矢量控制SVPWM實現(xiàn)對永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩控制，使其擁有直流電機的性能。關(guān)鍵詞：永磁同步電機矢量控制dq變換DSP目錄1緒論 1TOC\o"1-5"\h\z研究背景與意義 1研究 現(xiàn)狀及 應(yīng)用 前景 1永 磁 同步 電 機 的矢 量 控制 方法 3硬件電路設(shè)計 43.1電流檢測電路 4轉(zhuǎn)速檢測和轉(zhuǎn)子磁極位置檢測電路 53.3PWM發(fā)生電路 6IPM智能功率模塊驅(qū)動電TOC\o"1-5"\h\z路 7系 統(tǒng) 保 護 電路 8人 機 接 口 電路 9軟件設(shè)計 9設(shè)計心得 12參考文獻 131緒論1.1研究背景與意義眾所周知，電動機是以磁場為媒介進行機械能和電能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置。為了在電機內(nèi)建立進行機電能量轉(zhuǎn)換所必須的氣隙磁場，能夠有兩種方法：一種是在電機繞組內(nèi)通以電流來產(chǎn)生磁場，這種電勵磁的電機既需要有專門的繞組和相關(guān)的裝置，又需要不斷的供給能量以維持勵磁電流的持續(xù)流動；另一種方法是用永磁體來產(chǎn)生磁場。由于永磁體材料的固有特性，它經(jīng)過預(yù)先磁化（充磁）后，不需要外加能量就能夠在其周圍空間建立磁場。永磁電機的發(fā)展是與永磁體材料的發(fā)展密切相關(guān)的。近幾十年來，由于各種電機迅速發(fā)展的需要和電流充磁器的創(chuàng)造，人們對永磁材料的機理、構(gòu)成和制造技術(shù)進行了深入研究，相繼發(fā)現(xiàn)了碳鋼、鎢鋼、鈷鋼等多種永磁材料。特別是20世紀30年代出現(xiàn)的鋁鎳鉆永磁和50年代出現(xiàn)的鐵氧體永磁，磁性能有了很大的提高，各種微型和小型電機又紛紛采用永磁體勵磁。永磁電機的功率小至數(shù)毫瓦，大至幾十千瓦，在軍事、工農(nóng)業(yè)和開常生活中得到了廣泛的運用，產(chǎn)量急聚增加。按照工作原理，電動機一般分為直流電動機和交流電動機兩大類。直流電動機的轉(zhuǎn)速容易控制和調(diào)節(jié)，在額定轉(zhuǎn)速以下，保持勵磁電流恒定，經(jīng)過改變電樞電壓的方法實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上，保持電樞電壓恒定，可用改變勵磁的方法實現(xiàn)恒功率調(diào)速。交流電動機的誕生已經(jīng)有一百多年的歷史。交流電動機又分為同步電動機和感應(yīng)（異步）電動機兩大類。20世紀80年代以前，在變速傳動領(lǐng)域，直流調(diào)速一直占據(jù)主導(dǎo)電位。隨著交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展使交流電機的應(yīng)用更加廣泛，可是其轉(zhuǎn)矩控制性能卻不如直流電機。因此如何使交流電機的靜態(tài)控制性能與直流系統(tǒng)相媲美，一直是交流電機的研究方向。本文就是針對永磁同步電機進行的矢量控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計。1.2研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景自從上個世紀80年代以來，隨著電機調(diào)速控制理論、電力電子和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展以及永磁材料性能價格比的不斷提高，永磁同步電動機的變頻調(diào)速進入了深入研究和廣泛應(yīng)用的階段。由于永磁同步電動機自身具有比感應(yīng)電動機更為優(yōu)越的性能，而且其dq變換算法相對簡單、電機轉(zhuǎn)子磁極的位置易于檢測，因此交流調(diào)速的矢量控制理論在永磁同步電動機的控制領(lǐng)域也得到了同樣的重視，有關(guān)永磁同步電動機矢量控制研究的成果陸續(xù)發(fā)表。與此同時，對永磁同步電動機的調(diào)速控制性能也提出了更高的要求：高性能的永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)除了要有良好的轉(zhuǎn)矩控制性能外，還應(yīng)具有較寬的調(diào)速范圍。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)方式的益自動化發(fā)展的需要，對作為其中重要組成部分的現(xiàn)代電伺服系統(tǒng)提出了越來越高的性能和技術(shù)要求，以永磁同步電動機為核心的電伺服系統(tǒng)具有精度高，穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)速高，功率密度大等特點，已日漸成為電伺服驅(qū)動系統(tǒng)的主流，特別是在高精度、高性能要求的中小功率伺服領(lǐng)域更是具有取代傳統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)的趨勢。從其應(yīng)用領(lǐng)域的特點和永磁同步電動機伺服系統(tǒng)自身技術(shù)的發(fā)展來看，今后永磁同步電動機伺服系統(tǒng)將向著以下兩個方向發(fā)展：一個是適用于簡易數(shù)控機床、辦公自動化設(shè)備、家用電器、計算機外圍設(shè)備以及對性能要求不高的工業(yè)運動控制等領(lǐng)域的簡單、成本低的永磁同步電動機伺服系統(tǒng)；另一個方向則是適用于高精度數(shù)控機床、機器人、特種加工設(shè)備精細給進驅(qū)動以及航空、航天用的高性能的全數(shù)字化、智能化、柔性化的永磁同步電動機伺服系統(tǒng)。而后一個作為更能充分體現(xiàn)永磁同步電動機伺服系統(tǒng)優(yōu)點的發(fā)展方向也必將是永磁同步電動機伺服系統(tǒng)的重點發(fā)展方向。2永磁同步電機的矢量控制方法由電機學理論可知，在三相定子繞組中通入三相對稱的電流，能夠產(chǎn)生相應(yīng)的三相磁動勢。其合成磁動勢是一個圓形的空間旋轉(zhuǎn)磁勢。而且能夠證明，旋轉(zhuǎn)磁勢能夠形成一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場（若不考慮磁滯和渦流損耗，則旋轉(zhuǎn)磁勢和旋轉(zhuǎn)磁場在空間上同相位），并與電機的轉(zhuǎn)子永磁體所產(chǎn)生的磁場相互作用形成電磁力，從而推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由于電動機的轉(zhuǎn)速與電源頻率保持嚴格的同步關(guān)系，因而速度不可調(diào)。與感應(yīng)電動機的控制相類似，高性能的永磁同步電動機的變頻調(diào)速策略也有兩種：矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。矢量控制技術(shù)是從直流電動機的控制中得到啟發(fā)，其勵磁磁通和電樞磁勢方向互相垂直，兩者互不影響，勵磁繞組和電樞繞組又相互獨立，故可分別調(diào)節(jié)其勵磁電流和電樞電流，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的獨立控制。永磁同步電動機的矢量控制就是分別控制定子電流的幅值和相位，包含了id=0控制、cosQ=l控制、恒磁鏈控制、最大轉(zhuǎn)矩/電流控制等不同的控制方法。將永磁同步電機的轉(zhuǎn)子勵磁磁勢方向定為d軸，超前90度的方向定義為q軸，于是能夠建立dq旋轉(zhuǎn)坐標系。dq軸電流的控制是經(jīng)過dq軸電壓的控制實現(xiàn)的。但dq軸電壓無法直接輸出，需要轉(zhuǎn)換到三相靜止坐標系中輸出，系統(tǒng)的控制方案能夠設(shè)計為圖2.1所示。

圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖ACR位置調(diào)節(jié)器圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖ACR位置調(diào)節(jié)器3硬件電路設(shè)計系統(tǒng)采用的DSP芯片為TMS320F2407，它是電機專用控制DSP,集成了相當多的電機控制外圍電路，這使得系統(tǒng)硬件設(shè)計變得十分簡單。硬件系統(tǒng)的主回路采用交一直一交電壓型逆變器(VSI)形式，由不控整流橋、濾波電容、逆變器以及作為控制對象的永磁同步電動機等組成。硬件部分主要包括：人機接口、整流逆變裝置、電流檢測、光電碼盤信號采集、系統(tǒng)保護等，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。對LF2407控制器而言，其輸入量主要為每一采樣周期采樣的a、b相定子電流信號和由增量式脈沖編碼器輸出的電機轉(zhuǎn)速信號，輸出量主要為IPM功率模塊的控制信號。圖3.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖3.1電流檢測電路在沒有中線時，能夠認為電動機定子三相電流之和為0，因此檢測a、b兩相電流值能夠重構(gòu)出c相電流。本系統(tǒng)檢測電流使用霍爾電流傳感器。由于霍爾元件輸出的是弱電流信號，因此必須將該電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，且由于霍爾傳感器的輸出為有正負方向的電流信號，其轉(zhuǎn)換得到的電壓信號也有正負，而TMS320LF2407的片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入為0?+5V的電壓信號，因而需要電平偏移電路，將有正負極性的電壓信號轉(zhuǎn)換為LF2407A/D轉(zhuǎn)換器所需的單極性電壓信號。電流采樣電路的原理框圖如圖3.2所示。

2.5V電2.5V電壓偏移ADC輸入節(jié)放大器輸

電壓出電壓霍爾元件一.輸出電壓LEM圖3.2采樣電路原理圖3.2轉(zhuǎn)速檢測和轉(zhuǎn)子磁極位置檢測電路高性能的變頻調(diào)速系統(tǒng)一般都要求有高精度的速度和轉(zhuǎn)子位置反饋元件。光電編碼器是一種直接將角位移變量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的檢測元件。因為具有較高的分辨率和簡單的接口電路，因此特別適合于交流調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)中選用增量式光電脈沖編碼器檢測轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子速度和位置檢測的DSP外部接線電路如圖3.3所示。圖中PCA、PCB是從編碼器上引出的增量式光電信號，兩路信號相位相差90度。C1、C2、C4、C8是從編碼器混合編碼盤得到的反映電機轉(zhuǎn)子絕對位置的光電信號，按照格雷碼規(guī)律變化，其中，C1的變化頻率是C2的一倍，是C4、C8的四倍，C4、C8同頻率，但相位相差90度。整形后的信號，PCA連接到DSP的CAP1、CAP3管腳，PCB連接到CAP2、CAP4管腳。格雷碼信號Cl、C2、C4、C8分別接到DSP的4個通用10端口IOPA0、IOPA1、IOPA2、IOPA3。C1還同時連接到外部中斷檢測管腳XINT2和XINT3。

CAP4IOPA3PCBPCAC1C2C4C8IOPA2IOPA1CAP4IOPA3PCBPCAC1C2C4C8IOPA2IOPA1IOPA0XTNT3XINT2TMS320CAP3隔離放大混合編碼盤圖3.3外部接線圖3.3PWM發(fā)生電路片上PWM發(fā)生電路是LF2407實現(xiàn)單片電機控制的又一硬件保證，它使在產(chǎn)生用于電機控制和運動控制場合的脈寬調(diào)制波形時，把CPU開銷和用戶的干預(yù)降至最少。在本系統(tǒng)中，我們使用空間矢量SVPWM波形發(fā)生器，由其產(chǎn)生的PWM信號進入死區(qū)發(fā)生單元，死區(qū)寬度從0?102.4Us可調(diào)。要產(chǎn)生一個PWM信號，需要一個合適的定時器來重復(fù)產(chǎn)生一個與PWM周期相同的計數(shù)周期，一個比較寄存器保持著調(diào)制值。比較寄存器的值不斷地與定時計數(shù)器的值相比較，當兩個值匹配時，在相應(yīng)的輸出上就會產(chǎn)生一個變換（從高到低或從低到高）。當兩個值之間的第二個匹配產(chǎn)生或一個定時周期結(jié)束時，相應(yīng)的輸出上會產(chǎn)生又一個轉(zhuǎn)換（從低到高或從高到低）。經(jīng)過這種方法，所產(chǎn)生的輸出脈沖的開關(guān)時間就會與比較寄存器的值成比例。在每個定時器周期中，這個過程都會出現(xiàn)，但每次比較寄存器中的調(diào)制值是不同的，這要由控制軟件根據(jù)每個采樣周期的反饋量實時計算得到。這樣在相應(yīng)的輸出引腳就會產(chǎn)生一個PWM信號。在PWM發(fā)生電路中，還有一個關(guān)鍵部分即死區(qū)發(fā)生。在系統(tǒng)主回路中，兩個功率器件被串聯(lián)放在一個功率轉(zhuǎn)換支路中。為避免擊穿失效，兩個器件的導(dǎo)通時問必須不能重疊，這樣就需要一對非重疊的PWM輸出來正確地開關(guān)這兩個器件。為此，在一個功率器件的關(guān)斷和另一個功率器件的導(dǎo)通之間要插入一段死區(qū)。這段延遲允許一個器件在同一橋臂上的另一器件導(dǎo)通之前完全關(guān)斷。圖3.4為一個全比較單元的死區(qū)邏輯的框圖。死區(qū)單元的輸入為PHI、PH2和PH3,分別來自于全比較單元的波形發(fā)生器。其輸出有DTPHI、DTPHI-、DTPH2、DTPH2-、DTPH3和DTPH3-，分別對應(yīng)于PHI、PH2和PH3。PWMx（1、3、5）信號的輸出根據(jù)DTPHx來決定，ACTR控制高有效時輸出DTPHx，低有效時輸出為DTPHx取反。PWMx（2、4、6）信號的輸出根據(jù)DTPHx-—來決定，ACTR控制高有效時輸出DTPHx-，低有效時輸出為DTPHx-取反。DSP的死區(qū)根據(jù)ACTR的高低有效性而改變，高有效時不允許上下橋臂的控制信號同時為高電平，低有效時不允許同為低電平，因此DSP死區(qū)對高低電平開通的功率管都有效。軟件產(chǎn)生死區(qū)只須將DBTCON高8位載入死區(qū)時間值即可實現(xiàn)。

圖3.4死區(qū)邏輯框圖3.4IPM智能功率模塊驅(qū)動電路系統(tǒng)選用智能功率模塊6MBP25RAl20構(gòu)成的電壓型變頻器為三相橋式結(jié)構(gòu)，模塊工作時需外部提供獨立的驅(qū)動電源基極控制信號，經(jīng)過光電隔離電路接于模塊接口。智能功率模塊是把功率放大器件與起控制作用的邏輯電路和檢測電路集成在一起，完成驅(qū)動信號放大、功率放大及各種保護等功能，具有IGBT的開關(guān)特性。系統(tǒng)IPM的驅(qū)動接口電路如圖3.5所示。其外部控制電源有四組，三組電源分別為U、V、W三相的上橋臂驅(qū)動電路供電，第四組電源供給三個下橋臂元件。六個IGBT的基極驅(qū)動信號都是低電平有效的信號，與外部控制電路經(jīng)過光電隔離器件TLP559隔離。TLP559將DSP輸出的0?5V的PWM信號轉(zhuǎn)換成0?15V的驅(qū)動信號。圖3.5IPM的驅(qū)動接口電路3.5系統(tǒng)保護電路為保證系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路及電機驅(qū)動電路的安全可靠，LF2407還提供了一個外部中斷輸入引腳 PDPINT。該中斷為功率驅(qū)動保護專用設(shè)計。整個過程不需要程序干預(yù)，全部自動完成，這對實現(xiàn)各種故障狀態(tài)的快速處理非常有用。為了保證系統(tǒng)的安全運行，實際系統(tǒng)中設(shè)計了如下的硬件故障檢測和保護環(huán)節(jié)：(1)直流過電壓。當逆變器直流側(cè)的電壓高于某特定值時，會危及功率器件和濾波電容器的安全。因此為防止直流電壓過高，設(shè)計了直流過電壓保護電路；(2)控制電路欠壓。當控制電源電壓過低時，會引起控制信號紊亂，使控制系統(tǒng)有可能發(fā)生誤動作，為此設(shè)計了欠壓保護，在欠壓時停止控制系統(tǒng)的工作，以保護逆變器功率器件；(3)IPM故障。當IPM內(nèi)部檢測到過流、短路、模塊驅(qū)動控制電壓欠壓或者模塊溫度過高時，輸出故障報警信號，使系統(tǒng)能夠采取適當?shù)姆绞疥P(guān)斷功率器件。系統(tǒng)保護功能框圖如圖3.6所示。TMS320LF2407過電壓欠壓TMS320LF2407過電壓欠壓過電流各種故障圖3.6系統(tǒng)保護功能框圖3.6人機接口電路為了方便系統(tǒng)調(diào)試，系統(tǒng)設(shè)計了一套簡單的人機接口電路，實現(xiàn)DSP和上位機之間的通訊。調(diào)試人員能夠在系統(tǒng)運行之前設(shè)定電機的給定速度、PI調(diào)節(jié)器比例、積分系數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)，并能夠在電機運行時隨時改變給定速度。TMS320LF2407提供了串行通訊接口(SCI)，它的兩個外部引腳分別是串行通訊數(shù)據(jù)的接收引腳和發(fā)送引腳。系統(tǒng)經(jīng)過RS232協(xié)議與上位機的COM1口進行通訊。4軟件設(shè)計本系統(tǒng)軟件程序結(jié)構(gòu)是由一個主程序和四個中斷程序組成。四個中斷程序分被為定時器l下溢出中斷，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的采樣計算；XINT中斷程序參與轉(zhuǎn)子位置檢測；CAP中斷程序和定時器2中斷服務(wù)程序共同實現(xiàn)M/T法轉(zhuǎn)速的檢測。圖4.1為主程序流程圖，圖4.2、圖4.3、圖4.4、圖4.5分別為四個中斷程序流程圖。

定時器1中斷服務(wù)程序保護現(xiàn)場關(guān)中斷▼讀光電編碼器的計數(shù)值1r計算轉(zhuǎn)子位置1得轉(zhuǎn)子位置的正余弦1計算電流反饋1r坐標變換1r