基于DSP的三相永磁同步电机调速系统各种资料汇总精华.docx
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基于DSP的三相永磁同步电机调速系统各种资料汇总精华
PMSM的特点是体积小、重量轻、功率因数高,力矩惯量比大,定子电流和定子电阻损耗小,能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制,目前在工业伺服系统中占主导地位[1-3]。
PMSM构成伺服驱动系统的性能,一方面由电机本身性能决定,另一方面与电机驱动控制器的性能密切相关。
根据负载特性选择或设计合适的控制算法对提高系统性能至关重要。
目前PMSM普遍选用变压变频调速控制或磁场定向矢量控制作为根本驱动控制算法,构成电流、转速双闭环系统或电流、转速、位置(或转矩)三闭环系统,其中电流、转速及位置控制器可采用各种控制算法进行设计,如典型的PID控制、模糊控制、自适应控制或滑模变结构控制等
在此基于TMS320F2812型DSP对PMSM电驱动控制器进行了设计,采用转子磁场定向矢量控制算法及SVPWM方法,设计了电流、转速双闭环结构,电流控制器与转速控制器采用经典PID算法。
为验证所设计驱动控制系统,开发了一套实验平台,基本实现了PMSM的驱动与调速功能
。
[摘要]为了提高永磁同步电动机伺服系统的控制精度和控制速度,文章讨论了基于DSP的永磁同步伺服系统的软硬件组成及设计方案,应用转子磁场定向矢量和弱磁控制,采用TMS320LF2407数字信号处理器,实现了对永磁同步伺服电机的矢量控制。
仿真结果表明,应用高速DSP芯片,采用矢量控制的永磁同步电机伺服系统具有良好的动态响应性能和静态性能,并具有结构紧凑,设计合理,控制灵活等优点。
[关键词]同步电动机;伺服系统;DSP
0.引言
随着生产自动化水平的不断发展,对伺服系统性能的需求越来越高。
交流永磁同步电动机因其结构简单,运行可靠等优点,应用矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的速度和位置控制,越来越受到关注。
DSP器件与当前流行的单片机相比,其结构性能都有很大的改善,其处理速度和控制精度极大提高。
为了进一步提高对伺服电机的矢量控制控制水平,采用高速DSP芯片TMS320LF2407,实行转子磁场定向矢量和弱磁控制,其不仅具有很好的实时运算能力,而且具有丰富的电机控制外围电路和接口资源,可简化软硬件设计,减小控制系统的体积。
1.控制模型与系统
1.1控制模型
三相永磁同步伺服电动机模型是一个多变量,非线性、强耦合系统。
为了实现转矩线性化控制,就必须对转矩的控制参数实现解耦,常用的解耦控制方法是转子磁场定向控制。
转子磁场定向控制实际上是将odq同步旋转坐标系统放在转子上随转子同步旋转。
其d轴(直轴)与转子的磁场方向重合(定向),q轴(交轴)逆时针超前d轴90°电角度。
假设电动机是线性的,参数不随温度等变化,忽略磁滞、涡流等损耗。
基于电动机统一理论的结论可以得到转子坐标系(d-q轴系)中的永磁同步电动机定子磁链方程为:
Ψsd=Ldisd+Ψr
Ψsq=Lqisq
其中,Ψr:
转子磁钢在定子上的耦合磁链;Ld、Lq:
永磁同步电动机的直、交轴主电感;isd、isq:
定子电流矢量的直、交轴分量。
定子电压方程为:
usd=rsisd+pΨsd-ωΨsq
usq=rsisq+pΨsq-ωΨsq
其中,usd、usq:
定子电压矢量us的d、q轴分量;ω:
转子角频率。
转矩方程为:
Td=pm(Ψsdisq-Ψsqisd)=pm[Ψrisq+(Ld-Lq)isdisq]
从上式可以看出,永磁同步电动机的电磁转矩基本上取决于定子交轴电流分量和直轴电流分量。
在永磁同步电动机中,由于转子磁链恒定不变,故可采用转子磁链定向方式来控制永磁同步电动机。
为了简化控制系统常取isd=0,isq=is。
这时,电磁转矩只与定子电流的幅值成正比即:
Td=pmΨris
这与直流电动机原理类似,实现了对力矩的控制参数的解耦,达到矢量控制的目的。
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1.2永磁同步伺服电动机磁场定向矢量控制系统
图1是采用DSP的三相永磁同步伺服电动机全数字控制的结构图。
图1三相永磁同步伺服电动机磁场定向矢量控制系统结构图
Fig.1BlockdiagramoffieldorientatedvectorcontrolsystemofthreephasePMSM
通过电流传感器测量逆变器输出的定子电流,经过DSP的A/D转换器转换成数字量,并利用式iC=-(iA+iB)计算出iC。
通过Clarke变换和Park变换将电流iA、iB、、iC变换成旋转坐标系中的直流分量isq、isd,isq、isd作为电流环的负反馈量。
利用增量式编码器测量电动机的机械转角位移θm,并将其转换成电角度θe和转速n。
电角度θe用于参与Park变换和逆变换的计算。
转速n作为速度环的负反馈量。
给定转速nref与转速反馈量n的偏差经过PI调节器,其输出作为用于电流q轴参考分量isqref。
isqref和isdref(等于零)与电流反馈量isq、isd的偏差经过电流PI调节器,分别输出O旋转坐标系的相电压分量Vsqref和Vsdref。
Vsqref和Vsdref再通过Park逆变换转换成Odq直角坐标系的定子相电压矢量的分量Vsαref和Vsβref。
当定子相电压矢量的分量Vsαref、Vsβref和其所在的扇区已知时,就可以利用电压空间矢量SVPWM技术,产生PWM控制信号来控制逆变器。
以上操作可以全部采用软件来完成,从而实现三相永磁同步伺服电动机的实时控制。
2.系统硬件与软件设计
2.1系统硬件设计
如图2所示,永磁同步电动机伺服系统的硬件主要由以下几部分构成:
1.以TMS320LF2407为核心的主控单元;2.整流器;3.IPM逆变器;4.电动机及编码器;5.检测及保护电路;6.驱动及隔离电路等部分组成。
图2永磁同步电动机伺服系统的硬件结构框图
Fig.2BlockdiagramofhardwareforPMSMserfosystem
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2.2系统软件设计
永磁同步电动机的控制软件主要分为主程序模块和中断程序模块。
主程序主要完成控制寄存器的初始化和相关参数变量的初始值的设定,等等。
中断服务程序主要有PWM定时中断程序,功率驱动保护程序和通讯中断程序三部分组成。
其中PWM定时中断程序是整个伺服控制程序的核心。
它实现了电流环以及矢量控制、PWM信号的生成;每个控制周期完成一次对速度环和位置环的控制。
PWM定时中断子程序流程图如图3所示。
图3PWM定时中断子程序框图
Fig.3BlockdiagramofsubprogramforPWMtimeinterruption
3系统仿真
应用Matlab/simulink建立PWSM控制系统仿真模型,仿真参数设置如下:
电机额定转速1000r/min,额定功率800W,额定电压380V,额定转矩2N﹒m,定子机绕组电阻3.3Ώ,轴有效电感0.083H,转子磁链0.223Wb,转动惯量0.0008kg﹒m2
图4PWSM仿真输出曲线
本帖最后由chenci2013于2013-6-1720:
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从仿真曲线可以看出,转速、转矩、相电流在起动之后,很快达到稳定值。
表明应用高速DSP芯片,采用矢量控制的永磁同步电机伺服系统具有良好的动态响应性能和静态性能。
4结论
TMS320LF2407数字信号处理器作为单片机的换代产品,实现了对永磁同步电机伺的速度、位置的矢量控制,充分发挥了矢量控制的作用,提高了控制速度和精度。
本文的创新点在于应用转子磁场定向矢量和弱磁控制,采用新型数字信号处理器,使得系统硬件设计更加简单,并具有体积小、重量、,效率高过载能力强和性价比高等优点。
参考文献
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清华大学出版社,2005.3.
[3]王晓明,王玲.电动机的DSP控制——TI公司DSP应用[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2004.7.
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[5]郭宏,郭庆吉.永磁同步电机伺服系统[J].哈尔滨工业大学学报,1996[6]:
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80~82.
[7]刘建棚,刘建辉.基于TMS320F240的交流变频调速系统[J].微机算机信息,2004[2]:
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基于DSP的永磁同步电机控制设计总说明3Abstract41.绪论51.1交流调速概述51.2相关领域发展51.2.1功率器件发展51.2.2变频技术发展61.2.3电机制造技术和交流调速理论的发展61.2.4控制理论发展71.2.5微处理器发展81.3国内外研究动态和发展方向81.4本文研究的主要内容92永磁同步电机结构及控制原理92.1永磁同步电机控制理论的发展92.2永磁交流伺服控制系统92.3永磁同步电机的矢量控制原理102.3.1永磁同步电机的内部结构和种类102.3.2永磁同步电机的控制策略102.3.3永磁同步电机数学模型的建立11182.4.1空间矢量的定义182.4.2电压与磁链空间矢量的关系182.4.3六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场202.4.4T1,T2,T0的计算232.5电机的位置检测原理242.6光耦隔离电路的原理272.7逆变器原理29第三章硬件电路设计343.1系统硬件总体设计343.2主控芯片DSP2812的基本特征353.3DSP外设介绍353.4主电路模块设计413.4.1整流滤波电路的设计413.4.2逆变电路的设计423.4.3测速电路的设计433.4.4通信接口电路设计44图3-2SCI接口电路图443.4.5最小系统电路453.5LED显示电路45光耦隔离电路462.第五章软件设计475.1DSP开发软件的安装与应用47总结与致谢56参考文献57
基于DSP的永磁同步电机控制设计总说明随着电力电子技术现代控制技术以及计算机微芯片技术的迅速发展,在交流调速技术中,变频调速以其优异的调速性能和高效节能效果等优点成为了国内外交流调速系统的发展方向,现阶段运用计算机电子技术的最新发展成果将成熟的电机控制理论应用并构建成完整的系统已经是该领域内研究的一个热点。
在交流伺服系统中,由于电机本身具有的非线性和强耦合特性,其控制方法相当复杂,因此用普通单片机很难取得良好的控制效果。
本文中采用TI公司的高速数字信号处理器TMS320F2812为控制核心,利用空间矢量脉宽调制控制算法,可以有效地解决电机的强耦合特性;适时地控制电机的转矩、速度和位置状态;并且不用过大体积的能量变换装置即可随意地控制瞬态电流的幅值;当采用正弦波电流驱动时,可以完全消除转矩的波动。
采用TMS320F2812定点数字信号处理器为主控芯片,完成电流环、速度环,位置环的算法实现及其控制。
由于TMS230F2812的高集成、高性能的特点,使得控制系统具有控制精度高、硬件简单、可靠性能高等优点。
系统主要由DSP、IPM(智能功率模块、检测电动机速度信号和电流信号的传感器、光电隔离电路、电源电路等组成。
首先,传感器将检测到的定子相电流信号和转速信号送入DSP的ADC和QEP,DSP对检测的信号进行相应的运算处理后产生PWM脉冲信号,经光电隔离后,驱动IPM智能功率模块以产生期望的电压来控制电机运行。
此外,系统还具有键盘设定及显示功能。
本论文是基于电机矢量控制理论构建了系统的模型并以TI公司的电机控制专用DSP芯片TMS320F2812为核心设计开发了一套针对永磁同步电机的变频调速数字化控制系统。
详细介绍了DSP开发软件CCS3.3的安装与应用,DSP2812芯片结构特点,电机的空间矢量控制理论以及PWM逆变技术。
给出了系统的硬件总体方案和主要模块的设计,包括主控制电路以及一些器件模块的选取,采用空间电压矢量SVPWM调制方式并给出了基于DSP芯片的软件编程。
关键字:
DSP2812;空间电压矢量控制;永磁同步电机AbstractAstherapiddevelopmentofmoderncontroltechnologypowerelectronictechnologyandcomputermicrochiptechnology,thespeedofregulatingtechnique,frequencycontrolofmotorspeed,withitsexcellentspeedregulatingperformanceandadvantagesofhighefficiencyandenergysavingeffect,hasbecomeadevelopmentdirectionofacspeedregulatingsystembothathomeandabroad,usingthelatestdevelopmentsofcomputerelectronictechnologyatthepresentstagetoapplymaturemotorcontroltheory,andbuildintoacompletesystemhasbeenahotspotofresearchinthisarea.Thispaperisbasedonthetheoryofmotorvectorcontrolsystemmodel,themotorcontrolspecialDSPchipTMS320F2812ofTIcompanyasthecorewasdesigned,developedasetofdigitalfrequencycontrolofmotorspeedcontrolsystemforpermanentmagnetsynchronousmotor.CCS3.3DSPdevelopmentsoftware,theinstallationandapplicationofDSPchip2812structurecharacteristics,andthespacevectorcontroltheoryofmotorandPWMinvertertechnologypresentsareintroducedindetailinthispaper.Givesthesystemschemeofhardwareandthemainmoduledesign,includingtheselectionofmaincontrolcircuitandsomedevicemodule.AdoptsthespacevoltagevectorSVPWMmodulationmethodandthesoftwareprogrammingbasedonDSPchipisgivenKeywords:
DSP2812;voltagespacevectorcontrol;permanentmagnetsynchronousmoto
绪论
1.1
交流调速概述在电力系统中,电动机负荷约占总发电量的60%~70%。
电动机作为把电能转换为机械能的主要设备,不仅要具有较高的机电能量转换效率,而且应能根据生产机械的工艺要求,控制和调节旋转速度。
调速系统是伺服系统的重要组成部分,其性能对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能起着决定性的影响,因此,调速系统一直是传动领域的一个研究热点。
调速系统是由功率部分、执行部分和控制部分三大要素组成的一个有机整体,各部分之间的不同组合,构成多种多样的调速系统。
长期以来,直流电动机因其调速性能优越而掩盖了其结构复杂、难以维护等缺点,广泛应用于工程中。
但直流电动机的固有缺点,限制了其向高转速、高电压、大容量方向的发展。
近年来,随着大功率开关器件、模拟和数字专用集成电路的不断问世,控制理论的不断进步,以及高性能微处理器的出现,为交流调速技术的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础,促使其迅速发展,并进入了实用化阶段。
现阶段,交流调速系统不但性能可以和直流调速系统相媲美,而且成本和维护比直流调速系统更低,可靠性更高。
国内外直流传动装置的生产呈下降趋势,而交流变频调速装置的生产大幅度上升。
目前已形成直流电动机、异步电动机、永磁同步电动机为执行机构的三大类调速系统。
20世纪80年代以来,随着价格低廉、性能优越永磁材料的出现,永磁同步电机的研究和应用得到了空前的发展。
永磁同步电机具有结构简单、体积小、重量轻、转动惯量小、调速范围宽、转矩脉动小、无需励磁电流、功率因数高、发热少等优点,因此广泛的应用于数控机床、工业机器人、医疗器械、化工、轻纺、计算机外设、仪器仪表、微型汽车和电动自行车等领域。
随着永磁电机控制技术的成熟和完善,永磁同步电机的应用领域也越来越广泛:
从小型到大型、从一般的控制驱动到高精度的伺服系统、从日常电器到各种高精尖的科技领域均采用永磁电机作为主要的驱动电机。
1.2相关领域发展永磁同步电机的应用和发展离不开电机制造技术、永磁材料、传感器、功率器件、微处理器和控制理论等各方面技术、理论的发展与综合。
1.2.1功率器件发展电力电子技术是弱电与被控强电之间的桥梁。
交流调速系统中,功率主回路中的电力半导体是现代电力电子设备的心脏和灵魂,电力半导体器件的发展为交流调速系统的完善奠定了基础。
其发展主要经历了三个阶段:
50年代出现的半控型器件,由其构成的逆变器用于交流调速系统必须附加强迫换向电路;70年代以后出现的本身兼有开通和关断功能的全控型高速器件和复合型器件;80年代以后出现的智能功率模块(IPM)是微电子技术和电力电子技术相结合的产物,它不但能提供一定的功率输出,而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护、自诊断等功能,是功率器件的重要发展方向。
1.2.2变频技术发展调速系统必须具备能够同时控制电压幅值和频率的电源,而电网提供的是恒压恒频的电源,因此应该配置变压变频器。
从整体结构上看,电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类当前应用最广泛的是由不控整流和全控型功率开关器件组成的脉宽调制逆变器构成的变压变频器。
目前脉宽调制技术主要有正弦脉宽调制(SPWM)、电流滞环控制(CHBPWM)、空间矢量脉宽调制(SVPWM)等。
SPWM旨在输出正弦电压,CHBPWM旨在输出正弦波电流,SVPWM是针对形成旋转的圆形磁场提出的,所以比较适合于电机调速的矢量控制和直接转矩控制。
1.2.3电机制造技术和交流调速理论的发展作为传动系统执行部件的电机,要求具有体积小、重量轻、输出力矩大、低转动惯量、优良的起制动性能、宽的调速范围、转矩脉动小等特点。
直流电机控制简单,调速性能好,变流装置简单,长期以来在调速系统中占主导地位。
直流电机由于存在机械换向、维护困难、工作环境要求较高、转动惯量大、效率低、散热条件差等缺点,限制了其向高转速、高电压、大容量的方向发展。
交流电机克服了上述直流电机调速系统的缺点,因而逐渐取代直流电机,成为调速和伺服系统的主要执行部件。
交流调速电机主要有异步感应电动机、永磁同步电机(包括永磁同步正弦波电机和直流无刷方波电机)、开关磁阻电机。
异步感应电机结构简单,价格低廉,不需要特殊维护,易于实现高速运行。
永磁同步电机无励磁电流,功率因数高,发热少,结构简单,转动惯量小。
开关磁阻电机转子结构简单,无需励磁,控制策略易于实现,可实现超高速运行。
国内外感应电机、永磁同步电机、开关磁阻电机调速系统的研究都在不断的发展,并取得了显著的成果。
永磁同步电机的发展和永磁材料的发展息息相关,我国的永磁材料丰富,随着制造工艺的不断进步,性能不断的完善,价格逐渐下降,永磁同步电机正朝着高效、高启动转矩、大功率的方向发展,应用前景也会越来越广泛。
交流电机具有强耦合、时变、非线性等特点,为了能够实现高性能的交流调速系统,使之具备优良的动态和静态特性,且对外界的扰动具有不敏感性,控制策略的选择发挥着至关重要的作用。
优良的控制策略不仅能弥补硬件上的不足,而且能进一步提高系统的综合性能。
目前,比较成熟的交流调速系统控制策略主要有:
VVVF变压变频控制、矢量控制和直接转矩控制。
VVVF的控制对象是电机的外部变量:
电压和频率,属于开环控制,无须引入反馈量,无法反映电机的状态,不能精确控制电磁转矩,因而控制精度不高,而且对于同步电机容易引起失步。
1971年德国西门子公司的F.Blaschke提出了矢量控制理论,使交流电机控制理论获得质的飞跃。
矢量控制思想的核心是将电机的三相电流、电压、磁链从三相静止坐标系中变换到以磁场定向的两相旋转坐标系中,从而实现定转子之间的解耦。
矢量控制需要进行坐标变换,精确观测转子磁链大小和空间位置,运算量大,且在异步电机控制中易受到转子参数变化的影响。
1.2.4控制理论发展控制理论的发展经历了三个阶段。
首先是以传递函数为基本的描述、以频域法或根轨迹法作为主要分析和设计方法的经典控制理论。
经典控制理论局限于对单输入和单输出系统的分析,对系统的状态无法进行观测和进行定性、定量的分析。
对于多变量、多输入、多输出、控制精度要求较高的复杂系统,经典控制理论逐渐表现出不足之处。
针对上述经典控制理论的不足,基于状态方程或差分方程的现代控制理论逐渐发展起来。
现代控制理论主要包括线性系统的分析与综合、最优控制、系统辨识、最优估计等重要理论分支。
经典控制理论和现代控制理论都是以被控对象的数学模型为基础,所以精确建立系统数学模型是至关重要的。
但在现实中,对于存在各种不确定因素、非线性或参数时变的系统,建立其数学模型是十分困难的。
为了分析和综合难以建立数学模型、结构复杂、难以设计控制器的系统,预测控制、非线性控制、智能控制也逐渐发展起来并得到广泛的应用。
1.2.5微处理器发展实现优良的控制策略必须有性能优越的控制器作为基础。
模拟控制器具有以下优点:
抗干扰能力强,不会因峰值噪声的影响导致致命的误动作;控制信号连续,响应速度快;信号易读取、测量等。
但是,模拟控制器也存在以下不足之处:
参数不易调整、自适应能力差、难以实现高精度和复杂的控制策略、集成度不高、硬件复杂、通用性差等。
正是由于模拟控制器的上述缺陷,以DSP数字信号处理器为核心的数字控制器迅速发展起来。
数字控制一定程度上克服了模拟控制的某些缺陷,能实现模拟系统不能实现的高复杂和高精度的控制算法,具有硬件电路简单、可靠性好、集成度高、易于移植、自适应能力强、数据采集速度快、易于实现监控、故障诊断和自恢复等优点,但也存在量化误差、受微处理器运算速率限制等不足之处。
数字控制在传动领域中的推广很大程度上取决于控制芯片的性能。
目前,在运动控制领域中
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