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上海交通大学硕士学位论文永磁同步电机矢量控制的研究与应用硕士研究生：翟程远学号：1100319068导师：陈德荣副教授申请学位：工学硕士学科：电力电子与电力传动所在单位：电子信息与电气工程学院答辩日期：2013年1月授予学位单位：上海交通大学DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterRESEARCHANDAPPLICATIONOFPMSMVECTORCONTROLCandidate：ZhaiChengyuanStudentID:1100319068Supervisor：Assoc.Prof.ChenDerongAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PowerElectronicsandElectricalDriveAffiliation：SchoolofElectronicInformationandElectricalEngineeringDateofDefence：January,2013Degree-Conferring-Institution：ShanghaiJiaoTongUniversity上海交通大学工学硕士学位论文摘要第I页永磁同步电机矢量控制的研究与应用摘要目前自动门的控制方式主要有直流脉宽调速、交流异步变频调速和直流无刷控制，控制对象都是高速电机，需要附加额外的减速装置才能实现自动门的开关动作，导致结构复杂、故障率高、维护困难。而永磁同步电机以其结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高的特点，在伺服控制领域将逐渐取代传统的直流电机。以DSP作为控制芯片，其功能强大、运算速度快，可以实现高精度的电机伺服控制。论文首先介绍了电力传动技术、运动控制技术和交流伺服传动系统的发展，论述了永磁同步电机矢量控制和直接转矩控制策略的原理。随后分析了永磁同步电机模型（同步电机的结构、坐标变换原理、电机数学模型）和空间矢量SVPWM技术的基本原理、法则推导和控制算法，以及常用的PMSM矢量控制方法（id=0控制、最大电磁转矩/电流控制、弱磁控制和最大输出功率控制）。在软件MATLAB/SIMULINK环境下仿真了SVPWM控制波形，搭建了直接转矩控制和矢量控制策略下的永磁同步电机控制系统，并且对比分析两种控制策略下的转速、转矩输出波形。经过比较后，确定针对id=0的控制方案进行实验研究。本文设计的PMSM矢量控制系统采用TI公司TMS320F2812的DSP作为控制芯片，进行了硬件电路的设计与矢量控制程序的编写。上海交通大学工学硕士学位论文摘要第II页硬件上DSP控制板和电机驱动板的设计，包括主回路、驱动电路、电流检测电路、AD转换电路、过压保护电路、HALL/ECNODER检测电路和串口通信电路等。并在CCS开发环境下，对PMSM矢量控制方案进行软件开发，完成主要模块的算法设计，包括SVPWM、Clarke/Park变换、AD采样和QEP等算法的实现。最终，通过对PMSM调速系统的测试，得出电机的PWM驱动、定子电流、转速、转矩、SVPWM相电压和编码器检测信号等实验波形，并对实验结果进行分析，表明：在id=0的磁场定向控制方式下，系统调速性能良好，动态响应快。并应用于实验室的平移自动门实验平台，实现了永磁同步电机电流环、速度环、位置环的闭环控制，符合系统的设计要求。关键词：自动门；永磁同步电机；矢量控制；直接转矩控制；闭环控制上海交通大学工学硕士学位论文ABSTRACT第III页RESEARCHANDAPPLICATIONOFPMSMVECTORCONTROLABSTRACTThemaincontrolmethodsofautomaticdooratpresentareDCPWM，VVVFandBLDCwithahighspeedmotor.Itneedsadditionalreductiongeartorealizethedooropeningandclosingaction,resultingincomplicatedstructure,highfailurerateandmaintenancedifficulties.PMSM,featuringinitssimplestructure,smallvolume,littleweightandhighefficiency,isreplacingDCmotorgraduallyinthefieldsofservocontrolsystem.SowithDSPasthecontrolchip,itcanrealizehighprecisionmotorservocontrol.Atfirst,thepaperintroducedthedevelopmentofelectricdrivetechnology,motioncontroltechnologyandACservocontrolsystem.ThenitdiscussedtheprincipleofPMSMvectorcontrolanddirecttorquecontrol.ThemodelofPMSMhasbeenanalyzed,includingthestructure,coordinatetransformationandthemathematicalmodel.ThealgorithmofSVPWMtechnologyiselaboratedindetail.Thereare4commonmethodsofPMSMvectorcontrolsuchasid=0,maxTe/icontrol,fieldweakeningandmaxoutputpowercontrol.Usingthesimulationsoftware(MATLAB/SIMULINK),theauthorsimulatedtheSVPWMmodel,上海交通大学工学硕士学位论文ABSTRACT第IV页establishedthePMSMcontrolsystembasedondirecttorquecontrol(DTC)andvectorcontrol(VC).Aftercomparisonoftwodifferentcontrolsystemsimulation,VCsystem(id=0)wouldbefurtherstudiedafterwards.TMS320F2812chipwasdesignedasthecontrolunitofthesystem.Thepaperalsodesignedthehardwarecircuitofcontrolandpowerboard,includingmainloop,drivecircuit,ADconversion，currentdetectionandprotectioncircuit,HALL/ENCODERdetection,SCI，etc.WithinthedevelopmentenvironmentofCCS,theprogramshavebeendescribedinthepaper,includingthefunctionsandalgorithmsofSVPWM,Clarke/Parktransformation,ADsampling,QEPandsoon.Finally,theresultsofthetestshowedthewaveformsofPWMsignal,statorcurrent,speed,torqueandencodersignal.TheperformanceofPMSMsystemhasafastdynamicresponseunderthevectorcontrolforid=0.Itrealizedthecurrentloop,speedloopandpositionloopcontrolsystem,andisappliedtotheexperimentalplatformofautomaticdoorinthelaboratory.Asaresult,thesystemperformedasexpected.KEYWORDS:Automaticdoor,PMSM,vectorcontrol,DTC,closed-loopcontrol上海交通大学工学硕士学位论文目录第V页目录摘要...........................................................................................................................IABSTRACT.............................................................................................................III第一章绪论...............................................................................................................11.1课题研究的背景意义.......................................................................................11.1.1电力传动技术简介.................................................................................11.1.2电机调速系统发展.................................................................................11.1.3电机调速分类.........................................................................................21.2永磁同步电机调速控制系统国内外研究概况...............................................31.3永磁同步伺服系统控制策略...........................................................................41.3.1矢量控制技术.........................................................................................51.3.2直接转矩控制.........................................................................................51.4论文主要研究内容...........................................................................................6第二章永磁同步电机矢量控制理论.......................................................................72.1PMSM电机模型..............................................................................................72.1.1同步电机的结构............................................