三相永磁同步电动机变频调速系统设计

运动控制系统课程设计题目：三相永磁同步电动机变频调速系统设计专业班级：自动化姓名：学号：指导教师：评阅意见：指导老师签名：日期：2014年月日摘要本论文在研究永磁同步电动机运行原理的基础上详细讨论了其变频调速的理论并且设计了一套基于DSP的永磁同步电动机磁场定向矢量控制系统。永磁同步电动机相对感应电动机来说具有体积小、效率高以及功率密度大等优点，因此自从上个世纪80年代，随着永磁材料性能价格比的不断提高，以及电力电子器件的进一步发展，永磁同步电动机的研究也进入了一个新的阶段。由于永磁同步电动机自身具有比感应电动机更为优越的性能，而且其dq变换算法相对简单、电机转子磁极的位置易于检测，因此交流调速的矢量控制理论在永磁同步电动机的控制领域也得到了同样的重视，有关永磁同步电动机矢量控制研究的成果陆续发表。本文就是应用电压矢量控制SVPWM实现对永磁同步电机的转矩控制，使其拥有直流电机的性能。关键词：永磁同步电机矢量控制dq变换DSP目录1绪论............................................................................................................................11.1研究背景与意义.................................................................................................11.2研究现状及应用前景.........................................................................................12永磁同步电机的矢量控制方法................................................................................33硬件电路设计............................................................................................................43.1电流检测电路.....................................................................................................43.2转速检测和转子磁极位置检测电路.................................................................53.3PWM发生电路...................................................................................................63.4IPM智能功率模块驱动电路..............................................................................73.5系统保护电路.....................................................................................................83.6人机接口电路.....................................................................................................94软件设计....................................................................................................................9设计心得..................................................................................................................12参考文献..................................................................................................................1311绪论1.1研究背景与意义众所周知，电动机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为了在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法：一种是在电机绕组内通以电流来产生磁场，这种电励磁的电机既需要有专门的绕组和相关的装置，又需要不断的供给能量以维持励磁电流的持续流动；另一种方法是用永磁体来产生磁场。由于永磁体材料的固有特性，它经过预先磁化(充磁)后，不需要外加能量就能够在其周围空间建立磁场。永磁电机的发展是与永磁体材料的发展密切相关的。近几十年来，由于各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、构成和制造技术进行了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢、钴钢等多种永磁材料。特别是20世纪30年代出现的铝镍钻永磁和50年代出现的铁氧体永磁，磁性能有了很大的提高，各种微型和小型电机又纷纷采用永磁体励磁。永磁电机的功率小至数毫瓦，大至几十千瓦，在军事、工农业和开常生活中得到了广泛的运用，产量急聚增加。按照工作原理，电动机一般分为直流电动机和交流电动机两大类。直流电动机的转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流恒定，通过改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。交流电动机的诞生已经有一百多年的历史。交流电动机又分为同步电动机和感应(异步)电动机两大类。20世纪80年代以前，在变速传动领域，直流调速一直占据主导电位。随着交流调速技术的发展使交流电机的应用更加广泛，但是其转矩控制性能却不如直流电机。因此如何使交流电机的静态控制性能与直流系统相媲美，一直是交流电机的研究方向。本文就是针对永磁同步电机进行的矢量控制的变压变频调速系统设计。1.2研究现状及应用前景自从上个世纪80年代以来，随着电机调速控制理论、电力电子和微电子技术的迅速发展以及永磁材料性能价格比的不断提高，永磁同步电动机的变频调速进入了深入研究和广泛应用的阶段。由于永磁同步电动机自身具有比感应电动机更为优越的性能，而且其dq变换算法相对简单、电机转子磁极的位置易于2检测，因此交流调速的矢量控制理论在永磁同步电动机的控制领域也得到了同样的重视，有关永磁同步电动机矢量控制研究的成果陆续发表。与此同时，对永磁同步电动机的调速控制性能也提出了更高的要求：高性能的永磁同步电动机调速系统除了要有良好的转矩控制性能外，还应具有较宽的调速范围。随着现代工业生产方式的益自动化发展的需要，对作为其中重要组成部分的现代电伺服系统提出了越来越高的性能和技术要求，以永磁同步电动机为核心的电伺服系统具有精度高，稳定性好，转速高，功率密度大等特点，已日渐成为电伺服驱动系统的主流，尤其是在高精度、高性能要求的中小功率伺服领域更是具有取代传统直流伺服系统的趋势。从其应用领域的特点和永磁同步电动机伺服系统自身技术的发展来看，今后永磁同步电动机伺服系统将向着以下两个方向发展：一个是适用于简易数控机床、办公自动化设备、家用电器、计算机外围设备以及对性能要求不高的工业运动控制等领域的简单、成本低的永磁同步电动机伺服系统；另一个方向则是适用于高精度数控机床、机器人、特种加工设备精细给进驱动以及航空、航天用的高性能的全数字化、智能化、柔性化的永磁同步电动机伺服系统。而后一个作为更能充分体现永磁同步电动机伺服系统优点的发展方向也必将是永磁同步电动机伺服系统的重点发展方向。32永磁同步电机的矢量控制方法由电机学理论可知，在三相定子绕组中通入三相对称的电流，可以产生相应的三相磁动势。其合成磁动势是一个圆形的空间旋转磁势。而且可以证明，旋转磁势可以形成一个圆形旋转磁场（若不考虑磁滞和涡流损耗，则旋转磁势和旋转磁场在空间上同相位），并与电机的转子永磁体所产生的磁场相互作用形成电磁力，从而推动转子旋转。由于电动机的转速与电源频率保持严格的同步关系，因而速度不可调。与感应电动机的控制相类似，高性能的永磁同步电动机的变频调速策略也有两种：矢量控制和直接转矩控制。矢量控制技术是从直流电动机的控制中得到启发，其励磁磁通和电枢磁势方向互相垂直，两者互不影响，励磁绕组和电枢绕组又相互独立，故可分别调节其励磁电流和电枢电流，实现对转矩的独立控制。永磁同步电动机的矢量控制就是分别控制定子电流的幅值和相位，包含了id=0控制、cosφ=l控制、恒磁链控制、最大转矩/电流控制等不同的控制方法。将永磁同步电机的转子励磁磁势方向定为d轴，超前90度的方向定义为q轴，于是可以建立dq旋转坐标系。dq轴电流的控制是通过dq轴电压的控制实现的。但dq轴电压无法直接输出，需要转换到三相静止坐标系中输出，系统的控制方案可以设计为图2.1所示。位置调节器ASRACR2/3变换三相电压源逆变器ACR速度计算abc位置传感器dqθ给定ω给定iq给定uqθId给定=0ωiqidiaibicθPM图2.1系统结构图43硬件电路设计系统采用的DSP芯片为TMS320F2407，它是电机专用控制DSP，集成了相当多的电机控制外围电路，这使得系统硬件设计变得十分简单。硬件系统的主回路采用交一直一交电压型逆变器(VSI)形式，由不控整流桥、滤波电容、逆变器以及作为控制对象的永磁同步电动机等组成。硬件部分主要包括：人机接口、整流逆变装置、电流检测、光电码盘信号采集、系统保护等，硬件结构图如图3.1所示。对LF2407控制器而言，其输入量主要为每一采样周期采样的a、b相定子电流信号和由增量式脉冲编码器输出的电机转速信号，输出量主要为IPM功率模块的控制信号。串行接口故障检测DSP控制器TMS320LF2407三相电源三相整流电路IPM逆变电路驱动电路电流传感器脉冲编码器PMSM图3.1系统硬件结构框图3.1电流检测电路在没有中线时，可以认为电动机定子三相电流之和为0，因此检测a、b两相电流值可以重构出c相电流。本系统检测电流使用霍尔电流传感器。由于霍尔元件输出的是弱电流信号，因此必须将该电流信号转换成电压信号，且由于霍尔传感器的输出为有正负方向的电流信号，其转换得到的电压信号也有正负，而TMS320LF2407的片内A/D转换器的输入为0～+5V的电压信号，因而需要电平偏移电路，将有正负极性的电压信号转换为LF2407A/D转换器所需的单极性电5压信号。电流采样电路的原理框图如图3.2所示。LEM2.5V电压偏移ADC输入电压放大器输出电压霍尔元件输出电压图3.2采样电路原理图3.2转速检测和转子磁极位置检测电路高性能的变频调速系统一般都要求有高精度的速度和转子位置反馈元件。光电编码器是一种直接将角位移变量转换为数字信号的检测元件。因为具有较高的分辨率和简单的接口电路，所以特别适合于交流调速系统。系统中选用增量式光电脉冲编码器检测转速，转子速度和位置检测的DSP外部接线电路如图3.3所示。图中PCA、PCB是从编码器上引出的增量式光电信号，两路信号相位相差90度。C1、C2、C4、C8是从编码器混合编码盘得到的反映电机转子绝对位置的光电信号，按照格雷码规律变化，其中，C1的变化频率是C2的一倍，是C4、C8的四倍，C4、C8同频率，但相位相差90度。整形后的信号，PCA连接到DSP的CAP1、CAP3管脚，PCB连接到CAP2、CAP4管脚。格雷码信号Cl、C2、C4、C8分别接到DSP的4个通用10端口IOPA0、IOPA1、IOPA2