基于DSP的永磁同步电机控制系统设计.doc

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1、 目录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 永磁同步电动机11.1.1 交流同步电机调速特点11.1.2 永磁同步电机简介11.2 伺服系统31.2.1 伺服系统的发展31.2.2 控制策略的概述41.2.3 直接转矩控制介绍51.3 本设计的主要内容62 永磁同步电机的直接转矩控制72.1 永磁同步电机数学模型72.1.1 dq轴系下的永磁同步电机模型72.1.2 xy轴系下的永磁同步电机模型92.2 基于滞环比较器的直接转矩实现122.2.1 永磁同步电动机直接转矩控制控制系统数字化方案122.2.2 电压矢量142.2.3 运动电压矢量的作用143 系统硬件结构173.1 引言17

2、3.2 DSP芯片选型及其功能介绍173.2.1 DSP的选型183.2.2 TMS320F2812功能介绍183.3 功率电路的设计193.3.1 主回路设计193.3.2 延时启动电路设计213.3.3 智能功率模块213.3.4 直流侧电压的检测及过压欠压保护电路243.3.5 辅助电源的选取253.4 DSP控制板电路设计263.4.1 模拟信号调理电路设计263.4.2 位置检测电路设计273.4.3 通信接口电路设计283.4.4 DSP最小系统284 系统软件设计314.1 光电编码器314.1.1 光电编码器介绍314.1.2 转速计算方法314.1.3 转子初始位置检测324

3、.2 直接转矩控制系统的软件设计335 结论35参考文献36致谢39基于DSP的永磁同步电机控制系统设计摘要作为数控机床、机器人、高性能电梯等的重要组成部分，随着加工制造、汽车等行业的发展。永磁同步交流伺服系统成为国内外研究和应用的一个重要领域。本文先对永磁同步电动机优良的调速性能进行说明，介绍了永磁同步电机，对伺服系统的发展历程和趋势进行了阐述。本文通过对永磁同步电机物理模型的分析，建立了永磁同步电机在不同坐标系下的数学模型。并以此介绍了直接转矩控制的系统框图和数字化伺服系统的实现。分析了直接转矩控制中的电压矢量的应用。在对永磁同步电机直接转矩控制系统整体结构分析的基础上，给出了TMS320

4、F2812作为微处理器，实现了该直接转矩控制系统的硬件和软件实现策略。硬件设计包括了功率回路和控制回路的设计，其中功率回路的设计包括主电路、软启动电路、智能功率模块和辅助电源的设计。控制回路的设计包括模拟信号调理电路、通信接口电路、DSP最小控制系统的设计。软件设计给出了主程序和中断程序的流程图，并介绍了光电编码器及其测速检测原理。本论文是关于永磁同步电机直接转矩控制伺服系统的设计。关键词：永磁同步电机，直接转矩控制，伺服系统，TMS320F2812 IVDESIGN OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR CONTROL SYSTEM BASED ON D

5、SPABSTRACTAlong with the development of the manufacturing，as an important of the numerical control machine，he robot and the elevators etc，PMSM servo system has been the important domain of the domestic and home research and applicationThe permanent magnet synchronous motor for superior speed adjustm

6、ent performance was illustrated，and permanent magnet synchronous motor was presentedThe development process and trends of servo systems are describedThrough the analysis of permanent magnet synchronous motor physical model，the mathematical models of permanent magnet synchronous motor in different co

7、ordinate systems was establishedAnd thus presented a direct torque control system block diagram and digital servo system implementationVoltage vector applications in the direct torque control system was interpretedBased on the whole framework of DTC system of PMSM，the thesis proposed the hardware an

8、d software methods of DTC system with TMS320F2812 as controller，and discussed that DSP design methods of direct torque controllerThe hardware part includes a power circuit and control circuitWhere in the power circuit，including the main circuit，soft-start circuit，intelligent power module and the aux

9、iliary power supply designControl loop includes analog signal conditioning circuit，communications interface circuits, DSP minimum control system designSoftware design gives a flow chart of the main and interrupt program routines，and describes the photoelectric encoder and its speed detection princip

10、leThis paper is a design on permanent magnet synchronous motor direct torque control servo systemKEYWORDS: permanent magnet synchronous motor，direct torque control， servo system，TMS320F2812VI1 绪论1.1 永磁同步电动机1.1.1 交流同步电机调速特点旋转电机根据电源的不同可分为交流电机和直流电机，而交流电机又可分为同步电机和感应电机。同步电机相比直流电机，优势主要体现在交直流电机结构差异上。直流电机有换

11、向器，换向器的换向能力限制了其容量和速度；而且换向火花问题一直是直流电机的诟病，同时它对负载能力和动态电量有所要求。所以同步电机具有电机容量大，体积小、占地面积小，动态性能好，维修方便，节约能源等优点。同步电机同比感应电机，同步电机功率因数较高，所以变频器容量和电机尺寸小。因异步电机磁通控制精度取决于转子电阻参数，同步电机精度可单独控制，所以同步电机控制精度相对较高。永磁材料是经过外部磁场饱和充磁后，无需外部能量而能持续提供磁场的一种特殊材料，它是一种重要的磁性功能材料，也称为硬磁材料。根据其制造方式和组成部分来划分有：铸造永磁体、烧结永磁体、可加工永磁体、粘结永磁体。通常永磁材料的矫顽力在8

12、kA/m以上。旋转电机是通过建立气隙磁场来进行机电能量装换的。同步电机可根据其励磁方式分为电励磁同步电机和永磁同步电机。其差别主要体现在转子上，电励磁是直流源通以励磁绕组来产生工作磁场，而永磁励磁则根据硬磁材料本生的高矫顽力、高剩磁、高磁能积的性能来建立气隙磁场。由于永磁励磁方式无需励磁绕组，可实现无刷化，故其具有结构简单、效率较高、维护量小、设计灵活多样等优点。永磁电机因具有结构简单，刚性较好等优点,其应用在国民经济、日常生活、军事工业、航空航天等方面都有所体现，随着永磁材料磁能积、耐高温性能的提高和价格的降低，永磁电机的应用空间会进一步的拓展。基于以上特点，现在伺服系统越来越多的采用永磁同

13、步电机作为伺服电机。1.1.2 永磁同步电机简介永磁电机根据其产生的反电动势波形分为：无刷直流电机和永磁同步电机。无刷直流电机通常具有方波反电动势，方波反电动势由定子集中绕组和方波充磁的表面磁体产生。因为其方波形状的反电动势，所以转子位置的测量可以非常方便地利用反电势的测量得到，而且其控制方式也非常的简单。然而简单的逆变器控制导致了转矩脉动的产生，所以无刷直流电机一般不太适用于高性能驱动。永磁同步电机与无刷直流电机的不同仅在于控制策略和激励电压的方式。在永磁同步电机中，电机反电势的形状基本上是正弦的，其正弦的纯度取决于永磁材料充磁的质量。如果永磁体在转子中放置位置正确，纯正弦的气隙密度是可以得

14、到的。因为实际上定子绕组不会精确正弦分布，因此其气隙密度也只能尽量接近正弦。其电机转子的结构和永磁体的安装方法对电机的性能影响很大。永磁体可以安装于转子表面或是嵌入于转子内部。根据永磁体安放的不同，永磁同步电机可分为以下几种，如图1-1所示。表面安装式转子结构可能最简单、最便宜的一种结构，也是现今用得较多的结构，如图1-1（a）所示。这种结构中电机转子直径变得较小，从而导致电机的小惯量，因而这种结构适用于伺服系统。这种电机的电枢反应非常小，永磁铁的作用类似于空气，因此有效气隙长度较大，永磁电感非常低。这意味着电机的定子磁链几乎与转子永磁体磁链相等。 图1-1 永磁同步电机转子结构 在面贴式PM

15、SM中，永磁体必须放置于有弧度的电机转子表面。一般来说永磁体都已经被打造成型，因此永磁体的构形产生额外的问题和花费。特别是在高速电机中，胶结的部分必须制作得很好。永磁体也可以置于转子表面，这种结构称为插入式转子，如图1-1（b）所示。这种结构的永磁体更稳定，有利于漏磁链增大。但因增大的交轴电感导致了电枢反应的增大，导致了机角的增大和转矩的降低。嵌入式电机虽然结构复杂、昂贵，如图1-1（c）所示。但有高气隙磁通密度，因此它较面贴式电机会产生更大的转矩。因为永磁体嵌入转子中，永磁体去磁的危险性小，电机还可以运行于更高的旋转速度而无需顾虑转子中永磁体是否会遭受离心力破坏，此结构的另一个好处就是气隙磁

16、通易于正弦分布，从而可降低齿槽转矩效应。永磁同步电机还可以根据转子极对数的不同分为单极和多极。本文将重点研究具有近似正弦波反电动势的永磁同步电机。1.2 伺服系统伺服意味着“伺候”和“服从”。广义的伺服系统是精确地跟踪或复现某个给定过程的控制系统，也可称为随动系统。而狭义的伺服系统又称为位置随动系统，其被控量是负载机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量作任意变化时，系统的主要任务是输出量快速而准确的复现给定量的变化。伺服系统按调节理论分类，可分为开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服系统。按使用的驱动元件（即执行机构电动机的类型）分类，可分为步进伺服系统（亦称开环位置伺服系统）、直流伺服系

17、统、交流伺服系统。按进给驱动和主轴驱动分类，可分为进给伺服系统、主轴伺服系统；按反馈比较控制方式分类，可分为脉冲数字比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统、全数字伺服系统；按组成部件的物理性质分类，可分为模拟式伺服系统、数字式伺服系统（即系统的位置检测控制器均采用数字电路或数字计算机来实现）和数模混合式伺服系统。1.2.1 伺服系统的发展伺服系统的发展与伺服电动机的不同发展阶段紧密地联系在一起，伺服电动机至今已有四十多年的发展历史，伺服驱动技术经历了步进电机构成的开环伺服驱动系统、闭环直流伺服系统及目前广泛应用的交流伺服系统三个主要发展阶段。第一个发展阶段（20世纪60年代以前），此

18、阶段伺服驱动是以步进电机驱动的液压伺服马达，或者以功率步进电机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制为开环控制系统。第二个发展阶段（20世纪6070年代），这一阶段是直流伺服电动机诞生和全盛发展的时代，由于直流伺服电动机具有比交流伺服电动机易于控制、调速性能好等优点，相关理论及技术都比较成熟，因此，直流伺服系统在工业及相关领域获得了广泛的应用，很多高性能驱动装置采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环控制系统发展成为闭环控制系统。在数控机床的应用领域，永磁式直流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。但是随着现代工业的快速发展，其相应设备在精度、可靠性能上对电伺服驱动系

19、统提出了越来越高的要求。而传统直流电动机采用的式机械式换向器，在应用过程中存在很多问题，因此，多年来人们一直在努力寻求以交流伺服电机取代具有机械换向器和电刷的直流伺服电机，以满足各种应用领域，尤其是高精度、高性能伺服驱动领域的需要。第三个发展阶段（20世纪80年代至今），这一阶段是以机电一体化时代为背景的，由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电动机、永磁同步交流伺服电动机等种种新型电动机，与其相适应的伺服驱动装置经历了模拟式、数模混合式和全数字化式阶段。20世纪70年代之前，电气伺服系统完全是直流伺服的天下，因为当时用交流电机无法实现高性能的调速系统。80年

20、代之后，随着电机技术、现代电力电子技术、功率电子技术、微电子技术、控制技术及计算机技术的快速发展，微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，大大推动了交流伺服驱动技术的进步，人们借助于高性能的电机专用数字信号处理器（DSP）和各种控制技术，使交流伺服系统的控制性能大大提高。交流伺服技术交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。先前一直困扰的交流伺服电动机控制复杂、调速性能差等问题均取得了突破性的进展，使交流伺服系统性能日渐提高，价格进一步降低，交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一。交流伺服系统将逐步取代直流伺服系

21、统，尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域。1.2.2 控制策略的概述控制策略的发展推动着伺服系统的升级和进步。控制交流伺服系统的关键是实现电机瞬时转矩的高性能控制。矢量控制是由德国西门子公司的Blaschke于1971年提出的。矢量控制理论的基本思想就是以转子磁链这一旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的两个分量，一个与磁链方向相同，代表定子电流的励磁分量；另一个则与励磁方向正交，代表定子电流的转矩分量。分别对两个分量进行独立的控制可以获得直流电机一样良好的动态特性。矢量控制需要进行复杂的坐标变换，并且对电机的参数依赖性很大，即使电机参数能够精确测量，也只有在稳态的情况下才能实

22、现完全解耦。采用普通PI调节器的矢量控制系统，其性能受参数变化以及各种不确定性影响比较严重，即使在参数匹配的条件下可以取得比较好的性能，一旦系统参数发生变化则会导致性能恶化。1985年德国的Depenbrock和1986年日本的TaKahashi提出的直接转矩控制以及1988年德国Broeck博士提出的空间矢量脉宽调制技术，首先应用于交流伺服电机上并且很快移植到永磁同步伺服电机，给永磁交流伺服系统动静态性能的提高带来了新的革命。直接转矩控制主要特点就是将矢量控制中的以转子磁通定向更换为以定子磁通定向，通过转矩偏差和定子磁通偏差来确定电压矢量，没有复杂的坐标变换，在线计算量比较小，实时性较强。直

23、接转矩控制的研究虽然已经取得了很大的发展，但是它在理论和实践上都还不够成熟，如在低速性能、转矩脉动、带负载能力等方面还不是很令人满意。随着控制理论和数字控制技术的发展，神经网络控制、模糊控制、自适应控制、鲁棒控制、滑模变结构控制、非线性控制和混沌控制等各种先进的控制技术在永磁同步伺服电机的控制中都有了成功的应用，尽管还存在一定的局限性。另外，永磁同步伺服电机的无位置传感器控制技术也取得了一些成果。各种控制策略都有其特长又都有其自身难以克服的缺点，所以要想取得比较好的控制性能，各种控制策略必须互相渗透，取长补短形成控制效果更好的复合控制策略，这样可以克服单一控制策略本身的缺点，更好地满足系统控的

24、需要。1.2.3 直接转矩控制介绍本文主要设计直接转矩控制下的伺服系统，是根据U-I通过控制空间电压矢量来控制定子磁链矢量从而达到对转矩的控制。1985年德国鲁尔大学教授Depenbrock教授提出直接转矩控制，翌年日本学者I.TaKahashi相继提出定子磁链为圆形的异步电动机直接转矩控制（DTC）。其后ABB公司独树一帜，相继推行了一系列以其为核心的产品。现在对直接转矩控制的研究主要有深入和完善、将现代控制技术结合DTC的纵向的研究和将DTC应用于其他电机的横向开拓。相比磁场定向控制，直接转矩不需要将交流电动机和直流电动机进行比较、等效和转化；既不必要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦合

25、而简化交流电动机的数学模型，省掉了复杂的矢量旋转变换与计算；具有转矩响应快速，且具有较好的动静态性能。但由于定子电阻是非线性时变电阻，它在低速调速方面不尽人意；又因对空间电压矢量进行最优选择，磁链和转矩具有较大的脉动。不过应用现代控制技术可一定程度的弥补这些缺陷。然而先前的直接转矩控制都大部分集中在异步电动机的实现上，因为异步电机是建立在对电机转差角频率控制的理论基础上的，而同步电机中实际上不存在转差角频率的概念。1997年，Rahman和ZhongL首先提出了永磁同步电机直接转矩控制理论。在建立固定转子上旋转坐标系dq及固定定子上旋转坐标系xy基础上，运用已有异步电机DTC研究成果，给出了静

26、止坐标系下永磁同步电机直接转矩控制下的转矩方程。并指出通过控制定子磁链幅值恒定，改变定子磁链的旋转速度和方向来瞬时调整永磁同步电机的转矩角，实现对转矩的直接动态控制。该方法的提出为人们研究永磁同步电机直接转矩控制指明了方向。但就电压零矢量的应用予以否定，而且并没给出低速下的控制策略。随后人们就对电压零矢量的应用与否展开讨论，得出结论时零矢量的应用可以对转矩脉动有所抑制，具有维持转矩输出的结果。现在直接转矩控制研究的方向主要集中在以下四个方面：1.抑制磁链和电磁转矩的脉动。因为在PMSM直接转矩控制中，采用滞环比较器控制 定子转矩和磁链幅值的误差方向，对空间电压矢量进行最优选择，却把误差的大小忽

27、略了，转矩和磁链误差很难被完全补偿。由于是步进式的矢量切换，因而常常造成磁链和转矩的脉动，功率器件的开关频率不恒定，控制效果不理想。目前对这方面的研究主要在两个方面，一方面是改进电压矢量选择的方式，如采用空间电压矢量调制，无差拍控制，预测控制等。另一方面是对电压矢量细分技术的研究，以及把传统的滞环比较器和开关表用模糊控制等智能控制来代替。2. 改善低速性能。在直接转矩控制中，定子磁链通常采用UI模型，当电机中，高速运行时，如果忽略定子电阻，则仍可能得到较高的控制精度。但速度越低，定子电阻上的电压降相对越来越大。此时忽略或把它作为一个常数，磁链幅角、幅值与真实值的偏差就会越来越大，这是由于磁链的

28、估算是开环积分型，一旦出现误差，就无法衰减，只能叠加，这样系统性能就会受到严重的影响。因此，改善系统低速性能的首要问题就是如何准确检测定子电阻的实时变化。有的研究者采用PI控制和模糊控制观测定子电阻。3. 无速度位置传感器的控制技术。要进行伺服系统闭环控制，就必须有精确的速度和位置反馈。而安装检测元件就破坏了同步电机的简单性和刚性，同时增加了成本，也使得安装和维护不便。因此如果能进行在线速度辨识，也就解决了速度传感器的问题。目前所采用的方法有直接计算法、卡尔曼滤波算法、模型参考自适应方法及滑模变结构等。对于直接转矩控制，控制的关键是能准确估计磁链和转子位置，它是对电压矢量进行正确选择的依据，怎

29、样对转速、转子位置做出快速精确的辨识，还需要进一步研究。4. 逆变器的死区效应补偿。在实际的应用中，会出现器件的开通时间小于其关断时间，而且在同相桥臂互补开通的两只开关管中也容易出现短路故障。为了避免这种情况，通常延迟一个死区时间后再将开通信号发出，但由于开关器件的开通、关断时间以及死区设置，与理想给定电压波形相比，开关器件实际输出电压波形产生了非线性畸变，从而引发了转矩脉动和电流波形畸变等死区效应，尤其是电机的低速性能受到了影响，因此普遍关注的是怎样降低PWM逆变器的死区效应。1.3 本设计的主要内容本论文第一章对永磁同步电机、伺服系统及其发展进行了介绍，对直接转矩控制策略进行了说明。 第二

30、章将将建立dq坐标系下和xy坐标系下的永磁同步电动机的数学模型，并对直接转矩控制理论进行阐述并给出系统框图和电压开关矢量表。第三章介绍了基于TMS320F2812 DSP控制器的永磁同步电机直接转矩控制伺服系统的基本构成和总体设计，给出了系统主电路的设计，对智能功率模块进行了介绍，分别对DSP硬件及外围接口电路作了简述，设计了保护电路。第四章对光电编码器进行介绍，对其测量方法进行了说明。完成了控制软件及算法程序的设计。2 永磁同步电机的直接转矩控制2.1 永磁同步电机数学模型因为电机研究的重点主要放在感应电动势和磁场磁动势两个方面，而永磁同步电动机的定子结构与电励磁同步电机的结构相差无几，转子

31、为高性能永磁材料可以不计其电枢反应，并且本文主要研究同步电机的外部特性，故可认为所讨论的永磁同步电动机是理想同步电机，即满足以下条件：1）磁路饱和与铁芯损耗忽略不计，认为磁路为线性磁路；2）定子绕组在空间上对称分布；3）气隙磁势和磁通密度在空间作正弦分布；4）忽略温度和频率变化对电机参数的影响；5）参考方向按照电动机惯例规定。永磁同步电动机的物理模型如图2-1所示，在图中定子绕组采用的集中整距绕组，A，B，C为定子三相绕组的轴线，d轴固定在转子轴线上，q轴于d轴正交。从而得到旋转的dq坐标系。由于直接转矩理论是基于矢量控制理论基础上的，为了分析方便，我们以固定在转子上同步旋转的dq坐标系为基础

32、，推到出xy轴系下的永磁同步电机数学模型。从而对直接转矩理论有较好的阐述。2.1.1 dq轴系下的永磁同步电机模型dq轴上的分量可以根据幅值不变原则由定子三相绕组经三相坐标系变换或矢量变换得到，即进行三相轴系到旋转轴系dq的变换。其变换关系为： （2-1）其逆变换为 （2-2）其中为d轴和A相轴线之间的夹角。从普通交流同步电机数学模型可的到永磁同步电机的电压、磁链、电磁转矩和机械运动方程，为永磁体的等效励磁电流，当不考虑温度对永磁性能的影响式，其值为常数，其中为永磁体产生的磁链，可由求的，为空载反电动势，其值为每相绕组反电动势有效值的倍，即；而为纵轴电枢反应系数。对于一般的正弦波永磁同步电动机

33、来说，转子上没有阻尼绕组，因而永磁同步电机的电压、磁链和电磁转矩方程为： （2-3） （2-4） （2-5） （2-6） （2-7） 其中，分别为微分算子，极对数，转子旋转的电角速度。其矢量图如图2-2所示。由式（2-3）（2-7）知三相永磁同步电机的数学模型是一个多变量非线性的状态方程，它包含了机械角频率和dq坐标系电枢电流，的乘积项。由于这一耦合作用，如果直接用电源供电时，电磁转矩不能实现线性化的控制，也无法获得很高的控制性能。2.1.2 xy轴系下的永磁同步电机模型利用变换式 （2-8）其逆变换为 （2-9）可实现从dq轴系到xy轴系的变换。其中F代表电压，电流和磁链，为定，转子磁链间的

34、夹角，称为转矩角。如图2-3所示。规定定子磁链超前转子磁链时，为正。如果忽略定子电阻时，转矩角即为功角。当电机稳态运行时，定，转子磁链都以同步转速旋转，此时在恒转矩负载的情况下，转矩角为恒定值。当电机瞬态运行时，转矩角则因定，转子磁链转速不一而不断发生变化。从图2-3中可看出， （2-10） 其中代表的是定子磁链的幅值。将电流形式的式（2-9）和（2-10）带入式（2-7），有 = （2-11） 等式（2-11）表示如果定子磁链的幅值恒定，转矩正比于定子电流的y轴分量。因为 (2-12) 将式（2-9）带入上式有 (2-13)等式两边左乘 (2-14)得 = （2-15）对于xy轴系下的转矩方

35、程对于不同类型的电机具有不同形式。对于隐极永磁同步电动机，式（2-15）可简化为 （2-16）也可写成下述形式 。 (2-17)因为x轴与定子磁链重合，为零。从而可从式（13）的第二个等式中解出 (2-18)将上式代入式（2-11）中有 (2-19) 其中是定，转子磁链间的角度矢量定子磁链相对于转子磁链的旋转角速度，对应于电压矢量的一个变化，认为为一阶跃跃变。式（2-19）表示如果定子磁链为常数，转矩随着的增加而增加。控制在-/2-/2范围内，当等于/2时，有最大转矩。从而，电磁转矩在时刻的增长率为 (2-20)如果在-/2-/2间变化，则等式（2-20)的右边恒为正值。该式说明转矩的增加与定

36、，转子磁链间的角度的增加成比例。换言之，定子磁链应以保持其幅值不变的方式来加以控制，并且尽可能快地控制其转速来获得实际转矩最大变化。对于凸极同步电动机 。因， 可通过解出式（2-16）的获得以定子磁链和表示的转矩方程： (2-21)将其代入式（2-15）的第一个等式中，可得到： (2-22) 从而，转矩方程如下： 。 (2-23)等式（2-23）右边包含两部分，第一项是励磁转矩，它由永磁转子磁通产生。而第二项是磁阻转矩。对于每一相定子磁链，该式都存在最大值。当有恒定子磁链和，式（2-23）中转矩的导数为： (2-24) 在时， （2-25） 当电机处于电动状态，式（2-25）总为正，则表明凸极

37、系数小于1时，电机的转矩变化和转矩角变化关系与隐极式电机相同。因为电机转矩中的磁阻部分总为正向转矩矩，因此，该项分量不会影响转矩和转矩角之间变化一致关系。当电机的凸极系数，即电机交轴电感大于直轴时。磁阻转矩为负向转矩，因此可能会因为磁阻转矩的影响使得电机的总转矩和转矩角的变化趋势不一致。为了保证总转矩和转矩角两者变化的一致性，要求下式成立 （2-26）2.2 基于滞环比较器的直接转矩实现从上节我们可以看出：当定子磁链幅值保持不变时，电磁转矩于定，转子磁链的夹角成正比。由于通常电时间常数远小于机械时间常数，所以可通过尽可能快的改变定子磁链的转速来改变电磁转矩。为永磁同步电动机直接转矩控制的实现提

38、供了可能。打破了其因无转差而不能实现直接转矩控制的局面。2.2.1 永磁同步电动机直接转矩控制控制系统数字化方案用下述变换，三相变量被转换为dq轴下的变量。 (2-27)其中代表定子电流，电压和磁链。对于对称定子绕组为零，图2-4示出了永磁同步电机直接转矩控制系统框图。图中除检测部分和功率电路部分由硬件实现外，其他部分均可由DSP编程予以实现。轴电流和可从测量的三相电流中得到，因为由开关表决定的电压矢量是已知的，电压和可从直流侧电压计算得到。在第个采样时刻，磁链和可从定子电压的积分得出，如下所示： (2-28) (2-29) (2-30)其中是取样间隔，下标有的变量是该变量先前的取样值。如果能

39、够估计和的初始值，可完全不用编码器，即可实现无传感器技术。定子电压和转子位置的同步关系是通过保持定子磁链超前或滞后转子磁链一个角度来获得的。转矩方程可写成静止参考坐标系的形式： （2-31）相对与一给定的参考磁链，参考转矩从速度控制器输出中获得并限制在一定的数值，这保证了定子电流不会超过限定值。对于隐极永磁同步电动机，在恒转矩运行时，定子磁链可保持为额定值。而凸极永磁同步电动机，为了实际转矩相对有正斜率和良好的线性关系，参考定子磁链应随实际转矩而增加。2.2.2 电压矢量在直接转矩控制中，定子磁链是靠选择合适的电压矢量来加以控制。逆变器供电的永磁同步电机示意图如图2-5所示。 电机的端电压靠逆

40、变器开关的通断来实现改变。可认为为三个桥臂（，）状态的切换。当=1时，表明上桥臂导通，反之，=0表明其下桥臂导通。对于桥臂和情况一致。这样逆变器输出8组空间电压矢量：（100），（110），（101）和两个零矢量：（000），（111）。前六个为运动矢量，这六个矢量彼此间相隔电角度。如图2-6所示。2.2.3 运动电压矢量的作用定义基本电压矢量为： （2-32）其中，和是相电压的瞬时值。介于定子磁链与定子电压有如下关系 (2-33)在开关间隔期间，每一个电压矢量都是恒定的，所以上式可写成 （2-34） 其中是开关作用瞬间初始定子磁链。若忽略定子电阻上的电压降，当输入的电压矢量为运动矢量时，定子

41、磁链沿着空间电压矢量的方向移动且与电压矢量的速度成正比。为了选择电压矢量来控制定子磁链的幅值，电压矢量平面被划分为六个区域，如图2-7所示。在每个区域，可选择相应的两相邻电压矢量来增加或减小的幅值。从这两个相邻的电压矢量可知最小开关频率。例如，当在区域一并且以逆时针旋转时，选矢量和来增加和减少的幅值。就这样，选择合适的电压矢量，可控制在所需值。选择合适的电压矢量，可使定子磁链的运动轨迹近似为一个圆，图2-7示出当以逆时针方向旋转时，如何选择电压矢量以将保持在环宽之内。 电磁转矩可通过控制的幅值和转速来有效地控制。对于逆时针运行情形，如果实际转矩小于参考值，选择能保持按同一方向旋转的电压矢量。角

42、度尽可能快的增加，实际转矩也随之增加。一旦实际转矩大于参考转矩，选择能让放相反方向旋转的运动电压矢量而不是零电压矢量。角度减小，实际转矩也会减小。通过这种方式选择电压矢量，时刻旋转并且其旋转方向取决于转矩滞环比较器的输出。控制的幅值和旋转方向的开关表如表2-1所示，它应用于运行时的增减的两个方向。表2-1 采用非零电压矢量的逆变器开关表 在表2-1中，和分别是磁链滞环比较器和转矩滞环比较器的输出量。如果，则实际磁链小于参考磁链。同样适用于转矩情形。是定子磁链位置所在的区域号。3 系统硬件结构3.1 引言本章将介绍以TMS320F2812为核心的永磁同步电机全数字交流伺服系统驱动器的硬件结构，并详细说明各部分结构及其功能。根据第2章所给的直接转矩控制原理框图，可以看出系统的硬件部分主要为功率回路和各种检测电路。本文将从主回路和DSP控制回路两个方面来阐述其硬件结构。图3-1为整个永磁同步电机伺服系统的硬件框图。从图中可以看出，直接转矩控制伺服系统硬件结构与与矢量控制硬件结构图相似。图中DSP负责整个系统的保护和监视。一旦系统发生故障，DSP会封锁PWM输出通道，从而保护系统。3.2 DSP芯片选型及其功能介绍与传统微处理器如单片机相比，DSP芯片主要优势体现在：采用了增强的哈佛总线结构，程序和数据以及各自的地