高性能交流同步电机控制器研制

摘要

作为现代化工业自动化进程中一个十分重要的组成部分，电机控制技术得到了不断地进步和发展。其中变频调速技术的发展，与电力电子功率器件、控制理论、微处理器和专用集成电路，甚至是冷却技术的发展密切相关，并且由于这些领域的发展使得当今变频调速技术较之前有了革命性的改变。永磁同步电机与直流伺服电机相比有着体积小、重量轻、功率密度大、效率高、转子消耗小等一系列优点，因此得到日益广泛的应用。永磁同步电机交流伺服系统是由永磁同步电机、现代电力电子技术和控制技术相结合而形成的新型交流伺服系统，因其良好的运行性能成为当代电气传动领域研究的热点之一。本文以数字电机专用DSP芯片TMS320F2808为主控电路核心，采样智能型功率器件构成逆变回路，并选用混合式光电编码器对同步电机位置和速度实时采样，构成了永磁同步电机伺服控制系统，并对永磁同步电机控制器进行了系统的研究和设计。为了具体实现伺服控制，分析了永磁同步电机数学模型，研究了永磁同步电机的矢量控制方法和空间矢量脉宽调制原理，探讨了位置环、速度环和电流环的控制方法，设计了永磁同步电机矢量控制仿真模型，最后对系统硬件、软件进行了设计和验证，组成了永磁同步电机交流伺服系统，在保证对电机实现无级变速，满足控制精度的前提下，对电机控制理论方法进行了深入探讨。主要完成的工作包括以下几个方面:
　　(1)设计研制高性能交流同步电机控制器，能实现从1转每分钟到最高1500转每分钟的调整范围无级变速。本产品主要用于替代某些步进电机控制场合，并在此基础上实现无极变速。因此永磁同步电机控制器主控电路需要对逆变器开关频率进行高效控制，减少谐波分量，增大有功功率，改善逆变器输出三相交流电压，以满足对永磁同步电机变频调速的精确和稳定。控制器逆变器回路的设计需要保证其能承受直流侧电压中瞬时高压，并能输出满足永磁同步电机额定电压和电流，以驱动永磁同步电机旋转。逆变器的输入驱动信号来自于TMS320F2808 DSP的增强型脉冲调制模块，其信号的调制通过一定的算法实现以满足空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)要求。DSP输出的SVPWM驱动信号经光耦隔离电路直接送入逆变器回路输入单元。控制器对永磁同步电机运行状态的实时采样来自于光电编码器，系统设计则需对编码器输出信号进行解码，因此需对编码器解码电路进行设计，以保证采样精度和实时性。交流侧电压的采样用于做矢量判断，对其实时采样则通过专用电流采样芯片完成。由此完成对永磁同步电机控制器主要模块的设计，以达到矢量控制要求。
　　(2)实现位置和速度闭环控制。具体在本研究当中通过使用1024线混合式光电编码器，实现对永磁同步电机位置和转速的实时监测，并输出相应的脉冲信号。混合式光电编码器输出的信号经过电平转换后送入TMS320F2808自带的增强型解码模块进一步处理运算，完成永磁同步电机控制系统的位置和速度闭环控制。
　　(3)永磁同步电机结构和原理研究。为了使永磁同步电机矢量控制具体实现，本文首先根据电机结构及其工作原理进行了研究，并建立了永磁同步电机数学模型。然后对永磁同步电机数学模型进行分析以保证矢量控制的可行性和有效性，使永磁同步电机运行特性和原理与矢量控制方法达到统一。
　　(4)空间矢量脉冲宽度调制控制技术实现。控制器核心控制原理采用空间矢量脉冲宽度调制技术(SVPWM)。永磁同步电机矢量控制与异步电动机、电励磁同步电动机一样，都是基于对磁场进行定向控制。根据磁链定向控制的方法可以分为:id=0控制、Cosψ=1控制、最大输出功率控制、最大转矩/电流控制、弱磁控制和恒磁链控制。本文主要针对id=0控制方法的原理和实现进行研究。采用id=0控制，电磁转矩仅仅依靠交轴电流iq，从而实现力矩表达式中的交、直流解耦，完成对永磁同步电机矢量控制目的。此方法的具体实现需要对同步电机的两相电流进行实时采样以确定实际输出电压矢量与参考电压矢量之间的差别。通过逆变回路对此差别进行矢量补偿。
　　(5)多通道信号采集以及数据处理方法。对永磁同步电机实现位置和速度闭环控制，需对永磁同步电机运行状态进行实时采样，本文选用光电编码器实现。由于常用的光电编码器按照脉冲与对应位置（角度）的关系为:增量式光电编码器、绝对式光电编码器以及混合式光电编码器三种。不同的编码器输出脉冲信号不同。采用混合型光电编码器需了解混合型编码器输出脉冲对应关系，然后对应脉冲进行运算处理。
　　(6)数字信号处理器DSP芯片资源配置和寄存器设置。本文采用电机控制专用芯片TMS320F2808作为其控制核心和运算核心。因此，对该芯片片内资源和寄存器的研究是必不可少的。TMS320F2808采用哈佛总线架构，提供高性能32位CPU，拥有高达100MHz主频，能满足快速的程序运算执行以及中断相应支持，并供JTAG边界扫描支持。其增强控制外设提供多达16个脉宽调制(PWM)输出，具有150MPS微边界定位的最多6个高分辨率PWM输出，并提供多达四个捕捉输入，多达两个正交编码器接口，16通道12位模数转换器(ADC)可选用内部或外部基准电压。因此该芯片完全能够满足永磁同步电机矢量控制需求。
　　本课题研制的高性能交流同步电机控制器可用于医疗器械、仪器仪表、化工轻纺以及家用电器等领域进行电机控制。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 课题来源

1．2 选题依据及研究意义

1．3 国内外伺服控制技术现状

1．4 本文的主要研究内容

第2章 永磁同步电机结构原理及建模

2．1 永磁同步电机结构

2．2 永磁同步电机工作原理

2．3 永磁同步电机数学建模

2．3．1 三相静止坐标系

2．3．2 两相静止坐标系

2．3．3 同步旋转坐标系

2．3．4 永磁同步电机数学建模

第3章 永磁同步电机矢量控制原理

3．1 矢量控制基本原理

3．2 永磁同步电机矢量控制方法

3．3 空间矢量脉宽调制原理

3．4 空间矢量脉宽调制过程

第4章 永磁同步电机矢量控制仿真

4．1 MATLAB仿真模型建立

4．2 MATLAB仿真结果

第5章 永磁同步电机控制系统设计

5．1 软件模块设计

5．1．1 主程序模块

5．1．2 模数转换模块

5．1．3 增强型脉宽调制模块

5．1．4 增强型正交编码模块

5．1．5 增强型捕捉模块

5．1．6 通用输入输出模块

5．2 硬件模块设计

5．2．1 主控硬件电路模块

5．2．2 逆变回路硬件电路模块

5．2．3 供电电路模块

5．2．4 电流采样硬件电路模块

5．2．5 解码硬件电路模块

5．2．6 电平转换电路模块

5．2．8 通讯电路模块

5．3 实验调试

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

附录