1、第 IV 頁遼寧科技大學本科畢業設計（論文）永磁直線同步電機的設計與研究摘 要直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動，而不需要通過任何中間機構的新型電機，具有廣闊的應用和發展前景。所以，對直線電機及其位置伺服控制系統的研究，已成為當前各國研究的熱點和前沿。近年來，隨著永磁材料性能的快速發展，永磁直線同步電機得到更廣泛的應用。與普通的直線電機相比，具有效率高、輸出力矩大、體積小、易于控制等優點，極大地提高了進給系統的快速響應性和運動精度，已成為新一代超精密機床中最具有代表的技術。永磁直線同步電機伺服控制系統將是當前和今后直線電機發展應用的一個方向。本文主要針對基于DSP的永磁直線同步電機的伺服控

2、制系統進行研究，并給出系統設計的整體方案，設計硬件電路，完成軟件部分的編寫。文中先通過對永磁同步直線電機的內部結構和工作原理分析，建立了一種以電流空間矢量為基礎的數學模型，并在此基礎上對轉子磁鏈定向矢量控制、空間矢量PWM波形的產生、電流環、速度環、位置環等進行研究，設計整個系統的軟硬件。在硬件方面，對系統功能模塊化，使用的DSP芯片是TI公司的TMS320F2812芯片，并采用以TMS320F2812芯片為硬件結構的核心的伺服控制系統方案,接著對控制系統方案的各個功能模塊進行了具體的設計。在軟件方面，以CCS環境為軟件平臺，以匯編語言為主要編程語言，完成主程序、中斷程序、電流檢測程序、鍵盤程

3、序等部分的編寫，成功地實現了SVPWM的輸出及其對永磁直線同步電機的伺服控制。關鍵詞：永磁直線同步電機；矢量控制；SVPWM；TMS320F2812IAbstractLinear motor is a novelty motor that can convert electricity energy into linear movement without any medium machine.It has wide expected application and development prospect.As a result,the research involved linear mo

4、tor and its servo control system has becamed a research focus. In recent years, Along with the fast development of permanent magnet materials, permanent magnet linear synchronous motor（PMLSM） has been get more extensive application. response to the chin and precision movment，have advantages in high

5、efficient，large export moment，small and easy to control advnatages，has greatly improved the rapid response system into motion precision. It has been a new generation of utlra-precision machine tools，most of the technology. Permnaent mganet linear snyehronous motor servo system will be the developmen

6、t of the electrical current and future applications of a linear motor.In this paper，the servo control system of a permanent magnet linear synchronous motor(PMSLM) based on DSP is investigated mostly, give the overall system design program,design a hardware circuit,and the completion of the software

7、part. First of all, through analyzing its interior configuration and movement principle,a mathematical model of PMSLM is established based on space vector of electric current，and on the basis of the rotor flux vector control, space vector PWM waves of velocity loop, current loop, and position loop,

8、etc.,at last designing the hardware and software of the system. In the hardware, through the system function module, adopted by TI company TMS320F2812 chips for hardware structure of the servo control system is the core, then the control system scheme of each module of the specific design. In softwa

9、re, with CCS for software platform, mainly in assembly language programming languages, completed the program, interrupt program, current test procedures, keyboard program etc, successfully realized the output and implementing SVPWM control of permanent magnet linear synchronous motor.Keywords： PMLSM

10、; Vector Control; SVPWM; TM320F2812目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題的國內外現狀11.2 課題的背景、意義31.2.1 課題的背景31.2.2 課題的意義3 第2章 永磁直線同步電機的基本結構及原理52.1 直線電機概述52.1.1 直線電機的基本結構52.1.2 直線電機的分類及特點62.2 永磁直線同步電機的基本結構及原理82.2.1 永磁直線同步電機的基本結構82.2.2 永磁直線同步電機的原理8第3章 永磁直線同步電機的數學模型及矢量控制103.1 永磁直線同步電機的數學模型103.2 永磁直線電機的坐標變換133.3 PW

11、M（脈寬調制）控制技術143.3.1 PWM技術概述143.3.2 空間電壓矢量(SVPWM)控制技術153.4 永磁直線同步電機矢量控制策略分析18第4章 永磁直線同步電機伺服系統的硬件設計214.1 系統硬件總體結構214.2 系統主功率回路電路的設計224.2.1 交直部分電路234.2.2 直交部分電路234.3 系統控制回路設計244.3.1 TMS320F2812的最小系統244.3.2 PWM波產生電路設計254.4 保護電路設計274.4.1 欠過電壓保護274.4.2 過熱保護27第5章 永磁直線同步電機控制系統的軟件設計285.1 DSP軟件平臺及匯編語言基礎285.1.1

12、 軟件平臺CCS簡介285.1.2 匯編語言基礎295.2 系統主程序設計30第6章 結論32致 謝34參 考 文 獻35 第 31 頁遼寧科技大學本科畢業設計（論文）第1章 緒論1.1 課題的國內外現狀本課題的研究對象是永磁直線同步電機。傳統的電機為旋轉運動，如要獲得線性運動需要借助如滾珠絲杠傳動等機構，這一過程往往會使得傳動的效率和精度下降。直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能、而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置1。在許多工業領域中，被控對象的運動路徑往往是直線形式。永磁直線同步電機是直線電機的一種，兼有永磁同步電機和直線電機的雙重特點。與直線感應電機相比，永磁直線同步電機的力能指

13、標高、體積小、重量輕且具有發電制動功能2。因而不斷在許多領域得到了應用。例如垂直升降輸送系統，高速地面運輸系統，往復式空氣壓縮機等等。但永磁直線電機也存在造價高，控制較為復雜的特點。隨著科學技術的不斷發展，生產工藝的提高，這些以前讓很多電機設計人員望而卻步的缺點也顯得微不足道了。永磁直線同步電動機伺服系統因為高推力和高響應的優點越來越成為現代高速加工中心的首選，具有廣泛的應用和發展前景。是20世紀下半葉電工領域出現的具有新原理、新理論的新技術。它所具有的突出優勢，已越來越受到人們的重視3-4。其實，早在19世紀末與20世紀初就有人開始從事直線電機的研究。當時，研究直線電機有兩個目的，其一想用它

14、來推動織布機上的梭子，其二想用它作為推動列車的動力，但均未獲得成功，這兩者都停留在試驗論證階段。在以后很長的一段時間內，雖有少量的研究成果，但都未超出試驗模型階段。如果驅動器能給被控對象提供直線運動形式的推力，以獲得單向或者雙向的有限可控位移，那么兩者在運動形式上就直接匹配一致了，省去了中間的變換環節，這就具有天然的合理性了。以電磁原理工作的各種形式的直線電機是提供大功率、高推力的主要執行元件。由于它能直接產生連續單向或往復短行程的直線機械運動，而不需要中間機械傳動變換裝置，因而在國民經濟各個部門都獲得了應用，而且應用的前景越來越廣闊5。特別是隨著上海磁懸浮商業線的投入運行，各個國家加大了對直

15、線電機設計和控制的研究。從目前的發展趨勢來看，可能形成巨大市場的“直線運動工業”。目前，世界上對直線電機的研究已經處于應用階段，美國、德國等國家的直線電機產品技術成熟、種類豐富,但價格昂貴。作為高速、精密機床的關鍵功能部件之一,直線電機的核心關鍵技術都被國外所擁用,市場也基本被國外著名的直線電機公司如Siemens、Anorad、Indramat、Kollmorgen、Aerotech、Park等所壟斷。從技術上說,直接驅動線性(Direct-Drive Linear,DDL)傳動系統已走上一條成功之路。我國雖然趕不上西方發達國家直線電機的發展,但各高等院校和科研院所也加大了直線電機的開發和研

16、究工作,有不少單位開始研究和開發，但還處于探討和試驗階段,與發達國家有較大差距。清華大學制造工程研究所研究直線電機及其控制技術已有近15年的歷史。一開始主要研究用來推動車床橫向刀架的高頻、小行程永磁直流直線電機,以實現非圓截面零件的車削加工,并且已經成功地應用于實際生產中,取得的很好的效果。浙江大學成立了直線電機研究所,研究各種類型的直線電機及其應用,如直線電機沖壓機、記錄儀、輸送線、門窗驅動等。西安交通大學對圓筒型直線感應電機的性能進行了深入的理論研究,并開發出實用電機,性能分析方面做了大量工作。寧波大學對微特直線電機,主要是直線步進電機進行了長期的研究工作,取得了一定的成果。武漢理工大學、

17、中國科學院電工研究所等,也對不同類型的直線電機進行了研究。沈陽工業大學從九十年代后期開始對LPMSMS進行研究,并制造了推力為100N的樣機。除了樣機的研制外,他們研究的另一重點是直線電機的控制。廣東工業大學成立了“超高速加工與機床研究所”,要研究和開發“超高速電主軸”和“直線電機高速進給單元”。開發了GD-3型直線電機高速數控進給單元,額定推力為2000N,最高進給速度100m/min,定位精度0.004mm,行程為80mm。華中科技大學對長行程、高相應永磁同步直線電機進行了研究,但性能還有待檢驗和完善,需要進行更深入的研究2,5。1.2 課題的背景、意義1.2.1 課題的背景隨著電力電子技

18、術、微電子技術、微型計算機技術、傳感器技術、稀土永磁材料與電機控制理論的發展，永磁直線同步電機在中低容量的運動控制系統中得到了廣泛的應用,尤其是在伺服傳動領域,永磁直線電機正在逐步取代直流電機、步進電機而成為伺服驅動的發展方向。交流伺服控制技術也有了長足的進步11,12。借助于計算機技術、現代控制理論的發展，人們有可能構成高精度、快速響應的交流伺服驅動系統。因此，近年來，世界各國在高精度速度和位置控制場合，都已經由交流電力傳動取代電液和直流傳動。在交流伺服傳動領域中，伺服系統有三種構成形式，其執行元件分別是：感應電動機、無刷直流電動機和三相永磁同步電動機，所構成的伺服系統除以上執行元件外還有：

19、變頻裝置（整流器和逆變器）、控制系統。這三種伺服驅動系統，其逆變器和控制器的功能幾乎相同，雖說感應電機矢量控制技術比永磁交流伺服電機的控制復雜些，但由于控制器件價格的下降，其控制器成本相差不大13。由于永磁直線同步電機具有結構簡單、體積小、效率高、功率因數高、轉矩電流比高、轉動慣量低、易于散熱及維護保養等優點，特別是隨著永磁材料價格的下降、材料磁性能的提高，以及新型永磁材料的出現，在中小功率、高精度、高可靠性、寬調速范圍的伺服系統中，永磁直線電機引起了眾多研究與開發人員的青睞。1.2.2 課題的意義隨著電力電子技術、微型計算機技術、稀土永磁材料和控制理論的飛速發展,永磁直線同步電機在中低容量的

20、運動控制系統中得到了廣泛的應用,尤其是在伺服傳動領域,永磁直線同步電機正在逐步取代直流電機、步進電機而成為伺服驅動的發展方向。然而,由于永磁直線同步電機伺服系統受電機參數變化、外部負載擾動等因素的影響,要獲得高性能、寬調速范圍永磁同步伺服系統,必須研究先進的控制策略與控制手段,使系統具有較強的適應性和較強的抗干擾能力14,15。傳統的旋轉電機加滾珠絲杠的驅動方式由于存在機械間隙，螺距周期誤差，較長的傳動鏈，綜合剛度等弊端，很難滿足高速精密機床的要求。而直線電機驅動的位移機構在快速響應能力和精度等方面,都具有普通伺服驅動機構難以匹敵的優勢。與旋轉電機相比，直線電機省去了中間傳動環節，從而可以做到

21、高速度、高精度和高加速度16-18。而且隨著永磁直線同步電機制造技術的提高和高性能的永磁材料的出現，特別是釹鐵硼永磁材料的出現，使永磁直線同步電機成為一種高速、高精、高效驅動方式中最具競爭力的發展方向。因而，永磁直線同步電機伺服系統無論是其實際應用還是理論探討，都具有一定的研究價值，受到了電氣傳動工程界的廣泛關注。研究永磁直線同步電動機的研究及應用具有重要的意義。 第2章 永磁直線同步電機的基本結構及原理2.1 直線電機概述2.1.1 直線電機的基本結構直線電機是直接產生直線運動的電磁裝置。它可以認為是旋轉電機在結構方面的一種演變，即看作是將一臺旋轉電機沿著某一半徑的方向剖開，然后將電機的圓周

22、展成直線，如圖2-1所示，這樣就成了一臺直線電機5。旋轉電機的徑向、周向和軸向，在直線電機中分別對應地成為法向、縱向和橫向。在直線電機中，相當于旋轉電機定子的，叫初級；相當于旋轉電機轉子的，叫次級。初級中通以交流電，次級就在電磁力的作用下沿著初級做直線運動。（a）旋轉電機 （b）直線電機圖2-1 旋轉電機變為直線電機的過程在圖2-1中，直線電機的初級和次級長度是相等的。在直線電機運行時，初級與次級之間是要作相對運動的，如果在運動開始時，初級與次級正巧對齊，那么，在運動中初級與次級之間互相禍合的部分越來越少，從而使直線電機不能正常運動下去。為了保證在所需的行程范圍之內，初級與次級之間的耦合能保持

23、不變，實際應用時，初級與次級的長度要制造成不相等的。事實上，在直線電機制造時，直線電機既可以把初級做得很長，也可以把次級做得很長；既可以初級固定、次級移動，也可以次級固定、初級移動，如圖2-2所示，圖(a)稱為短初級長次級，圖(b)稱為長初級短次級2,8。圖(a) 短初級長次 圖(b) 長初級短次級圖2-2 單邊型直線電機但是由于短初級在制造成本上、運行的費用上均比短次級低得多，因此，目前除特殊場合外，直線電機一般都采用短初級長次級的結構形式。2.1.2 直線電機的分類及特點在不同場合下，直線電機可以有不同的分類型式。可以按結構、功能工作原理等進行分類。直線電機按其結構型式主要可分為扁平型、圓

24、筒型(或管型)、圓弧型和圓盤型四種；直線電機，特別是直線感應電機，按其功能用途主要可分為力電機、功電機和能電機；在分析電機性能或機理時，通常以直線電機的工作原理進行分類，從原理上講，每種旋轉電機都有與之相對應的直線電機，然而從使用角度來看，直線電機得到了更廣泛的應用5。按其工作原理，直線電機的分類如圖2-3所示。在圖中，交流直線同步電機中永磁式電機是本文的研究對象，它采用永磁材料，可減少電動機尺寸，實現每單位尺寸更大出力。并且由于沒有勵磁電流流過，因此也就沒有磁場損耗，此外，不會發生斷路和開路現象，不會造成磁場運行干擾，同時無勵磁繞組也就意味著不需要電刷和滑環；發熱少，冷卻要求低，長次級不需冷

25、卻。它在推力、速度、定位精度、效率等方面比直線感應電機具有更多的優點5。而且永磁直線電機在低速下仍能平滑運動而對推力脈動不敏感。圖2-3 直線電機的分類同樣，永磁直線電機也存在缺點，永磁體產生的強磁場使其安裝和操作較困難；永磁磁場吸引鐵屑，電機必須加密封以防止鐵屑阻塞氣隙或進入運動副中；需通過位置傳感器對電機進行電流換向控制。2.2 永磁直線同步電機的基本結構及原理2.2.1 永磁直線同步電機的基本結構永磁直線同步電機與直線電機的結構類似，只是在定子側，沿全行程法方向的一條直線上，一塊接一塊的交替安裝N、S永磁體。在動子下方的全長上，對應的安裝含鐵心的通電繞組（永磁同步旋轉電機則是轉子上裝永磁

26、體，而定子中含有電樞繞組）。為此，動子必須帶電纜一起運動。永磁直線同步電機利用的是高能永磁體，具有的推力強度高、損耗低、時間常數小、響應時間快、控制比較容易等一系列特點，能夠直接產生連續單項或往復短行程直線機械運動。其主要缺點是永磁體的高成本帶來整體裝置的高價格，以及在端部存在較嚴重的漏磁場，特別是在單邊圓筒型中，漏磁現象更為嚴重。這種電機也分為平面型(單邊、雙邊)或圓筒型。對于任何一種形狀，均可將初級制成動子，次級的永磁體作為定子。借助于支撐系統，動子和定子之間保持恒定的氣隙8。2.2.2 永磁直線同步電機的原理永磁直線同步電機不僅在結構上相當于是對應旋轉電機演變過來的，而且其工作原理也與旋

27、轉電機相似。根據永磁體的安裝位置，永磁直線同步電機分為表面磁極型和內部磁極型。用于伺服目的的永磁同步直線電動機一般采用表面磁極的結構，其凸極效應很弱，氣隙均勻且有效氣隙大。如圖2-4所示是永磁直線電機的基本工作原理示意圖。圖2-4 永磁直線同步電機的基本工作原理在圖2-4中，這臺永磁直線電機動子的三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，同樣會產生氣隙磁場。當不考慮由于鐵心兩端開斷而引起的縱向端部效應時，這個氣隙磁場的分布情況與旋轉電機相似，即可以看成是沿展開的直線方向呈正弦分布。當三相電流隨時間變化的頻率為時，氣隙磁場將按A、B、C相序沿直線運動。這個原理與旋轉電機相似，但兩者的差異是：直線電機的氣

28、隙磁場是沿直線方向平移的，而不是旋轉的，因此，該磁場稱為行波磁場。顯然，行波磁場的移動速度與旋轉磁場在定子內圓表面上的線速度（稱為同步速度）是一樣的，即有： （2-1） 其中為極距（m）。對于永磁同步直線電機來說，永磁體額勵磁磁場與行波磁場相互作用便會產生電磁推力。在這個電磁推力的作用下，由于定子固定不動，那么動子（即初級）就會沿行波磁場運動的相反方向作直線運動，其速度為。這便是永磁直線同步電機的基本工作原理。直線電機就這樣把電能直接轉變為直線運動的機械能而無需任何中間變換裝置8。第3章 永磁直線同步電機的數學模型及矢量控制3.1 永磁直線同步電機的數學模型數學模型是研究實際對象的重要手段，建

29、立能夠反映研究對象本質規律的數學模型，可對其進行有效的分析和控制。因此，為便于分析與控制，需要建立簡便可行的永磁直線同步電機數學模型。永磁直線同步電機的數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統，但是在一定的假定下，可以通過坐標變換的方法使之簡化，還可以通過空間矢量的概念進行運算，同時空間矢量有助于說明坐標變換的物理意義。為了更好的利用空間矢量來說明問題，將永磁直線同步電機等價為其相應的永磁同步旋轉電機。轉子磁極為凸極永磁結構，定子有三相對稱的電樞繞組，如圖3-1所示，a軸、b軸、c軸分別為定子繞組的軸線。轉子的磁極軸線為直軸d，逆時針方向轉90度為交軸q。為轉子d軸相對于定子a軸逆時針轉

30、過的角度。圖3-1 永磁同步電機矢量圖通常，在分析前先作如下假定：(1)不計剩磁、渦流、磁滯、飽和等效應，認為磁路是線性的。(2)忽略空間諧波，認為繞組磁勢及氣隙磁密按正弦規律分布。在上述假定下，可引入空間矢量的概念。在圖3-1中，把永磁同步電機矢量圖看作一個復數平面；在此平面上三相定子繞組的軸線為a、b、c軸，將a相繞組的軸線a作為復數平面上的實軸（Re）,逆時針方向轉過90為虛軸（Im）。這樣，復數平面上的一個復數可以和一根矢量相對應，反之亦然。接著可定義電流空間矢量如下： （3-1）式中，三相瞬時電流值。事實上，、分別對應于a、b、c軸線上的三根矢量，它們分別反映了各相繞組產生的磁勢。電

31、流空間矢量則反映了定子合成磁勢，它的長度反映了定子合成磁勢的大小, 的方向就是定子合成磁勢的方向。接著可討論abc坐標分量和dq0坐標分量之間的坐標變量關系13-14。這種坐標變換是將a、b、c三相繞組的電流、電壓、磁鏈等實際值，通過數學公式進行變換，轉換成假想的d、q、0分量，以便于解題。先定義d、q、0分量中的零軸電流分量如下： （3-2）由于永磁直線同步電動機的定子繞組為無中線的Y型接法,固有 （3-3）此種情況下,零軸電流分量恒等于零1。定子電流的d、q分量用、表示，它們分別是定子電流空間矢量在d、q軸方向的投影分量。因為電流空間矢量在d軸方向的投影等于組成的各個分量在d軸方向的投影之

32、和，所以可得到： (3-4)同理，可得到 (3-5)式（3-2）至式（3-5）就是電流分量從ABC坐標轉換到dq0坐標的公式5。若把、看作未知數，、看作為已知數，且則通過公式（3-2）至式（3-5）可以解出、如下： （3-6） （3-7） （3-8）在dq0坐標系統中，可以證明電磁轉矩為 （3-9）式中，驅動電動機的電磁轉矩，它與轉角取同樣的正方向；電動機的極對數。由上式可見，構成電磁轉矩的兩個分量是：（1）電樞直軸磁鏈與交軸電流分量相互的作用。（2）電樞交軸磁鏈與直軸電流分量相互的作用。3.2 永磁直線電機的坐標變換對于永磁直線電機來講，矢量控制的目的是為了改善轉矩控制性能，而最終實施是落到

33、對定子電流(交流量)的控制上。由于在定子側的各物理量都是交流量，其空間矢量以同步轉速在空間旋轉，對其調節、控制和計算均不方便。因此，需借助于坐標變換的方法，使各物理量從靜止坐標系轉換到同步旋轉坐標系。從同步旋轉坐標系觀察，電動機的各空間矢量都變成了靜止矢量10,18。坐標變換，就是將方程中原來的一組變量，換成一組新的變量。電機控制中的坐標系有三種，即三相定子坐標系(A,B,C坐標系)、兩相定子坐標系(-坐標系)和轉子坐標系(d-q坐標系)。三種坐標系的關系如圖3-2所示，圖中一個旋轉矢量從三相定子坐標系(A-B-C軸系)變換到定子兩相坐標系(-軸系)稱為3/2變換，也叫Clarke變換，變換公

34、式如（3-10）所示，其反變換叫做2/3變換，也叫Clarke逆變換，變換公式如(3-11)所示。從定子兩相坐標系(-軸系)變換到轉子坐標系(d-q坐標系)稱為Park變換，變換公式如(3-12)所示，其反變換叫做Park逆變換，變換公式如(3-13)所示11,19。圖3-2 各坐標系的關系 (3-10) (3-11) (3-12) (3-13)3.3 PWM（脈寬調制）控制技術3.3.1 PWM技術概述PWM控制技術一直是交流調速技術的核心，由于PWM變換器具有功率因數高、可同時實現變頻變壓及抑制諧波的特點，因此在交流傳動變換系統中得到廣泛的應用，任何控制算法的最終實現幾乎都是以各種PWM控

35、制方式完成的，尤其是微處理器應用于PWM技術并使之數字化以后，控制方法不斷更新。PWM控制技術的發展經歷了一個不斷完善和不斷創新的過程12,20。脈寬調制(PWM)技術的發展和應用優化了變頻裝置的性能，變頻調速系統采用PWM技術不僅能夠及時準確地實現變壓變頻控制要求，而且更重要的意義是抑制逆變器輸出電壓或電流中的諧波分量，從而降低或消除了變頻調速時電機的轉矩脈動，提高了電機的工作效率，擴大了調速系統的調速范圍。PWM技術種類很多，并且正在不斷發展之中?；旧峡煞譃樗念?，即等寬PWM法、電壓正弦PWM法（SPWM）、磁鏈追蹤型PWM法(SVPWM)及電流跟蹤型PWM法。其中，空間矢量PWM技術以

36、其電壓利用率高、控制算法簡單、電流諧波小、易于數字化等特點在交流調速系統中得到了廣泛的應用21。本次課程設計就采用空間電壓矢量PWM控制技術。3.3.2 空間電壓矢量(SVPWM)控制技術空間電壓矢量技術(SVPWM，也稱磁通正弦PWM)，也稱磁鏈跟蹤控制技術，是從電動機的角度出發，把電動機與PWM逆變器視為一體，著眼于如何使電動機獲得幅值恒定的圓形磁場，即正弦磁通，為目標，他以三相對稱正弦電壓供電時交流電動機中的理想磁鏈圓為基準，用逆變器不同的開關模式所產生的磁鏈有效矢量來逼近基準圓，即用多邊形來近似逼近圓形，從而達到較高的控制性能。理論分析和實驗都表明SVPWM調制具有轉矩脈動小，噪音低，

37、直流電壓利用率高(比普通的SPWM調制約高15%)等優點。目前己在通用變頻器產品中得到了廣泛的應用。如圖3-3所示，三相電壓源型逆變器由六個功率開關器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6組成，對應的控制信號分別為Sa，Sa_，Sb，Sb_，Sc，Sc_。因為逆變器的上橋臂和下橋臂開關狀態互補，故可以用三個上橋臂的功率器件的開關狀態來描述逆變器的工作狀態，記功率器件開通狀態為“1”，關斷狀態為“0，則上橋臂Q1、Q3、Q5的開關狀態有八種組合，即有U(a，b，c)分別為U000，U001，U010，U011，U100，U10l，U110，U111。如圖3-4圖空間電壓矢量示意圖。圖3-3三相逆變

38、器簡圖用開關狀態來表示相電壓輸出為： （3-14）用開關狀態表示線電壓： （3-15）在圖3-3中，得到電壓矢量后，在利用坐標變換，可以將abc坐標三相逆變器的八種開關狀態矢量轉換為dq坐標的八種電壓矢量，分別記為U0，U60，U120。，U180，U240，U300，U000，U111，稱為基本空間電壓矢量，其中U000，U111為零矢量，如圖3-4所示。圖中，U0，U60，U120，U180，U240，U300，U000，U111這六個矢量均勻間隔60度，將dq平面分為6個區域，其中U000，U111兩個零矢量位于坐標原點21。非零的基本電壓空間矢量只有六個，為了獲得盡可能多的多邊形旋轉磁

39、場，就需要更多的逆變器狀態，因此用六個非零的六個基本電壓空間矢量及兩個零向量的線性時間的組合來得到更多的開關狀態,SVPWM控制技術的目標就是要通過控制開關狀態組合，將空間電壓矢量Uout控制為按設定的參數做圓形旋轉。圖3-4 空間電壓矢量示意圖實現SVPWM的方法很多，本課題采用一種最簡單的方法，即兩個非零矢量和一個零矢量合成一個等效的電壓矢量Uout。在不同區間內，向量都可使用它鄰近的兩個基本向量來進行合成，可以使用PWM的概念通過占空比來調節基本的大小，通過在采樣周期內導通時間來近似被調制向量在該方向上的大小。如圖3-4所示，可以看到在某個時刻Uout,旋轉到某個區域中，就由組成這個區域

40、的兩個非零矢量Ux和Ux60分別作用T1，T2時間，先作用的Ux稱為主矢量，后作用的Ux60稱為輔矢量，時間分解如圖3-5所示。為補償Uout的旋轉頻率，插入零矢量，作用時間T0。對于零矢量的插入，可以是兩個非零矢量和一個零矢量或兩個非零矢量和兩個零矢量，例如圖3-5(a)，(b)所示區域工中的對稱的SVPWM波形圖。從只有一種零矢量輸出到兩種零矢量按一定的先后順序輸出，可使諧波更小21-22。圖3-5 SVPWM波形圖3.4 永磁直線同步電機矢量控制策略分析永磁直線同步電機按照磁鏈定向控制的方法分類可以分為四種控制方案:轉子磁鏈定向控制，定子磁鏈定向控制，氣隙磁鏈定向控制，和阻尼磁鏈定向控制

41、。按照控制目標可以分為:控制、控制、總磁鏈恒定控制、最大轉矩/電流控制、最大輸出功率控制、轉矩線性控制、直接轉矩控制等。它們各有各的特點：控制最為簡單，控制可以降低與之匹配的變頻器容量，恒磁鏈控制可以增大電動機的最大輸出轉矩等21,23。本課題所控制的對象為小容量永磁直線同步電機，其主要用途為伺服系統，有一定的速度和較高的定位要求，由前面介紹的數學模型可知，永磁同步電機是一個非線性的控制對象，且d軸電流和q軸電流之間存在耦合作用。用只有交軸電樞反應的同步機矢量控制方法進行解耦，即通過計算機控制，設法使定子電流空間矢量總是保持在q軸的軸線上，此時、，代入式（3-9）可得： （3-16）式中比例系

42、數。由此可見，此時電磁轉矩的大小將和電流空間向量的大小直接成正比，改變就可以改變電動機產生的電磁轉矩，從而實現轉矩的單變量控制。把、代入式（3-6）、（3-7）、（3-8）得： （3-17）這樣，只要我們在定子三相繞組中通入符合上式的三相電流，就可以保證定子電流空間矢量總是保持在q軸的軸線上，實現轉矩的單變量控制。所以，本系統選擇轉子磁鏈定向，速度和電流雙閉環控制的矢量控制方案。對于永磁直線同步電機而言，矢量變換的實質就是對電機定子電流空間矢量幅值和相位進行控制，最終可歸結為對d軸和q軸的電流控制。永磁直線同步電機這種矢量控制方法的原理框圖如圖3-7所示。從圖中可以知道，本系統是位置、速度和電

43、流的三閉環位置伺服系統，位置壞采用比例控制，速度壞和電流壞采用PI控制，實現速度和電流的無差調節。這種控制方案中包含的速度和電流兩個閉環，其中速度控制作為外環，電流閉環作為內環。給定轉速與反饋回來的轉速進行比較，差值經過速度PI調節輸出作為，同時給定，再對三相反饋電流進行坐標變換后獲得、的反饋信號，然后對、進行電流雙閉環控制從而實現的控制。圖3-7 永磁直線同步電機控制系統原理框圖由圖3-7可知，本系統是由位置、速度與電流三閉環所組成，最外環“位置控制器”實現對電機的行程控制；其位置反饋信號及速度環的速度反饋信號來自與電機動子同步移動的位置傳感器：內環電流環是據派克變換原理以及一系列坐標變換后

44、對電流的兩個分量分別進行調節控制；最終采用SVPWM對逆變器進行脈寬調制15。第4章 永磁直線同步電機伺服系統的硬件設計4.1 系統硬件總體結構永磁直線同步電機伺服系統總體設計如圖4-1所示。系統硬件可分為主功率電路、控制回路兩大部分。主功率電路部分主要包括整流電路、濾波電路、智能功率模塊(IPM)和永磁直線同步電機。控制回路部分主要包括以TMS320F2812芯片為核心的電路，并輔以檢測電路、鍵盤和顯示電路等。另外，系統還包含了一些保護電路16。圖4-1 系統總體設計框圖系統所使用的電源為380V交流電，而TMS320F2812需要3.3V、1.8V的直流電，IPM模塊需要+15V直流電，開

45、關電源的主要作用是為IPM，DSP及其它的元件提供正常工作的電壓。片外外掛SRAM存儲器，可用于程序的片外仿真；JTAG接口用來連接仿真器，可通過仿真器將程序直接燒寫到F2812中運行；人機界面指的是鍵盤和顯示部分，用的是4*4鍵盤；逆變電路采用智能功率模塊IPM；光電編碼器用于位置、速度檢測；F2812內部包含16路A/D轉換通道，可快速實現模數轉換。用功率驅動模塊IR2132S來完成對IPM驅動；另外，系統還包含了一些保護電路4。4.2 系統主功率回路電路的設計系統主電路采用典型的交直交電壓型逆變電路，主要由整流濾波、中間濾波電路、三相逆變電路（IPM智能功率模塊）以及永磁同步直線電機組成

46、，輸入功率級采用三相不可控整流電路。其工作原理是將交流電通過橋式不控整流變為直流，由于整流電路輸出直流電壓含有脈動成分，逆變部分產生的脈動電流及負載變化也使直流電壓脈動，因此要加入大電容濾波，最后通過三相逆變器(IPM)將經過濾波的直流高壓變為電壓和頻率可調的交流電提供給永磁直線同步電機。其功率主回路電路圖如圖4-2所示16。圖4-2 功率主回路電路圖功率主回路是一“交直交”變頻器，將工頻電源通過整流橋臂為固定的直流電壓，然后利用IGBT模塊組成的具有正弦波脈寬調制功能的三相橋式逆變器，通過PWM信號的控制，將直流電逆變成頻率和電壓可變變得交流電。4.2.1 交直部分電路交直部分電路即整流電路

47、和濾波電路。整流電路有三相橋式和單相橋式兩種形式，這主要是由后級逆變器所驅動的三相交流電機額定電壓決定的17。采用整流模塊可以降低系統的復雜程度、減小體積、提高系統運行的穩定性。本系統采用的是三相橋式不可控模塊將交流電變成直流電。整流電路的輸出電壓雖然是單一方向的，但是脈動較大，含有較大的諧波成分，為了解決整流后的諧波問題，在整流后，還需要進行濾波電路的設計，其作用是將脈動的直流電壓變為平滑的直流電壓，以提高整個系統的抗干擾能力；電路中，50K的電阻在系統停止時為電容提供放電回路；電阻RL是限流電阻；開關SL的功能是當CP充電到一定程度時，令SL接通，將RL短路掉。濾波電容除了穩壓和濾除整流后

48、的電壓紋波外，還在整流電路和逆變電路之間起去藕作用，以消除相互干擾，為感性負載的電動機提供必要的無功功率。因此，中間直流電路電容的容量必須較大，起儲能作用5。4.2.2 直交部分電路即逆變電路，它采用智能功率模塊（IPM）。IPM是由高速低功耗的管芯和優化的門極驅動電路以及快速保護電路構成。即使發生負載事故或使用不當，也可以保證IPM自身不受損壞。它內部集成了三對IGBT橋路，組成逆變器，可以合成所需的SVPWM波形16。它內部集成了三對IGBT橋路，組成逆變器，可以合成所需的SVPWM波形，它把二極管整流橋整流后的直流電在“逆變”成頻率和幅值都可調的交流電。這是實現逆變的執行環節，也是主電路

49、的核心部分。在逆變電路的IGBT模塊中，D1D6的主要功能是：為無功電流返回直流電源提供通道；在逆變器工作的過程中，同一橋臂的兩個逆變器處于不停的交替導通和關斷狀態，在逆變器的兩個橋臂的下端各有一個電阻，用來檢測相電流的電阻傳感器，考慮到電阻的損耗以及采樣檢測之大小的問題，我們通常取該電阻為40m。若系統出現故障或過載，為了保護功率器件IPM不受損壞，智能功率模塊IPM有非常完善的內置保護電路和故障檢測及封鎖門極驅動的功能，功率器件IPM出現過流OC或短路SC、過熱OT或其控制電源欠壓UV等故障時，IPM內部門極控制電路均能起到保護作用，封鎖門極驅動，避免IPM損壞。因此，IPM使用起來方便，

50、不僅減小了系統的體積以及開發時間，也大大增強了系統的可靠性，適應了當今功率器件的發展方向模塊化、復合化和功率集成電路，在電力電子領域得到了越來越廣泛的應用。在本伺服控制系統的逆變回路中，采用的是IR公司的6單元IPM模塊IRAMS06UP60A模塊的電機驅動接口電路。在該電路中，只用1個15V驅動電源，取代其他隔離電源的是外接了3個自舉電容，自舉電容的值根據開關頻率來確定。如果出現過流或短路故障，DSP通過發出低電平使外接的IGBT關斷，從而使IPM關斷輸出20。來自IPM內部的溫度信號通過T/ITRIP引腳接到DSP，提供溫度變化信息，當產生過熱時，IPM自動關閉。利用DSP的PDPINT引

51、腳可以實現IPM內部功率器件IGBT的過熱、過壓、失壓等保護（可以引出這些要保護環節的信號，通過一個多輸入端的與門后通過光電隔離再送入DSP，DSP收到信號以后,進入PDPINT中斷處理程序，實施相應的保護動作）。4.3 系統控制回路設計4.3.1 TMS320F2812的最小系統DSP是一種適合數字信號處理的高性能微處理器，21世紀是數字化的時代，DSP已成為這場數字化革命的重要元素，廣泛應用于社會的各個領域。DSP的定義有兩成含義，一方面是指數字信號處理技術（Digital Signal Processing），另一方面指數字信號處理器（Digital Signal Processor）。

52、數字信號處理器即DSP芯片的誕生，使得數字信號處理技術的理論研究成果廣泛應用到實際系統中，成為數字信號處理技術和應用之間的橋梁，并進一步促進數字信號處理技術的深入發展和應用領域和拓寬。系統設計中，控制電路采用的是TI公司的高性能數字信號處理器（DSP）TMS320F2812作為控制核心，它可以完成永磁同步電機數字控制中的傳感器信號的采集與數據處理，實現電機的矢量控制算法，產生控制電力電子器件開關的PWM信號，驅動IPM工作。TMS320F281x是TI公司推出的新一代32位定點數字信號處理器，TMS320F2812是其中一種型號。該類芯片具有卓越的數據處理能力，又能像單片機那樣具有適于控制的片

53、內外設及接口，因而又被稱為“數字信號控制器”。它具有較高的信號處理和控制功能，在數字控制領域擁有廣闊的應用前景。TMS320F2812的最小系統主要包括TMS320F2812芯片、電源、晶振、外掛存儲器、擴展口及其他一些部分19。4.3.2 PWM波產生電路設計直線電機交流伺服驅動系統采用DSP和智能功率模塊結構，IPM的外部驅動電路是IPM內部電路和控制電路之間的接口, 外部控制驅動電路上主要完成對PWM信號的功率放大，以及對逆變功率管的驅動功能，良好的外部驅動電路對以IPM構成的系統的運行效率、可靠性和安全性都有重要意義。本系統采用SVPWM技術來實現功率逆變，將TMS320F2812芯片

54、產生的PWM信號先經過光電隔離電路，以實現電氣隔離，有效地抑制電干擾。再經過功率驅動模塊IR2132S進行功率放大，最后驅動三相逆變電路IPM的六個IGBT功率管。PWM波產生電路原理圖如圖4-3所示。系統采用的功率驅動模塊為IR2132S將DSP所產生的六路PWM信號經光耦隔離（功率轉換電路的輸入為低電壓弱電流的邏輯信號，而輸出為相對功率驅動信號電壓電流，IR2132S本身不具有邏輯信號與功率信號的隔離功能，因此需要再輸入的控制信號和IR2132S之間加入光耦隔離器件）后，用直接驅動模塊IR2132S對信號進行放大，然后驅動三相逆變器的六個功率管。由于DSP本身通過軟件編程可以直接產生SVP

55、WM信號來驅動三相逆變器，所以大大簡化了系統的外圍硬件電路結構，提高了系統的可靠性。圖4-3 PWM波產生電路TMS320F2812芯片中有兩個事件管理器（EVA和EVB），每個事件管理器可同時輸出多達8路的PWM波形。由3個帶可編程死區控制的比較單元產生獨立的3對PWM信號（即6個輸出），以及由通用定時器（GP）比較產生的2個獨立的PWM信號。驅動模塊中PWM信號是TMS320F2812芯片的事件管理模塊A產生的。即首先在DSP的初始化程序中，通過設置定時器1為連續增/減模式，且使能定時器1的下溢中斷。然后在保證系統輸出時鐘頻率為40MHz的情況下，通過軟件寫入定時器1的周期寄存器的值為20

56、00，則PWM的載波頻率為10kHz。在定時器1的下溢中斷服務程序中，DSP主要完成從工控機中讀取數據，并更新定時器1相應的比較寄存器，使PWM輸出波形的占空比隨著相應比較寄存器中值的改變而改變。4.4 保護電路設計4.4.1 欠過電壓保護系統進行減速或者制動過程中拖動系統存儲的能量不能通過整流橋回饋到電網，只能向濾波電容充電，這樣電壓過高對主功率電路器件有很大影響，必須采取措施加以限制，因此設計了直流母線過壓保護電路。母線電壓過高或過低都會導致逆變模塊及其他周邊器件工作不正?；蛘邠p壞，因此，有必要進行直流母線過電壓保護。當直流母線電壓大于上限值時，保護系統判斷為過壓，便切斷三線逆變器的輸出；當直流母線電壓低于下限值并持續一段時間時，保護系統判斷為欠壓，便也切斷三相逆變器的輸出。4.4.2 過熱保護智能功率模塊IPM有內置保護電路以避免系統失控或過載而使功率器件損壞。但盡管IPM模塊自身有溫度保護功能，但當溫度很高時，通常在130o145o，機