1、PINGDINGSHAN UNIVERSITY畢業設計永磁同步電機題 目: 矢量控制系統信號檢測 院 (系): 電氣信息工程學院 專業年級: 電氣工程及其自動化專業2008級 姓 名: 游松超 學 號: 081220160 指導教師: 宋曉燕 副教授 年 月 日原 創 性 聲 明本人鄭重聲明：本人所呈交的畢業設計，是在指導老師的指導下獨立進行研究所取得的成果。畢業設計中凡引用他人已經發表或未發表的成果、數據、觀點等，均已明確注明出處。除文中已經注明引用的內容外，不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的科研成果。對本文的研究成果做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 本聲明的法律

2、責任由本人承擔。 論文作者簽名： 日 期： 關于畢業設計使用授權的聲明本人在指導老師指導下所完成的論文及相關的資料（包括圖紙、試驗記錄、原始數據、實物照片、圖片、錄音帶、設計手稿等），知識產權歸屬平頂山學院。本人完全了解平頂山學院有關保存、使用畢業設計的規定，同意學校保存或向國家有關部門或機構送交論文的紙質版和電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權平頂山學院可以將本畢業論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用任何復制手段保存和匯編本畢業論文。如果發表相關成果，一定征得指導教師同意，且第一署名單位為平頂山學院。本人離校后使用畢業設計或與該設計直接相關的學術論文或成果時，第一署名單位仍

3、然為平頂山學院。論文作者簽名： 日 期： 指導老師簽名： 日 期： 平頂山學院2012屆本科畢業設計 永磁同步電機矢量控制系統信號檢測 游松超永磁同步電機矢量控制系統信號檢測摘 要針對永磁同步電機矢量控制系統信號的檢測，分析了無位置傳感器檢測法和位置傳感器檢測法的優缺點，提出在采用位置傳感器的前提下，分別對定子電流、定子電壓、轉子位子及轉速進行檢測，以此來提高信號檢測的準確性、降低控制系統的成本，提高系統性能，并對永磁同步電機矢量控制系統進行仿真研究。關鍵詞: 永磁同步電機，矢量控制，位置傳感器，轉子位置10kW dc motor of the direct torque control sy

4、stem design AbstractA new brushless DC motor DTC scheme was studied to solve those problems associated with direct torque control (DTC) of brushless DC motor, such as difficulty to control flux and complexity to estimate torque. The flux hysteresis controller was ignored in the constant torque regio

5、n and an imp roved method was proposed to make the estimation of torque easier. The proper stator voltage space vector was selected based on the output of the torque hysteresis controller and the sector which the current rotor flux locates in. The structure of the control system was simplified and t

6、he cost was reduced. Simulation and experimental results are presented, and it is shown that the feasibility and the validity of the scheme.Key Words: Brushless DC motor, DTC, Voltage space vector, Torque, Hysteresis control目 錄1緒論11.1課題背景11.2課題的主要研究內容12 永磁同步電機數學模型22.1坐標系的設立22.2坐標變換及變換矩陣32.3電機的數學模型43

7、矢量控制系統的工作原理、信號檢測53.1矢量控制系統的工作原理53.2定子電流的檢測63.3電壓的檢測73.4轉子位置檢測83.5轉速檢測104永磁同步電機矢量控制系統及仿真114.1永磁同步電機矢量控制系統114.2仿真125結論17參考文獻18致謝191緒 論1.1課題背景矢量控制是在上世紀70年代初由西德Blaschke等人提出的一種高性能控制策略，應用坐標變換將三相系統等效為兩相系統，再經過按轉子磁場定向的同步旋轉變換實現了定子電流勵磁分量與轉矩分量之間的解耦，從而達到對交流電動機的磁鏈和電流分別控制的目的。矢量控制技術的提出，使交流傳動系統的動態性能得到了顯著的改善，這無疑是交流傳動

8、控制理論上的一個質的飛躍。它使人們看到盡管交流電動機控制復雜，但同樣可以實現轉矩、磁場獨立控制的內在本質，這使得矢量控制技術在交流調速控制系統中得到了廣泛的應用，因為永磁同步電機具有效率高、體積小、結構簡單、動態響應快等優點，有著廣闊的應用前景，矢量控制也逐漸應用于永磁同步電機。永磁同步電動機最主要的控制方式是基于轉子磁場定向的矢量控制，它實際上是對電動機定子電壓或電流矢量的相位和幅值同時進行控制。隨著電力電子技術、微電子技術和傳感器技術的發展，矢量控制技術已成為電氣傳動系統中的首選方案，矢量控制需要電動機的精確模型，對參數具有很強的依賴性，參數的變化會導致控制性能變差，這就要求我們必須進行實

9、時檢測并利用檢測信號才能控制電機的正常運行，信號檢測主要是對定子電壓、定子電流、轉子位置及轉速進行檢測。目前，矢量控制系統信號檢測方式分無位置傳感器檢測法和位置傳感器檢測法，無位置傳感器檢測法是當前研究的熱點，這種方法實施簡單，但它運算過程復雜，是一種估計算法并且對電機參數變化很敏感，魯棒性差。而位置傳感器檢測法是最為常見的，但它有自己的不足之處，如高速高分辨率位置傳感器價格昂貴、性能易受惡劣環境影響。1.2課題的主要研究內容針對以上問題，本文研究永磁同步電機數學模型，矢量控制系統的工作原理、信號檢測，采用位置傳感器檢測法對定子電流，定子電壓，轉子位置及轉速進行檢測，來提高對信號檢測的準確性，

10、降低控制系統的成本，提高控制系統性能，介紹永磁同步電機矢量控制系統并進行仿真，實現對電機的更好控制。 2永磁同步電機數學模型2.1坐標系的設立永磁同步電機的控制是通過研究其數學模型的特性來實現的，其研究對象為定子側的物理量，它們都是交流量，且其空間矢量是以同步轉速旋轉的；以致在三相坐標系下建立的數學模型非常復雜，計算和分析都十分困難；而對其實施變換后，在兩相平面坐標系下來進行分析研究，則會簡單得多。因此，在永磁同步電機的研究中經常在參考坐標系之間進行變換，即坐標變換。目前，坐標變換時常用的坐標系有以下三種，它們之間的關系如圖2-1所示。 A 0 C B d q 圖21常用的坐標系 1三相定子坐

11、標系(ABC坐標系)三相定子坐標系是以彼此相差的永磁同步電機的三相定子繞組軸線A、B、C為坐標軸構成的，又稱A-B-C坐標系。如在三相交流電機的定子三相繞組中通以時間上互差的三相平衡正弦電流、，則可以產生以同步角頻率旋轉的三相定子合成磁動勢空間矢量。2兩相靜止坐標系(坐標系)假定有兩相空間位置相差的固定繞組，其軸線分別為、，組成兩相靜止坐標系(軸逆時針超前軸)。若在此兩相固定繞組中、，通以在時間上相差電角度的兩相平衡交流電流、，同在定子三相繞組中通以時間上互差的三相平衡正弦電流一樣、，也會產生同樣的合成磁動勢空間矢量。3兩相旋轉坐標系(d-q坐標系)前面的A-B-C坐標系和坐標系都是靜止不動的

12、，而d-q坐標系卻是固定在電機轉子上，同轉子一起以同步角頻率旋轉，因此稱為旋轉坐標系；如圖2-1所示，其兩坐標軸分別為d、q，空間位置相差 (q軸逆時針超前d軸)。如在該相互垂直的繞組d、q中通入直流電流、，同樣也可以產生與上述三相定子合成磁動勢空間矢量一樣的合成磁動勢空間矢量。2.2坐標變換及變換矩陣目前，對交流電機的控制主要是在三相交流電動機上模擬直流電動機的控制規律進行的分析和研究；從而將直流電動機的控制方法移植到交流電動機上，這其中最關鍵的問題就是交流量與直流量的轉換，這就需要借助坐標變換使各物理量從靜止坐標系轉換到同步旋轉坐標系。坐標變換必須遵循兩個原則：(1)變換前后電流所產生的旋

13、轉磁動勢完全一致；(2)變換前后電動機的功率相等。由以上原則推導出三種坐標系之間的變換關系如下 2-1 2-2 2-3 式中是d軸與軸之間的夾角；F為電壓、電流與磁鏈等矢量，其中式(2-1)就是通常所謂的Clark變換，式(2-2)則是通常所謂的Park變換。這些變換都是可逆的。注意：當各物理量由三相變換到兩相時，為了滿足功率不變的原則，兩相定子線圈的有效匝數應為原來三相繞組每相有效匝數的/倍，兩相定子線圈內個物理量的正方向和原定子三相繞組的規定相同。2.3電機的數學模型電機的數學模型是我們研究系統動、靜態性能和對系統進行控制設計的依據；因此，數學模型的好壞對控制系統的性能有著非常重要的影響。

14、由于永磁同步電機的各物理量之間復雜的電磁耦合合關系，以及飽和等非線性的影響，使得PMSM的建模非常困難。為了簡化分析，結合本課題所使用的PMSM的特點，對電機作如下一些假設：(1)假設磁路線性，不計渦流、磁滯以及鐵心飽和的影響。(2)假定永磁材料的電導率等于零，不計電機繞組漏感。(3)假定定子繞組是三相對稱分布，轉子上無阻尼繞組。(4)不計磁場的高次諧波，定轉子繞組產生的氣隙磁場看成正弦分布的。在三相定子坐標系中，由于電機參數與轉子的位置有關，使得電機的數學模型非常復雜。在此基礎上進行控制系統的研究十分困難；而在d-q旋轉坐標系中，由于坐標軸和磁鏈都以同步轉速旋轉，使得電機數學模型中的參數變成

15、常數，有利于我們進行控制系統的設計；因此，通常采用d-q旋轉坐標系下的數學模型來分析和設計永磁同步電動機伺服控制系統。在d-q旋轉坐標系下永磁同步電機的數學模型如下電壓方程 2-4 2-5定子磁鏈方程 2-6 2-7電磁轉矩方程 2-8機械運動方程 2-9式中，、是么d，q軸定子電流分量，、是d，q軸定子電壓分量，R是定子電樞繞組電阻，、是氣隙磁鏈，是轉子磁鋼在定子繞組中產生的耦合磁鏈，是電機d，q軸的主電感，是電機轉子的磁極對數，是轉子與負載的轉動慣量、B是摩擦系數，是電機負載的轉矩，是角速度、是電角速度，且，是轉子的機械位置與起始點的夾角。從式(2-8)可以看出，電機的電磁轉矩由兩部分組成

16、，第一部分是與q軸電流如成正比的永磁轉矩；第二部分是與d、q軸電流的乘積成正比的磁阻轉矩，它是由于d、q軸同步電感的不同而引起的。在插入式和內裝式的PMSM中，由于轉子磁路一般不對稱，所以在大多數情況下都有；而在面裝式的PMSM 中，由于轉子磁路對稱導致，所以其磁阻轉矩為零，從而其電磁轉矩方程只包括第一項永磁轉矩，因此式(2-8)可化為 2-103矢量控制系統的工作原理、信號檢測3.1矢量控制系統的工作原理圖示3-1出采用轉子磁場定向的矢量控制系統原理框圖。若使兩相d，q坐標系與轉子磁鏈同步旋轉，并進一步將d軸取在轉子磁鏈方向上，則轉子磁鏈與轉矩分別由定子電流的勵磁分量和轉矩分量獨立控制，當轉

17、子磁鏈幅值保持恒定時，系統可實現對轉矩與轉子磁鏈的解耦控制。圖3-1表明，這是一個電流內環、轉速外環的雙閉環控制系統。首先，根據檢測到的電機轉速和輸入的參考轉速。利用轉速與轉矩的關系，通過速度PI控制器計算得到定子電流,的參考輸入和。通過相電流檢測電路提取，再使用Clark變換將它們轉換到定子兩相坐標系中，然后使用Park變換。將它們轉換到d，q旋轉坐標系中，再將d，q坐標系中的電流信號與它們的和相比較，其中=0，通過PI控制器獲得理想的控制量。控制信號再通過Park逆變換送到三相逆變器，從而得到控制定子三相對稱繞組的實際電流。外環速度環產生了定子電流的參考值，內環電流環得到實際控制信號，從而

18、構成一個完整的速度矢量雙閉環控制系統。PI PI d,q ,SVPWM 三相逆變器d,q , a,b,cPMSM電機PI 位置與速度 傳感器 傳感器信息 _ _ _ n Park變換 Clark變換 Park逆變器圖示3-1矢量控制系統結構圖3.2釘子電流的檢測永磁同步電動機矢量控制系統至少需要實時檢測電機定子任意兩相的相電流，電流信號首先要轉換成電壓信號才能對其進行檢測和處理。本系統中由主回路通過電流傳感器檢測電機A、B兩相電流，分別經線性廣耦隔離器HCPL7800進行隔離，用采樣電阻將電流信號變為電壓信號，再經運放進行放大，通過選取合適的參數和增益使得CA3140的輸出電壓控制在±

19、;1V之內，最后再加上+2V的直流偏置電壓，使輸出為13V間變化的模擬電壓信號，并在輸出端加上+3V穩壓二極管，以確保DSP輸入不超過+3V。此信號與集成在TMS320F2407內的A/D轉換器外引腳相連接，進入DSP中進行運算處理。由于TMS320F2407的最大允許輸入電壓為3.3V，因此我們一方面要確保采樣信號電壓不能超過3.3V，又由于經過多次實驗調試，發現DSP自帶A/D轉換器對于01V之間的電壓信號不敏感，精確度較底，因此采用將+10mA的電流信號通過采樣電阻轉換為±lv的電壓信號。ADCINl：A相電流采樣；ADCINlO：B相電流采樣。這兩個采集量采用雙路同時轉換，以

20、增加轉換次數，并且將同一時刻多次轉換結果存于寄存器求其平均值，以達到提高轉換精確度的要求。如圖3-2，3-3分別為A相電流檢測電路和二階濾波及直流偏置電路 圖3-2 A相電流檢測電路 圖3-3 二階濾波及直流偏置電路3.3電壓的檢測常用的電壓檢測方法有光電耦合直接檢測法和電壓傳感器檢測法。電壓傳感器檢測法的檢測性能優良，然而成本太貴；考慮實際情況，本系統采用第一種方法。電壓檢測電路原理如圖圖3-4所示。圖3-4 電壓檢測電路原理把電阻接成Y 型網絡來模擬交流感應電機的三相繞組，通過測量Y 型電阻上的電壓來獲得交流感應電機的三相電壓。由于經電阻分壓獲得的電壓具有高頻諧波分量，瞬間峰值電壓有可能會

21、超過A/D 轉換器輸入的范圍，況且電壓還是有極性的，因此需要將此信號通過低通濾波器濾除諧波分量，然后經偏置電路將正負極性電壓信號轉換為0+3V 單極性電壓信號。濾波后的電壓為-1.2+1.2V，經過2.5V 的參考電壓源LM185 偏置后再進行放大即可得到0+3V 電壓。放大后的電壓必須經過光耦隔離后才能送入DSP 的A/D轉換器進行轉換。本系統選用的是型號為HCNR200 線性光耦。3.4轉子位置檢測轉子初始位置信息是電動機正常起動運行的前提，也是控制算法正確實施的必要條件，不但是有位置傳感器調速系統中一個必不可少的環節，也是無位置傳感器調速系統中要解決的關鍵問題。若轉子初始位置檢測失誤，會

22、嚴重影響到以后對轉子位置的計算，以致無法正確完成關于電機控制的其他一系列算法，將造成電機運轉的紊亂并使之無法進入正常的運轉狀態。在這里采用基于位置傳感器完成系統的轉子位置檢測，也就是用信號發生器、旋變數字轉換裝置配合旋轉變壓器測量轉子位置。旋轉變壓器簡稱旋變，包括激磁繞組與輸出繞組兩個部分。外部高頻率信號施加在激磁繞組上，輸出繞組輸出的電壓是經過轉子轉角調制后的高頻模擬信號。輸出繞組電壓幅值與轉子轉角一般為正余弦函數關系，或保持某一比例關系，因此可以用于坐標變換、三角運算和角度數據傳輸。對電機位置進行檢測的旋變通常為無刷結構正余弦型的旋變，其結構如圖3-5所示。工作時對、繞組施加高頻交流電壓，

23、在旋變內部產生高頻脈振磁場；當轉子隨轉軸轉動時，脈振磁場也會隨之旋轉，從而在定子部分繞組兩端感應出脈振電勢；由于二相定子繞組位置垂直，使得二相定子繞組感應電勢相差。圖3-5 旋轉變壓器接線圖外部提供的激磁電壓經過滑環提供給轉子繞組，定子二相繞組互差，它們同轉子繞組之間的夾角隨著電機轉子旋轉而變化，使得定子繞組感應出的端電壓隨之變化。 3-1 3-2式中，k為變壓器的變比。定子繞組輸出的端電壓是經過轉子位置調制后的高頻電壓信號，因此需要對其進行解調以獲取轉子的絕對位置角。旋變的特點之一是：定子繞組輸出的端電壓含有轉子位置的絕對位置信息，因此經過高頻信號的解調后即可獲得轉子絕對位置。旋變與旋變數字

24、轉換裝置（旋變解碼芯片）接線示意圖如圖3-6：圖3-6 旋變與解碼芯片接線示意圖如圖3-6所示，解碼芯片輸出一個高頻正弦信號，經過濾波與功率放大后(-)對旋變進行激磁，同時該信號經過相位校正電路以后重新輸入到解碼芯片，為其精確解碼提供參考；旋變輸出兩路經過高頻調制后的包含轉子位置信息的正弦信號(-、-)，兩路信號經過信號調理(濾波、放大)送至解碼芯片；解碼芯片經過高速數字運算，再經過數字接口與微控制器通信，同時輸出模擬監控信號供電路調試使用,最終確定轉子位置。3.4轉速檢測永磁同步電動機矢量控制系統，為了提高控制系統的精度轉速檢測器可采用增量式光電編碼，從光電編碼器中輸出的A、B信號是2個互差

25、的脈沖序列，從這2個信號能計算出電動機速度和轉動方向。光電編碼器還給出一個定位信號Z，為防止記數時編碼器的輸出脈沖丟失，需利用此定位信號作為位置計數的復位信號，根據這個信號就能確定PMSM轉子相對于定子的位置。TMS320F2407具有其特殊功能模塊一正交解碼(QEP)電路和捕獲單元，它們可以直接與光電編碼器相連，用于轉速檢測。其中QEP電路內部設有轉向判別和倍頻功能，因此不再需要其它輔助電路，接口電路設計變得非常簡單。而且F2407具有功能強大的通用定時器完成對脈沖信號的計數。其硬件接線如圖3-7所示。圖3-7 QEP的硬件連接在本系統中，利用F2407的QEP單元檢測兩列正交解碼輸入脈沖的

26、兩個邊沿實現碼盤輸出信號的四倍頻，并且利用通用定時器T2作為QEP電路的時間基準對脈沖進行計數，通過T2的計數就可以知道轉子磁極的相對位置。Z信號用于確定轉子磁極的絕對位置，Z信號與捕獲輸入引腳CAP3相連，當捕獲單元使能后，能捕獲z的上升沿變化，觸發一個相應的捕獲中斷，在中斷服務程序中，T2的計數值被存儲在相應的2級深度FIFO堆棧中，作為計算轉角的基準值。轉子每旋轉一周，基準值就被重新定義一次，這樣可以避免因A、B兩相信號的丟失或外界的干擾而引起的位置磁極位置的誤差，保證了轉角計算的準確性。當電機正轉時，QEP電路的方向檢測邏輯測定出連接到光碼盤A相的QEP1輸入引腳上脈沖序列的相位領先于

27、QEP2上的脈沖信號，然后產生一個方向信號(此信號可以在特殊寄存器內讀取，以此判別轉向)作為T2定時器的計數方向，則計數器T2CNT遞增計數；反之，若電機反轉，則遞減計數。定時器T2在計數器下溢或E溢時發生翻轉，并重新開始計數。4永磁同步電機矢量控制系統及仿真4.1永磁同步電機的矢量控制系統典型的轉速、電流閉環PMSM矢量控制系統如圖4-1所示。由于矢量控制的思想是控制轉子坐標系上的定子電流分量(、)，所以需要轉子位置信號以供坐標變換所需，同時也可據此計算出電機的轉速，因此轉子位置信號檢測電路是系統的一個關鍵部分。轉速閉環調節器發出電機轉矩指令，接著由圖l中的函數發生器(FG)根據電機運行特性

28、(MTPA等)輸出、指令，然后分別經過兩路獨立的電流閉環通道(電流調節器，ACR)輸出d、q軸的控制電壓，再經過圖中。變換后得到靜止坐標系的電壓控制量(、)，最后采用空間矢量脈寬調制技術(SVPWM)輸出PWM信號去控制電壓源逆變器(VSI)向永磁電機供電。圖4-1中虛線框內部單元由TI公司DSP實現。圖4-1 永磁同步電機矢量控制系統4.2仿真根據永磁同步電機數學模型用Simulink建立了永磁同步電機的模塊如圖4-2所示：圖4-2 永磁同步電機模塊三相永磁同步電機矢量控制仿真框圖如圖4-3所示：圖4-3 三相永磁同步電機矢量控制仿真框圖圖4-4電流滯環控制模塊圖4-5 PWM模塊實現框圖圖

29、4-6 dq2abc模塊實現框圖仿真中用到的電機參數如下：定子電阻為2875 ，,定子直軸電感和交軸電感都為8.5e-3H，永磁磁極與定子繞組交鏈的磁鏈為0.175 Wb , 轉動慣量0.8e-3kgm2, 極對數6，給定轉速為=500rads，在t=0.03s時，負載轉矩由O N·m 突變為6N·m，見圖(4-7)圖4-7 外加負載曲線由上述仿真結果可知， 普通三相永磁同步電機采用基于轉子磁場定向的矢量控制方案， 且速度外環采用PI控制時，速度響應過程中有一定超調見圖(4-8) 。當突加負載時，速度立即下降，然后逐漸恢復穩定見圖(4-9) ,若在速度外環采用PID控制,即

30、在速度外環加一個小的微分環節D并適當降低比例放大系數P,可有效降低超調量并且縮短電機啟和突加負載時電機到達穩態的時間。交軸實際電流始終跟蹤交軸給定電流見圖(4-11),且啟動過程中和突加負載時, 兩者變化幅度較大，而穩定時兩者都基本恒定，穩態時電磁力矩恒定見圖(4-10)，以便平衡外加負載，速度穩定時三相定子電流為規整的正弦流，且相位依次相差約 。 圖4-8 定子電流曲線圖4-9 速度響應曲線圖4-10 電磁力矩曲線圖4-11 交軸電流曲線 5結論本文研究了采用位置傳感器法對永磁同步電機矢量控制系統信號檢測，實現提高信號檢測的準確性，對于如何降低控制系統的成本，提高系統性能有著很好的借鑒作用。

31、理論分析、仿真和試驗對比研究永磁同步電機矢量控制系統，表明實時檢測并利用檢測信號，才能保證電機的更好運行。 參考文獻1何飚，齊智平，馮之鉞無速度傳感器矢量控制系統的電機參數測算. 農業機械學報, 2008, 38( 9)：2629 2 陳榮，嚴仰光永磁電機的轉子位置檢測與定位中小型電機，20033 貴獻國，徐殿國，王宗培電機轉子位置檢測方法評述微電機，1999，32(6)：4424474 李志民，張遇杰同步電機調速系統，機械工業出版社，19965 謝寶昌，任永德，劉文瑛無傳感器電機位置檢測策略綜述微電機，2000，33(5)：2923346 郭慶鼎，羅睿夫，王麗梅永磁同步電機的位置和速度檢測方

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