摘 要

工业自动化已成为了当今工业领域发展的必然趋势，随之而来的是工业生产对自动化设备以及生产工艺有着越来越高的要求。近年来，永磁同步电机伺服系统以其控制精准、调速范围宽等优良的性能在工业自动化领域得到了广泛的应用，而永磁同步电机的调速控制策略已逐渐成为了工控领域研究的热门。

本课题研究的目的是以永磁同步电机为控制对象，在对相关原理和技术理解和掌握的基础上，通过比较与分析，设计一套方案可行的永磁同步调速控制系统。

本课题研究的主要内容有：（1）对永磁同步电机的发展历程以及本课题研究的背景和现状进行了介绍，阐述了永磁同步电机的结构和原理 ；（2）阐述了电压空间矢量控制技术（SVPWM）,详细分析了永磁同步电机基于转子磁链定向的矢量控制的原理和数学模型；（3）设计了永磁同步电机调速控制系统的电流调节器和速度调节器，设计了PI调节器，并对系统进行了仿真研究（4）介绍了本课题采用的DSP处理核心——美国TI公司的TMS320F2812芯片基本功能和应用原理；（5）在前面分析的基础上，设计了永磁同步电机调速控制系统的硬件电路，包括DSP及其外围电路、功率变换及驱动电路、信号检测与处理电路、开关电源电路、键盘与显示电路等；（6）基于硬件系统设计了软件的部分功能程序。

最后，对整个系统的性能进行了分析和评估，并总结了本课题所做的研究工作，以便于今后更深一步的研究。

关键词：永磁同步电机，SVPWM，矢量控制，DSP硬件

Abstract

Industrial Automation is an inexorable trend of today’s industry development, which will bring about a higher and higher requirement of automation equipment and manufacturing technique in industrial production. In recent years, the PMSM Speed Regulating System is widely used in the field of Industrial Automation for its excellent properties of accurate control, wide speed range and etc. And also, the PMSM’s speed regulating strategy has gradually become a hot research topic in the field of Industrial Control.

Taking the PMSM as the control subject and through comparing and analyzing related theories and techniques based on my understanding and mastering, this paper aims at designing a feasible PMSM Spontaneous Speed Regulating System.

The main contents of this paper include: (1) It introduces the PMSM’s development and the background and present situation of this research. (2) It discusses the SVPWM and carefully analyzes the PMSM’s theory and mathematical model based on the rotor flux vector control. (3) It not only designs the speed and current controller of the PMSM Speed Regulating System but also builds the mathematical model of the system and conducts a simulation research about it. (4) It introduces the processing corn adopted by this research—the essential functions and application principle of American TI Company’s TMS320F2812 chip. (5) Based on the above analysis, it designs the PMSM Speed Regulating System’s hardware circuit, including DSP and its peripheral circuit, power conversion and drive circuit, signal detection and processing circuit, switch power circuit, key and display circuit and so on. (6) it designs part of software’s function program based on the hardware system.

Finally, it analyzes and evaluates the properties of the whole system and summarizes the research work of this paper to make it convenient for further study.

Key words: PMSM, SVPWM, vector control, DSP hardware

目 录

第1章 绪论 1

1.1电机调速系统的发展历程 1

1.2永磁同步电机调速系统 1

1.2.1永磁同步电机介绍 1

1.2.2永磁同步电机调速系统的原理 3

1.3课题研究的背景和现状 3

1.4课题研究的目的和内容 4

第2章 电压空间矢量PWM控制技术（SVPWM） 5

2.1正弦脉宽调制技术（SPWM） 5

2.2 SVPWM的原理 5

2.2.1空间矢量的定义 5

2.2.2逆变器输出的电压矢量 6

2.2.3 SVPWM的实现方法 8

2.3本章小结 8

第3章 永磁同步电机矢量控制系统 9

3.1坐标变换 9

3.1.1坐标变换的基本思想 9

3.1.2 Clarke、Park、Park逆变换 10

3.2 旋转正交坐标系下的数学模型 11

3.3永磁同步电机矢量控制策略 12

3.3.1 控制 12

3.3.2 控制 13

3.3.3最大转矩控制 13

3.3.4恒磁链控制 14

3.4双闭环控制系统 15

3.4.1电流调节器的设计 15

3.4.2速度调节器的设计 16

3.5永磁同步电机矢量控制系统仿真研究 16

3.5.1 坐标变换模块 17

3.5.2 SVPWM模块 18

3.5.3 仿真测试分析 20

3.6本章小结 22

第4章 永磁同步电机调速控制系统硬件设计 23

4.1 TMS320F2812简介 23

4.2 DSP及其外围电路 24

4.2.1 DSP电源 24

4.2.2复位电路 25

4.2.3时钟电路 26

4.2.4 JTAG电路 26

4.3主电路 27

4.3.1功率变换电路 27

4.3.2光耦隔离与驱动电路 29

4.4信号检测与处理电路 31

4.4.1电流检测与处理电路 31

4.4.2电压检测与处理电路 32

4.4.3位置与速度检测与处理电路 32

4.5过压保护电路 33

4.6键盘与显示电路 34

4.7开关电源 35

4.8本章小结 36

第5章 永磁同步电机调速控制系统软件设计 37

5.1主程序设计 37

5.2中断程序设计 37

5.3子程序设计 38

5.3.1 SVPWM输出程序 38

5.3.2 转速与位置计算程序 39

5.3.3 PI控制程序 40

5.4本章小结 40

第6章 分析与评估 41

第7章 总结 43

参考文献 44

附录A 控制与保护电路 45

附录B 功率变换与驱动电路 49

致 谢 50

第1章 绪论

1.1电机调速系统的发展历程

传统的电机调速系统以变频调速为主，即通过改变电源的频率和电压，来控制电机的速度与转矩，以满足生产工艺的要求。随着经济的发展，工业生产对电机调速系统的性能要求越来越高。动态响应快、精度高、损耗小、控制简单、效率高，是现代工业生产对电机调速系统的新要求。

调速系统一般以电机的速度、转矩等机械变量作为控制对象，通过反馈值与给定值的对比，由控制器实现系统的输出精确而快速地响应外部给定的指令。 电机调速系统经历了从直流调速系统到交流调速系统转变的过程。

1. 上世纪50年代到80年代，直流调速系统以其简单的控制模型和良好的线性输出特性，广泛地应用于各个领域。随着控制技术的发展，其控制方式也从最初的开环控制逐渐发展为闭环控制和混合控制。
2. 高性能的控制器件的出现奠定了高性能调速系统发展的硬件基础。50年代末晶闸管的出现开启了电力电子时代。70年代末，出现了第二代电力电子器件，如功率场效应晶体管、电力晶体管、门极可关断晶闸管；80年代后期，诞生了以IGBT为代表的混合型电力电子器件，其具有通态压降小、负载能力强、开关频率高等特点。电力电子技术以及控制技术的进步，使得直流调速系统的缺点越来越凸显，从而促使了新型调速系统的出现，即交流调速系统。

（3）调速控制方法的发展构成了交流调速系统的软件基础。70年代初，德国和美国就同时提出了通过坐标变换和磁场定向实现了定子电流励磁分量和转矩分量解耦的矢量控制方法。80年代中期出现了新的高性能变频调速控制方法，即直接转矩控制技术。90年代，相关学者提出了电压空间矢量脉冲宽度调制技术，使得交流调速系统得到了飞速的发展。近几年，交流调速系统逐渐向着全数字化控制的方向发展。