基于DSP交流永磁同步直线电机矢量控制系统

基于DSP交流永磁同步直线电机矢量控制系统
李大;杨庆东;刘泉
【期刊名称】《微计算机信息》
【年(卷),期】2007(023)026
【摘要】在比较旋转电机和直线电机两者区别的基础上,分析了交流永磁同步直线电机结构特性.并就直线电机的特殊性给出了交流永磁同步直线电机调速的矢量变换控制方法,做出了基于DSP的控制系统的硬件和软件设计.
【总页数】2页(P195-196)
【作者】李大;杨庆东;刘泉
【作者单位】100085,北京,北京机械工业学院机械工程系;100085,北京,北京机械工业学院机械工程系;100085,北京,北京机械工业学院机械工程系
【正文语种】中文
【中图分类】TP276
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基于DSP的永磁同步电机矢量控制的研究的开题报告一、选题背景及意义随着先进制造技术和电力电子技术的发展，永磁同步电机（PMSM）的应用越来越广泛。

PMSM具有高效率、高功率密度、高性能等优点，以及相对于异步电机和直流电机具有更高的输出转矩和更快的响应速度。

因此，研究永磁同步电机的控制技术，具有广泛的理论和实际意义。

永磁同步电机的矢量控制（Vector Control）是目前应用最广泛的控制方法之一。

通过矢量控制技术，PMSM可以在转速、转矩和位置上的快速响应和精确控制。

矢量控制技术的核心是电机磁场定向控制，通过电机转子位置信息，将电机电流按照大小和相位分解为直流和交流两个分量进行控制，从而实现精确的转速和转矩调节。

本研究将通过使用数字信号处理（DSP）控制器，设计和实现一种基于矢量控制的永磁同步电机控制系统，对其进行深入研究和分析，探讨如何将矢量控制方法应用于PMSM的精确控制，为PMSM的开发和应用提供有力的技术支持。

二、研究内容和目标本研究的主要内容包括以下几个方面：1. 研究永磁同步电机的工作原理和矢量控制方法。

理解矢量控制原理，研究PMSM的磁场定向控制技术，分析矢量控制方法的优势和局限性，为后续控制系统的设计提供理论支持。

2. 设计基于DSP的永磁同步电机控制系统。

通过分析电机性能参数和工作特点，设计基于DSP的控制器，包括硬件和软件部分，实现PMSM的转速和转矩控制。

3. 实现永磁同步电机的矢量控制。

利用矢量控制方法，实现永磁同步电机的精确控制，包括速度闭环控制、电流矢量定向控制、PID调节等。

4. 进行实验验证和性能分析。

通过实验测试，对研究所设计的基于矢量控制的永磁同步电机控制系统的性能进行分析和评估，并与其他控制方法进行比较，验证该控制系统的优越性和可行性。

本研究的主要目标是利用矢量控制技术，设计和实现一种高性能、高精度的永磁同步电机控制系统，为PMSM的应用和发展提供技术支持，同时也为未来控制系统的设计和优化提供参考。

基于DSP的永磁同步电机矢量控制系统的研究与设计共3篇基于DSP的永磁同步电机矢量控制系统的研究与设计1基于DSP的永磁同步电机矢量控制系统的研究与设计随着现代电子技术的发展，控制技术逐渐成为重要的研究领域。

永磁同步电机作为一种高效、稳定的电机，已经得到广泛应用。

而矢量控制技术，则可实现对永磁同步电机的精确控制，提高其效率和稳定性。

本文，我们将介绍基于DSP的永磁同步电机矢量控制系统的研究和设计。

从系统架构、控制算法、硬件设计以及实验测试等方面，详细探究其原理和实现方法。

一、系统架构永磁同步电机矢量控制系统主要由两部分组成：控制器和电机。

其中，控制器采用DSP作为核心，运行矢量控制算法，将电机转速、位置等信息输入进行控制。

电机由永磁同步电机、驱动器和传感器组成。

二、矢量控制算法矢量控制算法主要包括两种：基于空间矢量分解的矢量控制和基于旋转矢量的矢量控制。

其中，基于空间矢量分解的矢量控制是通过将电机的空间矢量分解为定子和转子磁链矢量，控制其大小和相位差来实现永磁同步电机的转矩和转速控制；基于旋转矢量的矢量控制则是通过构建一个旋转矢量，并控制其与电机运动的相对位置来实现对电机的精确控制。

三、硬件设计在硬件设计方面，我们采用了一种小型化的设计方案，将DSP 与其他电路集成在一起，便于控制和维护。

电机驱动器采用了3相全桥逆变器，可实现对电机的相位和大小控制。

传感器为霍尔传感器，并通过反馈控制将电机转速等信息输入到控制器中。

四、实验测试为了验证所设计的永磁同步电机矢量控制系统的有效性，我们进行了实验测试。

通过转速和转矩测试，得到了电机在加速、减速、负载改变等情况下的运行特性。

实验结果表明，所设计的永磁同步电机矢量控制系统具有较高的控制精度和稳定性。

五、结论综上所述，基于DSP的永磁同步电机矢量控制系统的研究和设计可实现对永磁同步电机的精确控制，提高其效率和稳定性。

对于电机控制领域的研究和应用具有一定的参考和借鉴价值本文介绍了基于DSP的永磁同步电机矢量控制系统的研究和设计。

诚信声明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。

作者签名：日期：年月日湖南工程学院毕业设计（论文）任务书————☆————设计（论文）题目：基于DSP的永磁同步电动机矢量控制系统研究姓名周琳系别应用技术学院专业电气工程及其自动化班级0786 学号200713010616指导老师颜渐德教研室主任谢卫才一、基本任务及要求：1）掌握矢量控制的基本原理。

2）掌握永磁同步电动机矢量控制系统。

3）利用MATLAB软件仿真，分析。

4)硬件设计及软件设计二、进度安排及完成时间：2月20日：布置任务，下达设计任务书2月21日——3月10日：查阅相关的资料（总参考文章15篇，其中2篇以上IEEE的相关文章）。

3月13日——3月25日：毕业实习、撰写实习报告3月27日——5月30日：毕业设计、4月中旬毕业设计中期抽查6月1日——6月7日：撰写毕业设计说明书（论文）6月8日——6月10日：修改、装订毕业设计说明书（论文），并将电子文档上传FTP。

6月11日——6月12日：毕业设计答辩目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第１章概述 (1)1.1永磁同步电动机的发展概况及应用前景 (1)1.1.1 永磁同步电动机发展概况 (1)1.1.2 永磁同步电动机特点及应用 (2)1.2永磁同步电动机控制系统的发展现状与趋势 (3)1.3课题研究的背景及本文的主要研究内容 (4)1.4本课题的研究意义 (5)第2章永磁同步电动机的结构及其数学模型 (7)2.1永磁同步电动机的结构 (7)2.2永磁同步电动机的数学模型 (8)2.2.1 永磁同步电机在静止坐标系(UVW)上的模型 (8)α-)上的模型方程 (10)2.2.2 永磁同步电机在两相静止坐标系(β2.2.3 永磁同步电机在旋转坐标系(d q-)上的数学模型 (12)第3章永磁同步电机矢量控制及空间矢量脉宽调制 (16)3.1永磁同步电机的控制策略 (16)3.1.1永磁同步电机外同步控制策略 (16)3.1.2 永磁同步电机自同步控制策略 (16)3.1.3 永磁同步电动机的弱磁控制 (19)3．2空间矢量脉宽调制(SVPWM) (19)3.2.1 空间矢量脉宽调制原理 (19)3.2.2 空间矢量脉宽调制实现 (22)3.3PI控制器的设计 (24)3.3.1 电流环PI控制器的设计 (24)3.3.2 速度环PI控制器的设计 (25)第4章系统仿真模型 (26)4.1MATLAB仿真工具箱简介 (26)4.2闭环控制系统仿真 (27)4.3仿真结果及分析 (31)第5章永磁同步电机控制器的硬件设计 (34)5.1功率变换单元的设计 (34)5.1.1 三相桥式主电路 (35)5.1.2 IR2130驱动器 (36)5.1.3 信号隔离电路 (38)5.2检测单元的设计 (38)5.2.1位置检测单元的设计 (38)5.2.2 电流检测电路 (40)5.2.3 电压检测电路 (40)5.3控制器的设计 (41)5.3.1 DSP的特点和资源 (42)5.3.2 系统设计中所用的DSP硬件资源 (43)5.4电平转换 (44)5.5保护电路的设计 (45)5.5.1 过流保护电路 (45)5.5.2 过压保护电路 (46)5.5.3 上电保护电路 (46)5.5.4 系统保护电路 (47)第6章永磁同步电机控制器的软件设计 (48)6.1DSP软件一般设计特点 (48)6.1.1 公共文件目标格式 (48)6.1.2 Q格式表示方法 (49)6.2控制系统软件的总体结构 (50)6.3控制系统子程序设计 (53)6.3.1 位置和速度计算 (53)6.3.2 速度、电流PI控制 (55)6.3.3 电流的采样与滤波 (56)6.3.4 坐标变换软件实现 (58)6.3.5 正余弦值的产生 (58)6.3.6 空间矢量PWM程序 (59)结束语 (60)参考文献 (61)致谢 (62)附录 (63)基于DSP永磁同步电动机矢量控制系统研究摘要：本论文在分析了PMSM的结构、数学模型的基础上采用弧公司专用于电机控制的TMS320F2407A型数字信号处理器作为核心，开发了全数字化的永磁同步电机矢量控制调速系统，主要完成了以下几个方面的工作：(1)本文查阅大量的文献资料，阐述了永磁同步电机的发展概况及应用以及其控制系统的发展现状，讨论了此课题的研究意义。

3 基于DSP的数字伺服控制系统方案3.1 交流电机数字控制系统的特点数字控制系统是自动控制理论和计算机技术相结合的产物，一般是指微处理机参与控制的开环或闭环系统，通常具有精度高、速度快、存储量大和有逻辑判断功能等特点，因此可以实现高级复杂的控制方法，获得快速精密的控制效果。

相对于传统的模拟控制系统而言，数字控制系统有以下优点[9]：（1）精心设计的微机控制系统能显著地降低控制器硬件成本。

根据目前微机的发展趋势来看，此优点变得越来越明显，对于复杂控制系统尤其如此。

为用户专门设计的大规模集成电路（VLSI）加软件构成的控制芯片，或为大批量生产设计的专门集成电路（ASIC）均使系统硬件成本大大降低。

体积小、重量轻、耗能少是它们附带的共同优点。

（2）改善系统可靠性。

VLSI使系统连线减少到最少，其平均无故障时间（MTBF）大大长于分立元器件电路。

经验表明，正确设计微机控制系统的可靠性大大优于电机控制系统中的其它元器件。

（3）数字电路不存在温漂问题，不存在参数变化的影响。

（4）可以设计统一的硬件电路，以适合于不同的电机控制系统。

软件设计具有很大的灵活性，可以有不同的版本，还可加快产品的更新换代。

（5）可以完成复杂的功能，指令、反馈、校正、运算、判断、监控、报警、数据处理、故障诊断、状态估计、触发控制、PWM脉冲产生、坐标变换等等。

数字控制系统也有其不足之处，主要表现在：（1）存在采样和量化误差。

尽管计算机内部的数字量非常精确，但和外部打交道均通过数/模（D/A）、模/数（A / D）转换器。

D/A、A / D转换器的位数和计算机的字长是一定的，增加位数和字长及提高采样频率可以减少这一误差，但不可以无限制地增加。

（2）响应速度往往慢于专用的硬件或模拟系统。

计算机处理信号是以串行方式进行的，尽管微处理机的速度提高很快，但要完成很多任务仍需较长的时间。

此外，采样时间的延迟可能造成系统的不稳定。

（3）软件人工成本较贵。

基于DSP的永磁同步电机新型矢量控制技术研究的开题报告一、研究背景永磁同步电机在工业领域中应用广泛，具有能效高、体积小、功率密度大等优点。

矢量控制技术是一种能够实现精确控制永磁同步电机转速和转矩的技术。

传统矢量控制技术存在控制精度低、稳定性差、响应速度慢等问题。

为了在更广泛的应用场景下提高永磁同步电机的性能，新型的矢量控制技术尤为重要。

二、研究目的本文旨在研究基于DSP的永磁同步电机新型矢量控制技术，主要包括以下目的：（1）了解永磁同步电机和矢量控制技术的原理和相关知识。

（2）研究基于DSP的永磁同步电机新型矢量控制技术的实现方式。

（3）设计和搭建基于DSP的永磁同步电机新型矢量控制系统。

（4）进行实验验证，测试系统控制精度和稳定性。

三、研究内容和方法（1）永磁同步电机和矢量控制技术的原理和相关知识的学习和研究。

（2）研究基于DSP的永磁同步电机新型矢量控制技术的实现方式，包括矢量控制算法的设计、控制器硬件电路的设计等。

（3）搭建基于DSP的永磁同步电机新型矢量控制系统，进行硬件和软件的配置和调试。

（4）进行实验验证，测试系统控制精度和稳定性。

实验中采用Matlab/Simulink的仿真环境和实验控制平台进行验证。

四、预期成果通过本文的研究，将设计并搭建一个基于DSP的永磁同步电机新型矢量控制系统，实现精确控制永磁同步电机转速和转矩。

实验将检验该系统的控制精度和稳定性，并对其在实际工业应用中的可行性进行探讨。

五、研究意义（1）掌握永磁同步电机和矢量控制技术的原理和相关知识。

（2）研究基于DSP的永磁同步电机新型矢量控制技术，为永磁同步电机的性能提升提供新思路和新方法。

（3）设计和搭建基于DSP的永磁同步电机新型矢量控制系统，为实现永磁同步电机的精确控制提供实践基础。

（4）实验验证，测试系统控制精度和稳定性，为永磁同步电机的普及应用提供技术支撑。

基于DSP的交流永磁同步直线电机矢量控制系统设计
于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或变化电场产生的。

磁场的基本特征是能对其中的运动电荷施加作用力，磁场对电流、
对磁体的作用力或力矩皆源于此。

[全文]
中直接产生的，可获得比传统驱动机构高几倍的定位精度和快速响应速度[1]。

目前，美国、日本、德国、瑞士等是直线直接驱动系统研究水平相对较高的国家，Siemens、Kollmorgen 等公司的产品已经商品化[2]。

国内对直线电机的研究开发非常重视，很多科研院所都开展了实验研究，但没有实现产业化。

本文
是在我系研制的交流永磁同步直线电机基础上进行基于矢量变换控制的驱动系
统设计应用。

2. 交流永磁同步直线电机工作原理
直线电机的工作原理上相当于沿径向展开后的旋转电机。

交流永磁同步直线电机通入三相交流电流后，会在气隙中产生磁场磁场
电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。

由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运
动电荷或变化电场产生的。

磁场的基本特征是能对其中的运动电荷施加作用力，磁场对电流、对磁体的作用力或力矩皆源于此。

，若不考虑端部效应，磁场在直线方向呈正弦分布。

行波磁场与次级相互作用产生电磁推力，使初级和次级产生相对运动。

图1 所示为开发设计的交流永磁同步直线电机。

3. 永磁同步直线电机矢量控制原理
由于矢量控制动态响应快，相比较标量控制，在很快的时间内就能达到。