基于DSP的正弦波永磁同步电机VC调速系统

周文庆

（安徽理工大学，安徽淮南 232001）



基于DSP的正弦波永磁同步电机VC调速系统

周文庆

（安徽理工大学，安徽淮南 232001）

［摘 要］针对永磁同步电机控制调速系统，介绍了矢量控制调速策略，设计出一种基于DSP的矢量控制变频调速系统。该系统以TMS320F240型DSP为核心处理芯片，以三相SPWM（正弦波脉宽调制）逆变器供电为基础，通过SPWM调制器的三相电压调制信号，调制生成PWM信号驱动逆变器，实现按转子磁链定向的永磁同步电动机矢量控制。

［关键词］变频调速；矢量控制；DSP；仿真

0　引言

正弦波永磁同步电机（简称:PMSM）采用矢量控制变频调速时，通过动态实时检测转速与转子位置，经过坐标变换后得到正弦波脉宽调制（简称:SPWM）调制器的三相电压调制信号，调制生成脉冲宽度调制（简称:PWM）信号驱动逆变器，经闭环控制使逆变器输出电压频率和相位快速跟定给定值，实现永磁同步电动机按转子磁链定向矢量控制，在工业调速方面应用很广泛。考虑到对响应和命令的速度以及精度的高要求，采用数字信号处理器TMS320F240为核心处理器，搭配单片机AT89S51、上位机等组成控制模块对调速系统提供精确控制。

1　PMSM数学模型及矢量控制策略

磁链方程:

电压方程:

其中ψf=Lmd.if，产生与永磁体相同的励磁磁场。

转矩方程:

以上式中:LsdLsq——分别为永磁同步电动机d、q轴绕组自感；isdisq——分别为定子电流的直、交轴分量；LmdLmq——分别为d、q绕组的励磁电感。

图1为PMSM在d、q旋转坐标系上的数学模型。

PMSM电磁转矩基本上取决于定子q轴的电流分量，转子磁链恒定不变，故采用转子磁链定向的方式来控制，控制d轴电流isd=0，则转矩方程为

Te与电流转矩分量iq成线性关系，通过控制q轴电流就可实现对Te的控制。这是矢量控制的实质所在。三相SPWM逆变器供电给PMSM定子，转子转速ωr和转角θr由转子位置传感器BQ检测，并计算sin θr和cos θr。由转速调节器ASR和电流调节器ACR得到定子电压的转矩分量，在设定励磁分量为“0”的条件下经坐标变换2r/3s，得到SPWM调制器的三相电压调制信号。定子电流经检测和坐标变换3s/2r，得到定子电流的转矩分量isq，作为电流的反馈信号。

图2为PMSM转子磁链定向空间矢量图。

其系统原理图如图3所示。

正弦波脉宽调制（SPWM）技术有多种实现方法，此处采用双极性采样法，即以频率和期望输出波形相同的正弦波作为调制波，以频率比期望波形高得多的双极性等腰三角形作为载波进行调制。利用双极性的SPWM波形来驱动三相桥式逆变器。

2　永磁同步电动机变频调速系统仿真

正弦波PMSM变频调速系统仿真模型见图4所示，在转速给定n=2 000 r/min情况下，空载启动电机，在t=0.04 s时突加负载TL=3 N·m，分别观察转速波形、转矩波形、电流d、q分量以及三相定子电流波形。见图5、图6、图7、图8所示。

将图5转速波形放大可见，系统空载启动后，在0.01 s的时间内达到额定转速。t=0.04 s时突加负载TL=3 N·m，转速略有微小下降，大约为1 ～2 r/min，影响结果几乎可以忽略，并且迅速恢复稳态运转，恢复调节时间为0.000 1 s，稳态误差仅为0.05%；显现出了速度和电流双闭环负反馈调速系统良好的动态和稳态性能。三相定子电流在很短时间内变为三相正弦波，转矩波形与电流转矩分量是线性关系，为相对应的控制关系，即控制好iq的值（图中波形可见id=0）就可以控制电机转矩，从而借鉴了直流电机控制方法的优点，这是矢量控制的实质和优越性所在。

3　PMSM变频调速控制系统硬件设计

正弦波永磁同步电动机变频调速系统硬件设计如图9所示。

如图9所示，逆变电路中采用智能功率模块IPM，它内部含有栅极驱动、短路保护以及过流保护、过热保护和欠压锁定等功能，实现逆变开关器件IGBT的驱动与保护。系统以TMS320F240型DSP为核心处理芯片，采用以isd=0的控制策略，搭配单片机AT89S51、上位机等组成控制模块，通过光耦隔离电路、辅助电源电路对系统逆变电路提供精确控制，从而实现了对永磁同步电动机的矢量控制。利用光电编码器通过M/T法来对转子磁极位置及转速进行检测，再与速度、电流检测信号一起送至DSP芯片。DSP主要完成信号采集、转速调节、电流调节、反馈信号处理、矢量变换、SPWM信号的产生以及与AT89C51单片机的通信；单片机AT89S51负责报警、人机互动以及与上位机之间的信号互换等。

本文设计的正弦波永磁同步电动机变频调速系统，采用转速和电流双闭环调速，使定子电流和转子磁链一直保持确定的关系，从而使产生的转矩恒定不变，使系统的稳定性得到了很大的提高。

4　PMSM变频调速控制系统软件设计

系统软件设计主要包括主程序、PWM中断等。

主程序流程图如图10所示，主要流程有:调用系统初始化程序、检测电机电流及转子位置信息、执行中断服务程序等。

PWM中断流程图如图11所示，其功能为输出PWM值，并且进行坐标变换、电流调节、定子电压空间矢量调制等。

5　结束语

针对永磁同步电机控制调速系统，设计出一种基于DSP的矢量控制变频调速系统。该系统以三相SPWM逆变器供电为基础，通过SPWM调制器的三相电压调制信号，调制生成PWM信号驱动逆变器，实现按转子磁链定向的永磁同步电动机矢量控制。

仿真结果表明:速度和电流双闭环负反馈调速系统具有良好的动态和稳态性能。三相定子电流在很短时间内变为三相正弦波，转矩波形与电流转矩分量是线性关系，控制iq值就可以控制电机转矩，从而借鉴了直流电机控制方法的优点，这是矢量控制的实质和优越性所在。再设计硬件连接图和程序流程图，以TMS320F240型DSP为核心处理芯片，搭配单片机AT89S51、上位机等组成控制模块，对调速系统提供了精确控制；整个调速系统高效、稳定、易控制。

［参考文献］

［1］ 陈国呈.逆变技术及应用［M］.北京:中国电力出版社，2007.

［2］ 庒尚，李程程，牛圆圆.基于DSP的矿井提升机永磁同步电机DTC调速系统［J］.煤矿机械，2013，34（8）:88-90.

［3］ 祝龙记，石晓艳.电气工程与自动化控制系统的MATLAB仿真［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2014.

［4］ 阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.北京:机械工业出版社，2012.

［5］ 潘萍，付子义，刘辉，等.永磁同步电机无传感器控制技术研究现状与控制策略综述［J］.工矿自动化，2007（3）:29-31.

［6］ 欧卫斌，李军生.基于DSP的异步电动机矢量控制系统的设计与仿真［J］.工矿自动化，2009（6）:39-42.

［7］ 龚云飞，富历新.基于Matlab的永磁同步电机矢量控制系统仿真研究［J］.微电机，2007（2）:33-36.

［8］ LI L，SUN H，WANG X，et al.A high-performance direct torque control based on DSP in permanent magnet synchronous motor drive［C］//Intelligent Control and Automation.Proceedings of the 4th World Congress on.IEEE，2002:1622-1625.

［9］ 石坚，汤宁平，谭超.永磁同步电机无位置传感器控制系统［J］.电机与控制学报，2007（1）:50-54.

［10］ 管良勇，徐国卿，袁登科.永磁同步电机矢量控制系统设计与仿真［J］.机电一体化，2008（12）:51-53.

［11］ 李宏，张勇，王晓娟，等.永磁同步电机SVPWM控制策略仿真研究［J］.微电机，2009（1）:86-88.

［12］ 林辉，刘军.基于矢量控制的永磁同步电机研究［J］.电机技术，2009（1）:18-20.

［13］ 徐艳平，钟彦儒，杨惠.永磁同步电机矢量控制和直接转矩控制的研究［J］.电力电子技术，2008（1）:60-62.

［14］ Swierczynski D，Kazmierkowski M P，Blaabjerg F.DSP based direct torque control of permanent magnet synchronous motor （PMSM）using space vector modulation（DTC-SVM）［C］//Industrial Electronics，2002.ISIE 2002.Proceedings of the 2002 IEEE International Symposium on.IEEE，2002，3:723-727.

［15］ 林立.基于DSP和IPM的永磁同步电动机调速控制系统［J］.电机与控制学报，2005（4）:106-110.

（责任编辑 李亚青）

The Sinusoidal Permanent Magnet Synchronous Motor Vector Control Based on DSP

ZHOU Wen-qing
（Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001，China）

Abstract:Based on the control for permanent magnet synchronous motor speed control system，the paper discusses vector control strategy，and a vector control variable frequency speed regulation system based on DSP is designed.With TMS320F240 DSP as the core processing chip and three-phase SPWM （sine pulse width modulation）inverter power supply as the foundation，through the SPWM modulator of three-phase voltage modulation signal，the system modulates and generates PWM signal generation drive inverter，and realized the permanent magnet synchronous motor vector control by rotor flux-oriented control.

Key words:Frequency control；Vector control；DSP；Simulation

［中图分类号］TM 351

［文献标志码］A

［文章编号］1005-0310（2016）02-0060-05

DOI：10.16255/j.cnki.ldxbz.2016.02.011

［收稿日期］2015-11-10

［作者简介］周文庆（1991-），男，安徽安庆人，安徽理工大学硕士研究生，主要研究方向为风力发电、电机双馈调速。E-mail:995089597@qq.com