基于DSP的正弦波永磁同步電機VC調速系統

周文慶

（安徽理工大學，安徽淮南 232001）

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基于DSP的正弦波永磁同步電機VC調速系統

周文慶

（安徽理工大學，安徽淮南 232001）

［摘 要］針對永磁同步電機控制調速系統，介紹了矢量控制調速策略，設計出一種基于DSP的矢量控制變頻調速系統。該系統以TMS320F240型DSP為核心處理芯片，以三相SPWM（正弦波脈寬調制）逆變器供電為基礎，通過SPWM調制器的三相電壓調制信號，調制生成PWM信號驅動逆變器，實現按轉子磁鏈定向的永磁同步電動機矢量控制。

［關鍵詞］變頻調速；矢量控制；DSP；仿真

0　引言

正弦波永磁同步電機（簡稱:PMSM）采用矢量控制變頻調速時，通過動態實時檢測轉速與轉子位置，經過坐標變換后得到正弦波脈寬調制（簡稱:SPWM）調制器的三相電壓調制信號，調制生成脈沖寬度調制（簡稱:PWM）信號驅動逆變器，經閉環控制使逆變器輸出電壓頻率和相位快速跟定給定值，實現永磁同步電動機按轉子磁鏈定向矢量控制，在工業調速方面應用很廣泛。考慮到對響應和命令的速度以及精度的高要求，采用數字信號處理器TMS320F240為核心處理器，搭配單片機AT89S51、上位機等組成控制模塊對調速系統提供精確控制。

1　PMSM數學模型及矢量控制策略

磁鏈方程:

電壓方程:

其中ψf=Lmd.if，產生與永磁體相同的勵磁磁場。

轉矩方程:

以上式中:LsdLsq——分別為永磁同步電動機d、q軸繞組自感；isdisq——分別為定子電流的直、交軸分量；LmdLmq——分別為d、q繞組的勵磁電感。

圖1為PMSM在d、q旋轉坐標系上的數學模型。

PMSM電磁轉矩基本上取決于定子q軸的電流分量，轉子磁鏈恒定不變，故采用轉子磁鏈定向的方式來控制，控制d軸電流isd=0，則轉矩方程為

Te與電流轉矩分量iq成線性關系，通過控制q軸電流就可實現對Te的控制。這是矢量控制的實質所在。三相SPWM逆變器供電給PMSM定子，轉子轉速ωr和轉角θr由轉子位置傳感器BQ檢測，并計算sin θr和cos θr。由轉速調節器ASR和電流調節器ACR得到定子電壓的轉矩分量，在設定勵磁分量為“0”的條件下經坐標變換2r/3s，得到SPWM調制器的三相電壓調制信號。定子電流經檢測和坐標變換3s/2r，得到定子電流的轉矩分量isq，作為電流的反饋信號。

圖2為PMSM轉子磁鏈定向空間矢量圖。

其系統原理圖如圖3所示。

正弦波脈寬調制（SPWM）技術有多種實現方法，此處采用雙極性采樣法，即以頻率和期望輸出波形相同的正弦波作為調制波，以頻率比期望波形高得多的雙極性等腰三角形作為載波進行調制。利用雙極性的SPWM波形來驅動三相橋式逆變器。

2　永磁同步電動機變頻調速系統仿真

正弦波PMSM變頻調速系統仿真模型見圖4所示，在轉速給定n=2 000 r/min情況下，空載啟動電機，在t=0.04 s時突加負載TL=3 N·m，分別觀察轉速波形、轉矩波形、電流d、q分量以及三相定子電流波形。見圖5、圖6、圖7、圖8所示。

將圖5轉速波形放大可見，系統空載啟動后，在0.01 s的時間內達到額定轉速。t=0.04 s時突加負載TL=3 N·m，轉速略有微小下降，大約為1 ～2 r/min，影響結果幾乎可以忽略，并且迅速恢復穩態運轉，恢復調節時間為0.000 1 s，穩態誤差僅為0.05%；顯現出了速度和電流雙閉環負反饋調速系統良好的動態和穩態性能。三相定子電流在很短時間內變為三相正弦波，轉矩波形與電流轉矩分量是線性關系，為相對應的控制關系，即控制好iq的值（圖中波形可見id=0）就可以控制電機轉矩，從而借鑒了直流電機控制方法的優點，這是矢量控制的實質和優越性所在。

3　PMSM變頻調速控制系統硬件設計

正弦波永磁同步電動機變頻調速系統硬件設計如圖9所示。

如圖9所示，逆變電路中采用智能功率模塊IPM，它內部含有柵極驅動、短路保護以及過流保護、過熱保護和欠壓鎖定等功能，實現逆變開關器件IGBT的驅動與保護。系統以TMS320F240型DSP為核心處理芯片，采用以isd=0的控制策略，搭配單片機AT89S51、上位機等組成控制模塊，通過光耦隔離電路、輔助電源電路對系統逆變電路提供精確控制，從而實現了對永磁同步電動機的矢量控制。利用光電編碼器通過M/T法來對轉子磁極位置及轉速進行檢測，再與速度、電流檢測信號一起送至DSP芯片。DSP主要完成信號采集、轉速調節、電流調節、反饋信號處理、矢量變換、SPWM信號的產生以及與AT89C51單片機的通信；單片機AT89S51負責報警、人機互動以及與上位機之間的信號互換等。

本文設計的正弦波永磁同步電動機變頻調速系統，采用轉速和電流雙閉環調速，使定子電流和轉子磁鏈一直保持確定的關系，從而使產生的轉矩恒定不變，使系統的穩定性得到了很大的提高。

4　PMSM變頻調速控制系統軟件設計

系統軟件設計主要包括主程序、PWM中斷等。

主程序流程圖如圖10所示，主要流程有:調用系統初始化程序、檢測電機電流及轉子位置信息、執行中斷服務程序等。

PWM中斷流程圖如圖11所示，其功能為輸出PWM值，并且進行坐標變換、電流調節、定子電壓空間矢量調制等。

5　結束語

針對永磁同步電機控制調速系統，設計出一種基于DSP的矢量控制變頻調速系統。該系統以三相SPWM逆變器供電為基礎，通過SPWM調制器的三相電壓調制信號，調制生成PWM信號驅動逆變器，實現按轉子磁鏈定向的永磁同步電動機矢量控制。

仿真結果表明:速度和電流雙閉環負反饋調速系統具有良好的動態和穩態性能。三相定子電流在很短時間內變為三相正弦波，轉矩波形與電流轉矩分量是線性關系，控制iq值就可以控制電機轉矩，從而借鑒了直流電機控制方法的優點，這是矢量控制的實質和優越性所在。再設計硬件連接圖和程序流程圖，以TMS320F240型DSP為核心處理芯片，搭配單片機AT89S51、上位機等組成控制模塊，對調速系統提供了精確控制；整個調速系統高效、穩定、易控制。

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（責任編輯 李亞青）

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

［中圖分類號］TM 351

［文獻標志碼］A

［文章編號］1005-0310（2016）02-0060-05

DOI：10.16255/j.cnki.ldxbz.2016.02.011

［收稿日期］2015-11-10

［作者簡介］周文慶（1991-），男，安徽安慶人，安徽理工大學碩士研究生，主要研究方向為風力發電、電機雙饋調速。E-mail:995089597@qq.com