三相永磁同步电动机变频调速专业系统设计.doc
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1、 运动控制系统课程设计题 目: 三相永磁同时电动机变频调速系统设计 专业班级: 自动化姓 名: 学 号: 指导老师: 评阅意见: 指导老师署名: 日期: 月 日 摘 要本论文在研究永磁同时电动机运行原理基础上具体讨论了其变频调速理论而且设计了一套基于DSP永磁同时电动机磁场定向矢量控制系统。永磁同时电动机相对感应电动机来说含有体积小、效率高和功率密度大等优点,所以自从上个世纪80年代,伴随永磁材料性能价格比不停提升,和电力电子器件深入发展,永磁同时电动机研究也进入了一个新阶段。因为永磁同时电动机本身含有比感应电动机更为优越性能,而且其dq变换算法相对简单、电机转子磁极位置易于检测,所以交流调速
2、矢量控制理论在永磁同时电动机控制领域也得到了一样重视,相关永磁同时电动机矢量控制研究结果陆续发表。本文就是应用电压矢量控制SVPWM实现对永磁同时电机转矩控制,使其拥有直流电机性能。关键词:永磁同时电机 矢量控制 dq变换 DSP 目 录1 绪论.1 1.1 研究背景和意义.1 1.2 研究现实状况及应用前景.12 永磁同时电机矢量控制方法.33 硬件电路设计.4 3.1 电流检测电路.4 3.2 转速检测和转子磁极位置检测电路.5 3.3 PWM发生电路.6 3.4 IPM智能功率模块驱动电路.7 3.5 系统保护电路.8 3.6 人机接口电路.94 软件设计.9 设计心得.12 参考文件.
3、131 绪论1.1 研究背景和意义众所周知,电动机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换电磁装置。为了在电机内建立进行机电能量转换所必需气隙磁场,能够有两种方法:一个是在电机绕组内通以电流来产生磁场,这种电励磁电机既需要有专门绕组和相关装置,又需要不停供给能量以维持励磁电流连续流动;另一个方法是用永磁体来产生磁场。因为永磁体材料固有特征,它经过预先磁化(充磁)后,不需要外加能量就能够在其周围空间建立磁场。永磁电机发展是和永磁体材料发展亲密相关。近几十年来,因为多种电机快速发展需要和电流充磁器发明,大家对永磁材料机理、组成和制造技术进行了深入研究,相继发觉了碳钢、钨钢、钴钢等多个永磁材料。尤其是
4、20世纪30年代出现铝镍钻永磁和50年代出现铁氧体永磁,磁性能有了很大提升,多种微型和小型电机又纷纷采取永磁体励磁。永磁电机功率小至数毫瓦,大至几十千瓦,在军事、工农业和开常生活中得到了广泛利用,产量急聚增加。根据工作原理,电动机通常分为直流电动机和交流电动机两大类。直流电动机转速轻易控制和调整,在额定转速以下,保持励磁电流恒定,经过改变电枢电压方法实现恒转矩调速;在额定转速以上,保持电枢电压恒定,可用改变励磁方法实现恒功率调速。交流电动机诞生已经有一百多年历史。交流电动机又分为同时电动机和感应(异步)电动机两大类。20世纪80年代以前,在变速传动领域,直流调速一直占据主导电位。伴随交流调速技
5、术发展使交流电机应用愈加广泛,不过其转矩控制性能却不如直流电机。所以怎样使交流电机静态控制性能和直流系统相媲美,一直是交流电机研究方向。本文就是针对永磁同时电机进行矢量控制变压变频调速系统设计。1.2 研究现实状况及应用前景自从上个世纪80年代以来,伴随电机调速控制理论、电力电子和微电子技术快速发展和永磁材料性能价格比不停提升,永磁同时电动机变频调速进入了深入研究和广泛应用阶段。因为永磁同时电动机本身含有比感应电动机更为优越性能,而且其dq变换算法相对简单、电机转子磁极位置易于检测,所以交流调速矢量控制理论在永磁同时电动机控制领域也得到了一样重视,相关永磁同时电动机矢量控制研究结果陆续发表。和
6、此同时,对永磁同时电动机调速控制性能也提出了更高要求:高性能永磁同时电动机调速系统除了要有良好转矩控制性能外,还应含有较宽调速范围。伴随现代工业生产方法益自动化发展需要,对作为其中关键组成部分现代电伺服系统提出了越来越高性能和技术要求,以永磁同时电动机为关键电伺服系统含有精度高,稳定性好,转速高,功率密度大等特点,已日渐成为电伺服驱动系统主流,尤其是在高精度、高性能要求中小功率伺服领域更是含有替换传统直流伺服系统趋势。从其应用领域特点和永磁同时电动机伺服系统本身技术发展来看,以后永磁同时电动机伺服系统将向着以下两个方向发展:一个是适适用于简易数控机床、办公自动化设备、家用电器、计算机外围设备和
7、对性能要求不高工业运动控制等领域简单、成本低永磁同时电动机伺服系统;另一个方向则是适适用于高精度数控机床、机器人、特种加工设备精细给进驱动和航空、航天用高性能全数字化、智能化、柔性化永磁同时电动机伺服系统。以后一个作为更能充足表现永磁同时电动机伺服系统优点发展方向也必将是永磁同时电动机伺服系统关键发展方向。2 永磁同时电机矢量控制方法由电机学理论可知,在三相定子绕组中通入三相对称电流,能够产生对应三相磁动势。其合成磁动势是一个圆形空间旋转磁势。而且能够证实,旋转磁势能够形成一个圆形旋转磁场(若不考虑磁滞和涡流损耗,则旋转磁势和旋转磁场在空间上同相位),并和电机转子永磁体所产生磁场相互作用形成电
8、磁力,从而推进转子旋转。因为电动机转速和电源频率保持严格同时关系,所以速度不可调。和感应电动机控制相类似,高性能永磁同时电动机变频调速策略也有两种:矢量控制和直接转矩控制。矢量控制技术是从直流电动机控制中得到启发,其励磁磁通和电枢磁势方向相互垂直,二者互不影响,励磁绕组和电枢绕组又相互独立,故可分别调整其励磁电流和电枢电流,实现对转矩独立控制。永磁同时电动机矢量控制就是分别控制订子电流幅值和相位,包含了id=0控制、cos=l控制、恒磁链控制、最大转矩/电流控制等不一样控制方法。将永磁同时电机转子励磁磁势方向定为d轴,超前90度方向定义为q轴,于是能够建立dq旋转坐标系。dq轴电流控制是经过d
9、q轴电压控制实现。但dq轴电压无法直接输出,需要转换到三相静止坐标系中输出,系统控制方案能够设计为图2.1所表示。 图2.1 系统结构图3 硬件电路设计系统采取DSP芯片为TMS320F2407,它是电机专用控制DSP,集成了相当多电机控制外围电路,这使得系统硬件设计变得十分简单。硬件系统主回路采取交一直一交电压型逆变器(VSI)形式,由不控整流桥、滤波电容、逆变器和作为控制对象永磁同时电动机等组成。硬件部分关键包含:人机接口、整流逆变装置、电流检测、光电码盘信号采集、系统保护等,硬件结构图图3.1所表示。对LF2407控制器而言,其输入量关键为每一采样周期采样a、b相定子电流信号和由增量式脉
10、冲编码器输出电机转速信号,输出量关键为IPM功率模块控制信号。 图3.1 系统硬件结构框图3.1 电流检测电路在没有中线时,能够认为电动机定子三相电流之和为0,所以检测a、b两相电流值能够重构出c相电流。本系统检测电流使用霍尔电流传感器。因为霍尔元件输出是弱电流信号,所以必需将该电流信号转换成电压信号,且因为霍尔传感器输出为有正负方向电流信号,其转换得到电压信号也有正负,而TMS320LF2407片内A/D转换器输入为0+5V电压信号,所以需要电平偏移电路,将有正负极性电压信号转换为LF2407A/D转换器所需单极性电压信号。电流采样电路原理框图图3.2所表示。 图3.2 采样电路原理图3.2
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