永磁同步电机控制系统设计与开发(硬件部分设计)

摘 要
随着微型计算机和电力电子技术的飞速发展，各种高精度控制技术得到了长足的进步。永磁同步电机作为一种新型的电机，以其优良的性能，被广泛运用于各种伺服控制系统中。本文设计了一款永磁同步电机控制器，可满足2kW的永磁同步电机驱动，并且具有速度环、位置环、电流环三环调节控制能力，可以运用于各种大功率家电产品和小功率工业产品中。
永磁同步电机控制器设计是基于控制矢量控制原理，使用交-直-交的电路拓扑结构。整个控制系统硬件实物分为控制板和驱动板两个部分，控制板以美国微芯公司的dsPIC33FJ64MC706微控制器为核心，负责整个电机控制系统的信息采集、数据处理、指令控制和人机交互等功能；驱动板以三菱公司的PS21867智能功率驱动模块为核心，完成单项交流220V电源到电机需要的三相电源的逆变功能。
设计中采用Altium Designer 作为工具软件，完成了从原理图绘制到PCB绘制。在电路设计时，综合考虑了电磁兼容和电磁干扰，采用控制板和驱动板分离设计，并且在控制板和驱动板之间的信号传输采用高速光耦隔离，真正实现了控制与电机驱动的电气隔离。考虑到各种器件的发热情况，系统采用散热片等措施，保障系统工作的稳定性。
关键词：永磁同步电机控制系统，数字信号控制器（DSC），空间矢量控制，有源滤波器，交流伺服系统

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ABSTRACT
With the rapid development of micro-computers and power electron technology, various high degree of accuracy control technology has made great progress. Permanent magnet synchronous motor, as a new kind of motor is widely used in a variety of servo control systems because of its excellent ability. This paper designs a permanent magnet synchronous motor controller to meet the 2kW of permanent magnet synchronous motor drive, and there are speed loop, position loop, current loop, the regulation control ability of those three loops can be used in different kinds of high-power appliances and low-power industrial products.
   Permanent magnet synchronous motor controller’s design is based on the control of vector control theory, using the AC - DC - AC circuit topology structure. The whole control system hardware is divided into two parts, which are control panel and driver board. Control panel takes the U.S. Microchip company's dsPIC33FJ64MC706 microcontroller as its core, is responsible for the entire motor control system’s functions, such as information collection, data processing, command control and human-computer interaction, and so on; driver board takes the Mitsubishi PS21867 intelligent power module as its core, performs the three-phase power inverter function, when single exchange 220V AC power changes to motor.

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   During the design, use Altium Designer as a tool to complete the schematic diagram and PCB drawing. In the circuit design, synthetically considering the electromagnetic compatibility and electromagnetic interference, use control panel and driver board to separately design, and use the high-speed coupler isolation in signal transmission between the control panel and driver board, truly realized the electrical control and motor drive’s isolation. In the radiator parts layout, taking into account the various components of the heating conditions, use heat sinks and other cooling measures to ensure the stability of system work.
Keywords: Permanent magnet synchronous motor control system, digital signal controller (DSC), space vector control, active filter, AC servo system

 
研究的目标和意义
本次研究的目标是为某跑步机公司设计一款永磁同步电机的控制系统。永磁同步电机作为跑步机的动力装置，要求永磁同步电机具有平稳、可靠的运行性能。其控制系统要具有速度环、位置环和电流环三级控制功能，以实现对家用跑步机的平稳控制。 [资料来源：http://think58.com]
目前，在实际运用中采用的电机方案有直流电机、交流异步电机（ACIM）、直流无刷电机（BLDCM，Brushless DC Motor）、永磁同步电机（PMSM、Permanent Magnet Synchronous Motor）。各种电机在调速性能、制动转矩、功率体积比、控制难度、成本及可靠性方面均有差异。表1-1比较了上述几种电机在各方面的性能和控制方式差异[1]。

研究的理论基础
2.1 永磁同步电机（PMSM）的数学模型
2.1.1 永磁同步电机的基本结构及种类
永磁同步电机由定子和转子构成，并且定子上有三相绕组；在转子结构上，永磁同步电机用永磁体取代电励磁，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷。与普通电机相比，永磁同步电机还必须装有永磁体位置检测装置，用来检测磁极位置，并以此对电枢电流进行控制达到对永磁同步电机控制的目的。永磁同步电机的气隙长度在物理上均匀的，但是由于永磁材料的磁阻和铁磁材料的磁阻不一样，气隙磁阻的分布并不均匀。通常d轴即磁极轴线的磁阻比q轴相邻两个磁极的中线的磁阻大[3][9]。

研究总结
永磁同步电机控制技术是涉及微电子技术、电力电子技术、电工学、电机学、自动控制理论、机械自动化、检测技术等专业知识。随着各种高精度控制系统的需要，永磁同步电机控制系统以其功率密度高、控制性能好、稳定性好等优点越来越受到重视。本论文是从跑步机行业背景及社会需求出发，以提升产品性能为指导，综合应用了电机学、控制下、计算机、电力电子及机械等相关理论，开发了一款用于某型跑步机，并可用于其它控制系统的永磁同步电机控制系统。通过相关测试表明，控制系统达到了设计指标。 [资料来源：http://www.THINK58.com]
论文以面装转子稀土永磁同步电机作为控制对象，采用低精度360线正交编码器作为位置传感器，在满足系统控制指标需求的同时降低了产品方案的成本。本文详细阐述了设计的以高性能DSC作为主控芯片的控制电路和以智能功率模块PS21867作为主功率器件的逆变电路。本次设计的系统中，还充分考虑了各种功能模块的电磁兼容和电磁干扰特性，通过引入合理的滤波电路、隔离电路等功能电路，使硬件电路系统达到了较高的可靠性和稳定性。
在本次设计中，通过对永磁同步电机和相关电力电子器件的研究和了解，深刻了解了永磁同步电机控制系统的研究现状和应用前景。并且在实际工程背景的指引下，系统的学习了实际工程开发的流程，和相关注意事项。在实际的制造过程中，把以前学习的理论知识进行了复习，并且把理论联系了实践，更加深了对理论知识的理解。

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目 录  22000字
第一章  引 言    1
1.1 选题背景    1
1.2 研究的目标和意义    3
1.3 研究思路    5
1.3.1 系统分类    5
1.3.2 永磁同步电机控制系统    6
第二章 研究的理论基础    9
2.1 永磁同步电机（PMSM）的数学模型    9
2.1.1 永磁同步电机的基本结构及种类    9
2.1.2 永磁同步电机的物理模型    10
2.1.3 永磁同步电机的等效电路    14
2.2 永磁同步电机控制原理    14
2.3 永磁同步电机的矢量控制原理和实现    16
第三章  永磁同步电机控制系统硬件设计    21
3.1  永磁同步电机控制系统设计指标    21
3.2  ALTIUM DESIGNER SUMMER 08 介绍    21
3.3 永磁同步电机控制系统硬件整体设计与分析    22
3.3.1 闭环运动控制系统的典型结构    22
3.3.2 永磁同步电机控制系统的组成    23
3.4 控制板电路    23
3.4.1 微控制器介绍    23
3.4.2 为控制器外围电路    25
3.4.3 电流反馈信号调理电路    26
3.4.4 UART通信电路    27
3.4.5 光码盘及霍尔信号接口电路    28
3.4.6 控制板与驱动板接口电路    29
3.5 驱动板电路    29
3.5.1 功率驱动芯片介绍    29
3.5.2 功率驱动电路    30
3.5.3 光耦隔离电路    31
3.5.4 交流电源处理电路    32
3.5.5 交流电源监测电路    32
3.5.6  电源泄放电路    33
第三章  软件设计介绍    34
4.1 系统软件设计开发平台    34
4.2 系统主程序软件    34
4.3  PWM中断子程序    35
第五章 测试数据及其分析    37
5.1 单元电路测试    37

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5.1.1 电流反馈信号调理电路测试    37
5.1.2 驱动板互补PWM空载测试    38
5.3 系统联调测试    41
5.3.1 系统联调界面简介    41
5.3.2 电流环调试    42
5.3.3 速度环调试    43
第六章  结束语    44
6.1 研究总结    44
6.2 未来的研究方向及展望    44
参考文献    46
致 谢    47
 
参考文献
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[4].丁荣军，黄济荣.现在变流技术与电气传动.北京：科学出版社
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[16].AN908，使用 dsPIC30F 实现交流感应电机的矢量控制，Microchip Technology Inc.2005
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