永磁同步电机控制系统设计与开发（硬件部分）.doc
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永磁同步电机控制系统设计与开发（硬件部分）,22838字 58页附录中包括系统实物图和中英文翻译摘 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...
内容介绍
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永磁同步电机控制系统设计与开发（硬件部分）
22838字 58页
附录中包括系统实物图和中英文翻译
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
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.
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
目 录
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
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
附录 48
参考文献
[1].周建华.工业平缝机用交流伺服控制系统的研究开发:[硕士学位论文]，成都：电子科技大学，2009
[2].刘瑶，周青山等.电动机的DSC控制--微芯公司dsPIC应用.北京：北京航空航天大学出版社，2009
[3].陈国呈，吴春华等.变频驱动技术及应用.北京：科学出版社，2009
[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
[5].刘攀银.永磁同步电机伺服控制系统设计及应用研究：[硕士学位论文]，成都：电子科技大学，2008
[6].刘锦波，张承惠等.电机与拖动.北京：清华大学出版社，2006
[7].舒志兵等.交流伺服运动控制系统.北京：清华大学出版社，2006
[8].叶金虎.现代无刷直流永磁同步电机.北京：科学出版社，2007
[9]邱阿瑞.电机与电力拖动.北京：电子工业出版社，2004
[10].詹阳.基于TMS320LF2407A的交流伺服电机控制系统：[硕士学位论文].北京：清华大学，2004.6
[11].王晓明 王玲.电动机的DSP控制—TI公司DSP应用.北京：北京航空航天大学出版社，2004
[12].张俊洪，赵镜红.空间矢量逆变器死区分析及补偿[J].微特电机.2005
[13].吴茂刚，赵荣祥，汤新舟.空间矢量PWM逆变器死区效应分析与补偿方法[J].浙江大学学报，2006
[14].谢宝昌，任永德.电机的DSP控制技术及其应用.北京：北京航空航天大学出版社，2005
[15].dsPIC33F Family Data Sheet，High-Performance，16-bit Digital Signal Controllers，Microchip Technology Inc，2006.
22838字 58页
附录中包括系统实物图和中英文翻译
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
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.
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
目 录
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
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
附录 48
参考文献
[1].周建华.工业平缝机用交流伺服控制系统的研究开发:[硕士学位论文]，成都：电子科技大学，2009
[2].刘瑶，周青山等.电动机的DSC控制--微芯公司dsPIC应用.北京：北京航空航天大学出版社，2009
[3].陈国呈，吴春华等.变频驱动技术及应用.北京：科学出版社，2009
[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
[5].刘攀银.永磁同步电机伺服控制系统设计及应用研究：[硕士学位论文]，成都：电子科技大学，2008
[6].刘锦波，张承惠等.电机与拖动.北京：清华大学出版社，2006
[7].舒志兵等.交流伺服运动控制系统.北京：清华大学出版社，2006
[8].叶金虎.现代无刷直流永磁同步电机.北京：科学出版社，2007
[9]邱阿瑞.电机与电力拖动.北京：电子工业出版社，2004
[10].詹阳.基于TMS320LF2407A的交流伺服电机控制系统：[硕士学位论文].北京：清华大学，2004.6
[11].王晓明 王玲.电动机的DSP控制—TI公司DSP应用.北京：北京航空航天大学出版社，2004
[12].张俊洪，赵镜红.空间矢量逆变器死区分析及补偿[J].微特电机.2005
[13].吴茂刚，赵荣祥，汤新舟.空间矢量PWM逆变器死区效应分析与补偿方法[J].浙江大学学报，2006
[14].谢宝昌，任永德.电机的DSP控制技术及其应用.北京：北京航空航天大学出版社，2005
[15].dsPIC33F Family Data Sheet，High-Performance，16-bit Digital Signal Controllers，Microchip Technology Inc，2006.
