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永磁同步电机

矢量控制

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应用报告

ZHCA554–July 2013

相相永永磁磁同同步步电电机机的的传传感感磁磁场场定定向向控控制制

ManishBhardwaj

摘摘要要

这份应用报告提出了一个用 TMS320F2803x 微控制器来控制一个永磁同步电机 (PMSM) 的解决方案。

TMS320F2803x 器件是 C2000 系列微控制器的部件，此微控制器能够通过减少系统组件实现用于三相电机

的智能控制器的成本有效设计，并且提高了效率。借助于这些器件，有可能实现诸如磁场定向控制 (FOC)

等更加精准的数字矢量控制算法。本文档中讨论了这个算法的实现。 FOC 算法在很大速度范围内保持高

效，并且通过处理一个电机的动态模型来将具有瞬态相位的转矩变化考虑在内

这份应用报告涵盖了以下内容：

• 磁场定向电机控制原理的理论背景

• 基于模块化软件块的递增构建级

• 试验结果

内内容容

1 简介 ........................................................................................................................... 2

2 永磁电机 ...................................................................................................................... 2

3 同步电机运行 ................................................................................................................ 3

4 磁场定向控制 (FOC) ........................................................................................................ 4

5 FOC 的基本系统配置 ....................................................................................................... 7

6 32 位 C2000™ 控制器在数字电机控制 (DMC) 方面的优势 ............................................................ 9

7 TI 文献和数字电机控制 (DMC) 库 ....................................................................................... 10

8 硬件配置（HVDCMC R1.1 套件） ...................................................................................... 13

9 递增系统构建 ............................................................................................................... 17

10 参考书目 .................................................................................................................... 33

图图片片列列表表

1 一个具有永磁对极转子的三相同步电机................................................................................... 3

2 转动中的定子磁通和转子磁通间的交感产生了一个导致电机转动的转矩............................................. 3

3 分激直流电机模型（单独控制磁通和转矩，流经转子绕组的电流确定产生的转矩量）............................. 4

4 定子电流空间矢量和其以 (a，b，c) 形式表示的分量................................................................... 5

5 静止基准框架内的定子电流空间矢量和其分量 .......................................................................... 6

6 (α

，

β) 和 d，q 旋转基准框架内的定子电流空间矢量和其分量 ........................................................ 6

7 针对交流电机的 FOC 基本系统配置 ...................................................................................... 7

8 d，q 旋转基准框架内的电流、电压和转子磁通空间矢量以及它们与 a，b，c 和 (α

，

β) 静止基准框架的关

系.............................................................................................................................. 8

9 传感磁场定向控制的总体方框图 .......................................................................................... 9

10 一个 3 相感应电机驱动实施 .............................................................................................. 12

11 系统软件流程图 ............................................................................................................ 13

12 使用交流电源生成直流总线电源 ......................................................................................... 15

13 使用外部直流电源为反相器生成直流总线 .............................................................................. 16

C2000, Code Composer Studio are trademarks of Texas Instruments.

All other trademarks are the property of their respective owners.

ZHCA554–July 2013 3

相永磁同步电机的传感磁场定向控制

SPRABQ2 — http://www-s.ti.com/sc/techlit/SPRABQ2

简介

www.ti.com.cn

14 观察窗口变量............................................................................................................... 17

15 SVGEN，Ta，Tb，Tc 和 Tb-Tc 波形的输出 .......................................................................... 18

16 DAC-1-4 输出显示 Ta，Tb，Tc 和 Tb-Tc 波形........................................................................ 19

17 1 级 - 递增系统构建方框图 ............................................................................................... 20

18 相位 A 和 B 电流的波形，rg1.Out 和 svgen_dq1.Ta（占空比）。 ................................................. 21

19 被放大的相位 A 电流 ...................................................................................................... 22

20 2 级 - 递增系统构建方框图 ............................................................................................... 23

21 测得的 theta，rg1.Out，相位 A 和 B 电流波形 ........................................................................ 25

22 3 级 - 递增系统构建方框图 ............................................................................................... 27

23 Svgen_dq1.Ta，Curmod theta 和相位 A 与 B 电流波形 ............................................................. 29

24 0.33pu 负载和 0.3pu 速度下测得的 theta，svgen 占空比以及相位 A 和 B 电流波形............................. 29

25 监控自 PWMDAC 输出的 0.33pu 步长-负载和 0.3pu 速度下的同步基准框架内定子电流的磁通和转矩分

量 ............................................................................................................................ 30

26 4A 级 - 递增系统构建方框图 ............................................................................................. 31

27 4B 级 - 递增系统构建方框图 ............................................................................................. 32

图图表表列列表表

1 每个递增系统构建中的已测试模块 ...................................................................................... 17

1 简简介介

无刷 PMSM 有一个绕组定子，一个永磁转子组件和感测转子位置的内部或外部器件。感测器件提供位置反

馈以适当地调整定子电压基准的频率和振幅来保持磁体组件的旋转。一个内部永磁转子和外部绕组的组合提

供低转子惯性、有效散热和电机尺寸减少的优势。此外，无电刷设计减少了噪声、电磁干扰 (EMI) 生成，并

且免除了电刷养护的需要。

这份文档提出了一个使用 TMS320F2803x 来控制永磁同步电机的解决方案。这个全新的数字信号处理器

(DSP) 系列实现了针对无刷电机的智能控制器的成本有效设计，可完成增强运行，其中包括更少的系统组

件、更低的系统成本并且增加了性能。提出的控制方法取决于 FOC。这个算法保持宽速度范围内的频率，

并且通过直接控制来自转子坐标系的磁通量来将随瞬态相位变化的转矩考虑在内。这份应用报告提出了正弦

PMSM 电机控制的实现方法。通过使用空间矢量调制技术来生成施加到这个电机上的正弦电压波形。当用

正弦电流来驱动这个正弦反电动势 (BEMF) 电机时，出现最少量的转矩纹波。

2 永永磁磁电电机机

主要有两种三相永磁同步电机：一种电机使用由定子馈电的转子绕组，而另外一种电机使用永磁体。装配有

转子绕组的电机需要电刷来获得电流源并生成转子磁通。触点由环组成，并且具有很多的换向片。这种结

构类型的缺点是需要养护和较低的可靠性。

用永磁体替代常见的转子磁场绕组和磁极结构可使电机成为无刷电机。可使用任一偶数个磁极来构建无刷永

磁电机。磁体的使用可有效利用半径空间，并且取代转子绕组，从而减少转子铜损。先进的磁体材料可在

保持极高功率密度的同时大大减少电机尺寸。

相永磁同步电机的传感磁场定向控制

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Rotor Field

Stator Field

A’

C’

B’

C B

B C

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同步电机运行

图图 1. 一一个个具具有有永永磁磁对对极极转转子子的的三三相相同同步步电电机机

3 同同步步电电机机运运行行

• 同步电机构造：永磁体被严格地固定至旋转轴以生成一个恒定的转子磁通。这个转子磁通通常具有一个

恒定的磁通量。当加电时，定子绕组产生一个旋转的电磁场。为了控制旋转的磁场，有必要控制定子电

流。

• 根据机器的功率范围和额定速度，转子的实际结构会有所不同。永磁体适合于范围高达几千瓦的同步机

器。为了获得更高的功率额定值，转子通常由支持直流电流循环的绕组组成。转子的机械结构针对所需

磁极的数量和需要的磁通梯度而设计。

• 定子和转子磁通的交感产生了一个转矩。由于定子被牢固地安装在电机架上，而转子可自由旋转，转子

的旋转将产生一个有用的机械输出。

• 必须仔细控制转子磁场和定子磁场间的角度以产生最大转矩，并且实现较高的机电变换效率。为了实现

这一目的，在同一速度和转矩条件下，为了汲取最少量的电流，在关闭速度环路后需要进行微调。

• 旋转中的定子磁场的频率必须与转子永磁磁场的频率相同；否则，转子将会经历快速的正负转矩交替。

这会减少最优转矩产出量，并且在机器部件上产生过多的机械抖动、噪声和机械应力。此外，如果转子

惯性使转子不能对这些摆动做出响应，那么转子在同步频率上停止转动，并且对静止转子的平均转矩：

零转矩做出响应。这意味着机器经历了一个已知的“牵出”现象。这也是为什么同步机器不能自启动的原

因。

• 转子磁场与定子磁场间的角度必须等于 90º 以获得最高的互转矩产出量。为了产生正确的定子磁场，这

个同步需要知道转子位置。

• 通过将不同转子相位的输出组合在一起，可将定子磁场设定为任一方向和强度以产生相应的定子磁通。

图图 2. 转转动动中中的的定定子子磁磁通通和和转转子子磁磁通通间间的的交交感感产产生生了了一一个个导导致致电电机机转转动动的的转转矩矩

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相永磁同步电机的传感磁场定向控制

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T B B

em stator rotor

= ´

r r

Armature Circuit

( )F

Inductor (field

excitation)

(E, R)

= K. .

= f(I )

F W

= K. .I

磁场定向控制

(FOC)

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4 磁磁场场定定向向控控制制 (FOC)

4.1

简简介介

为了实现更佳的动态性能，需要采用更加复杂的控制系统配置来控制 PM 电机。借助于微控制器所提供的数

学处理能力，为了在 PM 电机中使转矩生成和磁化功能去耦合，可执行使用数学变换的高级控制策略。这样

的去耦合转矩和磁化控制通常被称为转子磁通定向控制，或者简称为 FOC。

4.2

支支持持

FOC

的的主主要要原原理理

为了理解 FOC 技术的真谛，从概述分激直流 (DC) 电机开始。在这个类型电机中，单独控制定子和转子的

激发。直流电机的电气研究显示可单独调节产生的转矩和磁通。磁场激发的强度（磁场激发电流的振幅）

设定磁通的值。通过转子绕组的电流确定了转矩是如何生成。转子上的换向器在转矩产生过程发挥一个非

常有意思的作用。换向器与电刷接触，而这个机械构造被设计成将电路切换至机械对齐的绕组以产生最大的

转矩。这样的安排意味着，机器的转矩产生在任何时候都非常接近于最佳情况。这里的关键点是，绕组被

管理，以保持转子绕组产生的磁通与定子磁场垂直。

图图 3. 分分激激直直流流电电机机模模型型（（单单独独控控制制磁磁通通和和转转矩矩，，流流经经转转子子绕绕组组的的电电流流确确定定产产生生的的转转矩矩量量））

交流机器的关键特性与直流电机的关键特性不同。在两种情况下，只可控制一个源，即定子电流。在同步

机器上，转子激发由安装在电机轴上的永磁体给出。在同步电机上，唯一的电源和磁场来源时定子相位电

压。很明显，相对于直流电机，磁通和转矩由对方决定。

同步和异步机器上 FOC（也被称为矢量控制）的目的在于分别控制转矩生成和磁化磁通分量。此控制技术

的目标是模仿直流电机的运行。 FOC 使您能够去耦合转矩和定子电流的磁化磁通分量。借助于磁化的去耦

合控制，定子磁通的转矩生成分量现在可以被看成是独立转矩控制。为了去耦合转矩和磁通，有必要采用几

个数学变换，而这是最能体现微控制器价值的地方。微控制器提供的处理能力可非常快速地执行使这些数学

变换。反过来，这意味着控制电机的整个算法可以快速速率执行，从而实现了更高的动态性能。除了去耦

合，现在一个电机的动态模型被用于很多数量的计算，例如转子磁通角和转子速度。这意味着，它们的效应

被计算在内，并且总体控制质量更佳。

根据电磁定律，同步机器中产生的转矩等于两个现有磁场的矢量交叉乘积。

这个表达式显示，如果定子和转子磁场是垂直的（表示是否您将负载保持在 90°），转矩为最大值。如果您

能够始终确保这一条件，并且能够正确的定向磁场，您将减少转矩纹波并确保一个更好的动态响应。然而，

您需要了解转子的位置：这可以通过诸如递增编码器的位置传感器实现。对于无法接近转子的低成本应用，

采用不同的转子位置观察器策略以免除对位置传感器的需要。

简单来说，此目标是保持转子和定子磁通正交；目的是将定子磁通与转子磁通的 q 坐标轴对齐，例如，与转

子磁通垂直。为了实现这个目的，控制与转子磁通正交的定子电流分量以产生命令规定的转矩，并且直接分

量被设定为零。定子电流的直接分量可被用在某些磁场减弱的情况下，这有抗拒转子磁通的的作用，并且减

少反电动势，这可实现更高速的运行。

相永磁同步电机的传感磁场定向控制

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i i i i

a b c

a a= + +

m i

R Sq

¥ Y

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磁场定向控制

(FOC)

4.3

技技术术背背景景

FOC 包含控制由一个矢量表示的定子电流。这个控制所基于的设计是，将一个三相时间和速度决定系统变

换为一个两坐标（d 和 q 坐标）非时变系统。这些设计导致一个与直流机器控制结构相似的结构。 FOC 机

器需要两个常数作为输入基准：转矩分量（与 q 坐标对其）和磁通分量（与 d 坐标对其）。由于 FOC 完全

基于这些设计，此控制结构处理即时电量。这使得在每个工作运转中（稳定状态和瞬态）实现准确控制，并

且与受限带宽数学模型。因此，FOC 解决了以下方法中的传统配置系统问题：

• 轻松达到恒定基准（定子电流的转矩分量和磁通分量）

• 轻松应用直接转矩控制，这是因为在 (d，q) 基准框架中，转矩的表达式为：

通过将转子磁通 (φ

) 的振幅保持在一个固定值，转矩和转矩分量 (i

) 之间有一个线性关系。然后，您可以

通过控制定子电流矢量的转矩分量来控制转矩。

4.4

空空间间矢矢量量定定义义和和设设计计

交流电机的三相电压、电流和磁通可根据复杂空间矢量进行分析。对于电流，空间矢量可被定义如下。假

定 i

，i

是定子相位内的即时电流，然后复杂定子电流矢量被定义为：

在这里，和代表空间运算符。图 4显示了定子电流复杂空间矢量。

图图 4. 定定子子电电流流空空间间矢矢量量和和其其以以 (a，，b，，c) 形形式式表表示示的的分分量量

在这里，(a，b，c) 是三相位系统轴。这个电流空间矢量图示了三相正弦系统。仍然需要将它变换为一个两

非时变坐标系统。这个变换可被分成两个步骤：

• (a，b，c) → (α

，

β)（Clarke 变换），其输出一个两坐标时变系统

• (α

，

β) → （Clarke 变换），其输出一个两坐标非时变系统

4.5 (a

，，

c) → (α

，，

β)

设设计计（（

clarke

变变换换））

空间矢量可用另外一个基准框架（只有两个被称为 (α

，

β)的正交坐标轴）来报告。假定轴 a 和轴α的方向一

致，请见图 5。

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