论文总字数：31659字

摘 要

永磁同步电机具有功率因数高、功率密度大、运行稳定等优点，加上稀土材料的不断研究革新，使其在交流伺服系统中占据着越来越重要的地位，并有着很好的发展前景。而ARMCortex^TM-M4处理器是一款运算能力很强的嵌入式处理器，适用于控制和信号处理混合的数字信号控制方面。将其用于永磁同步电机控制，有着良好的效果和应用前景。

首先，分析了永磁同步电机的结构以及其在三相静止坐标系、两相静止坐标系和旋转坐标系上的数学模型，得到了定子电流、电磁转矩、转子磁场、转速等之间的数学关系，得出基于的永磁同步电机控制策略。

其次，介绍了空间矢量调制技术的基本原理，以及电压空间扇区的判断方法，还介绍了数字化的实现方法，方便对永磁同步电机进行数字化控制。

最后，介绍了基于STM32系统设计永磁同步电机矢量控制算法的具体过程。实现永磁同步电机的全数字化软件设计，完成矢量控制的目的。

关键词:永磁同步电机 stm32 SVPWM 矢量控制

Abstract

permanent magnet synchronous motor has the characteristics of large power factor, high power density and stable operation. With much study about rare earth magnetic material, PMSM is playing a decisive role in AC servo control system, and has good prospects. ARMCortexTM-M4 embedded processor is a high performance chip. It is applicable to the situation of digital signal processing with digital signal and control signal. If applied to the control of PMSM, the chip will show good effectiveness and has bright prospects for application.

the structure of PMSM and mathematic models of PMSM in different coordinate systems are analyzed. It has derived mathematical model of the PMSM in three-phase stationary coordinate system, the two-phase stationary coordinate system and the rotating coordinate system. The mathematical relationships among stator current, electromagnetic torque, rotor magnetic field and speed are get. And the control strategy for PMSM based on is obtained.

Theory of SVPWM and the judgement method of voltage space vectors are described in this paper. To control PMSM in digital ways, there is also the digital realization techniques based on ARM embedded system.

At last, the specific process of designing vector control algorithm based on stm32 is given. The fully digital controlling system and software design are completed with the aim of controlling PMSM by SVPWM theory.

Keywords: PMSM; stm32; SVPWM; vector; control

目录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景和意义 1

1.2永磁同步电机在交流伺服电机中的地位 1

1.3交流伺服系统的发展进程、现状和方向 2

1.3.1伺服系统发展进程 2

1.3.2永磁同步电机发展现状 2

1.3.2.1永磁材料 2

1.3.2.2电力电子器件 3

1.3.2.3 电机控制技术 3

1.4永磁同步电机伺服系统发展方向 3

1.5本课题的主要研究内容 4

第2章 永磁同步电机结构及其数学模型 5

2.1永磁同步电机的物理结构 5

2.2永磁同步电机的数学模型 5

2.2.1永磁同步电机在静止坐标系（UVW）上的模型 6

2.2.2永磁同步电机在两相静止坐标系（）上的模型方程 8

2.2.3 永磁同步电机在旋转坐标系（d-q）上的数学模型 10

2.3本章小结 12

第3章 永磁同步电机的控制 13

3.1永磁同步电机的控制方法 13

3.3.1 永磁同步电机的开环电压/频率（U/f）控制 13

3.3.2 永磁同步电机的转差频率控制 13

3.3.3永磁同步电机的直接转矩控制（DTC） 14

3.3.4永磁同步电机的矢量控制 14

3.2 电压空间矢量脉宽调制的研究 15

3.3空间矢量SVPWM的计算机实现 19

3.3.1电压空间矢量扇区的判断 19

3.3.2 SVPWM控制信号的发生 20

3.4本章小结 21

第4章 永磁同步电机矢量控制系统的硬件设计 22

4.1驱动电路 22

4.2驱动电路的驱动芯片 22

4.3电源电路 25

4.4检测单元 26

4.4.1位置角度检测单元设计 26

4.4.2 AD2S1200的工作原理 27

4.5控制器选型及功能描述 27

4.6 本章小结 28

第五章 系统软件设计 29

5.1软件设计需求分析 29

5.2.系统软件的软件实现 29

5.2.1系统软件的整体结构 29

5.2.2系统资源分配 30

5.3关键模块的设计 30

5.3.1 SVPWM信号的产生 30

5.3.2 PI调节器设计及其数字化实现 31

5.4 本章小结 33

第六章 全文总结和工作展望 34

6.1工作总结 34

6.2后续工作展望 34

1. 绪论

1.1课题研究的背景和意义

20世纪80年代之后，微处理技术、传感器技术、计算机技术以及电力电子技术获得了快速迅猛的发展，社会制造业也水平越来越高，交流伺服技术取得了飞速巨大的发展。在先进交流电机控制技术的帮助下，交流伺服系统的性能越来越好，已经接近甚至超过直流伺服系统，交流同步电机逐渐走上控制电机的舞台并大放异彩。在当今社会，永磁同步电机在高效率、高功率密度、控制简单、转矩脉动小的伺服领域有着重要的发展前景，并在对速度和位置控制精度要求较高的领域发挥着重大作用。从目前的国际市场情况看，交流伺服电机的市场占有率已经超过80%^[6] 。

而且，人们也对产品的性价比和可靠性提出了更高的要求，各种优秀的产品层出不穷。因此，研制高性能、高精度的交流伺服系统是社会发展的结果，具有很重大的意义。

1.2永磁同步电机在交流伺服电机中的地位

自从电动机问世以来，作为能量转换装置，电动机极大地推动了社会生产的进步。用于伺服系统的电动机主要包括有：直流电动机、交流异步电机、永磁电动机。下面简单介绍他们的优缺点^[6]：

直流电动机是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）的旋转电机。直流电机拥有响应快速、较大的起动转矩、调速性能好的优点。在二十世纪60年代到70年代，直流伺服系统出现并迅速发展，位置控制为精度较高的闭环。但是直流电机具有换向困难、生产成本高、维护困难并且容易产生火花等问题，在高转速和过载能力方面表现乏力，使其的应用和发展受到了限制。

交流异步电机运行可靠、结构简单、过载能力强、重量轻而且价格便宜、安装维护方便，被广泛应用在各个领域。在过去，三相异步电机的启动方法有：直接启动、自耦变压器降压启动、Y-△启动、转子串电阻启动和使用软启动器等。现在常常使用矢量控制，即将交流电机经过坐标变换使其具有和直流电机一样的控制性能。但是交流异步电机存在低速性能差、易发热等特点，再加上矢量变换计算复杂，所以在伺服系统中的应用比较有限。

永磁电动机出现于二十世纪五十年代，转子不再使用励磁绕组励磁，而是使用永磁体励磁。与直流电动机相比，省略了普通同步电机所特有的集电环和电刷，因此电机体积小、结构简单维护方便的优点。与交流异步电机相比，具有效率高、功率密度大、运行稳定等优点，可应用于大功率伺服驱动情况。根据转子磁场的不同，永磁同步电机可以分为两类：无刷直流电机和永磁同步电机。

无刷直流电机与传统有刷直流电机相比，使用定子换向取代原直流电动机的机械换向，从而省去了机械换向器和电刷。而且其定子电流为方波，不需要进行复杂的坐标变换运算，而且输出转矩大，材料利用率高，但在低速运行时性能较差，主要受转矩脉动的影响。无刷直流电机的优秀控制方法也层出不穷，将来会获得更广泛的应用。

永磁同步电机功率因数高、发热小、可靠性高，有着多种控制方法：如恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制等^[10]。矢量变换比异步电机简单。与无刷直流电机相比，转矩脉动较小。永磁同步电机电流连续，铁心损耗也较小。

比较可知，永磁同步电机比无刷直流电机的调速范围更大，在高精度、高性能的伺服驱动场合，永磁同步电机有着更明显的优势。使用永磁同步电机构成的交流伺服系统正在成为现代伺服系统的主流。

1.3交流伺服系统的发展进程、现状和方向

1.3.1伺服系统发展进程

作为伺服系统的重要组成部分，伺服电机的发展可以概括伺服系统的发展。可以大致把伺服电机的发展分成三个阶段^[4]：

阶段一：在二十世纪六十年代之前，步进电机为伺服系统的主流，而且位置控制多采用精度不高的开环控制方式。

阶段二：二十世纪六十年代到七十年代，直流电动机出现，直流电机具有控制简单，调速性能好的特点，逐步取代步进电机成为伺服设备中的主流。但是，直流电机受到换向困难、在高转速和过载能力方面表现乏力等缺陷的限制。随着社会的整体发展，直流电机无法满足很多应用场合在可靠性、精度等方面的要求。

阶段三：二十世纪八十年代至今，电力电子技术、电机控制技术迅速发展、稀土永磁材料的问世等多方面因素使得永磁同步电机发展到一个新的阶段。现在交流伺服系统的性能好、价格低，有着取代直流伺服电机的趋势。

1.3.2永磁同步电机发展现状

在二十世纪八十年代之后，电力电子技术、电机控制技术、永磁材料得到了极大地发展。下面从永磁材料、电力电子器件、电机控制技术三个方面进行说明。

1.3.2.1永磁材料

永磁材料对永磁同步电机的影响巨大，因此永磁同步电机的发展与永磁材料的发展有着密切的联系。永磁材料的发展历程大致可以分为三个阶段。在二十世纪初，人们主要使用碳钢、钨钢等作永磁材料，磁体成分为金属，这是永磁材料发展的第一个阶段；后来出现了钡铁氧体等磁性材料，磁体成分为铁氧体，这是第二个阶段。六十年代出现的稀土材料将永磁体推向了新的高峰，而且稀土永磁材料已经发展到了第三代，磁体成分为稀土材料，这是第三个阶段。

我国拥有很充足的稀土资源，是世界第一大稀土资源国，在制造永磁同步电机方面有着得天独厚的天大优势。稀土永磁材料的不断发展使得永磁同步电机的优势明显，发展迅猛。

1.3.2.2电力电子器件

电力电子技术是制约电机控制水平的一个重要的因素。从1957年美国通用电气公司制造出全球第一只工用晶闸管之后，电力电子器件如雨后春笋般被研发出来，例如门极关断晶体管（GTO）、功率场效应管（Power MOSFET）等全控器件。在二十世纪八十年代后期，出现的绝缘栅双极晶体管（IGBT）等高频高压大电流器件标志着传统电力电子向着现代电力电子转化。电力电子技术的发展经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代^【26】。现在的电力电子器件正在沿着大容量化、高频化、易驱动、低导通压降、模块化、功率集成化等方向发展^[2]。

1.3.2.3 电机控制技术

对于电力电子的控制技术，有很多起着重要作用的控制方式：PWM控制、瞬时无功功率控制和矢量控制、包括自适应控制、无传感器控制等在内的现代控制理论、包括模糊控制、神经元网络控制等在内的非线性控制等。近年来各种控制理论，模糊控制以及神经元控制等控制方法都非常热门，但是，对推动电力电子技术起着历史作用的PWM控制仍然活跃在各个控制平台。在换向器的调制上多采用PWM。应用较为成熟的主要还是直接转矩控制和矢量控制。对于三相电压源逆变器死区效应的补偿和消除也有很多文章进行论述，在本文中，因为对控制要求不是很高，对应的电压等级等较低，只要求使用比较成熟的空间矢量调制方法就可以满足要求。

1.4永磁同步电机伺服系统发展方向

现代的伺服控制系统由于高性能的DSP、FPGA以及专用集成芯片等的出现，可以使用软件实现电流、速度、位置的调节。目前，新的控制方法和新的功率器件层出不穷。结合市场的伺服系统特点和市场需求，预测交流伺服系统的发展方向如下 ^[27]。

(1)智能化。在参数记忆方面和自诊断、分析报警功能以及参数辨识自整定功能等，可以使工作由复杂变得简单。

(2)模块化和网络化。对传输实时性、可靠性的要求使得伺服驱动器开始集成总线技术和以太网技术，方便信息传递。模块化可以使主电路结构简化、体积缩小，方便产品的组合设计。

(3)先进的现代控制理论。现在已经有滑膜变结构控制、神经网络控制等先进的控制理论，使控制性能和精度更好。先进的控制理论对于伺服控制系统的重要性不言而喻。

(4)一体化和集成化。集成位置伺服和速度伺服两个单元，这样体积更小，可以方便伺服系统的安装和调试。

1.5本课题的主要研究内容

本课题是研究一个交流伺服系统，采用STM32F407芯片，通过发展比较成熟、研究比较透彻的空间矢量脉宽调制技术，完成对其速度电流的双闭环，实现对永磁同步电机的控制。具体内容归纳如下：

完成对硬件电路的设计，包括电源电路、位置速度检测电路、保护电路等；

1. 通过永磁同步电机物理结构和各物理量关系理解永磁同步电机的原理，搭建永磁同步电机的数学模型；
2. 熟悉理解空间矢量脉宽调制技术的原理和具体实现方法；
3. 硬件驱动电路、电平转换电路、电机转子检测电路、保护电路的设计；
4. 基于STM32系统进行软件编程；
5. 调试软件和硬件，完成交流伺服系统的设计。

第2章 永磁同步电机结构及其数学模型

本章首先讨论了永磁同步电机的物理结构，得出永磁同步电机的基本电磁关系，建立在三相静止坐标系（UVW）、两相静止坐标系（α-β）和两相旋转坐标系（d-q）中的电压回路方程、转矩方程及其磁链方程。这些方程有利于了解同步电机的原理并为研究控制策略提供思路，从而找出合适的永磁同步电机控制方法。

2.1永磁同步电机的物理结构

永磁同步电机主要由定子和转子两大部分组成。

永磁同步电机的定子和与电励磁同步电机的定子相同，定子铁心通常由带有齿和槽的冲片叠成，在槽中嵌入交流绕组。当三相对称电流通入三相对称绕组时，在气隙中得到一个旋转的圆形同步空间磁场，磁场的转速为，其中，f为定子电流频率，p为电动机极对数。

永磁同步电机的转子上安装了磁性材料，如钕铁硼等，不需要励磁电路。磁性材料的磁极是固定的，根据磁极吸引排斥的基本原理，当定子通以三相对称的正弦波交流电时，产生的旋转磁场与转子产生的恒定磁场相互作用，推动转子旋转，最终转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等。通过改变定子正弦波交流电的频率和相位，就可以控制其产生的旋转磁场，进而调节转子的速度和位置^[5]。

2.2永磁同步电机的数学模型

永磁同步电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。在永磁同步电机运行过程中，永磁体与绕组，绕组与绕组之间相互影响，电磁关系十分复杂，考虑到磁路饱和等非线性因素，很难建立起精确的同步电机数学模型。为了简化，我们通常做如下假设：

1. 忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的；
2. 不考虑涡流和磁滞损耗；
3. 定子绕组星形连接，绕组电流为对称的三相正弦波电流；
4. 气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略气隙中的高次谐波；
5. 忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响；
6. 各相绕组对称，即各相绕组的匝数与电阻相同，各相轴线相互位移同样的电角度。

2.2.1永磁同步电机在静止坐标系（UVW）上的模型

在表达坐标系的时候，一般不用A，B，C表示，而是使用U，V，W。永磁同步电机三相集中绕组U，V，W的中心线在于转子轴垂直的平面上。如图（2.1）所示。

图2.1 三相集中绕组

考虑到定子电压方程与磁链方程之间的关系，三相绕组回路的电压方程可以表示为：

(2-1)

其中：

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