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摘要：本文中分析了永磁同步电机数学模型及其控制策略，详细介绍了系统的软硬件构成及实现。实验结果表明，该系统运行平稳，具有良好的速度控制能力。在低压大功率场合具有广阔应用前景。
关键词：永磁同步电机； 矢量控制；TMS320F2812DSP
0引言
永磁同步电机具有體积小、损耗低、效率高和控制性能优越等优点，因而由其构成的控制系统广泛应用于工业生产和日常生活的各个领域[1]。但在一些低压应用场合中（如电动汽车、电动叉车等），车载直流供电电源通常只有几十伏，这样电流就要求达到几百安培（如300A）才能满足系统的功率需求，而目前国内并没有成熟的驱动控制器可以采用。针对现有技术存在的不足，本文以TMS320F2812为主控芯片，详细介绍了一种低压大电流永磁同步电机驱动控制系统的软、硬件设计。
1 永磁同步电机矢量控制原理
实验永磁同步电机在旋转坐标系下的数学模型， PMSM 的电磁转矩方程为[2]：
（1）
为永磁同步电机的极对数， 为励磁空间矢量， 、 为 、 轴主电感。式（1）说明永磁同步电机转矩由两部分组成，第一部分是三相定子电流产生的旋转磁场和电机永磁场相互吸引所产生的电磁转矩；第二项是由凸极效应引起的磁阻转矩。因为 ， 且在面装式永磁同步电机中， 不存在磁阻转矩，公式（1）可简化为：
（2）
对于永磁同步电机 固定不变，因此只要保证电机运行时定子电流合成矢量 与 轴夹角 等于90°即可获得最大转矩，此时 。从而将永磁同步电动机模拟为他励直流电动[3]，实现永磁同步电机控制参数的解耦。
永磁同步电机矢量控制的基本思想是通过外部条件对定子电流空间矢量 的相位和幅值进行控制， 从而将永磁同步电动机模拟为他励直流电动机。定子电流的合成矢量 决定了电机的电磁转矩， 而 的幅值和相角又取决于 和 。因此通过控制 和 便可控制电磁转矩。本文通过PI控制器获得理想的控制量， 再通过Park反变换输入DSP的SVPWM单元，最终输出六路互补PWM信号经驱动电路送到功率逆变器驱动电机运行，实现完整的控制[4，5]。
双闭环系统的结构如图1所示。
2 系统硬件设计
永磁同步电机驱动控制系统， 总体上可分为控制单元和功率驱动单元两大部分。整个控制系统硬件结构如图1所示。系统以TI公司的TMS320F2812为主控制器，主频最高可达150M，具有很强的实时运算和控制能力[4]；功率驱动单元采用自主设计的MOSFET逆变器，最大输出电流可达600A。电流传感器和光电编码器作为两个闭环的信号反馈单元，相关的外围辅助电路配合主控器完成与上位机通讯以及故障检测保护功能。
（1）位置与转速检测
本文采用增量式光电编码器，线数为64线。其输出的A、B、Z三路信号经过分压后限定在DSP管脚允许的电压范围内（0～3.3V），送入DSP的QEP /CAP捕获单元引脚，具体电路如图2所示。DSP检测A、B两个通道的上升沿和下降沿，将边沿数存放在计数器T3CNT中。同时根据两个通道的先后次序判断电机的旋转转向。CAP3则用于捕获Z相信号，用于产生捕获中断，并在中断中计算出电机转速和角度，并将其作为反馈信号，完成闭环系统的控制。
（2）定子电流的检测
本系统中永磁电机采用星形接法，即在输入电流为300A的条件下，输出的电流为150mA，其输出经运放电路和电压偏置电路调理成0～3V 电压后送入DSP的AD口。然后经2812的AD变换模块转化为数字信号， 再经过数字滤波和定标处理， 为电流环调节提供电流反馈信息。
3软件部分
系统软件的开发环境基于CCS3.1软件，采用C以及汇编语言混合编程。系统软件分为主程序与中断服务子程序。主程序只在上电后执行一次，主要完成各个模块的初始化，各种变量分配地址并设置相应的初值，之后便进入循环等待阶段；中断服务子程序是系统的核心部分，控制任务皆是在中断服务子程序中完成，由串行通讯中断服务子程序、主控制中断服务子程序、编码器零位捕获中断服务子程序和保护中断服务子程序等构成。
初始化完成后，电流环测得相电流 和 ；转速环在捕获中断中计算转子的角位移θ和实际转速，通过PI控制器获得理想的控制量， 再通过Park逆变换输入DSP的SVPWM单元，最终输出六路互补PWM信号经驱动电路送到功率逆变器驱动电机运行，实现完整的控制。
4实验结果分析
本设计实验选用的永磁同步电机额定功率为11kW，额定电压为48V，最高转速为3000rpm，定子感抗为0.00516H，定子阻抗为0.0011Ω，额定转距为36NM，极对数为4。系统运行时PWM开关频率为20kHz，死区时间设为3.4 。逆变器最大续流能力Ic=780A；实验数据通过RS-232传送到上位机人机界面，波特率为115200bit/s。
实验电机在起动瞬间相电流较大，峰值可达280A，在达到给定转速以后，电流迅速回落，峰值只有40A左右且保持稳定。
5 结论
本文给出了永磁同步电机的数学模型，并根据所采用的 的矢量控制策略详细介绍了系统的软硬件设计。通过实验验证系统的速度环和电流环特性，实验结果表明系统实时性高，能很快响应给定的指令且动态稳态性能良好，这为进一步的实用化奠定了基础。
参考文献
[1] 黄声华，吴芳. 永磁交流伺服系统国内外发展概况[J]. 微特电机， 2008 （5） ： 52-56.
[2] 苏奎峰 TMS320F2812原理与开发[M].北京： 电子工业出版社， 2006
[3] 蒋孙琴.一种改进的永磁同步电机矢量控制系统研究[J].电力电子技术，2012 46 （5） ：54-56
[4] 方斯琛，周波，黄佳佳，等.滑模控制永磁同步电动机调速系统[J]. 电工技术学报， 2008， 23 （ 8） ： 29-34.
[5] 苏奎峰 TMS320F2812原理与开发[M].北京： 电子工业出版社， 2006
作者简介：
申红波，（1981-）男，河南延津人，本科学历，助理工程师，研究方向为电力系统与电机驱动。
彭帅，（1987-）男，山东莱芜人，硕士研究生，研究方向为电机驱动控制。
关键词：永磁同步电机； 矢量控制；TMS320F2812DSP
0引言
永磁同步电机具有體积小、损耗低、效率高和控制性能优越等优点，因而由其构成的控制系统广泛应用于工业生产和日常生活的各个领域[1]。但在一些低压应用场合中（如电动汽车、电动叉车等），车载直流供电电源通常只有几十伏，这样电流就要求达到几百安培（如300A）才能满足系统的功率需求，而目前国内并没有成熟的驱动控制器可以采用。针对现有技术存在的不足，本文以TMS320F2812为主控芯片，详细介绍了一种低压大电流永磁同步电机驱动控制系统的软、硬件设计。
1 永磁同步电机矢量控制原理
实验永磁同步电机在旋转坐标系下的数学模型， PMSM 的电磁转矩方程为[2]：
（1）
为永磁同步电机的极对数， 为励磁空间矢量， 、 为 、 轴主电感。式（1）说明永磁同步电机转矩由两部分组成，第一部分是三相定子电流产生的旋转磁场和电机永磁场相互吸引所产生的电磁转矩；第二项是由凸极效应引起的磁阻转矩。因为 ， 且在面装式永磁同步电机中， 不存在磁阻转矩，公式（1）可简化为：
（2）
对于永磁同步电机 固定不变，因此只要保证电机运行时定子电流合成矢量 与 轴夹角 等于90°即可获得最大转矩，此时 。从而将永磁同步电动机模拟为他励直流电动[3]，实现永磁同步电机控制参数的解耦。
永磁同步电机矢量控制的基本思想是通过外部条件对定子电流空间矢量 的相位和幅值进行控制， 从而将永磁同步电动机模拟为他励直流电动机。定子电流的合成矢量 决定了电机的电磁转矩， 而 的幅值和相角又取决于 和 。因此通过控制 和 便可控制电磁转矩。本文通过PI控制器获得理想的控制量， 再通过Park反变换输入DSP的SVPWM单元，最终输出六路互补PWM信号经驱动电路送到功率逆变器驱动电机运行，实现完整的控制[4，5]。
双闭环系统的结构如图1所示。
2 系统硬件设计
永磁同步电机驱动控制系统， 总体上可分为控制单元和功率驱动单元两大部分。整个控制系统硬件结构如图1所示。系统以TI公司的TMS320F2812为主控制器，主频最高可达150M，具有很强的实时运算和控制能力[4]；功率驱动单元采用自主设计的MOSFET逆变器，最大输出电流可达600A。电流传感器和光电编码器作为两个闭环的信号反馈单元，相关的外围辅助电路配合主控器完成与上位机通讯以及故障检测保护功能。
（1）位置与转速检测
本文采用增量式光电编码器，线数为64线。其输出的A、B、Z三路信号经过分压后限定在DSP管脚允许的电压范围内（0～3.3V），送入DSP的QEP /CAP捕获单元引脚，具体电路如图2所示。DSP检测A、B两个通道的上升沿和下降沿，将边沿数存放在计数器T3CNT中。同时根据两个通道的先后次序判断电机的旋转转向。CAP3则用于捕获Z相信号，用于产生捕获中断，并在中断中计算出电机转速和角度，并将其作为反馈信号，完成闭环系统的控制。
（2）定子电流的检测
本系统中永磁电机采用星形接法，即在输入电流为300A的条件下，输出的电流为150mA，其输出经运放电路和电压偏置电路调理成0～3V 电压后送入DSP的AD口。然后经2812的AD变换模块转化为数字信号， 再经过数字滤波和定标处理， 为电流环调节提供电流反馈信息。
3软件部分
系统软件的开发环境基于CCS3.1软件，采用C以及汇编语言混合编程。系统软件分为主程序与中断服务子程序。主程序只在上电后执行一次，主要完成各个模块的初始化，各种变量分配地址并设置相应的初值，之后便进入循环等待阶段；中断服务子程序是系统的核心部分，控制任务皆是在中断服务子程序中完成，由串行通讯中断服务子程序、主控制中断服务子程序、编码器零位捕获中断服务子程序和保护中断服务子程序等构成。
初始化完成后，电流环测得相电流 和 ；转速环在捕获中断中计算转子的角位移θ和实际转速，通过PI控制器获得理想的控制量， 再通过Park逆变换输入DSP的SVPWM单元，最终输出六路互补PWM信号经驱动电路送到功率逆变器驱动电机运行，实现完整的控制。
4实验结果分析
本设计实验选用的永磁同步电机额定功率为11kW，额定电压为48V，最高转速为3000rpm，定子感抗为0.00516H，定子阻抗为0.0011Ω，额定转距为36NM，极对数为4。系统运行时PWM开关频率为20kHz，死区时间设为3.4 。逆变器最大续流能力Ic=780A；实验数据通过RS-232传送到上位机人机界面，波特率为115200bit/s。
实验电机在起动瞬间相电流较大，峰值可达280A，在达到给定转速以后，电流迅速回落，峰值只有40A左右且保持稳定。
5 结论
本文给出了永磁同步电机的数学模型，并根据所采用的 的矢量控制策略详细介绍了系统的软硬件设计。通过实验验证系统的速度环和电流环特性，实验结果表明系统实时性高，能很快响应给定的指令且动态稳态性能良好，这为进一步的实用化奠定了基础。
参考文献
[1] 黄声华，吴芳. 永磁交流伺服系统国内外发展概况[J]. 微特电机， 2008 （5） ： 52-56.
[2] 苏奎峰 TMS320F2812原理与开发[M].北京： 电子工业出版社， 2006
[3] 蒋孙琴.一种改进的永磁同步电机矢量控制系统研究[J].电力电子技术，2012 46 （5） ：54-56
[4] 方斯琛，周波，黄佳佳，等.滑模控制永磁同步电动机调速系统[J]. 电工技术学报， 2008， 23 （ 8） ： 29-34.
[5] 苏奎峰 TMS320F2812原理与开发[M].北京： 电子工业出版社， 2006
作者简介：
申红波，（1981-）男，河南延津人，本科学历，助理工程师，研究方向为电力系统与电机驱动。
彭帅，（1987-）男，山东莱芜人，硕士研究生，研究方向为电机驱动控制。