永磁同步電機(jī)

第 5 章 永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及其 SPWM控制除一些利用異步轉(zhuǎn)矩或磁阻轉(zhuǎn)矩起動(dòng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)之外，絕大多數(shù)的永磁同步電動(dòng)機(jī)(PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM)需要逆變器驅(qū)動(dòng)以平穩(wěn)起動(dòng)及穩(wěn)定運(yùn)行。因此一般意義上的永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是指具有位置傳感的、 SPWM逆變器驅(qū)動(dòng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)，或稱為正弦波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)，很多的文獻(xiàn)也直接將之簡(jiǎn)稱為永磁同步電動(dòng)機(jī)。本章主要闡述永磁同步電動(dòng)機(jī)即正弦波無刷直流電動(dòng)機(jī)的原理及其 SPWM控制。5.1永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成及設(shè)計(jì)特點(diǎn)5.1.1永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成與前一章的方波無刷直流電動(dòng)機(jī)相比較，雖然兩者都是自同步運(yùn)行的永磁同步電動(dòng)機(jī)，均由永磁同步電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器和控制驅(qū)動(dòng)電路三部分組成，但在運(yùn)行原理上存在較大的差異。方波無刷直流電動(dòng)機(jī)中，只需要若干個(gè)磁極位置處的開關(guān)信號(hào)就可以形成換相邏輯，從而產(chǎn)生在空間跳躍旋轉(zhuǎn)的定子磁動(dòng)勢(shì)； 通過平頂波反電動(dòng)勢(shì)的設(shè)計(jì)及矩形電流波形的控制，可以產(chǎn)生近似恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性較差。而在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，為產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，一般采用SPWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率電路，在電動(dòng)機(jī)三相繞組中產(chǎn)生正弦波的電流，從而形成連續(xù)旋轉(zhuǎn)的定子圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，因此需要檢測(cè)連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置信息。圖5-1所示框圖為永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)之一。轉(zhuǎn)子位置傳感器為旋轉(zhuǎn)變壓器或編碼器等，通過軸角變換電路或計(jì)數(shù)器等可以將連續(xù)位置傳感器的輸出信號(hào)變換為轉(zhuǎn)角位置信號(hào)pθ。之后，在相電流指令合成電路中產(chǎn)生各相的電流指令信號(hào)uj，如式（5-1）所示。uj(P)Versin(p(j1)2)j1,2,3（5-1）3式中，Ver輸入控制指令，為速度誤差信號(hào)或轉(zhuǎn)矩指令信號(hào)。相電流指令與電流負(fù)反饋信號(hào)經(jīng)電流調(diào)節(jié)器處理后， 生成SPWM信號(hào)控制逆變功率電路，驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)自同步運(yùn)行?？紤]較簡(jiǎn)單的比例電流調(diào)節(jié)器的情況。設(shè)電流調(diào)節(jié)器的比例增益為 Kp，電流反饋系數(shù)為 Kf，逆變功率電路的等效增益為 Ks，則定子繞組三相電壓為：Uj(P)KpKsuj(P)KpKsKfij(p)j1,2,3（5-2）對(duì)于三相半橋SPWM逆變驅(qū)動(dòng)電路，一般可以認(rèn)為SPWM功率逆變電路基本可以復(fù)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)的波形。忽略高次諧波，逆變功率電路的等效增益 Ks可以表示為：KsU（5-3）2Vt式中，U為橋臂母線電壓，Vt為三角形載波信號(hào)的幅值?？刂浦噶頥er-三相+SPWMPMSM電流電流調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)角-軸角指令+SPWM變換θ生成電流調(diào)節(jié)器+或電流調(diào)節(jié)器SPWM計(jì)數(shù)器-等電路位置傳感器圖5-1 永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)構(gòu)成原理框圖對(duì)于采用表面安裝磁鋼結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)，忽略凸極效應(yīng)，電機(jī)定子三相對(duì)稱繞組的相電壓方程可以表達(dá)為：Ua(P)R00iaLMMiaeaUb(P)0R0ibMLMdibeb（5-4）Uc(P)00RicMMLdtecic式中，L為定子相自感，M為定子相互感。ea,eb,ec為永磁體旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。相應(yīng)電機(jī)輸出的電磁力矩為ejij(eaiaebibecic)Temja,b,c（5-5）式(5-4)的數(shù)學(xué)模型基于電機(jī)相繞組回路，是系統(tǒng)時(shí)域分析的基礎(chǔ)。5.1.2永磁同步電動(dòng)機(jī)本體設(shè)計(jì)特點(diǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的電機(jī)本體是一臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)與方波無刷直流電動(dòng)機(jī)本體基本一致。 存在的差別主要體現(xiàn)在氣隙磁場(chǎng)波形及反電動(dòng)勢(shì)波形的設(shè)計(jì)等方面。在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，由于電樞電流波形是正弦波，電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形一般也設(shè)計(jì)為正弦波形，以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。因此電動(dòng)機(jī)的性能在很大程度上取決于每相反電動(dòng)勢(shì)波形，而電動(dòng)勢(shì)波形則最終由氣隙磁場(chǎng)波形所確定 。為提高電機(jī)系統(tǒng)的效率、比功率，減小力矩波動(dòng)，一般將電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)波形設(shè)計(jì)為正弦波。因此在電動(dòng)機(jī)本體的設(shè)計(jì)中，首先存在的問題就是電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)的正弦化設(shè)計(jì)問題1．氣隙磁場(chǎng)波形的正弦化設(shè)計(jì)對(duì)于采用表面磁鋼結(jié)構(gòu)的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，當(dāng)不考慮開槽影響時(shí)，氣隙磁場(chǎng)波形由轉(zhuǎn)子磁鋼的表面形狀及磁化情況所確定。定子開槽之后，氣隙磁場(chǎng)波形發(fā)生畸變?？梢砸暈樵谖撮_槽的氣隙磁場(chǎng)波形之上又疊加了系列z/p次倍數(shù)變化的高次諧波。由于磁鏈對(duì)氣隙磁通密度的積分作用，反電勢(shì)波形中并不存在開槽的影響。因而只需按未開槽情況下氣隙磁通密度的理想分布來確定磁極的理想形狀。由理想的氣隙磁通密度波形確定磁鋼形狀問題是一個(gè)二維電磁場(chǎng)的反問題。電磁場(chǎng)反問題一般可以分為求解表征媒(介)質(zhì)特性的參數(shù)值或媒(介)質(zhì)交界面的幾何條件、場(chǎng)源區(qū)域內(nèi)場(chǎng)源的密度或場(chǎng)源區(qū)域的邊界幾何條件以及場(chǎng)域邊界激勵(lì)等問題。由氣隙磁密波形確定表面磁鋼形狀可以歸結(jié)為確定場(chǎng)域邊界幾何條件以及邊界激勵(lì)的電磁場(chǎng)反問題。電磁場(chǎng)反問題的直接求解比較困難，其計(jì)算量及復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般磁場(chǎng)正問題的計(jì)算。電磁場(chǎng)反問題的求解，可以化為電磁場(chǎng)正問題，然后根據(jù)正問題計(jì)算結(jié)果利用一定算法進(jìn)行求解。即首先計(jì)算在給定邊界幾何條件及相應(yīng)確定了的邊界激勵(lì)的場(chǎng)域內(nèi)，進(jìn)行電磁場(chǎng)的計(jì)算求解，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)磁鋼的幾何形狀進(jìn)行修改，疊代尋優(yōu)。由于電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算理論和方法如有限元（FEM）方法已經(jīng)非常成熟，因而電磁場(chǎng)反問題計(jì)算的關(guān)鍵在于適當(dāng)優(yōu)化算法的選用。目前應(yīng)用于電磁場(chǎng)反問題中的優(yōu)化算法包括各種傳統(tǒng)確定性算法如最速下降法、梯度法等，以及各種現(xiàn)代隨機(jī)搜索方法如遺傳算法(GeneticAlgorithms,GA)等。對(duì)于確定磁鋼形狀的反問題，目標(biāo)函數(shù)可以選擇為計(jì)算氣隙磁密與理想正弦波氣隙磁密差值的函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)與尋優(yōu)變量為隱含關(guān)系，基于梯度的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法在這里的應(yīng)用受到了限制。而且該尋優(yōu)問題實(shí)質(zhì)上為多維尋優(yōu)問題，需要采用有效的全局優(yōu)化方法。因此近年來許多文獻(xiàn)應(yīng)用遺傳算法等現(xiàn)代算法對(duì)該問題進(jìn)行了求解，但依然存在收斂速度及精確性等問題。因此一般的求解方法依然為傳統(tǒng)的試湊法。在求解過程中，需要確定磁鋼的磁化情況，包括磁鋼的磁化方向以及 飽和程度等。常見的磁化方向包括平行充磁和徑向充磁兩種方式。徑向充磁方式對(duì)充磁頭設(shè)計(jì)及充磁機(jī)容量的要求較高，因此多采用平行充磁方案。2．分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)及繞組設(shè)計(jì)在氣隙磁場(chǎng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，永磁同步電動(dòng)機(jī)還常常采用分?jǐn)?shù)槽繞組， 通過繞組的短矩、分布效應(yīng)達(dá)到消除反電動(dòng)勢(shì)諧波及正弦化的目的。如5.2節(jié)所述，分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)中，定轉(zhuǎn)子磁極數(shù)的選擇即齒槽配合對(duì)電動(dòng)機(jī)的性能存在重要影響。永磁同步電動(dòng)機(jī)一般采用多極結(jié)構(gòu)，每極每相槽數(shù) q為分?jǐn)?shù)。定轉(zhuǎn)子磁極的最小公倍數(shù)越大，越有利于抑制由定子鐵心開槽所導(dǎo)致的定位轉(zhuǎn)矩，同時(shí)繞組分布效應(yīng)越顯著，從而使得相繞組電動(dòng)勢(shì)越接近于正弦波形狀。通過氣隙磁場(chǎng)設(shè)計(jì)及分?jǐn)?shù)槽繞組的采用，可以獲得較為理想的正弦波反電動(dòng)勢(shì)波形。由于一般的驅(qū)動(dòng)方式為電壓型 SPWM，與正弦波反電動(dòng)勢(shì)相作用就可以產(chǎn)生正弦波電流，從而形成理想的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。同樣，永磁同步電動(dòng)機(jī)中，可以選擇定轉(zhuǎn)子極數(shù)接近于相等且定子極數(shù)多于轉(zhuǎn)子極數(shù)，這樣就可以采用第一節(jié)距 y1=1的集中短距繞組。這種電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)類似于脈振磁場(chǎng)的單相電動(dòng)機(jī)的組合，能夠有效提高電動(dòng)機(jī)性能及改善生產(chǎn)工藝。3．利用電動(dòng)勢(shì)諧波提高電機(jī)出力表面磁鋼結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)可以有規(guī)律地利用諧波來提高出力及效率。基本方法是，在反電動(dòng)勢(shì)中增加一定含量的低次諧波，如三、五次諧波等，即如下式所示時(shí)（標(biāo)一化表示）：f( ) (1 a b)sin asin3 bsin5 (5-6)可以看出，基波含量大大增加而波形幅值可以不發(fā)生變化。正弦波電流與反電動(dòng)勢(shì)基波相作用，產(chǎn)生的基波轉(zhuǎn)矩大幅度提高； 不同次數(shù)的電流、電勢(shì)之間不產(chǎn)生平均力矩； 三、五次諧波所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為二階微量，可以忽略，或通過相數(shù)的選擇而加以利用。另外，由于磁負(fù)荷維持不變，電機(jī)的鐵耗基本不變 ，因而電機(jī)的效率也有所增加。因此， 利用諧波的實(shí)質(zhì)是在不增加電機(jī)磁負(fù)荷的前提之下，提高反電動(dòng)勢(shì)基波的幅值，從而提高電機(jī)的出力與效率。在反電動(dòng)勢(shì)及電流中增加三、五次諧波時(shí)，需要滿足以下約束條件：(a)、f( ) 1，即維持幅值不變，該幅值由磁負(fù)荷決定；(b)、 a b max，即基波含量最大，以產(chǎn)生最大的電機(jī)出力；(c)、在～

之間，

d

f( )

0，即f()在在～

之間平滑，滿足單調(diào)遞增。d化不等式約束為等式約束，可以求得 [79]：當(dāng)在波形中只加入三次諧波時(shí)， a3=0.125；在波形中同時(shí)加入三、五次諧波時(shí)， a5=0.2355，b5=0.0447。若在三相電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)中只加入三次諧波時(shí)，對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行推導(dǎo)可知，各相電動(dòng)勢(shì)三次諧波所產(chǎn)生的波動(dòng)分量互相抵消，最終只存在由基波所產(chǎn)生的恒定轉(zhuǎn)矩分量，因此轉(zhuǎn)矩能力得到提高，理論上最大可以增加 12.5%。若在三相電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)中加入三、五次諧波時(shí)，對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行推導(dǎo)可知，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩中將存在由 五次諧波所導(dǎo)致的波動(dòng)分量 ，但電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩能力可以得到大幅提高，理論上最大可以增加接近 20%。理論上也可以在電流波形中注入諧波以提高出力。但電流諧波將導(dǎo)致?lián)p耗及電磁兼容問題，同時(shí)使得驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜化，因此實(shí)際意義不大。5.2永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的位置傳感永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，即正弦波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)，需要連續(xù)的轉(zhuǎn)子絕對(duì)位置信號(hào)來完成電動(dòng)機(jī)的換相控制，形成與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)同步的正弦波電壓信號(hào)。能夠提供連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的傳感器也成為跟蹤型位置傳感器，常用的有光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器等。位置傳感器是構(gòu)成電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。一方面，位置傳感的輸出信號(hào)性質(zhì)及精度制約著電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行性能及效率；另一方面，位置傳感的結(jié)構(gòu)又影響著電機(jī)系統(tǒng)的可靠性及復(fù)雜程度。因此研制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、輸出信號(hào)精度較高、適于與電機(jī)系統(tǒng)一體化的位置傳感系統(tǒng)具有重要的工程理論意義。5.2.1常用跟蹤型位置傳感器1．光電編碼器光電編碼器通?？梢苑譃榻^對(duì)式光電編碼器增量式光電編碼器、以及混合式光電編碼器三類。一般由發(fā)光二極管、旋轉(zhuǎn)部分 (或動(dòng)光柵)、固定部分(或定光柵)和光敏元件四個(gè)部分組成。光電編碼器的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理電路簡(jiǎn)單。因?yàn)槭菙?shù)字信號(hào)，所以噪聲容限較大。容易實(shí)現(xiàn)高分辨率，檢測(cè)精度高。其缺點(diǎn)是不耐沖擊及振動(dòng)，容易受溫度變化影響，適應(yīng)環(huán)境能力較差。1）絕對(duì)光電編碼器。絕對(duì)光電碼盤以一定的編碼形式的信號(hào)輸出轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度，如二進(jìn)制編碼等，主碼盤可以分為n個(gè)碼道（圖中為4碼道），即輸出數(shù)字的位數(shù)，每個(gè)碼道又分為若干個(gè)區(qū)域，一般以透光和不透光的區(qū)域段來構(gòu)成，從而形成一定規(guī)律的編碼。碼盤的分辯能力取決于碼盤圖形的編碼道數(shù)。編碼道數(shù)越多，碼盤的分辨能力越高，但碼盤的結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜，使體積增大。編碼器的精度一般用分辨率來表示，即：K 360/N

360/2n

（5-7）式中，N

是每一轉(zhuǎn)低位碼道的分段數(shù)，

n是編碼道數(shù)，對(duì)于二進(jìn)制編碼

N

2n。絕對(duì)光電編碼器，其零點(diǎn)固定，輸出的編碼信號(hào)可以是一周轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)軸角位置的單值函數(shù)，能夠滿足正弦波無刷直流電動(dòng)機(jī)對(duì)位置信號(hào)的要求。但光電絕對(duì)位置編碼器的圖形、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而影響到分辨率的提高。若欲提高分辨率，只能增大碼盤直徑，或采用多片碼盤串聯(lián)，這樣又增加了軸向體積，造價(jià)比較高。正是由于光電絕對(duì)位置編碼器的上述缺點(diǎn)，以及可靠性尤其是抗震性較差、工藝要求復(fù)雜的缺點(diǎn)，使其在正弦波無刷直流電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用受到限制。2）增量光電編碼器。增量光電編碼器與絕對(duì)光電編碼器相比較，結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，碼盤一般是均勻刻線的動(dòng)光柵和定光柵。當(dāng)轉(zhuǎn)軸勻速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，編碼器輸出均勻的連續(xù)脈沖，通過對(duì)連續(xù)脈沖的計(jì)數(shù)可以得到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度的增量。增量編碼器的特點(diǎn)是，每產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖信號(hào)就對(duì)應(yīng)一個(gè)增量位移角，但無法區(qū)別輸出脈沖對(duì)應(yīng)于哪個(gè)位置。因此其作用是提供一種對(duì)連續(xù)抽角位移量離散化或增量化以及角位移變化(角速度)的傳感方法，它不能直接檢測(cè)出旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)角度。由于電動(dòng)機(jī)一般要在正反兩個(gè)方向上可逆運(yùn)行，這就要求編碼器至少輸出兩路正交信號(hào)，以判定旋轉(zhuǎn)方向。同時(shí)，往往還要輸出一個(gè)零位信號(hào)。有些編碼器也會(huì)提供三相脈沖信號(hào)。在電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用增量編碼器作為位置傳感器時(shí)，存在著初始定位問題。一般通過預(yù)定位方法解決，即使電動(dòng)機(jī)的繞組工作于某一預(yù)定狀態(tài)，在定子磁動(dòng)勢(shì)的作用下將轉(zhuǎn)子固定于某一已知的位置，即相對(duì)零點(diǎn)。然后定子繞組改變工作狀態(tài)，同時(shí)對(duì)編碼器脈沖計(jì)數(shù)。增量光電編碼器的各項(xiàng)主要應(yīng)用指標(biāo)包括：分辨率：即編碼器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周所產(chǎn)生的輸出信號(hào)基本周期數(shù)，一般用脈沖數(shù)／轉(zhuǎn)(ppr)來表示。在高性能正弦波無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制中，常選用分辨率為 2500ppr以上的編碼器。精度：增量式編碼器的精度與其分辨率完全無關(guān)，這是兩個(gè)不同的概念。精度是—種度量在所選定的分辨范圍內(nèi)，確定任一脈沖相對(duì)另一脈沖位置的能力。通常，精度用角度、角分或角秒來表示。編碼器的精度與轉(zhuǎn)盤縫隙的加工質(zhì)量、轉(zhuǎn)盤的機(jī)械旋轉(zhuǎn)情況等制造精度因素有關(guān)，也與安裝技術(shù)有關(guān)。響應(yīng)頻率：每一種編碼器在其分辨率確定的條件下，它的最高轉(zhuǎn)速也是一定的，也就是說它的響應(yīng)頻率是受限的。如果轉(zhuǎn)速過高，有可能出現(xiàn)輸出波形嚴(yán)重畸變，甚至?xí)a(chǎn)生丟失脈沖的現(xiàn)象。3）混合式光電編碼器。單獨(dú)使用增量碼盤不能完全確定轉(zhuǎn)軸空間位置。除非每次起動(dòng)運(yùn)行前進(jìn)入絕對(duì)置位置。這種運(yùn)行方式對(duì)于需要任意零位的電氣系統(tǒng)則不能直接使用。若把一個(gè)低分辨率的絕對(duì)編碼與一個(gè)高分辨率的增量編碼器結(jié)合起來代替一個(gè)高精度的絕對(duì)編碼器，組成混合編碼器。這種混合編碼器的基本工作原理是，利用絕對(duì)編碼器產(chǎn)生高位碼，再用增量編碼產(chǎn)生低位碼。此方案僅在一定程度上解決了光電絕對(duì)位置編碼器精度與體積的矛盾，而且依然具有光電絕對(duì)位置編碼器的其它缺點(diǎn)。2．旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種微特電機(jī)，也是由定子和轉(zhuǎn)子組成。通過與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸連接的旋轉(zhuǎn)變壓器獲得調(diào)制位置信號(hào)，然后經(jīng)位模變換或軸角數(shù)字變換獲得位置轉(zhuǎn)角。這是正弦波無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的位置傳感方式。目前所使用的旋轉(zhuǎn)變壓器包括普通 有刷旋轉(zhuǎn)變壓器、無刷型旋轉(zhuǎn)變壓器、以及磁阻型旋轉(zhuǎn)變壓器等結(jié)構(gòu)。從相數(shù)上分類，常用的一般有 兩相及三相旋轉(zhuǎn)變壓器兩種類型，兩相情況又稱為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器 。從轉(zhuǎn)子極數(shù)上分類，旋轉(zhuǎn)變壓器又可以分為兩極和多對(duì)極情況。兩極旋轉(zhuǎn)變壓器的位置信號(hào)是以 360°角度為一個(gè)周期的，因此也成為絕對(duì)位置傳感器。在正弦波無刷直流電動(dòng)機(jī)中，也往往采用與電動(dòng)機(jī)同極數(shù)的旋轉(zhuǎn)變壓器，這樣位置信號(hào)與電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以具有相同的電周期，存在以一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。1）普通旋轉(zhuǎn)變壓器。以正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器為例，最簡(jiǎn)單的運(yùn)行原理是，定轉(zhuǎn)子兩側(cè)中，一側(cè)采用空間正交的兩相信號(hào)繞組，在另一側(cè)放置激磁繞組。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，信號(hào)繞組與激磁繞組軸線夾角發(fā)生變化。在激磁繞組中通以高頻正弦波激磁信號(hào)時(shí)，兩相信號(hào)繞組輸出調(diào)制的正弦波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。為：uaUmsinpsintubUmcospsin（5-8）t式中，Um是輸出信號(hào)的幅值；ω是激磁信號(hào)的角頻率，通常取值在 1000Hz~5000Hz之間。旋轉(zhuǎn)變壓器的精度主要由零位誤差和電氣誤差等誤差所決定。各項(xiàng)誤差指標(biāo)包括：函數(shù)誤差：指輸出信號(hào)與理論正弦函數(shù)值之差相對(duì)于輸出信號(hào)之比。零位誤差：實(shí)際的電氣零位與理論零位之差，常常以角分表示。電氣誤差：指在不同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角時(shí)，兩個(gè)信號(hào)繞組輸出電壓之比所對(duì)應(yīng)的正切或余切角度與實(shí)際轉(zhuǎn)角之差值。電氣誤差直接反映了旋轉(zhuǎn)變壓器的位置精度。2）無刷旋轉(zhuǎn)變壓器。為了實(shí)現(xiàn)無刷化，在正弦波無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的控制中通常采用無刷旋轉(zhuǎn)變壓器。無刷旋轉(zhuǎn)變壓器是在普通旋轉(zhuǎn)變壓器的基礎(chǔ)上在軸向上增加了一個(gè)耦合變壓器，以取代電刷及滑環(huán)等裝置。耦合變壓器由兩個(gè)同軸心線圈組成，一個(gè)安裝在定子側(cè)，另一個(gè)安裝在轉(zhuǎn)子側(cè)，激磁信號(hào)直接與定子側(cè)的線圈相連接，通過互感作用感應(yīng)到耦合變壓器的轉(zhuǎn)子邊，再向旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子繞組提供激磁信號(hào)。由于消除了電刷，無刷型旋轉(zhuǎn)變壓器精度、可靠性有所提高，是目前正弦波無刷直流電動(dòng)機(jī)最廣泛使用的位置傳感器之一。但由于增加了耦合變壓器，旋轉(zhuǎn)變壓器體積、成本有所增加，結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜。3）磁阻型旋轉(zhuǎn)變壓器。磁阻型旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，激磁繞組與信號(hào)繞組均安裝在定子側(cè)，利用磁阻效應(yīng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子位置信息。由于轉(zhuǎn)子上沒有任何繞組，從而消除了電刷及滑環(huán)或耦合變壓器等裝置，具有了可靠性高、軸向尺寸短等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的磁阻型旋轉(zhuǎn)變壓器，均采用定轉(zhuǎn)子雙開槽結(jié)構(gòu)，如圖5-2所示，要么通過定、轉(zhuǎn)子齒寬、齒邊傾斜度的優(yōu)化選取，要么通過正弦繞組的應(yīng)用達(dá)到抑制諧波，獲取正弦位置信號(hào)的目的。磁阻型旋轉(zhuǎn)變壓器均具有無接觸，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的共同特點(diǎn)，然而由于其定子采用大小齒凸極結(jié)構(gòu)，增大了磁阻旋轉(zhuǎn)變壓器的體積，而且還存在誤差較大，繞組型式過于復(fù)雜等問題。另外，磁阻型旋轉(zhuǎn)變壓器為達(dá)到一定的精度，一般所取的極數(shù)較多；而電機(jī)系統(tǒng)卻要求作為轉(zhuǎn)子位置傳感器的旋轉(zhuǎn)變壓器具有與電機(jī)本體相同的極對(duì)數(shù)，以方便地進(jìn)行矢量變換。因此,傳統(tǒng)的磁阻型旋轉(zhuǎn)變壓器的使用具有一定的局限性。圖5-2傳統(tǒng)磁阻型旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖5.2.2一種新型的磁阻旋轉(zhuǎn)變壓器該磁阻型旋轉(zhuǎn)變壓器的原理及結(jié)構(gòu)由文獻(xiàn) [14]提出，近年來在實(shí)踐應(yīng)用中逐漸成熟，為永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制提供了一種結(jié)構(gòu)緊湊、實(shí)用的位置傳感的選擇。1．基本結(jié)構(gòu)該磁阻型旋轉(zhuǎn)變壓器的基本原理是利用轉(zhuǎn)子磁極的凸極效應(yīng)，使得激磁繞組與信號(hào)繞組之間的互感隨磁阻轉(zhuǎn)子的位置而變化，從而在信號(hào)繞組中感應(yīng)出具有轉(zhuǎn)子位置信息的變壓器電動(dòng)勢(shì)。通過定子槽數(shù)、轉(zhuǎn)子極數(shù)的選取，可以方便地構(gòu)成多相旋變或兩相正余弦旋變。具體結(jié)構(gòu)如圖 5-3a所示。設(shè)該磁阻型旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子上有 P對(duì)磁阻型磁極，定子上存在著 Z個(gè)齒，信號(hào)繞組為m相，一般取z等于2mp。激磁繞組逐槽串接，形成 z/2對(duì)磁極。每相信號(hào)繞組由相隔m-1個(gè)槽的線圈串接而成，線圈的極性相對(duì)于激磁線圈極性為正反相間。圖 5-3b為極對(duì)數(shù)等于2時(shí)激磁繞組和信號(hào)繞組的分布示意圖。a) b)圖5-3新結(jié)構(gòu)磁阻旋轉(zhuǎn)變壓器示意圖結(jié)構(gòu)示意圖b)繞組示意圖(P=2)2．基本原理下面本文以磁路的觀點(diǎn)闡明其基本原理。設(shè)第i個(gè)齒下氣隙磁導(dǎo)隨轉(zhuǎn)子位置按下式變化：GiG0Gcos(p(i1)2p)(5-9)1Z式中： G0—平均磁導(dǎo)；G — 次諧波磁導(dǎo)幅值；—定子槽數(shù)；—轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)；—機(jī)械轉(zhuǎn)角。當(dāng)激磁繞組中通以正弦變化的激磁電壓時(shí)，在激磁繞組與信號(hào)繞組中均產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。忽略運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)，激磁繞組中反電動(dòng)勢(shì)即可表示為：jNm2(ZG0ZGkzpcoskz)(5-10)k1式中：Im —激磁電流有效值；Xm—激磁阻抗；Nm—激磁繞組每齒匝數(shù)?？梢钥闯?，只要將轉(zhuǎn)子磁極設(shè)計(jì)成只含基波或僅包含奇次諧波磁導(dǎo)，激磁阻抗將接近于一個(gè)恒定值，因而在激磁繞組中可以產(chǎn)生幅值基本恒定的激磁電流。這樣，隨轉(zhuǎn)角的變化，不會(huì)導(dǎo)致附加的測(cè)角誤差。對(duì)于信號(hào)繞組，當(dāng)忽略運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)時(shí)，第一相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以表示為：E1jImNs2zm2mpcos[(i1)][G0Gcos(p(i1))](5-11)i11Z式中，Ns為信號(hào)繞組每齒匝數(shù)， cos(i 1) 項(xiàng)計(jì)及激磁線圈極性的正反相間。進(jìn)一步推導(dǎo)，可得：Em1[cospgcos(p)](5-12)3,5,式中： g G G1,Em1為基波電動(dòng)勢(shì)幅值。同樣，可以求得其他相的反電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于正余弦旋變，兩相反電動(dòng)勢(shì)為：EsbEm[sinpgsin(p)](5-13)3,5,對(duì)于多相旋變(m 3)，第i相反電動(dòng)勢(shì)為：i=1,,m(5-14)可以看出，輸出電動(dòng)勢(shì)對(duì)偶次諧波具有濾波作用。在理想情況下，當(dāng)將氣隙磁導(dǎo)設(shè)計(jì)成只包含恒定分量及p次基波分量時(shí)，兩相繞組將輸出準(zhǔn)確的正余弦電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于正、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，還可以采用兩相正交繞組激磁、單相繞組輸出的運(yùn)行方式。即兩相輸入信號(hào)為：uaUmsintubUmcos(5-15)t此時(shí)，一相正交繞組中的激磁阻抗為：2pNs2(G0Gcosp)(5-16)2,4,可見，當(dāng)氣隙磁導(dǎo)中只包含基波或一些奇次諧波時(shí)，在這種運(yùn)行方式下，激磁阻抗同樣為一恒定值，因而激磁電流幅值恒定。另外，根據(jù)上面的推導(dǎo)可以知道，一相正交繞組與單相輸出繞組之間的互感為 :MsaNs22pGcos(p)(5-17)1,3,5這樣，當(dāng)氣隙磁導(dǎo)中只包含基波時(shí)，單相輸出繞組中的感應(yīng)電勢(shì)為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，如下式所示：2pNs2ImG1sin(tp)(5-18)根據(jù)以上對(duì)工作原理的分析，為獲得正余旋輸出，每對(duì)極下氣隙磁導(dǎo)中只應(yīng)包含恒定分量及p次正弦波分量。因而需要通過磁場(chǎng)反問題的求解來精確確定磁阻磁極的形狀，以得到理想的信號(hào)。由于在該磁場(chǎng)反問題中不需要同時(shí)確定邊界激勵(lì)，從而較磁鋼形狀求解問題大為簡(jiǎn)化。3．特有結(jié)構(gòu)性誤差分析磁阻型旋轉(zhuǎn)變壓器特有的結(jié)構(gòu)決定了其具有不同于普通旋轉(zhuǎn)變壓器的一些特有誤差，或使一些旋變所固有的誤差變得突出起來。總的來講，誤差主要來源于實(shí)際磁極形狀與理想值的偏差，以及定子開槽的分度誤差。跟據(jù)誤差來源及表現(xiàn)可以分為以下幾類：1）氣隙磁導(dǎo)諧波成分所導(dǎo)致誤差。由于實(shí)際磁極形狀總會(huì)與理想值之間存在一定偏差，氣隙磁導(dǎo)波中可以分解出一定的諧波成分。根據(jù)上述分析，在隨轉(zhuǎn)子位置變化的氣隙磁導(dǎo)波中，偶次諧波相互抵消，而奇次諧波卻將導(dǎo)致信號(hào)繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中含有同次諧波，且相應(yīng)比例不變。其中，3p、5p次諧波將最為嚴(yán)重。根據(jù)函數(shù)誤差定義，由氣隙磁導(dǎo)諧波成分所導(dǎo)致的函數(shù)誤差可以表示為：S()gcosp(5-19)3,5,忽略高次諧波的影響，3p、5p次變化的函數(shù)誤差將導(dǎo)致4p次變化的細(xì)分誤差[103]，即：x1(g3g5)sin4p(5-20)p由于該誤差屬于系統(tǒng)誤差，可以通過磁極形狀設(shè)計(jì)以及工藝的進(jìn)一步完善而使該誤差得到抑制。定子開槽所導(dǎo)致誤差。跟據(jù)(5-10)式，當(dāng)由于開槽等因素的影響而使得氣隙磁導(dǎo)波中存在kZ次諧波時(shí)，激磁主電抗將不再維持恒定，而包含一項(xiàng)隨轉(zhuǎn)子位置變化的 kZ次正弦波。主要考慮Z次諧波影響，當(dāng)激磁繞組加以幅值、頻率恒定的激磁電壓時(shí)，激磁阻抗可以表示為：Xm2fNm2[ZG0ZGzpcosz](5-21)主電抗隨轉(zhuǎn)子位置的變化，必將引起激磁電流隨轉(zhuǎn)子位置而變化，從而使信號(hào)電動(dòng)勢(shì)受到齒諧波的影響。只考慮齒諧波影響時(shí)，經(jīng)推導(dǎo)，略去高階微小量，一相信號(hào)電動(dòng)勢(shì)可以表示為：1 1Es Em[cosp gzpcos(z p) gzpcos(z p)] (5-22)2 2對(duì)于正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，由于在等于 4p，上式第二、三項(xiàng)體現(xiàn)為 3p、5p次函數(shù)誤差，同樣也將導(dǎo)致4p次變化的細(xì)分誤差。綜合考慮，函數(shù)誤差及細(xì)分誤差可以表示為：S()(g1g4)cos3p(g51g4)cos5p(5-23)322x1(g3g4g5)sin4p(5-24)p非有效電動(dòng)勢(shì)所導(dǎo)致的誤差。在信號(hào)繞組中存在著非有效電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致非有效電動(dòng)勢(shì)的原因有以下幾種：(a).由于端部漏磁場(chǎng)的作用，不對(duì)稱端部將導(dǎo)致信號(hào)繞組中存在非有效電動(dòng)勢(shì)；(b).激磁、信號(hào)繞組同在一槽內(nèi)，繞組之間存在著密切的藕合關(guān)系。由于槽漏磁通的作用，將在信號(hào)繞組中感應(yīng)出與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)的信號(hào)；(c).繞組間存在著雜散電容，將在信號(hào)繞組中進(jìn)一步感應(yīng)出與激磁信號(hào)同頻而幅值恒定的干擾信號(hào)。這些干擾信號(hào)無法完全抵消，最終輸出信號(hào)中將包含一項(xiàng)由此而引起的相位不變的非有效電勢(shì)，引起零位誤差出現(xiàn)奇偶點(diǎn)跳動(dòng)。并且由于兩相信號(hào)繞組的分布的差異，使得由此而產(chǎn)生的誤差屬于隨機(jī)誤差，在兩相信號(hào)繞組中感應(yīng)出的干擾信號(hào)程度不同，從而正交誤差也將呈現(xiàn)奇偶點(diǎn)跳動(dòng)。即第i個(gè)零位的誤差可以表示為：0i(1)iE0(i)i0i(5-25)PEm1(1)P式中，E0()為信號(hào)中的非有效電勢(shì)， 0i為其標(biāo)么值。4．安裝偏差對(duì)輸出信號(hào)的影響旋變安裝時(shí)，有可能存在定、轉(zhuǎn)子的偏心或者軸向傾斜現(xiàn)象。首先考慮定、轉(zhuǎn)子偏心對(duì)輸出信號(hào)的影響。定、轉(zhuǎn)子偏心對(duì)輸出信號(hào)的影響。當(dāng)旋變存在定子偏心時(shí)，每齒下的氣隙磁導(dǎo)表達(dá)式變?yōu)椋篏pi()Gi()1(5-26)(i1)21hsin(Z)式中，h為定子軸線偏離正常位置的距離，為標(biāo)么值（以磁組旋變最小氣隙為基值）。Gi()如式(5-9)所示。當(dāng)氣隙磁導(dǎo)中只包含基波時(shí)，經(jīng)化簡(jiǎn)，略去高階微量，上式可以表達(dá)為：1hG[cos((p1)((i1)2))cos((p1)((i1)2))](5-27)21ZZ從上式不難看出，定子偏心對(duì)激磁阻抗無影響。因而信號(hào)電動(dòng)勢(shì)即為：jImNs2z(5-28)E1()cos[(i1)]Gpi()i1,m1,2m1,經(jīng)推導(dǎo)，只有當(dāng)p=1時(shí)，定子偏心才會(huì)對(duì)輸出存在影響，為：E1()jIm2Ns2[G1cosPhG0sin](5-29)其他情況下，信號(hào)電勢(shì)依然如式 (5-10)所示，即定子偏心對(duì)輸出信號(hào)無影響。這與物理概念相一致，雖然偏心會(huì)引起單個(gè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)發(fā)生變化，但由于輸出繞組在整個(gè)圓周上分布，各個(gè)極下線圈電動(dòng)勢(shì)相互補(bǔ)償，最終輸出信號(hào)不受影響。當(dāng) p=1時(shí)，線圈電動(dòng)勢(shì)無法補(bǔ)償，輸出信號(hào)因而受到影響。當(dāng)旋變存在轉(zhuǎn)子偏心，或定、轉(zhuǎn)子同時(shí)偏心情況時(shí)，對(duì)輸出信號(hào)的影響與上述情況一致。定、轉(zhuǎn)子軸向傾斜對(duì)輸出信號(hào)的影響。當(dāng)定、轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度相同時(shí)，定子或轉(zhuǎn)子的軸向傾斜使得每齒下氣隙磁導(dǎo)按下式變化：Gxi()(i1)2(5-30)Gi()[1lsin2()]Z式中，l為氣隙處定、轉(zhuǎn)子軸向的最大偏差，為標(biāo)么值（定、轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度為基值）。經(jīng)類似上節(jié)的推導(dǎo)，可以知道，無論P(yáng)為何值，定、轉(zhuǎn)子軸向傾斜對(duì)輸出信號(hào)也不存在影響。原理與偏心情況相同。5.3永磁同步電動(dòng)機(jī)自同步運(yùn)行的 SPWM控制電路永磁同步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式主要包括自同步運(yùn)行方式以及基于 d-q坐標(biāo)變換的矢量控制等。對(duì)于自同步的控制方式，其特點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單。在電流開環(huán)控制的情況下，所輸出為無刷直流電動(dòng)機(jī)的自然機(jī)械特性，適合于一般的應(yīng)用場(chǎng)合。在構(gòu)成電流閉環(huán)的情況下，所輸出的機(jī)械特性較硬，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)減小，適合于 力矩驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。對(duì)于采用基于 d-q坐標(biāo)變換的矢量控制方式，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)完全的解耦控制，輸出機(jī)械特性解耦，控制特性良好。廣泛適合于各種高精度的伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。本節(jié)的主要內(nèi)容是永磁同步電動(dòng)機(jī)的自同步控制電路設(shè)計(jì)。根據(jù)圖5-1所示的電路結(jié)構(gòu)，永磁同步電動(dòng)機(jī)自同步運(yùn)行的基本工作原理是，位置傳感器信號(hào)經(jīng)軸角變換電路或計(jì)數(shù)電路等生成模擬或數(shù)字形式的轉(zhuǎn)角信號(hào)，然后在電流指令合成電路中產(chǎn)生各相正弦波電流指令， 進(jìn)而通過SPWM電路等產(chǎn)生邏輯驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)逆變功率電路于電動(dòng)機(jī)繞組中產(chǎn)生自同步的電流相量。5.3.1位置信號(hào)變換電路在采用絕對(duì)光電編碼器作為位置傳感器時(shí)，輸出信號(hào)直接為數(shù)字轉(zhuǎn)角編碼信號(hào)。如果是增量型光電編碼器，一般采用計(jì)數(shù)器對(duì)編碼器脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)生成數(shù)字轉(zhuǎn)角信號(hào)。在采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器時(shí)，由于信號(hào)為調(diào)制波，往往需要采用鑒相、鑒幅，或軸角轉(zhuǎn)換等電路將調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬或數(shù)字形式的位置信號(hào)。1．相敏解調(diào)電路相敏解調(diào)電路常常應(yīng)用于采用三相旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器的情況。此時(shí)旋轉(zhuǎn)變壓器往往設(shè)計(jì)為與電動(dòng)機(jī)同極數(shù)的多極結(jié)構(gòu)。三相調(diào)制信號(hào)經(jīng)相敏解調(diào)電路處理后，直接生成轉(zhuǎn)子位置的三相正弦函數(shù)信號(hào)。在旋變繞組與電動(dòng)機(jī)繞組的相序及相位一一對(duì)應(yīng)時(shí)，該信號(hào)即為自同步信號(hào)，經(jīng)放大歸一化電路之后與速度誤差信號(hào)相乘，就得到了三相自同步電流指令信號(hào)。圖5-4所示為一種由基本集成電路所構(gòu)成的相敏解調(diào)電路結(jié)構(gòu)。激磁信號(hào)移相后與低電平信號(hào)比較生成開關(guān)信號(hào)，以控制模擬開關(guān)，對(duì)正、反相的旋轉(zhuǎn)變壓器輸出線信號(hào)進(jìn)行選擇，經(jīng)濾波后生成解調(diào)的自同步信號(hào)。圖5-4相敏解調(diào)電路2．軸角轉(zhuǎn)換電路對(duì)于正余弦旋變，一般采用單相繞組激磁、兩相正交繞組輸出位置信號(hào)的運(yùn)行方式。之后，可以與鑒相或鑒幅型信號(hào)變換電路組合，將調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬或數(shù)字形式的位置信號(hào)。另外，由于近年來軸角數(shù)字變換 (RDC)技術(shù)的發(fā)展，尤其是單片集成型 RDC變換器的發(fā)展，使得系統(tǒng)可以方便地對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號(hào)進(jìn)行變換，以確保旋變輸出的正余旋信號(hào)可靠地轉(zhuǎn)換為高分辯率的數(shù)字位置信號(hào)，從而使得電機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)精確的矢量控制。典型的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊包括跟蹤型和采樣逐次逼近型等電路。下面主要介紹廣泛應(yīng)用的跟蹤型軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路基本工作原理。跟蹤型軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路一般由相敏檢測(cè)電路、調(diào)節(jié)器電路、壓控振蕩器、乘法器或計(jì)數(shù)器等電路組成，如圖 5-5所示。圖5-5 跟蹤型軸角變換器框圖首先，兩相輸入信號(hào)在高速正余弦乘法器中分別與 cosi、sini相乘，i為轉(zhuǎn)換器中該時(shí)刻實(shí)際轉(zhuǎn)角的估計(jì)值，得到：uaUmsinPcosisintubUmcosPsinisin(5-31)t兩相信號(hào)相減得到交流誤差信號(hào)為：uAer Umsin(P i)sin t (5-32)再經(jīng)相敏解調(diào)，輸入壓控振蕩器的解調(diào)信號(hào)為：uDer Umsin(P i) (5-33)解調(diào)信號(hào)控制壓控振蕩器，產(chǎn)生頻率與之成正比的脈沖序列，然后由高速計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行累加（減）計(jì)數(shù)，直到 uDer等于零為止。此時(shí)，高速計(jì)數(shù)器中轉(zhuǎn)角 等于轉(zhuǎn)子位置角。常用的跟蹤型軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路包括 AD2SXX系列電路以及RDC17XX系列電路等。這些器件跟蹤速度很快，分辯率高，精度高，在高精度伺服系統(tǒng)中得到了較廣的應(yīng)用。3．?dāng)?shù)字處理電路在高性能微處理器如

DSP中可以應(yīng)用軟件方法實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)的處理。

典型的方法是正切法?；驹砣鐖D

5-6所示。首先對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器正余弦輸出信號(hào)分別進(jìn)行

A/D

轉(zhuǎn)換，而且采樣頻率必須與激磁信號(hào)頻率相同，且采樣點(diǎn)接近于激磁信號(hào)的最大值，以解調(diào)兩路輸出信號(hào)。這樣兩路N位的A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)分別為轉(zhuǎn)角的正余弦函數(shù)， 相除之后可以將載波信號(hào)的影響消除。通過反正切計(jì)算可以得到 N+1位的數(shù)字轉(zhuǎn)角信號(hào)。圖5-6 正切法框圖在計(jì)算過程中，需要根據(jù)正余弦函數(shù)的符號(hào)確定四象限的轉(zhuǎn)角數(shù)值，如下式所示。因此需要根據(jù)正余弦函數(shù)的相位及幅值關(guān)系確定其符號(hào)。ua(n)ub(n)0arctan[](n)ub(n)（5-34）ua(n)]arctan[ub(n)0ub(n)5.3.2電流指令生成電路在位置信號(hào)變換的基礎(chǔ)上，需要在電流指令合成電路中產(chǎn)生各相正弦波電流指令信號(hào)，以便實(shí)現(xiàn)電流的閉環(huán)控制及生成 SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。電流指令生成電路是實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)自同步運(yùn)行的關(guān)鍵。1．模擬乘法電路當(dāng)位置信號(hào)變換電路的輸出直接為正弦波自同步信號(hào)時(shí)，可以直接進(jìn)行與速度誤差信號(hào)或轉(zhuǎn)矩指令信號(hào)的乘法。圖5-7a所示為采用四象限模擬乘法器的方案。ver為速度誤差信號(hào)或轉(zhuǎn)矩指令信號(hào)，與相敏解調(diào)輸出的正弦波自同步信號(hào)直接相乘，得到電流指令信號(hào)。對(duì)于對(duì)稱三相正弦電流指令，可以設(shè)計(jì)二相正弦電流指令生成電路，第三相可由兩相求和后反向得到。也可以采用圖5-7b所示的電路結(jié)構(gòu)。首先可以通過絕對(duì)值電路生成為速度誤差幅值信號(hào)|ver|和方向控制信號(hào)DIR，由向控制信號(hào)決定相敏解調(diào)輸出信號(hào)的正反相位，而對(duì)速度誤差幅值信號(hào)|ver|進(jìn)行A/D變換并輸入D/A電路，以便實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算。相敏解調(diào)輸出的正弦波自同步信號(hào)經(jīng)絕對(duì)值電路后，其幅值作為 D/A電路的參考信號(hào)，決定著輸出模擬正弦函數(shù)的幅值，極性信號(hào)作為反絕對(duì)值電路的選擇信號(hào)，還原出正弦波的電流指令信號(hào)。a)b)圖5-7模擬乘法電路之一b)之二2．?dāng)?shù)字-模擬乘法電路當(dāng)位置信號(hào)變換電路的輸出為數(shù)字轉(zhuǎn)角時(shí)，可以通過查表電路生成正弦波信號(hào)，并通過D/A電路實(shí)現(xiàn)該信號(hào)與速度誤差信號(hào)或轉(zhuǎn)矩指令信號(hào)的乘法，最終生成模擬電流指令信號(hào)?；窘Y(jié)構(gòu)如圖5-8所示。圖5-8a中，轉(zhuǎn)角作為地址信號(hào)進(jìn)行查表，其位數(shù)決定著角度及正弦信號(hào)的精確程度；最高位為方向控制信號(hào)DIR，產(chǎn)生正、反相的電流指令信號(hào)。查表電路由EPROM或E2PROM等存儲(chǔ)器構(gòu)成，儲(chǔ)存正弦函數(shù)表。 ver為速度誤差信號(hào)或轉(zhuǎn)矩指令信號(hào)，其絕對(duì)值作為 D/A電路的參考信號(hào)，決定著輸出模擬正弦函數(shù)的幅值。也可以采用圖5-8b所示的電路結(jié)構(gòu)。首先可以通過絕對(duì)值電路生成為速度誤差幅值信號(hào)|ver|和方向控制信號(hào)DIR。電流指令的正、反相控制由D/A電路之后增加反絕對(duì)值電路來完成。a)b)圖5-8數(shù)字-模擬乘法電路之一b)之二3．?dāng)?shù)字處理電路在高性能微處理器如 DSP中可以應(yīng)用軟件方法實(shí)現(xiàn)電流指令的生成、電流閉環(huán)、以及SPWM電路等，如圖5-9所示。一種基本的實(shí)現(xiàn)方法是，將指令信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字變量，與R/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字轉(zhuǎn)角信號(hào)共同輸入到DSP內(nèi)核中，在DSP中實(shí)現(xiàn)正余弦函數(shù)及數(shù)字乘法。同時(shí)利用DSP實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)及SPWM等功能。實(shí)際上，在采用DSP進(jìn)行永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制時(shí)，往往采用基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的矢量控制方案，如下節(jié)所述。指令永磁A/DSPWM三相橋式信號(hào)逆變器電機(jī)DSP內(nèi)核串行I/O口A/Di*旋變并行I/O口R/D變換器集成DSP電機(jī)控制器圖5-9DSP數(shù)字處理電路5.3.3電流環(huán)與SPWM電路在電流指令信號(hào)生成電路的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步構(gòu)成電流閉環(huán)，以便減小相電流指令信號(hào)與實(shí)際相電流之間的相位差，同時(shí)提高響應(yīng)速度，改善輸出機(jī)械特性。在自同步運(yùn)行的控制模式中，電流反饋控制法是最廣泛應(yīng)用的改善電流波形及響應(yīng)的方法。如圖5-10所示，根據(jù)電機(jī)永磁轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的相電流指令，與反饋的三相或兩相電流信號(hào)進(jìn)行比例 P或比例積分PI調(diào)節(jié)后，與雙極性三角波相比較生成 SPWM信號(hào)以驅(qū)動(dòng)功率逆變電路。圖5-10 一相電流調(diào)節(jié)器及 SPWM生成電路在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，電流反饋控制以矢量控制的方式進(jìn)行。首先將電機(jī)電流進(jìn)行靜止坐標(biāo)到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變換，然后在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對(duì)直交軸電流采取相應(yīng)的控制調(diào)節(jié) (如PI調(diào)節(jié))，之后由旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)反變換到靜止坐標(biāo)，進(jìn)行電機(jī)各相電流的反饋控制。相應(yīng)系統(tǒng)比靜止坐標(biāo)系下的電流反饋控制復(fù)雜，需要高速的數(shù)字信號(hào)處理器 DSP實(shí)現(xiàn)控制計(jì)算。這種控制方法實(shí)現(xiàn)了電機(jī)直交軸電流的解耦控制，電機(jī)系統(tǒng)的控制性能相應(yīng)提高。5.4永磁同步電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)易驅(qū)動(dòng)控制永磁同步電動(dòng)機(jī)的正弦波驅(qū)動(dòng)控制電路是在具有較高分辨率的位置傳感器基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。這些位置傳感器的體積及安裝方式等均使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，系統(tǒng)成本增加。近年來，正弦波驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出了不同的發(fā)展方向，一方面是向高精度低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的方向發(fā)展，另一方面是基于簡(jiǎn)易位置傳感器或無位置傳感器來實(shí)現(xiàn)正弦波的換相控制。簡(jiǎn)易正弦波驅(qū)動(dòng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)不需要高分辨率位置傳感器 ,大大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了無刷直流電動(dòng)機(jī)控制正弦化趨勢(shì)的形成。在簡(jiǎn)易正弦波驅(qū)動(dòng)技術(shù)中，采用簡(jiǎn)易位置傳感器的方案較無位置傳感器方案更加容易實(shí)現(xiàn)，更容易達(dá)到較高的性能指標(biāo)。本節(jié)針對(duì)采用簡(jiǎn)易位置傳感器的情況對(duì)簡(jiǎn)易正弦波驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行闡述。5.4.1基于開關(guān)霍爾傳感器的正弦波驅(qū)動(dòng)技術(shù)基于開關(guān)霍爾傳感器的正弦波驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上就是方波無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的正弦化。與方波無刷直流電動(dòng)機(jī)情況相同，一般的簡(jiǎn)易驅(qū)動(dòng)控制也采用在一個(gè)電周期內(nèi)均勻分布的三個(gè)鎖存型霍爾傳感器?？刂频囊话惴椒ㄊ牵菏紫劝雌胀ǚ讲ǚ绞狡饎?dòng)運(yùn)行，然后根據(jù)三相霍爾位置信號(hào)產(chǎn)生三相正弦波 SPWM電壓信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)的正弦波方式驅(qū)動(dòng)，以使無刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，且振動(dòng)和噪聲更低。在起動(dòng)時(shí)刻，根據(jù)三相霍爾位置信號(hào)生成方波換相邏輯，一般按普通三相六態(tài)方波方式運(yùn)行。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定值時(shí)，需要根據(jù)霍爾位置信號(hào)產(chǎn)生更高分辨率的位置信號(hào)以產(chǎn)生三相正弦波?？梢詰?yīng)用軟件或硬件的方法產(chǎn)生較高分辨率的位置信號(hào)。1．軟件方法圖5-11所示是一使用軟件產(chǎn)生正弦波指令信號(hào)的原理示意圖。三相霍爾位置信號(hào)的所有上升及下降沿可形成脈沖波形 P1，其中一個(gè)上升（或下降）沿到下一個(gè)下降（或上升）沿之間的時(shí)間為 T/6（對(duì)應(yīng)于電角度 60°）。在該時(shí)間段內(nèi)對(duì)一固定頻率的脈沖 P2進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以計(jì)算出T/6所持續(xù)的時(shí)間。計(jì)算所得時(shí)間被用作在下一個(gè)時(shí)間段內(nèi)來計(jì)算形成正弦波指令。圖5-11 正弦波指令產(chǎn)生原理示意圖2．硬件方法采用硬件電路形成正弦波指令時(shí)，可以直接對(duì)三相霍爾位置信號(hào)進(jìn)行鎖相倍頻，然后對(duì)倍頻脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)以生成數(shù)字信號(hào)，然后通過

EPROM查表的方法生成正弦波。圖

5-12

所示為采用鎖相環(huán)電路

CD4046構(gòu)成的鎖相倍頻電路。一相霍爾位置信號(hào)

Sa與CD4046的14腳AIN輸入端相連，輸出倍頻脈沖到計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘端。同時(shí)將計(jì)數(shù)器數(shù)字輸出最高位與CD4046的3腳BIN輸入端相連，從而將計(jì)數(shù)器數(shù)字輸出最高位的頻率與霍爾位置信號(hào)頻率鎖定，從而實(shí)現(xiàn)一定倍數(shù)的倍頻。圖5-12 一相鎖相倍頻電路原理示意圖除上述方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易正弦波驅(qū)動(dòng)之外，還可以采用一些專用集成電路，如東芝公司三相正弦波無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器 TB6539F等。這些專用集成電路的原理與上述情況類似，但可以在三相開關(guān)型霍爾位置信號(hào)的基礎(chǔ)上，以很少的外圍電路實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正弦波驅(qū)動(dòng)。缺點(diǎn)是其應(yīng)用范圍包括電壓、功率范圍等具有一定的局限性。5.4.2基于線性霍爾傳感器的正弦波驅(qū)動(dòng)技術(shù)如果處于隨轉(zhuǎn)子位置角度呈正弦變化的磁場(chǎng)之中，線性霍爾傳感器輸出電壓信號(hào)為正弦波形。這樣，采用與三相電動(dòng)勢(shì)同相位的三路線性開關(guān)霍爾位置信號(hào)，便可以實(shí)現(xiàn)正弦波的驅(qū)動(dòng)電路。1．采用模擬乘法電路實(shí)現(xiàn)與使用旋轉(zhuǎn)變壓器的情況相似，在采用線性霍爾傳感器時(shí)也可以應(yīng)用模擬或模擬 /數(shù)字乘法電路形成電流指令信號(hào)。從原理上講，將線性霍爾傳感器的正弦波輸出信號(hào)進(jìn)行歸一化處理之后，便可以直接與速度誤差信號(hào)或轉(zhuǎn)矩指令信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算， 電路結(jié)構(gòu)與圖5-7所示結(jié)構(gòu)相類似，差別在于不需要進(jìn)行相敏解調(diào)等運(yùn)算。采用線性霍爾傳感器構(gòu)成正弦波驅(qū)動(dòng)電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。然而，電動(dòng)機(jī)的控制特性及精度難以保證，一般應(yīng)用于要求較低的場(chǎng)合。主要原因在于以下幾個(gè)方面：1）線性霍爾傳感器的霍爾系數(shù)隨環(huán)境溫度變化較大， 即輸出信號(hào)幅值受溫度影響較大，從而直接導(dǎo)致電流指令隨溫度變化，從而影響到電動(dòng)機(jī)的控制特性及精度?？梢酝ㄟ^增加溫度補(bǔ)償電路來消除溫度變化對(duì)位置傳感信號(hào)的影響，一般需要構(gòu)成一個(gè)溫度閉環(huán)結(jié)構(gòu)。但這樣會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性。2）產(chǎn)生正弦位置信號(hào)所要求的正弦波磁場(chǎng)難以精確實(shí)現(xiàn)。 由于影響磁場(chǎng)分布的因素很多，包括堤岸樞反應(yīng)、磁性材料形狀、充磁因素等等，標(biāo)準(zhǔn)的正弦磁場(chǎng)很難得到。而且線性霍爾傳感器的輸出還受到安裝等因素的影響。因此線性霍爾傳感器的輸出信號(hào)精度較差，從而影響到電動(dòng)機(jī)的控制特性及精度。線性霍爾傳感器的模擬輸出電壓一般較低，容易受到電磁噪聲的影響，從而影響到電動(dòng)機(jī)的控制特性及精度。2．采用軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)為改善系統(tǒng)的精度，可以采用軸角轉(zhuǎn)換電路或正切法來處理線性霍爾傳感器的輸出位置信號(hào)，并在軸角轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，按圖 5-8或圖5-9所示原理實(shí)現(xiàn)正弦波驅(qū)動(dòng)電路。具體來講，就是采用兩個(gè)線性霍爾傳感器， 在空間相差90電角度。同時(shí)在線性霍爾傳感器的電源端輸入一定頻率的交流激磁信號(hào)，這樣傳感器的輸出電壓將于旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)相一致，為調(diào)制的正弦波信號(hào)。然后經(jīng)過數(shù)字查表等電路即可以實(shí)現(xiàn)正弦波驅(qū)動(dòng)。由于軸角轉(zhuǎn)換電路或正切法在形成數(shù)字轉(zhuǎn)角時(shí)，同時(shí)檢測(cè)兩相正交霍爾信號(hào)，而溫度變化對(duì)兩相信號(hào)的影響相同，溫度變化的影響將被基本消除。同時(shí)，如果線性霍爾傳感器的輸出受磁場(chǎng)分布的影響偏離正弦波較多， 可以在EPROM查表時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，以形成標(biāo)準(zhǔn)的正弦波電流指令。5.5永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的矢量控制永磁同步電動(dòng)機(jī)的自同步運(yùn)行方式實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單，通過形成與反電動(dòng)勢(shì)同相位的電流指令信號(hào)完成換相驅(qū)動(dòng)功能。但由于電感等因素的存在，使得電動(dòng)機(jī)的實(shí)際電流相位與反電動(dòng)勢(shì)之間存在相位差。這樣，電動(dòng)機(jī)的電流與轉(zhuǎn)矩之間不完全成比例，實(shí)際上是一種近似的準(zhǔn)矢量控制。為實(shí)現(xiàn)完全的解耦控制，需要采用基于 d-q坐標(biāo)變換的矢量控制。5.5.1矢量控制的原理及實(shí)現(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制是建立在旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下Park變換基礎(chǔ)之上的。經(jīng)典的d-q變換一般應(yīng)用于忽略諧波，僅考慮正弦基波的兩、三相對(duì)稱電機(jī)系統(tǒng)的分析中。對(duì)于磁勢(shì)空間正弦分布的三相正弦波無刷直流電機(jī)，以電動(dòng)機(jī)運(yùn)行為參考方向，功率不變條件下，abc坐標(biāo)-dq0坐標(biāo)的變換矩陣為：cos()cos(2)cos(2)33C2sin()sin(2)sin(2)（5-35）333111222這樣，d-q坐標(biāo)系下電機(jī)的電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程可以表示為：udR0idduq0Riqdt

dq

PP

qd

（5-36）TemP(diqqid)（5-37）式中 ud,uq電機(jī)d、q軸所加電壓；id,iq 電機(jī)d-q軸電流；d, q 電機(jī)d-q軸磁鏈。電機(jī)磁路線性非飽和條件下，磁鏈方程及式 (5-36)、(5-37)的相應(yīng)展開為：dLd0id3f（5-38）0Lqiq2q0udRLdpPLqid03（）uqPLdRLqpiqPf5-392TemP[3(LdLq)idiq]（5-40）fiq2式中f永磁體交鏈于定子繞組的磁鏈。對(duì)于磁鋼表面安裝的隱極結(jié)構(gòu)電機(jī)，LdLqL，式(5-40)可簡(jiǎn)化為Tem3Pfiq（5-41）2上式表明，交軸電流分量 iq為轉(zhuǎn)矩電流分量，與電磁轉(zhuǎn)矩成正比關(guān)系，調(diào)節(jié)交軸電流分量iq的幅值就可以線性調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的大小。而直軸電流分量 id為磁場(chǎng)電流分量，通過調(diào)節(jié)直軸電流分量id的大小和方向可以改變氣隙合成磁鏈的大小，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這也就是矢量控制的基本原理。也就是說，矢量控制的實(shí)質(zhì)是控制電樞電流的幅值和相位，是通過分別控制電動(dòng)機(jī)的交、直軸電流分量，經(jīng)坐標(biāo)變換而實(shí)現(xiàn)的。而且無論在穩(wěn)態(tài)還是在瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)，矢量控制都可以獲得良好的控制性能。圖5-13所示是永磁同步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)矢量控制的原理框圖之一。其核心是對(duì)三相電流反饋信號(hào)及電流誤差信號(hào)進(jìn)行的abc-dq0坐標(biāo)變換及反變換。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)上，需要精確控制交、直軸電流分量以達(dá)到磁場(chǎng)矢量控制的目的。因此往往構(gòu)成交、直軸雙電流環(huán)，并采取各種控制策略，如PI電流調(diào)節(jié)等以消除實(shí)際電流與電流指令之間的差別。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流控制方案需要高速A/D轉(zhuǎn)換器和高速的微處理器，系統(tǒng)遠(yuǎn)較采用準(zhǔn)矢量控制的電機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜。但這是目前最為完善的無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，利用現(xiàn)代控制理論所能提供各種控制方法可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的電動(dòng)機(jī)性能。而且近年來DSP控制器不斷向著速度快功能強(qiáng)的方向發(fā)展，在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，為在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)全數(shù)字id、id電流矢量控制提供了軟硬件基礎(chǔ)。在圖示的原理框圖基礎(chǔ)上，還可以實(shí)現(xiàn)各種不同的控制方案。在恒功率運(yùn)行時(shí)，有時(shí)為了擴(kuò)展速度范圍，需要根據(jù)具體要求按一定規(guī)律來確定直軸電流分量給定值，從而在一定程度上改變直軸磁通量，這也就是所謂的弱磁控制。如果直軸電流給定為零，這時(shí)通過直軸電流閉環(huán)可以保證電動(dòng)機(jī)電流基本為交軸電流，這樣可以在最小的電流幅值下獲得所需轉(zhuǎn)矩，同時(shí)電動(dòng)機(jī)效率得以提高，控制特性的得以改善。這也就是所謂的 id 0控制。電流PIPWM+-發(fā)生—單元電流PI+-—-ADC—-—ADCR/D變換器

三相橋式永磁逆變器電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器圖5-13永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理框圖5.5.2id=0控制及系統(tǒng)模型在矢量控制的基礎(chǔ)上，通過使直軸電流給定 id*為零，并且采用直軸電流無差閉環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)id 0控制以達(dá)到最大力矩電流比。在id 0電流控制的條件下，經(jīng)坐標(biāo)反變換后電動(dòng)機(jī)的相電壓相位將超前于各相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在表面磁鋼的隱極結(jié)構(gòu)情況中，一相基波相量圖可以簡(jiǎn)化為圖 5-14所示，其中相電流全部為交軸電流，而相電壓超前直軸的相角差為 。圖5-14電機(jī)基波相量圖可以推出相電壓超前角 表達(dá)式為：sin1(LR2)sin1(KeL)（5-42）(L)2KsVsq(L)2R2式中，Vsq為交軸電流調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)，如圖5-13中所示；而Ks逆變器電壓增益。KsVsq代表了計(jì)及坐標(biāo)變換的相電壓幅值。而反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)在這里的取值為Ke32Pf。同時(shí)，也可以推出電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性為:Tem3KsVsqcosKe（5-43）KeR2上式近似于直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性，表明 id 0控制具有良好的控制特性。將id 0時(shí)的電壓、轉(zhuǎn)矩及機(jī)械方程聯(lián)立，如下式所示，可以推導(dǎo)出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖。uqRiqdiq3PnLqfdt2Te3Pnfiq(5-44)2TeJdBTldt相應(yīng)頻域內(nèi)的電流反饋控制下的系統(tǒng)傳函框圖為圖 5-15所示。KeT(S)*l(S)sqqiqV_(S)+_CR(S)_i(S)+Ke+Kf圖5-15id=0時(shí)的系統(tǒng)傳函框圖對(duì)式(5-44)帶入電流調(diào)節(jié)器CR的特性，并整理可得到以q、為空間變量，以iq*li、T為輸入變量的無刷直流電機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)方程表達(dá)：XAXBU（5-45）式中Xiq；Uiq*，CR的結(jié)構(gòu)。相應(yīng)在特定工；AB的確定要根據(jù)電流調(diào)節(jié)器Tl作點(diǎn)用Taylor級(jí)數(shù)展開進(jìn)行局部線性化處理， 可得到系統(tǒng)在特定工作點(diǎn)處小信號(hào)擾動(dòng)下的狀態(tài)方程。5.6永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的定位力矩及力矩波動(dòng)永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的控制特性、高力矩系數(shù)及高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，在高精度位置和速率系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。在這些高精度系統(tǒng)中，波動(dòng)力矩是一項(xiàng)重要指標(biāo)，直接影響著系統(tǒng)精度。波動(dòng)力矩對(duì)系統(tǒng)精度的影響分為兩種情況。當(dāng)波動(dòng)力矩的頻率小于系統(tǒng)帶寬時(shí)，系統(tǒng)對(duì)波動(dòng)力矩有著較強(qiáng)的抑制能力。此時(shí)，波動(dòng)力矩對(duì)系統(tǒng)精度的影響主要取決于系統(tǒng)的伺服剛度。當(dāng)波動(dòng)力矩的頻率大于系統(tǒng)帶寬時(shí)，系統(tǒng)對(duì)波動(dòng)力矩沒有抑制能力。此時(shí)，波動(dòng)力矩直接決定著轉(zhuǎn)速波動(dòng)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)的相對(duì)值可以表達(dá)為：Tr（5-46）J式中，Tr 波動(dòng)力矩的幅值；ν每轉(zhuǎn)波動(dòng)力矩的波動(dòng)次數(shù)。高精度永磁伺服同步電動(dòng)機(jī)一般都采用多極化技術(shù)。由于波動(dòng)力矩的次數(shù)大多是電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)的整數(shù)倍，因此波動(dòng)力矩的頻率一般都在系統(tǒng)頻帶之外。為保證系統(tǒng)的精度，必須對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的波動(dòng)力矩加以抑制。從產(chǎn)生機(jī)理上講，永磁伺服同步電動(dòng)機(jī)的波動(dòng)力矩主要是定位力矩和電磁波動(dòng)力矩。下面分別予以分析。5.6.1永磁同步電動(dòng)機(jī)的定位力矩及抑制永磁同步電動(dòng)機(jī)的定位力矩是在電動(dòng)機(jī)在未通電的狀態(tài)便存在的、且與位置有關(guān)的力矩，從來源分析，包括磁滯定位力矩以及磁阻定位力矩 。定位力矩在直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中直接產(chǎn)生波動(dòng)力矩，影響較大。1．磁滯定位力矩磁滯定位力矩是由于鐵心材料的磁滯效應(yīng)所產(chǎn)生的。當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，主磁通在定子鐵心中交變，由于鐵磁材料的磁滯現(xiàn)象，氣隙主磁通與永磁磁動(dòng)勢(shì)之間出現(xiàn)了相移變化，產(chǎn)生了損耗， 因此導(dǎo)致了磁滯轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。磁滯損耗的大小也就是磁化一周的磁滯回線的面積，由此所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩就是磁滯轉(zhuǎn)矩的大小。對(duì)于均勻磁化的鐵磁材料，磁滯損耗功率的大小可以用下式表示：phfAhV（5-47）式中，Ah 磁滯回線的面積所對(duì)應(yīng)的損耗；鐵心材料的體積；磁場(chǎng)的交變頻率。對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子鐵心，磁滯損耗功率依然可以用上式表示，只是此時(shí)磁滯回線的面積損耗 Ah是一平均值的概念。磁滯損耗除以旋轉(zhuǎn)角速度就是磁滯轉(zhuǎn)矩， 如下式所示：ThphfAhVPAhV2f（5-48）2P上式表明，磁滯轉(zhuǎn)矩的大小與旋轉(zhuǎn)頻率無關(guān)，而正比于磁滯回線的面積。同時(shí)由于磁通的變化總是滯后于磁動(dòng)勢(shì)的變化，因此磁滯轉(zhuǎn)矩的方向總是與旋轉(zhuǎn)的方向相反，起摩擦阻尼作用。因此磁滯轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系如圖 5-16所示，磁滯轉(zhuǎn)矩的大小在旋轉(zhuǎn)過程中近似恒定，與齒槽的關(guān)系不大。圖5-16磁滯轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系2．磁阻定位力矩磁阻定位力矩即齒槽力矩，是由定子鐵心開槽所引起的磁阻不均勻效應(yīng)所導(dǎo)致的，當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁磁動(dòng)勢(shì)作用與不均勻磁阻時(shí)所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩就是所謂的磁阻定位轉(zhuǎn)矩。很明顯，磁阻定位轉(zhuǎn)矩大大小將隨著定子齒槽的位置而變化。磁阻定位力矩可以由磁場(chǎng)儲(chǔ)能推導(dǎo)得出。在定子繞組沒有通電時(shí)，磁場(chǎng)儲(chǔ)能主要包括氣隙及永磁磁鋼內(nèi)所儲(chǔ)能量，假設(shè)定子鐵心、轉(zhuǎn)子軛部的磁導(dǎo)率無窮大，那么磁場(chǎng)總儲(chǔ)能就可以表示為：WdwB2（5-49）dV0以為角度坐標(biāo)，而體積微量dV可以表示為角度微量d的函數(shù)：dVDL(hg)d（5-50）2m式中，g考慮開槽效果時(shí)的氣隙高度；hm永磁體徑向高度；電樞內(nèi)徑；電樞軸向長(zhǎng)度。這樣，磁場(chǎng)儲(chǔ)能為：W0DL(hmg())B2d（5-51）220用磁動(dòng)勢(shì)F(,)以及磁導(dǎo)G()來表示氣隙磁通密度 B，磁場(chǎng)儲(chǔ)能可以進(jìn)一步表示為：DL 2W F( , )G( )d （5-52）式中，θ 轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的旋轉(zhuǎn)角度；磁動(dòng)勢(shì)F(,)以及磁導(dǎo)G()均為角度坐標(biāo)的函數(shù)，分別以傅立葉級(jí)數(shù)形式展開，為：F2(,)A0Asin()（5-53）G()G0Gcos（5-54）磁場(chǎng)總能量可以進(jìn)一步表示為：WDL)](G0Gcos)d（5-55）[A0Asin(2當(dāng)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)有微量位移 d 時(shí)，所產(chǎn)生的定位轉(zhuǎn)矩為磁場(chǎng)儲(chǔ)能的偏微分：WDL2[Asin()(G0Gcos)]dT20（5-56）DL2Acos()(G0Gcos)d20將上式中兩相乘項(xiàng)打開，近一步分解可得：DL2)Acos()Gcos)]d（5-57）T0[G0Acos(2上式中第一項(xiàng)為角度坐標(biāo)的余弦項(xiàng)，在一個(gè)周期內(nèi)積分為零。 后一項(xiàng)進(jìn)一步分解可得：T

DL2DL2DL4

2Acos()Gcos)]d0AG2cos()cosd02AG[0cos[()]d

（5-58）20 cos[( ) ]d上式積分項(xiàng)的結(jié)果與次數(shù)有關(guān)系。當(dāng) 時(shí)，所有積分項(xiàng)為角度坐標(biāo)的正余弦函數(shù)，所有積分結(jié)果為零。當(dāng) 時(shí)，上式第一項(xiàng)積分項(xiàng)與角度坐標(biāo)無關(guān)，積分不為零。因此定位轉(zhuǎn)矩可以表示為：TDL（5-59）AGcos2上式就是磁阻定位力矩的表達(dá)式?？梢钥闯觯m然磁動(dòng)勢(shì)和磁導(dǎo)函數(shù)中有很多諧波成分，但只有當(dāng) 時(shí)才能夠產(chǎn)生定位轉(zhuǎn)矩。3．具有理想磁路時(shí)的磁阻定位力矩所謂理想磁路是指鐵磁材料特性均勻，磁鋼特性相同，機(jī)械加工無偏差的情況。在這種情況下，氣隙磁導(dǎo) G的諧波次數(shù)應(yīng)該是定子槽數(shù) Z的整數(shù)波，基波次數(shù)就是槽數(shù)，即：aZa1,2,（5-60）而磁動(dòng)勢(shì)F的基波次數(shù)為轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)P，因此磁動(dòng)勢(shì)平方項(xiàng)的基波次數(shù)為2P，物理意義是N、S極對(duì)磁阻變化產(chǎn)生相同的作用。因此磁動(dòng)勢(shì)平方項(xiàng)的諧波次數(shù)為：2bpb1,2,（5-61）根據(jù)上面的推導(dǎo)可知，只有在時(shí)，也就是aZ2bp時(shí)，才能夠產(chǎn)生定位轉(zhuǎn)矩。設(shè)t為轉(zhuǎn)子極數(shù)2p與定子槽數(shù)Z之間的最大公約數(shù)，那么不難看出，只有a、b取值滿足下列關(guān)系時(shí)，才能 、 滿足的相等：a2pKtK1,2,（5-62）ZbKt從物理概念上講，t為分?jǐn)?shù)槽情況時(shí)的單元電機(jī)數(shù)。因此滿足 、 相等的次數(shù)為：aZ2bp2pZKK1,2,（5-63）t在K 1時(shí) 的取值為定位力矩的最低次數(shù)，即：min2pZ（5-64）t因此永磁同步電動(dòng)機(jī)的定位力矩的最低波動(dòng)次數(shù)是由定子槽數(shù)、轉(zhuǎn)子磁極數(shù)共同決定的。一般來講，定位力矩的波動(dòng)次數(shù)越高，所對(duì)應(yīng)的定位力矩幅值越小。因此可以根據(jù)上式，在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)盡可能的提高定位力矩的最低波動(dòng)次數(shù)。也就是說，較多的極數(shù)與槽數(shù)有助于減小定位力矩，同時(shí)應(yīng)盡可能的使兩者具有較小的最大公約數(shù)。4．非理想磁路時(shí)的磁阻定位力矩由于磁鋼離散及機(jī)械加工等諸多原因，理想磁路情況不可能完全達(dá)到。這時(shí)定位轉(zhuǎn)矩的次數(shù)將與很多因素有關(guān)。當(dāng)定子鐵心加工不完善時(shí)，這時(shí)氣隙磁導(dǎo)中有可能存在 2p次的諧波，此時(shí)定位轉(zhuǎn)矩的基波次數(shù)將也是 2p次。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)中存在 Z次的諧波時(shí)，此時(shí)定位轉(zhuǎn)矩的基波次數(shù)將也是 Z次。一般來講，電動(dòng)機(jī)的磁路都是非理想的。 所以電動(dòng)機(jī)中往往存在 Z次和2p次的定位力矩，甚至每周一次的成分。但在加工良好的電動(dòng)機(jī)中，這些成分在定位力矩中應(yīng)該只占很小的部分。而且可以根據(jù)定位力矩的次數(shù)可以判斷電動(dòng)機(jī)可能存在的問題。當(dāng)出現(xiàn)定位力矩中存在Z次的成分時(shí)，應(yīng)該是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的加工出現(xiàn)問題。當(dāng)出現(xiàn)定位力矩中存在 2p次的成分時(shí)，應(yīng)該是電動(dòng)機(jī)定子鐵心具有缺陷。5．減小定位力矩的措施由于定位力矩包括磁滯定位力矩和磁阻定位力矩，減小定位力矩也應(yīng)該分別從兩方面入手。減小磁滯定位力矩應(yīng)選擇具有較小磁滯回線面積的鐵心材料，即較小的磁滯損耗的材料。而減小磁阻定位力矩，應(yīng)該盡可能的提高定位力矩的最低波動(dòng)次數(shù)，具體包括以下措施：1）、不選擇整數(shù)槽，而采用分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)；2）、注意磁鋼的均勻性；3）、改善磁場(chǎng)波形，使磁場(chǎng)中不存在諧波；4）、斜槽或斜極，以消除齒諧波；5）、采用無槽鐵心結(jié)構(gòu)。5.6.2永磁同步電動(dòng)機(jī)的波動(dòng)力矩及抑制設(shè)永磁同步電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)及電流均為理想的正弦波，且相位相同，分別如下式所示：eEsinsin(2)sin(2)（5-65）33iTIsinsin(2)sin(2)（5-66）33則電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為：Tem[e][i]T3EI3KeI（5-67）22可見，當(dāng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)及電流均為理想正弦波時(shí)，理論上不產(chǎn)生波動(dòng)力矩。但在實(shí)際系統(tǒng)中，由于傳感器的誤差、材質(zhì)、器件和工藝離散性等原因，不論電動(dòng)勢(shì)還是電流，都會(huì)存在幅值偏差、相位偏差、以及諧波成分等偏差，導(dǎo)致波動(dòng)力矩的出現(xiàn)。假設(shè)三相電動(dòng)勢(shì)是對(duì)稱的，而三相電流中存在偏差，即電流如下式所示：iTIsinasin(22（5-68）)bsin()Δc33其中， a、b、c可以是恒定分量、幅值偏差、相位偏差、或諧波成分等偏差，是轉(zhuǎn)角的函數(shù)。在三相無中線驅(qū)動(dòng)電路中， a b c 0。此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩為：TemKeI[3asinbsin(2)csin(2)]233（5-69）3KeI(1Tr)2式中， Tr 波動(dòng)力矩的相對(duì)值，為：Tr2bsin(2csin(2（5-70）[asin))]333以上為各項(xiàng)電流偏差所產(chǎn)生的波動(dòng)力矩，電動(dòng)勢(shì)所產(chǎn)生的波動(dòng)力矩與其具有相同的形式，只需要將電流偏差改為電動(dòng)勢(shì)偏差。若電流和電動(dòng)勢(shì)中同時(shí)存在偏差，則有更多的波動(dòng)力矩項(xiàng)出現(xiàn)，但它們屬于二次偏差，通常較小，可以忽略不計(jì)。1．每周一次波動(dòng)所導(dǎo)致的波動(dòng)力矩由于作為轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)元件的旋轉(zhuǎn)變壓器的制造偏差或激磁偏差的影響，在用模擬電路方式合成三相電流指令的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，三相電流指令將帶有每周一次的波動(dòng)成分。此時(shí)，三相電流偏差可以表示為：isin(isin(isin(

0)sinr0)sin(2)(5-71)3r0)sin(2)3式中， i 電流在每機(jī)械圓周一次波動(dòng)成分的幅值；每機(jī)械圓周角度一次波動(dòng)成分的相位；機(jī)械圓周。將上式代入到式（5-70），推導(dǎo)可得波動(dòng)力矩為：Trisin(r0)（5-72）即三相電流每機(jī)械圓周一次的幅值與相位偏差將導(dǎo)致與其大小相等的每機(jī)械圓周一次的波動(dòng)力矩。由于它的頻率較低，對(duì)系統(tǒng)的危害較大。2．幅值偏差所導(dǎo)致的波動(dòng)力矩設(shè)B、C相有幅值偏差ib、ic，即三相電流為：ibI(1ib)sin(2)3icI(1ic)sin(2)(5-73)iaibic3所以有電流偏差為：aibsin(2)-icsin(2)33bibsin(2)(5-74)3cicsin(2)3將上式代入到式（5-70），推導(dǎo)可得波動(dòng)力矩為：Tr1icib)sin23（5-75）[((icib)]32考慮特殊的情況，令icibi，則波動(dòng)力矩變?yōu)椋篢r2（5-76）isin23即電流幅值偏差將導(dǎo)致幅值為2i的2P次波動(dòng)力矩。33．相位偏差所導(dǎo)致的波動(dòng)力矩設(shè)B、C相具有相位偏差 b、 c，即三相電流為：ibIsin(2b)3icIsin(2(5-77)c)3iaibic所以有電流偏差為：abcos(2)-ccos(2)33bbcos(2)(5-78)3cccos(2)3將上式代入到式（5-70），推導(dǎo)可得波動(dòng)力矩為：T1[(cb)cos21(bc)]（5-79）r32考慮特殊的情況，令 c b

，不計(jì)上式中的恒定成分，則波動(dòng)力矩變?yōu)椋篢r2（5-80）sin23即電流相位偏差也將導(dǎo)致2P次的波動(dòng)力矩，相對(duì)波動(dòng)幅值為2。34．恒定分量所導(dǎo)致的波動(dòng)力矩設(shè)B、C相有恒定成分Ib、Ic，即三相電流為：ibIsin(2)ΔI[3b]icI[sin(2)ΔI](5-81)3ciaI[sinΔIΔI]bc所以有電流偏差為：aIb-IcbIb(5-82)cIc將上式代入到式（5-70），推導(dǎo)可得波動(dòng)力矩為：T1[(IbIc)cos3(IcIb)sin]（5-83）r3考慮特殊的情況，令I(lǐng)cIbI，則波動(dòng)力矩變?yōu)椋篢r2Isin（5-84）即電流中恒定分量將導(dǎo)致幅值為2I的P次波動(dòng)力矩。5．諧波成分所導(dǎo)致的波動(dòng)力矩設(shè)B、C相有諧波成分，即三相電流為：ibI[sin(2)Ibsin(b)]3icI[sin(2)Icsin(c)](5-85)3iaI[sin(2)Ibsin(b)-Icsin(c)]3式中，Ib、IcB、C相電流中ν諧波成分的幅值；b、cB、C相電流中ν諧波成分的相位。所以有電流偏差為：aIbsin(b)-Icsin(c)]bIbsin(b)](5-86)cIcsin(c)]將上式代入到式（5-70），化簡(jiǎn)可得波動(dòng)力矩為：T 1[ Asin(( 1) 1) Bsin(( 1) 2)] （5-87）r3其中，由上式可以知道，第 ν次電流諧波將產(chǎn)生（ν1）p次的波動(dòng)力矩，波動(dòng)力矩的幅值與第ν次電流諧波幅值有大致相同的數(shù)量級(jí)。當(dāng)存在三相對(duì)稱、幅值為i的ν次電流諧波時(shí)，可求得波動(dòng)力矩變?yōu)椋篢ricos(1)（5-88）6．波動(dòng)力矩的來源及抑制根據(jù)以上分析可知，永磁同步電動(dòng)機(jī)的波動(dòng)力矩是由 電流和電動(dòng)勢(shì)中的各種偏差所導(dǎo)致的。其中，電動(dòng)勢(shì)的偏差主要體現(xiàn)為諧波偏差，是由氣隙磁場(chǎng)諧波成分產(chǎn)生的，尤其是低次諧波成分影響較大。電流偏差主要是由驅(qū)動(dòng)控制電路所產(chǎn)生的，主要因素包括： 指令信號(hào)偏差（包括零漂、幅值偏差、相位偏差和諧波成分） 、電流反饋控制回路偏差 （包括反饋系數(shù)的偏差和前置放大器增益偏差） 等。不同的偏差所產(chǎn)生的波動(dòng)力矩表現(xiàn)形式不同。對(duì)于那種來源，可以通過波動(dòng)力矩表現(xiàn)形式來判斷其來源。如果電動(dòng)機(jī)的力矩中存在每周一次的波動(dòng)成分時(shí)，往往電流中也存在著每周一次的波動(dòng)成分。如果電動(dòng)機(jī)的力矩中存在 p次的波動(dòng)成分時(shí)，可以判斷基本為電流中存在直流分量所導(dǎo)致的。如果電動(dòng)機(jī)的力矩中存在 2p次的波動(dòng)成分時(shí)，可以判斷基本為電流中存在幅值或相位偏差等所導(dǎo)致的。如果電動(dòng)機(jī)的力矩中存在較高次的波動(dòng)成分時(shí)，可以判斷基本為電動(dòng)勢(shì)或電流中存在諧波分量所導(dǎo)致的。由于低次諧波成分的影響較大，而三相無中線驅(qū)動(dòng)情況時(shí) 3次電流諧波成分不存在，因此起作用的主要為 5p、7p次諧波，將主要導(dǎo)致 6p次的力矩波動(dòng)成分。抑制以上的電磁波動(dòng)力矩成分，主要是盡量將反電動(dòng)勢(shì)及電流的波形正弦化，并且根據(jù)波動(dòng)力矩的表現(xiàn)形式來消除各種偏差消除。反電動(dòng)勢(shì)的正弦化主要是通過磁場(chǎng)正弦后設(shè)計(jì)、機(jī)械公差的保證以及磁鋼的沖磁及一致性等方面予以保證。而電動(dòng)機(jī)電流的正弦化，則可以通過采用較高精度的傳感器、以及電流閉環(huán)等措施予以保證。5.7永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的 DSP控制數(shù)字信號(hào)處理器（DigitalSignalProcessor，DSP）,是一種具有高速運(yùn)算能力的微處理器，主要應(yīng)用與實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。 近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，DSP實(shí)時(shí)處理功能不斷增強(qiáng)，同時(shí)所集成的設(shè)功能不斷豐富，逐漸向單片控制器的方向發(fā)展，在控制領(lǐng)域中得到了很好的應(yīng)用。在 DSP領(lǐng)域中，數(shù)美國(guó)德州儀器公司（ TexasInstruments,TI）的系列DSP產(chǎn)品應(yīng)用最為普遍。其中， TMS320C2000系列專門為高性能數(shù)字電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，非常適合與電動(dòng)機(jī)的控制。本節(jié)內(nèi)容以TMS320C2000系列DSP為例，對(duì)應(yīng)用DSP實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制進(jìn)行描述，主要介紹使用DSP實(shí)現(xiàn)交流永磁同步電動(dòng)機(jī)控制的思路、算法、流程及電路構(gòu)成等。5.7.1TMS320C2000系列DSP結(jié)構(gòu)與原理TMS320C2000系列DSP集微控制器和高性能DSP的特點(diǎn)于一身，具有強(qiáng)大的控制和信號(hào)處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法。DSP內(nèi)部集成了flash存儲(chǔ)器、快速的AD轉(zhuǎn)換器、增強(qiáng)的CAN模塊、事件管理器、正交編碼電路接口、多通道緩沖串口等外設(shè)，使得高性能數(shù)字控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)得以簡(jiǎn)化。C2000系列DSP主要包括C240X系列和C28X兩種類型。C240X系列屬于16位定點(diǎn)DSP類型，運(yùn)算速度在20~40MIPS之間，代表芯片為TMS320LF2407(A)芯片。而C28X系列屬于32位定點(diǎn)DSP類型，運(yùn)算速度可以達(dá)到150MIPS之間，代表芯片為TMS320F2812芯片。兩者均具有強(qiáng)大的片上 I/O及豐富外設(shè)，非常適合與電動(dòng)機(jī)的控制。由于C28X與C24X系列DSP的程序代碼兼容，下面以 F2812為例，從應(yīng)用的角度對(duì)C2000系列DSP的結(jié)構(gòu)與原理進(jìn)行介紹，具體寄存器配置等內(nèi)容請(qǐng)參閱器件數(shù)據(jù)手冊(cè)。1．F2812DSP的核心結(jié)構(gòu)F28l2DSP是基于C2000內(nèi)核的最新定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器。代碼和指令與C240X系列DSP完全兼容。其運(yùn)算精度達(dá)到32位，運(yùn)算速度達(dá)到150MIPS，而且還集成了128kB的flash存儲(chǔ)器，4kB的引導(dǎo)ROM，數(shù)學(xué)運(yùn)算表以及2kB的OTP表等。此外，器件上集成了多種先進(jìn)的外設(shè)，兩個(gè)事件管理器模塊為電機(jī)及功率變換控制提供了良好的控制功能。16通道高性能12位ADC單元提供了兩個(gè)采樣保持電路，可以實(shí)現(xiàn)雙通道信號(hào)同步采樣等。F2812DSP的具體結(jié)構(gòu)示意如圖 5-16所示。圖5-16F2812DSP的結(jié)構(gòu)示意圖（1）CPU內(nèi)核。CPU單元主要包括以下幾個(gè)部分：1）算術(shù)邏輯單元 ALU：32位ALU完成2的補(bǔ)碼的算術(shù)運(yùn)算和布爾運(yùn)算。通常情況下，中央處理單元對(duì)于用戶是透明的。例如，完成一個(gè)算術(shù)運(yùn)算，用戶只需要寫一個(gè)命令和相應(yīng)的操作數(shù)據(jù)，讀取相應(yīng)的結(jié)果寄存器的數(shù)據(jù)就可以了。2）乘法器：乘法器完成 32X32位的2的補(bǔ)碼的乘法運(yùn)算，產(chǎn)生 64位的乘法結(jié)果。乘法器能夠完成兩個(gè)符號(hào)數(shù)、兩個(gè)無符號(hào)數(shù)或一個(gè)符號(hào)數(shù)與一個(gè)無符號(hào)數(shù)的乘法運(yùn)算。3）移位器：完成數(shù)據(jù)的左移或右移操作，最大可以移 16位；在F2812的內(nèi)核中，總計(jì)有3個(gè)移寄存器，包括輸入數(shù)據(jù)定標(biāo)移位寄存器、輸出數(shù)據(jù)定標(biāo)移位寄存器和乘積定標(biāo)移位寄存器。4）尋址運(yùn)算單元(ARAU)：主要完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址運(yùn)算以及地址的產(chǎn)生。5）獨(dú)立的寄存器空間：CPU內(nèi)的寄存器包含獨(dú)立的寄存器，并不映射到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6）寄存器主要包括系統(tǒng)控制寄存器、算術(shù)寄存器