第 45 2011 卷第 年 2 期 2 月 电力电子技术 Power Electronics Vol.45， No.2 February 2011 基于 DSP 的同步电机矢量控制系统的研制 裴 乐 （中国电子科技集团公司第 14 研究所，江苏 南京 210039） 摘 要 ：此 处 针 对 同 步 电 机 矢 量 控 制 技 术 进 行 研 究，利 用 智 能 功 率模 块 搭 建 了 硬 件 实 验 平 台，并 完 成 了 以 TMS320LF2407A 为核心的全数字矢量控制系统设计，详细论述了系统的硬件设计，包括主功率电路 、检测电 路、保护电路、以及 DSP 控制电路的设计；同时分析了矢量控制算法 、电压空间矢量算法原理与其数字实现方 法，完成了软件设计并进行实验研究，实验结果证明该设计方案可行 。 关 键 词 ：同步电机；矢量控制；空间矢量脉宽调制 中图分类号 ：TM341 文献标识码 ：A 文章编号 ：1000-100X（2011）02-0072-03 The Design and Realization of Synchronous Motor Vector Control System Based on Digital Signal Processor PEI Le （No.14 Nanjing Research Institute of Electronics Technology，Nanjing 210039，China） Abstract：Based on the further research of the vector control technology，a hardware platform of synchronous motor using IPM is built，and the software design of a full digital vector control system with DSP is finished.The hardware is illustrated，including power circuit，detection circuit，protection circuit control circuit，etc.Meanwhile，the arithmetic method of vector control，voltage space vector and digital realization are analyzed.The experental results show that the designed vector control system has good static and dynamic performances. Keywords ：synchronous motor；vector control；space vector pulse width modulation 引 言 1 同步电机调速系统广泛应用于轧机、矿山卷 扬、船舶推进、风机水泵控制等场合，特别是在大功 率舰船推进领域有独特的优势，故备受关注 [1]。国 内在电力推进领域起步较晚，目前还较欠缺，特别 是在军用舰船电力系统方面与国外还有较大差距。 因此，研究同步电机电力推进技术具有深远意义。 这里以电励磁同步电机为研究对象，在深入研究同 步电机 AC/DC/AC 变频矢量控制技术的基础上，研 制了一套全数字控制的同步电机变频调速实验装 置，结果证明该方案可行，且系统性能优良。 同步电机控制系统 2 通过坐标变换将同步电机定子 a，b，c 坐标系 的 量 等 效 变 换 到 与 转 子 同 步 旋 转 M，T 坐 标 系 中，最终得到直流量，以便获得与直流电动机相同 的调速控制特性，这就是交流矢量控制的思想 [2]。 图 1 示出同步电机 M，T 坐标系下的矢量图。 定 稿 日 期 作 者 简 介 ： 2010-09-01 裴 乐 ： （1983- ） ， 男 ， 河 南 开 封 人 硕 士 ， ， 研 究 方 向 为 电 力 电 子 与 电 力 传 动 。 72 为气隙磁链；iT Ψδ 电流 M 轴分量，即磁化电流。 为定子电流 T 轴分量，即转矩电流；iM 为定子 图 1 同步电机矢量图 Ψδ=Ladiδ ， Te=Ψdiq-Ψqid=ΨδiT M，T 坐标系下气隙磁链与电磁转矩表达式： （1） 由此可见，在 M，T 坐标系下 ，同 步 电 机 获 得 与直流电机相似的控制特性 。在保持气隙磁场恒 定条件下，电机转矩可通过转矩电流直接控制。 基于气隙磁场定向，通过同步电机电压和电 流模型相结合的磁链观测器得到电机运行时的实 际气隙磁链，对其进行闭环控制 [3]，从而保证了气 隙磁链恒定。在此基础上，通过控制转矩电流即可 达到调速的目的。 基于上述原理，针对电励磁同步电机的实际 

基 于 DSP 的 同 步 电 机 矢 量 控 制 系 统 的 研 制 特点，构建如图 2 所示的同步电机控制系统。光电 码盘测量电机当前转速，与给定转速相比较 PI 调 节作为转矩电流的给定值。转矩电流、磁化电流给 定值与经坐标变换得到的实际值比较经 PI 调节 输出与电压前馈单元结果求和作为 M，T 轴电压 的给定，经坐标变换供给逆变器脉冲生成单元，控 制开关管通断，完成对电机的调速控制。 流电供给同步电机定子三相。由于 IPM 内置了驱 动电路，且自身具备过温、短路、控制电源欠压等 功能，因而仅需提供 4 路隔离供电电源，将驱动信 号经高速光耦送至其控制端即可，大大简化了驱 动电路设计，系统采用专用驱动光耦 HCPL4504 实现信号隔离传送，并由 PC817 上报故障信息，其 原理如图 4 所示。 图 4 光耦隔离驱动 控制电路 3.2 控制电路可测量信号的输入以及控制信号的 输出并为执行机构提供可靠的硬件接口。 图 2 矢量控制结构框图 系统硬件设计 3 同 步 电 机 矢 量 控 制 系 统 硬 件 采 用 DSP +IPM 的结构，包括功率主电路、控制电路、检测保护电 路与辅助电源 4 部分，如图 3 所示。 图 3 系统硬件结构图 功率主电路 3.1 功率主电路提供能量流通的路径，它是同步 电机调速所需的变压变频模块的硬件实体 。系统 采用 AC/DC/AC 结构，以不控整流及桥式逆变作 为主功率拓扑结构。 直流母线上大电容兼有储能、滤波功能。缓冲 电路抑制开关管开关过程中电压尖峰，保证功率 器件在此过程中不受损 。逆变器由 PM25RSB120 型 IPM 模块构成，输出频率、幅值可调的三相交 系统以 TMS320LF2407A 型 DSP 为核心，构成 最小系统，扩展了基于 SPI 技术与 MAX7221 的人 机交互接口、基于精密整流技术的采样调理电路 接口、基于 SCI 技术的串行通讯接口，并对 DSP 自 身 PWM 输出口扩展电平控制电路，增强其驱动 能力，并提供硬件保护。 3.3 检测电路 检测电路完成电流、电压及转速等变量测量， 为 系 统 的 闭 环 控制 和 故 障 报 警 保 护 提 供 必 要 信 号。系统电量检测主要由 HNV025A 型电压霍尔与 LV25-NP 电流霍尔完成，其线性度较优越，保证了 信号最大程度不失真，使得闭环参数尽量准确。选 用 E6CP 型绝对式光电码盘，进行转速与转子位置 测量，它以 8 位格雷码二进制数字输出，码盘数字 信号直接与 DSP 的 8 位数据线相连，使用方便。 3.4 保护电路 系统设置相电流与母线过流保护、母线过压、 欠压保护，这些保护信号与 IPM 自身保护信号相 与送给 DSP 功率保护中断 PDPINTA，一旦故障信 号出现，PDPINTA 被拉低，触发功率保护中断，软 件实现对触发脉冲的封锁。同时，当母线、相电流 严重过流时，为保证保护响应的快速性，设置硬件 保护。采用 RS 触发器配合 PWM 到驱动管间的电平 控制电路实现硬件保护（不可软件恢复），一旦出现 严重过流，系统将自动封锁触发脉冲，待重新上电 后才可恢复，最大限度地保证了系统的安全运行。 系统软件设计 4 同步电机矢量控制系统控制部分由 DSP 编程 73 

第 45 2011 卷第 年 2 期 2 月 电力电子技术 Power Electronics Vol.45， No.2 February 2011 完成，实现了全数字化控制。整个系统软件由初始 化程序、中断服务程序和功能模块子程序构成。初 始 化 程 序 完 成 了 系 统 变量 的 初 值 设 定 以 及 DSP 本身硬件设置，并使能中断。功能模块主要完成系 统的附加功能，主要为人机接口的 SPI 控制、SCI 通讯接口。中断服务程序是控制系统的核心，系统 设置了定时器下溢中断与功率保护中断，前者完 成气隙磁场定向算法与电压空间矢量算法，实现 对 同 步 电 机 的 矢 量控 制 ； 后 者 响 应 系 统 硬 件 故 障，封锁触发脉冲，保证了系统的安全运行 。下溢 中断算法流程如图 5 所示。 图 5 下溢中断算法流程 实验结果及分析 5 实验用电励磁同步电机参数如下：额定电压 400 V，额 定 电 流 5.4 A，额 定 转 速 1 500 r·min -1， 极对数为 2。 5.1 稳态性能实验 图 6 示出 300 r·min -1 稳态条件下 iT ，iM 给 定 值与实际值。 图 6 稳态实验波形 可见，稳态时，iT ，iM 的给定与实际值相等，证 明实验设计电流调节器达到稳态无静差的效果， 使得被控量能够很好地跟随给定量。此处针对同 步电机设计的矢量控制系统控制策略正确，稳态 性能良好。 5.2 动 态 特 性 实 验 图 7a，b 示出给定 150 r·min -1，空载启动时转 速 n 及 iT 波形，以及启动时 a，b 相电流实验波形。 系统在 1 s 内达到给定转速，且无超调，系统稳定 后无静差，与之对应，启动开始时，转速给定与实 际误差最大，转速调节器输出控制量即 iT 最大，达 74 到饱和，随转速上升，iT 摩擦转矩平衡的恒定值。 下降，最终稳定在一个与 图 7 动态试验波形 图 7c 为系统稳定运行于 100 r·min -1 条件下， 调节给定转速到 150 r·min -1 时，定子 a，b 相电流 波形。图 7d 为转速由 200 r·min-1 稳定运行时，调 节给定转速到 150 r·min -1 时波形。升速时，定子 电流频率由 3.3 Hz 升到 5 Hz。减速时电流频率由 6.5 Hz 下降到 5 Hz。调速过程中，电流幅值随转速 的升高（降低）而响应的增大（减小）。当转速在新的 条件下平衡时，由于负载条件未变，摩擦转矩几乎 不变。因而当系统重新达到平衡时，电流幅值未发 生变化。实验表明所设计的矢量控制系统具备良好 的快速性、准确性与稳定性，系统动态特性良好。 结 论 6 针对电励磁同步电机设计全数字矢量控制系 统，具有一定的通用性，利用同步电机进行了一系 列稳态、动态实验。实验结果证明，所设计的硬件 系统稳定可靠，编写的数字化软件可达到满意的 控制和运行性能。该全数字矢量控制系统具备良 好的稳态、动态性能。 参考文献 [1] 林 桦．AC/AC 变频多相同步电机推进系统模型与控 制[D]．武汉：华中科技大学，2005. [2] 马小亮．大功率 AC/AC 变频调速及矢量控制技术（第 3 版）[M]．北京：机械工业出版社，2004. [3] 万字宾，胡婵娟，万淑芸．基于电压模型的定子磁链观 测器及参数设计方法[J].电气传动，2006，36（3）：15-18. Shinnaka S，Sagawa T.New Optimal Current Control Meth- ods f or Energy-efficient and Wide Speed-range Opera- [4] tion of Hybrid -field Synchronous Motor [J]．IEEE Trans. on Digital Object Identifier，2007，54（5）：2443-2450.