永磁同步电机SPWM控制器设计.docx
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永磁同步电机SPWM控制器设计
摘要
本文主要介绍了利用正弦脉宽调制技术对永磁同步电动机进行恒压频比开环调速的控制器功率设计。
正弦脉宽调制技术是常用的一种脉宽调制技术，用一系列脉冲宽度按正弦规律变化的脉冲代替正弦波。
本文介绍了基于面积等效原理，采用查表法，利用MSP430单片机生成正弦脉宽调制（SPWM）波的方法。
在功率电路中，以半桥驱动器IR2103s为驱动芯片，驱动N沟道场效应晶体管IRF540N构成逆变桥，将直流电逆变为交流电通入三相正弦永磁同步电动机。
在调速中，采用分段同步调制技术对电机进行调速。
在调试过程中，应用直流电动机H型主电路可逆脉宽调速的原理对原有的控制器功率电路的性能进行调试测试。
关键词：
正弦脉宽调制；永磁同步电动机；MSP430单片机；分段同步调制
ABSTRACT
Thispaperdescribedtheopen-looppowercontrollerdesignforpermanentmagnetsynchronousmotorbyusingsinusoidalpulsewidthmodulationtechnique.Sinusoidalpulsewidthmodulationtechniqueiscommonlyusedasakindofpulsewidthmodulationtechnology,withaseriesofpulsesinsteadofthesinewaveandthewidthofthepulsesarechangingassinusoidal.Introductionwasmadetothemethodofsinepulsewidthmodulation（SPWM）wavegeneratedbytablesearching,whichisbasedonareaequivalenceprinciple.Inthepowercircuit,thehalf-bridgedriverchipIR2103swasusedtodriveN-channelfieldeffecttransistorIRF540Nwhichconstitutedtheinverterbridgesothatthecurrentfedthree-phasesinusoidalpermanentmagnetsynchronousmotor.Thesub-synchronousmodulationtechniquewasusedtoregulatethemotorspeed.Duringthecommissioningprocess,theperformancetestoftheoriginalcontrollerpowercircuitwaswithH-typemaincircuitDCmotorreversiblePWMspeedcontrolprinciple.
KEYWORDS:
Sinepulsewidthmodulation;Permanentmagnetsynchronousmotor;MSP430singlechip;Sub-synchronousmodulationtechnique
一绪论
课题的研究背景和意义
直流和交流异步伺服电动机的转速是随电机轴上所带的负载阻转矩或者加在控制绕组上的信号电压的改变而变化的[1]。
但是在有些控制设备和自动装置中，往往要求电动机具有恒定不变的转速，即要求电动机的转速不随负载和电压的变化而变化。
同步电动机就是具有这种特性的电动机。
目前，功率从零点几瓦到数百瓦的各种同步电动机，在需要恒速运转的自动控制装置中得到了广泛的应用。
例如它们用于自动和遥控装置，无线电通讯设备，同步联络系统，磁带录音和钟表工业等。
小功率同步电动机是交流电动机，在结构上主要是定子和转子两部分组成。
各种同步电动机的定子与一般异步电动机的定子没有什么不同，定子铁心通常也是由带有齿和槽的冲片叠成，在槽中嵌入三相或两相绕组。
当三相电流通入三相绕组或两相电流通入两相绕组时，在定子中就会产生旋转磁场。
旋转磁场的转速即为同步转速，以下式表示：
（1-1）
式中：
ns——同步转速/r·min-1;
f——电源频率/Hz;
p——电机极对数。
各种小功率同步电动机的定子都是相同的，或者是三相绕组通入三相电流，或者是两相绕组通入两相电流，其主要作用都是为了产生一个旋转磁场。
但是转子的结构型式和材料却又很大差别，因而其运行原理也就不同。
根据转子型式的不同，小功率同步电动机主要可分为永磁式电动机、反应式电动机、磁滞式电动机等。
永磁式同步电动机的转子由永久磁钢做成。
它可以做成两极的，也可以做成多极的。
其作用原理相当简单，这里以两极电动机简单加以说明。
当同步电动机的定子通上交流电源后，就能产生一个旋转磁场。
当定子旋转磁场以同步速ns旋转时，根据N极与S极相互吸引的道理，定子旋转磁极就要与转子永久磁极紧紧吸住，并带着转子一起旋转。
由于转子是由旋转磁场带着转的，因而转子的转速应该与旋转磁场转速相等。
[1][2]
随着永磁材料性能的不断提高，高性能低价格永磁材料（如钕铁硼）的出现，使永磁式同步电动机的应用范围更加扩大。
与其它型式同步电动机相比，它出力大，体积小，耗电小，结构简单、可靠，因而已成为同步电动机中最主要的品种。
目前功率从几瓦到几百瓦，甚至是几个千瓦的永磁同步电动机在各种控制系统中得到广泛的应用。
在高性能的控制系统中，同步电动机的同步速调节主要采用矢量控制和直接转矩控制。
而在一般情况下，同步速的调节主要是通过变频来实现。
近十几年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。
交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。
变频调速以其有意的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
[3]
而在变频调速中，脉宽调制（PWM）技术具有优良的调压和调频性能,使得其在变频调速系统中得到了广泛的应用。
脉冲宽度调制的方式很多,其中应用最广,也是最成熟的是正弦脉宽调制技术,即SPWM。
目前，正弦脉宽调制技术已经在变频电源领域、直流输电领域、交流调速领域等许多领域得到了广泛应用。
为了提高整个系统的控制效果，生成高性能的SPWM脉冲一直是人们不懈探索努力的目标。
[4][5]一直以来生成SPWM波的方法有很多种。
其中采用模拟电路和数字电路等硬件电路来产生SPWM波形是一种有效的方法，但是这种实现方法的有控制电路复杂、抗干扰能力差、实时调节比较困难等缺点，性能不高，常常不能令人满意。
而随着微控制器（如单片机）的高速发展，其内部集成了许多控制电路，如定时器、PWM电路、可编程计数器阵列等，而且这些内部控制电路的性能越来越高，所以就产生了一种利用微控制器来生成SPWM波形的数字控制方法，这种实现方法具有控制电路简单、运算速度快、控制精度高、抗干扰能力强等优点。
本课题应用一种基于面积等效原理，采用查表法，利用MSP430F149单片机的定时器模块产生SPWM波。
课题对象的特点及控制要求
本课题“基于单片机的永磁同步电动机控制器功率电路设计”，控制对象是正弦波三相永磁同步电动机，该电机额定电压UN=24VDC，额定功率PN=100W，额定电流3.94A，额定转速nN=6000r/min，电机极数8，额定效率88%，空载电流1.5A。
开发系统包括TI公司MSP430F149最小开发板，TI公司MSP系列单片机仿真器和MSP系列单片机软件编写环境。
永磁同步电动机工作原理前面已经简单说明，下面说明恒压频比开环控制原理。
同步电动机定子绕组是三相对称交流绕组，当通入三相电流时产生旋转磁场，转子的永久磁极也会同向同速旋转，定子导体则反向切割转子永久磁极的磁场，会在定子每相绕组中分别感应出大小和方向按周期性变化的交变电势，由电机学知识可知，每相感应电势的有效值为
（1-2）
式中：
E0——主电势/V;
f——频率/Hz;
N——每相绕组总的串联匝数；
——每极基波磁通/Wb；
——定子绕组系数。
所以，当电机选定时，结构参数确定后，变化的量只有主电势，每极基波磁通和频率。
为了保证电机获得良好的运行性能和力能指标，要求磁通保持不变，
∝E0/f，而定子相电压U1≈E0，则得U1/f=常值，此即为恒压频比控制方式。
[6]
恒压频比控制是开环控制，无需速度传感器进行速度反馈，控制电路简单。
课题任务和要求
课题的主要任务
1、学习理解正弦波永磁同步电动机的工作原理及其开环控制系统的构成。
2、设计并调试正弦波永磁同步电动机控制器功率部分硬件电路，包括：
1）以IRF540N型号Mosfet设计三相逆变桥电路；
2）以IR2103s半桥驱动芯片为IRF540N的驱动器件；
3）设计单片机PWM输出口与IR2103s的光耦隔离电路；
4）设计并绘制驱动板PCB电路，完成器件焊接和电路调试；
3、编写正弦波永磁同步电动机开环控制软件程序，具有对电机的起、停控制和调速功能。
课题的基本要求
1、硬件电路设计应兼顾经济实用性和可靠性；
2、采用SPWM方式，完成开环控制单片机程序的设计，实现电机的变频起动；
3、调速中采用分段同步调制，设计合适的分段区间和调制比；
4、完成整个硬件系统的连调，测取电压和电流波形。
设计思路
通过编写程序使MSP430F149输出频率可变的SPWM波，通过光电耦合器6N137接入硬件电路，以IR2103s来驱动N沟道MOS管IRF540N，6个IRF540N构造一个逆变桥，完成直流—交流的逆变转换，输出正弦三相交流电通入电机，通过对SPWM波的频率的改变调节电机的转速。
图1-1控制器结构框图
在本次设计中，驱动电路和逆变电路是硬件设计部分，而SPWM波的生成是MSP430软件部分。
在第二章中将会介绍在设计电路板中应用的主要元器件以及电路板的设计和印制板的绘制；第三章主要介绍SPWM控制原理和生成方法以及MSP430单片机的结构和利用MSP430单片机生成SPWM波的方法；第四章主要介绍控制器的调试情况；第五章是全文的总结。
二控制器硬件设计
概述
本课题“基于单片机的永磁同步电动机控制器功率电路设计”，根据最初的设计思路，是由微控制器MSP430F149产生SPWM波，所以硬件电路部分只需要设计逆变桥电路及其驱动电路，而电路中的主要器件在本章中进行介绍，这一章主要介绍硬件电路的设计和搭建。
硬件电路的原理图见附录2。
硬件电路的设计
硬件电路中将要用到的器件的参数和功能将在本章后面进行介绍，先直接说明电路中各部分电阻电容参数的选择和作用。
逆变桥电路由6个IRF540N组成，驱动电路是3个IR2103s及其外围电路组成。
由于逆变桥每一对上下桥臂输出一相电压，三相对称，所以这里举其中一相为例。
如图2-1所示，是两路SPWM输入进而通过IR2103s驱动IRF540N的电路图。
图2-1三相中一相的驱动电路
由于光电耦合器要实现电气隔离，所以数字电源和模拟电源，数字地和模拟地要进行隔离区分。
图中D开头的电源为数字电源，A开头的电源为模拟电源。
数字电路部分：
（1）470Ω电阻：
光电耦合器6N137输入电流5mA左右，内部发光二极管正向压降1V左右时，光敏管才能导通，所以阻值的选择既要满足限流要求又要保证光敏管导通。
模拟电路部分：
（2）4.7kΩ电阻：
由于脚6是集电极开路输出端，通常需要加上拉电阻，此处是典型接法，一般电路接4.7kΩ电阻即可。
（3）0.1uF电容：
陶瓷电容或钽电容。
这个电容的作用是吸收电源线上的纹波和减小光电耦合器接收端开关工作时对电源的冲击。
（3）10uF电容：
自举电容
（4）100Ω电阻：
①IR2103s输出端口会有一些杂散电感，电压发生突变时可能与栅极电容形成LC震荡，增大阻尼可以减少震荡效果；②减小栅极充电峰值电流；③保护漏源极不被击穿。
同时，电阻过大会增加开通关断延迟时间。
通常选择在几十欧姆到几百欧姆之间。
（5）1N4148：
一种通用的高频开关二极管。
（6）FR207：
快恢复二极管。
三组如图2-1所示相同结构的驱动电路组成三相驱动电路，而逆变桥电路应用电力电子技术所学的电压型逆变电路。
电压型逆变电路有几个主要特点：
①直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。
直流侧电压基本无脉动，直流回路呈低阻抗。
②由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。
而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。
③当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。
逆变桥电路如图2-2所示，直流侧并联100uF的电解电容，6个IRF540N组成三相桥式逆变电路。
图2-2三相桥式逆变电路
驱动电路和三相桥式电路组合在一起就是完成的硬件电路原理图，具体见附录2。
元器件的参数和功能
电力场效应晶体管
电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型两种类型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET），简称电力MOSFET，或者更精练地简称MOS管。
电力MOSFET的种类和结构繁多，按导电沟道可分为P沟道和N沟道。
当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为增强型。
在电力MOSFET中，主要是N沟道增强型。
IRF540N的电气符号如图2-3，其中G
（1）为栅极，D
（2）为漏极，S（3）为源极。
和其他电力场效应晶体管一样，IRF540N是通过栅极电压来控制漏极电流的，所以它的驱动电路简单，这也是它的一个特点。
同时，在数据手册中，还会给出其他一些重要数据：
IRF540N是N沟道增强型场效应晶体管，漏源极导通电压（VDSS）为100V，漏源极导通电阻（RDS）为0.055Ω，漏极连续电流（ID）为22A，开启延迟时间（Td-on）为8ns，关断延迟时间（Td-off）为26ns，门极电荷（Qg）为65nC。
由此可见，IRF540N具有较低的导通内阻，快速开关能力，工作效率高，这就是它的第二个特点。
综上IRF540N适合用于本课题的逆变桥中。
半桥驱动器IR2103s
由于IRF540N是通过栅极电压来控制漏极电流，所以我们需要一个驱动芯片通过控制栅极电压来控制IRF540N的通断。
IR2103s是半桥驱动芯片，驱动N沟道电力效应晶体管。
如图2-4是它的典型应用电路。
图2-4IR2103s的典型应用电路
由图2-4可见，IR2103s的偏置电压最高可达600V，并且有两个输入通道，所以三个IR2103s就可以驱动六个IRF540N构成的逆变桥。
两个通道的输入输出时序图如图2-5所示，两个通道不会同时导通，因此，两个输出端口可以接到逆变桥的上下两个桥臂，使上下桥臂的通断状态互补。
图2-5IR2103s的两个通道输入/输出时序图
光电耦合器6N137
光电耦合器6N137是一种用于单通道的高速光电耦合器，其内部由一个波长为850nm的磷砷化镓发光二极管（GalliumArsenidePhosphidelight-emittingdiode）和一个集成检测器组成，这个集成检测器由一个光敏二极管、高增益线性运算放大器以及一个人肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。
光电耦合器6N137的结构示意图如图2-6所示，输入信号从脚2和脚3输入，使发光二极管发光，经过片内光通道传到光敏二极管，反向偏置的光敏二极管经光照后导通，经电流-电压转换后送到与门的一个输入端，与门的另一个输入端为使能端，当使能端为高时与门输出高电平，经过输出三极管反向后光电耦合器输出低电平。
当输入信号电流小于触发阈值或使能端为低时，输出高电平，但这个逻辑高是集电极开路的，可针对接收电路加上拉电阻或电压调整电路。
如果以脚2为输入，脚3接地，则真值表如附表2-1所列，这相当于非门的传输。
如果希望在传输过程中逻辑状态不发生改变，则从脚3输入，脚2接高电平，这样就会得到同相逻辑传输。
在使用光电耦合器6N137时，需要注意在脚8和地（脚5）之间必须接一个电容值为0.1uF高频特性良好的电容，如陶瓷电容或钽电容，而且应尽量放在脚5和脚8附近。
这个电容的作用是吸收电源线上的纹波和减小光电耦合器接收端开关工作时对电源的冲击。
脚6是集电极开路输出端，通常需要加上拉电阻。
虽然输出低电平时可吸收电流达到13mA，但是仍然应当根据后级输入电路的需要选择适当阻值。
因为电阻太小会使光耦合器6N137耗电增加，加大对电源的冲击，使旁路电容无法吸收，进而干扰整个模块的电源，甚至把尖峰噪声带到地线上。
一般可选4.7kΩ，若后级是TTL输入电路，且只有1到2个负载，则用47kΩ或15kΩ也行。
输入使能管脚（脚7）在芯片内部已有上拉电阻，无需再外接上拉电阻。
光电耦合器6N137的第2脚和第3脚之间是一个LED，必须串接一个限流电阻。
最后在一些场合下可能传输信号比较多，但光电耦合器6N137不应使用太多，因为它的输入电容有60pF，若过多使用会降低高速电路的性能。
表2-1光电耦合器6N137真值表
输入
使能
输出
H
H
L
L
H
H
H
L
H
L
L
H
H
NC
L
L
NC
H
光电耦合器6N137具有许多优点：
①由于光信号单向传输，使得输出信号对输入端没有反馈，可以有效地阻断电路或系统之间的电气联系，但又不切断它们之间的信号传递。
②隔离性能好，输入端与输出端之间完全实现了电气隔离。
③光信号不受电磁波干扰，工作稳定可靠。
④光发射器件与光敏器件的光谱匹配十分理想，响应速度快，传输效率高。
⑤抗共模干扰能力强，能很好地抑制干扰并消除噪音。
⑥无触点，使用寿命长，体积小，耐冲击能力强。
⑦易与逻辑电路连接。
⑧工作温度范围宽，符合工业和军用温度标准。
印制电路板的设计及注意事项
印制电路板又称印刷电路板（PrintedCircuitBoard），简称印制板。
在敷铜板上印刷防腐蚀膜图，然后再腐蚀刻线，这种技术就像在纸上印刷那么简便，“印制电路板”因此得名。
它是电子产品的重要部件之一。
印制电路在电子设备中具有如下功能：
（1）提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑；
（2）实现集成电路等各电子元器件之间的布线和电气连接或电绝缘；
（3）为元件插装、检查、维修提供识别字符和图形。
印制板设计，是根据设计人员的意图，将电路原理图转换成印制板图、选择材料和确定加工技术要求的过程。
它包括：
（1）选择印刷板材质、确定整机结构；
（2）考虑电气、机械、元器件的安装方式、位置和尺寸；
（3）决定印制导线的宽度、间距和焊盘的直径、孔径；
（4）设计印制插头或连接器的结构。
根据之前设计的原理图，将各个元器件的型号、外形尺寸和封装确定，绘制出来。
印制电路板设计就是把电子元器件在赢的制板面积上合理地布局排版。
在设计布局时，应当遵循以下原则：
（1）就近原则：
要考虑每个元器件的形状、尺寸、极性和引脚数目，以缩短连线为目的，调整它们的位置和方向。
（2）信号流原则：
在多数情况下，信号的流向安排成从左到右（左输入、右输出）或从上到下（上输入、下输出）。
与输入、输出端直接相连的元器件应当放在靠近输入、输出接插件或连接器的地方。
避免输入输出，高低电平部分交叉。
（3）散热原则：
元器件之间布局应当有利于发热元器件散热，部分元器件要考虑加上散热片，如IRF540N。
（4）布放顺序：
先大后小、先集成后分立、先主后次。
以每个功能电路核心元器件为中心，围绕它来进行布局。
布线时，连接要正确，不允许交叉；走线要简洁，尽量缩短连线；粗细要适当，电源线和地线要加粗，导线的宽度由该导线工作电流决定，尽可能宽一点以承受所期望的电流负荷。
导线之间的间距必须足够宽，以满足电气安全的要求，而且为了便于操作和安装，间距应尽量宽。
与此同时，还要注意考虑印制板厂家的技术能力，避免设计的印制板无法被制作出来。
由于电路包括数字电路和模拟电路两部分，数字地线和模拟地线之间加磁珠来抑制高频干扰。
印制板设计为双面板，在两个面为不同的地进行敷铜铺地，尽可能消除对高频元件的干扰。
在设计印制电路板时，有时会出现导线不得不交叉的情况，可以用过孔来避免导线交叉。
但由于电路板的一个过孔会带来大约10pF的电容效应，这对于高频电路来说，将会引入太多的干扰，所以应当尽可能地减少过孔的数量。
同时，过多的过孔也会使得印制电路板的机械强度降低，影响印制电路板的质量。
[12][13]
本章小结
本章主要介绍了控制器的硬件设计，首先说明了控制器电路的设计思路和功能，然后介绍了控制器的总体设计，之后说明了电路中的核心元器件的参数和功能以及电阻电容的选择，最后介绍了印制板的绘制以及设计过程中的注意事项。
控制器硬件部分主要包括驱动电路，逆变桥电路和光电耦合器隔离电路，光电耦合器电路核心器件是6N137，驱动电路核心器件是IR2103s，逆变桥电路核心器件是IRF540N，查阅数据手册即可学会它们的典型应用电路进行设计。
在控制器电路原理图设计完成之后，要绘制PCB板，绘制时需要注意元器件的布局，导线的宽度等问题。
三控制器软件设计
正弦脉宽调制技术
脉宽调制技术就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）的技术，也就是PWM（PulseWidthModulation）控制。
在采样控制理论中有一个重要的结论：
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
冲量即指窄脉冲的面积。
而这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。
如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。
如图4-1所示的三个窄脉冲形状不同，其中图4-1a为矩形脉冲，图4-1b为三角形脉冲，图4-1c为正弦半波脉冲，但他们的面积（即冲量）都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。
当窄脉冲变为图4-1d的单位脉冲函数δ（t）时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。
图3-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
a）矩形脉冲b）三角形脉冲c）正弦半波脉冲d）单位脉冲函数
上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。
根据面积等效原理，我们可以用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦波。
如图3-2所示，把图3-2上半部分中的正弦波分成N等份，就可以把正弦波看出是由N个彼此相连的脉冲序列组成的波形。
这些脉冲的宽度相等，都等于2π/N，但幅值不相等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按照正弦规律变化。
如果把上述脉冲序列利用数量相同的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到图3-2下半部分所示的脉冲序列，这就是PWM波形。
可以看出，各个脉冲的幅值相等，而宽度是按照正弦规律变化的。
根据面积等效原理，PWM波形和正弦波是等效的。
像这种脉冲
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