电机装置的设计与研发

　　转差频率矢量控制系统具有多种优点。它采用矢量控制，即不但控制被控量的大小，
而且要控制其相位。在 Blascheke 提出的转子磁场定向矢量控制系统（FOC）中，通过坐
标变换和电压补偿，巧妙地实现了异步电动机磁通和转矩的解耦和闭环控制。有时为简化
控制系统的结构，可以直接忽略转子磁通的过渡过程，即在转子方程中，令 Ψr d≈L m i 
sd，于是得到 d 轴电流，而 q 轴电流可直接从转矩参考值，即转速调节器的输出中求得。
　　三相异步电动机转子的转速为：n = n 0（1 - s  

） = 60 f （1 - s  

） / p（1）由（1）式所

示，改变定子绕组供电电源频率 f 可以改变三相异步电动机转子的转速，这种调速简称
变频调速。
　　它具有调速范围广、效率高、节能等优点，在当前具有非常广泛的应用前景。
　　1TMS 320 L F 2407 A 的特点及其优势系统控制芯片采用 TI 的 DSP 

 

： TMS320L 

F2407A ，之所以选用该芯片，主要有以下几点考虑：（1）采用高性能静态 CMOS 技术，
使得供电电压降为 3. 3 V ，减小了控制器的损耗；最快 40 MIPS 的执行速度使得指令周
期缩短到 25 ns（40 Mhz  

） ，从而提高了控制器的实时控制能力。

　　（2）片内有高达 32 K 字的 FLASH 程序存储器，高达 1. 5 K 字的数据/程序 RAM ，
544 字双口 RAM（DARAM）和 2 K 字的单口 RAM（SARAM

 

） .

　　（3）2 个事件管理器 EVA 和 EVB ，每个包括 2 个 16 位通用定时器和 8 个 16 位的脉
宽调制通道。
　　它们能够实现：三相反相器控制；PWM 的对称和不对称波形；当外部引脚 PDPIN 
Tx 出现低电平时快速关断 PWM 通道，这对于智能功率模块（IPM）和交流电机的保护
非常有利；可编程的 PWM 死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲，从而防止短路
的发生；3 个捕获单元；片内光电编码器接口电路（QEP  

） ，这使得全数字调速系统的

闭环实现（速度环）更为方便；16 通道 10 位精度 A/ D 转换器，最小转换时间 500 ns ，
可选择 2 个事件管理器来触发 2 个 8 通道 A/ D 转换器或者一个 16 通道 A/ D 转换器，这
个 A/ D 模块可以方便地进行电机三相电流的采样，从而构成闭环系统的电流环；
SVPWM 模块，这使得 PWM 的产生更加方便。事件管理器模块是其关键部分，它适用于
控制交流感应电机、同步电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机和电流变换器。
　　这些特性使得全数字控制系统应用于交流电机调速成为可能。相对于传统的模拟控制
或者模拟、数字混合控制系统而言，全数字控制系统有以下优点：①精心设计的微机控制
系统能显著地降低控制器硬件成本。②改善系统可靠性。③数字电路不存在温漂问题，不
存在参数变化的影响。④可以设计统一的硬件电路，以适应不同的电机控制系统。⑤可以
完成复杂的功能，指令、反馈、校正、运算、判断、监控、报警、数据处理、故障诊断、状态估计、
触发控制、PWM 脉冲产生以及坐标变换等。
　　2 系统控制原理全数字交流调速系统设计框图如所示。
　　整个调速系统都是基于以上框架进行实现的，采用的是空间转子磁场定向。通过霍尔
获得电机电流的反馈，通过 DSP 的 QEP 单元实现速度反馈（虚线内为 DSP 实现的坐标变

 

换以及其它数字运算） .因此，在系统实现过程中，其关键部分就在于对电流的解耦。

 

　　这是因为转子磁场和转子实际旋转位置之间存在着一个差角：转差角。： i d  

， i q 分

 

别为解耦后的磁场电流和转矩电流； iα  

， iβ 为固定坐标系下的电流分解；θe，θsl，θr 分

别指转子磁链相对于横轴的角度、转差角以及转子实际位置。
　　所谓转子磁场空间定向，就是将 Park 坐标变换的 d 轴定义在转子磁场方向上，这样
就得到以下转子磁场以及力矩的方程：ψ r = L m i ds

∧

（2）

　　T e = 3 kψ r i qs / 4

∧

（3

 

）式中： k 为一个与电机参数相关的常数。