永磁同步电机驱动器硬件设计
1.绪论 1
1.1课题背景 1
1.2论文内容安排 2
2.永磁同步电机的工作原理 3
2.1永磁同步电机的结构与特点 3
2.2永磁同步电机的数学模型 4
2.3逆变器的工作原理 6
2.4本章小结 6
3.永磁同步电机驱动器总体硬件设计 8
3.1驱动器硬件的总体框架 8
3.2驱动器的主要电路设计要求 9
3.3本章小结 16
4. 永磁同步电机驱动器具体的硬件设计 17
4.1DSP控制芯片的选择 17
4.2速度和位置检测电路 20
4.3霍尔传感器检测电流电路 21
4.4直流母线电压采样电路 22
4.5数字量与模拟量输入电路 24
4.6整流滤波电路的设计 25
4.7软启动电路 28
4.8功率电路 29
4.9本章小结 33
5.全文总结 34
参考文献 35
附录 36
致谢 41
1.绪论
1.1课题背景
世界上第一台永磁电机是在1831年由巴洛(Barlow)发明的，此次发明的电机也是世界上出现的第一台电机。但是因为那时的永磁体的磁性能非常低, 电励磁电机很快取代了当时的永磁电机。到了本世纪的三十年代到五十年代,出现了铝镍钴（具有高剩磁Br）和铁氧体（有较高矫顽力Hc）永磁体,永磁电机的情况出现了转机，但由于铝镍钴所含的Hc非常低,极容易失磁, 铁氧体中的Br含量很少,完全满足不了电机在正常工作时所需要的工作磁密度,还有当时的逆变器还没有得到广泛的应用,因此永磁同步电机还没有得到广泛的应用。
从二十世纪七十年代末到现在，随着电力电子技术、电机理论技术、伺服控制理论、永磁材料技术和DSP技术的飞速发展，对于交流驱动系统的研究及应用，发展可以说是日新月异，已经可以在较大的范围内同时调速、而且具备很高的控制精度和较快的动态响应等性能，在静、动态控制特性方面显现出来的优点，完全可以和直流驱动系统相比较。
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随着科技的不断发展，“交流驱动系统将取代直流驱动系统”这一说法正在逐渐变成现实，并且不断出现新的产品。交流驱动系统技术，总是随着用户需求的提高而不断的发展。电动机、传感器、驱动器和控制技术等相关技术的不断发展，涌现出了各式各样的配置。目前高性能的驱动系统中大都采用的是交流PMSM，它采用的是高能永磁体材料，该永磁体的优点是体积较小，损耗较低、效率较高、可靠性较高，成为了微进给、高精度驱动系统的最完美的选择之一。
控制系统的电流环需要数字化的较高品质的电流调节来完成快速的电流控制。但是数字化电流调节要求较小的电流采样周期，并且现在的驱动器里面都采用了比较复杂的算法。随着DSP的出现，尤其是专门用来控制电机的数字芯片的出现，控制芯片性能要求得到了很好地满足。
驱动系统作为机器人、数控机床等各种精密控制系统的重要核心部分，驱动器控制系统的性能决定了各种系统功能的实现。比如永磁同步电机驱动器的系统要求拥有稳态精度较高、响应速度较快、抗干扰能力较强及调速范围广泛的特点，广泛的应用于工业生产中。
目前，国外发布的交流驱动系统大都采用了数字化，它朝着更通用化、更智能化的趋势发展，和一些西方发达国家相比，我国所研究的交流驱动系统起步较晚，虽然我国的很多公司或者研究单位都已经研发出了属于自己的交流驱动系统，但是和一些国外的交流驱动系统相比较，在响应时间、定位精度和调速范围等重要技术方面上还存在相当大的差距。
永磁同步电机驱动器中的重要成员之一是逆变器，它的技术发展紧密的结合了功率器件和其控制技术方面的发展，以下介绍了历史上所经历的五个阶段：
（1）在二十世纪的五六十年代，SCR（晶闸管）的出现为正弦波逆变器的发展奠定了基础；
（2）二十世纪七十年代，BJT（双极型晶体管）与GTO（可关断晶闸管）的出现，为逆变技术的发展与应用创造了有利条件；
（3）二十世纪八十年代，MOS控制晶闸管、功率场效应管、绝缘栅型晶体管等各种功率器件的发明，使得逆变器向着大容量的方向发展。
（4）二十世纪九十年代，微电子技术的迅速发展使先进的控制技术，如重复控制、矢量控制技术、模糊控制、多电平变换等技术被广泛的应用，在一定程度上加快了逆变器技术的高飞猛进；
（5）二十一世纪初，随着微电子技术、电力电子技术与现代控制理论的发展，逆变技术得到了不断改进，它的发展方向正朝着高功率密度、高效率、高频化、智能化以及高可靠性。
1.2论文内容安排
本文分为六个部分，主要的研究对象是永磁同步电机驱动器硬件设计，对其进行了结构特点、数学模型和硬件设计进行了研究。
第一章讲述了永磁同步电机的发展史，研究历史、现状及其发展趋势；第二章介绍了永磁同步电机的工作原理，对它内部构造进行了介绍；第三章对永磁同步电机驱动器的硬件做了总体的设计，得出了结论；第四章对永磁同步电机驱动器作出了详细的硬件设计；第五章对整个设计过程进行了总结，提出了不足之处和等待完善、改进的方面。
2.永磁同步电机的工作原理
永磁同步电机（PMSM）是利用安装在转子上的永磁体来提供励磁，用交流电来给定子上的绕组提供电流，使其产生的交变磁场与转子上的永磁体所形成的磁场相互作用，来驱动电机的旋转。
2.1永磁同步电机的结构与特点
永磁同步电机（PMSM）用永磁材料来替代电流励磁作为恒定励磁磁场的一种电动机。
在结构上永磁同步电机可以分为两大部分即定子与转子，定子上的电枢绕组，从结构上来讲，可以分成两部分：分布式绕组和集中式绕组。它的转子是永磁体结构，根据永磁体在转子上的安装位置的不同，一般分为三种类型：表面式、内嵌式、插入式，如图1所示。表面式永磁同歩电机，永磁体一般呈现瓦片状，并处于转子的表面，因为永磁体装在气隙中，它的重要特点是交轴与直轴的电感相等；而内嵌式和插入式PMSM的永磁体安装在转子的内侧或内部，永磁体的表面与铁心间形成极靴，可保护永磁体。由于直轴磁路上永磁体的存在，永磁体内导磁率相当低，接近于空气磁导率，因此它的特点为交轴与直轴的电感不相等。本文研究的是图1中的（a）表面式永磁同步电机，在图1（a）中的1、2、3表示的是永磁体、定子铁心和转子铁心。
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