此方法的不足在于功率因数随着输出力矩的增大下降较快。

综合来看，按照转子磁链定向并按方法进行控制的PMSM调速系统定子电流与转子磁通解藕，控制系统简单，转矩波动小，可以获得很宽的调速范围，适用于有高性能要求工业应用领域。但当负载加大时，定子电流增大，由于电枢反应的影响，造成气隙磁链和定子反电动势都加大，迫使定子电压升高。为了保证足够的电源电压，电控装置必须有足够的容量，有效利用率降低;同时，定子电压矢量和电流矢量的夹角也会增加，由于电枢反应电抗压降大，造成功率因数降低。因此控制方法适用于中小容量的系统。 2.4 控制策略下伺服系统工作原理

由上面的分析可知，采用转子磁链定向控制，当时电磁转矩和电流幅值成正比，因此速度调节器的输出实际为定子电流幅值的给定值。此给定值与转子磁极位置角度的正弦值相乘得到三相正弦电流的瞬时给定值。它们在永磁同步电动机中生成的合成电流矢量与转子d轴垂直且超前。

三相电流瞬时给定值确定后，经过变频器输出三相对称交流电到永磁同步电动机的定子三相绕组中，产生与电流幅值成正比的电磁转矩使电动机工作于电动运行状态。变频环节可采用电压源型SPWM变频器，也可采用电流滞环跟踪控制型的PWM变频器。不同于上述的两种方法，本文系统采用了电压空间矢量的控制策略 (SVPWM)。

制动可以采用再生发电制动。正向电动运行时速度调节器的给定为 “十”，输出为“-”。正向制动后，速度调节器输出为 “十”，使三相给定电流反向，即电流合成矢量由原来的超前d轴90度变为滞后90度，转矩方向反向成为制动转矩，电动机处于制动状态。

当把速度调节器的给定变为“-”，那么其输出即为“十”，三相电流产生的合成矢量在反转方向上超前d轴90度，电动机将产生反向电磁转矩，电动机反转。

如果需要基速以上的弱磁调速，最简单的方法是利用电枢反应削弱永久励磁，也就是控制定子电流的直轴量，使其起到去磁作用。但由于稀土永磁材料的磁导率与空气接近，磁阻很大，相当于定转子间有很大的有效气隙。利用电枢反应弱磁的方法需要较大的定子电流直轴分量，作为短期运行，这种方法可

以接受，但长期弱磁运行必须采用特殊的弱磁方法。

由于伺服系统不需要工作在弱磁区，所以，本文采用了轴电流为零的矢量控制方案。

3 DSP在电机控制中的应用

3.1 DSP芯片的基本特征

数字信号处理器(Digital Signal Prcessor)，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器。自1979 年诞生以来，短短二十年时间，DSP显示了巨大的应用潜力，在信号处理、通信、语言、图形图像、军事、仪器仪表、自动控制、家用电器等领域 ，得到广泛的应用，起着不可替代的作用 ，其主要应用特点是实时快速地实现各种数字信号处理算法。DSP一般具有如下一些特点 ：

(1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； (2)程序和数据空间分离，可以同时访问指令和数据；

(3)片内具有快速 RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； (4)具有低开销或大开销循环及跳转的硬件支持；

(5)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器，可以并行执行多个操作；支持流水线操作，使取值、译码和执行等操作可以重叠执行。

在自动控制系统中，DSP的高速计算能力显示了比一般微处理器更多的优点 ，具有广阔的应用前景。利用DSP的高速计算能力可以增加采样速度和完成复杂的信号处理和控制算法，Kalman滤波、自适应控制矢量控制 、状态观测器等复杂算法利用 DSP芯片可以方便地实现。DSP的信号处理能力还可用来减少位置、速度、磁通等传感器，无传感器运行之所以成为可能。在自适应系统中，系统参数和状态变量通过状态观测器的计算可采用DSP有效地实现。同样，由于高运算速度，DSP也可有效地用于神经之网络和模糊逻辑化地运动控制系统。在实际工程应用中，DSP的高速能力还可以消除噪声污染和不精确的输入及反馈信号数据，对要求速度较快的 PWM控制算如空间矢量算法。 3.2 TMS320F2812A DSP的基本特性

3.2.1 DSP是一种特殊用途的单片机，其结构如下图所示

3.2.2 内核概述

TMS320F2812DSP内核采Harvard结构体系,即相互独立的数据总线，提供了片内程序存储器和数据存储器 、运算单元、一个32位算术逻辑单元 、一个32位累加器、一个16位乘法器和一个16位桶形移位器组成,体系采取串行结构，运用流水线技术加快程序的运行 ，可在一个处理周期内完成乘法加法和移位计算,其内核计算速度为 20MIPs(一个指令周期为 50 ns)。外设有 AD转换大容量存储器，l6位和32位的定时器比较单元、捕获单元、PWM波形发生器、高速异同步串行口和独立可编程复用IO等组成，其中通过三个通用定时器和九个比较器的结合产生多达l2路的PWM输出结合灵活的波形发生逻辑和死区发生单元能生成对称、不对称以及带有死区时间的空间矢量 PWM波形DSP芯片中集成的这些功能大大简化了整个控制系统。此外,该DSP还具有快速的中断处理能力，及硬件寻址控制、数据指针逆序寻址等多种特有的功能，将有利于TMS320F2812A在电机控制中的作用。

3.2.3 DSP在电机控制中的应用

TMS320F2812A是典型的集成DSP电机控制器，已广泛运用于三相交流感应电机、永磁同步电动机、无刷直流电动机等全数矢量控制的系统中，都可获得较为理想的控制效果。TMS320F2812A芯片特别适合于电机控制，主要得力于其功能强大的事件管理器，事件管理器具有分为十等优先级的四十个中断，其中的非法地址访问中断(Illegal Address)能够在程序“跑飞”的情况下复位芯片；PWM封锁中断(PDPINT)能够在电机控制异常的情况下封锁 PWM输出，保证了系统故障性处理的实时性。事件管理器还提供了三个功能强大的l6位定时器 GP TIMERx(x=l，2，3)，三者可以互相独立，也可级联使用，可以多种方式产生l2路PWM信号。

DSP控制流程图如下所示 ：

3.3 DSP在电机矢量控制中所起的作用

(1)接收由光学编码器输入的两相增量数字脉冲信号 A、B；

a．将两相信号进行四倍频； b．形成位置信号 C．形成速度信号

d．根据两相信号边沿变化的先后次序，判别电机旋转方向。

(2)根据光学编码器输人的信号 A、B、U、V、W粗略确定和精确确定转子磁极轴线相对于A相绕组轴线的转角。

(3)速度比较，并给出转矩参数数据及作校正补偿计算。

(4)接受模拟量的实际的三相电流，并将其作数字化处理，然后作三相两相变换。

(5)将电流命令信号与实际电流相比较，然后进行校正补偿处理，作三相两相变换。最后确定PWM的脉宽系数，进而输出六路信号至功放级。

(6)接受故障信号，执行中断，首先切断主电源，并同时中断PWM输出，发出中断命令，同时进行故障诊断，判别并输出故障种类信号至显示电路。 3.4 基于DSP的交流PMSM伺服系统

以TMS320F2812A为控制核心，以智能控制模块(IPM)为功率变换装置，设计了一套完整的基于DSP的PMSM全数字交流伺服驱动系统，总体结构如下图所示。 整个系统由软件、硬件两大部分组成。系统软件主要功能有:转速调节、电流调节、矢量变换、转速及转子位置估算、电压空间矢量控制、与上位机通讯等。TMS320F2812A是电机专用控制DSP，它集成了相当多的电机控制外围电路，这使得系统硬件设计变得非常简单。硬件部分主要包括:DSP最小系统、人机接口、整流逆变装置、电流检测和电平变换、光电码盘信号采集、系统保护等。

图3-1 PMSM矢量控制系统总体结构

4 系统硬件设计

在以往，工业控制中主要是由单片机承担控制核心的任务。随着DSP技术的发展和控制要求的提高，越来越多的工业控制产品采用 DSP芯片。目前，美国的TI公司、Motorola公司、AD公司都推出了专用于电机控制的DSP。这一高度集成化的器件代表了传统微处理器及通用DSP处理器方案的重大突破，使电机驱动及调速控制更为简单易行。与其它方案相比，以DSP为核心的伺服系统提供了更好的电机性能、更低的能耗、更高的可靠性及静音运行。此类专用芯片具有很强的实时运算能力，并集成了电机控制的外围设备，使设计者只需外加较少的硬件设备即可实现电机控制系统，在提高系统性能的同时降低系统费用，大大提高了性价比。

目前，使用最多的电机专用控制DSP是TMS320X2812, X是C或F，视其是否采用了FLASH存储器。TMS320X2812是美国TI公司推出的高性能16位数字信号处理器。它是专门为电机的数字化控制设计的，特别适用于电机的高性能控制。 4.1 TMS320F2812A的主要技术特性如下:

(1)以T320C2XLP为内核，配合哈佛结构和四级流水线作业设计，指令执行速度很快。在20MHz的内部时钟频率下，指令周期仅为50ns