控制理论与控制工程硕士论文-基于DSP的无速度传感器矢量控制系统.pdf

浙江工业大学硕士学位论文基于DSP的无速度传感器矢量控制系统摘要近年来，电力电子技术、计算机技术、自动控制技术取得了迅猛的发展，导致了电气传动力技术一场历史性的革命。实践证明，变频调速具有优异的调速和起制动性能，以及高功率因素和高效率的节电能力等优点，而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。交流调速取代直流调速、数字控制技术取代模拟控制技术已成为当前发展的趋势。本论文首先介绍了现代交流调速技术的现状及发展动向，包括电力电子，微处理器的基本情况，然后论述了交流三相异步电动机的数学模型的性质，建立方法和过程，同时推导出三相异步电动机在旋转坐标系统和两相坐标系统上的数学模型，其中包括电压方程、磁链方程和转矩方程。针对三相异步电机矢量控制系统的要求，根据在静止坐标系统中异步电机的数学模型，进行了系统仿真。在本控制系统中用到的数字信号处理内部硬件模块，论文进行了简要介绍，并初步设计了硬件电路。在无速度传感器矢量控制系统理论的基础上，介绍了数字信号处理软件编制的方法和依据，对矢量控制系统的实现作了必要的说明。未来交流变频调速的发展方向是高精度的速度控制，本课题设计与开发是采用电机专用型DSP控制器一TMs320LF2406。它内部集成了电机控制用的外围设备。DSP是电机控制系统较好的芯片，将不断得到l发展，同时电机控制器的性能也将越来越好。关键词：矢量控制，数字信号处理器(DSP)，异步电机浙江工业大学硕士学位论文AspeedsensorlessvectorcontrolsystembasedonDSPABSTRACTh1recentyearswiththerapiddevelopmentofpowerelectronicstechnologycomputertechnologyandautomaticcontroltechnology，theelectrictransmissiontechnologyofMstoficrevolutioniscomingItisprovedthat，frequencyconversionhasexcellentaccentspeed，abrakecapability，highefficiencyrate，greatcreditratefactorandjointelectricityeffectandothermeritsItisgenerallyacknowledgedbythehomeandabroadthathasabrightfuture，andthen，becomeatrendthatACspeedcontrolreplacesDCspeedcontrolandcomputerdigitalcontroltechnologyreplacestheanalogcontroltechnologyFirstlythethesisintroducedinbriefthepresentsituationanddeveloptrendofthemodemelectrictransmissiontechnology，includingthepowerelectronics，microprocessorSecondlyitdescribesthecharacteristicofthethreephaseACmotorsmathematicalmodelsandthen，systematicallydiscussesthemodelingsforanACmotorwiththethreephasereferenceframeandthestatictwophasereferenceframethatincludethevoltageequations，thefluxlinkageequations，thetorqueequationsThethesisintroducesathreephaseACmotorsmathematicalmodelinstaticreferenceflameandasimulationsystemforACmotorstodevelopavectorcontrolinvertersystemIrLaddition，itintroducesthehardwaremodulehavebeenusedinourcontrolsystemanddesignedthehardwareconstructionofthesystemOnthebasisofspeedsensorlessvectorcontrolsystemtheories，thethesisintroducestheandthefoundationotlthesoftwareofdigitalsignalprocessor，andthenecessaryexplanationtovectorcontrolsystemisalsogivenThehi曲precisiondigitalspeedcontrolisacomingdevelopmentdirectionThislU浙江工业大学硕士学位论文systemisdesignedanddevelopedbythespecialcontroller-TMS320LF2406thatintegratedauxiliaryequipmentofelectricalmachinerycontrolsystemDSP，asabetterchipofmotorcontrolsystem，willbecontinualdevelop，andthemotorcontrollerwillbemoreandmorebetterKEYWORDS：vectorcontrol，digitalsignalprocessor(DSP)，inductionmotor浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独奇：进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书丽使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个入和集体，均已在文中以明确方式标明。本入承担本声明的法律责任。作者签名：互丹日期：如眵年，罗月矸日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于l、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保密口。(请在以上相应方框内打“4”)作者签名：王丹I翩繇鳓日期：力哆年岁月2乒日日期：析二歹月哆同硕士学位论文第一章概述11引言一百多年前诞生了交流调速系统和直流调速系统，然而在20世纪的大部分时间内，各高精度调速场合基本都采用了直流调速，这是因为直流电机通过调节励磁电流和电枢电流可以方便地控制转矩fl】。早期交流调速系统虽然得到了一定应用，但性能一直无法和直流调速系统匹敌。然而，直流调速系统存在本身固有的缺点：直流电机的换向器和电刷运行中容易产生火花，制造复杂，维护麻烦，不适合用于防腐防爆的特殊场合，在某些特高功率特高转速场合的应用受到限制等。为了弥补这些缺点，先后出现了串电阻调速，变级调速等调速措旌，但这些措施不是实现麻烦，就是功耗较大，不是非常理想。相对而言交流电机没有电刷，结构简单、价格便宜、适合在恶劣条件下工作、坚固耐用且维修方便，因此人们致力于能够取代直流调速系统的交流调速系统研究。最初交流调速手段主要是调压调速，电磁转差离合器调速，绕线式异步电机串电阻调速等。在30年代，进一步提出了绕线式异步电机串级调速方法，但这些方法都是在电机旋转磁场的同步转速恒定情况下调节转差率，效果都不是非常理想。近几十年来，随着电力电子技术的发展，交流调速在电气传动领域中渐渐占据了优势，并有取代直流传动的趋势。1957年美国通用电气公司发明了晶闸管(SCR)，开始了电气传动领域的第一次革命。在交流调速策略上，最初采用了VF的开环控制，后来发展到了转差频率控制，但控制性能还是无法和直流控制相比。直到进入七十年代，德国科学家EBlasche提出了磁场定向控制，也叫矢量控制，交流控制系统才得到了一次真正的飞跃忙】。过去采用的VF恒定控制是基于电机稳态方程推导的平均值控制，无论是开环控制还是转差频率控制，完全不考虑过渡过程使得瞬态控制效果并不理想。矢量控制通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电机定子电流分解磁场方向一致的磁场电流分量和与之相垂直的转矩电流分量0，如果在电机调速过程中始终保持0不变，而控制，就像控制直流电机那样保持励磁不变，而通过控制电机硕士学位论文电枢电流来控制电机转矩一样，使系统具有良好的动态性能。在矢量控制系统中，为了满足高性能交流传动的需要，一般要求电机的速度闭环控制。在矢量控制发展的最初阶段，为了得到速度信号，必须安装高精度的速度传感器元件，如光电编码盘和测速发电机等。但传感器也带来新的问题，如电机轴向上体积增大使得维护困难，破坏了感应电机简单坚固的特点，降低了系统的机械鲁棒性和可靠性，增大了系统的成本。同时，传感器的精度容易受温度和噪声的影响，精度越高传感器价格越贵，在恶劣的环境下有时无法正常工作。所以目前矢量控制的电机速度检测一般采用间接法，通过电机电压，电机电流等容易检测的物理量来计算磁链的幅值和相位。间接法矢量控制是利用电机电流，电压，转速等信息，通过电流模型法或者电压模型法来计算。矢量控制包括坐标变换、矢量运算以及非线性的复杂运算，也就是对交流电机进行瞬时控制必须要求高速运算，用模拟电子电路实现起来比较复杂，速度也无法满足要求，因此在矢量控制发展的早期阶段实现起来效果并不理想。随着数字技术的不断发展、微处理器的不断进步以及各种专用集成电路不断涌现特别是DSP的出现，矢量控制装置的可靠性和实用性已经达到了令人满意水平。12变频调速装置和微处理器的发展现状随着工业生产自动化程度的不断提高，变频调速装置的需求越来越大，与此同时，变频调速技术的不断进步，为各种实用型、高性能的变频器蓬勃发展奠定了基础。第一个普通晶闸管(SCR)是50年代在美国通用电气公司诞生的，这也标志着现代电力电子技术的开端。80年代以来，电力电子器件的发展非常迅速，如从只能触发导通无法控制关断的半控型器件，到可以控制导通关断的全控型器件：从电流控制到电压控制；从低频开关到高频开关，从单片器件到模块化集成化器件；从小功率器件到大功率器件等等，这些器件发展推动了新一代的变流装置的发展，从而又推动了新一带电机控制系统的的诞生，为现代电机控制技术奠定了物质条件口】。在早期可控变流装置中，主要器件是晶闸管(SCR)，这是一种半控器件，只能控制触发导通而不能控制关断，适合用于可控整流。如果把晶闸管用于可控逆变器，就必须加上强迫换流电路，这样做的结果就是导致装置复杂化。为了克服这个缺点，70年代后世界各国陆续研制出各种全控器件，常见的全控器件有例如电2硕士学位论文力晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、功率场效应晶体管(MOsF王玎)、绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)、MOS控制晶闸管(MCT)等等。这些器件的应用，使得逆变器构成简单、结构紧凑。MOSFET的优点是驱动功率小，开关时间短、安全工作区宽，几乎没有二次击穿效应，所以有较高的可靠性，其缺点是导通压降比较大，所以一般适用于高频、小功率场台。与MOSFET相反，BJT主要缺点开关期间可能发生局部过热的二次击穿，使器件损坏，它的开关频率低于5KHz，因此噪声较大。而GTO主要用于kVA级别的大容量变流器，如大型轧钢机、矿井卷扬机、电气机车等。目前国产GTO已经做到了2500V、2000A水平，国外公司如三菱已经拥有6000V、6000A的水冷GTO器件。IGBT是80年代出现的，它融合了MOSFET和BJT的优点，具有开关频率高、MOS门极驱动、导通压降小、安全工作区宽等特点，由IGBT构成的变频器噪音低，在中小容量应用中已经逐渐取代BJT。IGBT发展需要解决的关键是提高电压和降低通态压降，目前新一代IGBT电压已经提高到3345kV，导通压降为1522V。当前正在研制的大功率电力电子器件中，场控化的GTO(RpMCT)，研制样品已经达到1000V，100A水平。由于各种开关器件的工作原理不同，他们的开关功率和开关频率也是不一样的。一般说来，器件频率越高，开关功率就越小。早期用于电机控制的微处理器是各种类型的单片机，如Intel公司的5l系列和196系列，特别是80c196MC具有片内波形发生器WFG，可产生3对独立的PWM信号，非常适合于交流电机控制，过去一般变频器设计中很多采用这种单片机，但是它需要大量数据手段或浮点运算，而且对于快速性要求较高的场合，其能力就无法满足控制性能要求。对于矢量控制这样复杂的控制手段，出现了数字信号处理器(DSP)，目前最常用的是n公司的TMS320系列DSP，它具有数字处理的很多优点14J：(1)接口方便。DSP系统与其他现代数字技术为基础的系统和设备互相兼容，采用这样的系统接口来实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口来实现要容易很多。(2)编程方便。可编程DSP芯片使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。(3)稳定性好。DSP以数字处理为基础，受环境以及噪声的影响较小，可靠性高。硕士学位论文(4)精度高。16位数字系统能够达到1o-5高精度。(5)可重复性好。模拟系统性能受元器件参数性能变化比较大，数字系统可以做到基本不受影响。13本课题研究的意义随着国民经济的增长，我国对能源的需求量越来越大。从2003年开始，我国电力供需矛盾变得非常突出。根据国家电网公司最新统计数据显示，仅仅在2004年一季度就有24个省级电网拉闸限电，比2003年全年拉闸限电的省级电网还多两个。2004年全年缺电最严重是上海、浙江、江苏、安徽组成的华东电网，全年缺电将达到了1700万千瓦。2004年全国缺电高达3000万干瓦左右。进入2005年，中国电力供应偏紧状况仍难根本缓解，最大电力缺口估计在2500万千瓦左右。华东仍然是今年最缺电的地区，缺口预计为1200万千瓦。华中地区在缺水季节电力缺口也会比较大。要改变目前严峻形势，化解可持续发展之痛，出路只能是开源与节流并举，立足中国当前实际，则必须提倡节约型社会，把节流放在首位，显著提高能源利用效率。工业生产广泛使用电力拖动电力拖动的耗电量占了工业生产总耗电量的一半以上。由于电力拖动离不开调速，所以选用先进的调速技术节省电能是节能降耗的重要措施之一。交流电机变频调速技术是在现代微电子技术基础上发展起来的，与传统直流电机相比，不仅调速性能优越，它的特点是调速平滑、调速范围宽、效率高特性好、结构简单、机械特性硬、保护功能齐全，运行平稳安全可靠，在生产过程中能够获得最佳速度参数，是理想的调速方式。实践证明，交流电机变频调速一般能节电30，目前国外发达国家已广泛采用变频调速技术，在我国变频调速技术也是国家重点推广的节电新技术。我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后与发达国家，目前自行研制开发的变频调速产品总体上只相当于国际上80年代水平。随着改革开放和经济的发展，变频调速产品已经形成了一个巨大的市场。目前我国很多先进的产品都从国外进口，国内自行开发、生产产品的能力较弱，许多合资企业以组装国外产品为主，对国外产品依赖严重，目前国外著名的变频器品牌有瑞士的ABB，德国的西门子、日本的富士、三菱。在当前变频器市场占有率上，国外的产品具有明显优势。国内也有一些企业有自己产品，但在性能和可靠性上，国内和国外4硕士学位论文相比还有相当差距，国内市场上的产品大部分还是以V，F控制为主，变频器整机技术落后，很多企业没有形成一定的技术和生产规模，变频器产品中所用的半导体功率器件的制造业几乎空白，而且产品销量小，可靠性与工艺水平不高。在矢量控制变频器产品方面，国外无速度传感器的矢量控制变频器已经相继开发成功并得到了良好的运用，国内这方面也有一些产品出现，但整体控制效果和国外相比还有不少差距，同时，国内很多公司为了抢占变频器市场，也准备开发基于矢量控制技术的变频器。对于国内产家来说，目前除了要提高变频器性能之外，在可操作性、可靠性、稳定性上还需要进一步改进。14本课题研究的任务学习11公司的电机专用DSP，掌握TMS320LF2406芯片工作原理：掌握空间矢量PWM技术，进行SVPWM仿真；掌握矢量控制理论，进行无速度传感器的矢量控制系统仿真。在仿真的基础上，初步完成基于DSP的无速度传感器矢量控制系统设计。硕士学位论文21矢量控制原理第二章矢量控制理论异步电机矢量控制理论，就是通过一系列的坐标变换511们，把电机定子电流分解成互相垂直的励磁电流“和转矩电流0。在交流电机调速过程中，如果保持励磁电流。不变，控制转矩电流0，就n-I口J像控制直流电机那样来控制交流电机了。在本文中，首先从坐标变换理论出发来说明矢量控制基本原理。B(b)两相静止坐标(c)两相旋转坐标图21电流的坐标等效变换。根据电机学理论，三相异步电动机定子三相对称静止绕组A、B、c在空间上相差120度电角度，如果在三相对称绕组中通入对称正弦的三相电流、i。，会在空间上产生一个以同步角速度脚旋转的磁场”，如图2-l(a)。在图2-l(b)中，空间中互相垂直的两相绕组，如果通入时间上相差90度相位的两相正弦电流，同样会在空间上产生一个以同步角速度旋转的磁场。这时候两相绕组就和三相绕组等效。前者为三相静止坐标，后者为两相静止口、芦坐标吲，并且口轴的方向与A相绕组方向一致。也就是说，三相电机中三相电流f、屯、产生的合成磁势完全gv2N两个在空间上相差90度的绕组并通以90度的对称电流屯、如产生的合成磁势来代替，在矢量控制中，可以用3，2变换理论来说明这点9】(“。旋转矢量控制的思路是：把三相异步电机等效于两相静止口，系统模型，再经过旋转变换为磁场方向一致的同步两相旋转坐标M，了1模型，如图2-1(c)，其中。为旋转坐标和静止坐标间的角度。当两相绕组以问步角速度旋转，产生的旋转磁势就与三相对称6硕士学位论文正弦交流产生的磁场等效。在矢量控制中，这种变换称作静止坐标到旋转坐标的变化。如果知道了静止坐标和旋转坐标的角度口，那么就可以根据、ip求出如、的具体数值。22坐标变换2213，2变换(三相A，B，C系统变换到两相口口系统)根据变换前后每相功率不变或者总功率不变，312变换有两种形式，一种称为23系统，另一种称为三万系统嘲。如果考虑每相功率不变，有：胖11o鱼1l221口其中屯、i。、ic为输入三相对称正弦电流，i。、i口为32变换后的两相静止坐标电流，i。为中线电流。对于对称三相制的交流调速系统，中线电流为零，io+t=0，即o-o，所以上面公式可简化为：卧吾还可以进一步简化为：李劐pz，阡；压2l压m(23)kb0，L1lll，j一一硕士学位论文22232反变换根据公式(31)，可以得到32反变换公式：ll=兰I一13I21I一一2O以2以2同样，也可以写出32反变换的简化公式：=吾，；0431fI一忑叫j223旋转变换(从两相静止坐标到两相旋转坐标)M：c。spLjL-sinO其中一为旋转M，r坐标和静止口，卢坐标的夹角。224旋转反变换H：coS护lipJlsin8一sindric。s口业j23异步电机在不同坐标系下的数学模型(24)(25)(2-7)要深入研究矢量控制技术，就必须先研究交流电机的数学模型旧，研究电压、电流、磁链，电磁转矩、转差频率与电机参数间的数学关系。在本论文中，如果没有特殊说明，符号下标为1时表示定子，下标为2时表示转子，如U，。为定子在口轴上的电压分量，U：。为转子在口轴上的电压分量。23，1异步电机在两相静止坐标系下的数学模型8k冶b1fJ上压压一|压1旷ooo，1lllJk咯，L口9署拿SC硕士学位论文(1)电压方程“21：(2)磁链方程：。=llot厶+也M口=ilpLl+i2pM。=f。M+也如，=“肘+f2口岛(28)(29)(3)电磁转矩方程：t=吾尸M(f1以。_口)(2_10)其中，U，矿U。p为定子在口、轴上的电压分量；“、fl，为定子在口、卢轴上的电流分量；U：。、U2B为转子在d、轴上的电压分量；i：。、f：口为转子在口、卢轴上的电流分量；矿。、，为定子在口、轴上的磁链分量：y：。、y：口为转子在口、轴上的磁链分量；，吒为定子，转子一相绕组电阻：M为定转子绕组互感，有的文献用匕表示：厶，厶为定、转子每相的电感，有的文献中也用Ls、L表示定、转予电感；为电机极对数：t为电磁转矩；劬为同步角速度。232异步电机在按同步角速度q旋转的d，q坐标下的数学模型d，q坐标在空间上以同步速翻，旋转，与静止坐标坐标间的角度为只。(1)电压矩阵方程：UldU1口U2dU2口(2)电磁转矩方程+尸厶一劬厶q厶+PM一。MMPM9PM以t+PLlq岛(211)iikk筹麓一一t颈士学位论文t=昙R膨(f，。f：。一i，di2。)(212)其中，U，。、U，为定子在d、q轴上的电压分量；i。、f，。为定子在d、g轴上的电流分量；U：。、U：。为转子在d、碍轴上的电压分量；f：。、i：。为转子在矗、譬轴上的电流分量。233异步电机在按转子磁场定向的M，丁坐标下的数学模型当d、口轴坐标按转子磁场定向时，称为M，丁坐标。这时M轴方向与磁场方向一致。(1)电压矩阵方程：(2)磁链方程：(3)电磁转矩方程：+P一q厶删一qMIl。q厶+P上1qM删40PM0rz+PL2011i2Mo)sM0qL2r2业o(213)州=i1fLl+f2鲥矗生r2j+呼(2-14)212ML2+ltMM2r=12T岛+flrM=01t=三尸M(flri2_】lfili2r)(215)其中，U。、U，为定子在肘，r轴上的电压分量；i。、0为定子在M，T轴上的电流分量U。、U。为转子在肼，T轴上的电压分量；12口、o为转予在埘，r轴上的电流分量。在以上公式中，皑为转差角频率：且f0=jq=砚一甜：S为转差率：脚为转子角频率；J为转动惯量。10硕士学位论文第三章无速度传感器矢量控制系统及仿真31无速度传感器矢量控制的基本原理矢量控制中的一个关键技术就是如何得到电流矢量从静止坐标到旋转坐标变换时的转角。实质上就是必须知道磁通的幅值与静止坐标轴之间的角度n3】。在矢量控制提出的最初阶段，用测磁线圈来直接读出磁通，然后再通过坐标变换计算得出，这就是按气隙磁场定向的直接法矢量控制。直接法由于受电机齿槽及元件工艺的影响，实际上很难测准，一般采用间接法，既通过容易检测的电机，电压，电流等容易检测的物理量来计算磁链的幅值和相位。间接法矢量控制是利用电机电流，电压，转速等信息，通过电流模型法或者电压模型法来计算。311电流模型法为了改进直接法矢量控制的缺点，出现了间接法矢量控制利用电机电流，电压，转速等信息，通过电流模型法或者电压模型法来计算磁链和坐标转角。其理论依据是电压方程和磁链方程(1411播1。在按转子磁场定向的吖，7坐标下的数学模型中，考虑磁链7i程(213)的简单形式：y2肼=矿2，妒。，=0，而异步电机转于是短路的，从方程(213)可以得到：U：=U：，=0，可以推出电流模型法公式：=端p1)一：I+T2P立IIT；Milr(32)啦1i。丽2其中疋：生为异步电机转予绕组励磁时间常数。r2312无速度传感器的矢量控制系统(1)控制方案的提出在早期转速闭环矢量控制系统中，速度是直接通过测量得到的。为了得到电机转速，控需要在电动机轴上安装速度传感器来检测转速，这将带来不便，主要表现在：速度传感器不适用温差较大和恶劣的工作环境；安装维护困难；高精度硕士学位论文的速度传感器价格昂贵，对于中小容量的变频器将显著增加硬件的投资。如果不用速度传感器，同样能够进行高性能的矢量控制，那将为变频器的设计带来不少方便。无速度传感器矢量控制系统核心是如何准确获取电机转速度信息17】，解决问题出发点是利用容易测量的定子电流，电压等信息估算电机转速。图3-1无速度传感器矢量控制系统框图在图31中，控制系统的输入信号是给定转速和励磁电流iw(在本论文中，用符号右上方加s方法来表示给定)，通过ASR比例积分调节器，经过电压计算，旋转坐标变换后(图中符号VD代表旋转变换)得到定子电流的给定电压，t。和，再通过空间矢量计算得到PWM脉冲，加到逆变器上控制电机运行。由于采用无速度传感器矢量控制，实际转速埘必须通过计算得到。在框图中，i+一w由转子磁链给定值y+：确定，且f1”=，鲁，框图中省略了这一环节。下面给出转差频率计算、速度计算和电压计算基本公式。(2)转差频率计算对于M，丁坐标，y：与M轴方向一致，肘，71轴互相垂直，根据公式(213)、(2一14)得到：矿2M=，y2r=0。硕士学位论文义凼为电机转f是短路的，所以UzM=U2r=0。根据电压方程和磁链方程，可以推出：i2，=一二(3-3)P，2稳态时，Py：=0，有i：。=0，于是得到：=百izM历M(34)麟-”=鲁=卷燃电流模型法有q2丽Mi)r5半号tit麟矧：(3)速度推算电机拖动系统方程式为国：k5EflMt一墨=等鲁(35)(36)这里t为电磁转矩，t为负载转矩，了GD百2为电机折算后的转动惯量。在M，T坐标上，如果保持磁通不变，有：t2j3BiM蹦r(3_7)瓦。i3iM(38)将上述两式代入电机拖动系统方程式，可得到：三R芝蚓+”三3。iM既。=罢害整理后得到：i=寻q筹r-ilr)at(3-m)”iLm面硕士学位论文缈=鲁=KS(iir-ilr弦(3-11)其中巳2P芒：；耳为比例系数；为速度估计值。(4)电压解耦原理在异步电机M，T模型上，M轴按转子磁场定向，异步电机数学模型可以用下面方程式来表示：咱+IlM-qr+筹坝(3-12)url=(+P)fr+q互1f-M+iMq(313)。一Mtii1+P)(314)0：一=Milr+致虼(3-15)L“在M，T坐标中，设M到T驰的藕合电动势为Uw，从丁到M轴勰合电动势为Urn，其中：u一2一(q+iM国妖)(3-16)u=q厶ilr(317)为了消除M轴与T轴间耦合电动势的影响，在电机输入指令中考虑对这两个电动势进行补偿。因此，设电机输入电压包含两个分量，其中一个为U。或者u。，来补偿M，T轴问的耦合电动势，起到解耦作用，另外一个分量为U4w或者U+m用来产生电机的励磁电流分量或者转矩分量：UlM=U。IMU(318)U】T=U口一UM7(3一19)如果存基频以下可以忽略电机起动时的磁场建立过渡过稃，或者采用预先励硕士学位论文磁方法，那么转子磁链y：可以视为恒定，即妒：=_|，4：，那么式(312)中i。=常数，将异步电机结构图解耦并简化嘲161，可以得到输入电压指令为：Ul=U1MUTM=fii1Moqflr(320)ulr=u1ru埘=吒f】r+吗qilM+_Mq矿2(3-21)乜其中盯为漏感系数。32空间矢量原理实现逆变器的PWM控制方法很多19】，目前已经提出并得到应用的PWM控制方案不下10种。经典SPWM控制1主要使逆变器输出电压尽量接近正弦波，而电流波形会受负载或电路参数的影响。电流跟踪控制直接控制三相输出电流是否按正弦变化，这比只考查输出电压波形有一定进步。但异步电机输入三相电流的最终目的是形成圆形旋转磁场，以产生恒定电磁转矩。如果按照这一目标，如果把三相逆变器和异步电机看作一个整体，尽量形成圆形旋转磁场来控制PWM开关信号，效果会更好。德国学者提出了基于电压空间矢量脉宽调制技术，不仅使得电机转矩脉动降低，电流波形畸变减小，而且与SPWM技术相比直流电压利用率有很大提高，更易于数字化实现。由于这种调制方法直接针对磁链控制，因此称为磁链跟踪控制，而磁链轨迹由电压空间矢量相加得到，所以又称为电压空间矢量调制(svPWM)。在变频调速系统中，异步电机由三相PWM逆变器供电，图32为三相PWM逆变器供电给异步电机的原理图，图中6个功率器件(IGBT)用符号a、b、c、万、i、石表示。要使电机对称工作，需要三相同时供电，即在任一时刻要有也只能有处于不同桥臂的三个器件同时导通，而相应桥臂另外三个功率器件则处于关断状态。从逆变器的拓扑结构来看，逆变器共有8种可能工作状态19】，如果上桥臂导通用“l”表示，下桥臂导通用“O”，那么8种工作状态按ABC相序排列成000、001、010、011、100、101、110、111。8种状态下逆变器的输出端相对于O点(o为假想零点)电压uD、U。、UfD。从逆变器工作状态看，中间6种状惫有效，而000和1ll无效。根据异步电机相电压计算公式，可以得到8种状态下异步硕士学位论文电机的三相电压【，、U、Uc的大小121，如表3-I所示。表31异步电机相电压及电压矢量ABCUDUUUU丑UcMU】口u垆电压矢量000一扛一i一；00O0OK一00l一扛一；一；一；k甄一；voc一啬V010一；一；一；k一扛一；万I一K011一扣拉；一詈沁；一；OU1OO扛一；一；一扛一昙乳0圯lOl；一知扛扛一乳扛扛一万Iky5一llO拉拉一扛；一乳；万1l11；扛扣0000OU异步电机无速度传感器矢量控制系统在两相静止和旋转坐标系中计算和各种控制变量。矢量控制算法通过旋转变换得到s，wM的控制信号U，。和U口，这两个变量都是基于两相静止坐标系，为了把三相电压U、u。、Uc用两相静止坐标系表示，需要进行32反变换。晚、E。其中矢量碗，E对电机正常工作没有影响，电压矢量幅值为0。其它6个空间矢量的幅值相等，这样E、E、E、丘、吃6个空间矢量就把向量空间分为6个不同的扇区，电压空间矢量及其所划分的扇区标号、具体波形如图33所示。16硕士学位论文图3-2异步电机三相逆变器供电原理图V3(011)机躅3-3SxPWIVl向量扇区和波形如果把6个电压空间矢量的顶点顺序相连，会得到一个正六边形，对于异步电机定子电压和磁链存在以下近似关系：U。=或2ptdt，即电压空间矢量的大小等于磁链变化率，其方向与磁链运动方向一致。如果采用常规的六拍逆变器向异步电机供电，则形成正六边形旋转磁场。电压空间矢量调制则是把每一个扇区再分成若干个对应于开关周期F的小区间，t大小由开关频率决定，t=，每个小区间是由8个电压空问矢量的不同线性组合构成，以形成尽量接近圆形的多边形旋转磁场u3l。由矢量控制算法得到的是两相静止坐标系中的电压信号u。、u，口，对于F2406PWM产生电路，只要知道比较控制寄存器(CMPRx，x=l，2，3)写入值的大小，就可以得到每相桥臂功率器件的导通时间。由前面的分析可知，首先要根据控制信号U，。和U，8确定电压空问矢量处于哪一个扇区，若扇区标记为N，按照图中扇7硕十学位论文区划分方法，控制信号U。和U。，作23变换后得到“。、“嵋。计算得到“。、“”“，。后，则可以确定N：=A+2B+4C(3-22)其中A、B、C按以下逻辑确定：(1)如果HJ。0，A=1；否则A=0a(2)如果“1女0，B=1；否则曰=0。(3)如果“l。0，C=l；否则C=0。扇区N确定后，接着计算功率器件的导通时间，由于每个扇区是完全对称的，为表示简单起见，假定电压矢量处于第3扇区，此时电压给定由空间矢量E和坟线性组合而成，设只的作用时间为，亿的作用时间为瓦，根据期望获得逼近圆形磁场的要求，即磁链幅值应为恒定值，可根据下列方程，求取L和瓦。图3-4第3扇区计算示意图根据图34的几何关系，可以得到：u。=争坟l+害矗；u。4=争Ilsin6。，另外六个空间矢量幅值相等，即：IEI=l吃J=詈。整理后得到：硕士学位论文L=去(3UI：-45U口)23)瓦=器24)对于其它扇区也可以根据类似计算得到。把各扇区综合考虑，得到计算功率器件导通时间如下：X：塑。、，(43ulp+3U，。)By=!=22Z：(ff3Ulp-3Uc)TsZ(325)=(32计算得到x、y、Z后，再根据扇区可确定比较控制寄存器CMPRx，x=l，2，3相应写入值大小。另外还必须对两个相邻有效矢量作用时间进行饱和判断，因为根据公式(325)计算得到的功率器件导通时间有可能是负值。饱和判断将在仿真里介绍。具体SVPWM产生方法，将在后面仿真详细介绍。33矢量控制仿真控制系统计算机仿真涉及到控制理论，计算数学和计算机技术，它以控制系统数学模型为基础，利用计算机对系统进行实验研究。为了验证矢量控制理论的可行性，在编程前必须进行计算机仿真，这样可以加快程序编写调试速度。目前，比较流行的控制系统仿真软件是MATLAB，在本课题中，将使用MATLAB的SIMULINK工具箱对矢量控制系统进行仿真101112】。SIMULINK是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处理多种系统比如：线性系统、非线性系统；离散系统、连续及混合系统；单任务系统、多任务离散事件系统。在SIMULINK提供的图形用户界面上，只要进行鼠标的简单拖拉操作就可构造出复杂的仿真模型，外表以方块图形式呈现，且采用分层结构。从建模角度讲，硕士学位论文这既适于自上而下的设计流程，又适于自下而上逆程设计。从分析研究角度讲，SIMULINK模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节，而且能让用户清晰地了解各器件、各子系统、各系统间的信息交换和交互影响。在SMULINK环境中，用户可以在仿真进程中改变需要的参数，实时地观察系统行为变化。SIMULINK环境使用户不需要进行深奥数学推演和烦琐编程，用户在此环境中会产生浓厚兴趣，引发活跃新思维。在下面，本论文将介绍在SIMULINK环境下所傲的控制系统仿真。3_31空间矢量仿真(1)判断扇区在图3-4中，U。、Ulp(图中表示为ul曲、ubela)由矢量控制运算得到，为方便起见，本仿真采用了幅值为314伏，频率为50HZ，相位相差的两个正弦向量作为SVPWM的输入量。扇区N的判断逻辑见公式(322)。(2)计算功率器件导通时间x、y、z图3-5判断扇区在仿真里，设ud=314V，PWM周期t设000001S，X、Y、Z计算分见公式(325)。图37的计算结果瓦、巧由表3-2给出。20硕士学位论文Con耐ant4图5-6计算X、y、ZblultiDot图3-7计算0、t(3)计算瓦、巧并进行饱和判断261饱和判断根据以下公式：若瓦+耳五取n：三生5瓦+0硕士学位论文咒：且1k+L否则瓦、0还是取原来数值不变。表3-2瓦、写赋值(3-26)扇区号123456矗ZYZXXY己YXXZYZ(4)计算矢量切换点首先定义：图38饱和判断扇区l23456TCMl瓦LLtt瓦TCM2Lt瓦瓦LtTCM3L瓦tL瓦t表3-3TCMl、TCM2、TCM3写入值硕士学位论文图3-9计算t、瓦、【二一，rN叫。卅7二刊L-。陡1)一7I一蔫搠773、一。刊7叫爿7uni口O$vvitchl图310TCMl、TCM2、TCM3写入值L=己一t4(327)(328)(329)计算得到瓦、瓦、t后，就可以根据表3-3得到DSP比较控制寄存器0了王：+吐铒瓦t硕士学位论文(CMPRx，x=l，2，3)写入值TCMl、TCM2、TCM3具体数值。(5)生成SVPWMTCM、TCM2、TCM3具体数值得到后，就可以根据SIMULINK本身提供的器件进行仿真实验，生成SVPWME州，见图3-11。图31lSVPWM的产生在这里，通过三角载波和TCM、TCM2、TCM3具体数值的比较，控制相应继电器动作得到SVPWM，其中三角载波频率取10K。33，2无速度传感器矢量控制系统仿真无速度传感器矢量控制理论在前面已经作了必要介绍。在本节内，将通过仿真来验证理论的正确性。仿真平台为IvIATLAB的SIM-OLII、PK工具箱。在仿真中用到的公式在第二章第三章都已经推导完毕。(1)i4。的数值由f。：堕得到。M(2)由给定转速和估计转速的差值，经过PI调节器得到电磁转矩丁，然后根据公式(3-7)计算一r=吾毒鲁嘉可得到给定的转矩电流”目，见图3_12，313。硕士学位论文图312计算转矩PhlIIsq=(2，3)0，p)(LFLm)2(Te，Phir)图3，13计算给定转矩电流ThtJtuEIectficaln口l=irtteq(wr+wm)惟=RotorfrequencyClads)=LmIt，(Tr2PhR)Rotorspeed(rad)图3-14口角讲算(3)由公式国，=差甚计算转差频率，然后根据公式(311)得到速度估计值，见图3一14。(4)由公式(31)计算转子磁通，见图3一15。(5)EbbS(318)、(3-19)计算U=him和u+。，见图3-16。(6)其它环节模型如32变换，电机模型可以根据系统调用。硕士学位论文图3。15计算转子磁通333仿真结果线。图316计算U8w和U4Ir仿真结果包括砖个：矢量控制系统的仿真和SVPWM的仿真。矢量控制系统的仿真分别给出了输出转矩波形、电流波形和电机转速响应曲电机额定电压220V：额定转速1400转分；定子电阻=155(2；转子电阻r2=128f2：定子电感Zm=693lmH：转子电感L，=713lmH，转动惯量J=2kgm2：极对数P=2，磁通给定为+=10wb，给定转速+=150rads，电机启动16秒后外加25Nm负载。惯_工字位论义图317加负载前后输出转矩波形图318给定转速珊=150rads下的转速响应曲线坝士孕僵化X图319加负载前后输出电流波形图320SVPWM输出a相电压波形整体图SVPWM输入电压u1。、UI口频率为50Hz，Ud=314V，z：设00000IS。从仿真结果可以再山，SVPWM相电压幅值约为213V，频率为50Hz。图321SVPWM输出a相电压波形局部图硕士学位论文第四章系统硬件电路设计41DSP硬件系统简介411TMS320芯片TMS320C是240C24x系列DSP控制器推出的第一个标准器件，它确定了单片数字电视控制器的标准。它的指令执行速度是20MIPS，几乎所有的指令都可以在一个50NS的单周期内执行完毕，这种高性能使复杂控制算法的实行成为可能。C240有高速信号处理和数字控制功能控制所必需的体系结构，并集成了大多电机控制用的外围设备27J。TMS320C主要由三个主要的功能单元组成：C2XX核心，内部存储器和外设。正由于其硬件结构及功能上的特殊性，C240具有以下特点：f1)TMS320C2XX核心CPUa32位的中央算数逻辑单元(CALU)。b32位加法器。c16位16位辅助寄存器，32位乘积。d三个定标移位寄存器。e8个16位辅助寄存器，带有一个专用的算数单元，用来作数据储存器的间接寻址。(2)存储器a片内544字16位的双口数据、程序RAM。b16K字16位的片内PROM或内存。c244K字16的最大可寻址存储器空间。d支持硬件等待状态。412事件管理器(EV)模块EV模块提供了大量的函数和功能器件，他们可以用于运动控制和电机控制。(1)EV基本功能EV模块包括以下功能模块：三个通用定时器；三个全比较单元：三个简单硕士学位论文比较单元；脉宽调制电路，包括一个空间矢量PWM电路，死区产生单元和输出逻辑；正交编码脉冲电路：事件管理器中断逻辑。(2)EV引脚EV模块有12个器件引脚用于比较PWM输出：三个通用定时器比较PWM输出引脚，T1PwM，rlCMP、T2PwMrr2CMP、T3PWMT3CMP：六个全比较PWM输出引脚。EV模块用4个器件引脚：CAPlQEPlCAP2QEP2CAP3QEP3和CAP4QEP4作为捕获或正交编码器脉冲输入。(3)EV中断EV中断的产生分为三组，寄存器EFRA也v硐强E、，衅c分别用来表示三组中断标志。三组中断分别与三个CPU中断输入相联系。中断向量寄存器EVIFVRX()(-A，B，c)可以由软件访问以得到一个中断源向量(D)。每个中断源有一个唯一的中断向量。当一个中断事件产生并被使能时，中断标志将被设置为1对应每个EV中断组有一个中断屏蔽寄存器，EVIMRX(X=A，B，C)。如果其一之中相应位为O，中断将被屏蔽；若为l，则未屏蔽。若中断组中有一个中断标志被设置为l且未被屏蔽，中断组就会向CPU产生一个中断请求。中断标志的设置为1和复位与相应的中断是否被屏蔽无关。因此，当一个中断被屏蔽时，可以通过软件查看中断标志以确定一个事件是否发生。中断标志可以通过以下两种方法复位为O：用户软件向EVIFRAXEVIFRB或EVIFRC中的相应位写1或者当中断组产生的中断请示被相应后，用户软件读取它的中断向量。当一个中断组中一个中断请求被响应后，中断向量将被访问。此时中断组中所有被设置为l和未屏蔽的中断标志中间，优先级最高的标志向量ID被调入到累加器中。当一个中断组的中断向量寄存器被访问而中断组没有中断标志被设置为1和去除屏蔽时，将返回一个0值。这样就可防止把一个寄生中断误认为EV中断。(4)通用(GP)定时器EV模块中有三个通用(GP)定时器。在实际应用中，这些定时器可以用作独立的时间基准。每个GP定时器有六种可选的操作模式：停l七保持；连续递增计数；双向递硕士学位论文增，递减计数；单个递增，递减计数；连续递增，递减计数。其中，连续递增，递减计数模式可用于PWM的产生。413双模数转换(ADC)模块ADC是一个带有内部采样保持电路的lO出it变换器。ADC模块包括两个带有内置采样，保持电路的10位ADc。F24x总共有16个模拟输入通道。每8个通道通过一个八选一的模拟多路转换器提供给一个ADC。每个ADC单元的最大转换事件为6us。ADC模块包括以下功能单元：(1)每个ADC模块有8个模拟输入，共16个模拟输入(ADC0ADCl5)。(2)用两个ADC单元对两个模拟输入同时测量。(3)单个转换，连续转换。(4)转换可由软件、内部事件或外部事件启动。f5)EFm和VREFLO(高、低电压)参考输入。(6)模数转换功能块。(7)2级深