（农业机械化工程专业论文）dsp技术在隧道式微波加热设备中的应用.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是在指导教师的指导下，通过我的 努力取得的成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已 作了答谢的地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一同对 本研究做出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵 犯他人知识产权的行为，由本人承担应有的责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：首艺姗 闩期2 嘲反9 论文使用授权的说明 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学 校有权送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公稚论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在年后解密可适用本授权书。 f 1 不保密，本论文属于不保密。 日期：2 6 订，占 日期：抄呻莎扩 f 祸建农林人学顾l j 学位论义 摘要 本论文利用隧道式微波加热设备对食黼保鲜( 如牛奶灭菌保鲜) 进行实验，总结山食鼎 加热升温的规律，进而找出该微波加热设备中，传送带的传输速度v 与物品进出口温差 旺一五) 之间的关系；井根据加工工艺要求，找到转速增蹙与物料进山口温度、目标温度 之间的芙系，从而确定了实现隧道式微波加热设备的实时在线控制的理论依据。 文中采川的直接转矩控制方法是一种较新的交流调述方法，利用直接转矩控制，能使系 统达到良好的动 1 3 态性能。直接转矩控制的控制卯法是：维持定子磁链基本不变和i 乜磁转矩 跟随给定值的条 ，| = 决定定子电流的人小用 相位，进而决定了一个预期 ：作也乐久蛙，这个 电压久拦由逆变器给定，即采川三相两点式的电压j 诬逆变器向异步电动机供l l 三，利川逆变器 的开艾特点，不断切换电压状态，以改变电压空问久髓。由丁对定子l u 流进行实时控制，转 矩波动火为减小，响席速度火为提高。 本文还根据微波加热设备的实时在线控制理论和直接转矩控制原理，建立了实时在线控 制的理论模型，并采用美国德州仪器公司展新推出的电机专用数字信号处理器( d s p ) 删s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片作为控制核心，设计山基丁d s p 技术的隧道式微波加热设备的直接转矩调 述系统，以使该没备适应实际生产戍) j 需要。 关键词：微波加热设备直接转矩控制数字信号处理器异步电动机 福建农林人学坝l j 学位论文 a b s t r a c t b yt h ee x p e r i m e n to f f o o dp r e s e r v a t i o nu s i n gt h em i c r o w a v eh e a t i n ge q u i p m e n t ，f o r e x a m p l e ，t h ee x p e r i m e n to fm i l ks t e r i l i z a t i o np r e s e r v a t i o n ，i ts u m m a r i z e st h el a wo ft h ef o o d s t e m p e r a t u r ei n c r e a s e ，a n df i n d so u tt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h es p e e do ft r a n s m i s s i o na n dt h e d i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r eo f m i c r o w a v eh e a t i n ge q u i p m e n t se n t r a n c ea n de x i t m o r e o v e r i tf i n d s o u tt h ec o n n e c t i o na m o n gt h er o t a t es p e e do f e l e c t r o m o t o r ，t h eo r i g i n a lt e m p e r a t u r eo f t h em a t e r i a l ， a n dt h em a t e r i a l st e m p e r a t u r ew h e ni ti sg o i n go u tt h ee x i t ，i td e v e l o p st h es c h e m ew h i c hr e a l i z e s t h er e a l t i m ec o n t r o lo f t h cm a t e r i a lt e m p e r a t u r eo f s p e c i f i c a lm i c r o w a v eh e a t i n ge q u i p m e n t a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fa cd r i v i n g ，t h et h e s i sp r o p o s e san o v e lk i n do fd i r e c tt o r q u e c o n t r o l ( d t c ) d t ch a sb e e nan e wh i g hp e r f o r m a n c ea cd r i v i n gt e c h n i q u e w h i c hh a sh i g hs t a t i c a n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e t h ec o n t r o la l g o r i t h mo f d t cr e a l i z e st w op u r p o s e s ：o n ei st ok e e pt h e s t a t o rf l u x sa m p l i t u d ee n s t a n ta n dt h eo t h e ri st om a k et h ei n s t a n t a n e o u sm a g n e t i ct o r q u et o f o l l o wt h er e f e r e n c e t h ea l g o r i t h mg e tt h er e f e r e n c eo f t h es t a t o rc u r r e n to nt h ec o n d i t i o n st h a tt h e a b o v ep u r p o s e si sr e a l i z e da n dt h e nap r e d i c t e dw o r k i n gv o l t a g ev e c t o rw h i c hi sf o r m e db y i n v e r t e ri sd e c i d e d n a m e l y ，i ts u p p l yt h ea s y n c h r o n i s me l e e t r o m o t o rp o w e rb yt h ev o l t a g e i n v e r t e rw h i c hh a v et h r e ep h a s ea n dt w op o i n t o n c ec o n v e r tt h es w i t c ho f t h ei n v e r t e r , t h ev o l t a g e s p a c ev c t o rt u r n b e c a u s eo ft h ei n s t a n t a n e o u sc o n t r o lo ft h es t a t o rc u r r e n t ，t h e v i b r a t i o no ft h e t o r s i o nd e c r e a s e ds h a r p l ya n dt h er e s p o n d i n gv e l o c i t yi sh i g h l yi m p r o v e d f u r t h e r m o r e ，i tp r o d u c e saa c a d e m i cm o d e lo ft h er e a l - t i m ec o n t r o la c c o r d i n gt ot h es c h e m e w h i c hr e a l i z e st h er e a l t i m ec o n t r o lo ft h em a t e r i a lt e m p e r a t u r eo ft h es p e c i f i c a l m i c r o w a v e h e a t i n ge q u i p m e n ta n dt h et h e o r yo fd t c d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) o f t ic o r p o r a t i o ni su s e da st h e c o r e ，p r o c e s s i n gc h i p o ft h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ，a n dw ed e s i g nt h ed t cs y s t 6 mo ft h e m i c r o w a v eh e a t i n ge q u i p m e n to na c c o u n to fd s p , w h i c hw i l l m a k et h em i c r o w a v eh e a t i n g e q u i p m e n tf i tt h ep r a c t i c eb e t t e r k e yw o r d s ：m i c r o w a v eh e a t i n ge q u i p m e n t ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ， a s y n c h r o n i s mm o t o r 2 福建农林人学硕l ：学位论文 l 引言 1 1 微波加熟的原理与应用领域 1 ，1 1 微波加热的原理 微波指波长范用l 1 0 0 0 m ，频率范嗣3 o 1 0 2 删z 一3 o 1 0 5 姗z ，具有穿透特性的电 磁波微波加热的基本原理是在微波加热过程中，使物料中的极性分子( 如水分子) 的极性 取向随外磁场的变化而变化，致使分子间产生急剧、高述的碰撞和序擦，导致铍加工物料温 度升高，它是微波与物料直接相互作h j 将高频电磁波的能颦转化为热能。目前微波被广泛 使川的频率是9 1 5 m h z 帚j2 4 5 0 m h z ，在这样的微波磁场f = 川| 、 极性分子以每秒9 1 5 亿次或 2 4 5 亿次的述度不断政变其止负方向。 1 1 2 微波加热的应用领域 由于微波加热的特性即时性、整体性、选择性、能斌利删的高放性、加热安全、卫 生、无污染且具有很强的杀菌能力“。”，使得微波加热敬备在工农业中的麻h j 越来越广泛。 目前。微波加热已经被广泛应用于纺织与印染、造纸与印刷、烟草、约物和药材、茶叶杀青、 木材干燥、皮革、陶瓷、煤炭、橡胶、化纤、化i ：产品、医疗等行业。特定的产品接受微波 辐_ ! ! 的荆苗与其温升、产品质嬉有着密切的关系，下面举例说明。 丁秀荣、朱德泉笛曾徽了微波加热玉米的干燥，实验研究说明：加热功率过高和加热时 间过长，都会冈其热效麻而使蛋白质变性，过氧化氢酶活性降低导致发芽率降低；选择合适 的加热功率，可保证一定的降水幅度又能降低爆腰率”。 彭小艰等惯研究微波加热技术在茶“i 。加i ：中f j 麻川研究结采发叫，隧道式微波加热没 备在茶叶杀青过程中，若温度过高，州绿素破坏较多，叶色就会泛黄，降低茶叶品质：杀青 温度较低，茶多酚减少，可减轻绿茶的苦涩味，且功能成分如可溶性糖、游离氨基酸、咖啡 碱等物质含罐会有所提高。在茶州烘干过程中，温度的过赢域过低，都会影响茶则的色、香、 ， 味、形”。 朱德泉、周杰敏等对小发的微波干燥特性及i ：艺研究袁明：微波加热的功率与加热潞度 对小友的发芽率和发芽势、蛋向质、球清蚯向、乙醇可溶性蛋白、湿呖筋嚣特性有很人的影 响。而且小麦的干燥速率也不能过大，否则将导致物料温度过高，容易引起小麦焦化和品质 严重f 降。 以上说明，在微波加热过程中，根据产黼的加j 朗：艺。如何准确控制微波功率，温度莆i 加热时间，是决定产品品质优劣的重要因素。 福建农林人学r # ii ：学位论文 1 2 研究现状与研究意义 在微波加热过样中。产鼎的。f 艺要求与温度有关，而产品的温度义与微波辐照剂量相关， 所v a t o t 波加热产品的关键是控制被加热产品的辐照剂量。对被加热产品辐照剂量的精确控 制，其应用关键是如何匹配微波频率、功率、物料的运行速度、微波加热设备的结构及如何 规范研究出微波技术的应用等“”在实际席用中，微波频率是周定的数值，为9 1 5 m h z 或者 2 4 5 0 m i i z ，微波加热设箍及微波技术的规范研究也为不可变嫩所以对微波；! 射到物科的辐 _ ! ! l c 荆擎的控制，通常有两种方法，即( 1 ) 改变微波源的输出功率而辐射时问不变：( 2 ) 微波 源的输出功率不变而改变物料接受辐射的时间。日前，功率可嗣的微波溉：结构复杂，输 u 功率不火，仅5 k w ，而且售价昂贵，一般在实验室、科研州“。虽然隧道式微波加热殴箭采 川的是连续式多谐振腔式微波干燥器形式，但是它只能订级的凋移微波功率，如开一个谐振 腔为5 k w ，开二个谐振腔为1 5 k w 各个精振腑的开与笑分别控制，般加i ：特定的产一l i = 1 1 时， 采川的功率是一定的。闪此就隧道式微波加热设备而青对钹加热产品的温升的控制可以转 换为产品辐照时间的控制，再转换为对传送带速度控制传送带的速度快，被加热产品接收 的辐照剂量小，温度升高就小，反之，当传送带的速度慢了，物料接收的辐鼎剂量丈。温度 升高就大。而传送带的速度由电动机的转速决定，所以对微波加热产品温度升高的实时控制 实际上就是对电动机转速的控制。 目前，隧道式微波加热设备的调速技术，一般是采川电磁调速电动机来凋i ，交流异步电 动机的转速，从而调1 ，微波加热设备的传送带的述度。电磁调速电动机渊迷的动态性能不够 好，启动或调一似时需要段时间使它速度稳定后，再开始i ：作；而且需要脏测人员在物料出 口处j j 温度计检夼产品加热效果，雨骨 j - u 磁调速l b 动机，不能实现n 戮控制温度。所以， 加强舞种物料微波加热：艺以及微波加热没备的综合研究与开发实现微波加热的在线检测 与控制“”1 是发展的趋势。 。 1 9 世纪中期，直流电动机传动和交流电动机传动先后诞生“”。商流l b 机的调速具有转 速调整范嗣宽和良好的起制动、正反转、调速等性能”，闪此在传动系统中艮期占统治地位。 但由丁直流电动机有机械式换向器，使得它结构存在不可忽略的弱点：缔构复杂，材料和制 造i ：艺要求极为严格，成本高，维护保养凼难，单机容麓不能做人等。交流电动机与直流也 动机相比，交流电动机省去了换向器，使得结构变得简单、紧凑，运行可靠、维修：c 作最小， 运行效率高，转动惯最小，动态响麻快等优点，可以做剑高电压、人容封和高速化“”。 但是它的机械特性比较软并且在以前它缺少相应的控制手段，转速控制比较l 封难。近年来t 随者电力! p 导体技术、交流调速理论和微机控制技术的迅速发展，使得交流屯气传动也具有 4 福建农林人学硕l j 学位论文 与直流i 乜气传动同样优异的调述性能，从而使交流调速f 动的应_ 【i 得到了迅述发展。在本系 统中的传动系统采用的是交流异步电动机。 在异步电机调速系统的各种类型中，变频调速是效率最高的一类，直接转矩控制是其中 的一种。直接转矩控制是一种高性能的控制方案是在1 9 8 5 年德国学者d e p e n b r o c k 教授提 出的“”，它的基本思想是在维持定子磁链幅值恒定的前提f ，通过调一协定子磁链的旋转速度， 进而调整定、转子的磁链角以控制转矩，从而控制转速“”。直接转矩控制与其它的变频调速 相比它调速精度高，动态性能好；与久龄控制相比，省掉了复杂的变换和计算，减少了欠 封控制技术中控制性能易受参数变化的影响”。冈此，住本控制系统中，采j j 的控制方式是 直接转矩控制。 由丁异步电动机的直接转矩的控制对计算驯问要求很高，算法复尔，计算鼙人，需要采 朋具有高速计算能力的芯片，冈此控制系统对丁微处理器的速度和功能郁有相当高的要求， 故采_ 1 1 j 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r - - d s p ) 来实现臼动控制。数字信号处 理器是2 0 世纪6 0 年代以来，随着微电子技术、信息技术和计算机技术“发展起米的一种高速 专用微处理器有强大的运算功能、高速的数据传输能力和功能强人的片内外设。它采用哈 佛结构体系或改进的哈佛结构体系，解决了总线拥挤的问题加上指令的流水作业的操作方 法，提高了运算速度和系统的灵活性。d s p 止j 部一般都包括多个处理电元，如埂仲乘法器 ( m l u ) 、累加器( a c c ) 、算术逻辑单元( a l u ) 、辅助算术单元( a r a u ) 、人弈量存储器、模数 与数模转换器、高速串井行端口等，这些都为高述度的处理以及实时控制提供了完备的硬t l ： 基础。冈此，它具有体积小、功耗小、使j j 方便、实时处理迅速、处理数据姑入、处理精度 高、性能价格比高等优点”“。在本次课题中我仃j 采h jt t i 公司的最新产隔t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 。 目前，d s p 直接转矩控制系统在国内外有很多的理论研究与仿真。存一定的成果，但在 实际应用中还比较少见本论文将在此基础上具体运用，进行隧道式微波加热没备的在线控 制电动机转速。侧重点放在系统的基本实现上，具有一定的实际意义雨i 使埘价值。 1 3 研究目的 本论文意图实现的是隧道式微波加热设备的在线控制方案在线检测被加热产品的 温度，以温度为反馈量，实现电动机调速，改变被加热产鼎的微波辐照时间，使被加热产品 的温升达到工艺要求。 通过本课题的研究虑该达到以。f 目的： ( 1 ) 根据微波加热的原理，特点与庶川领域，井通过对特定产品的实验，得出它f 佝最佳 工艺葫度，并找出微波加热产品的一般规律。 5 福建农林人学硕i ：学位论文 ( 2 ) 对隧道式微波加热设备提出问题的解决方法一实时检测被加热产品的出口温度， 调节电动机转速，使被加热温度达到j 【艺要求。 ( 3 ) 掌握异步屯动机的结构特点、数学模型和运动规律以及异步电动机直接转矩控制的 方法。 ( 4 ) 应用d s p 技术实现直接转矩控制方法对隧道式微波加热设备的传送带进行速度的在 线调：饥实现隧道式微波加热设器的微波辐照剂嫩的控制。 1 4 论文主要内容 本课题的研究的内容是根据被微波加热的产品的f ：艺要求，在线检测温度，实现隧道式 微波加热殴符的在线控制。主要设计了硬什电路及软f l 编样内容土璎叙述如l 卜： ( 1 ) 根据当前微波加热改器的廊州领域、存n ：问题及j e 研究意义进行简要叙述，提出了 以温度作为反馈越并采州直接转矩控制手段，实现微波加热设备在线控制的系统设计方案。 ( 2 ) 对隧道式微波加热设备进行牛奶保鲜的实验，阐明隧道式微波加热设备中，控制 微波剂龄的基本方法、规律与温度与电动机转速关系的理论设计。 ( 3 ) 对直接转矩控制原理进行了简单介绍，给出了直接转矩控制系统设计方案的理论依 据。 ( 4 ) 介绍直接转矩控制微波加热设备传送带系统的硬件部分，包括主电路和控制同路设 计。主电路采用典型交一直一交电压源型通用变频器结构其核心器f 1 ：采川智能功率模块二 菱公司的p m i o r h l 2 0 ：控制同路以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心控制芯片，介烈其外隔基本电路的设计 和信号采集电路等，外用电路殴计包括a 、b 相电流、定f 侧电压检测p 目蹄、速度检测同路以 及对士电路的设计。 ( 5 ) 介绍控制系统的软件部分。 6 祸互i ! 农林人学瑚i ：学位论义 2 隧道式微波加热实验与设计方案 2 1 微波加热设备结构简介 微波加热系统土要由微波发生器、波导装置、微波干燥器、排湿冷却装置、传动系统、 控制系统以及安全保护系统等部分组成“”。图2 - 1 为隧道式微波加热硬备为结构简圈。微 波箱体内有微波发生器与微波加热箱，微波发生器是由磁控管和微波电源组成，产生的微波 通过波导装置无损耗地传输到微波加热箱中，形成均匀分布的微波场，微波加热箱是实现物 料与微波相互作州的空间，微波能在此转化为物料的内能l i i z z l , 被传送带输送的产品就是在 经过微波箱体的时候吸收微波而被加热的；微波能抑制器是防f r 微波能泄露的机构：传动 系统由调遮电机、传送带、减迷器组成。 卜一滚简2 一传送带3 一机架4 一抑制口5 一电动机6 一微波箱体 图2 - 1 隧道j 微波加热设备结构尔虑l 笙| 产品从微波设备的物料入口处进去，经传送带传送进入微波箱，在微波箱体内被加热， 然后从微波设需的物科山口处流出。产品在箱体内运行的时问为微波加热时问，也就是产品 的升温n t 间。 2 2 产品的微波加热实验 现把隧道式微波加热设备应用于牛奶的灭菌保鲜1 。以南京三乐微波技术发展有限公司 的w x d 4 s - 2 4 型隧道式微波加热设备为例，其频率为2 4 5 0 m h z ，微波加热r 的k 度上= 1 5 m ， 微波输出功率4 k w 。用此设备进行牛奶的灭菌保鲜工艺实验 对于软包装的鲜牛奶，微波灭菌适_ h j 丁解决一二次污染问题，主要的灭断对象是微生物孢 子”，微生物孢子适窟的生存温度均在7 0 c 以j 、，闪此进行微波杀蝤时，混立麻不低丁这 个温度。 实验中，牛乳的比热约为c = s 8 9 k j ( k g ) ，质城密度为1 0 2 8 1 0 3 2 x 1 03 l l ：g m 3 ， 微波辐照区的传送带上的牛奶质鹫为4 5 4 0 k g ，产品被加热前的温度f ，= 2 8 c ，分别对牛奶 7 嚣；建农林人学硕i j 学位论文 微波加热到7 0 0 、8 0 0 、9 0 0 ，进行实验。实验结果如表2 一l 所示。 表2 - 1 个奶加热到小州温度时o j 保鲜期的关系 加工产品加工工艺要求加热的温度效果 f i 标温度，刖2 7 0 0 保鲜期为5 天 保鲜期长，加 牛奶 目标温度，9 2 2 8 0 0 保鲜期为7 天 热能源节省 保鲜期人丁7 目标温度f p ，= 9 0 0 犬 实验结果表明，根据加：i ：i ：艺的要求，牛女) b j j n 热到8 0 0 的时候，保鲜删k ，且能源比 较节省，所以我们把牛奶的目标温度f 。确定为8 0 c 。现有的微波加热设符的电磁调速电动机 的机械特性比较软，动态性能不够好，而且需要人c 设定传送带的速度，不能根据检测的温 度实现在线调。1 y 被加热产品的传送速度所以我们采川以温度为反馈姑对电动机进行直接境 矩控制使物料的山口温度达到加工工艺要求的目标温度，从而达到控制产品质量的目的。 实现微波加热的在线控制，可使产品加工满足最仕工艺条r l ：的要求，这对丁保证产品的质量， 提高经济效蕊具有重要意义。 2 3 隧道式微波加热设备控制的基本原理 2 3 1 传送带的传输速度与物料温差的关系 对微波加热设备中的物料干燥时，要根据物 ：t l 佝j - 2 ；要求，经过实验，确定物料需要的 目标温度，然后根据采集的物料的初始温度与加热后的出口温度的关系，确定传送带的传输 速度的增量，然后在控制过程中使被加热产品的山口温度保持在一定的范雨内，从而保证产 品的质量。这是目前隧道式微波加热设备有待解决的问题 在微波加热过程中，对丁特定的产品，其产鼎的比热c 是一定的，在加热过程中，微 波箱辐照区的质量j j i f 也是一定的。产品被加热前的温度，即在微波加热设备的入口处的温 度，我们把它设为 ，t 2 为产品被加热后在微波加热设备出口处的温度 根据上述的叙述，可以知道产品被加热到目标温度需要吸收的热越q 为： q = 们( f 2 一t i ) ( 2 1 ) 8 福建农林人学硕i j 学位论史 因为微波加热设备的功率尸是一定的，在时间t 内，微波输出的能簧q 为： o = p r ( 2 2 ) 由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 可知，当被加热产晶加热到温度，2 的时候，该产品应该被微波加热 的时问f 为： 弘m p c 、t 2 - - t 1 ) ( 2 3 ) 隧道式微波加热设器一确定，微波j 秆辐照相：传送带上的1 支皮l ( 这就灶微波加热区) 足一定的。被加热后的产品的温度上升剑f 2 ， 送带f 自述度v 是 v = 一 r ( 2 - 4 ) 由式子( 2 - 3 ) 和( 2 - 4 ) 可以知道，微波加热没备传送带的速度为： 。：竺l( 2 5 ) m c ，2 一r 1 对于特定的设备米说，、工为恒定值；对于确定的产品，c 为确定值，在加：【：量m 确定的情况下，砀p l 石= | i 为常餐故式( 2 5 ) 可写成 v ：七上 ，2 一f l ( 2 6 ) 由于在实际的席川中，微波源转换率、产品对微波的吸收率、能姑损耗、皮带打滑等原 l 灭 ，当产鼎的铍加热，4 温度f 2 时，我们实际测得的传送带速度，与公式( 2 6 ) 的推锋速度 有一个调整系数，设为茚，即! ! ! 旦= 7 7 ，”实际为测得的传送带的实际速度。 v 所以微波加热设备传送带的实际速度与被加热产品的山口温度f 2 有一个确定的关系式： 嘲去卸击 其中，k 。= k r 。 ( 2 - 7 ) 若在微波加热设备的进料口和出料口，分别安装温度传感器，以采集物料的初始温度， 和被加热后的温度f 2 ，传送带的当前速度为v l ，设加热到目标温度，。时的速度为v 2 福建农林人学硕i 学位论史 由于，：一，t 2 七寺，一，- = t 击呼 ? 吩 v = v 2 - - v ! = k ( 六一剖“黼 “赫 由丁，7 = 二堕，即叩= 兰划，将1 e 代入式j ，( 2 8 ) 衙 v托 f 2 一，。 ”2 v 宴际l g - t , 2 3 2 电动机转速与物料的温差的关系 ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 我们知道，在微波加热系统中的输送系统包括电动机、传送带、减速器、滚筒。在特定 的设备中t 电动机转速的缈( 单位为r a d s ) 与滚筒的转速攮饵( 单忙为r a d s ) 存在一 定的比例芙系，即 2 鲫渍舒 其中口为电动机转轴的转速与滚筒转述的比。 ( 2 - 1 0 ) m 传送带的速度v = 缈 寝簖，为驱动滚筒的、i 径( 单位为m ) ：而m = 5 ( 0 泼篱于是传 送带的速度v ( 单位为m s ) ， 国 v = 缈演倚，= 一a ， 即缈：竺 ， 根据式( 2 - 8 ) 和( 2 - 1 1 ) ，可得电动机转速的增擐与温度的关系为： ：口：一q = 旦( v ：一h ) = a ，e a v = 沁际万t 2 - t g = 缈若帕， ：翌尘土( 转分) 万lgt a ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 式中：为电动机的实际转速，可以测量得到。 在确定的隧道式微波加热设器中，加1 ：特定的产黼时，k 、a 、r 都为i 州定参数，目标 i o 稚；建农林人学坝i + 学位论殳 温度r 。是实验得出的已知量t ，是被加热产品的初始温度，t 2 为被加热产晶的出口温度， 都可以检测得到，功为电动机的实际转速。由此可知，l 乜动机的转速增麓与物料初始温度、 山口温度、目标温度之间存在着确定的关系。式( 2 - 1 4 ) 是实现在线控制被加热产品的温度 的重要理论依据。 2 4 基于d s p 微波加热设备实时控制设计方案 由式( 2 1 4 ) 可知，在实际应用中要对产t 锗进出口温度信号进行检测，实时调节电动机 的转速，所以要求采川动态性能比较好的i j i ；j 述方法n 接转矩调述。异步电动机直接转矩 对计谇时间要求很高，算法复杂，计钎蛙人，：f 。挺采川i 仃商述计箨能巾1 芯片。冈此控制 系统对丁微处理器的速度和功能都有相“6 孵求，赦采川数字信号处理器来实现臼动控 制。 基于d s p 微波加热设备实时控制的设计方案是：把产品质量控制的问题，j 门结为产品温 度的准确控制，把对温度的控制转变为对传送带述率的控制，晟终落实剑对电机转速的控制， 对电机转速的控制则是依据直接转矩控制原理来实现的。 本系统要实现的是微波加热设备的温度在线调节，根据加工工艺要求的目标温度与加工 产品被加热前的入口温度、被加热后的出口温度，计算电动机转速的增鹫，然后用直接转矩 控制方法对电动机速度进行调节。本系统士要分两个环仃： ( 1 ) 在微波加热设备的进料口和出科口处，分别安袈温度传感器，以采集物料的温度 信号，l 币i f 2 ，并根据加一1 ：l ：艺的要求确定产 的日标温度f 。，然后利_ l l j 式( 2 1 4 ) 计算 电动机的转速增挝。 ( 2 ) 利j u j 直接转矩控制方案，对电动机的转述进行调。侈，从而对隧道式微波加热设备 的传送带速皮进行控制。使被加热产品的温度控制在目标温度范嗣内。 上述为隧道式微波加热设备在线流度控制的总体方案，由丁二时间限制本文就电动机的 直接转矩控制进行阐述 福互| 农林人学碗i 擘位论殳 3 直接转矩控制系统的原理与方案 直接转矩控制技术有着独特的控制手段直接对转矩进行控制，优良的调速性能一 动静态性能比较好。所以在控制理论与控制手段逐步完善的情况下，它的廊埘将越来越广泛。 本章将针对直接转矩控制技术基础理论与原理进行较为详细的论述。 3 1 直接转矩控制基础理论 直接转矩控制系统是对电动机的数学模魁进行简化后，利用空间久始分析法，采用定子 磁场定向，将定子电流、屯压进行3 2 变换，然后在两棚静j r ( 口一口) 坐标系下计算交流 电动机的转矩、磁链与磁链扇医的区间号雨分刖与给定的转矩和磁链进行比较，根据比较 的结果与磁链扇区的医问号布找最优开关表格产，上p w m 信号，直接对逆变器的开关状态进行 控制，从而对电动机的转矩直接进行控制”“。 3 1 1 空问矢量的概念 空间欠餐变化是指将三个标最变换为一个矢越。电压、电流、磁井、磁通、磁链等均是 三相电动机的三相电磁量，若能用一个矢鬣来表示三相电磁擐的合成作j 【i j ，则可将三维物理 量变为两维物理量，把三相电动机模型转化成两相电机模型，在分析币j 计算方面带来方便。 运州p a r k 欠嫩空问变换将三维标始变换成二维火蜮，圪( f ) 、圪( ，) 、屹( f ) 分别表示 三相l b 磁挝在三相坐标系中的瞬时幅值，j t v 农示合成f 11 l l i 欠姑，i ) ! l j p a r k 久请变换芙系” 为： 矿：昙眈o ) + k ( f k j 2 x ，3 + 圪( f k ，4 一，】( 3 - 1 ) 矢量矿称为空间欠麓，它代表互相电磁始某一时刻合成作_ h j 在坐标系的空间位簧。 3 1 2 坐标变换原理 坐标变换将静j t 三相绕组( a b _ _ c ) 转化为静i t 两相( 口一) 绕纽，应该遵守变换 前后电动机功率不变的原则，并使得变换前后所产生的旋转磁场等效 ( 1 ) 根据变化前后所产生的旋转磁场等效原则“” 由电机学公式：磁动贽f = c f 日胡= f 式中为线罔的匝数，f 为线圈的电流，为磁场强度，为任意包含有电流f 的导 体的闭合路径。 圈3 1 表示三相异步屯动机的定子三相绕组 、b 、c 和与之等效的两相异步l 乜动机定子绕 2 福建农林人学顼l ：学位论文 组口、备相磁势久量的空间位置。在这里，我们令三相的a 轴和两相的口重合。当二者的 旋转磁场完全等效时，合成磁势沿相同轴向的分量也会相等，即三相绕组和两相绕组的瞬时 磁动势沿口，口轴的投影相等，即 2 t 。：3 + 3 c o s 挈+ 虬tc 。s 挈 ( 3 _ 2 ) 2 0 ：o + n 3 i as i n 孕+ m ts i n 挈 ( 3 _ 3 ) o 一 式中：n 2 表示两相电机定子每相绕翔的有效匝数，n ，表示三相l 也机定子每相绕组的 有效匝数。 长 一 一 - r 3 i | 文n。m i 。 | 6 0 。 rr， r ：a ， r c 幽3 - 1 = 三拥定了绕纰和二相定了绕纰磁势的窄问矢量位冒 用矩阵表示等效磁场为 l 2 j 2 = c 一1 j j z ( ， ( 3 4 ) 由于c “是奇异矩阵，不存在逆矩阵，为了求其逆矩阵t 引进一? 值为零的零序电流f 0 井定义 n 2 i o = k n 3 i a + k n 乒b + k n s i ( 乇= 瓮。+ k 。+ 磁) b0 。l 1，j ，一：压一： 一 一 l 0 l 以一m | f 1j 0 ，l 福建农林人学颂i j 学位论文 r 贝t j c 一：堕 n 2 ，2n 2 3n 3 1 1 1 22 o 鱼一鱼 22 xxk 1 3 2 2 i3 22 c r ：兰丝 3n 3 l 2 k l 2 k 1 2 k ， 11 22 o 鱼一鱼 22 ll1 2 k2 k2 足 ( 2 ) 功率不变的原则”8 电流变换式： | i = 鞋砂t 电压变换式： 根据功率不变的原则，有 p = u a i a + u s i b + ue ：ic ：= = l s a i s 口+ u , p i 月a ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) 把式( 3 - 8 ) 、( 3 - 9 ) 代入( 3 1 0 ) 有： 钆( c 1 i ，。+ c i 2 0 ) + 。( c 2 。t 。+ c 2 2 如) + ( c ，i ，。+ c 3 2 ) = i “j + 且2 + 蜀3 “c k 。+ 慨l 虬+ 岛2 ”“+ 马3 吣b ( 3 一i i ) 经格理得：矩阵b = c ，矩阵b 与l u 流变化霸i m ：c “揶表示二棚创删年1 f 的变换矩阵，所 4 1，；j 口 i “ “ l 8 = 1j00 p。l 1j 蜀邑 pl = 1，j 柑 妒 一兰j 福建农林人学硕l ：学位论文 以要求c 一= c 7 ，由式c s 吲和c 。，求得可n 2 = 层，茁= 去代入式c s ，得 三相电流到两相电流的转换公式为： z 埘 l 坩 z o 屯 l 2 压 2 1 压 0 、分别表示l u 流在d 一坐标系中两个分f 寸。 两相电流到三相电流的变换为： f z 占 z c l 船 z 加 j o ( 3 - 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) 3 1 3 异步电动机定子轴数学模型的基本方程 二相交流电机是一个高阶、非线性、强帮合的多变鲑系统”1 ，为了方便研究，一般都是 将l 乜机模型从二相坐标系转换到两相静i t 坐标系。对所讨论的两相静i | i a 一坐标系的数学 模型的建立，是在以卜假设的基础上进行的“7 2 7 。”： ( i ) 电机定、转子三相绕组完全对称： ( 2 ) 电机定，转子表面光滑，无齿柳效席： ( 3 ) 电机气隙磁动势薷i 磁感应强度在空间t 正弦分布； ( 4 ) 电机的导磁系数为常数，铁心的涡流饱和及磁滞损耗忽略不计：。 采用固定正交定子坐标系( 口一口坐标系) 描述异步屯动机的磁链方程和转矩方程。 ( 1 ) 异步电动机在定子坐标系上的方程表示为： 虬= 鼬+ 丢虬 ( 3 _ 1 4 ) o = 聪+ 罢一徊吵， ( p 1 5 ) ( 2 ) 电机的电磁转矩方程为： 0 b 0 1，旷月0ii儿j i：笪2上压 击磅一羚 巫：笪： ，。卜 巨怕 福建农林人学碳1 1 学位论文 i = 瓦i = 匕一i , 。9 邛) ( 3 - 1 6 ) 电机的运动方程为： 瓦一咒= 等等( 3 - 1 7 ) ( 3 ) 异步电动机的磁链模型通常有三种，即u i 模璎、i n 模型和u n 模璀。用u - i 模型 的优点是：此模型结构简单，计算过程中，需要了解的电动机参数匙易t 确定的定子电阻； i - n 模弛精度与转速有关，受电机参数影响，特别是转子时间常数的影响，u - i ) 模玳结构比较 复杂，所以在异步电动机的转速人丁：3 0 的额定转速时，定子磁链选择) i j u - i 模型，撤据f 式米确定： 万= j 嚣, d t = 肛一孤囊 c 。一1 8 ) = 弛。- i , 。r ，印 ( 3 1 9 ) = 如。b - i , p r 油( 3 2 0 ) 式中：z 电机的电磁转矩； 瓦负载转矩； r 。定子绕组的电阻； 。、乞分别为定子吨流的口、轴分城； ，。、5 f ，坩分别为定子磁链的口、轴分缱； 豁。、m 分另i j 为定子电乐的口、卢牟1 1 1 分镣； 帆定子磁链： 少，转子磁链 3 1 4 逆变器的开关状态和空间电压矢量 逆变器是异步电动机直接转矩控制系统的重要部件，通过对逆变器的控制，调节电机转 速。直接转矩控制系统中采用电压型逆变器”1 如图3 2 所示 1 6 福建农林人学碗i ? 学位论文 i s l s 3 ? 弋 s s 一(- -? 弋 一 d l l 一k 一lk ii v i o t o r m o t o rv i v i o t o r d 8 _ - d 1 0d 1 2 s 2 j l r s 4 一kj r s 6 】l 一(l 卜h 娜3 2i u j i i 坚逆世嚣永也 l 二相电乐刑逆变器的三个桥臂上的八个开戈管状态决定任意时刻异步l h 机的三相定子 电压。1 表示上桥臂的开关管导通，0 表示f 桥臂的开关管导迎，兆有2 3 = 8 种开关 组含，八种组合可分为两类：六个非零电压久量u l ( o t l ) ，u 2 ( 0 0 1 ) u 3 ( 1 0 1 ) ，u 4 ( 1 0 0 ) ， u 5 ( 1 1 0 ) ，u 6 ( 0 1 0 ) 和两个零电压矢量u o ( 0 0 0 ) ，u 7 ( 1 1 1 ) j “lo 逆变器输入直流电压e 么，通过六个开关的“通”与“断”状态进行控制，在输出端获 得三相幅值恒定，脉宽和频率可变的电压脉冲。三组开天的开关组合如幽表3 1 所示。 表3 一l 逆变器的8 种开关状态 状态 0l234567 s a 000 1l1o1 s b0100o1ll s e0l1100o1 开关信号状态与定子电压分量“。、的关系为”。 ( 3 - 2 1 ) 现举例说明逆变器输出屯压的值，s m = 。1 l 时。根据式( 3 - 2 1 ) 知：= 一号u 出， 1 1 。”c2 j k 其余几种开关状态对应的输山相电压如表3 - 2 所示。 1 7 3 3 3 y y y 受舅舅 一 一 一 舅舅秘 一 一 一 舅舅& q q q 出 出 出 u v u = = = 。，t，【，jfttl 福建农林人学碗l ：学位论文 表3 - 2 逆变器输入开关状态和输f i 相也压对应关乐 开关状态l l o1 0 11 0 0 0 1 l 0 1 0 0 0 1 0 0 0 ，i l l “口 札札乳 一昙 一三u 出 一委u 本 0 扛一；u 出 一；u 出 扛乳 一； 0 。- 兰u 女 扛 一“出 扛 一：i u 女 ； 0 秆”1 为了方便地分析二相交流i 岜路，常常将二棚坐标系变换为两相坐标系u p 口一口坐标系 陶 f 2 11 3拓拓 。忑1 一万1 经过分析整理可知，只要知道某个时刻的三相桥臂的开关状态$ 。，s h ，s 。) 和直流母线 侧阴吧胜“如，就u j 以得捌珂m 刖芏l b j 电胁火第甜，- y l 椅二彳日电掩火覃强也j z 父伙叫吼仔 到两相坐标系中的等效分量。定子电压欠越亦可表示为”： z = j ；o 。托2 ”峨棚) 毡。嘞 仔z s ， = 鬈( 驴扣一划 汾z a ， 妒揖孚旷矧 c s z s ， 8 、叫_=i“ 一p。，。l 1 桶建农林人学颂l 学位论文 袭3 - 3 三相桥= d ：l 乜龉再桥臂的通断状态输小也 氍 以 s a s b s c u ，。以出) u ，。) u o0 0 000 u l0 1 1o 一2 1 3 u 20 0 l i 拓 一i