（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的异步电机无速度传感器矢量控制器的设计.pdf

武汉理r 大学硕+ 学f t 论文 a b s t r a c t t h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t ym o d u l a t i o nh a v eb e c o m et h em o s tm a i n v e l o c i t ym o d u l a t i o nw a y i nf r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t ym o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ， t h e r ea r es o m ef l a w s ，s u c ha ss y s t e mc o s t si n g r e a s ea n dw o r kp r e c i s i o ni n f l u e n c e db y e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o ne a s i l y , i nt h ee o n t r o ls y s t e mo fa s y n c h r o n o u sm o t o ri f i n s t a l l i n gv e l o c i t ys e n s u i s op e o p l eb e g i nt os t u d yt h es e n s o r 1 e s sc o n t r o lm e t h o do f a s y n c h r o n o u sm o t o r t h ep a p e l t a k e st h ed r i v es y s t e mo fa s y n c h r o n o u sm o m rf o rt h e r e s e a r c ho b j e c t t a k e sv e c t o rc o n t r o lf o rt h ec o n t r o lm o d e t a k e sm r a sa st h ec o n t r o l a r i t h m e t i c , t a k e sd s pf o rc o n t r o lc o t e a n dd e s i g n st h ee n t i r ea s y n c h r o n o u sm o t o r s e n s o r - l e s sc o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt of r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t ym o d u l a t i o na c t u a ls i t u a t i o n ，t h e m e r i to fa s y n c h r o n o u sm o t o rs e n s o r - l e s sv e c t o rc o n 仃o ls y s t e mi sa n a l y z e d ，a n di t s d e v e l o p m e n ta n dp r e s e n ts i t u a t i o ni si n t r o d u c e d t h eh i g ha c c u r a c yt i m e l i n e s si r o o d s y s t e mi sak e yp o m o f t h ep r e s e n ts t u d i e s a c c o r d i n gt ot h ev e c t o rc o n t r o lb a s i cp r i n c i p l e ，t h em o d e lo fa s y n c h r o n o u s m o t o ri sp r e d i g e s t e dt h ev o l t a g em o d e la n dc u r r e n tm o d e ld i r e c t e db yt h er o t o rf l u x a n dt h em o d e r si ss i m u l a t e da n dt h ef l u xo b s e r v a t i o nr e s u l ti sf e a s i b l e t h es p e e d e s t i m a t em e t h o di so b t a i n e du s i n gm r a sa n dt h em o d e l s t a k i n gt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7f o rt h ec o n t r o lc o r e t h ee n t i r ec i r e u i to ft h es y s t e n - ii s d e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d e sr e c t i f i e rc i r c u i t ，i n v e r s i o nc i r c u i t 。d r i v ec i r c u i t 。e x a m i n a t i o n e i r c u i to fc u r r e n ta n dv o l t a g eo fm o t o r , a n db r e a k d o w nd i a g n o s i sc i r c u i t ，a n dt h e p a r a m e t e l - o f t h ee l e c t r o n i cd e v i c ei sm a d et h ea n a l y s i s m o u g hc o m p a r i n gt h eb a s i cp r i n c i p l ea n dt h ed i g i t a la l g o r i t h mo fe a c hk i n do f s p w m ，t h eu n s y n u n e t r i cr o l es a m p l i n gi sc h o s e na st h es p w mm e t h o do f t h ep a p e r t h ed e s i g no fp w m i n t e r r u p ts e r v i c es o f t w a r eo ft h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mh a sb e e n e o m p l e t e du s i n gm r a s ，t h ep r e c i s i o no fs p e e de s t i m a t ei se n h a n c e dt h r o u g hu s i n g a p p r o p r i a t ec a l i b r a t i o n a n dt h er e a l t i m ec h a r a c t e ri se n h a n c e dt h r o u g hu p d a t i n gt h e a l l g l eo fr o t o rf l u x ，o nw h i c ht h ed e s i g no ft h ee n t i r es o f t w a r ei sc o m p l e t e d a c c o r d i n gt os y s t e r ns o f t w a r ef l o wc h a r t t h es i m u l a t i o no ft h es y s t e ms o f l w a r ei s c o m p l e t e du s i n gm a t l a b a n dt h er e s u l ti saw e l l f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t ，t h e c u r r e n ta n ds p e e do fa s y n c h r o n o u sm o t o rh a sab e t t e rd y n a m i cc h a r a c t e ra n ds t a t i c c h a r a c t e ra n dc a ns a t i s f yt h er e q u e s to f t h em o t o rs t a b l em o v e m e n t t h ed r i v es y s t e mo fa s y n c h r o n o u sm o t o ri sr e s e a r c h e di nt h ep a p c r a p p l y i n g m r a st ot h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fa s y n c h r o n o u sm o t o r , w h i c hh a st h er e f e r e n c e v a l h e k e yw o r d s ：s e n s o r - l e s sd r i v e s ，v e c t o rc o n t r o l ，r o t a t es p e e de s t i m a t e , d s p l i 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：耋丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅： 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：茎韭导师签名：叫日期三竺耻。 注：请将此声明装订在论文的目录前。 武汉理_ 1 二大学硕十r 待论文 1 1 课题背景和意义 第1 章概述 直流电机拖动和交流电机拖动在1 9 世纪中先后诞生。在2 0 世纪的大部分 年代里，约占整个电力拖动容量8 0 的不变速拖动系统都采用交流电机，而只占 2 0 的高控制性能可调速拖动系统则采用直流电机，这似乎已经成为一种举世公 认的格局。交流调速方案虽然早已有多种发明并得到实际应用，但其性能却始 终无法与直流调速系统相匹敌。直到2 0 世纪7 0 年代初叶，席卷世界先进工业 国家的石油危机，迫使大家投入大量人力和财力去研究高效高性能的交流调速 系统，期望用它来节约能源。经过十年左右的努力，直到8 0 年代大见成效，一 直被认为天经地义的交直流拖动的分工格局被逐渐打破，高性能交流调速系统 应用的比重逐年上升。 在高性能的异步电动机控制系统中，转速的闭环控制环节一般是必不可 少的。通常，采用光电码盘等速度传感器来进行转速检测，并反馈转速信号。 但是，由于速度传感器的安装给系统带来一下一些缺陷： ( 1 ) 系统的成本大大增加。精度越高的码盘价格也越贵，有时占到中小容量 控制系统成本的1 5 - 2 5 。 ( 2 ) 码盘在电机轴上的安装，存在同心度问题，安装不当将影响测速精度。 ( 3 ) 使电机轴向上体积增大，而且给电机的维护带来一定困难，同时破坏了 异步电机简单坚固的特点，降低了系统的机械鲁棒性。 ( 4 ) 在高温、高湿的恶劣环境下无法工作，而且码盘工作精度易受环境条件 的影响。 如此种种，使得人们转而研究无需速度传感器的异步电机调速方法。异步 电机无速度传感器矢量控制的研制可以解决上述的缺陷，使控制系统的成本更 加低廉，更可靠高效的工作。 1 2 无速度传感器矢量控制技术的发展现状 武汉理f 人宁硕十学位论文 早期变流调速系统1 3 1 主要电路由于采用普通晶闸管开关 乜路，转矩脉动、 高次谐波、无功功率增大都成为交流调速系统中的问题。在2 0 世纪6 0 7 0 年 代，用交流调速系统取代直流调速系统几乎是不太可能的。在这一背景下，国 内外学者纷纷努力去探索新的交流调速控制方案。 从2 0 世纪6 0 年代起，微处理器、大规模集成电路( l s i ) 等微电子技术开 始了飞速的发展，快速的电力半导体变流装置 4 1 的研制工作也进展迅速，载波 频率为3 k h z 的p w m 逆变器已开始登场，可以说，这给矢量控制的研究奠定了 坚实的物质基础。在交流调速方面 5 1 ，无论是研究还是开发，德国一直处于领 先地位。2 0 世纪6 0 7 0 年代，他们的学术界对交流电机理论、瞬时值解析、空 间矢量等电机特性与过渡过程响应的研究已很盛行。在这种背景下，同时在许 多专家学者潜心研究的基础上，终于在2 0 世纪7 0 年代初期提出了两项突破性 的研究成果：德国西门子公司的e b l a s c h k e 等提出的“感应电机磁场定向的控制 原理”和美国e c c u s t m a n 与a a c l a r k 申请的专利“感应电机定子电压的坐标 变换控制”，奠定了矢量控制的基础。这种原理的基本出发点是，考虑到异步电t 机是一个多变量、强祸合、非线性的时变参数系统【6 】，很难直接通过外加信号 准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，则可以 把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立丌来，进行特别控 制。这样，通过坐标变换重建的电机模型1 7 1 就可以等效为一台直流电机，从而 可像直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制。 在这之后的实践中，经过许多学者和工程技术人员的不断完善改进，终于 形成了现已得到普遍应用的矢量控制变频调速系统1 5 。在这个过程中，德国 b r u n s w e i g 大学以w l e o n h a r d 教授为首的研究所、日本长岗科技大学以a n a b a e 为首的研究室及美国w i s c o n s i n 大学以t l i p o 教授为首的w e m p e c 研究中心发 挥了重大作用。此外，德国西门子公司、日本安川及三菱公司及美国r o c k w e l l 公司在推进交流电机矢量控制产品化的过程中，首先取得了突破性进展。 近年来随着半导体技术的发展及数字控制1 9 l 的普及，矢量控制的应用已经 从高性能领域扩展至通用驱动及专用驱动场合，乃至家用电器。交流驱动器l i 蚰已 在工业机器人、自动化出版设备、加工工具、传输设备、电梯、压缩机、轧钢、 风机泵类、电动汽车、起重设备及其它领域中得到广泛应用。随着半导体技术 的飞速发展，功率器件在不断优化，丌关速度在提高而损耗在下降，功率模块 的功率密度在不断增加：数字信号处理器1 的处理能力愈加强大，处理速度不断 武汉理i ：人学硕士学位论文 提升，交流驱动器完全有能力处理复杂的任务，实现复杂的则测、控制算法， 现代交流传动的性能也因此达到i i 所未有的高度。以代表交流驱动控制最高水 平的交流伺服1 1 2 为例，其需求随着新的生产技术与新型加【原料的出现而迅速 增长。据相关统计，高性能交流伺服驱动器数量的年增长率超过1 2 。伺服驱动 中应用最多的电机是异步电机及同步电机，额定功率从5 0 w 到2 0 0 k w ，位置环、 速度环以及转矩环路的典型带宽分别为6 0 h z 、2 0 0 h z 以及1 0 0 0 h z 。 交流电机驱动 1 4 1 中的大部分问题应当说在当今的驱动器中已经得到解决， 相关的成熟技术提供了被业界广泛接受的解决方案，并在许多领域中得到成功 应用，因此从基本结构上来讲，交流驱动器的现有设计方案在未来的几年中不 会有大的变化。现在，交流驱动器“卅开发的一个重点是如何将驱动器与电机有 机地结合在一起，开发出更低成本、高可靠性、高性能“驱动模块”。基于这一 思路，为进一步减小成本、提高可靠性，无速度传感器矢量控制系统已成为近 年来驱动控制研究的热点。 概括来说，无速度传感器矢量控制f 16 】可以获得接近闭环控制的性能，同时 省去了速度传感器，具有较低的维护成本。 目前主要的无速度传感器矢量控制方案有： 基于转子磁通定向的无速度传感器矢量控制变频调速系统。 基于定子磁通定向的无速度传感器矢量控制变频调速系统。 基于定子电压矢量定向的无速度传感器食粮控制变频调速系统。 基于直接转矩控制的无速度传感器直接转矩控制变频调速系统。 采用模型参考自适应( m r a s ) 的无速度传感器交流调速系统。 利用扩展的卡尔曼滤波器进行速度估算的无速度传感器交流调速系统。 无速度传感器的交流调速系统已实际应用了，但是高精度，实时性好的无 速度传感器的交流调速系统仍在继续研究和开发。 1 3 本文所做的主要工作 在感应电机的高性能控制方法中，保证矢量控制方法有效性的一个重要条 件是对电机转速的准确测量，但安装转速传感器这是工业应用所不希望的，所 以无速度传感器时矢量控制方法得到广泛的关注。由于控制系统的结构和算法 日益复杂，对系统c p u 的运算能力的要求也越来越高，电机控制专用的d s p 既 武汉理t 大学硕十学侮论文 有强大运算能力，又有完备外围控制电路，所以在电机控制中得到了普遍应j | j 。 本文所做的主要 作包括： 1 、介绍异步电机无速度传感器矢量控制技术的背景，研究意义和发展现状。 2 、介绍了矢量控制变频调速的基本原理，模型参考自适应算法。将按转子磁链 定向的电压模型作为参考模型，电流模型作为可调模型，并对两种模型进行了 仿真，得出了较好的结果。 3 、阐述d s p 技术，脉宽调制技术、t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 结构、原理及应用， 本文采用以d s p 为控制核心的数字异步电动机矢量控制系统来生成所需要的 s p w m 波形。设计了总体电路包括整流逆变主电路、驱动电路、电流检测，故 障诊断控制电路等等。 4 、以模型参考自适应算法作为转速估算的方法，完成了p w m 中断服务子程序 的设计，并在此基础上完成了系统的软件设计。 4 武汉瑚1 人中硕f j 学位论文 第2 章矢量控制模型及仿真 2 1 矢量控制变频调速的基本原理 矢量控制是在电机统一理论、机电能量转换和坐标变换理论的基础上发展 起来的，具有先进性、新颖性和实用性的特点，矢量控制的思想f 1 7 1 就是将异步 电动机模拟成直流电动机来控制。通过两次坐标变换，将定子电流矢量分解为 按转子磁场定向的两个直流分量。、，并对其分别加以控制。控制i ，相当于 控制磁通；控制j ，。相当于控制转矩。这样，便将异步电动机的多变量强耦合的 非线性系统进行了磁通和转矩的解祸控制，实现近似于直流电机的控制方式及 效果。再经过相应的坐标反变换，实现了控制异步电动机的目的。 在电动机调速 i s l 时，r 个重要的因素是希望保持每极磁通量m 。为额定值不 变。因为磁通太弱没有充分利用电机的铁心，是二种浪费；若增大磁通，又会 使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。 三相异步电机定子每相电动势的有效值是： e 。= 4 4 4 f 1 | n l k l m 。 其中，：是定子频率，可见只要控制好e ，和_ ，i ，便可达到控制磁通中。的目的。 故在实际的控制系统中，只要设置好指令e 。和_ ，：，通过矢量坐标变换，就 可以达到控制异步电机的目的。 2 2 异步电动机坐标变换 矢量变换是一种简化交流电机复杂模型的重要数学方法，是交流电机矢量 控制的基础。矢量变换1 1 9 1 包括三相静止坐标系和两相静止坐标系的变化( 简称 3 s 2 s 变换) 、两相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换( 简称2 s 2 r ) ，以及直角 坐标系和极坐标系的变换( 变换) 等。 在这里不同电机模型彼此等效的原则是： ( 1 ) 在不同坐标系下产生的磁动势相同。 ( 2 ) 在变换前后功率不变，即电压和电流选取相同坐标变换阵条件下，变换阵 武汉珲1 人学硕士学位论文 的逆与其转置相等。( 具体证明见文献电力拖动自动控制系统p 2 4 1 ) 。 2 2 1 三相静止坐标系和两相静止坐标系的变换 设、为两相对称绕组的电流，i a 、i s 、i c 为三相对 称绕组的电流，并设三相系统每相绕组的有效匝数为1 ， 二相系统每相绕组的有效匝数为，各相磁动势均为有 效匝数及其瞬时电流的乘积，其空间矢量m 】均位于有关 的坐标轴上。交流的磁动势大小随时间而交，图2 1 中磁 动势矢量的长短是任意画的。 设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与二 图2 1 三相和二相 坐标系 相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在舐轴上的投影都应相等， l 口 l 口 1 0 一堕 。 1 。1 2 o 塑 2 kk m c 3 2 i i bl k j 其中，为了便于求反变换，在二相系统上人为地增加一项零轴磁动势 n 2 i o = k n 3 0 c ，2 - 擘 n 2 + i b 窿 + f c ) ，则式 1l 22 以以 22 xx 中 为满足功率不变约束条件的参数关系，则三相z 相变换阵 槎 6 ( 2 1 ) 一|岳了k 武汉理e 人学硕卜学化论文 2 2 2 两相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换 图2 2 中，静止坐标系的两相交流 电流、珞和旋转坐标系的两个直流 电流、产生同样的以同步转速劬 旋转的合成磁动势e 。由于各绕组匝 数都相等，可以消去磁动势中的匝数， 而直接标上电流，例如e 可直接标成 ，但必须注意，在这里，矢i i i 以及 其分量、i p 、i m 、i t 所表示的实际上 是空间磁动势矢量，而不是电流时间相 量。 在图2 2 中，、i a ；手l o i 。、之间 存在着下列关系 i 口= i m c o s t a i ts i n f a 如= i ms i n 妒+ i lc o s 口。 写成矩阵形式，得 r i m s l n 口 ：i a 恻 口 “d 卿l 个s i 。缈 图2 2 二相静止和旋转坐 标系磁动势空间矢量 臣 = 。c 。，o n s 妒o c o 蓟s ”妒妒j l 。i tj = c ：，：， 2 式中 c z 川，= 瞄谢 是二相旋转坐标系变换到二相静止坐标系的变换阵。 对上式两边都左乘以变换阵的逆矩阵，即得 ：；= 嘲= _ ie o 唧s 妒s i n d p 峰i a 则二相静止坐标系变换到二相旋转坐标系的变换阵是 c 姚，：i 譬伊科叩i ( 2 _ 2 ) l 一5 1 “缈= ) s 妒j 电压和磁链的旋转变换也与电流( 磁动势) 旋转变换阵相同。 2 2 3 三相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换 7 武汉坤：人中硕卜伉论文 小i m 驯。 | ； i a - = c 2 s 2 r c 3 s 2 s 目 气伽吗m a 旷柽予翟 c ：们，3 s - 2 r ：周 【 c o s 驴 c o s ( 妒一1 2 0 。1 一s m 一s i n ( q 一1 2 0 0 、 c o s ( 妒+ 1 2 0 0 ) 一s i n ( c p + 1 2 0 0 ) 2 3 异步电动机的数学模型 l 压 l 压 1 压 2 3 1 异步电动机在任意二相旋转坐标系上的数学模型 异步电动机的数学模型比较复杂，但可 以通过坐标变换使之简化。现在先将它变 6 换到任意二相旋转坐标系上，即砌0 坐标系 上( 如图2 3 ) 。这样得到的数学模型只有 两相，比原来的模型简单，又由于其坐标 轴是以任意转速旋转的，所以更具有一般 性。 ( 1 ) 电压方程式 q - | | 4 嚼二b ! ，- ( 2 - 3 ) 图2 3 异步电机的坐标系 武汉理i ：人学硕士学俯论文 u 订= r 57 l s d + p 诅一m i l 。f s q “q ：r s l 。s q + p 、警s q + l 一铂 u 嘣= r r t 瞳+ p 警时一( 0 1 2 飞r l h r q 2 r r i , d + 蚪r q + c a l 2 。p r d 其中q i 是由0 旋转坐标系相对于定子的角速度：m 1 2 是由0 旋转坐标系相对于 转子的角速度； 对异步电动机而言“耐= “。= o ； ( 2 ) 磁链方程式 试= l s l s d + l m i 。r d s 口= l s i s q + l m i r q 1 鬯矗= l m i s d + l r i 融 崎= l 0 s q + l r i 崎 ( 3 ) 转矩表达式 r e m2p 。l m q s 产“一i s d l 号s q 、 ( 4 ) 机械运动方程式 乙2 瓦+ 丢鲁 卧罄- - 荸( d i i l s 卅p o ) i i l m r ，+ l r p 0 ) 1 2 l r 一口l i l m l 。p 一0 1 2 l r r 一+ l r p 2 3 2 异步电动机在二相静止坐标系上的数学模型 ( 2 4 ) 在静止坐标系1 2 2 1 口、上的数学模型是任意旋转坐标系d 、g 上数学模型的 一个特例，由于静止坐标系相对于定子是不动的，故只要在旋转坐标模型中令 c o l l = 0 即可；静止坐标系相对于转子则以一埘的角速度旋转，则c o l 2 = 一c o 。d 、g 坐标系就变成口、坐标系。 故a 、轴电压方程为 9 武汉理丁人学硕f ：学位论文 u b q = rs i s q + p l f ，s u s o = b l s p + p g z s p i g r a = rr i r a + p g zr 口+ v 嵋 1 l r 口2 r r i r 8 + p l f ，r 8 一r o g zr 口 即口、坐标系数学模型的电压矩阵方程 “j 口 虬口 u r a u r p 冠+ t p 0 l 。p 0 l i 如 0 r s + l s p 0 l m p 飞i ，8 l m p砒。 r ，+ l r p鸩0k r o l ml m pc o l r r r + l , p j k i , p ( 2 - 5 ) 式中，“。、“，为两相静止坐标系上两相定子绕组电压；”。、“啊为两相静止坐 标系上两相转子绕组电压；k 、o 为两相静止坐标系上两相定子绕组电流； i 。、i r p 为两相静止坐标系上两相转予绕组电流；( - 0 为转子角速度：b 、月，为定 子、转子每相绕组电阻；。、工，为两相坐标系上定、转子绕组的自感：三。为两 相坐标系上同轴定、转子绕组间的互感。 口、口坐标系上电磁转矩： 瓦= 疗p k ( p f ，。一f ，。f 矿) ( 2 - 6 ) 2 3 3 异步电动机在二相同步旋转坐标系上按转子磁场定向的数学模 型叫、t 坐标系数学模型 现在规定d 轴沿着转子总磁链矢量2 ，称之为m ( m a g n e t i z a t i o n ) 轴；而q 轴则逆时针转9 0 。，即垂直于矢量2 ，称之为t ( t o r q u e ) 轴。这样，二相同步 旋转坐标系就具体规定为、，坐标系，即按转子磁场定向的坐标系1 2 4 1 ，且 q i2 0 l ( - ) 1 22 q a “ “时 “ 一 r s + l s p 一l l sl p 一i l m 飞i s o ) i l sr s + l s pq l ml m p80 厶p一国s l mr r + l r p 一0 3 s 8 f ， 3 l ml m ps l rr r + l c p j i ( 2 - 7 ) 乃= 行，。( 一0 0 ) ( 2 8 ) 在m t 坐标系上，转子磁链在m t 轴上的分量分别为 甲。= 一，甲。；0 也就是说 0 武； 6 i ：t e m p u l 3 ”6 t e m 蹦卜3 ) 一5 1 2 - + t e m p g i 3 ) j ! i t e m p u ( i 3 ) 一5 1 2 - - _ t e m p u ( i 3 ) i ：一二二 ：，二 ；t e m p i ( i 。3 ) 。- l ( “b ) t e m p u l 3 ) k u - u ( a b ) 土 设置爿d o 中断标志位 一羞翌主生赶一 崮 图4 - 1 2a d 中断服务子程序 由于r e s u l t 寄存器的值存放在高1 0 位，故读出时要将值右移6 位后，在进行 计算。其中 魁：旦 1 0 删r = 型 1 0 5 1 25 1 2 i a 、i b 和i c 为q 1 0 格式；u a 、u b 和u c 为q i o 格式，这样电流和电压的值 都可以精确到i e - 3 。 4 3 3 故障中断服务程序设计 故障显示中断服务子程序的主要任务就是：当控制系统出现故障时，d s p 就会发生故障中断，置p w m 输出高阻，禁止波形输出，并且显示“e r r ”。以便 于及时的保护系统。图4 1 3 为p d p i n t 中断服务予程序流程图。 武汉理f 人学硕f4 学位论文 图4 1 3p d p i n t 中断服务子程序流程图 4 4 矢量控制系统仿真 4 4 1 仿真工具 m a t l a b 的s l m u l i n k 是很有特色的仿真环境，在此环境中，用户可以用 点击拖动鼠标的方式绘制和组织系统或电路，并完成对系统和电路的仿真。原 来的m a t l a b 仿真编程是在文本窗口中进行的，编制的程序是一行行的命令和 m a t l a b 函数，不直观也难以与实际的物理系统或电路建立形象的联系。在 s i m u l l n k 环境中，系统的函数和电路元器件的模型都用框图来表达，框图之 间的连线则表示了信号流动的方向。对用户来说，只要学习图形界面的使用方 法和熟悉模型库的内容，就可以很方便地使用鼠标和键盘进行系统和电路的仿 真，而不必去记那些复杂的函数。 对本文的系统仿真，主要使用的电力系统模型库 3 8 1 ( p o w e rs y s t e m b l o c k s o t ) 。它是专用于r l c 电路、电力电子电路、电机传动控制系统和电力系 统仿真用的模型库。模型库中包含了各种交直流电源、大量电气元器件和电工 测量仪表等。利用这些模型 3 5 】可以模拟由电阻、电感、电容组成的电路，含电 力电子器件的开关、整流和逆变、变频等装置，以及电力系统运行和故障的各 种状态。在电力电子电路和电力拖动控制系统的仿真中将主要使用该模型库的 模型。电力系统模型库模块m 1 的使用与其它s i m u l i n k 模块的使用不同，电力 系统模型库的模块必须连接在会里中使用，因此每个模块都由输入端和输出端， 在回路中流动的是电流，并且电流通过每个电气元器件时产生电压降。其它 s i m u l i n k 3 0 i 模块组成的信号流程，流入流出模块的信号没有特定的物理含义， 武汉理f 人学硕士学付论文 其含义要视仿真模型的对象而定。由电力系统模型厍模块组成的电路和系统叮 以和s i m u l i n k 模型库中的控制单元连接、组合成控制系统，研究和观察在不 同控制方案下系统的稳态和动念响应，为系统的设计提供依据。电力系统模型 库m 1 中包含了7 个子模型库，如下： ( 1 ) 电源模块库 电源( e l e c t r i c a ls o l u c b - s ) 模块库包含了电路和电力系统中使用的交流、直 流电源，并且还有两个受控源，受控源输出的电压或电流可以受输入信号的控 制。 ( 2 ) 电器元件模块库 电器元件( e l e m e n t s ) 模块库包含了各种常用的电器和电路元件的模型，如 开关、变压器、电阻、电感和电容等。其中电阻、电感和电容以串联或并联的 组合形式给出，可以通过参数的设置得到单个的或者两、三个电阻、电感或电 容的组合，并且电阻、电感和电容的串并联模块元件的参数还有两种。变压器 有普通线性变压器和带饱和特性的变压器，三相、单相变压器等多种形式模块， 可供不同的仿真要求选用。 ( 3 ) 电机模块库 电机( m a c h i n e s ) 模块库提供了9 种直流电机、交流异步电机和同步电 机的模型，电机的参数单位有标幺值和标准单位制两种。并且如果电机的负载 转矩大于电磁转矩，则电机则工作于发电状态；如果电机的负载转矩小于电磁 转矩，则电机工作于发电状态：如果电机的负载转矩小于电磁转矩，则电机工 作于电动状态，所以电机模块既可以用作电动机，也可以作发电机用。电机模 型库种有一个测量单元，测量单元是通用的，用来观测同步电机和异步电机的 运行参数。 ( 4 ) 电力电子元件模块库 电力电子元件( p o w e re l e c t r o n i c s ) 模块库包含了常用的晶闸管、可关断晶 闸管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管等模型，还有一个多功能桥模 块。 ( 5 ) 连接模块库 电力系统模型库p 8 j 种的模块连接有特殊要求，例如两个模块的输出端不能 直接相连，需要使用连接件才能进行连接，连接件( c o l l l l e c t o r s ) 模块库则提供 了组织电力电子仿真线路的各种连接件。 武汉理工人0 颁十学付论文 ( 6 ) 测量仪器模块库 测量仪器( m e a s u r e m e n t s ) 模块库种的模块用j 二电压、电流和阻抗的测量。 ( 7 ) 其他电气模块库 其他电气模块库( e x t r al i b r a r y ) 收入了没有包括在上述的6 个模型库种的 其它电气元器件模型，使用这些模型可以使电力系统仿真的功能更丰富。 4 4 2 系统仿真 图4 1 4 就是本文的矢量控制系统框图，它通过磁链观测器和电流闭环控制 方式的来实现对电机的有效控制。 。- 酬竺竺! 竺卜_ l s p w m l l 拍黑 面r 厂 厂 _ 一l 9 、 磁链丹调节器 _ j l 邕当 l1 i 转速推算e l1 1 ，、 d s p ( a c 图4 1 4 矢量控制系统 其中国+ 和转速推算模块的反馈信号经过类似与直流调速系统所用的控制 器，产生转矩电流值e ；砖是磁链给定值，只。也是转速推算模块的反馈信 号，通过磁链p i 调节器后，产生励磁电流值。 本文采用的三相交流异步电机，其参数为( y 接法) ：额定功率p = 2 2 k w ， 频率f = 5 0 h z 。额定转速n = 1 4 0 0 r m i n ，额定电压u = 2 2 0 v ，额定电流i = 8 a ，功率 因数为0 5 8 。 系统的m a t l a b 仿真模型如图4 1 5 ，其中n = 1 2 0 0 。 武汉珲f 人学硕十学位论文 图4 - 1 5 矢量控制系统仿真模型 模型中转速推算模块的组成如图4 1 6 所示。推算模块的l 4 输入端，分别 接入电动机定子三相电压和电流，经过3 s 2 s 坐标转换，再由磁链电压模 9 峨l q ) _ 干凸i lq ? _ 圳_ h l | l l 图4 一1 6 转速推算模型的仿真图 型计算得到y 三r 、；推算模块利用了矢量控制模型中转子磁链电流模型输出 的磁链信号p s i r 和s i n _ c o s ，经直角坐标变换得到转子磁链在口一轴上的分量 痧。、矿屠，然后按式( 2 2 9 ) 计算得到电机转速。转速推算模块中p i 调节器的 参数取k p = 4 5 0 0 、k i = 1 9 8 。 其中a t r l 使用的是转速p i 调节由式( 2 8 ) 得，k s f = 0 8 ，k ，。= 3 8 。 武汉珲f 入学硕十学衍论文 a p s i r 使用的磁链p l 凋符出式( 2 - 5 ) 得，k “= 1 0 0 ，k 咖= 1 8 。 给系统加5 0 n * m 的负载，仿真结果见图4 1 7 。其中( a ) 为三相电流输 l ：结果， 系统先保证最大启动电流，当趋于稳定时，降低电流并保持稳定。( b ) 为速度 输出曲线，速度上升平稳，超调量小，可以满足电机稳定运行的要求。( c ) 为转 矩输出结果，系统先提供最大转矩，以加快稳定过程，当趋于稳定时，维持在 负载转矩5 0 n + m 左右。 卯 。 o - 5 0 1 鲫 墨御 5 0 0 0 夕 1121416182 t t s ) ( b ) 转速响应 ( c ) 输出转矩 图4 1 7 矢量控制系统仿真结果 从仿真结果可以看出，在启动加载过程中，电机的电流，转速和转距的变 化过程，在启动中逆变器的电流基本保持不变i 。* 3 0 2 = 2 1 a ，电动机给定的 最大电流启动，在1 s 时，稍有超调后稳定在1 2 0 0 r m i n ，电流也下降为空载电流。 可见采用m r a s 作为参数估算方法，可以保证参数估计的渐进收敛性，使系统 达到稳定。 形 澈 电 ：! 相三，讹幻 峙 武汉理i 人硕 学付沦文 综上所述，奉系统在没有速度传感器的条件卜，通过模型参考自适应算法 作为转速估算方法，并没有影响系统的动念性能和静态性能，而目，使系统的成 本降低，维护更加方便，并且可以应用了二更加悲劣的工业环境之中。 4 5 本章小结 本章主要介绍了系统的软件部分的设计，包括s p w m 中断服务子程序，a d 中断服务子程序和故障中断服务程序。 以s p w m 中断服务子程序的设计为背景，介绍和比较了几种实现正弦脉宽 调制的方法：自然采样法、规则采样法和不对称规则采样法。本文选用不对称 规则采样法，因为不规则采样法的输出波形较规则采样法可以更好的拟合正弦 波，而较自然采样法，又易于数字实现。并介绍了d s p 的定标方法。 武汉卵1 人学硕十学位论文 5 1 结论 第5 章结论与展望 变频调速己经成为交流电动机最主要的调速方式，在各行各业的工程设计 或技术改造中，尤其是节能技术改造中，变频调速技术的应用面正在不断扩大， 而且随着一些新的交流电机调速理论( 如：矢量控制和直接转矩控制) 和现代电 力电子技术( i g b t 、i p m 、p i c ) 以及高效的处理器( 如：d s p ) 等相关技术的发展， 它将在很长一段时间内主导电气传动领域，并向更高性能、更大容量以及智能 化方向发展。 本文从简述交流电机调速的发展史开始，对异步电机变频调速的d s p 技术、 脉宽调制( p _ | v m ) 技术一现代电力电子技术以及系统的软、硬件设计作了详细的 介绍。同时着重阐述了比较流行的异步电机控制技矢量控制技术以及其m a t l a b 仿真实验。本文运用矢量控制并结合s p 删调制技术，开发以d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片为核心的交流变频调速控制系统，主要完成了下列内容： l 、阐述了交流电动机调速技术的发展和研究现状； 2 、介绍d s p 技术与脉宽调制( p 州) 技术，并详细讲述了正弦脉宽调制( s p _ | v m ) ， 其内容包括电压空间矢量脉宽调制的原理以及它的一种d s p 的数字化算法； 3 、介绍了矢量变频系统，磁场定向控制，异步电机坐标变换、异步电机数 学模型等等，并初步构想了本论文的矢量控制方式及其原理结构框图； 4 ，完成了以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 为控制核心的主电路和控制电路的硬件电 路和软件的设计，包括整流滤波电路、逆变电路、驱动电路、电流检测模块、 p 黼输出、保护模块等模块软、硬件设计； 5 、使用m a t l a b 对异步电机模型、s p w m 算法以及变频调速矢量控制系统的 仿真，并给出了变频调速矢量控制系统的仿真结果。 无速度传感器矢量控制可以在最大启动转矩条件下，使系统逐步达到稳定。 而省去光电编码盘后的系统可以适用于更多的场合，成本更加低廉，具有更好 的可靠性。 武汉理f 大学硕十学f 节论文 5 2 展望 由于作者时间和能力有限，本论文只对矢量变频调速系统进行了理论研究 与理论开发。具体的硬件电路还待于进一步去实践，最终愿望是能将实验产品 做成成品并在实际工程中得到应用。本论文对系统的软、硬件设计特别是s p w m 的波形的输出精度要求肯定有很多不足的地方，希望以后更进一步研究和完善。 本论文只对矢量控制变频调速系统做了研究，而对于一些更新的拧制方式 如：直接转矩控制、模糊控制、专家系统、神经网络控制和滑模变结构控制，也 是本课题延续研究方向。 由于个人原因，论文难免在某些方面存在一些不成熟和欠妥之处，恳请各 位老师、专家赐教。谢谢! 武汉理1 人硕f 一学仲论交 参考文献 1 王晓明，王玲电动机的d s p 控制t i 公司d s p 应用北京航空航天人学出版社， 2 0 0 4 ( 7 ) 1 0 4 1 3 2 c 2 洪乃刚电力电子和电力拖动控制系统的m a t l a b 仿真机械工业出版社，2 0 0 6 ( 7 ) 1 8 0 2 1 5 3 李华德，自晶等交流调速控制系统电子】= 业出版社，2 0 0 3 ( 3 ) 1 4 5 1 5 2 【4 李永东交流电机数字控制系统机械 业出版社，2 0 0 2 ( 7 ) 2 4 0 2 5 5 5 陈伯时电力拖动自动控制系统机械c 业出版社，2 0 0 0 ( 6 ) 2 3 3