（电力电子与电力传动专业论文）可控加载装置的研究.pdf

a b s t r a c t t h i sp a p e rc o n c e n t r a t e so nt h er e s e a r c ho fl o a dd e v i c ec o n t r o l l a b l eo fd c m o t o r , w h i c hi sa p a r to f t h ep r o g r a ms u p p o s e db yt h ed e l t as c i e n c e e d u c a t i o nf o u n d a t i o n i t e mt i t l e dt h e a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho fs i n g l e n e u r o ni n t e l l i g e n t c o n t r o lo n p o w e rd r i v es y s t e m f i r s t l y , c o n t r o ls t r a t e g ya n dd e v e l o p m e n to fm o d e m a cv a r i a b l e - s p e e ds y s t e m a r ep r e s e n t e d t h en o t i o no fl o a dc o n t r o l l a b l ei si n t r o d u c e di nl i g h to fs o m ep r o b l e m s i nv e c t o rc o n t r 0 1d r i v es y s t e m t h e nt h e r ei sad e t a i l e da n a l y s i so ft h em a t hm o d e lo f t h ed cl o a ds y s t e m o b v i o u s l yd i g i t a ls y s t e mh a sm o r ea d v a n t a g e s ad i g i t a ll o a d d e v i c ei sd e s i g n e dt h r o u g hs i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i sb yw h i c hd r i v es y s t e m p e r f o r m a n c eo fa c m o t o rc a nb er e s e a r c h e d ，w h i c ht h et w ok i n d so fm o t o ra r eo ft h e s a m es h a f t t h ec o n t r o lv o l t a g ed e t e r m i n e st h ee l e c t r o m a g n e t i s mt o r q l i eo fd cm o t o r t h el o a ds y s t e m ，c l o s e d l o o pc i r c u i tc o n t r o li ns t r u c t u r ea n dr e g u l a t e db yp ia d j u s t e r ， i sa c h i e v e db yd s pi ns o f t w a r e a sf o rh a r d w a r e w ed e s i g n e dap i e c eo fc u r r e n td e t e c t i v ec o n t r o lb o a r d 、 p o w e r - d r i v eb o a r da n dap i e c e o ft h r e e - p h a s e r e c t i f y i n g c i r c u i tb o a r db a s e do n e v a l u a t i o nm o d u l e ( e v m ) b o a r d e v mb o a r dm a i n l yi m p l e m e n t st h ec o m m u n i c a t i o n w i t hp cm a c h i n e ，p r o c e s s e so u t e rs i g n a l sf r o mt h eo t h e rb o a r d sa n ds e n d so u ts o m e c o m m a n d st oo u t e rd e v i c e s w h i l et h et h r e eo t h e rb o a r d sm a i n l yd e t e c t sc u r r e n t s i g n a l 、s p e e ds i g n a lo f d c m o t o r 、m a l f u n c t i o n p r o t e c t i o n 、p o w e rd r i v e 、p r o d u c i n g o f d cv o l t a g ea n ds oo n a sf o rs o f t w a r e ，w ep r o g r a mt oi m p l e m e n td o u b l e p u l s ea n dp ir e g u l a t i o nu s i n g a s s e m b l yl a n g u a g eo ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 t h r o u g hk e y b o a r da n dl c d ，t h el o a ds y s t e m c a nb ec o n t r o l l e dr e a d i l y , w h i c hd i s p l a y st h em o t o rs p e e d 、c u r r e n tg i v e n 、p a r a m e t e r s e t t i n g 、s y s t e ms t a t ea n do t h e rf u n c t i o n s ，t h u sm a k e ss o l i db a s ef o rt h er e s e a r c ho f h i g hp e r f o r m a n c ec o n t r 0 1s t r a t e g yo f i n d u c t i o nm o t o r t h e o r e t i c a l l ya n a l y z i n g 、s y s t e ms i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h e f e a s i b i l i t y 、g e n e r a l i z a t i o na n ds u p e r i o r i t y o fl o a dd e v i c ec o n t r o l l a b l ea n dc a n a c h i e v e s a n t i c i p a t e dp e r f o r m a n c e s f i n a l l y t h e p a p e rp o i n t s o u tt h er e s e a r c h o r i e n t a t i o na n df u r t h e rw o r k i n g k e y w o r d s ：c o n t r o l l a b l el o a d ，d s p , d i g i t a lc o n t r o l ，p ic o n t r o l l e r , s i m u l a t i o n 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：溘整日期：兰：竺狙 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：2 差! ：! 上海大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 引言 对交直流电动机的控制在各行各业中的应用非常广泛，其中相当一部分需 要调速。调速系统采用闭环控制后，被控量有多个，如速度、位置等，最终是通 过控制电动机的转矩实现的。在直流调速系统中，控制电机的方法十分简单，调 节电枢电压和励磁电流大小就可以控制转速与转矩，并且利用电流、转速双闭环 系统很容易获得良好的动静态特性。在二十世纪的大部分年代里，鉴于直流传动 具有良好的静动态特性，高性能可调速传动系统都采用直流电机。但是随着工业 生产的发展，直流电机的薄弱环节逐渐暴露出来，由于换向器的存在，直流电机 工作环境、最高速度、单机容量受到极大限制，已不能适应现代调速系统发展的 要求。而异步电机结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉，因而各国研究人 员纷纷转向交流调速技术的研究。 制约交流调速发展的重要原因是，交流电机是高阶、多变量、强耦合、非线 性系统，与直流电机相比，转矩难于控制。如果从电机的统一理论出发，能找到 异步电机和直流电机电磁转矩之间的共同基础和内在关系，就可以模拟直流电动 机来控制异步电机了。近二十年来，随着电力电子技术的发展，新型电力电子器 件不断涌现，伴随着微处理器的进步以及现代控制理论的不断创新，针对交流调 速系统的各种控制技术不断涌现并逐渐成熟，在现代生产中得到了日益广泛的应 用。具有代表性的是矢量控制与直接转矩控制，使得交流传动控制系统的性能达 到直流电气传动控制的水平。近年来，又出现了智能控制，它具有不依赖于被控 对象以及自学习的特点，使得传动控制系统又进入了一个崭新的发展阶段。 1 2 电气传动系统的结构 电气传动系统的基本结构如图1 1 所示【2 8 】。 它主要包括如下部分：把电能变为机械能的电动机，向电动机输出与其控制 要求相适应的功率变换器，检测电流、转速和位置的传感器，根据指令和来自传 感器的信号进行运算后控制变换器的调节器。速度和位置传感器可以装在电动机 上，也可以直接装在被拖动的机械上。 ，l 海大学硕士学位论文 控制装置( 、拶 i 一i - 电箝： 上海大学硕士学位论文 件结构的统一。 2 系统的控制性能得到了很大的提高 模拟系统中固有的参数漂移等误差产生原因得以消除；硬件电路的标准化程 度高，制作成本低：不受模拟电路中补偿电路、滤波器等性能的制约，容易得到 理想的控制特性：使现代控制理论的应用及高级控制算法的实现成为可能。 3 可靠性和易维护性得到了提高 无需对参数的漂移等进行调整和补偿：系统的性能不受元器件特性的影响， 提高了系统性能的稳定性，抗干扰能力也得到了提高；易于实现系统的小型、轻 量、低功耗、低价格。 随着数字i c 的发展，位置控制、速度控制、电流控制都已实现数字化，由 于高性能的微处理器和数字信号处理器( d s p ) 的出现，可以使控制系统全部数 字化，实现全数字化调速。 1 4 微控制器芯片的发展 早期的电气传动系统实现数字控制时，由于对系统动态性能要求不高或者希 望控制简单、节约成本，通常使用的微处理器是单片微型计算机( 简称单片机) ， 如i n t e i 公司的m c s 5 1 、m c s 9 6 系列单片机，m o t o r o l a 公司的m c 6 8 h c 9 0 8 系列单片机等。这类单片机具有丰富的硬件资源和软件资源，适用于实时控制系 统，但用于大量数据处理或复杂的控制算法时略有逊色，进一步提高运算速度有 一定困难。 高性能的数字化调速系统是在数字信号处理器( d s p ) 的出现以后才得到深 入发展和广泛应用。由于其改进的措施，如改变集成电路结构、提高时钟频率、 支持浮点运算、采用指令列排队方式以提高运行效率、集成了硬件乘法器使乘法 运算也能在一个指令周期内完成等等，使得它的处理速度大大提高 3 1 。d s p 的位 数主要是1 6 位和3 2 位( 包括定点和浮点运算) ，指令周期缩短到1 6 0 n s ，乃至 2 5 n s ( 含乘法) 。与单片机相比，d s p 器件具有较高的集成度，更快的c p u 。更大 容量的存储器，提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了模数转换 器和采样保持电路，可提供p w m 输出。 近年来，出现了许多专门为电机控制而设计的微处理器，如a d 公司的 a d s p 2 1 0 0 系列，t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列等。这类芯片将实时处理能力和 上海大学硕士学位论文 控制器外设功能集于一身，为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。特别是 美国t i 公司最新推出的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 单片机，是数字化调速系统最理想的 微处理器芯片之一。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是一种专为电机控制而优化设计的低价 格、高性能1 6 位定点超集电机控制专用芯片【2 6 】。它与一般d s p 一样，采用程序 与数据总线分离的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提 供特殊的d s p 指令，使l f 2 4 0 7 a 具有卓越的数据处理能力：它集成了闪存、高 速a d 转换器、高性能的c a n 模块等。同时它又在其片内集成了专为电机控制 而优化的事件管理器( e v ) 功能单元，能够直接输出三相脉宽调制波形，从而 为电机控制系统的开发和设计提供了巨大的便利【4 】。 尽管数字控制具有许多优越性，但是也存在问题，如：模拟量量化时带来了 量化误差，影响了控制精度和平滑性：数字控制离散化后，影响了控制的实时性， 甚至会造成系统的不稳定。但是，随着微处理器的不断进步，从8 1 6 位的单片 机到1 6 3 2 位的数字信号处理器( d s p ) 2 7 1 1 2 6 1 ，位数增多，执行速度加快，控制 能力也越来越快，数字控制带来的一些问题逐步得到克服，其优越性更加明显。 1 5 高性能交流调速系统的控制策略及发展概况 由于交流电机是高阶、多变量、强耦合、非线性系统，与直流电机相比，转 矩难于控制，于是人们从电机的统一理论出发，力求通过模拟直流电动机来控制 异步电机，于是出现了现今存在或广泛应用的各种高性能交流电机控制策略：转 速开环的电压，频率协调控制、转速闭环转差频率控制、矢量控制、直接转矩控 制、间接自控制等。它们都是基于异步电动机的数学模型，对电机的电压和频率 进行协调控制，都可以构成高性能的变压变频交流调速系统。 转速开环的电压频率协调控制、转速闭环转差频率控制是从异步电机稳态 数学模型得出的控制规律，控制精度不高，动态性能与直流双闭环调速系统相比 仍有一定的差距。 矢量控制、直接转矩控制、间接自控制都是基于异步电机动态数学模型的高 性能控制系统，都采用转矩和磁链分别控制，转矩控制环( 或电流的转矩分量环) 都处于转速环的内环，以抑制磁链变化对转速子系统的影响，使转速和磁链子系 统近似解耦。实现了和直流电机一样的控制性能。 矢量控制根据坐标变换理论，采用按转子磁场定向，把定子电流矢量分解为 4 上海大学硕士学位论文 在同步旋转坐标系中的两个互相垂直的励磁电流分量与转矩电流分量，实现了定 子电流励磁分量与转矩分量的解耦；通过控制转子磁链和电磁转矩，得到了与他 励直流电动机一样的线性机械特性。采用矢量控制技术的交流调速系统的动、静 态性能达到了直流双闭环调速系统的水平2 ”。 直接转矩控制是在定子静止坐标系下，应用空间矢量的分析方法，以定子磁 场定向，通过检测定子电压、电流等变量，直接在定子坐标系下计算与控制电动 机的磁链和转矩，采用借助于离散的两点式调节( b a n g b a n g 控制) 产生p w m 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。 随后，德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授弄 1 s t e i m e l 教授提出间接自控制i s r ( 德 文i n d i r e k ts e l b s t r e g e l u n g ) 系统。i s r 系统实际上是直接转矩控制系统和矢量控制 系统的融合与折中。它即保持了矢量控制的转矩连续控制和直接转矩控制的高动 态响应特性，又克服了直接转矩控制的转矩脉动和矢量控制的对参数的敏感性。 近年来，模糊控制、专家系统、神经网络、遗传算法的发展，使传统的电气 传动系统向智能化发展。而智能控制、自适应控制、变结构控制、最优控制、非 线性控制等现代控制理论的发展伴随着各种新型电力电子器件、各种高性能微处 理器的出现，必将推动更先进的控制策略的出现。 1 6 研究背景及研究内容 1 6 1 研究背景 ( 1 ) 控制系统鲁棒性与鲁棒控制 现代控制理论的一个重要特点就是控制系统的规范性。即现代控制系统设计 是以解析手段为特征的，它具有严格的数学结构和数学化的设计指标。这类方法 的应用前提是必须要有被控对象的精确数学模型。但随着生产的发展被控对象越 来越复杂，常具有分布参数、非线性和时变性等特点1 1 1 1 。此外，工业控制系统 一般要在恶劣环境中运行，各种各样的干扰会通过测量输入输出信号带入系统， 引起模型参数摄动和模型结构及时延变动。人们把一个稳定系统在摄动下仍能保 持其稳定性的能力，称为这个系统的鲁棒性。鲁棒性是街量控制系统性能的重要 指标之一。控制系统的鲁棒性是指“控制系统在某种扰动下保持不变的性质”。 对于传动控制系统，总希望设计一个具有良好性能( 稳定、快速、无静差等) 的 系统，在各种扰动下( 如负载扰动、参数变化等) 基本保持性能不变一这就是传 上海大学硕士学位论文 动系统的鲁棒性。鲁棒性是一个总称，根据模型设计的系统保持闭环稳定性的能 力和保持闭环性能指标的能力，鲁棒往又分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性川 3 l 。 在讨论具体问题时，也应指明系统对何种扰动的稳定鲁棒性，如系统稳定对参数 变化的鲁棒性、或系统稳定对负载扰动的鲁棒性等等。 鲁棒控制的概念是7 0 年代初发展起来的。其基本思想是在设计控制系统时， 考虑到被控对象的摄动或不稳定性，如被控对象数学模型的频率特性可以在一定 范围内变化或被控对象数学模型的某些参数可以在一定范围内取值等，然后设计 鲁棒控制系统使得闭环系统对在这一不确定范围内所有的受控对象均能满足理 想的控制性能要求。工程上对系统鲁棒性的要求愈强愈好，这也使得鲁棒控制问 题的研究成为8 0 年代以来控制理论研究的热点之一。如今，鲁棒控制在传动控 制系统也得到了一些应用，取得了良好的成效。 ( 2 ) 现代交流调速系统存在的一些问题 由于现代交流调速系统控制对象往往是相当复杂的，广泛使用的三相异步电 机中，很大一部分并不是在额定负载下运行，但为了了解异步电机的工作状态， 分析拖动系统的稳定性，快速性，鲁棒性等性能，就需要分析负载变化及不同参 数变化对系统的影响。 而有些对象参数往往难以精确测定和计算，系统在不同负载时，转动惯量可 能是变化的，比如电梯、一些生产流水线等在不同负载情况下，转动惯量就有很 大不同。在拖动大转动惯量负载时也常会遇到启动电流大，启动时间长等问题。 而摩擦转矩对系统的影响也很大，对不同的拖动系统，其摩擦阻转矩常常不同， 因此对不同的摩擦系数对系统一胜能影响作一些研究也有很重要的意义。交流调速 系统中异步电机的一些参数如定予绕组电阻月。及等效自感。、转子绕组rr 及 等效自感lr 的变化也会对系统产生一定的影响。并且负载性质的多变性，有时 是冲击负载，有时是恒定负载，有时是矩形波，正弦波等周期性负载，使得控制 系统性能受到很大影响，也造成了对交流渊速系统研究的困难。 由于实验条件的限制，实验水平和能力不高，现今对加载装置的研究常常局 限于调节直流电机的电阻或励磁来改变异步电机的转矩，无法较好的模拟各种负 载转矩，大大限制了高性能电机的发展和高性能拖动系统的研究。 上海大学硕士学位论文 ( 3 ) 课题来源 本课题是台达科教基金资助项目单神经元智能控制在电力传动系统中的应 用研究的部分内容。目的是设计数字化可控直流加载装置，以进一步研究高 动态性能交流调速系统的稳定性以及鲁棒性能。 1 6 2 研究内容 本文的主要工作就是设计完成一基于d s p 控制器芯片的直流可控加载装置， 并通过m a t l a b 仿真软件对交流系统进行加载实验的仿真。具体内容如下： 1 设计逻辑无环流可逆调速系统主回路，用普通晶闸管作为触发器件，主 回路采用反并联桥式整流电路，使系统能四象限运行。 2 t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 芯片的评估模块开发板( e v m 板) 作为系统控制核心，设计相应的外围电路，它可以分为转速检测模块、电流检测 模块、故障保护模块、电源相序检测模块、驱动模块以及d a 数模转换模块等 部分。 3 汇编语言实现液晶、键盘的显示与控制，电流p i 调节器控制，外围 模块电路的检测信号送入d s p 实时处理，并用d s p 的事件管理器实现双脉冲的 生成以及故障的软件保护。 4 通过m a t l a b 对基于直流加载装置的矢量控制交流调速系统进行系统 仿真，并得出相应结论。 上海大学硕士学位论文 第二章加载装置的理论依据及参数设计 2 1 可控直流加载装置概念的提出 如第一章所述，目前高性能交流调速系统的加载方式常常局限于直流电机加 励磁以及电枢回路串电阻，使得直流侧低速时流过电枢的电流很小，几乎生成不 了力矩，并且电枢电阻的变化虽然可以改变系统的负载，但系统的能量只能单向 流动，无法回馈到电网，造成了调速系统负载变化的单一性。希望能通过一个适 应各种负载变化的装置对拖动系统的转动惯量、摩擦系数的变化产生的影响做进 一步的研究，现今实验室对这种装置的研究还不是太多，而且很多是模拟装置， 难以实时灵活的对负载变化、系统转动惯量、摩擦系数的变化进行研究。矢量控 制调速系统希望负载装置动态响应快、稳态精度高、稳定性好、鲁棒性强等要求， 比如希望对转矩的变化d t d t 越快越好。开关或接触器切换以及手动变电阻改变 调速系统负载的响应时间通常在几十毫秒或者几百毫秒，甚至达到秒级，而直流 电动机具有良好的起、制动性能。易于控制，可靠性较高等优点，宜于在广范围 内平滑调节转矩，在许多需要调速和( 或) 快速正反向的电力拖动领域中得到了 广泛的应用。直流发电机用于拖动系统的加载装置控制简单，调节性能好，变流 装置( 晶闸管整流装置) 容量小，用数字化实现的直流加载装置响应时间只有几 毫秒甚至能达到纳秒级，能很好的满足高性能调速系统对负载装置的研究。 随着电力电子技术以及微处理器芯片的出现，数字化的调速系统已广泛应用 在电力拖动控制领域。微机控制技术在电力拖动系统中的应用给这一领域注入了 新的活力，使之呈现出蓬勃发展的新景象。 由于单片机具有快速的信息处理能力以及丰富的外围接口，它能完成数据采 集和运算处理、产生p w m 控制信号、状态监控以及故障诊断等功能，大量应用 在数字化的拖动控制系统中【2 。 单片机在控制系统中的应用在很大程度上促进了高性能调速系统的发展，但 由于其自身运算速度和精度的限制，对于实时性与精度要求高、需要处理的数据 量非常大的场合，它往往难以满足电路的控制要求。而近年来迅速崛起的新一代 微处理器芯片数字信号处理器( d s p ) ，由于具有高集成度、独特的内部结构、 灵活方便的编程方法、高速数字处理能力和完善的i ，o 接口等诸多优点，以及 逐步上升的性能价格比，在计算机、通信、图像处理、仪器仪表、工业控制等许 上海大学颁士学位论文 多领域获得广泛应用，正逐步取代一度广泛使用的单片机【2 ，特别在高性能调 速领域基本上已完全替代了单片枫，成为了新一代数字化调速系统的控制核心。 从系统对负载性能的要求出发，提出了可控数字化直流加载装置的概念，通 过此装置可模拟各种负载转矩，分析参数及负载变化对系统的影响，从而解决单 神经元控制器矢量控制系统对转动惯量和负载的适应控制问题，并提出相应的控 制策略，实现控制器参数的优化，使交流调速系统的性能对被控对象和环境的变 化表现出优良的转矩控制性能和良好的鲁棒性能。 此加载装置利用直流电动机作为交流调速系统的负载装置，实现异步电动机 与直流电动机同轴连接，通过控制宜流机的电磁转矩来改变交流系统的负载。选 用t i 公司的电机专用控制芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 作为装置的核心，主回路 采用两缓晶闸管装置反并联桥式可逆线路，使系统能四象限运行，并使电流阔环， 从而实现对点流电机转矩的控制。转速检测值可作为电流给定值的一部分，实现 对交流调速系统转动惯量、摩擦系数的变化产生的影响进行研究。整个可控加载 装置的软件部分是由d s p 的汇编语言实现。交流拖动系统与加载装置的原理图 可见图2 1 。 图2 1 箍个拖动系统原理图 2 2 加载装置的理论依据 电动机能够作为原动机拖动生产机械运转的原因是：电动机接通电源后，转 子线圈会在磁场中受力，转子产生了电磁转矩。于是便可以旋转起来，从而向转 子轴上的负载输出机械功率p ”。 最简单的电力拖动系统是电动机转轴直接与生产机械的工作机构即负载相 9 r 海大学硕士学位论文 连，电动机与负载为一个轴，同一转速，这种简单系统称为单轴电力拖动系统。 以直流电动机为动力的拖动系统为直流电力拖动系统，以交流电动机为动力的拖 动系统为交流电力拖动系统。 简单的单轴电力拖动系统如图2 2 所示。 图2 。2 单轴电力拖动系统 忽略扭转弹性转矩的影响，异步电动机拖动系统的基本运动方程式可写为如 下： ，等喝一巧一铷 ( 2 - 1 ) 其中j 一一整个拖动系统固有的转动惯量：珊一一异步电动机转子旋转的 角速度； 瓦，一异步电动机的电磁转矩： z 一一异步电动机的负载转矩： 孝出一系统阻转矩，即摩擦转矩：毒是摩擦系数。 本论文的加载系统就是利用基于同一轴上的直流电动机作为交流电动机 的负载，通过模拟直流电机的电磁转矩来改变交流机的负载，整个系统框图如图 2 1 所示。 考虑到该系统右侧的模拟负载直流电机，其电磁转矩定义为瓦：，其方向 和大小与异步电机的负载转矩z 是一致的，有： 石= t2 ( 2 2 ) 又直流电机的电磁转矩由下列因素决定： t 2 = c r 叫d ( 2 3 ) 上海大学硕士学位论文 乃为直流电机转子电枢电流，m 为直流电机气隙磁通，c ，为电磁转矩常数。 把( 2 2 ) 、( 2 3 ) 两式代入( 2 0 1 ) 式得 ，警喝- c r d 一和 ( 2 - 4 ) 考虑异步电动机的负载转矩是由被控的直流电动机的电磁转矩来模拟的， 若保持直流电动机的气隙磁通恒定，即印中是恒定的，则改变电枢电流l 即可 直接控制电磁转矩t ：，即异步电机的负载转矩乃。 现在控制给定电流e ，使它满足公式： e 咱+ c 2 甜+ q 警 ( 2 - 5 ) 假设直流电机电枢电流的跟随性能足够好，则，。= ：，把该式与( 2 5 ) 式 代入( 2 4 ) 式整理得： ( ，+ f ；) 警= 死七：瑚口一f i ( 2 - 6 ) 其中 c i = c ，中c 是可模拟的负载转矩，与系统静动态变化无关，即与速度无关。 c ：= c ，中c ：是可模拟的摩擦系数，其物理意义为通过改变c ：可改变系统运 行时与转速曲成正比的摩擦转矩。 c ：= c ；由q 是可模拟的转动惯量，其物理意义为通过改变c ：可改变和观察系 统在加速度和减速度时的动态相应的情况。 由( 2 6 ) 可得： j 警圾卅正。 ( 2 - ” 上式便是整个合成系统的运动方程式，其中 ，。= j + c ：是系统的合成转动惯量 f = f ：+ f 是合成系统的摩擦系数 乃。= c ：是可模拟的负载转矩 由上面分析可知控制负载直流电机的电枢电流，不仅可以模拟各种负载，还 可以在不改变系统机械结构的前提下模拟系统转动惯量与摩擦系数的变化。 上海大学硕士学位论文 本论文主要目的就是设计一数字化直流加载装置，由直流电动机作为交流调 速系统的负载，通过改变直流电机的电磁转矩即改变交流系统负载来检测异步电 动机带载性能，人为改变摩擦系数和转动惯量等参数以及分析不同负载变化对系 统的影响。 本论文主要工作是模拟负载转矩的直流电机的控制系统，其主要被控量是直 流电机的电枢电流，。基于d s p 数字控制系统，以电流闭环为基础，其控制框 图见图2 3 。 图中：是模数给奄电蓼值，是转速输出的函数。c = c 1 + c ：0 9 + c 3 等，其中 是直流电动勰蕊。，鸣是可模拟的电流值，：，( 脚) _ c 2 支c 3 粤， c ，、岛分别是摩擦系数、转动惯量的常量值。，。是直流电机电流反馈值。p i 调 节器环节后面是脉冲触发以及主回路整流环节，其中p i 调节器的输出要加限幅。 基本思想是用异步电动机同轴拖动直流电动机，采集实时转速值和电流值， 构成电流闭环，采用软件编程实现数字p i 调节器的运算。通过d s p 软件实现脉 冲输出，实现对主回路的相位控制，由d s p 的定时器从某一时刻起( 一般为a = o 时刻) 起，对控制角n 的电角度对应的时间瓦定时，定时时间到即是向对应 晶闸管发触发脉冲的时刻，改变l 即改变控制角a ，进而控制直流电动机的电 枢电流，使直流电动机四象限运行，实现各种状态，从而模拟各种负载转矩。通 过改变异步电动机的拖动负载，进一步研究单神元控制器交流传动系统的鲁棒 性，包括负载转矩鲁棒性以及扰动鲁棒性。整个直流加载系统的运行状态都是液 晶键盘的控制实现的，通过键盘可改变电流给定值、转动惯量、摩擦系数、p i 上海大学硕士学位论文 调节器的比例积分系数，实时显示电流反馈值、转速检测值、系统故障报警等功 能，并能控制系统的运行与停止，从而使得加载装置使用灵活、方便，为各种加 载研究提供一个良好的人机界面。 2 3 直流加载控制系统数学模型 直流可逆加载装置来源于直流可逆调速系统，它是一电流闭环的可逆系统， 转速检测值作为电流给定值的一部分，对它的分析可参考直流可逆调速系统的部 分理论推导和参数分析。 直流调速控制简单，调速性能好，变流装置( 晶闸管整流装置) 容量小，长 期以来在调速传动中一直占统治地位。近年来，高性能交流调速技术发展很快， 交流调速系统有逐步取代直流调速系统的趋势，但由于直流电动机本身固有的优 点，在一定范围内仍然起着相当重要的作用。 由于闭环控制系统能按被调量的偏差进行系统控制，大大克服了闭环内的各 种参数变化及干扰对系统造成的不良影响，提高了控制系统的控制精度和适应性 7 1 。直流加载系统实际上可看成是电流闭环控制的可逆系统。 为了对加载系统进行稳定性和动态品质等动态分析，必须首先建立起系统的 微分方程式，即描述系统动态物理规律的数学模型。 现在把直流加载系统中直流电动机的数学模型和电流闭环直流加载系统的 数学模型介绍如下： 2 3 1 他励式直流电动机的数学模型 他励式直流电动机等效电路结构如图2 4 所示，其中嗡为旋转角速度，t i 为负载转矩，u 。、i d 为电枢电压和流过电枢的电流，e 为反电动势，u f 、i f 为 励磁电压和励磁电流，其中电枢回路总电阻r 和电感l 为闭环系统整流主回路 的电枢绕组，它包括电机电枢本身的内阻和电感、电力电子变换器内阻、平波电 抗器电阻和电感以及可能在主电路中接入的其它电阻和电感。r f 、l f 为励磁绕 组电阻和电感。 上海大学硕士学位论文 占n 已丑 图2 4 他励式直流电机等效电路图 假定( 1 ) 电刷位于电机几何中性线上，( 2 ) 忽略磁路饱和，( 3 ) 忽略电枢反应引 起的气隙磁通畸变。可推导他励直流电机的数学模型如下： 假定主电路电流连续，则动态电压方程为 u d o = r ”三等“ ( 2 8 ) 忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为 l 一瓦= 丽g d 2 百d n ( 2 - 9 ) 额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为 e = c 。 ( 2 1 0 ) 和 t ：= c m l t 式中，瓦包括电动机空载转矩在内的负载转矩，n m g d 2 电力拖动系统折算到电动机轴上的飞轮惯量，n m2 ： e = 电动机额定励磁下的电势系数，n m a ： o 电动机绕组的气隙磁通，w b 。 c 。，：3 0c 。电动机额定励磁下的转矩系数，n m a ： 再定义下列时间常数： z = 兰电枢回路电磁时间常数，单位为s ： 驴罴一蚴狮黝桃悯撇博妫乳 代入式( 2 - 8 ) 和( 2 9 ) ，并考虑式( 2 】o ) 和( 2 - 1 1 ) ，整理后得： 4 ( 2 1 1 ) 上海大学硕士学位论文 g d o - - 叫l + 乃争 ( 2 - 1 2 ) 1 d - - l d l 寺警 协 式中，k = 孚负载电流。 在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数 搞= 瓣1 池 u d o o ) 一e ( s )五s + 电流与电动势间的传递函数 垒盟 ：旦( 2 - 1 5 1 j 。f 心1 - 。i u )i 。s 对额定励磁绕组有如下方程： u ，划，7 ，“，学 q - 1 6 ) 设n f 为励磁绕组匝数，l ：生为励磁回路电磁时间常数 。 “， 若忽略磁路饱和作用，则，f k = l f i ，即：掣，消去中间变量，并整 理后得： ：( 誓+ ，。) 矽 ( 2 - 1 7 ) 由( 2 1 7 ) 可知，如果保持直流电机的励磁绕组电压不变，则气隙磁通是一 恒定值。 综合上式，并考虑到n 2 必，即得额定励磁下直流电动机的动态结构图如 图2 5 所示。其中瓦= ；翼丢，e = 都是磁通的函数，其值由驴来决定。 他励式直流电机的机械结构本身保证了电枢电流和励磁电流的方向互相垂 直，因而它们之间是解耦的。但电磁耦合现象在他励直流电机中同样存在，当气 隙磁通变化时，势必导致电磁转矩和反电动势也发生相应的变化。当气隙磁通十 严格保持不变( 因为励磁电流在单独的励磁绕组中流通，所以磁通不变是可能 的) ，因而c 。十和c 。十均为常数，可将对象分解为两个线性单变量系统：转速系 上海大学硕士学位论文 统和励磁系统引。从而直接通过控制电磁转矩就能改变直流电动机的转速。 图2 , 5 直流电动机的动态结构图 2 3 2 直流加载系统的数学模型 对电机控制的根本问题就是对电机电磁转矩进行控制。而电磁转矩是气隙磁 通和电枢电流的函数，因此，对电磁转矩的控制，最终将落实到对气隙磁通和电 枢电流的控制。一般在基速以下采用恒磁通控制方式，保持额定磁通不变，以获 得最大的输出转矩。而在基速以上，采用保持反电动势为常数的弱磁控制方式。 高性能的调速系统，往往需要电流闭环控制，这是因为电流闭环控制具有抑制反 电动势扰动，限制电枢电流。保证系统安全可靠运行等优点。可控加载系统为了 保证电流具有良好的跟随性能，采用电流反馈以及p i 调节器实现电流无静差调 节。 长久以来，数字控制由于其高昂的价格及本身离散化及数字化产生的负面效 应，比如量化误差产生的控制精度和平滑性问题以及离散处理产生的稳定性问 题，在现代拖动控制系统中一直没得到普遍应用。近年来，随着半导体器件和微 电子技术的进步，微处理器的运算速度不断提高，其位数也不断增加，数字控制 存在的问题造成的影响已经越来越小。而模拟控制系统具有物理概念清晰、控制 信号流向直观、信号波形连续等优点，在控制领域一直占主导地位。 电流闭环直流加载系统原理框图如图2 6 所示。 其中a c r 是电流调节器，t g 是测速发电机，t a 是电流互感器，用以检测 电动机的电枢电流，u p e 一电力电子变换器，i 。是可模拟的电流值，f ( n ) 是电动 机转速n 的函数，也是角速度的函数。 上海大学硕士学位论文 二 图2 6 电流闭环加载系统原理框图 为了获得良好的静、动态性能，系统中电流调节器采用p i 调节器，转速检 测值作为电流给定值的一部分当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去 控制电力电子变换器u p e 。电流调节器a c r 的输出是带限幅作用的，它的输出 限幅电压u 。，限制了电力电子变换器的最大输出电压u 。 电力电子变换器内部的晶闸管触发和整流装置在动态过程中可看成一个纯 滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间正引起的，失控时间t 是随机的， 它的大小随u 发生变化的时刻而改变，最大可能的失控时间就是两个相邻自然 换相点之间的时间，与交流电源频率和整流电路形式有关，由下式确定： k = 万1 ( 2 - 1 8 ) 式中，交流电源频率i m 一周内整流电压的脉波数。 晶闸管装置的传递函数可近似成一阶惯性环节： 嘴) “去( 2 - 1 9 ) 闭环系统中电流反馈环节的响应是瞬时的，它的传递函数就是它的放大系 数，即 ( j ) = ( 电流反馈) ( 2 2 0 ) 1 7 上海大学硕士学位论文 因为电动机转速r 与角速度珊有如下关系： 6 0 c o 玎= 一 2 ，r 又，：是角速度的函数， f g = c 2 c o + 巳等 对上式进行拉氏变换，则 l g = ( q + c 3 s ) e o 由各环节的传递函数可得直流加载系统的动态结构图如图2 7 ( 2 - 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 囤2 7 直流加载控制系统的动态结构图 上述介绍了直流加载控制系统的组成原理和动态数学模型。系统的各个组成 部分均可用模拟部件组成，比如电流调节器、转动惯量的角速度微分环节用运算 放大器实现，电机的转速用测速发电机直接检测，双脉冲信号由脉冲触发装置生 成，一些加法、比例、积分或保护环节可由电阻、电容、放大器、稳压管等实现， 像这样由模拟器件组成的控制系统属模拟控制系统。模拟系统具有物理概念清 晰、控制信号流向直观等优点，但其控制规律体现在硬件电路和所用的器件上， 因而线路复杂、通用性差，控制效果受到器件的性能、温度等因素的影响。以微 处理器为核心的数字控制系统( 简称微机数字控制系统) 硬件电路的标准化程度 高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响；其控制软件能够进行逻辑判断和 复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等 控制规律，而且更改起来灵活方便。总之。微机数字控制系统的稳定性好，可靠 性高，可以提高控制性能，此乡 ，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟 控制系统无法实现的功能。由于计算机只能处理数字信号，因此，与模拟控制系 统相比，微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化，离散化和数字化的结 上海大学硕士学位论文 果导致了时间上和量值上的不连续性，从而引起一些相应的负面效应，影响控制 精度和平滑性，甚至会使系统不稳唬但随着高性能处理芯片的出现，微处理器 的运算速度不断提高，微机数字控制系统本身的问题越来越小，已经在相当程度 上取代了模拟控制系统。 1 9 上海大学硕十学位论文 第三章可控直流加载装置的系统结构 3 1 控制系统的总体结构 随着微电子技术的不断发展，作为控制系统核心的微处理器也得到飞速发 展。微处理器在控制系统中的大量使用使得系统的控制方法软件化，系统的硬件 电路通用化。尤其在8 0 年代初期出现了数字信号处理器( d s p ) ，使得电力拖动 系统发生了根本性的变化，以d s p 为控制核心的数字化拖动系统成为现代拖动 控制系统的主要发展方向。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是美国t i 公司专为电机控制而优 化设计的1 6 位定点d s p ，与t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 相比，外设集成度更高、程序存 储器更大、a d 转换速度更快等特点，它的两个事件管理器模块可提供1 6 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道，是电机数字化控制的升级产品。 可控直流加载装置从总体结构上看就是以d s p 为控制核心，并辅以相应外 围接口电路的可逆控制系统。整个加载系统的结构原理图如图3 ，1 所示。 图31 加载系统结构原理图 由上图知，加载系统在硬件上主要有两部分组成： t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的e v m 板；基于e v m 板的外围接口电路板。而外围接 口电路板又由调速检测控制板、主回路板、功率驱动板三部分组成。e v m 板主 2 0 海人学倾i 学化论义 要是完成与上f 讧材l f l , j 通讯、系统外部各种检测信号的处理并向外部系统发出各种 指令：外幽接v ii u 路板土要是接受e v m 板的各种控制信号，对外部信号进行处 理后变成d s p 能接受的信号送入e v m 板。其外围接口主要包括键盘液晶控制 环节，电流、转速检测环节，脉冲驱动、电源相序检测、功率摸块保护环节等部 分。 3 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的d s p 核与实验开发系统 3 2 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ( 内d s p 核 3 2 1 1d s p 结构特点及应用原理 d s p ( 数宁信号处理器) 是7 0 年代术，8 0 年代初发展起沫的以数字信号来处 理大量信息的器件，是一种特别适合于实现各种数字信号处理运算的微处理器， 其丰要应用特点是实时快迷地实现各种数字信号处理算法。 d s p 的j 二要结构特点如下： 采用改进犁哈佛结构，高度的操作“并行性”，支持流水线操作，片内含有 专门的删件乘法器和高性能的运算器及累加器，提高了控制器的实时控4 r l a “j “r j 。