（微电子学与固体电子学专业论文）数字伺服系统ip软核的设计.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并已致谢。 本论文及相关资料若有不实之处，由本人承担切相关责任。 论文作者签名： 瘥曲銎i ，年弓月弓日 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学，无论何时何地，未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅：学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以上申明同样适用) 论文储橼年导师签名势灿埠弓月哆日 摘要 数字伺服系统i p 软核的设计 学科名称： 指导老师： 研究生： 微电子学与固体电子学 摘要 论文什对目前信息技术的发展，结合交流电机方面的实际戍圳，设计了一个基 丁父鼙控制算法的交流电机速度伺服系统的i p 软核。该软核由电流p i 控制器、速 度p i 控制器、坐标变换模块、洲速模块和s v p w m 模块等单元构成。该软核既j 以单 独作为伺服系统的速度控制器来使用，也可放在系统芯片中作为位置犁伺服拄制系 统的一部分。 奉课题采州t o p d o w n 设计方法学，对系统按功能划分模块来进行设计。先对各 功能模块进 j ：i 殳计、模拟、验证，再对整个系统组合起来进行模拟、验证，最j 厅利 h jf p g a 进行便件验证。结果表明殴计正确，功能良好。 令文批分? i 章，其中第三章、第四章和第五章是本文的重点。土要阐述r 课题 研究的方法、内容平结果。 第一章论文通过分析目前国内外电机伺服系统发展的情况和交流i u 机控制芯 片的j 1 泛应_ l j ，论证了设计数字伺服系统i p 软核的必要性。 第一章阐述了交流述度伺服系统的结构，详细讨论分析了交流电机久h 控制 理论干 u 压空间久量脉宽阔制方法。 第二章，按j ! 设计思想，阐明怎样具体设计该系统。首先根据没训要求，】刊述 j 数字州服系统i p 核的主要设计指标。接着根据系统的设计要求将系统划分为芈标 变换模块、p i 控制模块、m t 测速模块和s v p 帆i 脉冲产生模块儿部分。r i 二算法级i 5 1 汁【| ，粟h c o r d i c 葬法来实现欠量的旋转变换，这有效解决了欠量旋转变换的巾题。 采i | 【u 压审问父量法设计p 1 v m 脉冲发生器，结果显示电压空间欠培算法可有效减少 器什的开芙损耗。 西安理工大学硕士学位论文 第旧誊，给山了备功能模块的功能和时序仿真幽结粜证明改计的t 1 确一r 。 第丌节，分折讨论j 基j if p g a 硬”验证的方法。使川v e r i l o g - - i t d li * 吉编。； 代码求实现帙块j 能，使j l ja 1 e r a 公司的 i a x i ，【l s i i 软什求完成功能仿真和l 仍 真。使川a i 。1 r 卧公司的e p f l o k 3 0 r 2 0 8 芯片进行硬什验证，经过f p g a 的实现流w 把配置文俐配置剑e p f l o k 3 0 r 2 0 8 芯片中，最后h 示波器观察其输：u 波形。验t i f ， 果表明i 5 2 计完全满址预先的要求。 篼? i 誊，总结了课题所作的i 作和取得的成果，也对课题进 。 】得剑的螳心 得i 堡仃丁总 ；，最后进仃r 课题展望。 戈键州：火茸拄制c o r d i c 算法。s v p w m a b s t r a e t i ps o f tc o r ed e s i g n 0 fd i g i t a ls e r v os y s t e m s p e c i a l i z e ds u b j e c t ：m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i de l e c t r o n i c s a d v i s o r ：l k “乳 u g r a d u a t es t u d e n t ： ，x t 。kd a t a ：川f ；如 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ea n x i o u sr e q u i r e m e n to ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e w i d ea p p l i c a t i o no f a cm o t o r ，i ps o f tc o r eo fs p e e ds e r v os y s t e mf o ra cd r i v e sb a s e d o nv e c t o rc o n t r o l s t r a t e g y i s d e s i g n e d t h i s i ps o f tc o r ei n c l u d e sc u r r e n tp i c o n t r o l l e r 、s p e e dp ic o n t r o l l e r 、c o o r d i n a t et r a n s f o r mm o d u l e 、s p e e dm e a s u r e m e n t m o d u l ea n ds v p w mm o d u l ea n di tn o to n l yc a nb ea p p l i e da sf lm o d u l e ，b u ta l s o c a nb ew i d e l ya p p l i e di ns y s t e ml e v e lc h i pd e s i g n t h ep r o j e c tu s e s “t o p d o w n t e c h n o l o g yt od e v e l o pc o r eb yd i v i d i n gs y s t e m a c c o r d i n gt oi t sf u n c t i o n a tf i r s t ，d e s i g na n ds i m u l a t eo ns i n g l em o d u l e ，s e c o n d l y ， o nt h ew h o l es y s t e m ，a tl a s tv e r i f i c a t i o nu s i n gf p g a t h er e s u l t sp r o v e dt h ed e s i g n s c h e m ei sr e l i a b l ea n dp e r f e c to nf u n c t i o n t h e r ea r es i xs e c t i o n si nt h ew h o l et h e s i st h et h i r d ，f o u r t h ，a n df i f t hs e c t i o n s a r ee m p h a s e so ft h ep r o j e c t ，t h e s es e c t i o n sm a i n l yd e s c r i b eh o wt od e s i g nt h ei ps o f t c o r e t h ef i r s ts e c t i o n t h en e c e s s i t yo fd e s i g n i n gt h el ps o f tc o r eo fd i g i t a ls e r v o s y s t e mi sd i s c u s s e db ya n a l y z i n gt h ea c t u a l i t yo ft h es e r v os y s t e md e v e l o p m e n ta n dt h e a p p l i c a t i o n o fa cm o t o rc o n t r o l l e r , a n dp r o v e st h a ti th a ss c i e n c ea n de c o n o m y s i g n i f i c a n c e t h es e c o n ds e c t i o n ，t h ev e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yo fa cd r i v e sa n dt h es v p w m p r i n c i p l ea r ea n a l y z e dd e e p l y t h et h i r ds e c t i o n h o wt od e s i g ni si n t r o d u c e da c c o r d i n gt ot h ei d e ao ft h ed e s i g n a tf i r s t ，t h ef u n c t i o ni n d e xi si n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h ed i g i t a ls p e e ds e r v os y s t e mi s d i v i d e di n t os e v e r a lm o d u l e s a n dt h ed e s i g ns c h e m e s o ft h em o d u l e sa r ed i s c u s s e da t 里童墨三苎兰竺主兰堡笙墨 l a s i t h ed i g i t a lr e a l i z a t i o no fc o r d i ca r i t h m e t i ca n ds v p w mm o d u l ei sd i s c u s s e di n d e t a i f h er e s u l t si n d i c a t et h ei o s so f s w i t c hc a nb er e d u c e di ne f f e c t t h ef o u r t hs e c t i o n ，t h es i m u l a t i o nc h a r t so ft h em o d u l e sa r eg i v e nt h el a s l s i m u l a t i o nc h a r t sa r eg i v e nt op r o v et h er i g h to fd e s i g n t i l ef i f t hs e c t i o n ，v e r i l o gl a n g u a g ei su s e dt oc o d et h ec o d et i l ef u n c t i o n a la n d t i m es t i m u l a t i o nu s et h e 、, a x p l 【j si i ，f i r s t e a c hm o d u l ei ss i m u l a t e d t h e n a f t e rt h er i g h t r e s t i l tc o m e so u t t h ec o d eo fe a c hm o d u l ei sa s s e m b l e dt of o r mt h ec o d eo fw h o l es y s t e m l a s t t h ew h o l es ，s t e mi ss i m u l a t e df p g ai su s e dt ov e r i f yt h ef u n c t i o no ft h es y s t e m f i l ef t g ac h i pu s e di se p f l0 k 3 0 r 2 0 8o fa l t r e a t h ec o n f i g u r ef i l e i sd o w n l o a d e d i n t ot h ef p g ac h i pa c c or d i n gt ot h ef p g ad e s i g nf l o w t h e nt h eo u t p u t sa r eo b s e r v e db y o s c i l l o g r a p ha n dc o m p a r e dw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t i n gt h ed e s i g nc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n t si na d v a n c e f h es i x t hs e c t i o n s u mu pt h ew o r k s ，h a r v e s ta n dw h a to n eh a sl e a r n e da n dg i v e af l i t u r e 、+ i e wa b o u tt h ep r o j e c t k e ) w o r d s ：v e c t o rc o n t r o l ，c o r d i ca r i t h m e t i c s v p w m 绪论 1 绪论 1 1 研究意义及现状 2 0 世纪后期的电子技术( 包括大规模集成电路技术、电力电子技 术和计算机技术) 的飞速发展以及现代电机控制理论的完善，仿真l 业的h 渐成熟，极大地推动了作为机电能量转换的基本单元电动机控 制技术的发展。根据使用电动机的不同，电机控制技术可以分为直流 伺服控制和交流伺服控制两种。直流伺服控制系统相对简单技术也 比较成熟，但是由于直流电机本身存在不可克服的缺点而影响了它的 使用范围，特别在一些高速运动和大功率场合，直流伺服电机仍受掣 时。交流伺服控制技术作为现代工业生产设备的重要驱动源之，是 t 业自动化不可缺少的基础技术，它代表了伺服控制技术的发展方向。 但是由于交流伺服控制在控制算法及交流伺服电机的制造上均存在着 较高的难度而使其发展缓慢。 近年来，随着矢量控制理论的不断发展，以铁硼为代表的高性能 永磁材料性价比的不断提高，大大加快了交流永磁同步电机及其伺服 控制系统研究的步伐。矢量控制理论是由德国西门子公司的f b l a s c h k e 等人于1 9 7 2 年提出的。经过二十多年来的研究发展，矢量控制策略己 经成为日前最为成熟，控制效果较好的一种控制策略【i 。2 j ，在高性能交 流驱动领域的应用越来越广泛【j 4 j 。 矢最控制算法有多种形式，对于交流永磁电动机，最常用的是转 子磁场定向( f o c ) 控制算法。该算法的主要思想是将交流电动机的电 流或电压分量进行坐标变换和旋转，等效为直流电机末控制。l b 于转 _ ： 二磁场定向控制算法的计算比较复杂，目前主要采用d s p 以软件方式 柬实现【5 。“。这种没计虽然灵活度高，但受到执行速度和电路资源的限 制。! b 采用比较复杂的算法时，往往需要双d s p ，这使得整个系统的 性价比下降。 国内主要的交流伺服控制系统生产，“家有：沈阳莱茵机电有限公 西安理x - 大学硕士学位论文 一0 ，。j 波m 科公一d 和l 轲京j 冀斯蝴i 。业 jz 巩化f j 限公司。田外的交流 j j j 伞制系统 1 - j 、。家i - 要以二菱、富 ：、松f 、和两门子等并车介、l k 为 坨义。这此公r 邶0 ，1 ，- 。销人邮采用数摸混合的彤j = l = 术实现交流州服系统。 ”t ， u 流控带j 和乏馈信0 多采j | j f 炱拟力式实现，述度和位胃控制j 二 控带j 策略较奠杂多采j j - i 机或d s l ，束实现。这 ￥将r l n 鹿t ；- ；t 3 02 j 速艘 和f 节霄控制分r 改汁的疗法小仪增大了整个系统的舰摸，m 也奔埸 受到外界的t 扰。 近年术现场，j 编程门晒列( f p g a ) 的发展为交流俐服系统的实现提 供丁个令新的心路。f p g a 足标准的恤元阵列，川、i j t 楸j ：l ：f i 已的需 婴，通过t - j 的tj 肠佰线【f 埘 i ；内部进行编；f i ! ，f f ! 矩时m 内没汁 f jl 的川。匕”：山_ _ j i 它以纯硬什的力式进行并仃处理，而1 小：，川 c p u 的资游，所以叮以使系统达到很高的性镝e 。 水文拟挝， ：r 爷片芯片卜实现交流速度们服控制器的力法，n ： ”匕。j j 成 u j l 速度控制和p b 流控带的研仃算法，减小速度f 口j 服控 带_ 系统的艘什舰摸。柯监于侗小拎制系统f 一【业、乍产和乍活巾的f ， 人越用，州f 片小改汁tt 】以带术 i 人的实用价值和定的商、! k 价仇。 1 2 课题相关技术与发展 121 集成电路的发展和ip 核的定义 壤j 戊 山钎技术1 最近f + 年f 1 损得了e 速发腱，已经历了小枷模臻 f 戍( s s i ) r i ，摸璇成( m s i ) ，大瑚摸集成( l s i ) 刮超人圳模集成( v l s ij f 柑人规模# 二j k ( u l s i ) 撤掘m o o r e 定律，r - 个，占片f ：的! 二成度以何 】8 个川翻衙的速瞍提尚。币芯i ：的集成度达刮j 卜亿e j t l i 体竹。加 i i z 也从做水级发塍到深q t 微米埏_ = 主；! 超、i f 微水级。2 0 0 3 f jo 0 9um 的i ：芝l ? t 。蛤1 , i k 成f h 。这晚【j j 深、i f 微水的肌j t 女术已纶成熟j t 将 j 戊为今 j 盟二成t u 踏眈i ，的j ：流i 艺：随苻器件特缸k 寸越求越小币 芯i 【：u ，容纳的系统觇模越来越人。f t f 加i 备利兼容技术的丌发，如 绪论 数模混合技术，双极m o s 技术，计算机辅助技术，加_ l 技术等等。这 些都为系统设计提供了巨火的设计空矧。集成电路的发展已进入r 片 ：系统，即s o c ( s y s t e mo hac h i p ) 或称s l l ( s y s t e ml e v e li c ) 。 s o c 系统将原来【扫许多芯片完成的功能集成到1 片芯片中完成。 但s o c 小是各个j 占片功能的简单迭加，而是从整个系统的功能和性能 h 发，川软硬件结合的设计和验证方法，利用1 1 7 核复用技术杓个，出 片f 一实现复朵的功能j 。所谓i p 指的是可用来生成a s i c ( a p p l i ( 、a 1i ( 1 n s p e c i f 。ic n le g r al e dc if c i i j t ) 和p l d ( p r o g r a m m a b le o g jc1 ) e v jc o ) 的逻辑功能块。、根抓i p 核描述的所在集成电路的殴计层：父，或稍浇撤 折j 核优化的程度，l ，可分为硬 i ，、固l i ，和软lp 。硬j f ，的芯片叫i 物 理掩膜伽局已得到证明，所有的验证和仿真_ t 作都已完成，用它 以 直接产生硅片，系统设计者不能再对它进行修改。而软i i ) 是以行为绂 或i 1 l 级的v er i l o g 或v i i d l 代码的形式存在，用丁描述功能块的行 为，但是并小涉及用什么电路和电路元件实现这些行为。软核可经川 户修改，以实现所需的功能。它要经过逻辑综台及版图综合月能最终 实现在硅片j 二。占| i p 介于软核和硬核两者之阳j ，是完成了综合的j 能 块，比软j i ，有更大的设计深度，已经完成门级综合、时序仿真等设汁 阶段，以门绂嘲表的形式提交使用。 12 2 伺服系统的发展 们服系统的发展紧密地与伺服电动机的刁i 同发展阶段柏联系，伺服f u 动饥节今已仃l 十多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段： 笫个发腱阶段( 2 0 世纪6 0 年代以i u ) ，此阶段是以步进f 乜动机驱动 的液脏倒服，i 达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺帔系统的 位筲控制为”环系统。 第。个发腱阶段( 2 0 世纪6 0 7 0 年代) ，这阶段是直流伺服r u 劫机 的诞生和全盛发展的时代，山于直流电动机具有优良的调速。陀能，很多：1 西安理工犬学硕士学位论文 性能驰动装胃采川丁“流 n 动机，童系统f n 化胃控制也丌珥系统发燧 ，k 为闭蚪系统= m 数控 l 睐的应川领域，水磁- a 流电z 山机，统治地似 j o f 夺釉电路 dt p 厄f 功磁茹! 耗，低速。r # 能j 。 菊i 个发腱阶段( 2 0 世纪h ( ) ；f - 1 t 至今) ，这。阶段足以 j l f u 体化叫 代f 1 ：为7 7 景的，t j - f _ l j 服l 乜动机结构及填水磁十j 料、 i 矧jj 技术的突破l ：进 鹾f f i 现了厄删i 1 流f , j u i i ：电动机( 万波驱动) ，交流f 【i j 小f u 动 l 【e l j 坂波 ! 抠功) 等种种新型f u 动机。舀二这仆寸期交流伺服控制系统逐步取代了a 流 州服系统，k 为1 、j p f | 动化领 o 1 1 9l 二要技术。 企i , i c fr d 服系统仪抖- ”c 处理信i j 的疗j 1 i 川，j 以分为摸拟伺服、数 7 ，摸拟混合- 伺服剐个数字。伺服。模拟倒服和混合式f f l ：j 服f j 许多优点。 它仃j 仃快速的动态应和成熟的改计经验。但足模拟电路艾现复杂，f 乜路 犬汀一陀低m i 所州数j ：式伺服是指系统的 ：要部分由数。，运算儿件构成， 数h 牵制”j 分：炎： 。炎为软什厅，即数亨几什通过软什进仃工作。if 时软f ”i 力j 多是乐j i ) s i ，芯片编程求实现。这种i 5 汁虽然灵活度高，似i 受 至l 执行速度和f 也f * 资源的限制。另一类为硬件方式，即数字几什的t 作1 i f j 软件而仪川艘r 卜。它乜括数j ：电路硬件控制、擘用集成l 乜路( s f ( 。) 和 超犬姚镆集成f 江路艘什控制。最近? 十年束 | 1 于微ur 技术的快速发胜， f 乜路的集成嫂越采越对伺服系统产q i 了 | 之醺要的影交流俐臌系统 的控制方- 迅速川0 。芯片控制方向发展，这已成为今后例服控制系统发 腱的个趋辨。 1 3 课题主要工作及论文结构安排 小课题的1 篮| | 的足遁j 、i | l m 交流电机例服控制系统l ； j 个数7 ，化发 艟的需求，丌发个伞数亨速度伺服控制系统i p 软核它i 仃典型的 f 乜机遮嫂蚪结构：能够完成速度f f u 流调1 ，：能接受数i ：f 。i 哼和操作 指令：能按输入的数圳指令输：f 所：6 j 的p w m 信：j ：载波频率u j 通过参 数设苒1 。 绪论 小课题的设计思路如图1 1 所示。 刚1 设汁流程 仝文共分土l 章，论文的章节内容安排如下： 第一节是绪论，介绍课题提出的背景，并针刈存在的问题，提 本文的研究意义和研究思路。 第一嚣阐述了本课题的理论基础，从速度伺服系统的结构图出发， 阐述矢量控制的基本原理，并洋细论述了电挺空唰矢量脉宽调制技术 ts v i w ) 的算法。 第i 孥详细说明了速度伺服控制器软核的结构设计，包括系统改 汁和各个f 模块的设计。 铺p u 誊垃伺服系统i p 软核的功能模拟和时序仿真，给出厂齐个模 块和惨个系统的仿真结果。 第f l 争用r ) ( ；a 列系统验证。介绍了整个流程，并给m 了验i j l 结粜。 筇六尊艇噪题总结。总结了课题取得的结果和设i t 心得。t 课题 以j t j l * 要进仃的，1 ：进行了总结。 壶士士 荤 矢量控制理论 2 矢量控制理论 小节汀尤介? h 交流1 f j ：j 服系统的结构h 。然后儿体阐述交流州眦泰镜 刊的父鞋控制味州、l 乜j i ；f i - - 1 、i j j 矢量咏j 麓渊；i j , jf i ：j 聃本原理i l = 【】艾现，浊。 2 1 交流伺服系统的结构 交流f 巳动机的拧制系统可以分为位置伺服 伞制和速度伺服 夺制。f 一 。n m 帔控制系统址以定化精度干位胃跟踪议，j 为l 二监控制i 】怀。速艘 j j 系统足以f 匕二；j 机的转速为控制i ：l 标，对i 也z 巩 【进i r 渊速控制。 j 。f 、j 甫! 村j t # j 、 e 较疋； 很叫# f 战至虬通h 】。r ，般。f 占沙f t 苜l fs k 汞j fjt 1 1 ”帆! 女1 ) s 求。，t 成”速度控m 0 和电流川、麒仃通i f j 性，f n 】i 。陀能的 j 玺f 业控制离小丌l u 流控； j | ，此可以把它们集成到。个芯ir f ，。小；j ： 改就地采川久i 童控制算法设了。个交流f 乜纠j 机速度伺服托i 制系统 的 软卡殳。，【划! l 足述f 笾f 【】：j 服系统的结构罔。 l l ；赢研： h ! l 速发例服系统的结构劁 1 0 t h 划址仉眦i 过础“l ：足比f 乜编鸭器，川泉将f 乜动机 ? 的儿 似移鞋转变为咏冲f 数j ? 鞋，r 1 缎过倩频干_ | 月f 十后锝刮速腹反馈仳。 从 ￥i ! l i 以f i f i ，速嫂f t jj j 【j 系统 二篮i i i i 巫j 堑 矧，l j ，l 乜；虎 i ：f 驯，w 、1 技牛器千速瞍反馈值的弹儿部分构成。交流f i iz 巩 l 足个多变j 、 灶椭i 棚0 | 线陀系统为j 7 达剑准确控制的 0 ，小改汁t ：采删父 l i 控制矩法柬殴汁速f 叟控制器和 c i 流控制器。 西安理工大学硕士学位论文 2 2 矢量控制原理 矢量控制的思想就是将异步交流电机模拟成直流l 乜机束进行控制。 通过三柏静止批标系a b c 一两相静止坐标系e ld 一两相同步旋转坐标 系( 卜一q 两次班杯变换。在dq 坐标系罩，将定予电流矢量分量分解 为叛转了磁场j t 向的两个直流分量i d 和i 。，并对其加以控制。控制id ， 州“控制磁通；控制i 。相当于控制转矩。这样，使将交流片步i 机 的多变；走强祸合的非线性系统进行了解耦控制，使得异步ll ! 机可以按 照a 流l 乜机的控制力式进行控制。f 面将从交流异步电机的数学模，型 出发，推导山矢量控制方稃。 2 2 1 交流异步电机数学模型和坐标变换 异步电动机的数学模型是一个高阶，非线性，强耦合的多变j 扛系 统，在研究异步电机的多变景数学模型时，常作如卜假设： 1 i 相绕组刈称忽略空问谐波。 ! 忽略磁路饱和，各绕组的自感和感都是对称的。 3 忽略磁芯损耗。 在恒转矩负载卜，i 相异步电机的多变县数学模型可用式( 2 一1 ) 表小： rx i + 上堕+ 甜丝f( 2 1 ) d t0 0 鼬f 1 u 足定了、转子杆i 电压矢量：l 是定子，转子漏感：c 。足转 j ，f f j 速度： i 是定子，转子 乜流：0 是定子和转子之问的火f f 。 吲22 是异步电动机的等效电路削。 圈2 - 2 异步电动机的等效电路图 墨兰兰型坚丝 j 挥变髓之i h j 的强嘏合r i t - 受求蝌作线4 陀方f z 【! 一1 ) 足m 常忭 难 的。所以通常j “挺宋川一垮标变换的方法以改造，使片步i 乜h l 的数。? 睽，叫阳化为【e 较的i 、门a 流r u j f j i 的数学模7 儿为保持总磁动坍r j j j 二红 f 聚f 、 f i 变，返社录川1 1 ：交变换乃，进仃。下向以1 乜流为例术进仃说叫。 2 2 2 坐标变换 、 二州i 抒l h 剑眄州铮小的变换 亿f i j l ：宄父镀州：王义了：种啦柄i 系即i 棚静l p 啦杯系，两棚挣j i ： 一卜 - j 、系和两州娃转一批1 | = ，】、系。为达j _ ：l 一扣标变换的 1 的，使异步 u ，机模i _ j f t , hr l 为f f 流 u ! 力饥模儿先将异步电机模删从一升口静i l 坐 ，j i 系a b c 变 换午两机孙i 川怀系。一p 。如图2 3 所玎i ： h2 - 3 矢址控；制的一丝托；变换 根引总磁二巩礴小变的原则，保持变换前后功： ：可；变，乐川 交变 换m 阶，l ： 挎j7 蕾授公( 二! ) ： 店 】 0 1 压 1 7 以 ， 】 压 ( 2 2 ) 西安理工大学硕士学位论文 = 店 1一土 。坐 ( 2 3 ) 肾，：1 1 c ，们 圈2 - 3 所示。图中静止坐标系的两相交流电流0 和旋转垮标系的州 相直流电流i ，。生同样的以同步转速旋转的合成磁动势。d 轴、t l 轴 ( ：f 蚰8 i 相l ( 2 - 5 ) k ! r2 i s i n p c o s 0 ( 2 6 ) 练合前面几，j 得到三桐静止坐标系a | 3 c 到两十月旋转坐标系d - - 。 之 问的变换公为： c o s ( o 一1 2 0 。) - s i n ( 0 1 2 0 。) 1 2 c o s ( o + 1 2 0 。) 一s i n ( o + 12 0 。) ( 27 ) 础洲上压 ，- t2 - 2 ) 午c2 - 8 ) 垃以f u 流为例求进_ j j 的丝标变换，这i 公j 也h 仟通 j j uj i 、刊磁矗i 的变换。 2 23 异步电机在不同坐标下的数学模型 f l 圳- ( 2 - 2 ) 个- ( 2 - 8 ) 的推导就- ，j 得到异步l n 机a 小川 标系 fn 0 数学f ； ；+ 叫。 、歼彤 f i 机n 心州抒【 ：一拉f ，i ：系下的模型： ( j 川 l 耙 ( ，7 ，二j j 1 - j l 。p l 一j 0 r i + l _ p m l 。 l ，p l h j p 0 r ：+ ，p 一( o f 0 i 。j p 上 r ：+ ，p ( 2 9 ) j 一 ，r 】j , j 定j i u m ：r 2 为转r 电k 儿；l 。为h 感：l 。、l ，为j 芷r - 、 i j 的等效i i 憾：u 越f u 【娃转的f f j 频率：p 是微分【矧于：1i 。足定j f u 流：i ，i ”址转川蜥1l 足f b 机转如。 转孙方h - ： _ ，_ 2 ”，。( f ，? l i 。：一t 【i 1 二j ( 2 l0 ) 、片彬i u 村l 化阳川旋转一卜h ：系卜的摸；! ： 卜 协 r + l 。p q l 、 l 。， m 、l 。 “i l 、 r + i p m 。l 。 l 。p l ，p q 。 r ，十f j ? p 0 9 、l ， 一m ，l 。 ，) ( o n l r 二+ lp 2 11 ) t - j t 1 再砸含义川f 1 01 足d - q 轴同步转速，c 虬怂转，：。频率 m 、= 一一c o 。鹏州i 址 i 卜标系_ 的转l u 力 z 为： 1厶 系i ) f h 坚 ? 一 ，0 t 嗽1 村 h r j jl p j ，芏 二 繇 “ 枷ij i f 掣l二二卜 i。i ，一j二 k 西安理工大学硕士学位论文 7 ：= ，( i 以，一i d 2 1 q i ) f2 - 1 2 ) 其 ，假殴世标系d q 以同步转速u 1 旋转，且d 轴是沿着转了总磁 链父臂v ：的方向。即有： 妒2 = y = 。i ，| + ，i ，! ( 2 - 】3 ) 2 24 矢量控制的基本方程 i h 卜j 0 推导l ，j 看出，交流异步电动机经过坐标变换可以等效为l + f 流l t l 动机。按照直流电动机的控制方法，求得直流f 乜动机的控制翳， 经过相应的坐标变换就能控制交流异步电动机。山j 二进行坐标变j f 4 的 怂i 乜流的宅叫欠显。所以，这样通过坐标变换实现的控制系统就称为 父鞋控制系统 式( ! 一1 1 ) 给出了异步j t z4 ：a , 在同步旋转坐标系r 的数学模型。刈j 鼠笼型转j rl l f ) l ，转子短路，则有u 。= u 。= 0 ，数学模型中的l u k t - l ( 阵，j 程叫简化为： u ， u 。， 0 0 凡+ 上， m 1 l n l 。p o o ：l ， 0 o o , l ， 一c o , l 。 上。尸 0 r ， ( 2 1 4 ) 转矩方程弋： 7 ：= ，争i ! ( 2 - 15 ) a 父艟控制系统中，被控制量是定于电流。因此，必须从数学模) 眇 找定j ，j u 流的两个分量与其它物理量的关系。将式( 二一l3 ) 巾识的表 达- 一特入( 2 1 4 ) 中，得： ，( 。i ，】+ l j , ，! ) + r ! i ，! 二p i ；，! + 月：i ，! = 0 ( 2 - 1 6 ) 所以j 。：一丝( ! 一17 ) “一 只、 p 妒吼h r叽心。 一日 p 矢量控制理论 九。带入式t2 - 1 1 ) , “得j 扩了7 p + l 妒! ( 2 - 1 8 ) 嘎 妒、2 万可7 。一 2 一1 9 ) j 0 【 - 7 ：= ，j 只、t ，为转r f 璐磁f i 训常数。 j ( 2 1 9 ) & 吲 j ：磁链c o 二仪i 川j 、个：i f | j _ 转rq t i , f i 庀天，敞j l i 4 ： i ，乃定r f u 流的j 曲嵫分量。但是为仃在转j ，励磁叫f hj 常数一，定j 7 i i z 流啪磁分髓7 变化时转j 磁键妒 的变化公f i f j 延州。“j c o 、达到稳 念寸，i ：【，! = 0 ，。1 & e = 0 ，j = c o ! l 。仍的 急态值ni 1 作 确定。 i t0 ：转j j | ，山f i 。 弋2 - l5 ，j 。足j 芭r 乜流的转鲥，分h ! 。“1i ，14 i 变i l , j ( 1 ) ，! 个娈) 如粜i 变化转舢7 1 随之成f ：比变化，没仃滞后。 从 h 机j 走小乃雕( 2 一1 4 ) 可以求得： 叫。( li 】+ 工，f 以) + r , i 耙二、妒i + r j e = 0 ( 2 - 2 0 ) 绌合( ! 一1 6 ) ，”考虑一= l ，尺、，可得： ：一堕j 、：土i ， ( 2 - 2 1 ) 妒! 。 71 妒二。 以i 即为矢： ：制的疆本原理和控制力程式。综：所述，于d q 卜 怀按转r 磁场定m 征定子 电流的两个分鼠之川史现了解粥，i 。为l 决；i 磁链妒、，j ，j 步响转j | ：，这jj t 流 n 机l t ，的励磁 n 漉和l u 愀l 乜流 h l , 0 i l 、i ，人人 ? l 化j 交；危异步f uj 【：s l ( t q # 蹦j m 题? 23p w m 技术。”3 随着, i l i u j 乜j ，器件的小断浦观以搜微 ur 技术的小断发腱。 p w m 变频技术也获甜j e 速发腱p w 7 m 技术| i 时i i 篮7 i 。种彤j ： j 主j l - 幺波埘m 波脉宽州带l 的s p w m “i 剖，j 占j 乜浙i f - l i t - l h7 h 口：i 的 c h p w m 羁l 【乜，n j 父敲s v p 、m 。 西安理工大学硕士学位论文 2 3 1s p w m 技术 s p w m 法是从电源角度出发，着眼于如何牛成个可以谰爪调频 的。相1 f ：弦波电源。s p w m 波形的生成由许多方法，例如等效丽积法， 自然采样法，规则采样法等等。自然采样s p w m 法采用下弦波作为调 制波以等腰j 二角形作为载波。利用比较法以f 弦波和三角波瞬时值 棚等的时刻，获得经调制的幅值相等、而积按矿弦比例变化的的矩形 脉冲信号。中值规则采样法的基本思想是，将三角载波周期的中止i 时 刻( i 角波的l i 峰值或负峰值) 对正弦采样形成阶梯波来代脊l f 弦波。 自然采样法虽然足能确切反映l f 弦脉宽调制的原始方法，但其川：荚时 刎求耿凼雉，不适合进行实时控制。而中值规则采样法偏离自然采样 法较小，脉宽计算与法简单，运算量小，实时性好，是常用的s v p w m 法。 2 32 电流追踪型p w m 技术 r 乜流追踪型p w m 技术的基本思想是将一个l f 弦波定子电流给定信 弓和定了l 乜流：典测信号比较，若实际电流大于给定值，则通过逆变器 丌天器件的动作使之减少；反之，则使之增加。 f 乜流追踪型p w m 控制根据电流控制环的结构可以分为两种方式： 电流滞蚪r 踪p w m 和电流同步采样p w m 控制。 采用f 巳流滞耶跟踪p w m 控制，实际电流与给定电流的偏差值是同 定的，但逆变器的丌关频率足变化的。”关频率的大小与滞j i ：宽度仃 爻，环宽越小，控制精度越高，而丌关频率也越大。由于受到j j j 二红器 件允许丌天频串的限制，故环宽4 i 可能选得很小。另外滞川、控制的输 i l 流1 i 能太小，因为当给定f _ 乜流太小时，滞环的调制作h j 将消失。 为了克服这嵝缺点，n j 以采川电流问步采样p w m 控制，它足根掘偏擎 值绀号，经d 触发器以固定频：簪将比较结果送至驰动电路，敝其j 1 ：天 频；爷固定不变。浚种拧制实向；电流j 给定电流的偏芹值是变化的。似 矢量控制理论 “1j j 一钙器件j j 足自给的j 1 天频率时，变频器的史融、输 u 流能够一队 速f 随i 台j 正f n 。 f u 流j 岛f ，一i p m 技术的特，t _ 疋她t 乜、霹i 磁通f | ：j | ；：山g h 踪 夺韦_ | 。 2 33 电压空间矢量p w m i u 1 、1 j ，川父毓s v p w m 控制是 n 4r f - f r l i u ；l ；b i jh 向j 、i 一 匙j 。以 f l ! 是l e f u ；氚i 奸波比较人。 麓ij , l 圳方浊。它4 - ：足硒限于如们使逆变器输按l - 弦比例变化的i 乜源， n j 址将逆娈器f u 机石成 个整体，琏1 - 乜j l i 。孙i j 父骑概念，川八种 j 占本的l uj i ! r h j 父 扛合成期望的甩m 字问矢鲢，建点逆变器j 力j 缸器什 的】i 。天? 队奁和h i i j 父最，并依抓电机的定于磁铤欠嗬。j 定 u 胍之叫l i 的火系，哒刮控制 u 机定予磁链矢鞋“ 侧形轨迹运动的 i 的。从 i j 。2 - f 见刈炎；氚片j 步f u l 近似f 日磁通的把；0 。 2 4 电压空间矢量 i i 。i j 父： i i j , ( s v p w m ) 是从电机角度发，卉叭j 如何使i u 机 捩甜幅值陌定的州形磁场，即i f 弦磁通。已以i 州刈称f l 幺波f t l 脏供 u 1 1 j 交流 u 机 m 魁u 形磁通轨迹为基准，t tj 逆他器小- d 的丌父模+ i = i = j 。卜的丈岛、磁通2 ：- 逼近壤准磁通酬，从m 达到较 “n 控制一陀能。j 乜j i i 。孙j j 久漪托i 制；，j 他统的s p w m 法相比，4 i 似j 以减少转舶脉f 巩和铁 蛾 e ，m ，j 以捉：叫乜游的利川串朋j 。 2 4 1 电压空间矢量法的基本工作原理 ：+ 1 1 交流蚌步，u 机mi 相时称电j f ! 作川卜如粜罄略j 芷j l u 的 降，_ t 【l i h l 拜i 磁日i 力n ! ： 西安理工大学硕士学位论文 ：压量 j s l n ， s l n ( ) t 一一兀 4 甜f 一一丌 ( 2 2 2 ) ，u t v 一磁链乜压。应用电机理论和a b c - d q 坐标转化有