（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的网络化电动机控制平台研究.pdf

ad i s s 摘要 摘要 交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，电机制造成本低，结构简单，维护容易， 可以实现高压大功率及高速驱动，适宜在恶劣条件下工作，而且目前发展成能具有和 直流电机控制系统相媲美或更好的控制性能。因此，交流电动机在各个领域中迅速得 到了广泛的应用，针对交流电机的d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，数字信号处理器) 控 制系统，国内外学者进行了大量的研究并取得了许多成果，控制技术日趋成熟。由于 网络技术的发展，人们开始研究通过远程对设备进行控制，但是当将交流电机控制接 入网络，由于网络的不确定和随机性，出现许多新的问题，本文从双电动机的同步控 制入手，在建立模型稳定控制同步以后，引入有延时的网络控制系统，并对初步对引 入后的网络电机控制系统部分问题进行了研究、仿真和试验。 首先，组建一个双电动机控制硬件平台。控制平台包括系统电源部分，逆变驱动 部分，d s p 控制部分和反馈检测部分。 然后，采用转差型矢量控制算法实现双电动机同步控制。在两台电动机同时运行 状态下，电动机之间能根据各自负载变化而快速动态调整各自速度，以达到两台电动 机能时刻保持同步运行的目的。 接着，在控制模型中引入网络随机延时，分析延时的组成，总结传输距离、时间 段及数据包对时延的影响。 然后，针对时延对系统稳定性带来的影响，利用事件时间驱动的远程控制方式， 建立模型，并仿真分析，尝试降低网络延时对系统的影响。 最后，结合硬件平台完成对这一控制方法的试验研究，包括网络实时数据采集性 能的测试、事件、时间驱动结合的控制方法下的电机速度环阶跃响应、速度梯形图运 行和故障处理的试验以及实现电动机组的远程网络化监控。最终证明，这一控制模型 的有效性和可应用性。 关键词：网络化；网络延时；电机控制；事件时间驱动 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n d u c t i o nm o t o r s ，e s p e c i a l l ys q u i r r e l - c a g ei n d u c t i o nm o t o r s ，i sm o r ea n dm o r ea p p l i e d i na l lf i e l d sb e c a u s eo fi t s s i m p l e n e s si n s t r u c t u r ea n de a s i n e s si nm a i n t a i na n dh i g h r e l i a b i l i t y a f t e rt h a t ，i tc a l lw o r kn o r m a l l yu n d e ra b o m i n a b l ee n v i r o n m e n t i ti ss u p e r i o rt o d cm o t o r si nm a n ya p p l i c a t i o n sn o w s o ，l a r g en u m b e r so fo u t s t a n d i n ga c h i e v e m e n t sh a v e b e e nr e g i s t e r e di nt h ef i e l do fd s pb a s e di n d u c t i o nm o t o rc o n t r o ls y s t e m i ti sr e g a r d e dt h a t d u et ot h ed e v e l o p m e n to ft h en e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o n ，t e c h n o l o g yf i e l db u s t e c h n o l o g y w i l ll e a di n d u c t i o nm o t o r sc o n t r o ls y s t e mt o d e v e l o pi nd i r e c t i o no fn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m a sar e s u l t ，b yc o m b i n i n gt h ec o n t r o ln e t w o r kw i t ht h ei n f o r m a t i o nn e t w o r k ，w e c a n n o ts o l v ee a s i l yp r o b l e m so ft h ec o n t r o ls y s t e ms u c ha sr e a l t i m ec o n t r o l l i n g i nt h i s p a p e r , t h ea p p l i c a t i o n so fi n d u c t i o nm o t o r sn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s pa r e r e s e a r c h e dt h r o u g hs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s f i r s t ，s e tu pad u a l - m o t o rc o n t r o lh a r d w a r ep l a t f o r m i ti sc o m p o s e do fp o w e rm o d u l e ， d r i v e rm o d u l e ，d s pc o n t r o l l e rm o d u l ea n ds e n s o rf e e d b a c km o d u l e a n dt h e n ，c o n t r o lt h et w om o t o r so p e r a t i n ga ts a m es p e e d sb yu s i n g s l i pf r e q u e n c y v e c t o r - c o n t r o l l e da l g o r i t h m t h e n ，t h r o u g ht h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n to fn e t w o r kf a c t o r st ot h ed u a l m o t o rc o n t r o l s y s t e m ，u s ee v e n t - t i m ed r i v e nc o n t r o la l g o r i t h mw e a k e n st o t h ec o n t r o ls y s t e ms t a b l e i n f l u e n c e ，c o n c e r n i n ge x i s t i n gn e t w o r k i n d u c e dd e l a yb a s e do nt h en e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m ，t h ec o n t r o la l g o r i t h md e s i g no fn e t w o r k - i n d u c e dd e l a yi sp u tf o r w a r d f i n a l l y , t h r o u g hr u n n i n gt e s ts u i t ei nt h i sp l a t f o r ma n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h en e t w o r k e di n d u c t i o nm o t o r sc o n t r o la l g o r i t h mb a s eo ne v e n t t i m ed r i v e nc a na t t a i n b e t t e rr e a l - t i m ec o n t r o le f f e c ta n da p p l i c a b i l i t y k e y w o r d s ：n e t w o r k e d ；n e t w o r kd e l a y ；m o t o rc o n t r o l ；e v e n t t i m ed r i v e n n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i c a t a l o g v 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 课题研究综述3 1 2 1 交流电机控制策略3 1 2 2 网络远程控制技术一5 1 3 本论文主要工作6 第二章交流异步电机及网络控制的原理和方式8 2 1 交流异步电机的控制原理和方式8 2 1 1 异步电机数学模型：8 2 1 2 异步电机的矢量控制原理和方式1 2 2 2 网络远程控制原理和技术研究1 7 2 2 1 网络控制的概念与特点1 7 2 2 2 网络控制的关键技术19 2 2 3 网络延迟组成的特点分析2 0 2 2 4 基于事件时间驱动的网络延迟处理方法2 2 第三章基于d s p 的交流异步电机及网络控制模块设计2 6 3 1 现场模块结构框架2 6 3 1 1 现场模块设计方案概述2 6 3 1 2 现场模块器件选型2 8 3 2 现场模块软、硬件具体设计3 0 3 2 1 系统现场模块硬件设计3 0 3 2 2 系统现场模块软件设计3 7 t t t 广东工业大学硕士学位论文 3 3 网络化控制程序具体设计4 6 3 3 1p c 机通讯软件设计4 6 3 3 2 现场模块通讯软件设计4 8 第四章基于d s p 的交流异步电机及网络控制调试5 2 4 1 单电动机控制5 2 4 2 双电动机同步控制5 4 4 2 1 双电动机开环控制5 4 4 2 2 双电动机闭环控制5 5 4 3 网络化电动机控制5 6 结论与展望6 0 5 1 课题研究存在问题6 0 5 2 后续研究。6 0 研究生期间发表论文6 1 独创性声明一6 2 致j 射6 3 参考文献6 4 附录1 ：控制器主程序“一6 7 目录 c a t a l o g c hin o s ea b s t r a c t i a b s t r a c t i i c hin o s ec a t alo g i i i c a t alo f f v c h a p t e r1 ：in t r o d u c t io n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n d 1 1 2r e s e a r c hs u b j e c t 3 1 2 1a cm o t o rc o n t r o lt e c h n o l o g y 3 1 2 2n e t w o r kr e m o t ec o n t r o lt e c h n o l o g y 5 1 3m a i nw o r k 6 c h a p t e r2 ：i n d u c t i o nm o t o ra n dn e t w o r kc o n t r o l i np r i n c i p l e 8 2 1i n d u c t i o nm o t o rc o n t r o lm o d e s 8 2 1 1m a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h ei n d u c t i o nm o t o r 8 2 1 2v e c t o rc o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o r 1 2 2 2n e t w o r kr e m o t ec o n t r o lp r i n c i p l e sa n dt e c h n i q u e s 1 7 2 2 1n e t w o r kc o n t r o lc o n c e p t sa n df e a t u r e s 1 7 2 2 2n e t w o r kc o n t r o lo f k e yt e c h n o l o g y 1 9 2 2 3c o m p o s i t i o no f n e t w o r kd e l a y 2 0 2 2 4b a s e do ne v e n t - t i m e d r i v e nn e t w o r kd e l a yp r o c e s s i n gm e t h o d 2 2 c h a p t e r3 ：d e sig no f1 1 1 8inc o n t r o lm o d uleb a s e do nd s p 。2 6 3 1m o d u l es t r u c t u r ef r a m e 2 6 3 1 1m o d u l ed e s i g no v e r v i e w 2 6 3 1 2m o d u l ed e v i c es e l e c t i o n 2 8 3 2m o d u l es o f t w a r ea n dh a r d w a r es p e c i f i cd e s i g n 3 0 3 2 1s y s t e mh a r d w a r em o d u l ed e s i g n 3 0 3 2 2s y s t e ms o f t w a r em o d u l ed e s i g n 3 7 3 3n e t w o r kc o n t r o lp r o g r a ms p e c i f i cd e s i g n 4 6 v 广东工业大学硕士学位论文 3 3 1p cc o m m u n i c a t i o n ss o f t w a r ed e s i g n 4 6 3 3 2m o d u l ec o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ed e s i g n 4 8 c h a p t e r4 ：n e t w o r k e dl n d u c ti o nm o t o rc e n t r o is y s t e md e b u g 5 2 4 1s i n g l e m o t o rc o n t r o l 5 2 4 2d u a l m o t o rc e n t r e l 5 4 4 2 1d u a l m o t o r - l o o pc o n t r o l 5 4 4 2 2d u a l m o t o rc l o s e d - l o o pc o n t r o l 5 5 4 3n e t w o r k e dm o t o rc o n t r o l ! ；6 l ：；c ，n c i u s i o na n dp r o s p e c t 6 0 5 1p r o b l e m s 6 ( ) 5 2n e x tr e s e a r c h 6 0 e n u n cia t e dp a p e r s 。6 1 a n n o u n c eo fo ri g i n a ic r e a t i o n 6 2 a c k n o w le d g e 6 3 r e f e r e n c e s 6 z i a p p e n d i x l ：i l a i l lp r o g r a m 6 7 - v i 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 在电力电子技术发展之前，直流电动机几乎占垄断地位。对于直流电动机，只要 改变电动机的电压或者励磁电流就可以实现电动机的无级调速，且电动机的转矩容易 控制，具有良好的动态性能。但直流电动机有其本身固有的结构复杂，重量大，价格 高，电刷易磨损，维修不方便，对环境要求高等缺点，这些都与现代调速系统要求的 高可靠性、易使用性、易维护性等相矛盾，因此直流电动机难以适应现代传动技术的 要求。 1 9 世纪末，出现了三相电源和结构简单且坚固耐用的交流笼型电动机，这种交流 异步电动机具有制造方便，价格低廉，容量没有限制，维修方便，对环境要求不高等 优点，这时交流电动机在不需调速的领域慢慢取代了直流电动机乜1 。交流电动机本身是 一个非线性、强耦合的多变量系统，其可控性较差。随着工农业生产的不断发展和进 步，人们对调速的要求也越来越高，而异步电动机在调速方面相对于直流电动机而言 一直处于性能不佳的状态口3 。然而随着现代交流电动机调速控制理论和电力电子变流技 术的发展，交流电动机调速技术取得突破性的进展，随之出现了各种类型的交流电动 机调速系统，如串级调速系统，变频调速系统，无换相器电动机调速系统。而近年来 交流调速系统中最活跃，发展最快的变频调速技术，在国民经济和日常生活中占据着 越来越重要的地位。目前，在电气传动领域交流电动机取代直流电动机己逐步成为现 实钔。 同时，在大功率交一交变频调速技术方面也有长足的发展，法国阿尔斯通公司已 能提供用于船舶推进系统单机容量达3 万k w 的电气传动设备；在大功率无换向器电动 机变频调速技术方面，a b b 公司能提供用于抽水蓄能电站单机容量为6 万k w 的设备： 在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司电流型晶问管变频器调速设备单机容量 为i o 2 6 0 0 k v a ；在小功率变频调速技术方面，日本富士公司双极晶体管( b j t ：b i p o l a r j u n c t i o nt r a n s i s t o r ) 变频器最大单机容量可达7 0 0 k v a 。 另一方面，随着控制系统规模的不断增大，工业控制领域中，控制系统的结构越 广东工业大学硕士学位论文 来越复杂。将控制现场的传感器、控制器和执行器通过通讯网络进行连接并实现信息 之间相互交换，从而实现被控对象的实时反馈控制，这类控制系统称之为网络控制系 统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，简称为n c s ) 。网络控制系统的概念可以追溯至上个 世纪八十年代后期r a y 等人关于集成通讯控制系统( i n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o na n d c o n t r o ls y s t e m s ，简称为i c c s ) 的研究，i c c s 可以看成是n c s 的雏形。直到1 9 9 9 年 n c s 的概念才在由w a l s h 等人在文献哺m 1 中正式提出。与传统的直接集中式控制系统相 比，n c s 可实现复杂大系统控制和远程控制系统的客观需求，传感器、执行机构和驱动 装置等现场设备的智能化为通信网络在控制系统更深层次的应用提供了必要的物质基 础口1 。同时，n c s 的出现实现了资源的共享，并且具有高的诊断能力，以及减少系统的 布线、安装维护方便等诸多优点，顺应了计算机、网络和控制技术融合的潮流，代表 了下一阶段信息革命的方向。所以从它一出现就受到了大量学者的关注，并且得到了 迅速的发展，取得了大量的研究成果陋蚰口们这些成果主要包括基于离散模型的方法、基 于连续模型的方法和基于混杂模型的方法，以及在智能控制、网络诱导延时、网络调 度等各方面取得的成果n n 。 在微控制器和控制理论发展的推动下，解决多台电动机的同步运行的问题也变得 简单，多电动机的同步性可以通过数字化实现，使得同步性能大大提高口钉。早在1 9 9 5 年就有人提出变频控制系统与p c 机的接口问题，随着互联网的深入发展，使得远程监 控和网络化成为可能；在恶劣的环境场合，可以通过互联网实现远程监控。 本课题以d s p 和智能功率模块( i p m ：i n t e g r a t e dp e s tm a n a g e m e n t ) 及双异步电 动机构成的系统为研究对象，以实现同步运行和网络监控可视化为目标，运用转差型 矢量控制模式，设计了一种全数字化的变频调速系统，并且利用该平台研究交流电机 在网络远程控制中的应用，同时对其网络化中的网络时延问题做初步探讨。本课题研 究的第二个问题是希望通过研究该问题得出同类装置控制器的各项参数如何设计的实 践积累。 第一章绪论 1 2 课题研究综述 1 2 1 交流电机控制策略 早期变频调速系统是开环恒压频比( v f = 常数) 的控制方式，其优点是控制结构简 单、成本较低，缺点是系统性能不高。具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变 化，转矩响应慢，利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下 降，稳定性变差，因此这种控制方式比较适合应用在风机、水泵调速的场合。 为了提高系统的动静态性能，转差频率控制系统在v f 控制中引入速度闭环，使 逆变器输出的实际角频率随着电动机转子角速度同步上升或下降。与开环v f 控制相 比，加速、减速更为平滑，且系统容易稳定。但转差频率控制是从异步电动机的稳态 等效电路和稳态转矩公式出发分析的，因而会影响系统的实际动态性能。 2 0 世纪7 0 年代，西德f b l a s c h k e 等人提出的“感应电动机磁场定向的控制原理” 和p c c u s t m a n 与a a c l a r k 申请的专利“感应电动机定子电压的坐标变换控制”，奠 定了矢量控制理论的基础n 引。矢量控制理论的基本出发点是，考虑到异步电动机是一 个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，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，利用从静止坐标系到旋转坐标 系之间的变换，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开 来，进行分别控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型可等效为一台直流电动机， 从而可像直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制。因为这种方法采用了坐标变换， 所以对控制器的运算速度、处理能力等性能要求较高。近年来，围绕着矢量变换控制 的缺陷，如系统结构复杂、非线性和电动机参数变化影响系统性能等问题，国内外学 者进行了大量的研究。 在致力于发展异步电动机矢量控制技术的同时，各国学者并没有放弃其他控制思 想的研究。1 9 8 5 年德国鲁尔大学d e p e n h r o c k 教授首先提出直接转矩控制理论( d t c ) 。 直接转矩控制与矢量控制不同，d t c 摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单的 通过检测电动机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电动机的磁链和转矩， 并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制n 钊。直接转矩控制技术是 用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系计算与控制交流电动机的转矩，采用定子 磁场定向，借助离散的两点式调节器产生脉宽调制( p w m ) 信号，直接对逆变器的开关状 1 广东工业大学硕士学位论文 态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。从转矩的角度看，只关心转矩的大小， 磁通本身的小范围误差并不影响转矩的控制性能。因此，这种方法对参数变化不敏感。 d t c 省掉了复杂的矢量变换，其控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处 理的物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速，是一种具有高静、动态性能的交流 调速方法。 交流变频调速系统已经逐步向全数字化控制系统发展，数字化控制系统的主要任 务是设计一个数字调节器。数字式p i d 控制是最早也是最普遍采用的控制方法，近年 来，智能控制研究很活跃，并在许多领域获得了应用。典型的如模糊控制、神经网络 控制和基于专家系统的控制。由于智能控制，如模糊控制不依赖被控对象精确的数学 模型、能克服非线性因素的影响、对调节对象的参数变化具有较强的鲁棒性等优点， 因而许多学者将智能控制方法引入电动机控制系统中进行研究，并在交流调速系统和 伺服系统中取得了比较满意的效果n 鲥。另外近年来已有一些学者探讨将神经网络或专 家系统引入异步电动机的直接转矩控制系统，相信不久的将来会获得实质性结果。 交流电机条数中普遍使用的( p w m ) 技术的发展和应用优化了变频器装置的性能，适 用于各类交流调速系统。为交流调速技术的普及发挥了重要的作用。脉宽调制技术种 类很多，并且还在不断地发展中，现有的这些技术可以基本分为四类n 引：等宽p w m 法、 正弦p w m 法、磁链追踪型p 1 l m 法和电流跟踪型p w i v i 法。p w m 技术可服了相控技术的所 有弊端，使得交流电动机定子得到了接近正弦波形的电压和电流，提高了电动机的功 率因数和输出效率。 p w m 控制是变频调速系统的核心，任何控制算法几乎都是以各种p w m 控制方式实 现。9 0 年代以来的产品，等宽p w m 法、正弦p w m 法正弦、p w m ( s p w m ) 调制方法己逐步被 磁链追踪型p w m 法和电流跟踪型p w m 法取代： 1 电流追踪p w m 控制法电流追踪p w m 控制逆变器为电流控制型的电压源逆变器，一般 采用电流滞环控制，使三相电流快速跟踪指令电流。该逆变器硬件简单，电流控制响 应快。【l 刀 2 磁链追踪型p 1 j l m 法这种方法把逆变器和电动机视为一体，以三相对称正弦波电压供 电时交流电动机理想的圆形磁场为基准，用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢 量来跟踪基准磁链圆，由跟踪结果决定逆变器的开关模式，形成p w m 波。n 8 1 第一章绪论 1 2 2 网络远程控制技术 网络控制是计算机通信技术与控制科学技术相结合的产物。从控制与通信两个 度来看，网络控制可分为利用网络的控制和对网络的控制两种n9 1 。前者是将控制系 网络化，这时网络只是作为一种通信介质来传输控制信息，控制对象还是一般的事 ( 如机床、闸门、机器人等) ；而对网络的控制是指利用控制原理对通信网络的信息 递、结构优化等进行分析与控制，其控制对象是网络本身。本文所研究的网络控制 第一种，即利用网络的控制，称之为基于网络的控制系统，简称网络控制系 ( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，n c s ) 。 远程控制是指本地计算机通过网络系统实现对远端控制系统的监视和控制，凡 能够实现远程控制的所有软、硬件系统统称为远程控制系统。工业控制系统接入以 网，并通过网络监视并控制生产系统和现场设备的运行状态和各种参数。基于以太 的远程控制系统还有以下的特点： 1 实现现场设备层和企业管理层的无缝连接 i n t e r n e t 己成为企业管理网络的首要选择，将i n t e r n e t 应用于现场设备的控制网 络，实现企业信息网络和控制网络的融合，促进企业整个信息化的集成。 2 控制系统的成本降低 网络控制降低成本主要表现在两个方面：一是支持i n t e r n e t 通信的网络设备比较 多，设备成本比较低；二是熟悉i n t e r n e t 网络操作的用户较多，整个系统的培训、维 护都比较容易。因此，与以往的控制系统相比，基于i n t e r n e t 的控制系统的成本可大 大降低。 因此基于以太网的远程控制系统所具有的上述优点都是目前传统机电控制技术所 无法比拟的。 网络控制系统可以概括为：利用计算机和网络通信技术，将传感器、控制器、执 行器、被控对象通过网络连接起来形成一个闭环回路，各控制节点之间或子系统之间 能够进行通信，实现信息共享，同时利用相应的优化策略，实现复杂对象的整体控制。 网络控制系统是一种更大范围的分布式控制系统，但由于控制的前向通道和反馈通道 均是通过网络，这就不可避免的在闭环回路中引入了不确定性延时、数据丢失、安全 性差等问题，对控制性能产生较大影响啪3 。如何减小网络通信引入的不利因素，并对 广东工业大学硕士学位论文 网络控制系统进行建模、分析与设计是当前网络控制研究的主要方向。 网络延时和数据包丢失是困扰网络控制系统分析和综合的核心问题，针对这一问 题，主要有以下几类处理方式：一是直接针对网络延时的随机特性实施控制，出现了 多种随机控制方法乜小2 刳，虽然这类方法更加接近网络系统的实际情况，但系统分析建 立在很多假设之上，要求网络延时服从某一确定的分布，而研究证明网络延时很难采 用某种单一的分布特性进行描述乜副。二是把网络延时进行确定化处理，文献口钔乜5 1 通过 在控制器和执行器节点增加数据缓冲区，把不确定延时变为确定延时。但是这种方法 人为地增大了系统的控制延时，以降低系统的性能为代价，因为反馈控制系统的性能 直接依赖于闭环延时2 6 j 。三是采用预测控制删矧，文献州制对网络预测控制的仿真、 设计、稳定性、鲁棒性等问题进行了研究，索格罗等设计了包含网络预估器的控制系 统( c e d p n c s ) 口，四是采用鲁棒控制等先进控制理论，网络延时的不确定性可以视为 对象模型的参数摄动，鲁棒控制在解决未建模动态以及参数摄动方面具有优异的表现 盥羽，文献3 埘3 对网络控制系统的鲁棒稳定进行了研究，文献口5 儿剐则针对不同的网络环 境对鲁棒控制、滑模变结构控制以及模糊鲁棒控制进行了研究。另外，如最优控制、 自适应控制等先进控制理论的应用也为网络控制系统提供了积极的解决思路。 1 3 本论文主要工作 本文围绕d s p 在网络化电机控制方面的应用进行了系列研究，进行了硬件系统， 软件进行了设计。同时也对网络控制系统的部分问题进行了初步研究。 第一章，首先对交流电机控制系统及网络控制的产生和发展作了一个简单回顾， 并得出本文的研究意义及目的。然后对交流电机控制方式、网络远程控制的相关文献 作了综述。 第二章，对电动机及网络控制的理论基础，包括交流异步电动机的运行原理，调 速策略，网络控制的特点、网络控制的关键技术，网络延时以及网络延时补偿方法的 分析，利用基于事件一时间驱动的方法处理网络延时，建立网络控制模型，得出交流异 步电机网络控制的方案及建立在其上的数学模型。 。 第三章，系统地介绍了基于d s p 的网络化电动机控制器的软、硬件设计。 第四章，对于3 k w 的交流异步电动机样机进行了开环和闭环加载实验，实验结果 一；- 第一章绪论 表明该控制器具有较好的闭环性能，在电动机控制平台中引入的网络控制测试，显示 了系统在网络环境下的运行性能。 第五章，对论文所作工作做了总结，同时对进一步的工作做了展望。 广东工业大学硕士学位论文 第二章交流异步电机及网络控制的原理和方式 本文研究的核心是电机控制和网络控制的引入，因此这里分为交流异步电机的控 制和网络远程控制系统两个部分来阐述。 2 1 交流异步电机的控制原理和方式 2 1 1 异步电机数学模型 2 1 1 1 坐标变换 三相异步电机( t r i p l e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r ) 是靠同时接入3 8 0 v 三相交流电源 ( 相位差1 2 0 度) 供电的一类电动机，由于三相异步电机的转子与定子旋转磁场以相同的 方向、不同的转速成旋转，存在转差率，所以叫三相异步电机。 三相异步电机是感应电机，定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中 产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部 分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场。通电启动后，转子绕组因与磁场间存 在着相对运动而感生电动势和电流，即旋转磁场与转子存在相对转速，并与磁场相互 作用产生电磁转矩，使转子转起来，实现能量变换。 电动机调速系统的主要目的就是控制和调节电动机转速，然而转速是由电动机转 矩来改变的，所以，我们先从电动机转矩来分析电动机控制的实质和关键。 电机运动的基本方程式为： 乃一冕：一j 掣 ( 2 1 ) 玎j 口a l 其中，j 为机械转动惯量，c o 国为转子的角速度， 互为电磁转矩，t 为负载转 矩。由( 2 1 ) 式可知，电动机所产生的电磁转矩z ，除用以克服负载的制动转矩互外， 其余部分就是用来产生转子角加速度的动态转矩。若要对一个机电系统的动态性能进 行有效的控制，就必须控制系统的动态转矩乏一互。在负载转矩正的变化规律已知的 8 第二章交流异步电机及网络拧制的原理和方式 条件下，这就必须对电动机的瞬时电磁转矩进行有效的控制。因此，调速系统的动态 性能就是要看其转矩的控制能力。 从产生电磁转矩的角度来看，异步电动机电磁转矩公式为： z = c r 丸f 2c o s 9 2 ( 2 2 ) 式中g 为转矩常数，可以看出电磁转矩是由气隙磁场丸和转子电流的有功分量 厶c o s t p ，相互作用产生的。即使气隙磁场保持恒定，电动机的转矩不但与转子电流的大 小有关而且还与转子电流的功率因数角仍有关。它随电流的频率，即电动机的转差率 而变。而且电动机的气隙磁场是由定子电流和转子电流共同产生的，随负载的变化， 磁通也要发生变化。因而在动态过程中要准确的控制异步电动机的电磁转矩就显得比 较困难。但因为转子磁通妒：= c o s 妒2 ，这样式( 2 2 f ) 就变为z = q 之仍这种形式和直流 电动机的转矩公式非常相似，如果能保持转子磁通的恒定，转子磁通的恒定包括磁通 相位和幅值恒定两个方面。这样控制转子电流就可以调节转矩。基于这种方法提出了 一种以转子磁场定向的矢量控制方法。 1 c l a r k 变换( 3 s 2 s ) 为了将异步电机模型模拟成直流电机模型，我们先将异步电机模型从三相静止坐 标系a b c 变换至两相静止坐标系仅一卢，即3 s 2 s 变换，如图2 - 1 所示： b 图2 13 s 2 s 变换图 f i g 2 - 1 3s 2 st r a n s f o r m a t i o ng r a p h s 根据总磁动势不变的原则，保持变换前后功率不变，即采用正交变换矩阵，则可 得到变换公式为： 斤 n 一卜q l , 7 3 2 一、j 1一三一三 2 2 o 笪一鱼 22 111 压压压 ( 2 3 ) 如果定子三相绕阻为y 接法，并且无中线，于是有+ + 如= 0 ，则c 中的第三行 系数为0 ，于是可得： 压 c 3 ，2 = 、詹 yj 1一三一三 2 2 。笪一鱼 22 1 2 4 ) 擀，：豳 仁5 ， 由两相静止坐标系。a - p 到两相旋转坐标系d g ，即2 s 2 r 变换。变换原理如图 i p 图2 - 22 s 2 r 变换图 f i g 2 2 2 s 2 rt r a n s f o r m a t i o ng r a p h s 静止坐标系的两相交流电流屯，知，和旋转坐标系的两个直流电流，艺，产生同 样的以同步转速旋转的合成磁动势。d ，q 轴和a ，卢轴的夹角0 是一个变量，随负载、 转速而变，在不同的时刻有不同的值，则两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变 换矩阵为： 第二章交流异步电机及网络挡制的原理和方式 从而可得： c ! s ，：詹= , 、压3l i c s o ；s n o p c s 。i n s 0 8 阡嘲 1 2 6 ) ( 2 7 ) 3 p a r k 逆变换( 2 r 2 s ) 由两相旋转坐标系d ，q 到两相静止坐标系a ，卢即2 r 2 s 。同样可得p a r k 逆变 换公式为： = , 压2i c 咖o s 吕- 啷s i n 别0 仁8 ， 2 1 1 2 异步电机数学模型 q 、b 坐标下电动机模型。电机在三相静止坐标系下定子电压、电流及磁链用a 、b 坐 卧比赫纠 仁9 ， 针比毫忙 亿圳 卧暾杰忙 亿圳 ： l s a l 如 ： i r a l 嵋 = k 一足 飞笆 足厶 q 厶乙 q 己 越 叫厶厶 足厶 足厶 叫厶厶 - 尽厶 咄 q 厶厶 足厶 叫厶 咄厶 4 0 一厶0 0 厶0- l m 一乙0厶0 0 0厶 u 靴 u 妇 u r 口 u 曲 ( 2 1 2 ) 广东工业大学硕士学住论文 其中：七= i 再1 ；s 、r 表示定、转子分量；a 、p 表示两相静止坐标系的坐标轴； l d s a 、“印、“，a 、“巾分别为定、转子在a 、d 轴上的电压分量，且鼠笼式转子电压“旭、 材巾为0 ；i m 、i 妒、i - 、i 巾分别为定、转子在a 、b 轴上的电流分量；r 。、r r 分 别为定、转子电阻；厶、分别为定、转子电感；l m 为定、转子绕组间互感；