（电工理论与新技术专业论文）svm算法研究及其在交流控制系统中的应用.pdf

ab s t r a c t t h e s y s t e m t h a t t h i s p a p e r i n t r o d u c e s h a s ma i n l y c o m p l e t e d t h e s v m a r i t h m e t i c r e a l i z e d b y t h e d s p t ms 3 2 0 l f 2 4 0 2 a n d t h e a p p l i c a t i o n i n t h e a c f r e q u e n c y c o n v e r s i o n s y s t e m. a t f i r s t , t h e f o r e wo r d o f t h i s p a p e r h a s d o n e a d e t a i l e d i n t r o d u c t i o n a b o u t t h e d e v e l o p me n t o f t h e w h o l e a c t i mi n g s y s t e m . a n d t h e n a b r i e f i n t r o d u c t i o n a b o u t t h e r e s e a r c h i n g b a c k g r o u n d o f t h e t a s k s i s g i v e n . i n t h e e n d , t h e r e s e a r c h i n g c o n t e n t s a n d t h e p e r s o n a l t a s k s o f t h e p r o b l e m a r e p u t f o r w a r d . a f t e r w a r d , a s u mma r y i n c l u d i n g t h e t e c h n i q u e t a r g e t , t h e p r o j e c t i n t r o d u c t i o n a n d t h e w h o l e f r a me o f t h e p r o j e c t a b o u t t h e s y s t e m i s g i v e n i n t h e s e c o n d c h a p t e r . i n t h e t h i r d c h a p t e r , i t h a s p a r t i c u l a r l y i n t r o d u c e d t h e t h e o r y o f t h e s v m a r i t h me t i c a n d s o me k e y t e c h n i q u e s u s e d i n t h e s y s t e m -t h e r e s o l u t i o n o f t h e p wm mo d e d i s t o r t i o n , t h e d e a d - t i me c o mp e n s a t i o n a n d t h e s u b s e c t i o n a n d s y n c h r o n i z a t i o n mo d u l a t i o n . a n d t h e n t h i s p a p e r h a s i n t r o d u c e d t h i s s y s t e m i n t h e h a r d w a r e a n d s o f t w a r e s e p a r a t e l y . i n t h e h a r d w a r e o f t h e f o u r t h c h a p t e r , i t h a s b r i e f l y i n t r o d u c e d t h e c o mp o s i t i o n s o f t h e h a r d w a r e a n d t h e d e t a i l e d f u n c t i o n s o f t h e e a c h p a r t , i n c l u d i n g t h e p a r t o f p o w e r s u p p l y , t h e p a r t o f d r i v i n g , t h e p a r t o f m a i n c o n t r o l l i n g a n d t h e p a r t o f v o l t a g e s a m p l i n g . t h i s p a p e r h a s i n t r o d u c e d t h e d e s i g n i n g fl o w i n g o f t h e wh o l e s o f t w a r e p a r t i c u l a r l y a n d t h e r e a l i z e d p r o c e s s i n g o f t h e s v m a r i t h me t i c , a n d t h e f r e q u e n c y c o n v e r s i o n c o n t r o l l i n g p r o c e s s i n g , t h e v o l t a g e a d a p t i n g t e c h n i q u e , t h e o v e r - c u r ren t p r o t e c t i o n a n d t h e e r r o r s d i s p o s i n g a n d s o o n b a s e d t h e t h e o r y r e l a t e t o t h e s e c o n d c h a p t e r a r o u n d t h e a p p l i c a t i o n i n t h e f i f t h c h a p t e r . i n t h e e n d , t h i s p a p e r h a s g i v e n t h e c o n c l u s i o n o f t h e e x p e r i m e n t a n d t h e a p p l i c a t i o n f u t u r e o f t h e s y s t e m i n t h e s i x t h c h a p t e r . k e y wo r d s : t m s 3 2 0 l f 2 4 0 2 ，s v m，v o l ta g e a d a p t in g , d e a d - t im e s u b s e c t i o n a n d s y n c h r o n i z a t i o n m o d u l a t i o n 西北工业大学硕 卜 学位论文 s v m算法,1 r 究及1 在交流控制系统中的r 4 .川 第一章 引 言 1交流调速系统历史背景及发展现状 交流电 机是电能生产 及应用的基本装备， 交流电 机控制 技术是比较成熟而 又 迅速发展的科学技术。 它的出 现和发 展己 有一百多 年的历史。 人 们已经研究制造 出了形式多样、 用途各 异的交流电 机。 在二十世纪的大部分年代里 ， 鉴于直流传 动具 有优越的调 速性能，过去直流调速系统一直在变速传动领域中占 统治地位。 但 其本身也存在很多严重的问题。 随着生产技术的 不断发 展， 直流拖动的薄弱环 节逐步显示出 来。 山 于换向器的 存在， 使直流电 机维护的_ l 作量增大。 单机容量， 最高转速以及使用环境己经远远不能适应现代化生产向高速大容量化发展的要 求。 从2 0 世纪3 0 年代开始， 人们就致力于 交流调速技术的 研究， 然而 进展缓慢。 在相当长 时间内， 直流调速一直以 性能优良 领先于交流调速。 直到本世纪七十年 代末， 电 力电 子技术和控制 技术的飞速发展， 使得交流调 速性能可以与直流调速相比拟、 相竞争。 交流调速技术的飞速发展 扩大了它的应 用范围，己遍及国民经济各部门的传动领域。目前交流调速已进入逐步替代直流 调速的日 寸 代。 纵观交流调速传动发展的过程，大致沿这三个方向 发展: 一个是以 取代直流调速实现少维修、 省力化为目 标的高性能交流调速; 另一 个是以节能为目 的的， 适用于风机、 泵类、 压 缩机等 通用机 械的交流调速; 第三 个是直流调速难以实现的特大容量、极高转速领域的交流调速。 另 一方面， 随着工农业生产的不断发展和进步， 人们对调速的要求越来越高。 而异步电机在调速方面一直处于性能不佳的状态。 然而， 变频技术的出现改善了 交流电 机的调 速性能。 随着电 力电子 技术， 微电子技术以 及控制技术的 不断发 展， 诸多新型电机控制技术不断被提出，使变频调速能很好地实现对交流电机的调 速。 交流电机单机容量的增大、应用领域的日益厂泛， 再加上电力电子技术、计 算机控制技术及控制理论的发展和应用， 使交流电机及其系统的运行条件更为复 杂。自动化程度的 益提高，新的研究课题的不断提出， 新的研究成果的不断涌 现，给交流调速的发展不断开辟了广阔的空间。 西北工业大学硕- 1 : 学位论文s v s1 算法研究及j l 在交流控制系统中的应用 1 . 2课题背景 最为高新 技术之一的 变频交流调速技术是重 要的 节能和 环保技术， 在各 种工 业生产， 交通运输和家用电器中应用十分广泛。 变频器作为变频调速技术的产品， 在我国工农业等各方面有 着极其重要的地位。 在目 前的国有 企业改革中， 普及变 频器的 应用范围将对振兴 经济起到不可 估量的作用，而如今8 0 - 9 0 % 的市 场都被 国内外产品所占领，国内产品刚刚起步，鲜有竞争力。因此，开发和研制高性能 的交流变频调速系统是十分必要的。 在所有的变频交流调速系统的实现技术中，利用 s v m 算法实现交流电机的 驱动因它的电流谐波损耗小及电压利用率高等优势而立于各种交流调速方式之 首， 而 d s p微处理器的 发展在其 速度 及控制方法的实现上为交流电 机的控制提 供了坚实的硬件及软件基础。因此，本课题的研究具有深远的意义。 本课题是以t i 公司的t ms 3 2 0 l f 2 4 0 2 型d s p 为主控芯片构建交流变频调速 系统， 采用s v m的p w m变频技术， 利用d s p 芯片的高速运算能力和强大的外 围接口 功能， 实现了d s p 控制的以s v m算法为基础的 交流变频调速系 统， 极大 的改善了交流调速系统的性能，具有广阔的应用前景。 1 . 3该课题的研究内容及本人在该课题中所承担的任务 该课题的主要研究内容为:i . 如何利用以往的各种控制方法，综合其特长及 优势， 研究出 一种更先进的控制算法实现s v m控制; 2 . 如何尽量减小 该控制算 法各方面的缺陷， 使该控制算法的性能达到最佳; 3 .如何充分利用 d s p的优势， 把其运算的 快速性、外围电 路的 简单性 等特点充分 应用到电 机控制上来; 在导师景占荣教授和羊彦老师的悉 心指导下，本人在该课题的研究过 程中， 主要负责了以下几个方面的工作:1 . 课题方案论证。包括系统指标的确定， 如何 根据现有实验条件进行该课题的研究， 采用何种主控芯片进行研制等; 2 . 软件设 计和调试。主 要包 括软件的总体 功能设 计， 软件的各部分功能设计， 如s v m中 断服务程序设计、电压电流 a / d检测功能设计、分段同步调制实现变频控制的 软件设计等， 还有软件的整体调试工作: 3 . 系统联调。即 将所编写的软件写入 ds p中， 带上电机进行联合调试，通过修改软件的各类参数调制度参数， 变 颂时间参数、电压电流参数等，将系统性能调到最佳。 本人经过大量的实验及系统改 进， 成功地利用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 2 为 主控芯片在整个交流控制系统上的实现了 s v m算法。 两北下业大学硕_ l 丁 学位论文5 4 m算法研究及其在交流控制系统中的应用 第二章 系统综述 2 . 1技术指标 该系统采用 t 1 公司的t ms 3 2 0 l f 2 4 0 2为主控制器搭建硬件平台，该系统技 术指标如下: 序号项 目单位技术要求 1 电机型号 2 ao 6 3 2 - 2 2 额定功率 w2 1 o w 3转速ro t / min2 7 7 0 r o t / mi n 4 额定电压 v2 2 0 v 5 额定电流 a0 . 9 7 a 6 1 作电 压范围 v 直流控制电 压: 3 0 0 v 士5 % 交流输入电压: 2 2 0 v 1 s % 7输出电压 v 21 0 v士5 % hz5 0 hz 士i % 8变频范围 hz 当交流电压在 1 1 0 1 5 4 v范围时， 频率的变 化范围3 5 h z -s o h z 9 输出电压稳定度 % 额定输出电压时，各相对称负载情况下，二 相输出电压 最大 值 ( 最小值) 与三相电 压平 均值之差小于 平均值的i % 1 0输出交流电过流保护值 v 电流值达到 ! 2 a时进行保护 i i 启动方式 s 软启动， 要求从 i o h z 升至 s o h z 的时间不大 于 1 5 0 s 1 2 额定转换效率 % 在2 2 0 v交流输入额定负载t况 卜 人于8 5 % 表 2 - 1 控制器土要技术要求 西北工业大学硕1 : 学位论文s v m算法研究及j 在交流控制系统中的应用 2 . 2 系统简介 图2 - 1系统总体功能框图 我们采用t i 公司的d s p t ms 3 2 0 l f 2 4 0 2 为主控芯片搭建硬件 平台， 以s v m 算法为核心实现交流变频调速系统。 图 2 - l 所示为该系统总体功能框图，该系统 的主要结构原理简介如下: 硬件主电 路采用交 直 交电 源型变频器， 主要分为四 大功能模块: 1 . d s p 主控部分，该 部分具 体实现 算法，包括s v m波形输出、 电流检测、 电压检测、分段同步调制、死区补偿等一系列算法的实现: 2 . 功率驱动部分，该部分直接由 六个 m o s管及其外围电路组 成，是一个 d c / a c变换。主要实现了将整流后的直流电压通过 d s p的 p wm输出脉宽调节 来改变驱动电压的大小，通过变压来变频，改变输出频率; 3 . 电源部分，该部分为整个系统主控部分及驱动部分供电，是一个 a c / d c 变换。该部分通过整流滤波直接输出 3 0 0 v直流电压，简单可靠，方便易行; 4 . 电压采样部分，该部分主要实现电压采样，将 2 2 0 v交流市电经过. d s p的 a / d端i 进行采样处理， 以随时了 解该系统的供电情况， 进行实时处理。该 部分 所采用的电压适应技术我们将在第五章作详细介绍。 硬件部分的主要功能将在第三章作具体介绍。 软件核心部分采用 s v m算法产生p wm波实现对交流电机的驱动控制，同 西北t业大学硕 ! : 学位论文s v m算法研究从j 在交流控制系统中的应用 时采用了分段同步调制算法， 死区补偿及相应的p wm 开关模式等核心技术使其 优化。 该部分还包括一系列电压适应技术的实现及其显示， 电流过流处理等功能。 我们采用 c cc 2 0 0 0 作为 d s p t ms 3 2 0 l f 2 4 0 2 的编译环境，文亭公司的仿真设 备作为设备基础。 其程序主要分为 驰动波形的生成、 电压补偿、 v / f曲 线的 逼近、 过流保护等功能.工作量较大， 实现较为复杂， 这将在本文第四章作具体介绍。 以下是该系统方案选择的论述。 2 . 2 . 1电源电路 一般情况下，我们所使用的交流电机所需的驱动功率较大， 一般的交流市电 很难满足其驱动电压的需求， 因此都需要专门设计一个电压提升电 路， 但为此增 加了电路的复 杂性和 增大了 硬 件的开支。 根据该系 统的技术指标， 系统功率要求 不大，因此我们将 2 2 0 v 的交流市电直接经过滤波整流变为 3 0 0 v的直流电为驱 动桥供电， 免除了使用电压提升电路的复杂性， 在满足指标的基础上简化 了电路。 2 . 2 . 2 驱动电路 在驱动电路的选择上，一般情况下，大多数采用功率模块作为驱动电路。使 用功率模块的优点是功能完 备， 保护完整， 易于实 现。 但是，由 于我们要实 现的 系统较为简单且功率较小，因此，直接使用六个 mo s f e t管作为交流电机的六 相驭动电路， 这样便于 将整个电路集 成在一块电 路板上， 方便了 调试， 节省了 硬 件的开支。 2 . 2 . 3 s v m 实现 p wm 驱动 在算法的实现上， 我们采用传统的变频调速p w m控制技术作为交流电 机的 控制驱动。 p wm控制技术 ( 又 称 p wm波生 成法)分为许多 种，并且在不断发展中。 但从控制思想上分，可以把它们分成四类，即等脉宽 p wm法，正弦波 p wm法 ( s p w m) ， 电 压空f fl i 矢量p wm ( s v m ) 法。 等脉宽p wm法是为了克服p w m方式中 逆变部分只能 输出频率可调的方波 而 不能调压的缺点而发展而来的， 是p w m法中最为简单的一种。 它的每一脉冲 宽度均相等。 改变脉冲的占空比可以调压。 采用适当 控制方 法即可使电压与频率 协调变化。但是，其缺点是输出电压中除基波外，包含的谐波分量是所有p wm 西北t业大学硕 ! : 学位论文s v m算法研究从j 在交流控制系统中的应用 时采用了分段同步调制算法， 死区补偿及相应的p wm 开关模式等核心技术使其 优化。 该部分还包括一系列电压适应技术的实现及其显示， 电流过流处理等功能。 我们采用 c cc 2 0 0 0 作为 d s p t ms 3 2 0 l f 2 4 0 2 的编译环境，文亭公司的仿真设 备作为设备基础。 其程序主要分为 驰动波形的生成、 电压补偿、 v / f曲 线的 逼近、 过流保护等功能.工作量较大， 实现较为复杂， 这将在本文第四章作具体介绍。 以下是该系统方案选择的论述。 2 . 2 . 1电源电路 一般情况下，我们所使用的交流电机所需的驱动功率较大， 一般的交流市电 很难满足其驱动电压的需求， 因此都需要专门设计一个电压提升电 路， 但为此增 加了电路的复 杂性和 增大了 硬 件的开支。 根据该系 统的技术指标， 系统功率要求 不大，因此我们将 2 2 0 v 的交流市电直接经过滤波整流变为 3 0 0 v的直流电为驱 动桥供电， 免除了使用电压提升电路的复杂性， 在满足指标的基础上简化 了电路。 2 . 2 . 2 驱动电路 在驱动电路的选择上，一般情况下，大多数采用功率模块作为驱动电路。使 用功率模块的优点是功能完 备， 保护完整， 易于实 现。 但是，由 于我们要实 现的 系统较为简单且功率较小，因此，直接使用六个 mo s f e t管作为交流电机的六 相驭动电路， 这样便于 将整个电路集 成在一块电 路板上， 方便了 调试， 节省了 硬 件的开支。 2 . 2 . 3 s v m 实现 p wm 驱动 在算法的实现上， 我们采用传统的变频调速p w m控制技术作为交流电 机的 控制驱动。 p wm控制技术 ( 又 称 p wm波生 成法)分为许多 种，并且在不断发展中。 但从控制思想上分，可以把它们分成四类，即等脉宽 p wm法，正弦波 p wm法 ( s p w m) ， 电 压空f fl i 矢量p wm ( s v m ) 法。 等脉宽p wm法是为了克服p w m方式中 逆变部分只能 输出频率可调的方波 而 不能调压的缺点而发展而来的， 是p w m法中最为简单的一种。 它的每一脉冲 宽度均相等。 改变脉冲的占空比可以调压。 采用适当 控制方 法即可使电压与频率 协调变化。但是，其缺点是输出电压中除基波外，包含的谐波分量是所有p wm 西北t业大学硕 ! : 学位论文s v m算法研究从j 在交流控制系统中的应用 时采用了分段同步调制算法， 死区补偿及相应的p wm 开关模式等核心技术使其 优化。 该部分还包括一系列电压适应技术的实现及其显示， 电流过流处理等功能。 我们采用 c cc 2 0 0 0 作为 d s p t ms 3 2 0 l f 2 4 0 2 的编译环境，文亭公司的仿真设 备作为设备基础。 其程序主要分为 驰动波形的生成、 电压补偿、 v / f曲 线的 逼近、 过流保护等功能.工作量较大， 实现较为复杂， 这将在本文第四章作具体介绍。 以下是该系统方案选择的论述。 2 . 2 . 1电源电路 一般情况下，我们所使用的交流电机所需的驱动功率较大， 一般的交流市电 很难满足其驱动电压的需求， 因此都需要专门设计一个电压提升电 路， 但为此增 加了电路的复 杂性和 增大了 硬 件的开支。 根据该系 统的技术指标， 系统功率要求 不大，因此我们将 2 2 0 v 的交流市电直接经过滤波整流变为 3 0 0 v的直流电为驱 动桥供电， 免除了使用电压提升电路的复杂性， 在满足指标的基础上简化 了电路。 2 . 2 . 2 驱动电路 在驱动电路的选择上，一般情况下，大多数采用功率模块作为驱动电路。使 用功率模块的优点是功能完 备， 保护完整， 易于实 现。 但是，由 于我们要实 现的 系统较为简单且功率较小，因此，直接使用六个 mo s f e t管作为交流电机的六 相驭动电路， 这样便于 将整个电路集 成在一块电 路板上， 方便了 调试， 节省了 硬 件的开支。 2 . 2 . 3 s v m 实现 p wm 驱动 在算法的实现上， 我们采用传统的变频调速p w m控制技术作为交流电 机的 控制驱动。 p wm控制技术 ( 又 称 p wm波生 成法)分为许多 种，并且在不断发展中。 但从控制思想上分，可以把它们分成四类，即等脉宽 p wm法，正弦波 p wm法 ( s p w m) ， 电 压空f fl i 矢量p wm ( s v m ) 法。 等脉宽p wm法是为了克服p w m方式中 逆变部分只能 输出频率可调的方波 而 不能调压的缺点而发展而来的， 是p w m法中最为简单的一种。 它的每一脉冲 宽度均相等。 改变脉冲的占空比可以调压。 采用适当 控制方 法即可使电压与频率 协调变化。但是，其缺点是输出电压中除基波外，包含的谐波分量是所有p wm 两北丁业大学硕 : 学位论文s v % 1 算法研究及i t 在交流控制系统中的应用 控制方法中最大的一种。 。 s p wm法是为了克服等脉宽p wm法的缺点而发展来的。 它从电动机供电电 源的角度出发， 着眼于如何产生一个可调频调压的三相对称正弦波电源。 具体方 法如下:以一个正弦波作为基准波 ( 称为调制波) ，用一系列等幅的三角波 ( 称 为 载波) 与基准正弦波相交， 由它们的交点 确定逆 变器的开关模式， 由 此使逆变 器的输出电压波为脉冲序列。 这样输出电压中的低次谐波显然可以大大减小， 但 其母线电压的利用率却不能达到最优。 电压空间矢量 p wm法( s v m ) 与s p w m 法不同，它是从电 动机的角度出发 的， 着眼点在于如何使电动机获得圆形旋转磁场。 它是以三相对称正弦波电压供 电时交流电动机的理想磁链圆为基准磁链圆， 由追踪的结果决定出逆变器的开关 模式， 形成 p wm波。 它把电动机看成是一个整体加以处理， 所得数学模型简单。 便于山微机实现实时处理， 从而可使控制系统结构简单，实时性强。 且无论从理 论推导还是从实际应用中 我们都可以 看出， s v m比s p wm电压利用率高出1 5 % , 能获得更好的性能。 通过对这几种 p wm调制方式的分析， 评价和比较，我们一致认为无论从减 小电动机电流谐波损耗方面，还是从 电压母线利用率方面看，电压空间矢量 p w m( s v m) ， 都具 有无可辩驳的优势。 这是我们采用s v m作为该系统的核心控 制算法的主要原因。 2 .2 .4 d s p控制器 单片机 自问世以来，便得到了飞速的发展。尤其以其外围强大的控制能力， 使其在控制领 域中立于不败之地。 特别以i n t e l 推出的8 0 c 1 9 6 m c 行单片机以 及 s i e m e n s 推出的 c 5 0 8为首，其内置的波形发生器可直接输出三相 p wm 波形， 特别适用于变 频调速电机控制系统。 但由 于本身 指令功能不 强， 运算能 力弱， 处 理速度慢( 1 a s 级) ，乘除法所用周期时间长，外围电路数据转换速度慢等 妹点， 使交流控制电机的性能得不到充分的发挥。 8 0年代初期出现的数字信号处理器 ( d s p ) ，它既增强了微处理器的数据处 理能力，又在片内集成了大量的外围接口，因而在控制系统中得到广泛应用。 d s p 通常采用哈佛结 构， 将程序存储空间 与数据存储空间分 开， 并且各自 拥有自 己的数据总线和地址总线; 采用流水线技术， 使得指令处理的平均速度大大提高; 内部增设专门的硬件乘法器， 并将硬件乘法器与累加器以流水线方式连接， 从而 可以高速连续地进行乘法和累加运算。 d s p 在提高速度的同时， 片内集成了大量 的外围接口，从而大大提高其功能，目前己发展成为 一 类高速单片机。 两北丁业大学硕 : 学位论文s v % 1 算法研究及i t 在交流控制系统中的应用 控制方法中最大的一种。 。 s p wm法是为了克服等脉宽p wm法的缺点而发展来的。 它从电动机供电电 源的角度出发， 着眼于如何产生一个可调频调压的三相对称正弦波电源。 具体方 法如下:以一个正弦波作为基准波 ( 称为调制波) ，用一系列等幅的三角波 ( 称 为 载波) 与基准正弦波相交， 由它们的交点 确定逆 变器的开关模式， 由 此使逆变 器的输出电压波为脉冲序列。 这样输出电压中的低次谐波显然可以大大减小， 但 其母线电压的利用率却不能达到最优。 电压空间矢量 p wm法( s v m ) 与s p w m 法不同，它是从电 动机的角度出发 的， 着眼点在于如何使电动机获得圆形旋转磁场。 它是以三相对称正弦波电压供 电时交流电动机的理想磁链圆为基准磁链圆， 由追踪的结果决定出逆变器的开关 模式， 形成 p wm波。 它把电动机看成是一个整体加以处理， 所得数学模型简单。 便于山微机实现实时处理， 从而可使控制系统结构简单，实时性强。 且无论从理 论推导还是从实际应用中 我们都可以 看出， s v m比s p wm电压利用率高出1 5 % , 能获得更好的性能。 通过对这几种 p wm调制方式的分析， 评价和比较，我们一致认为无论从减 小电动机电流谐波损耗方面，还是从 电压母线利用率方面看，电压空间矢量 p w m( s v m) ， 都具 有无可辩驳的优势。 这是我们采用s v m作为该系统的核心控 制算法的主要原因。 2 .2 .4 d s p控制器 单片机 自问世以来，便得到了飞速的发展。尤其以其外围强大的控制能力， 使其在控制领 域中立于不败之地。 特别以i n t e l 推出的8 0 c 1 9 6 m c 行单片机以 及 s i e m e n s 推出的 c 5 0 8为首，其内置的波形发生器可直接输出三相 p wm 波形， 特别适用于变 频调速电机控制系统。 但由 于本身 指令功能不 强， 运算能 力弱， 处 理速度慢( 1 a s 级) ，乘除法所用周期时间长，外围电路数据转换速度慢等 妹点， 使交流控制电机的性能得不到充分的发挥。 8 0年代初期出现的数字信号处理器 ( d s p ) ，它既增强了微处理器的数据处 理能力，又在片内集成了大量的外围接口，因而在控制系统中得到广泛应用。 d s p 通常采用哈佛结 构， 将程序存储空间 与数据存储空间分 开， 并且各自 拥有自 己的数据总线和地址总线; 采用流水线技术， 使得指令处理的平均速度大大提高; 内部增设专门的硬件乘法器， 并将硬件乘法器与累加器以流水线方式连接， 从而 可以高速连续地进行乘法和累加运算。 d s p 在提高速度的同时， 片内集成了大量 的外围接口，从而大大提高其功能，目前己发展成为 一 类高速单片机。 西北工业大学硕 j .: 学位论文s v m 算法研究技其在交流控制系 统中的应用 因此， 在本系统的实现中，我们采用t i 公司生产的专门 用于电机控制的数 字 化 微处 理 器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 2 器 作为 主 控芯 片。 它因 其具 有 低成 本、 低 功 耗、 高性能的处理能力，己成功地应用于各种控制领域.其主要具有以下几个特点: 1采用高性能静态c mo s技术， 使得供电电压降为 3 . 3 v, 减小了控制器的功耗: 3 0 mi p s的 执行速度使得指令周期缩短到3 3 n s ( 3 0 m h z ) ， 从而提高了控制器的 实 时控制能力。 2 . 片内 有高达3 2 k字的f l a s h程序存储器，高达1 . 5 k字的数据 / 程序r a m, 5 4 4 字的双口r a m ( d a r a m ) 和2 k字的 单口r a m( s a r a m) a 3 . 两 个事 件管理器模块e v a和e v b ， 每个包括:两个 1 6 位通用定时器; 8 个 1 6 位 的脉宽调制( p wm ) 通道。它们能够实现: 三相反相控制: p wm的 对称和非对称 波形 ; 当 外 部 引 脚p d p i n t出 现 低电 平时 快 速关 闭p w m通 道 ; 可 编程 的p w m 死区 控制以 防止上下桥臂同时 输出 触发脉冲;1 6 通道a / d转换器:空间矢量波 形的硬件产生。 事件管理器模块适用于控制交流感应电机、 无刷直流电机、步进 r 包 机、多级电 机和逆变器。 4 . 看门 狗定时 器模块( wd t ) o 5 . 1 0 位a / d转 换器， 最小转换时间为 5 0 0 n s ， 可选择有两个事件管理器来触发两个 8 通道输入a / d转 换器成一个 1 6 通道输入的a / d转换器。 5 串行通信接口 ( s c i ) 模块。 6 . 基于锁 相环的时钟发生器。7 . 5个外部中断 ( 两个电 机驱动保 护、复 位和两个可屏蔽中 断) 。8 . 电 源管理包括3 种低功耗模式， 能独立地将外设 器件转入低功耗工作模 式。 我们结合以 往教 研室的设计经 验及探讨， 根据技术 指标设 计出了 一套完整地 实现该系统的 方案。 同时 根据以 上分析我们可以看出， 采用该方案可以使系统结 构完整，功能完备，实现简洁，调试方便，具有较强的工程实用性。 西北t业大学硕十学位论文s v m算法研究及其在交流控制系统中的应用 第三章 驱动算法研究 该系统实现的算法主要包括: s v m 算法，死区补偿， p wm的驱动模式及分 段同 步调制原理。s v m 算法为驱动算法最核 心的部分，它是实现整个交流电 机 控制的基础。 同时， 为了使该驱动算法的性能达到最优， 我们总结了前人的经验， 结合本课题的研究任务，分别在死区补偿、p wm 模式选择、分段同步调制上作 了相应大量的 工作， 使该系统的功能 更加完善， 性能更加优良 。以 下我们就分 别 介绍实现该算法主要部分的理论原理。 3 . 1 s v m算法原理 空间矢量p wm波形生成的基本原理是根据不同的电压矢量， 合理的选择逆 变器的开关状态，以保证定子磁通轨迹接近于圆。 其突出特点是把逆变器和电动 机作为一个整体看待， 将逆变器的开关模式和电压矢量及 日 标磁链联系起来， 使 电动机气隙 磁通按圆形轨迹移动， 从而实 现空间电压矢量p wm的 波形控制。 电压空间矢量脉宽调制( 简称 s v m) 原理着眼点在于使电动机获得幅值恒定 的圆 形定 子 磁链， 因 为可= r , 万 + d 面 向， 如 果 忽略 定 子电 阻 压降， 则 u s = d yr , 加所 以 只 需 要 求 得 幅 值 恒 定 ， 以 一 定 的 角 速 度 旋 转 的 定 子 电 压 矢 量 。 这大大不同于 s p wm 得如何生成三相平衡的正弦电压输出波形的原理。通过利 用 s v m，变频器电压的利用率可以上升 1 5 % ，达到 9 0 . 6 % . 3 . 1 . 1电压空间矢量脉宽调制 众所周知， 异步电动机的三相绕组线圈通以时间上相差 1 2 0 度电气角的正弦 波交流电，便会产生一个以定子频率的同步角速度口旋转的磁场。相对来说， 静止的转子线圈便切割此磁场。 于是转子线圈产生感生电流， 在旋转磁场作用下 产生转矩。 这就是异步电动机的工作原理。首先对于三相异步电机系统，建立一 套异步电 机的矢量a . 夕模型如图z - 1 所示。 其中。轴与定子a 轴同方向， 刀轴 逆 时 针 垂a 于 a 轴。 定 义 逆 变 桥的 三 相输 出 电 压( v n 0 v b a ,玲 o ) ， 以 及 相 对 应 的a . 8 轴 上的 电 压( v a , v q ) 。 则 任 一定 子 电 压 空 间 矢 量v o 西北t业大学硕十学位论文s v m算法研究及其在交流控制系统中的应用 第三章 驱动算法研究 该系统实现的算法主要包括: s v m 算法，死区补偿， p wm的驱动模式及分 段同 步调制原理。s v m 算法为驱动算法最核 心的部分，它是实现整个交流电 机 控制的基础。 同时， 为了使该驱动算法的性能达到最优， 我们总结了前人的经验， 结合本课题的研究任务，分别在死区补偿、p wm 模式选择、分段同步调制上作 了相应大量的 工作， 使该系统的功能 更加完善， 性能更加优良 。以 下我们就分 别 介绍实现该算法主要部分的理论原理。 3 . 1 s v m算法原理 空间矢量p wm波形生成的基本原理是根据不同的电压矢量， 合理的选择逆 变器的开关状态，以保证定子磁通轨迹接近于圆。 其突出特点是把逆变器和电动 机作为一个整体看待， 将逆变器的开关模式和电压矢量及 日 标磁链联系起来， 使 电动机气隙 磁通按圆形轨迹移动， 从而实 现空间电压矢量p wm的 波形控制。 电压空间矢量脉宽调制( 简称 s v m) 原理着眼点在于使电动机获得幅值恒定 的圆 形定 子 磁链， 因 为可= r , 万 + d 面 向， 如 果 忽略 定 子电 阻 压降， 则 u s = d yr , 加所 以 只 需 要 求 得 幅 值 恒 定 ， 以 一 定 的 角 速 度 旋 转 的 定 子 电 压 矢 量 。 这大大不同于 s p wm 得如何生成三相平衡的正弦电压输出波形的原理。通过利 用 s v m，变频器电压的利用率可以上升 1 5 % ，达到 9 0 . 6 % . 3 . 1 . 1电压空间矢量脉宽调制 众所周知， 异步电动机的三相绕组线圈通以时间上相差 1 2 0 度电气角的正弦 波交流电，便会产生一个以定子频率的同步角速度口旋转的磁场。相对来说， 静止的转子线圈便切割此磁场。 于是转子线圈产生感生电流， 在旋转磁场作用下 产生转矩。 这就是异步电动机的工作原理。首先对于三相异步电机系统，建立一 套异步电 机的矢量a . 夕模型如图z - 1 所示。 其中。轴与定子a 轴同方向， 刀轴 逆 时 针 垂a 于 a 轴。 定 义 逆 变 桥的 三 相输 出 电 压( v n 0 v b a ,玲 o ) ， 以 及 相 对 应 的a . 8 轴 上的 电 压( v a , v q ) 。 则 任 一定 子 电 压 空 间 矢 量v o 西北业大学硕十学位论文s v m算法研究及具在交流控制系 统中的应用 v 二 v + j v p = 香 气, a + 叽o a - - 2 + 玲o a ( 3 一 1 ) 其中 石 = 3a = e , 我们知道在静态运行状况下， 三相异步电 机系统三相电 压的 矢量合 成可以 描 述 为 在a , 8 轴 上 大 小 为 常 数， 以 c) = 2 11f of 的 角 速度 旋 转( 场 为 参 考 理想 交 流 电 压的 频 率 ) 的 电 压 矢 量喻 ， 如 图3 - 1 b 所示 。 1 ,0 , 0 1 图3 - 1 空间电压矢量示意图 根据图示 三相 逆变器的六个功率开关器件的开 关状态， 可以有八种不同的 三 相电压空间矢量组合。如图 3 - 1 a，三相桥臂中，a相上桥臂导通，b , c相下 l 。 。 ，口、，一朴 ， . 书_ 伪二 二。 ，、， y /v /v / 、， 、 。 . ， .、 士 桥 臂 导 通 ， 因 而 输 出 的 三 相 电 压 矢 量 为 ( 2 ，一 % 2 r / 2 ) ， 分 别 代 表 a , b , c 三 相 的电 压。 这 种 状 况 下 可以 定 义 空 间 电 压 矢 量y 为巧= 以 1 ,0 ,0 ) , 1 , 0 分别代表功率器件开关状况，可得八种矢量电压的表达式: 、 一 。 (1,0,0) = 号 (v/ 2 一 丫 tvd f 32 e 一 丫 了arzyd i a2 e 卜 号 : 一 y2 = x (1,1,0 ) 一 香 : i-vde s 、 一 y (0 ,1,0) 一 3 vd e 西北工业大学硕 卜 学位论文s v m算法研究及找在交流控制系统中的应用 v, = v (0 ,1,1) = 号 : 一 vs 一 x (0 ,0,1) 一 香 : 誉 、 一 v (1,0 ,1) 一 2 v e;53 .d 称= v ( 0 , 0 , 0 ) , 叽=v ( 1 , 1 , 1 ) = 0 也可以表达为: v , e “ 一，)晋 ，(、 = 1 一 6 )( 3 - 2 ) 这六个电压矢量在图 3 - 1 b 中构成了了一个等边六边形，并分割成等面积的 六个区域。 通过前面的介绍，我们知道了s v m 的关键是求得恒定幅值旋转的定子电压 矢 量v 。 现在 我 们 不 是 普 遍意 义 的 假 设 一 时 间t。 上 定 子 电 压 矢 量肠 ( 如图3 - 1 ) . 我 们 在t。 到to + t s 时间 内 一定 常与 代 替 时 变 的v 。 同 理， 可 以 把 整 个叨轴3 6 0 度 角 平 面 分 割 成 许 多 以 a s = 叹为 ” 度 周 期 的 离 散 电 压 矢 量 。 当 t s 足 够 小 时 ， 可以 近似 认为 这种 方 法 等同 于 要 求 的 圆 形电 压矢 量 :当 t s 趋 近 于 无 穷小 时 ， 则 它们相同。 空间电 压矢量控制能 够实 现主要原理是: 在六边形内 的任意一电压矢量 都可 以 以 相邻 的 两 个固 定电 压矢 量v x . v x + 。与 两 个 零 矢 量v , , v s 叠 加 合 成 。 因 此 ， 在 每一 个t s 内 期 望的 电 压矢 量都 可以 用 上 述的四 个 固定 的电 压 矢量 合 成。 如图 3 - 1 b , 可 知 若肠 位 于k 区 域， 相 邻的 两 个固 定 电 压 是v x . v x + ! , 且 当 k+ 1 为 1时，则k =6 。 为了获得适宜的谐波特性， 也为了切换时 使每个功率开关器件 开关次数及开关损耗最小， 四个矢量的切换顺序必须有一定的安排: 从一种零电 压矢 量， 再 经过 完 全 相 反的 切 换 过 程 完 成整 个t s. 周 期。 例 如， 参 考电 压矢 量 位 于区域 1 ，电压矢量的状态顺序为7 1 2 8 2 1 7 - 二 ，同理，在区域 4时，顺序为 7 5 4 8 4 5 7 . . . ，注意区域为单 和双时，相邻电压矢量切换的次序不同。 西北t业大学硕十学位论文 s v m算法研究及j f 在交流控制系统中的应用 3 . 1 .2 s v m 的计算 因为 p wm波在单个载波周期中心对称， 所以我们只需要考虑电压矢量切换 的 半 个载 波 周 期。 设 t k 是电 压 矢 量v k 半 个 载波 周 期 作 用 的 时 间， t o 是 零 矢 量半 个载波周期作用的时间。通过上一小节可知期望电压矢量合成可表达为: t s t o 扮 ref d t 一 卜 od t + 0 0 z o + t k vk d t + 警 + tk + tk + l f v k + i d t + 20 + tk 丁 v , d t 警 + 。 .10 ; 十 : + : +。 = _ts2 由于v , = v : 三o , v 可 v k . v k + ， 实际上是常量，公式( 3 - 3 ) 可化为 ( 3 - 3 ) v ref 警 一 v k t k + v k+ltk+l ( 3 - 4 ) 用公式( 3 - 2 ) 代入，并区分复数的实部与虚部，可得: f f ( k 一 1 ) 7r 1 c k r l l (v a 1 zs 一 _23 。 一: 1“一3(k - 1)tr 卜 : +，iw s 3+i i . ktr 一1 jll s n i1 s i n - l l 3l 3