（电机与电器专业论文）基于dsp电流模型法旋转矢量控制在感应电机中的应用研究.pdf

f i i ii ii ii i 1 111 1 1 1 1 1i il y 1812 0 6 3 t h er e s e a r c ho fr o t a t ev e c t o rc o n t r o li nt h ea p p l i c a t i o no fi n d u c t i o n m o t o rb a s e do nd s pc u r r e n tm o d u l em e t h o d b y l ix i a o ( c h a n g s h a a v i a t i o nv o c a t i o nt e c h n o l o g yc o l l e g e ) 19 9 5 at h e s i ss u b m i r e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e l e c t r i cm a c h i n e sa n de l e c t r i ca p p a r a t u s i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rx i o n gz h i y a o a p r i l ，2 0 0 4 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作必枭 吼绛弓月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密函在加盟年解密后适用本授权书。 2 、不保密囵。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者躲旅粜 刷谧辄聊 日期：力砷年多月扣日 f 日期：2 砰年岁月p 日 ， 硕十学何论文 目录 摘要i a b s tra c t i i 第1 章绪论p i o0 1 1 1 概述”一1 1 2 感应电机变频调速系统的历史和现况1 1 3 高性能感应电机变频调速系统控制策略3 1 3 1 矢量控制技术3 1 3 2 直接转矩控制技术4 1 3 3 智能控制技术提高调速系统性能4 1 4 数字信号处理器在矢量控制系统中的应用6 1 5 在系统可编程器件7 1 6 论文研究的目的和主要内容8 第2 章感应电机旋转矢量控制系统理论9 2 1 旋转矢量控制的概念与理论基础9 2 1 1 坐标变换理论l l 2 1 2 感应电机的数学模型13 2 2 间接法矢量控制1 8 2 2 1 电流模型法19 2 2 2 电压模型法2 0 2 3 感应电机矢量控制调速系统结构2 2 2 4 无速度传感器的矢量控制2 3 2 4 1 动态转速估计2 3 2 4 2 模型自适应参考法2 3 2 4 3k a l m a n 滤波法2 4 2 4 4 转子齿谐波法2 4 2 4 5 高频注入法2 4 2 5 空间矢量脉宽调制技术2 4 2 6 本章小结3 0 第3 章感应电机矢量控制系统的硬件实现3l 3 1 系统描述3 1 3 2 主电路工作原理及拓朴结构3 2 3 2 1 变频器主电路分类3 2 3 2 2 主电路器件的选择3 3 基丁d s p 电流模型法旋转欠培控制红感府电机中的戍川研究 _ l _ _ 罩置_ _ 墨_ _ _ e 量皇詈墨暑墨宣葛皇墨昌暑葛鲁冒皇皇量暑暑置_ _ l 墨詈皇鼻毫墨兽喜皇奠曩皇摹墨暑唪_ - _ l _ 薯_ _ - l _ 3 2 3 散热器的设计3 4 3 3 逆变功率晶体管的驱动电路3 4 3 4 控制电路器件选择3 5 3 5 电流反馈处理电路3 6 3 6 直流电压监控电路3 7 3 6 1 实时监控电路的设计3 7 3 6 2 实时控制的泄放电路设计3 9 3 6 3 软件控制泄放电路4 0 3 7 速度反馈电路4 1 3 8 脉宽调制电路4 2 3 9 通讯接口电路4 3 3 10 本章小结4 4 第4 章感应电机矢量控制系统的软件实现4 5 4 1 软件设计流程4 5 4 2 转子磁场定向矢量控制系统传递函数描述4 5 4 3 转子磁场定向矢量控制系统调节器设计4 7 4 3 1 磁通p i 调节器的设计4 7 4 3 2 转矩p i 调节器的设计4 9 4 3 3 转速p i 调节器的设计5 1 4 4 矢量控制程序流程5 l 4 5 本章小结5 2 第5 章系统仿真和试验5 5 5 1 概j 签“。5 5 5 2 系统仿真5 5 5 3 系统实验5 6 5 3 1 直接将3 8 0 v 电压加到电机上的实验5 7 5 3 2 基于d s p 电流模型法旋转矢量控制的实验5 8 5 4 本章小结6 l 结 仑“”“一一“6 2 参考文献6 5 致 射- “”“6 9 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文目录) 7 0 附录b ( 电流模型法旋转矢量控制原理图) 7 1 附录c ( 一个p w m 驱动电路图) 7 2 附录d ( 母线电压自动控制泄放电路) 7 3 f 。 硕十学何论文 摘要 本文首先分析了感应电机调速的重要性，总结了交流调速的国内外现状和发 展趋势，提出了适合于感应电机的控制策略：基于d s p 电流模型法旋转矢量控制。 本文在分析感应电机的基础上，得出了感应电机的数学模型，根据磁场定向理论 分别画出了感应电机矢量控制框图和硬件控制系统原理框图，并且根据这些框图 设计了一系列硬件电路，如：基于d s p 的矢量控制电路、p w m 的驱动电路、直 流母线电压的监控电路、直流母线电压的泄放电路、通讯接口电路、电流采样电 路和光电编码电路等，并根据这些电路构建实验平台。 然后，根据矢量控制算法，在t i 公司提供的软件丌发平台上，编写了实验 系统软件。详细地分析了3 个比例积分器的软件设计，即磁通p i 、转矩p i 和转 速p i 的设计，画出了增量式磁通p i 软件流程图，提出了设计从内环p i 稳定开始， 到外环p i 稳定，以及控制则从外到内的思想。进一步分析了整个矢量控制系统的 软件流程，给出了详细的软件流程图。 最后，本文按矢量控制策略，一方面，利用m a t l a b 做了仿真，从理论的 高度证明了此方案的可行性；另一方面，进行了空载，变负载恒速运行实验，从 实验所得出的电压、电流波形、相位关系以及转速与直接给电机输入电网电压所 得到的波形、相位和转速对比可证明电流模型法矢量控制的优点。实验得出电压 相位和电流相位都对称，但幅度存在很小的偏差，最终导致3 相功率有o 2 的失 衡，但它满足工程的实际要求。从实验所得出的一系列波形曲线和数据可得出： 矢量控制具有动态性能好、失衡小和鲁棒性强的优点。 关键词：矢量控制：感应电机；仿真：o s p ， 基- fd s pi 也流模刑法旋转欠憾控制红感虑i u 机中的麻j j 研究 a b s t r a c t f i r s t l y t h ei m p o r t a n c eo fs p e e dr e g u l a t i o no fi n d u c t i v em o t o r ( i m ) i sa n a l y z e d ， t h es t a t u sq u oa n dd e v e l o p m e n tt r e a d so fa cs p e e dr e g u l a t i o ni ss u m m a r i z e d ，a n da d s p b a s e dv e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fc u r r e n tm o d e li sp r e s e n t e di n t h i sp a p e r m a t h e m a t i c a lm o d e lo fi mi se s t a b l i s h e db a s e do nt h ea n a l y s i so fi m t h eb l o c k d i a g r a m so fv e c t o rc o n t r o la n dh a r d w a r ec o n t r o ls y s t e mo fi m a r ed r a w na c c o r d i n gt o t h et h e o r yo ff i l e do r i e n t a t i o n as e r i e so fc i r c u i td i a g r a m si n c l u d i n gv e c t o rc o n t r o l c i r c u i tb a s e do nd s p , d r i v es y s t e mo fp w m ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) ，s u p e r v i s o r y c o n t r o lc i r c u i to fd cb u sv o l t a g e ，r e l e a s i n gc i r c u i to fd cb u sv o l t a g e ，c o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e ，c u r r e n ts a m p l i n ga n dp h o t o e l e c t r i cc o d i n gc i r c u i ta r ed e s i g n e d ，o nt h eb a s i s o fw h i c he x p e r i m e n ts y s t e m ( e s ) i sc o n s t r u c t e d t h e n ，i na c c o r d a n c ew i t ht h e v e c t o rc o n t r o la l g o r i t h m ，t h es o f t w a r eo fe si s p r o g r a m m e dw i t ht h ec o m p i l e rt o o l ss u p p l i e db yt ic t d s o f t w a r ea b o u tm a g n e t i s m f l u xp r o p o r t i o n a li n t e g r a l ( p i ) ，t o r q u ep i ，a n dr o t a t es p e e dp ii sa n a l y z e di nd e t a i l f l o w c h a r to fi n c r e m e n tm o d em a g n e t i s mf l u xi sd r a w n t h et h o u g h tt h a td e s i g ns t a r t s f r o mo u t s i d ep is t a b i l i t yt oi n s i d ew h i l ec o n t r o lw i t ho p p o s i t ed i r e c t i o ni sp r e s e n t e d s o f t w a r ef l o wo fv e c t o rc o n t r o ls y s t e mi sf u r t h e ra n a l y z e d ，a n dd e t a i l e ds o f t w a r e f l o w c h a r ti sd r a w n f i n a l l y ，o n et h eo n eh a n d ，t h es i m u l a t i o n sb yu s i n gm a t l a bt e s t i f yt h ef e a s i b i l i t y o ft h ep r o p o s e ds c h e m ei nt h e o r y ，o nt h eo t h e rh a n d ，e sr u n si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s i n c l u d i n gn ol o a da n dv a r i a b l el o a dw i t hi n v a r i a b l es p e e d ，a n dt h ef e a t u r e so fs p e e d a n dw a v e sa n dp h a s e so fc u r r e n ta n dv o l t a g eo b t a i n e df r o mt h ee x p e r i m e n t sw h e ni m i sc o n t r o l l e db yv e c t o rc o n t r o ls y s t e ma r ec o m p a r e dw i t ht h e s eo b t a i n e df r o mt h e e x p e r i m e n t sw h e ni mi sc o n n e c t e dw i t h3 8 0 vv o l t a g e ，t h er e s u l to fw h i c hi m p l i e st h a t t h ep e r f o r m a n c eo ff o r m e ri mi sm u c hb e t t e rt h a nt h el a t e ro n e i ne x p e r i m e n t s ，t h e p h a s e so fc u r r e n ta n dv o l t a g ea r ea l ls y m m e t r y ，w h i l et h e r e i sal i t t l ed i f f e r e n c ea t a m p l i t u d e ，w h i c hl e a d st ot h e r e - p h a s ep o w e ru n b a l a n c eo f0 2p e r c e n t h o w e v e r ，e s c a nm e e tt h er e q u i r e m e n to fp r o j e c ti np r a c t i c e t h ew a v e sa n dd a t ao b t a i n e df r o m e x p e r i m e n t ss h o w t h a tt h ev e c t o rc o n t r o l s t r a t e g y h a st h ea d v a n t a g e so fp e r f e c t d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，m i n o ru n b a l a n c ea n dg o o dr o b u s t n e s s k e y w o r d s ：v e c t o rc o n t r o l ；i n d u c t i o nm o t o r ；s i m u l a t i o n ；d s p n _ j 硕十学何论文 1 1 概述 第1 章绪论 本文紧密围绕电流模型法旋转矢量控制在感应电机中的研究，论文研究了感 应电机的高性能智能化控制方法，其中重点集中在感应电机的矢量控制策略及其 实现。本章回顾了感应电机控制理论产生和发展的历史，并介绍了数字信号处理 器( d s p ) 、可编程逻辑器件以及智能控制技术在感应电机高性能智能化变频调速 系统应用中的特点，阐述了智能控制理论应用于感应电机变频调速领域的目的和 意义。 1 2 感应电机变频调速系统的历史和现况 电机的应用领域非常广泛，电机控制的方式也各式各样，但其中最具代表性 的是电动机的速度控制和发电机的励磁调节。在工业、农业、交通运输、军事装 备等许多行业的机械要求变速。一方面为了满足运行及生产工艺的要求，如车辆、 电梯、造纸机械和纺织机械等：另一方面是为了减少损耗、节约能源也广泛采用 变速，如风机、水泵等。 一 对于电机调速较频繁的地方，一直是以直流电机处于垄断地位。因只要改变 电机的输入电压或励磁电流，就可以在较宽的范围内实现无级调速，若磁场恒定， 电机的转矩与电枢电流成正比，易于控制。因此它有良好的动态特性。但是直流 电机存在一些致命的缺点：容量、耐压、难以适用恶劣环境，机械换向器、造价 偏高、维护不方便等。于是人们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低 廉的交流电机。从电机转子的转速是否和同步转速相同来定义，电机分为异步电 机和同步电机。感应电机则属于异步电机，即转子的转速与定子旋转磁场的转速 不相同。同步电动机调速几乎完全依赖于变频，而传统交流调速只限于感应电动 机的变极、变压、转子回路串电阻等调速方式，确实无法与直流调速竞争。但是 感应电动机具有结构峰固，无电刷、维修方便、重量轻、价格低等直流电机结构 上无法比拟的特点。一旦感应电机变频控制技术的瓶劲被突破的话，两者的优劣 便一目了然1 2 l 【3 1 【4 1 。 感应电机调速系统从经典控制发展到现代的智能控制是得益于电力电子学科 的发展。l9 5 8 年，从美国通用电气公司研制成功第一个工业用的普通晶闸管丌始， 广泛地扩展了半导体器件功率控制范围。2 0 世纪7 0 年代后，大功率晶体管( g t r ) 、 门极可关断晶闸管( g t o ) 、电力场效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极晶体管( g b t i ) 和m o s 控制品闸管( m c t ) 等一批大容量、高频率、易驱动和低功耗的电力电 基7 - d s p 电流模型法旋转欠量控制在感戍电机中的戍川研究 子器件相继问世，从而也奠定了交流调速技术的物质基础，因此也使交流变频从 理论变成现实。同时它还为变频控制和智能控制的实现架起了一座桥梁【5 】【5 。 因感应电机变频调速的特点，国外一些科研院所和公司纷纷投入巨大的人力 和物力。在2 0 世纪8 0 年代就推出了一系列商品化的变频调速控制系统，我国在 此方面也迎头赶上，各研发机构主要从电力电子变流技术、矢量控制技术和微处 理技术这三方面着手。 包括晶闸管在内的电力电子器件是电力电子变流技术的核心，因新一代器件 的出现都可能给电力电子变流技术和控制技术的发展找到突破口。所以评价电力 电子器件由过去7 0 年代的大容量( 电压x 电流) ，到八十年代的高频化( 功率频 率) ，再到九十年代的高性能化( 大容量、高频率、易驱动和低功耗) 。变流技术 按功能分为：整流器( 交流电变为固定的或可调的直流电) 、逆变器( 固定直流电 变成固定或可调的交流电) 、斩波器( 固定直流电压变成可调的直流电压) 、交流 调压器( 固定交流电压变成可调的交流电压) 和周流变流器( 固定的交流电压和 频率变成可调的交流电压和频率) 1 6 j 。微处理器是指挥中枢，通过电力电子器件 使信息得以实现。把某种固定频率的电能变换成另一种同定频率或可调频率的电 能称为变频。此种变换通常有两种方法：一种是先把交流变换成直流，然后再把 直流变换成固定或可调频率的交流。这种通过中间直流环节的变频叫做间接变频， 或称交一直一交变频；另一种是不通过中间直流环节而实现变频，叫直接变频， 或称交一交变频。 矢量控制理论由德国的f b l a s c h k e 于19 7 1 年提出【。7 1 ，矢量控制技术的目的是： 使得交流调速真j 下获得了如同直流调速一样好的控制性能。经过了几十年的努力， 目前这一技术的应用已成熟8 】【9 j 。直流电机之所以有优异的调速性能是因为它具 有：稳定的直流磁场( 电枢磁场和励磁磁场) ，并且两磁场垂直的，励磁电流和电 枢电流在各自回路中，分别可调，可控。矢量控制理论就是利用坐标变换：静止 三相a , b ，c 变成静止两相t 2 ，：再将两相口，变换成与转子同步旋转的两相m ，t ； 使上述三个条件同时达到，那么我们就能控制交流电机与同控制直流电机一样方 便，快捷，很好的动态响应性能，关于矢量控制理论在下述章节会作详细的论证。 交流电机是一个多变量的，非线性的受控对象，计算量非常大。因此对微处 理器提出了更高的要求，因此才有后来生产出来的数字处理器d s p 。l9 7 8 年a m i 公司生产的$ 2 8 l l 和1 9 7 9 年美国i n t e l 公司生产的商用可编程器件2 9 2 0 是最早期 的d s p 处理器；1 9 8 0 年只本n e c 公司推出的u p d 7 7 2 0 是第一个具有硬件乘法器 的d s p 处理器；l9 81 年美国贝尔实验室推出的d s p i 与u p d 7 7 2 0 都是1 6 位字长， 具有片内乘法器和存储器：19 8 2 年德州仪器( t e x s si n s t r u m e n t t i ) 公司的t m s 3 2 0 系列d s p 处理器问世，是d s p 应用历史上的一个里程碑。加上近年来微电子技 术的迅猛发展，每秒钟进行数亿次运算的微处理器已经普遍，例如本文所采用德 硕十学何论文 州仪器公司( 以下简称“t i ”公司) 的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，它采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降到3 3 v ，减小了控制器的功耗：3 0 m p i s 的执行速度，指令 周期缩短到3 3 n s ：并且采用了改进型的哈佛结构，程序存储空i i 白j 、数据存储空间 以及输入与输出接口并行分布设计，指令执行采用4 级流水线操作，使运算速度 进一步得到了提升，从而提高了控制器的实时控制能力0 1 。t i 公司研发的数字信 号处理器( d s p ) 品种繁多，专门用于电机控制的d s p 有2 4 x 系列。再加上 针对d s p 提出各种算法，例如库利图基算法、分裂基f f t 算法和线性调频z 变 换算法等节省了大量的计算时间，为信号的复杂实时处理提供了理论基础，再加 上对信号进加窗处理，插值，滤波补尝等措施，使时域和频域都能得到很好的波 形。总之微处理器的出现对整个人类带来了一场信息化的革命。 1 3 高性能感应电机变频调速系统控制策略 感应电动机，特别是笼型异步电机，由于它结构简单、制造方便、峰固耐用、 价格低廉、维护少、能在比较恶劣的环境运行，在工农业生产中得到极广泛的应 用，但是它调速比较困难，早期调速绕线式异步机多采用外串接电阻，而笼型感 应电机多采用变极调速，但都不平滑。随着电力电子技术的发展，变频调速技术 在感应电机的应用后，调速范围广，调速时因转差功率不变而使附加能量损失很 小，变频调速是一种性能优良的高效节能调速方式，亦是感应电机调速的主流。 现代高性能的异步电机通常使用矢量控制和直接转矩控制两种控制策略 【1 1 1 1 1 2 1 1 1 3 i i l 4 1 1 1 5 1 。 1 3 1 矢量控制技术 矢量控制技术按国际惯例称为磁场定向控制( f i e l do r i e n t a t i o n ) ，即把磁场矢 量的方向作为坐标轴的基准方向，电动机电流矢量的大小、方向均用瞬时值来表 示。将定子电流分解为相互垂直的2 个分量：一个与磁链同方向，代表定子电流 励磁分量；另一个与磁链垂直，代表定子电流转矩分量，然后分别对其进行独立 控制，获得如同控制直流电动机一样良好的动态性能。1 9 6 8 年由d a r m s t a d e r 工科 大学的h a s s e 博士发表，l9 71 年西门子公司的b l a s c h k e 又将这种一般化的概念形 成系统理论，并以磁场定向控制的名称发表1 7 l 。 尽管矢量控制策略从理论上可以使感应电动机传动系统的动态特性得到显著 提高，但是也带来了一些问题：太理想化，实现时要进行复杂的坐标变换，且需 准确获得转子磁链，对电机的参数依赖性很大，难以完全解耦，使转矩控制效果 有点差距。另外从电机本身来看，参数存在一定的时变性，特别是转子时间常数， 它随温度和激磁电感的饱和而变化，所以矢量控制系统对参数的敏感性使得实际 控制效果难以达到理论分析的结果。 基丁d s pl 乜流模刑法旋转欠帑控制在感戍i 乜机中的应川研究 矢量控制技术除了坐标变换外，还要求矢量运算以及包括非常复杂的非线性 运算。而对交流瞬时值进行控制先决条件就是快速运算，如果用模拟电路来实现， 硬件电路结构非常复杂，而且误差较大，可靠性无法得到保证，所以在七十年代， 矢量控制只停留在理论上，而没有得到推广的主要原因。经过了二十多年努力， 随着微电子技术的迅猛发展，再加上后来的高频，大容量的功率器件研制成功， 才使矢量控制技术得以展开，真正使得感应电机的调速性能得到质的飞跃【2 1 【5 1 【1 6 1 。 1 3 2 直接转矩控制技术 直接转矩控制变频调速技术是继矢量变换变频调速技术之后，发展起来的一 种具有高性能的交流变频调速技术【5 叭，是近十年来才兴起来。它的英语称为 d s c ( d i r e c ts e l f - c o n t r 0 1 ) 矢量控制自七十年代发展以来，交流传动从理论上解决了交流系统在静态、 动态性能上如同直流传动优异性能，具有划时代的意义。然而，在实现上由于转 子磁链难于定准，且系统特性受电机参数的影响很大，再加上矢量变换的复杂性， 使得控制的实际效果难以达到理论值1 6 1 1 17 1 。 针对矢量控制的一些缺点，德国鲁尔大学的德彭布罗克( d e p e n b r o c k ) 教授 于1 9 8 5 年首次提出了直接转矩控制的理论。经过近十年的发展，直接转矩控制技 术己在电力机车牵引等大功率交流传动上得到了成功的运用f i 9 1 1 9 1 。德国作为直接 转矩控制的发源地，采用6 边形磁链控制策略，主要在大功率领域应用。日本采 用逼近圆磁链的控制策略，侧重于中小功率高性能调速领域的应用。从控制效果 来看，6 边形方案在每1 6 周期只使用一种非零电压矢量，相当于6 阶梯形波逆 变器供电的情况，转矩脉动和噪声都较大。而圆形策略，则电机损耗、转矩脉动 和噪声都很小，较接近理想情况。 直接转矩控制技术不同于矢量控制技术，它有其特点【2 0 j ： ( 1 )在对定子建立的坐标系下，直接分析异步电动机的数学模型、控制电机 的磁链和转矩，不需为解耦而简化数学模型，节省了矢量旋转变换和复杂运算。 ( 2 )磁场定向是对定子磁链而不是转子磁链，只须测出定子电阻就可以把定 子磁链观测出来，很大程度上减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响。 ( 3 )采用空间矢量的思想分析三相交流电动机的数学模型和物理量，简化问 题。 ( 4 )侧重于直接控制和控制效果1 2 1 1 。 直接转矩控制的研究虽然已取得了很大的进展，但是它在理论和实际上还不 够成熟，如低速运行及带负载起动时，它柔性都不如矢量控制。 1 3 3 智能控制技术提高调速系统性能 从自适应控制、最优控制、模糊控制和神经网络控制等理论发展起来的智能 硕十学付论文 控制理论。最近，国内外对智能控制的理论研究和应用研究非常活跃。提出了专 家控制、模糊控制、神经网络控制等方法 2 3 】1 2 4 j 【2 5 儿2 6 1 【2 7 1 。 目i j i 较流行的感应电机高性能变频调速系统是转子磁场定向控制和直接转矩 控制。这两者都通过转矩和磁链来控制。前者经过矢量坐标变换将感应电机变换 成如直流电动机一样来控制。后者是直接控制定子磁链来控制电机的电磁转矩， 但两者都要求考虑定、转子电阻和电感，又因这些物理量易受温度、频率等其它 因素影响而变化，致使控制指标偏离理想状态，结果事与愿违。故用智能控制将 矢量控制与直接转矩控制结合起来，使智能控制弥补两者的不足，考虑采用智能 控制将是感应电机变频调速系统中一个行之有效的方法【2 8 1 。 1 3 2 1 模糊控制 美国自动控制专家z a d e h 教授于l9 6 5 年在其论文 o ，则a = l ，否则a = o ；如果2 o 则b = l ，否则b = 0 如果3 o 则c = l ，否则c = 0 。设n = 4 c + 2 牛b + a ，则n 与扇区数s e c t o r 的对应关 系呢? 下面来推理： 按数学分析的习惯不妨令：y = u 榔，x = u 咖，即矢量u o u t 的直角坐标表示为( x ，y ) 则式( 2 5 9 ) 可写为： i l = y k 可2 = 一y + x 4 3 ( 2 6 0 ) l 可3 = 一y x x 4 3 当n = 4 = ( 1 0 0 ) 2 时，即c = l ；b = 0 ；a = 0 ；则有： 当y 0 时：则有：y o ，矢量在第三象限或第四象限。如果矢量u o 。t 用极坐标表示 为( p ，0 ) ，p 代表矢量的幅值，秒代表幅角主值。 故18 0 0 y 专= 鱼3 ( 2 6 3 ) 综合式( 2 6 2 ) 和式( 2 6 3 )则三半 2 9 62 o o v i 压压 v v x x 0 + 一 一 y y y 一 一 ，【 基丁d s p 电流模型法旋转欠转控制在感应电机中的应用研究 故此得：兰：c t g o 拿：c 留( 6 0 。+ 18 0 。) ：c t 9 2 4 0 。又因18 0 。 3 6 0 。且由余切函数 1 ， j 的性质得：18 0 0 0 0 ，如果偏差l p ( 七) i 占，则p i 调节器就进行积分，否则就不进入积分环节，故 可以令： = 矧冀眦黼州巩( ，堆班m 舢p _ ) 如果不进入积分环节，则有： “ ) = k p p q ) + “ - 1 ) - k ，e ( k - 1 ) 令：a 。k ，b “k p ，g ( 七一1 ) = “ 一1 ) 一b ”e ( k - 1 ) 则有： “ ) = a ”p ) + g 一1 ) ，所以得软件实现流图。在进入子程序之前，对p i 调节器 进行初始化分别求得：a ，彳”，b = b ”，且设置g ( - 1 ) = 0 则由以上推导可得软件流图如 图4 3 所示： 4 3 2 转矩p i 调节器的设计 转矩环是转速环的内环，应该先于转速调节器设计。由于转矩信号滤波环节 的存在，给反馈信号带来了延迟，故给式( 4 18 ) 的转矩环的丌环传递函数加入相同 - 4 9 - b b 4 3 转子磁链p i 调节流程图 时间常数的给定滤波环节，反馈滤波环节的滤波时间常数乃可根据本系统的需要 而定，取弓= ( 2 仃f ，) 3 仃f ，这是一个二阶系统，但不是典型i 型系统，同样 引入一个p i 调节器如图4 4 所示： b 0 4 4 t j a , , x p i 调节器进行校正的转矩环 因乃 c r j 令：f = 盯f ，则校正后的开环传递函数h ( s ) 为： g ) =k p g s + 1 ) f s 令：k ：k p k r f r ， 瓦硼k t r 丽, 2 百k p k r 掣瓦矾1 网 则上式可变为： h ( j ) 2 而k 习 ( 4 2 5 ) 同样，要达到二阶“最优”模型的动态性能，须使：善= 0 7 0 7 ，q ：0 5 5 m 硕十学位论文 从而得到： 即等中o - s 叭小筹 因此可得到p i 调节系数：彳，b = b ”，且设置g ( - 1 ) = 0 ，软件流图与磁链p i 软件 流图相同( 略) 。 4 3 3转速p i 调节器的设计 转速环通常校正成典型i i 典系统，即使在负载扰动之后，已有了一个积分环 节，为实现恒转速，那必须在扰动之前设置一个积分环节，故设计成i i 典型系统。 分别设置了转速反馈滤波环节和给定滤波环节，得转速环示意图如图4 5 所示： 从图可知：开环传递函数为： 删= 譬掣志1 r sr s + 一 l 一 d s 其中：礓2 l + 2 毒乃按1 i 典型系统的参数选择方法， ( 4 2 6 ) 图4 5转速环示意图 有： f = h k 一 ( 4 2 7 ) 去2 蔗得2 掣 2 8 ， 根据本系统，选择h = 5 ，l2 喜。仃。，乃2 詈仃 则可求得：礓= 瓦+ 2 t i = j 1 仃l + 2 詈盯。= 喜盯l 。 因此可得转速环p i 调节系数：a ，a 。，b = b ”，且设置g ( - 1 ) = 0 ，软件流图与磁链p i 调节流图相同( 略) 。 4 4 矢量控制程序流程 软件控制对象的通用性，以及在硬件上控制电路的通用性，是所有设计人员 的目标。因此本文除了在硬件上考虑通用性外，还在软件考虑了复用性。使用t i 5 i 基rd s p 电流模型法旋转久量控制在感应电机中的应用研究 公司的开发软件平台，编写了一个d s p 的c 语言应用程序，此应用程序需要4 种类型的文件：c 语言文件：汇编语言文件；头文件；命令文件。其中c 语言文 件是应用程序的主要执行程序，是对整个工程系统而言是主体，用“c ”格式保 存。汇编文件依据实际情况各有不同，它一般包括程序的复位和中断向量，用 “a s m 格式保存。头文件主要用来定义d s p 内部寄存器的地址分配，根据控 制对象的不同，各对象的电气参数亦不同，这些参数用全局变量来申明，且对于 一些功能模块，采用了结构体和共用体相结合的类的数据结构定义，放在一个头 文件中，这些头文件书写一次后，可以被其它程序反复调用，用“h ”格式保存 命令文件主要定义堆栈、程序空间分配和数据空问分配等，用“c m d 格式保存。 因此，在一定程度上实现了软件的复用。3 个中断子程序分别用于：下位机d s p 和上位机p c 通讯：3 个定子电流a d c 转换：电机的转速和角位置。通讯中断子 程序是按异步通讯r s 2 3 2 的通讯协议，为了通讯的简洁性，省掉了3 次撑手程序。 1 个起始位、8 位的数据位、1 位奇校验位和l 位停止位。其它两个中断子程序按 照t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 用户手册所提供的功能来编写的，特别注意：本系统用e v b 模块，因此在触发a d c 中断时，必须用e v b 事件来触发，软件流程如图4 6 所示。 根据第2 章电流模型法矢量控制框图编写程序：初始化程序；运行程序；中 断子程序。其中初始化程序包括系统初始化，系统初始化主要是对以下几个寄存 器进行设置：系统控制和状态寄存器l ( s c s r l ) ；看门狗控制寄存器( w d c r ) ； 中断屏蔽寄存器( i m r ) ；中断标志寄存器( i f r ) ；等待发生寄存器( w s g r ) 。 接下来的初始化主要是对差分方程系数，感应电机的一些参数，以及运行循环程 序中涉及到的一此初始状态变量等。 整个工程初始化完毕后，就进入循环执行程序，循环程序是依据第二章的矢 量控制框图，由给定转速，得到转子磁链的估算值。经电流互感器所获得的信号， 经过两次坐标变换得到直轴电流分量和交轴电流分量，由速度环经过比例积分调 节，然后经磁链p i 调节和转矩p i 调节，这3 个p i 调节顺序刚好与上述设计相反， 得到旋转坐标系的的两个电压分量，再通过补偿环节后，通过一次反坐标变换得 到静止直角坐标系下的两个电压分量，这两个电压分量通过合成得到一个电压输 出矢量。接下来断定它在空间矢量中的哪个扇区，按平行四边形法则来确定输出 矢量的两个分量，再根据这两个分量的所占的比例，以及调制时间来确定各开关 矢量维持的时问，装入各自的比较寄存器( c m p r x ) 中。软件流程如图4 7 所示。 4 5本章小结 本章详细论证了矢量控制系统软件所用到的3 个比例积分器( p i 调节器) 的 设计，且给出了增量式软件流程模块。分析了整个工程软件的流程并给出了详细 的软件流程图。同时给出了3 个中断子程序的软件流程图。到此为止，为基于d s p 5 2 硕十学位论文 矢量控制系统的实验调试准备就绪。 中断入l j 篙 获取3 个 电流值 刊 二 二一 j l ：q 断 甑：i 再丽 、- - - ，。 a ) a d o 中断流程图 b ) 转速中断流程图 c ) 通讯中断子程序流程图 图4 6 中断子程序流程图 5 3 - 循环体入口 经速度环两次 积分得 由参考的转子磁链 y 二得相对速度 形- 2 击岛 r 。沙， 由速度观测器得w 由积分公式得幺 幺= 上( w + h 。炒 经c 1a r k ：f l l p a r k 变换 得l w , l s d 由y 耐2 而- t m _ 得沙尉 经转矩p i 调 节器得c ，二 经磁链p i 调 峙器褥u j 诳 = 一q 吐i ! 蚋+ 每) l u 硪= u j 谢+ v 。a c l u 唧= 吒+ 。 商角坐标系下的两电 堡分最u 刚u 妒 由以。，得出输出 电压，进而推导 电压欠最所在的扇区 判断它由那 两个开关欠 量水合成 按、卜行四边形法则求出 虬。，在两开关欠屠的分量 图4 7 初始化程序和运行流程图 5 4 图5 1电流模型法旋转矢量控制仿真系统结构图 根据第二章的感应电机的数学模型以及电流模型法转子磁场定向矢量控制的 控制策略，利用m a t l a b 中的s i m u l i n k 工