（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的异步电机矢量控制系统.pdf

t h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mo f a cm o t o rb a s e do nd s p a b s t r a c t t h ea p p e a r a n c eo fd s pa n dt h em e n t i o n so fa c c u r a t ea s y n c h r o n o u sm o t o r sm o d e l a n da l lk i n d so fa d v a n c e dc o n t r o l l i n gs t r a t e g ya c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to ft h em o t o r c o n t r 0 1 t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e sav e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fa cm o t o rb a s e do n d s p a so n eo f t h ea d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g i e s ，t h ef i e l do r i e n t e dc o n t r o l ( f o c ) i sl i k et h i s ： b yt r a n s f o r m i n gt h em o d e l o fa cm o t o rt od cm o t o r , t h es t a t o rc u r r e n ti sd e c o m p o s e d i n t ot w od cp a r t sw h i c ha r eo r i e n t a t e da c c o r d i n gt ot h er o t o rm a g n e t i cf i e l da n d c o n t r o l l e di n d e p e n d e n t l y i nt h i sw a y , i tc o n t r o l s t h ea s y n c h r o n o u sm o t o rl i k e s y n c h r o n o u sm o t o e u s i n gt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，t m s3 2 0 l f 2 4 0 7o ft i ，w h i c hi ss p e c i a lf o r m o t o rc o n t r o l ，w ed e v e l o pas u i to ff r e q u e n c yc o n v e r s i o nt i m i n gs y s t e mb a s e do nt h e v e c t o rc o n t r 0 1 int h i sp a p e r , t h en e w - s t y l ep w m m o d u l a t i o nm a n n e r s v p w mi s a d o p t e da n dt h eu t i l i z i n ge f f i c i e n c yo ft h ee n e r g yi se n h a n c e d t h ep r i m a r yt a s k sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) t h e p r i n c i p l eo ff o c i sd i s c u s s e dt h o r o u g h l yv i a t h e c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n b e g i n n i n gw i t ht h em a t h e m a t i c sm o d e lo f t h em o t o r ；t h eb a s i ct h e o r yo fs p a c e v e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) i sd e s c r i b e da n dt h ea c h i e v i n gm e a n s o f t h es v p w m u s i n gd s p i sg i v e n ； ( 2 ) t h ec o n t r o l l i n gs c h e m es u i tf o rt h er e q u e s to ft h i ss y s t e mi sc o n f i r m e da f t e r c o m p a r i n gt h ed i f f e r e n tm o d u l a t i o nm o d e s ； ( 3 ) t h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h ec o n t r o l l i n gs y s t e mi sd e s i g n e di n c l u d i n gt h em a i n c i r c u i ta n dt h ep o w e rc i r c u i t ，e t c ； ( 4 ) t h es o f t w a r ef l o wa n dt h ec h i l dm o d u l e so f t h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e do n d s pa r ea l s op r e s e n t e d ； ( 5 ) t h ee x p e r i m e n tc o n c l u s i o n sa r ec o m eo u tt h r o u g ht h et e s t i n ga n d t h er e s e a r c h k e y w o r d s ：d s p ；a cm o t o r ；v e c t o rc o n t r o l ；s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ； f r e q u e n c yc o n v e r s i o nt i m i n gs y s t e m 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文 ：基王翌数昱生量也叁量揎制丕缠：。除论文中已 经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丁文铴南年月据自 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名；习议行导师签名：j 毒名蛊多 日期：确年l 月落日 第1 章绪论 1 1 引言 电气传动控制系统是以电机为控制对象，以微电予装置为控制核心，以电力 电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的控制系统，以达 到控制电机转速或是转矩的目的。 电动机是国民经济领域中各行各业使用的最普通的动力机械。它能将电能转 换为机械能，拖动各种类型生产机械的工作机构运动，以实现各种生产过程的要 求。电机可分为直流电机和交流电机，交流电机又可分为同步交流电机和异步交 流电机，这几种电机各有利弊： ( 1 ) 直流电动机的转速易于控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流恒 定，可用改变电枢电压的方法实现恒转矩调速，在额定转速以上，保持电枢电压恒 定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速，采用转速、电流双闭环直流调速系统 可获得优良的静、动态调速特性；缺点是结构复杂，成本高，电刷易于损坏，维 护不方便，对环境要求高。 ( 2 ) 交流电动机，尤其是鼠笼型异步电动机，结构简单，制造方便，价格低 廉，且坚固耐用，运行可靠；但其数学模型复杂，实现控制难度比较大，过去在 很长的时间内，主要应用于不变速传动领域。 ( 3 ) 同步电机的优越性在于，只要保持电源频率不变，其转速就可以保持恒 定；但一直以来，存在启动困难，重载时振荡甚至失步，故应用有限。 随着电力电子技术，微电子技术，控制技术的不断发展，许多新型的电机控 制技术被提出，交流电机调速得到飞速发展，电气传动交流化的时代已经到来。 1 2 交流调速技术发展的基础 交流变频调速技术发展和许多技术的发展密切相关，涉及到电动机制造、电 力电子器件、变换器电路、电子信号处理技术、古典和现代控制理论、计算机辅 助设计等众多学科领域；交流高性能调速的实现有赖于电力电子技术、p w m 变频技 术、电机控制等核心技术的突破。 1 21 电力电子技术 自美国g e 公司1 9 5 7 年生产出第一个晶闸管以来，功率器件的发展突飞猛进。 其中，第一代半控型器件，以晶闸管为代表；第二代全控型器件( g t o ，g t r 等) ； 第三代功率器件以复合型为标志，如绝缘栅双极晶体管( i g b t ) ，i g b t 兼具m o s f e t 高速、驱动简单的开关特性和g t r 容量大的通态特性。目前i g b t 己发展到了第四 代，这使得i g b t 在1 m w 以f 的功率变换装置中成为首选器件。 8 0 年代以后出现的功率集成电路( p i c ) 集功率电路、保护电路、接口电路于 一体，由于存在高低电压之间的绝缘问题和温升与散热有效处理问题目前产品 只达到小功率水平。采用表面贴装技术制成的混合功率模块，如智能功率模块 ( i p m ) 采用i g b t 作为功率开关，含有电流传感器、驱动电路、过载、短路、欠 电压等保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，目前 在中、小功率的交流变频调速系统中大量使用。 1 2 2p w m 技术 简单的讲，所谓p _ l v m 技术就是利用半导体器件的升通和关断把直流电压变成 一定形状的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效控制和消除谐波的- - f l 技术， 目前已成为逆变的最主要控制方式，一直是变频技术的核心技术之一。p w m 控制技 术的不同，全在于谐波控制的不同，大致可以分为三类，正弦p w m ( 包括电压、电 流或磁通正弦为目标的符种p w m 方案，多重p v # g 也应归于此类) 、优化p 1 ；m 以及随 机p w m 。 正弦p w m 已为人们所熟知，其旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐 波的多重p w m 技术，在大功率变频器中有其独特的优势。而优化p w m 所追求的则 是实现电流谐波畸变率( t h d ) 最小、电压利用率最高、效率最优及转矩脉动最小以 及其它特定优化目标。随机p w m 方法的原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音 近似为限带白噪声( 在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的) ，尽管噪音 的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度太大削弱。 目前工程上，常用的主要有三种形式：基于正弦波对三角波脉宽调制的s p w m 控制、基于电流滞环跟踪的c h p w 控制和电压空间矢量s v p w m 控制。 控制、基于电流滞环跟踪的c h p v n 控制和电压空间矢量s v p w m 控制。 ( 1 ) s p w m 技术 s p w m 法是从电源的角度出发，着眼于如何生成一个可以调压调频的三相正弦 波电源。s p w m 波形的生成有许多方法，例如等效面积法、自然采样法、规则采样 法等等。自然采样s p w m 法采用正弦波作为调制波，以等腰三角波作为载波，利用 比较法以正弦波和三角波瞬时值相等的时刻即两个波形交点作为跳变时刻，获得 经调制的幅值相等、面积按正弦规律变化的矩形脉冲信号。中值规则采样法的基 本思想是，将三角载波周期的中点( 三角波的负峰值或正峰值) 时刻对正弦采样形 成阶梯波来代替正弦波。自然采样s p w m 法虽能确切反映正弦脉宽调制的原始方法， 但其开关时刻求取困难，不适合微机实时控制，而中值规则采样法偏离自然采样 法较小，脉宽的计算方法简单，用计算机实现比较方便，运算量小，实时性好， 是人们常用的一种s p w m 方法。 ( 2 ) 电流追踪型p w m 技术 电流追踪型p w m 技术的基本思想是将一个正弦波定子电流给定信号和定子电 流实测信号相比较，若实际电流大于给定值，则通过逆变器开关器件的动作使之 减少：反之，则使之增加。电流轨迹追踪p w m 变频器由通常的p w m 电压源型变频 器和电流控制环组成。 ( 3 ) 电压空间矢量s v p w m 电压空间矢量s v p w m 控制是一种新颖的脉宽调制方法。它不是局限于如何使 逆变器输出按正弦规律变化的电源，而是将逆变器和电机看成一个整体，基于电 压空间矢量概念，用八种基本电压空间矢量合成期望的电压空间矢量，建立逆变 器功率器件的开关状态和空间矢量，并依据电机的定子磁链矢量与定子电压之间 的关系，直接达到控制电机定子磁链矢量幅值近似恒定、顶点沿圆形轨迹运动、 平均速度可调的目的，从而实现对异步电机近似恒磁通变压变频调速。 电压空间矢量脉宽调制是一种优越的脉宽调制方式，本系统所采用的d s p 中含 有生成s v p w m 的内部状态机。后续将对如何利用d s p 生成s v p w m 详加叙述。 1 2 3 微处理器与数字控制技术 随着各类高性能微处理器和微控制器的出现，电气传动装置的控制器已由模拟 控制转向数字控制。全数字控制方式以微处理器作为整个系统的核心，将复杂的 控制电路用软件实现，操作更加简易。数字化控制的实现使得调速系统的动静态 性能更加趋于完善，系统的可靠性、可操作性、可维护性得以大幅度提高。 从最早的通用单片机到以i n t e l 公司生产的8 0 x 1 9 6 m c 为代表的电机专用微控 制器到现在的电机专用d s p ，微控制器随着半导体技术的发展经历了同新月异的变 化。d s p 芯片实际上就是一种单片机，它具有体积小、功耗小、实时处理迅速、处 理数据量大、精度高、性价比高等优点。t i 公司推出的专门为电机数字化控制而 设计的高性能1 6 位数字信号处理器t m s 3 2 0 x 2 4 0 ，特别适合于三相异步电动机的高 性能控制。它集高速处理能力及适于电机控制的优化外围电路于一体，大大减小 了控制系统的体积。同时，复位期间所有管脚均处于某一确定状态，克服了8 x 1 9 6 m c 复位期间管脚状态不定的缺点，简化了系统设计，提高了复位期间系统工作的可 靠性。本系统就采用了美国德州仪器( t i ) 的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 1 3 异步电机控制方式 ( i ) v f 开环控制 该控制方案结构简单，通过调节逆变输出电压实现电机速度调节，根据电机 参数，设定v f 曲线。由于是速度开环控制，调速精度和动态响应特性不理想； 尤其是低速区域由于定子电阻压降不容忽视等，影响调速范围和精度；同时，转 差的存在，转速随负载力矩变动，采用转差补偿和转矩提升功能，精度也难以保 证。采用这种控制方式的通用变频器只适用一般要求不高的场合，如风机、水泵 等机械。 ( 2 ) 矢量控制( f o c ) 其基本思想，在普通的三相交流电机上设法模拟直流电机转矩控制规律，在 磁场定向坐标系下，通过坐标变换将电流矢量分解为励磁电流和转矩电流，使两 分量互相垂直，彼此独立，然后调节，实现正交解耦控制。矢量控制存在以下几 个难点： 其一，转子磁链难以准确观测，矢量变换复杂，使得实际控制效果难以达到 理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足； 其二，必须直接或间接得到转子磁链在空间上的位置才能通过坐标变换，实 现定子电流解耦控制。这就使得矢量控制系统中，需要配置转子位置或速度传感 4 器。对于调速范围、转速精度和动态品质要求不是特别高的场合，往往采用无速 度传感器矢量变频控制系统。 其三，在电机运行过程中，由于温度等外界环境和电机磁场变化对电机转子 时间常数等参数的影响，大大降低了控制系统的精度，关于转子时间常数的辨识 方面，国内外学者做了大量的工作。 ( 3 ) 直接转矩控制 和矢量控制不同，直接转矩控制摈弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换， 简单的通过检测电机定予电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和 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。 1 4 研究背景及工作 本课题运用矢量控制并结合空间电压矢量调制技术，开发了以t i 公司的电机 控制专用d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心的交流变频调速系统。具体研究工作如下： ( 1 ) 从电机数学模型入手，通过坐标变换，深入探讨了矢量控制的原理，详述 了空间电压矢量s v p _ l v m 的基本原理，给出了d s p 实现s v p w m 的方法； ( 2 ) 确定适合本系统要求的控制方案，对比不同的调制方式和实现方式，完成 系统的方框图； ( 3 ) 设计了控制系统的硬件电路，主电路采用典型的交一直一交电压源型逆变电 路；功率附加电路包括电源部分、转速给定电路、键盘设定及液晶显示电 路、电流检测电路和过压、欠压保护电路等； ( 4 ) 设计了控制系统的软件部分，给出了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的矢量控制系统软 件流程和各子模块的具体实现； ( 5 ) 搭建了实验平台，进行了整机测试，给出了实验结论。 第2 章矢量控制理论 2 1 异步电机数学模型和坐标变换 异步电机矢量控制的控制方式比较复杂，要确定最佳的控制方式，必须对系 统的动静态特进行充分的研究。作为系统的一个主要环节，异步电机的特性显得 尤为重要，建立一个适当的异步电机的数学模型是研究系统动静态特性、确定控 制技术的理论基础。异步电机本质上是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统， 在研究其数学模型时常做以下假设： ( 1 ) 三相绕阻对称，忽略空间谐波 ( 2 ) 忽略磁路饱和铁心损耗 ( 3 ) 各绕阻的自感和互感都是线性的 在恒转矩负载条件下，三相异步电机的多变量数学模型可用如下矢量方程表 不： u ：r f + 工堕+ 丝f( 2 1 ) d ta6 其中：u - 定、转子相电压，l 一定、转予电感，。一转子角速度，i 一定、转子电 流，0 一转子和定子夹角。 异步电机的强耦合主要表现在磁链和转矩方程式上，既有三相绕组之间的耦 合，又有定转子绕组间的耦合，还存在磁场与定转子电流间的耦合，其根源在于 它有一个复杂的电感矩阵，通常需要用坐标变换的方式加以改造，最后得出与三 相异步电机等效的直流电机模型。在研究矢量控制时定义了三种坐标系，即三相 静止坐标系( 3 s ) 、两相静止坐标系( 2 s ) 和两相旋转坐标系( 2 r ) ，为保持磁动势、 功率不变，采用正交变换方式。( 以下的公式同时适用于电流、电压和磁链，仅以 电流为例) 。 2 ，1 1 坐标变换 ( t ) 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a 一1 3 ，即3 s 2 s 变换，如图2 1 所示： 6 图2 i3 s 2 s 变换图 f i g 2 1c h a r to f t h e3 s 2 st r a n s f o r m a t i o n 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： c 2 。 ll 22 压i 22 1l 压压 ( 2 2 ) 如果定子三相绕阻为y 接法，并且无中线，于是有以+ 如+ f 。= o ，则c 中的第三行 岛= 州爿 3 ) 因此实际的变换公式为： 计豳 4 ， 在a b c 坐标系和a b 坐标系中，坐标系是静止的，但电压、电流和磁链却是交变 由两相静止坐标系一1 3 到两相旋转坐标系d - q ，即2 s 2 r 变换。变换原理如 7 ， o 上压 ，心0 图2 22 s 2 r 变换图 f i g 2 2c h a r to f t h e2 s 2 rt r a n s f o r m a t i o n 静止坐标系的两相交流电流，和旋转坐标系的两个直流电流l ，f 。产生同样的 以同步转速旋转的合成磁动势。d 、q 轴和n 、1 3 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( 后面的章节会针对。的定位展开论述，即 所谓的磁场定向) ，则两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变换矩阵为： g 矿b fe o s 8 口训s i n # 1 ( 2 5 ) 从而可得： ；： = c 砷树 汜6 ) ( 3 ) p a r k 逆变换( 2 r 2 8 ) 由两相旋转坐标系d - q 到两相静止坐标系q 1 31 1 1 12 r 2 s 。同样可得p a r k 逆变 换公式为： c _ l f 。0 5 ；- 。s i n 占8 j 陇7 2 ，1 2 异步电机数学模型 通过坐标变换可将异步电机在三相静止坐标系下的数学模型转化为两相静止 坐标系和两相旋转坐标系下的数学模型( 电流、电压、磁链和转矩的) ，限于篇幅， 仅将异步电机在n b 两相静止坐标系和两相旋转d - q 坐标系下的数学模型摘录如 下： ( i ) 异步电机在两相a b 静止坐标系下电压数学模型为： 汐。 u 。 u 。： u 。： r + 厶p 0 l 。p 一l 。 0 r ，+ l ，p l ， 。p 三。p 0 r 2 + 三，p 一口三， 8 ( 2 8 ) k轴kfiiiiiiiiin 。加屹“足 ( 2 ) 异步电机在任意两相d - q 旋转坐标系下的电压数学模型为 “j i “。l 甜d 2 u 9 2 r 。+ 上，p 一：l 。p一，0i d , 国厶r + l ，p鳓三。l 。p ， l 。p c o , l 。r ：+ l ，p 一吼三，l l 如 c o , l 。l p 三，r ：+ 五，p j ( 2 9 ) 转矩方程为： r 。= 胛，l 。b 。f 。：一玉：i 。j ( 2 1 0 ) l - 互感，厶，l - 定、转子每相绕阻的等效自感，l 一电机转矩， t , - 负载转矩，p 一微分因子，玉。，f 。, l - d 。q 轴定子电流，厶：，f 。一d 。q 轴转子电流 2 2 矢量控制原理 异步电机调速的目的在于转矩的控制。由于其本身的数学模型是一个高阶、 非线性和强耦合的多变量系统，虽然经过坐标变换可以降阶并简化，但多变量和 非线性的实质并没有改变，决定了其控制方式的复杂性。1 9 7 1 年，德国西门子公 司的b l a s c h k e 等人提出了“感应电机磁场定向的控制原理”，美国p c c u s t m a n 和a a c l a r k 的“感应电机定子电压的坐标变换”理论，从理论上解决了交流电机 模拟直流电机，实现高性能转矩控制的问题。异步电机磁场定向控制是把定子电 流作为具有垂直分量的空间矢量来处理的，因此又称为矢量控制。 2 2 1 矢量控制的基本思想及实现 矢量控制基本思想就是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电机转矩控 制规律，在磁场定向坐标系上，将定子电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量f m 和产生转矩的转矩电流分量厶，并使两分量互相垂直，彼此独立，并分别进行调节。 这样，交流电机的转矩控制，从原理上就和直流电机相似了，因此矢量控制的关 键仍是对电流矢量的幅值和空间位置( 频率和相位) 的控制。 通过以上的讨论，可以将一个三相交流的磁场系统等效为一个旋转体上的直 流磁场系统，以两相系统作为过渡，互相进行等效变换。所以，如果将变频器的 给定信号变换成类似于直流电机磁场系统的控制信号，就是说，假想有两个互相垂 直的直流绕阻同处于一个旋转体上，两个绕阻中分别独立的通入由给定信号分解 得到的励磁电流“和转矩电流信号玉：与此同时，电动机在运行过程中的三相交流 系统的信号，通过坐标变换，等效变换为两个互相垂直的直流信号，反馈到给定 的控制部分，用于修正基本的控制信号如和玉。具体实现可以通过如下的矢量控 圈2 3 矢量控制原理框图 f i g 2 3p r i n c i p l ec h a r to f t h ev e c t o rc o n t r o l 进行控制时，可以和直流电机一样，使其中的一个磁场信号( 如) 不变，而 控制另一个磁场电流信号( 矗) ，从而获褥和直流电机类似的控制性能。 电流反馈反映负载的状况，使直流信号中的转矩分量f r 能随负载变化，从而模 拟类似于直流电机的工作状况；速度反馈用于反映拖动系统实际转速与给定值之 间的差异，并使之以合适的速度进行校正，从而提高动态性能。 2 2 2 转子磁场定向矢量控制基本方程 按转子磁场定向，就是规定d 轴总是沿着转子总磁链矢量够，的方向，坐标系 d q 以同步转速玛旋转，即有 l o y ：= 少。：= 厶i + 工，i ，： ( 2 1 1 ) 对于鼠笼式异步电机而言，转子短路，则有：甜。：o ，相应的电压数学模 型由( 2 9 ) 变为下式： 一鳓厶i 三m p1 0 尺：j z 扪l f 。- l ( 2 1 2 ) 划 z p 2 j 转矩万栏为： 只n p 争枷织 ( 2 1 3 ) i j 7 ( 1 ) 转子磁链驴，的方程 在矢量控制系统中，被控量是定子电流，因此必须从数学模型中找出定子电 流的两个分量与其他物理量的关系，将( 2 1 1 ) 代入( 2 1 2 ) 式第三行中，得： o = 比。i 。+ 三，i 。：j + r ：如：；p ( 0 2 + r ：i 。： ( 2 1 4 ) 从而有： ：一一盟 ( 2 1 5 ) 2 。2 一r 2 将( 2 1 5 ) 代入( 2 1 1 ) 有厶= 一掣仍 ( 2 1 6 ) 或p ：2 丽l 如 2 1 7 其中丁：= ，为转子励磁时间常数。式2 1 7 就是转子的磁链方程。 首先，它表明妒：与“之间的动态关系是一阶惯性环节，即当定子电流励磁分 量突变时而引起转子磁链9 ：变化时，会在转子中感生转子电流励磁分量，阻止妒： 的变化，使其只能指数规律变化； 其次，表明转子磁链伊：只能由f 。产生，与定子电流的转矩分量无关； 第三，表明伊：稳态值由定子电流励磁分量唯一确定。 ( 2 ) 转矩方程 加以她 魁： 一r 厶l l”鳓厶纸 玩批o o 转矩方程式： r 。；绋z r mz 矿： j 0 7 ( 2 1 8 ) i q l 是定子电流的转矩分量。当f 。不变时，即妒：不变时，如果f 。变化，转矩， 立即随之成正比例的变化，没有任何滞后。 ( 3 ) 转差频率以方程 由( 2 1 2 ) 第四行可以得到： 以乜。f 。+ 三，i 。：) + r ：f 。：= 以缈：+ r ：以：= 0 ( 2 1 9 ) 结合2 1 5 ，并考虑t 2 = ：得： 一舡2 彘。 ( 2 2 0 ) 以上即为矢量控制的基本原理和控制方程式。总而言之，由于d - q 坐标按转 子磁场定向，在定子电流的两个分量之间实现了解耦，如唯一决定妒：，f 。则只影 响转矩，与直流电机中的励磁电流与电枢电流对应，大大简化了异步电机的控制。 2 2 3 矢量控制方式 异步电机矢量控制归根结底是基于磁场定向的方法，因此常用的控制策略也 是按照磁场定向方法分类的，主要有以下几种策略： ( 1 ) 转子磁场定向矢量控制系统 转子磁场定向的矢量控制，即将d - q 坐标系放在同步旋转磁场上，将电机转 子磁通作为旋转坐标系的d 轴坐标轴。若忽略由反电动势引起的交叉耦合，只需 检测定子电流的d 轴分量，就可以观测转子磁通幅值。当转子磁通恒定时，电磁 转矩与定子电流的q 轴分量成正比，通过控制定子电流的q 轴分量就可以控制电 磁转矩。因此定子电流的d 轴分量称为励磁分量，q 轴分量为转矩分量，从而实现 解耦控制。这种方式，由于转子磁链的位置角秽是通过检测磁通直接计算的， 因此又称为直接转子磁场定向矢量控制。 这种方式，系统可以实现完全的解耦控制，但转子磁通的检测受转子时间常 数的影响较大，影响系统性能。 】2 ( 2 ) 转差频率矢量控制 应用稳态转差频率，得到转子磁场的位霞，即转差频率矢量控制。其主要出 发点：异步电机的转矩主要取决于转差频率。因此，此方法主要考虑转子磁通的 稳态方程式，从转子磁通宜接得到定予电流的d 轴分量，通过对定子电流的有效 控制，形成了转差矢量控制，不需要计算转子磁链，用转差率和转速相加后积分 计算转子磁通相对于定子的位置。这种方法又称为间接磁场定向矢量控制。 ( 3 ) 气隙磁场定向矢量控制 这种方法比转子磁通的控制方式复杂，但是利用了气隙磁通易于观测的优点， 保持气隙磁通的恒定，从而使转矩与q 轴电流成正比。 ( 4 ) 定予磁场定向矢量控制 这种方法保持定子磁通的恒定，以定子电压为测量值，容易受电机转速影响。 2 3 电压空间矢量法 电压空间矢量脉宽调制( s v p w t , i ) 是从电动机的角度出发，着眼于如何使电机获 得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。它以三相对称正弦波电压供电时的交流电 动机的理想圆形磁通轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通，去 逼近基准磁通，从而达到较高的控制性能。实践和理论都可以证明，与直接的正 弦波脉宽调制( s p w m ) 技术相比，s v p w m 在输出电压或电机线圈的电流中都将产生 更少的谐波，减少了转矩脉动，提高了直流供电电压源的利用率。 2 3 1 电压空间矢量脉宽调制的基本原理 图2 4 是一种典型的三相电压源逆变器的结构。 图2 4 典型逆变器结构图 f i g 2 , 4s t r u c t u r ec h a r to f t h et y p i c a li n v e r t e r 图中，g o ，k 是逆变器的电压输出，q l 到9 6 是6 个i g b t ，它们分别被 q ，q 3 和q 5 3 个i g b t 的开关状态，即a ，b 和c 为0 或为1 的状态，将决定z o ，圪， k 三相输出电压的波形情况。 逆变桥输出的线电压矢量 圪。吃 1 、相电压矢量 v o 圪v o 和开关变量e a * 嘲訇 汜z ， 小豳 c z z z ， 式中，屹是电压源逆变器的直流供电电压，或者称为总线电压。 不难看出，因为开关变量矢量 v okv o 有8 个不同的组合值( a ，b ，c 只能 1 4 表2 1i g b t 开关状态和对应的输出线电压、相电压、空间矢量、( 芦) 子轴分 量的关系表 t a b2 1r e l a t i o n sa m o n gt h eo n o f fs t a t e so fi g b t ，o u t p u tl i n e v o l t a g e ， p h a s ev o l t a g e ，s va n dt h ec o r r e s p o n d i n gp o n d e r a n c ei n ( 口，) a x i s cba 圪。圪。k 。k 。 v e c t o r o o0o000oo0o0 0 001 2 3一3一3 0 一屹 2 3 0u o10 一32 屹3一吃3一 o 3y 。f 矗 u 【2 0 0 11 v d = 坞32 3 0 一一3v 。| 矗 u 帅 100一屹3 一32 3 0 一一3一y 。7 矗 u 2 d o 1o1 3 2 vd ：h 3一 0 vd c h v 。俩 u 咖 1102 3 3吃3一 0 一2 3 0 u 1 8 0 l 1l0o0ooo0o0 t 在该表中，、k 。、表示输出的相电压，、表示输出的线电压。 在( 口，) 坐标系与输出的三相线电压相对应的分量可以由下面的等式表示： k 。= v , p = ( 2 v b 。+ ) 拈 上面的等式也可用矩阵形式表示： 盼詈 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 由于逆变桥中，i g b t 的开关状态的组合一共只有8 个，则对应于开关变量矢 量 abc 1 在( a ，夕) 坐标系中的、也只有有限种组合，、是空间 矢量分解得到的子轴分量，它们的对应关系如表2 1 所列。表2 1 中k 。、被称 为空间基本矢量的( 口，) 轴分量，每个基本空间矢量与合适的i g b t 的开关命 锄 1lll、lj 吃 pl 纠引引 一 一 l 0 令信号组合( cba ) 相对应，如表2 1 中最后一列所示。例如，当( cba ) = 0 0 1 时，表示此时的空间矢量为u 。被i g b t 的开关组合所决定的8 个基本空间矢 量如图2 5 所示。 空间矢量p w ) a 技术的目的是通过与基本的空间矢量对应的开关状态的组合得 到一个给定的定子参考电压矢量u 。参考电压矢量u 。用它的轴分量u 。和u 。 表示。如图2 6 表示参考电压矢量、与之对应的轴分量u 。和乩。和基本空间矢 量砜和u 。的对应关系。 图2 5 基本空间矢量对应图 图2 一u 。，和【，咖、【，b m 及u o 、u 6 0 对应图 f i g 2 5c o r r e s p o n d i n gc h a r to f t h eb a s i cs p a c ev e c t o r f i g2 6c o r r e s p o n d i n gc h a r to f u r 、u m 、u 、u o 、u 6 0 在图2 6 中，t 。表示和u 。的口轴分量之和，表示，。和己，e 。的卢轴 分量之和，结合表2 1 可知基本空间矢量的幅值都为2 3 ，故有如下的等式： 肾o + 告= 等 ( 22 6 ) jj k 孕哮= ( 2 2 7 ) 在图2 6 所示的情况中，参考电压矢t w 。位于被基本空间矢量u o 、u 。所包 围的扇区中，因此u 。可以用u 。和u 。两个矢量来表示。于是有如下等式： t = 五十正+ 丁 ( 2 2 8 ) 1 6 = 争乩啐 ( 2 2 9 ) 在上式中，i 和2 ；分别是在周期时唰t 中基本空i 司矢量u o 、u 。各自的作用时间，t o 是0 矢量的作用时间。正和五可以由下式计算： u b 矿弘。陋o 。( 2 3 0 ， u 咖= 争陆i + 争l u 。i c 。s 6 0 0 ( 2 3 1 ) 从前面的表述知，所有的基本空间矢量的幅值都为2 3 ，如果它们取相对于最 大的相电压i ( 最大的线电压为) 的标么值，则空间矢量的幅值变成 2 i ，即经过归一化后的空间矢量的幅值为l u 。i = 阢“= 2 订，代入上式得： 互= 三一。) ( 2 3 2 ) 五= t u 胁 ( 2 3 3 ) 在上面得两式中，u 。抽和u 。表示矢量u 。相对于最大得相电压i 归一化( 即 取标么值) 后的( 函) 轴分量，瓦= t - 互一墨是0 矢量的作用时间。取互、五 与周期t 的相对值有如下等式： ，l _ 争= 圭旧嘶电。) s a ， 铲争。 ( 2 3 5 ) 如果定义如下式的x 、y 和z 这3 个变量： x = u ( 2 3 6 ) y = 丢咖咖+ ) 沮。， z = ( 如啪+ u j ( 2 3 8 ) 在前面的例子中，矢量u 。位于被空间矢量u 0 、u 。所包围的扇区( 即扇区o ) ， 则可得 = - - z ，t ：= x ；同理可得，当。位于其他扇区时，也可以用x 、y 或z 来表示，它们的对应关系如表2 2 所示。 表2 2t 。、t 。与x 、y 和z 的对应关系 t a b2 2c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e nt ，、t 2a n dx 、y 、z 扇区 、u 6 0u 6 0 、u 2 0u 1 2 0 、u 1 u 8 0 、u 2 4 0u 2 4 0 、u 3 0 0u 3 0 0 、u 3 6 0 t 1 一zzxx- yy t 2 xyy zzx 电压空i 司矢量法的目的就是通过对逆燹器开关状态的合理组合，来获得实时的 参考电压乩。，丽这种电压矢量加到电机上产生幅值恒定、以恒转速旋转的定子磁 链空间矢量，且定子磁链矢量顶点的运动轨迹形成圆形的空间旋转磁场。u 。的变 化快慢取决于周期t 的大小，t 取得越大，那么变化的越慢；反之，t 取得越小， 那么变化的越快，而在实际应用中，t 一般去的总是很小，从而保证实时性。一般 而言，可以通过矢量玑。的( 口，卢) 轴分量u 。和“。来表示矢量本身，则可以 把3 个参考量矿。、用和u 一来表示，其关系如下： 矿。= u b 。m ( 2 3 9 ) = 里掣 ( 2 4 0 ) v = - u , - u ，m * 4 3 ( 2 4 1 ) 定义三个变量a ，b ，c ， 如果n 。 o ，则a 2 l ，否则a 2 0 ； 如果 o ，则b = l ，否则b 2 0 ； 如果儿， o ，则c 2 1 ，否则c 。0 。 设n = 4 * e + 2 柚十a 。则n 与扇区数的对应关系如表2 3 所示： 表2 3n 与扇区数的对应关系表 t a b 2 3c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e nna n df a n n123456 t ： 15o32 4 到目前为止，如果已知参考电压矢量u 。或其在( 口，) 轴的分量u 。和u 。， 就可以根据上面的推导，计算出与u 。对应的两个基本空间矢量的作用时间相对于 周期t 的比例值t 。t ”如果周期t ( 前后两个u 。的时间间隔) 已知，则就可以 确定空间电压矢量作用的时间l ，t ：，再加上前面的推导，就可以很方便的利用 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 实现s v p w m 算法了。 2 3 2 利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 生成s v p w m t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是专用于电机控制的芯片，为方便s v p w b l 波形的生成，内部集 成了一个s v p w m 状态机。每个事件管理器都可输出单独的6 路s v p _ | v m 脉冲，且可 控制输出极性，并具有可编程的死区单元。e v a 模块的p 1 】| m 电路结构框图如下图所 示。它包括四个功能单元，非对称对称波形发生器、可编程的死区单元、输出逻 辑和空间矢量p w m 状态机。 死区单元用于保证在任何情况下每个比较单元相关的2 路p w m 输出控制一对 正向导通和负向导通设备时没有重叠。这样避免了两个功率器件因短路而击穿事 件。输出逻辑控制p w m 输出的极性。 图2 7 l f 2 4 0 7 a 内部p 删电路结构框图 f i g2 7f r a m ec h a r to f t h ep w m c i r c u i ti nl f 2 4 0 7 a 总的来说，s v p w m 的产生，需要完成以下的工作： 1 ) 判断当前电压矢量所在的扇区 2 )计算开关电压矢量作用的时间 3 ) 根据开关电压矢量作用的时间合成三相pw m 信号。 具体的实现过程在第5 章中讲述。 第3 章 异步电机矢量控制系统总体设计 3 1 系统总体方案 本设计为基于d s p 的异步电机矢量控制系统，目标是充分利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的片内资源，开发一个低成本，调速性能好的矢量控制变频调速系统，整个系统 由功率主电路、控制电路和辅助电路组成。 功率电路主电路的拓扑结构主要分为两种，一种是交一直一交结构形式( 间接 变频) ，另一种是交一交结构方式( 直接变频) ，本系统采用间接变频方式，功率电 路主电路由电压型的交一直一交变压变频结构，驱动电路和交流电机组成；控制系 统以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片为核心，用来完成矢量控制核心算法、s v p w m 产生、 相关电压电流检测处理等功能；辅助电路由辅助电源、光电编码器和电流互感器 组成。具体框图如图3 1 所示： 图3 1 系统结构框图 f i g3 1f r a m ec h a r to f t h es y s t e m 各部分的具体实现将在第4 章详细讲述。 3 2 系统控制方案 在第二章中，介绍了异步电机矢量控制的几种方案，并进行了比较，本系统 采用转子磁场定向的控制策略，其具体结构框图如图3 2 所示： 图3 2 异步电机转子磁场定向( f o c ) 控制结构示意图 f i g3 2s t r u c t u r es k e t c hm a po f t h ef o cc o n t r o lf o ra cm o t o r 从示意图看，该系统是典型的双闭环系统，其中外环是速度环：通过检测电 动机