（控制科学与工程专业论文）基于dsp智能变频调速系统的研究.pdf

中文摘要 随着电力电子技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交 流调速取代直流调速已成为发展趋势。电机交流变频调速技术以其优异的调速 起动、制动性能，高效率及节电效果己成为当今节电、提高产品质量、改善环 境和推动技术进步的一种主要手段。本文选择“基于d s p 的智能变频调速系统 的研究，旨在发挥数字信号处理技术与智能控制理论相结合的优点，在现有 技术的基础上提高变频调速系统的数字化水平和智能化程度。 本文运用了v v v f 调速原理、矢量控制原理、s v p w m 理论与技术，对变 频调速系统进行了模块化设计，减少了元器件数量，缩小了系统的体积，并改 善了动静态性能和可靠性。在实际控制过程中，非线性因素及参数时变性导致 系统的控制精度无法满足且稳定性较差，针对这一固有问题，传统的p i d 控制对 此已无能为力，而智能控制则能够有效地提高系统的鲁棒性。本文将模糊p i d 控 制应用于变频调速系统的转速环，替代传统的p i d 调节器，得到了超调量更小且 静态误差更小的转速响应，改善了系统的性能。 在本系统的硬件方面，设计了以d s p 和智能功率模块i p m 为核心的硬件， 其中包括对主电路、控制电路以及保护电路的设计。主回路包括整流、滤波、 逆变电路等；控制回路包括外部程序存储器扩展电路、译码电路、设置和显示 电路以及电压、电流、转速及位置的检测电路等；保护回路包括断相、过热、 过流、过压的保护电路等。 在本系统的软件方面，以矢量控制算法为核心控制策略对整个系统进行了 相关程序模块的设计，系统软件由主程序和中断服务子程序构成。主程序主要 完成初始化工作；子程序所包括的模块有：s v p w m 的程序设计、p i d 控制的程 序设计、转子磁链定位的程序设计、c l a r k e 变换及其逆变换的程序设计、 p a r k 变换及其逆变换的软件设计、设定及显示的软件设计。 本文最后还对整个变频调速系统进行了仿真实验，分别对基于传统p i d 速度 调节器的变频调速系统和基于模糊p i d 速度调节器的变频调速系统进行了先后 仿真分析，对比两者仿真结果得知：后者具有更好的动静态调速性能，从而验 证了本系统设计的合理性。 关键词：d s p ， 变频调速，智能控制，s v p w m ，模糊p i d 控制 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , e l e c t r i cd r i v et e c h n o l o g y f a c e sah i s t o r i c a lr e v o l u t i o n ，a cc o n v e r t e ri sg r a d u a l l yr e p l a c i n gd cc o n v e r t e r ， w h i c hh a sb e c o m eat r e n d a cm o t o rc o n v e r t e rh a sb e c o m eam a i nm e a s u r et os a v e e n e r g y , u p g r a d ep r o d u c tq u a l i t y , i m p r o v et h ee n v i r o n m e n ta n dp r o m o t et e c h n o l o g i c a l a d v a n c e m e n tw i t hi t se x c e l l e n ts t a r t i n ga n db r a k i n ga b i l i t y , h i g he f f i c i e n c ya n d e n e r g y s a v i n ge f f e c t ”s t u d yo nt h ei n t e l l i g e n tv a r i a b l ef r e q u e n c ya d j u s t a b l es p e e d s y s t e mb a s e do nd s p ”i sc h o s e ni no r d e rt ob r i n ga d v a n t a g e so fd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yc o m b i n e dw i t hi n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r y i n t op l a y , a n dt o i m p r o v ed i g i t a ll e v e la n di n t e l l i g e n tl e v e lo ft h ev a r i a b l ef r e q u e n c ya d j u s t a b l es p e e d s y s t e mb a s e do nt h ei n f o r m e dr e s e a r c h w i t hw v f p r i n c i p l e ，v e c t o rc o n t r o lp r i n c i p l e ，s v p w mt h e o r ya n dt e c h n o l o g y , v a r i a b l e s p e e ds y s t e mi sd e s i g n e dt o b em o d u l e si nt h ep a p e r , w h i c hr e d u c e s c o m p o n e n tc o u n ta n dt h es i z eo ft h es y s t e m ，a n di m p r o v e ss t a t i ca n dd y n a m i c p e r f o r m a n c e a n dr e l i a b i l i t y i na c t u a lc o n t r o l p r o c e s s ，n o n l i n e a r f a c t o r sa n d p a r a m e t e rt i m e v a r y i n gc a u s ec o n t r o la c c u r a c yo ft h es y s t e mu n a b l et om e e tt h en e e d a n dp o o rs t a b i l i t y , t os o l v et h ei n h e r e n tp r o b l e m ，t h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o li su n a b l e t od oa n y t h i n g b u tt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h e s y s t e m r o b u s t n e s s f u z z yp i dc o n t r o l l e ri sa d o p t e dt oc o n t r o ls p e e dl o o pi nt h ep a p e r , w h i c h t a k e sp l a c eo fc o m m o np i dc o n t r o l l e r , a sar e s u l t ，s m a l l e ro v e r s h o o ta n ds t a t i ce r r o r a r eg o t t e n ，s y s t e mp e r f o r m a n c ei si m p r o v e da c c o r d i n g l y a sf o rs y s t e mh a r d w a r e ，i ti sm a d eu po fc i r c u i tc o r e da r o u n dd s pa n di p m ， i n c l u d i n gt h em a i nc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i ta n dp r o t e c t i o nc i r c u i t t h em a i nc i r c u i t c o n s i s t so ft h er e c t i f i e r , f i l t e r , i n v e r t e rc i r c u i t ；t h ec o n t r o lc i r c u i tc o n s i s t so ft h e e x t e r n a lp r o g r a mm e m o r i z e re x p a n s i o n c i r c u i t ，d e c o d i n gc i r c u i t ，s e t t i n g a n d d i s p l a y i n gc i r c u i t ，a n dv o l t a g e ，c u r r e n t ，s p e e d ，p o s i t i o nd e t e c t i o nc i r c u i t ；t h ep r o t e c t i o n c i r c u i tc o n s i s t so f o f f - p h a s e ，o v e r - h e a t ，o v e r f l o w , o v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o nc i r c u i t a sf o rs y s t e mh a r d w a r es o f t w a r e ，r e l a t i v ep r o g r a mm o d u l e sf o rt h ee n t i r es y s t e m a led e s i g n e do nt h ec o r eo fv e c t o rc o n t r o la l g o r i t h m t h es y s t e ms o f t w a r ei s c o m p o s e db yt h em a i np r o g r a ma n di n t e r r u p ts e r v i c es u b r o u t i n e t h em a i np r o g r a m m a i n l y f i n i s h e si n i t i a l i z a t i o n w o r k ；s u b r o u t i n ei n c l u d e st h ef o l l o w i n gm o d u l e s ： s v p w m p r o g r a md e s i g n ，p i dc o n t r o lp r o g r a md e s i g n ，r o t o r f l u ) 【l i i l l 【a g eo r i e n t a t i o n p r o g r 锄d e s i g n ，c l a r k et r a n s f o r ma n di t si n v e r s et r a n s f o r mp r o g r a md e s i g n p a r kt r a n s f o r ma n di t si n v e r s et r a n s f o r mp r o g r a m d e s i g n ，s e t t i n ga n dd i s p l a y i n g p r o g r a md e s i g n s i m u l a t i o n so nt h ev a r i a b l e s p e e ds y s t e ma r ef i n i s h e da tt h ee n do ft h i s p a p e r t h ev a f f a b l ef r e q u e n c ya d j u s t a b l es p e e ds y s t e mb a s e do nt h et r a d i t i o n a lp i d s p e e d c o n t r o n e ra n dt h ev a r i a b l ef r e q u e n c ya d j u s t a b l es p e e d s y s t e mb a s e do nt h e 舵z vp i d s p e e dc o n t r o l l e ra r es i m u l a t e da n d a n a l y z e dr e s p e c t i v e l y c d m p a r e dt h e 抑o s l m u l a t i o nr e s u l t s ：t h el a t t e rh a sb e t t e rd y n a m i ca n d s t a t i cs p e e dp e r f 0 瑚a n c e ，s ot h e r a t i o n a l i t yo ft h es y s t e mi sp r o v e d k e ”o r d s ：d s ev a r i a b l ef r e q u e n c ya d j u s t a b l es p e e d ，i n t e l l i g e n t c o n t r 0 1 ，s v p w m ， f u z z yp i dc o n t r o l i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了说明并表示了致谢。 签名：煎垫同期卫：篁：! 妄 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 研究生( 签名) ：同砷乙导师( 签名) 变誊彳 日期b f os 、| s 武汉理工大学硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景与意义 2 0 世纪3 0 年代，交流调速的原始方案被提出，但由于电力变换技术控制手 段的制约，进展十分缓慢，因此在相当长的时期内，直流调速直以性能优良 而领先于交流调速。 直流调速系统虽然有调速性能好的优越性，但也有一些直流电动机本身的 难以克服的缺点，主要是机械换向器带来的弊端，譬如容量、电压、电流和转 速的上限值，均受到换向条件的制约，在特大容量的调速领域中无法应用等。 交流调速系统也有一些交流电动机本身的优点：不必像直流电动机那样受换向 条件的限制，结构简单，性价比高，坚固耐用，缺点是若采用简单调速方法， 性能则不够理想。但随着2 0 世纪6 0 年代以来普通晶闸管、小功率晶体管的实 用化，交流调速也进入了实用化，而变频调速也以其优异的起动、制动性能， 高效率、高功率因数和节电效果性能而成为了交流调速的主流。近年来，随着 电力电子技术和微电子技术的迅速发展，交流电动机调速性能差的缺点已经得 到克服，其性能完全可以和直流电动机调速相抗衡，甚至超过直流调速。 随着全球工业的迅猛发展，工业生产能耗高，能源相对来说比较紧张，节 能是急待解决的问题，调查显示，我国的发电总量中，6 0 是电动机消耗的，因 此变频节能是非常重要的课题。此外，通过交流调速技术还可以提高产品的质 量和产量，促进交通运输系统的交流化。所以，发展交流调速技术特别是变频 调速技术势在必行。 然而，变频调速技术在国内的研究和应用仍处于起步阶段。究其原因，主 要是两个方面：1 ) 价格高昂，一直是阻碍变频调速技术推广应用的一个重要原因； 2 ) 变频调速具有一定的技术难度，人们需要有一个了解和熟悉的过程。但是随着 电力电子技术的不断革新，变频器的价格已有所下降，同时随着国家大力提倡 技术创新，急需将变频调速技术列入通用节能技术加以研究推广，故研究变频 调速技术具有十分重要的现实意义。 因此，本论文选择“基于d s p 的智能变频调速系统的研究，旨在发挥数 字信号处理技术与智能控制算法相结合的优点，在现有技术的条件下提高数字 化水平和智能化程度。在本系统的硬件设计中，用d s p + i p m 为核心构成变频调 武汉理工丈学硕士学位论文 速系统，充分利用了d s p 高速运算、接口配置丰富及i p m 控制信号接口电路简 单、保护性能完善的特点，使系统得以模块化，从而使元器件数量大为减少、 结构紧凑，而且性能及可靠性也得以改善。此外，变频调速技术正朝着多功能 化的方向发展，变频控制策略应能与时俱进，适应这一发展要求，智能控制正 是这样一种新型的控制技术，它综合了经典反馈控制理论和现代状态空间控制 理论的优点，对解决异步电动机变频调速系统的非线性及参数时变性有良好的 控制效果。 1 2 相关研究的现状与动态 目前，交流变频调速系统的发展现状可概括如下： ( 1 ) 已从中小容量等级发展到大容量、特大容量等级，同时解决了交流变频 调速系统的性能指标问题，从而填补了直流调速系统在特大容量调速时的空白。 ( 2 ) n 使交流变频调速系统具有较高的可靠性和长期连续运行的能力，从而 使有些场合不停机检修的要求或对可靠性的特殊要求得以满足。 ( 3 ) 可使交流变频调速系统实现高性能、高精度的转速控制。不仅其控制部 分可以得到和直流调速控制同样良好的性能外，而且异步电动机本身固有的优 点又使整个控制系统得到更好的控制性能。此外，采用数字锁相控制的异步电 动机变频调速系统，调速精度可达0 0 0 2 。 ( 4 ) 交流变频调速系统已从直流调速的补充辅助手段发展到与直流调速系统 相竞争并超出的地位。 由于交流变频调速是既有强电存在又有弱电存在的综合调速技术，既要处 理电能到机械能的转换又要处理信息的可靠传输以及快速变换，因此它的共性 技术可以划分为功率和控制两大部分，其核心是要解决智能功率模块和新型嵌 入式控制器件的应用技术问题，同时也要解决硬、软件开发的相关问题。 随着电力电子技术和微电子技术的发展，变频调速技术正沿着下面几个主 要方面发展： ( 1 ) 实现变频调速的数字化 随着微机控制技术的发展，变频调速系统的控制也由模拟控制走向数字控 制。微机控制的优点极为显著，它可简化硬件，其柔性的控制算法也使控制更 为灵活可靠，且易实现复杂的控制规律，便于故障监视和诊断。控制系统的这 种软化同时也对c p u 控制芯片提出了更高的要求，为了使变频调速系统的控制 2 武汉理工大学硕士学位论文 性能更为理想，要实现矢量控制算法、转速及电流双闭环控制的实时调节、转 子磁链的实时定位、数据的设置与显示等，都需要存储许多数据并快速实时地 处理大量信息。在未来的发展中，随着数据处理芯片容量的扩展和数据处理速 度的提高，变频调速系统的各方面性能将得到极大的改善。此外，数字控制器 还便于故障诊断和监视。 ( 2 ) 实现变频调速硬件的集成化 为了使变频设备的体积更小，新型变频器要求功率元件和控制元件均具有 高集成度。利用逐渐发展成熟的大规模集成电路工艺，把自动控制系统中的控 制电路集成到若干个专用a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 芯片上， 还可使控制器、能完成矢量运算的d s p 协处理器、p w m 定时器以及其他外围和 接口芯片都集成在一个芯片之内，这样既能使系统的结构更为紧凑，又能使系 统的可靠性大为提耐。 ( 3 ) 实现变频调速的智能化 由于智能控制具有很强的信息处理能力，能够利用符号信息处理、启发式 程序设计、知识表示、自动推理和决策等来解决复杂系统的控制问题，而变频 调速系统具有非线性和参数时变性的特征，对于这类不易控制的系统，传统的 控制方法显然达不到理想的调速性能且难以通过数学方法来进行精确建模，而 此时智能控制却不失为一种理想的控制策略，其主要精力不在于对被控系统通 过数学公式进行精确建模，而在于对被控系统所处环境的认识、目标和实际模 型的描述以及相关知识库和推理机的开发上，故智能控制目前己成为复杂系统 建模的关键技术。近年来，国外智能控制在变频调速系统控制中获得了应用， 已成为当前智能控制理论的研究热点。 ( 4 ) 实现变频调速的网络化和标准化 目前，高端的变频器都配置了总线适配器，通过双绞线使之与外部总线相 连接，变频器与外部通信便得以实现，在通信过程中变频器相当于整个系统的 智能终端。在此基础上，可形成集散式d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 和现场总 线f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 变频控制系统。变频控制器的技术规格已经在全 球范围内得以标准化，因此用户可根据需要实现灵活方便的配置。 ( 5 ) 实现变频调速的环保化 实现变频器的环保化的核心就是开发出清洁的电能。所谓清洁电能变频器 是指变频控制系统的功率因数为l ，电网侧、负载侧谐波分量极少。目前，研究 环保型变频器已成为国内外研究的热点问题。 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 实现变频调速的容量更大化 随着电力电子技术的不断进步，变频器的控制容量将进一步增大，从而使 异步电动机相较于直流电动机的优势更为明显。 ( 7 ) 实现变频调速的高频化 抑制谐波、提高系统性能的关键是提高变频器的功率开关器件的工作频率。 但其频率过高，会增加元器件自身的功率损耗，从而影响变频器的可靠性和效 率，使其调制频率范围受到限制。目前在高频变频系统中采用较多的电力电子 器件是i p m 、m o s f e t 和i g b t 。利用新一代高频电力电子器件研发先进的高频 电控装置已成未来研究趋势。 ( 8 ) 实现变频调速的软开关化 传统的变频器的功率开关器件工作时处于硬开关状态，硬开关不仅妨碍变 频器工作频率和容量的提高，而且存在由容性开通所引起的过热损坏问题，在 感性关断时也极易造成瞬时短路。软开关技术可以显著地降低功率开关器件的 功率损耗，使缓冲电路和吸收电路成为多余，进而缩小功率开关器件的散热体 积，同时大幅度提高其频率，从而为功率开关器件的小型化、高效率创造了条 件。近年来，软开关技术被引进到变频控制系统中并已逐渐开始应用1 2 j 。 1 3 研究主要工作与成果 本设计主要研究三个部分：变频调速系统硬件、变频调速系统软件、变频 控制策略。在硬件方面，设计了典型的交一直一交电压源型变频系统，由四个 二极管组成了三相桥式不可控全波整流电路；由大容量电容组成了滤波电路； 由智能功率模块( i p m ) 为功率器件组成了逆变电路，同时该模块还集功率器件、 驱动电路和保护电路于一体，提高了整个变频调速系统的可靠性。以型号为 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的d s p 为核心构成了智能变频调速系统的控制电路部分，涵盖 了外部程序存储器扩展及译码电路、电流电压检测电路、速度位置检测电路， 其主要完成矢量控制算法、电流检测、速度估算及调节、模数变换、频率设定、 液晶显示等任务。之所以采用先进的数字信号处理器，是因为其可使经典反馈 控制方法、现代状态空间控制方法、智能控制方法等一系列适合复杂系统的先 进控制方法应用于异步电动机变频调速系统的实时在线控制，从而大大提高系 统的控制性能。在软件方面，主要设计了此变频调速系统的主程序及终端服务 子程序，采用电压空间矢量法s v p w m ( 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 ) ， 4 武汉理工大学硕上学位论文 即以三相正弦电压供电时异步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磁通去逼近基准磁通圆，从而达到优异的控制性能。此外， 本设计还采用了国内外比较热门的f o c ( f i e l do r i e n t e dc o n t r 0 1 ) 矢量控制算法，并 结合模糊p i d 控制算法对时变的非线性变频调速系统的动态性能进行改善。 综上所述，本设计运用了智能控制与自动控制理论与技术、电力电子技术、 数字信号处理技术等相关理论与技术对异步电动机智能变频调速系统的软硬件 部分进行了模块化的设计，并给出了有效的设计方案。本设计所做的工作如下： ( 1 ) 系统硬件设计。研究与设计出一种变频调速控制系统，采用专用于电机 控制的数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 实现智能速度控制，硬件部分包括变频 调速的主电路、逆变电路、控制电路的设计。 ( 2 ) 系统软件设计。设计出变频调速系统的软件流程图，包括主程序和中断 服务子程序等。 ( 3 ) 智能控制算法的实现。对传统转速调节实现方法进行改进，以模糊p i d 控 制算法为核心设计出一种模糊p i d 速度调节器，并进行算法研究，以提高整个调 速系统的鲁棒性和自适应能力，并用m a t l a b s i m u l i n k 对传统p i d 算法和新 算法分别进行了仿真比较和试验研究，仿真结果表明，该设计方案是合理的。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统组成原理 2 1v v v f 调速技术 由电机转速公式有： n o = 6 0 f i p ( 2 - 1 ) 式中，当电动机定子绕组的磁极对数p 一定时，电源频率厂与同步转速成正 比，改变电源频率厂，即可改变电动机的同步转速。由于异步电动机的实际 转速总是比同步转速要低，并会随着同步转速而变化，因此，当电源频率增加 时，同步转速也随之增加，实际转速同时也增加；当电源频率下降时，同步 转速也随之下降，实际转速同时也下降。这种通过改变电源频率以实现的速 度调节过程即为变频调速。 在工程中，变频调速的过程常常是通过变频器供给异步电动机工作电压或 电流，并以此构成开环或闭环系统。在此过程中，变频器是一种兼具变换和控 制功能的装置，其主要功用是把电压恒定、频率恒定的交流电变换为电压可调、 频率可调的交流电，此外，它还可控制异步电动机的转速【3 】。 在对异步电动机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电动机 中每极磁通量为额定值，并保持不变。 = 群西m 1 2c o s 矗f i ( 2 - 2 ) 式中，瓦是电磁转矩，m 是主磁通，2 是转子电流，c o s ( p 是转子回路功率因 素，赫是比例系数。 由式( 2 2 ) 可知，如果磁通太弱，即电动机出现欠励磁，将会影响电动机的 输出转矩。由于电动机的磁通通常被设计为接近饱和的状态，若在某种情况下 磁通增大，将使电动机铁心出现饱和，此时会导致电动机中流过的励磁电流过 大，相应的铜耗及铁损也过多的产生，极有可能发生因绕组过热而损坏电动机 的情况。所以要在调速过程中要保持电动机磁通不变。 因此，为了使每极磁通量保持恒定，需要对电压和频率同时进行调节，通 过使电压和频率的比值不变来得到恒定的磁通。交流调速技术本质上就是变压 变频调v v v f ( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) 。根据异步电动机的控 制方式不同，变压变频调速可分为恒定压频比( v f ) 控制、矢量控制f o c 、直接 转矩控制等。本设计采用v f 和f o c 相结合的控制方式1 4 】。 6 武汉理工大学硕上学位论文 2 2 矢量控制技术 电动机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的。因此，为了 弄清交流电动机的调速性能之所以不如直流电动机的原因，将交流电动机和直 流电动机的磁场情况比较如下： ( 1 ) 直流电动机的励磁电路和电枢电路是互相独立的；而交流电动机的励磁 电流和负载电流都在定子电路内，无法将它们分开。 ( 2 ) 直流电动机的主磁场和电枢磁场在空间是互差9 0 0 电角度；而交流电动机 的主磁场与转子电流磁场问的夹角与功率因素有关。 ( 3 ) 直流电动机是通过独立地调节主磁场或电枢磁场来进行调速的；而交流 电动机则不能。 通过上述交直流电动机调速性能对比可知，若能在交流电动机中对负载电 流和励磁电流进行独立的控制，并使其在空间上也互差9 0 0 电角度，那么其调速 性能就能和直流电动机相抗衡了。为了解决这个问题，就需要采用矢量控制的 方式来使交流电动机变频调速后的机械特性及动态性能达到足以和直流电动机 的调速性能相媲美的程度。 异步电动机的转子能够旋转，是因为交流电动机的定子能够产生旋转磁动 势，而旋转磁动势是由交流电动机三相对称静止绕组a 、b 、c 通以三相平衡 的正弦电流所产生的。然而，旋转磁动势并不一定非要三相平衡，在空问位置 上互相垂直、在时间上互差9 0 0 电角度的两相绕组通以平衡的电流，也同样能产 生旋转磁动势。 直流电动机转子能够产生旋转，是因为定子与转子之间磁场的相互作用。 由于直流电动机的电刷位置固定不变，尽管电枢绕组在旋转，但电枢绕组所产 生的磁场与定子所产生的磁场在空间位置上始终相互垂直，此时，若以旋转的 转子为相对不变的参考点，定子产生的磁动势便是旋转磁动势。 由此可见，以同样的旋转磁动势为准则，三相交流绕组与两相交流绕组可 以彼此等效，这就是矢量控制的思想：就是将异步电动机模拟成直流电动机来 控制【引。通过两次坐标变换使三相静止轴系a b c 一两相静止轴系筇一两相同步 旋转轴系m t 。在m t 坐标系下面，将定子电流矢量分解为按转子磁场定向的定 子电流励磁分量和定子电流转矩分量，并对其加以分别控制。控制f m ，相当于 控制磁通；控制0 ，相当于控制转矩。这样，便对以多变量强耦合为特征的异步 电动机非线性系统实现了解耦控制，从而达到类似直流电动机的控制方式及效 果。其矢量控制框图如图2 1 所示。 7 武汉理工大学硕上学位论文 矢量控制的方式主要有2 种：转速闭环、磁通开环，转速、磁通均闭环的 控制方式。在本设计中，我们采取了转速和磁通均闭环并带速度传感器的控制 方式。 2 2 1 坐标变换 图2 - i矢量控制原理框图 从图2 1 可以看出，矢量控制的过程实质上就是坐标变换的过程，而进行坐 标变换的物理量是电流( 代表磁动势) 的空间矢量1 6 j 。根据异步电动机矢量控制的 基本原理，要将异步电动机模拟成直流电动机进行控制，必须经过两步坐标变 换：第一步是异步电动机定子对称三相静止坐标系变换到定子静止直角坐标系 上，第二步是将矢量从固定的直角坐标系变换到按转子磁通方向为磁场定向并 以同步速度旋转的直角坐标系上。异步电动机等效成直流电动机后，如果先计 算出直流电动机的控制量，再利用相应的坐标反变换，便能达到控制异步电动 机的目的【7 1 。所以矢量控制的核心即为坐标变换，下面对坐标变换的原理进行相 关研究。 要简化异步电动机的数学模型，必须从简化磁链入手，在这罩，不同电动 机模型彼此等效的原则是：在不同坐标系下所产生的磁动势完全一致。 据前文可知，异步电动机的旋转磁动势并不是只能是三相，还可以是任意 对称的多相绕组，其中以两相最为简单。所以可以把三相静止坐标系上的物理 量变换到为两相静止坐标系上，在两相静止绕组上通以空间和时间均互差9 0 0 的 两相平衡交流电，便可产生与三相交流绕组相同的旋转磁动势。这种等效变换 就是c l a r k e 变换，即把三相交流静止绕组转换为两相交流静止绕组，其具体 8 武汉理工大学硕士学位论文 算法将在第4 章中得到论述。 然而，c l a r k e 变换设计两个匝数相等且相互垂直的绕组虽然可以产生磁 动势f ，但其位置相对于两相绕组来说是固定的，不能产生旋转磁动势。如果可 以进一步让包含两个绕组在内的整个铁心以同步转速旋转，那么磁动势自然也 会随之旋转，此时即为旋转磁动势，它与两相交流绕组所产生的旋转磁动势等 效。当我们站在铁心上和绕组一起旋转时，此时的两相直流旋转绕组就变成了 直流电动机物理模型。这种等效变换就是p a r k 变换，即把两相交流静止绕组 转换为两相直流旋转绕组，其具体算法也将在第4 章中论述。 2 2 2 磁场定向 据上节已知，运用坐标变换能将定子电流矢量在无数多个同步旋转m t 坐标 中分解成两个相互垂直的分量。但坐标变换的最终目的，是要将定予电流矢量 分解成定子电流励磁分量和定子电流转矩分量。如何选定这个特定的旋转坐标， 保证将定子电流矢量分解为这样两个分量，此问题实质上就是沿转子磁场定向 的问题，简称磁场定向i 引。 两相同步旋转坐标变换只知道两相旋转坐标的相互垂直关系与定子频率同 步的旋转速度，尚不知两轴与电动机旋转的相对位置，因此还需选择磁场定向 轴。只有准确地检测或运算出转子磁通矢量的位置和幅值，才能将定子电流矢 量变换到沿转子磁场定向的m t 坐标上，从而实现对转子磁通的矢量控制。 转子磁场定向示意图如图2 2 所示。若已知定子a 相电流初始相位的情况 下，总能在无数m t 坐标中选一个特定的坐标，使它的m 轴与定子磁动势励磁 分量一致。三相基波合成旋转磁动势f 就是图2 2 中的定子磁动势矢量疋，所 以当m 轴与c m 位置重合时，z 在m 轴中的分量矗就是，而厶就是转矩分 量b 。使m 轴与e m 保持位置重合成为必须先要解决的问题，转子磁通”是由 励磁分量产生的，而磁势只、经坐标变换后，应是由定子磁动势矢量疋的励磁分 量允产生的，由此可见，可以直接取实际转子磁通矢量妙，作为m 轴的空间定向 坐标，沿转子磁场方向定向，就是m t 旋转坐标的定向原则。 在图2 2 中，若使m 轴与”位置重合，那么转子磁通在t 轴方向上的分量 为零，即转子磁通仅由m 轴电流叱产生，故0 是纯励磁分量，同样也是纯转 矩分量。如果能够随时检测或计算出异步电动机的转子磁通的相位角中，也就 随时确定了所要选择的m t 轴的坐标位置。再根据坐标变换，三相正弦交流f 。、 9 武汉理工大学硕上学位论文 、之变换到m 轴后，k 即产生这个转子磁通的励磁电流。在此变换过程中， 将三相交流量转换成了直流量，若它们可以产生同一个转子磁通，那么两者则 是完全等效转换的，对于转矩分量也是如此。而满足这一要求的m t 轴是唯一的， 若能实现独立控制和调节励磁分量k 及转矩分量，便能很好地控制电磁转矩。 l 气 mv r 八 ，、l，一 一 i n 图2 2 转子磁场定向示意图 2 3s v p w m 技术 2 3 1 电压矢量和磁链矢量 任何在空间按j 下弦形式分布的物理量都可以用空间矢量来表不。由于异步 电动机的定子绕组均采用对称的三相绕组，当三相正弦电流、t 流入三相 绕组后，定子磁链矢量幅值始终不变且在空问上以恒定的速度旋转，这样就产 生了圆形的旋转磁场，即磁链圆。若忽略空间谐波磁势，则三相绕组产生的基 波磁势可分别用磁势空间矢量l 、尼、斥表示，其长度代表基波磁势的大小， 分别和各相电流的瞬时值成正比，其方向代表基波磁势幅值所在的方向，分别 处于各相绕组的轴线上。只、尼有下列关系： 搿描兰l i 吒l 弘3 ， - 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 3 过流和过压保护电路的设计 由于调速过程中的电气绝缘破损和机械故障都可能使变频器因过电流而损 坏，所以必须对过电流进行保护。而直流侧输出电压太高，导致电动机侧电压 脉冲的幅值过高，将直接影响电动机绕组的绝缘效果，所以必须对过电压进行 保护【2 7 1 。过流和过压保护电路如图3 1 5 所示。 电流 样信 电压 样信 x d l k 一 v c c u 3 5 d l q l 一广 口一， 扩暑吨一v o - z 旦 七向7 u 3 6 上p 7 ： r 碍脚扩 u 3 l b i | w 2 酣阿 r 6 节r 7 l l 厂1 一一_ j l 厂 d 2 q 2 p 虻寸_ j _ 焉v u zl里 g n d d 4 5 2 8 图3 1 5 过流和过压保护电路 t op d p i n t - 本设计中过流保护电路由四部分组成：比较电路( 即电位器w 1 和运算放大 器u 3 1 a ) 、记忆电路( 即多谐振荡器d 4 5 2 8 里的d 1 触发器) 、逻辑电路( 即或门 u 3 5 ) 、显示电路( 或门右边的电阻r 7 和小灯泡x d l ) 。系统正常运行时，电流采 样信号输入到运算放大器u 3 1 a 的同相端，通过电位器w 1 设置u 3 1 a 反向端的 保护值，当采样值低于保护值时，运算放大器u 3 1 a 便输出一低电平，d 1 此时 复位，多谐振荡器的输出q 1 端得到一低电平，右端与之相连的或门u 3 5 也输出 低电平，从而导致其后的三极管v 1 截止，小灯泡x d l 不亮，同时与d s p 的 p d p i n t 引脚相连的控制端也为低电平，允许p w m 波形正常输出。当采样值高 于保护值时，u 3 1 a 输出高电平使d 触发器立即动作，其q 1 端输出高电平，右 端与之相连的或门u 3 5 也输出高电平，从而导致其后的v 1 导通，小灯泡点亮， 同时与d s p 的p d p i n t 相连的控制端也为高电平，进而封锁i p m 驱动电路以起 到保护作用【2 引。过压保护电路的工作原理与过流保护电路类似，唯一区别为其 输入信号取自电压采样电路。 3 3 武汉理工大学硕士学位论文 4 1 软件总体策划 第4 章系统软件设计 由于本策划的变频调速系统采用的是矢量控制系统，其核心即为矢量控制 算法。图4 1 即为本设计中矢量控制系统的原理图，采用电流环和速度环双反馈 的控制方式，外环速度环产生定子电流的参考值，内环电流环得到实际控制信 号，两者共同组成了完整的速度电流双闭环变频调速系统。先概述与软件设计 相关的原理。 首先霍尔电流传感器测量i p m 逆变电路输出的三相定子电流的其中两相乞、 ，由三相电压平衡可计算余下的一相电流c = 一( i o + i b ) ，此三相定子电流由 a d c 转换为数字量存于d s p 中。通过c l a r k e 变换( 即将三相平面坐标系向两 相直角坐标系转换) 和p a r k 变换( 即将两相直角坐标系向两相旋转坐标系转换) 将三相平面坐标系下的三相电流、丘等效转换为两相旋转坐标系下的直流 分量力、乞，并把、作为电流环的负反馈量 2 9 1 。 图4 - 1矢量控制系统原理图 与此同时，利用旋转编码器测量规定时间内所产生的脉冲个数，再经过相 关计算即可得到转速玎，并把刀作为速度环的负反馈量。参考转速与反馈转速的 3 4 武汉理工大学硕士学位论文 差值经过转速p i d 调节器，其输出作为定子电流转矩参考分量，而参考转速经过 磁通函数表转换为定子电流励磁参考分量，这两个定子电流参考分量和与电流 反馈量的差值经过p i 调节控制器，分别得到两相旋转坐标系的相电压分量u ，d 、 u 。再经过p a r k 逆变换转换成两相静止坐标系下的定子相电压矢量分量 u 。、u 。一。当定子相电压矢量的分量u ，。、u 。疗和其区域所在的扇区号确定后， 采用空间电压矢量s v p w m 算法，由d s p 产生p w m 波来驱动逆变器1 3 们。 系统软件策划即异步电动机变频调速系统相关模块的设计，由主程序和子 程序组成系统软件由主程序和中断服务子程序构成。 4 2 主程序设计 主程序是系统软件的最重要的部分，其流程图如图4 2 所示。初始化部分主 ， 匿垂地日 i， 图4 2 主程序流程图 3 5 武汉理工犬学硕七学位论文 要负责d s p 的系统初始化以及各个变量的初始化，具体包括i o 口的初始化，a d c 的初始化，定时计数器的初始化，s c i 、s p i 的初始化，时间管理器的初始化以 及终端的初始化；读取常用数据到内部存储器，可以缩短d s p 的处理时间，满足 更好的实时性需求；设定处理即通过键盘操作键来设定频率或电流，获取最合 适的期望值；显示处理即把频率或电流相应数值在l e d 上显示出来。 4 3 子程序设计 中断服务子程序是系统软件的核心部分，这里给出的是用于实时矢量控制 的坐标变换子程序流程图，如图4 3 所示。 坐标变换子程序完成的主要任务有：1 ) 负责采集a 、b 两相定子电流值，并 将其进行a d 转换为数字量保存于d s p ；2 ) 读取旋转编码器的脉冲数并计算实时 转速；3 ) 利用参考值及测量值进行矢量变换的相关计算；4 ) 输出s v p w m 3 1 1 。 奁 1。一j 直 直 ， 厂礤彳磁链腰 计算j 巨轴宴塑! ! 塑! l 磊而赢高丽辜 磷因 ，一 臣递蔓 佰荔恢f j 图4 - 3 坐标变换子程序流程图 3 6 武汉理工大学硕上学位论文 在本系统子程序软件的策划中，主要对子程序及其子程序所包括的模块内 容进行软件策划，比如s v p w m 的程序设计、p i d 控制的程序设计、转子磁链定 位的程序设计、c l a r k e 变换及其逆变换的程序设计、p a