（机械电子工程专业论文）基于dsp的异步电机模糊控制的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 基于d s p 的异步电机模糊控制的研究 机械电子工程 研究生陈友平指导教师胡丹 近2 0 年来，随着新一代电力电子器件和微处理器的推出，以及精确的电机 模型和各种先进的控制策略的提出，极大的促进了电机控制的发展，使得精度 高、调速范固宽、控制性能好的电机控制器的实现成为可能。 本文应用矢量控制的原理，以t i 公司数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a 为 系统的控制核心，日本三菱公司的p m 2 5 r s b l 2 0 智能功率模块( i p m ) 为逆变器 开关器件，运用空间电压矢量脉宽调s v p w m ( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) - 技术，设计了数字化脉宽调带i ( s v p w m ) 调速系统，构建了一个基于 d s p 的异步电动机矢量控制系统平台。 论文在异步电动机数学模型的基础上，介绍了矢量控制理论及其解耦性质。 将异步电动机三相静止坐标系下的各变量变换到两相旋转坐标系下，再利用转 子磁场定向技术，使得定子绕组电流磁场分量和转矩分量得到解耦，从而使异 步电机的调速性能大大提高。本文结合电流模型法给出了矢量控制系统结构框 图，为构建s v p w i 矢量控制系统平台提供了理论依据。 本文设计的矢量控制系统的电流控制器采用p i 控制，考虑到被控对象的特 点以及系统快速响应的要求，速度控制器采用模糊控制，并利用m a t l a b 将其 和p i d 控制算法进行了仿真比较研究，从仿真结果可以看出，本文的模糊控制 控制策略不仅设计简单，避免了速度控制器设计时受被控对象的复杂数学模型 的限制，而且提高了系统转矩响应的快速性和速度控制精度，对转子参数的摄 动有较好的鲁棒性，从而有效保证了系统的静态和动态性能。模糊控制中量化 因子和比例因子对系统控制性能的影响也进行了研究。 西华大学硕士学位论文 论文详细设计了系统的主电路、保护电路及控制电路等，采取有效而必要 的措施提高系统的抗干扰能力，采用模块化方法设计软件，便于程序的修改与 移植，实现了s v p w m 矢量控制策略，最后对该系统的软硬件进行了调试。实 验结果表明了软硬件设计合理有效实用。 关键词：异步电动机，模糊控制，d s p ，s v p w m 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ni n d u c t i o nm o t o r sf u z z yc o n t r o lb a s e do nd s p m e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t ec h e ny o u p i n gs u p e r v i s o rh ud a n i nt h er e c e n t2 0y e a r s ，w i t ht h ea p p e a r a n c eo ft h en e wp o w e re l e c t r o na p p a r a t u s a n dm i c r o p r o c e s s o r , t h ea c c u r a t e a s y n c h r o n o u sm o t o rm o d e la n da l l k i n d so f a d v a n c e dt h e o r i e st h a th a v er e s u l t e di nt h ed e v e l o p m e n to fm o t o rc o n t r 0 1 t h em o t o r c o n t r o l l e rw h i c h h a v e sh i g h a c c u r a c ya n dc o n t r o lp e r f o r m a n c e ，w i d es p e e d r e g u l a t i n gr a n g ec a nb er e a l i z e d a p p l i e dt h ev e c t o rc o n t r o lt h e o r y , t h ed e s i g no ft h ed i i g i t a l p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( p w m ) m o t o rs p e e dv a r i a t i o ns y s t e mi sp r o p o s e di nt h i sp a p e rw h i c h u s e sd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) t m s 3 2 l f 2 4 0s p e c i a lf o rd i g i h a lm o t o rc o n t r o l o ft ic o r p o r a t i o na st h ec o n t r o lc e n t e ra n du t i l i z e si n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) p m 2 5 r s b l 2 0o fm i t s u b i s h ia sa p p a r a t u so ft h ei n v e r t e ra sw e l la st h es 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 ) a st h ec o n t r o la l g o r i t h m t h ed s pb a s e d v e c t o rc o n t r o ls y s t e mp l a t f o r mi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h ev e c t o rc o n t r o lt h e o r ya n di t sd e c o n p l i n ga r ei n t r o d u c e do nt h ef o u n d a t i o no f t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fa s y n c h r o n o u sm o t o r t h ev a r i a b l e si n 2 - p h a s es t a t i c c o o r d i n a t e sa l ec o n v e r t e di n t ot h e v a r i a b l e si n r o t a t i n g c o o r d i n a t e sa n dt h e c o m p o n e n t sb e t w e e nt o r q u ea n dm a g n e t i cf i e l do fs t a t o rw i n d i n gc u r r e n ta r e d e c o u p l e dw h i c hu s e st h er o t o r - f i e l d - o r i e n t e dt e c h n o l o g y t h u s ，t h es p e e dr e g u l a t i n g p e r f o r m a n c eo ft h ea s y n c h r o n o u sm o t o ri si m p r o v e dh i g h l y t h es t r u c t u r ed i a g r a mo f v e c t o rc o n t r o ls y s t e mw h i c hc o m b i n e st h ec u r r e n tm o d e lo fm o t o ri sg i v e na n d p r o v i d e st h et h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h ed e s i g no fv e c t o rc o n t r o ls y s t e mp l a t f o r m p ic o n t r o li su s e di nt h ec u r r e n tc o n t r o l l e ro fv e c t o rc o n t r o ls y s t e m c o n s i d e r i n g t h et r a i t so ft h ec o n t r o l l e do b j e c ta n dt h er e q u e s to fq u i c kr e s p o n do ft h es y s t e m f u z z yc o n t r o li sa d o p t e di nd e s i g n i n gs p e e dc o n t r o l l e r t h ec o n t r o l l e ru s e df u z z y i 西华大学硕士学位论文 s p e e d c o n t r o l l e ra n dp i ds p e e dc o n t r o l l e ri ss i m u l a t e dr e s p e c t i v e l yw i t ht h e s i m u l i n km o d u l ei nt h em a t l a b f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t st h ef u z z yc o n t r o l s t r a t e g yo ft h i sp a p e rn o to n l yd e s i g n se a s i l ya n da v o i d st h er e s t r i c t i o nf r o mt h e c o m p l e xm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec o n t r o l l e do b j e c t ，b u ta l s ot h er a p i d n e s so ft h e s y s t e mt o r q u er e s p o n s ea n dt h ec o n t r o la c c u r a c yo fs p e e da r ei m p r o v e d i ta l s oh a s t h eg o o dr o b u s t n e s sa g a i n s tt h ep e r t u r b a t i o no ft h er o t o rp a r a m e t e r t h u st h es t a t i c a n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ma r ee n s u r e dv a l i d l y t h ei n f l u e n c eo f q u a n t i z a t i o nf a c t o ra n ds c a l ef a c t o ro ns y s t e mc o n t r o lp e r f o r m a n c ei sa l s or e s e a r c h e d i n t h i s p a p e r t h em a i nc i r c u i t ，p r o t e c t i v ec i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i ta r ed e s i g n e di nd e t a i l i n t h i sp a p e r i no r d e rt oi m p r o v et h ec a p a b i l i t yo fa n t i - j a m m i n g , v a l i dm e a s u r e sa r e t a k e n t h em o d u l a r i z a t i o nd e s i g ni sa d o p t e di ns o f t w a r es ot h a ti tc a nb ea m e n d e d a n dr e p l a n t e de a s i l y t h es v p w mv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yi sc a r r i e do u t a tl a s tt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sd e b u g g e di nt h i sp a p e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l t se x p r e s s e d t h a tt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nt h i sp a p e ri sr e a s o n a b l ea n dv a l i d k e yw o r d s ：a s y n c h r o n o u sm o t o r ，f u z z yc o n t r o l ，d s p ，s v p w m i v 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位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。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华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 了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果 归西华大学所有，特此声明。 作者签名：帐侵丰 导师签名：为勺q 。8 年r 月3o 日 d 碑f 月夕d 日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 问题的提出 三相交流异步电机，由于转子侧的电流不从外部引入，而由电磁感应产生， 因而具有结构简单牢固、体积小、重量轻、价格低廉、便于维护等优点，备受 人们的青睐。与其他电机相比，它在工农业生产设备中的占有率一直处于绝对 优势的地位。 7 0 年代矢量控制理论的引入使交流调速实用化，相继各类全控型器件层出 不穷，变频调速技术日新月异。从生产到日用家电涉及方方面面，已进入一个 高科技应用时代，使工业化生产应用技术发生了很大的变革。变频调速技术是 现代电力传动的主要发展方向，它在节电、提高产品质量、产品实现自动化等 方面，是基本技术之一，其重要性日趋增强。特别是在电力电子、微电子及计 算机技术迅速发展的今天，各种电力器件s c r g t r g t o i g b t 以及g t o + i g b t 的复合器件的开发，使变频调速技术得到了迅速的发展。交流变频调速技术已 成为调速传动技术的主流。近1 0 年来，随着矢量控制技术和直接转矩控制技术 的发展，交流调速的性能达到和超过了直流调速，电机的交流调速价格已与直 流接近或相当，因此，出现了以交流取代直流的趋势。国外基本上已全部采用 交流调速，虽还贵一点，但能从减小维护和停机时间中得到补偿。我国目前直 流还占一定的比例，但许多新上的项目已要求全调速。 矢量控制也叫磁场定向控制。8 0 年代初矢量控制进入实用阶段，经过二十 多年工业实践的考验、改进与提高，目前已达到成熟阶段，但其也有不足之处， 即要进行坐标变换、计算量大、变换复杂，从而限制了它的应用与发展。但随 着集成电路技术的发展，微机的处理速度越来越快、精度越来越高、功能越来 越强，它已能够完成交流调速系统复杂的控制任务。特别是在1 9 8 2 年美国德州 仪器公司成功推出d s p ( 数字信号处理器) 以后，电机调速系统已可实现全数 字化。d s p 系统是以数字信号处理为基础，概括起来具有以下主要优点： ( 1 ) 在一个指令周期内可以完成一次乘法和一次加法。 谣华大学硕士学位论文 ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 ( 3 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 ( 4 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持。 ( 5 ) 支持流水线操作，使取指令、译码和执行等操作可以重叠进行。 当然，d s p 系统也存在一定的缺点，如系统中的高速时钟可能带来高频干 扰和电磁泄漏，功耗较大，成本较高等。但其突出的优点已经使它广泛地应用 于通信、雷达、声纳、遥感、生物医学、机器人、语言和图像处理等领域。目 前，我国的d s p 电机控制系统尚处于研制阶段，各科研单位及高校也正加大这 方面的研究和开发力度。相信在不远的将来，d s p 的运用将越来越广，这也是 以后发展的趋势。 目前，用于矢量控制的调节器都使用p i 调节器。对于异步电机这样的非线 性的系统，p i 调节器的能力便略显不足。因此开发更为有效、非线性控制能力 更强的智能控制器一直是矢量控制理论研究的热点。模糊控制器是解决非线性 系统控制的有力手段，在许多实际问题的解决中已经取得了重大成功。如何将 模糊控制器应用于电机调速就成了本文所研究的问题。 1 2 我国变频调速系统的发展概况 近年来，交流调速中最活跃，发展最快的就是变频调速技术。变频调速技 术是交流调速的基础和主要内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得容易， 从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变 频调速技术的出现使频率变得可调了，从而可以充分利用这一极为有用得资源。 在电力电子技术发展之前，直流电机几乎占垄断地位。对于直流电机，只 要改变电机的电压或者是励磁电流就可以实现电机的无极调速，且电动机的转 矩容易控制，具有良好的动态性能。但是直流电机有其本身固有的缺点： ( 1 ) 复杂，重量大，价格高； ( 2 ) 电刷易磨损，维修不方便； ( 3 ) 环境要求高，不适合用于易然、易爆及有腐蚀性气体的场合； 这些都与现代调速系统要求的可靠性、可使用性、可维护性相矛盾，因此 直流电动机已经难以适应现代电气传动的要求了。 西华大学硕士学位论文 交流电动机具有结构简单，坚固耐用，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，在工农业生产中得到了广泛的应用。 但是交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统，其可控性较差：随着现代 交流电机的调速控制理论和电力电子交流技术的发展，交流电机调速取得了突 破性进展，电气传动交流化的时代将随之到来。 电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3 部分组成。电气 传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态( 位置、速度、 加速度等) ，实现电能一机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。电气传 动分成非调速和调速两大类，调速又分为交流调速和直流调速两种方式。不调 速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本非调速的机械 越来越多地改用调速传动以节约电能，改善产品质量，提高产量。在我国6 0 的发电量是通过电动机消耗掉的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国 家重视，目前已有一定的规模。 我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。至 今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上8 0 年代水平。随着改革开 放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对国外公司 敞开。很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产 和生活需要。国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部门 在自行设计制造的成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，自己 开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。虽然 取得很大成绩，但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司 的依赖性严重。 一 从总体上看我国电气传动的总体水平较国际先进水平差距1 0 1 5 年。在大 功率交一直一交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能 力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当的差距。而这方面产品 在诸如抽水蓄能电站机组启动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井 卷扬方面有很大的需求。交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合技 术，既要处理巨大电能的转换( 整流、逆变) ，又要处理信息的收集、变换和传 输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电 流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决( 基于现 西华大学硕士学位论文 代控制理论的控制策略和智能控制策略) 的软硬件开发问题( 在目前状况下主 要是全数字控制技术) 。其主要发展方向有如下几项： ( 1 ) 实现高水平的控制； ( 2 ) 开发清洁电能的变流器； ( 3 ) 缩小装置的尺寸； ( 4 ) 高速度的数字控制； ( 5 ) 模拟与计算机辅助设计( c a d ) 技术。 1 3 研究的内容和目的 现代电机控制发展和完善、仿真工具的日渐成熟，给电机控制带来了很多 发展的契机。同时也出现了一些高性能、低能耗、低成本以及技术指标要求苛 刻的特殊应用系统。 本课题运用矢量控制技术并结合空间电压矢量技术，设计和开发一套以 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 u 屹4 0 7 a 为核心构成通用的、具有良好人机界面的交 流变频调速系统。本系统的速度控制采用模糊控制器，鉴于普通的模糊控制器 属于p d 型控制器，不能有效消除复杂对象的静态误差，提出了具有积分环节 的模糊p i 控制器，研究该控制器在异步电机矢量控制系统中的控制效果以及控 制器参数的调整方法是本文的主要内容。 论文结构安排如下： 第一章绪论，介绍了交流调速及其相关技术的发展概况。 第二章矢量控制技术及其控制策略。介绍了异步电机的数学模型以及电压 空间矢量脉宽调制的基本原理和实现方法，结合矢量控制的基本原理，给出了 变频调速的矢量控制图，利用软件m a t l a b 7 0 s i m u l i n k 建立了s v p w m 仿真 模型，并进行了仿真实验。 第三章基于模糊控制的矢量控制系统。介绍了模糊控制器的设计原理和设 计方案，并对速度环进行了模糊p i 控制器的设计，同时对p i d 控制器与模糊 p i 控制器进行了对比，仿真结果表明，模糊控制在交流调速中有较好的控制效 果。 第四章基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的控制系统硬件设计。介绍了主电路设计、 西华大学硕士学位论文 控制电路设计和保护电路设计这三大部分，并对d s p 调试板进行了简单的介绍。 第五章基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的控制系统软件设计。介绍了该系统的各个 模块的软件设计，各模块程序在d s p 调试板上调试通过。 第六章总结与展望。总结了本论文中的不足和需要改进的地方，并对异步 电机新型控制方案的展望。 西华大学硕士学位论文 2 矢量控制技术及其控制策略 2 1 异步电机的非线性数学模型 为了深入理解矢量控制技术，就必须研究异步电机的数学模型，掌握电压、 电流、磁链、电磁转矩、转差频率与电机参数之间的互相关系和内在联系。在 研究异步电机的数学模型时，我们一般做如下假设： 忽略空间谐波，三相定子绕组、转子绕组空间对称分布，各相电流产生的磁 势在气隙空间是正弦分布； 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的； 忽略铁心损耗； 不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响。 异步电机本质上是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，其详细的数 学推导过程和物理分析比较复杂。这里直接采用推导的结果，重写以任意速度 ( 相对于a 相绕组轴线) 旋转的坐标系下的异步电机数学模型。 1 、电压方程 u1 r i + p c ( 2 一1 ) 其中，电压矢量“- i n _ h 丑跖ch 。“6u c 】r 电流矢量i 一也i bi ci 。i bf 。】r 磁链矢量妒一眇妒口妒c 妒。妒6 妒。】r 雕。00 。0 。引 电阻矩阵r = i 吕 吕 0 乏 吕 ：i l0 。0 。0 。0 。o 三l 式中： uu口“cu 。比6u 。一定子，转子相电压的瞬时值 i cf 。t 一定子，转子相电流的瞬时值 西华大学硕士学位论文 妒妒口妒c 妒。妒6 妒。三相定子，转子绕组的全磁链 尺。尺，一定子，转子电阻 上述转子各量都已经折算到定子侧，为简单起见，表示折算后的上角标引一， 均省略，以下同此。 2 、磁链方程 妒一l i ( 2 2 ) 为方便起见，取妒一融，妒，- ，i 一【f jf ，】r ，其中妒，妒，分别是定子、转 子磁链，i，分别是定子、转子电流，则可得到分块矩阵的形式：l i 瞄：】。匠：l 工”，j l 【f 】 c 2 3 ) 其中： f 乙l + 以l o 熨。1 一o 熨。1 1 工嚣- 卜0 5 1 州1 1 村+ 1 1 l - 0 5 1 。li 卜0 观l o 5 1 。l0 + z nl l 甩2 + 2 一o 掰用2 一o 鄂加2 1 三，一i 一0 5 1 。2 l ，l ，+ 1 1 2 0 5 2l 卜o 5 1 啊2 - 0 5 l 肼2 乙+ z ，2l f c o s o c o s ( o t - 1 2 0 ) 三，- 三巧1 一乙l l i c o s ( a - 1 2 0 ) c o s 0 lc o s ( o + 1 2 0 ) c o s ( a - 1 2 0 ) 式中： z f l ，z ，：一定子、转子漏感； 工。= f 。z 。：一定子、转子互感，由于折算后定子、转子匝数相等，且各 绕组问互感磁通都通过气隙，磁阻相同，故可以认为z 。一z 。：。 l ，( az n + z 。) 、上，( 一厶：+ z 。：) 一定子、转子电感口一定子、转子空间角位移。 z ，和z ，两个分块矩阵互为转置，且与转子位置角0 有关，它们的各个元素 是时变参数，这是系统非线性的一个根源，为了把时变参数转换成常参数需利 用坐标变换，后面将详细讨论。 3 、电磁转矩方程 1 q j 0 02 力 1工1上尹 o “始 p p 西华大学硕士学位论文 根据机电能量转换原理，可求出电磁转矩t 表达式如下所示 互一p 。l 艉【( i a i a + f 口屯一f c f 。) s i n 0 + ( i a i 6 + f b i 。+ f c f 。) s i n ( o + 1 2 0 0 ) ( 2 4 ) + ( f j t t + f 口i o + i c i b ) s i n ( o - - 1 2 0 。) 】 式中，刀。一极对数： 三。一定子与转子之间的互感。 4 、电机的运动方程 乙i 瓦+ 寺警 5 ) 式中，瓦一负载转矩； j 机组的转动惯量； p 。一电动机极对数。 2 2 矢量控制技术 2 2 1 矢量控制理论 交流电机调速系统的矢量变换技术是2 0 世纪7 0 年代开始迅速发展起来的 一种新型的控制思想。它通过将定子电流分解成互相独立的励磁电流和转矩电 流，从而使交流电机在很大程度上类似于直流电机，大大简化了控制的难度， 并获得了较好的控制结果。因此这种控制方法成为交流电机获得理想性能的重 要方法。 2 2 2 矢量控制变频调速的基本思想 从电机学角度看，直流电机由于电刷和换向器的作用，使得磁极面下的电 枢电流j 。方向固定不变，励磁电流，决定了磁通。方向，电枢电流，。与磁通 西。正交，若不考虑电枢反应的影响，可以看到，。和，是两个相互独立的变量。 根据电机左手定则判断，产生电磁转矩t ，电机以角速度，旋转。又 t c r ，。 ( 2 6 ) 由上式可得，磁通。由励磁电流，产生，若忽略磁路非线性能影响，m 。 与，成正比，而与，。无关，当励磁电流，不变时，磁通。也不变，控制电枢 西华大学硕士学位论文 电流，。就可以控制电磁转矩。在直流调速系统中( 弱磁升速除外) ，一般主磁 通中。可以事先建立起来，而不参与系统的动态调节。 由运动方程 t t 。j 妾 ( 2 7 ) 口珂 式中t 包括电动机空载转矩在内的负载转矩； 一直流电动机的电磁转矩： - ，一电力拖动系统运动部分折算到电动机轴上的转动惯量； n 一电动机的转速。 对于异步电机来说，把应用于直流电机调速系统的经典设计理论用于异步 电机的调速系统，必须对异步电机进行数学模型分析，得到近似的动态结构图， 才能进行系统的有关参数设计。但建立异步电机的准确数学模型相当困难，在 异步电机的调速系统中，我们得到的动态结构图只能适用于机械特性某段上某 工作点附近的小范围内进行稳定性判断和动态校正，而不能适用于大范围内运 行。在异步电机中，电压、电流、磁通、电磁转矩各量之间是相互关联的，属 于强耦合的系统。而在变频调速系统中，电压、频率又是两个独立的输入变量， 而电压是三相的。因此，系统又是多变量的。另外在异步电机中，转矩正比于 主磁通与电流，而这两个物理量是同时变化的，决定了异步电机数学模型中有 两个变量的乘积项，因此，系统又是非线性系统。 异步电机矢量控制的思想就是通过坐标变换把定子三相交流电变换成直流 励磁电流。和转矩电流f ，r ，在调速过程中保持励磁电流。不变，即磁通西。不 变，此时与直流电机调速原理相同，控制转矩电流f 。7 ，就可以控制电磁转矩疋。 由三相异步电机原理可知，定子三相绕组在空间上互差1 2 0 度，且输入以 时间互差1 2 0 。的三相正弦交流电时，在空间上会建立旋转磁势f ，以同步角速 度劬旋转，如图2 1 ( a ) 所示。事实上，产生旋转磁场不一定非要三相绕组。除 单相外，二相、三相、四相等任意多对对称绕组，通以多相平衡电流，都能产 生旋转磁动势。如图2 1 ( b ) 绘出了两相静止绕组口和卢，它们空间上互差9 0 度，通以时间上互差9 0 度的两相平衡交流电流，也产生旋转磁动势。若两个互 相垂直的绕组m 、t ，在t 绕组中通以直流电流f 。r ，在m 绕组中通以直流电流 o ，并将此m t 坐标以同样的角速度q 转起来，则m 、t 两相旋转绕组合成磁 西华大学硕士学位论文 通势f 也是一个旋转磁场。如图2 1 ( c ) 所示，o 相当于直流电动机的励磁电流 分量，由它来产生直流电机的磁场，而与磁场。相垂直的分且_ - 垦t 。s r 相当于直流 电机的电枢电流即转矩电流分量。调节即可调节磁场的强弱，调节f 。r 即可调 节磁场恒定的情况下调节转矩的大小。 b t f ( c ) m f i g 2 1e q u i v a l e n tw i n d i n g so fa cm o t o ra n dd cm o t o r 图2 1 等效的异步电机绕组和直流电机绕组 所以矢量控制的基本思想就是通过数学上的坐标变换方法，把三相交流异 步电机a 、b 、c 中的电流f 。、f b 、变换到两相静止绕组口、卢中的电流f 。、 f ，再经过数学变换把f 。、f 卢变换到两相旋转绕组m 、t 中的直流0 、。实 质上就是通过数学变换把三相异步电机的定子电流分解成两个分量，一个是用 来产生旋转磁势的励磁分量f 肼，另一个用来产生电磁转矩分量f r ，其坐标变换 结构图如图2 2 所示。 l l - - - - - - - - - - - - - - - 一j f i 9 2 2s k e t c hm a p o fc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n 图2 2 坐标变换结构图 2 2 3 矢量控制方式 本系统是基于s v p w m 的转速一电流双闭环矢量控制系统，分为转速控制子 系统和电流控制子系统，其控制系统原理图如2 3 所示。 西华大学硕士学位论文 f i 9 7 3v e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fi n d u c t i o nm o t o r 图2 3 异步电机矢量控制系统结构图 转速控制子系统由用户给定的转速指令行耐与来自电机轴上的光电编码器 测得的转速反馈信号万进行比较。输出f m 作为电流调节器的指令值，它和霍尔 电流传感器检测到的三相定子电流经过3 2 变换，旋转变换后得到的旋转坐标 系下的定子力矩电流分量的估计值f r 进行比较，再经过电流调节器，得到旋转 坐标下的定子电压分量。同样，z 删与估计的励磁电流0 经过电流调节器 得到。由和盯经过旋转逆变换为两相静止坐标系下的定子两相交流 电压，经s v p w m 控制器产生p w m 驱动逆变器，得到交变的脉冲序列输出给 电机。与光电编码器和霍尔传感器反馈的转速和电流信号组成了转速一电流双 闭环系统。 2 3 空间矢量脉宽调制 2 3 1s v p w m 的工作原理 设交流电机定子三相绕组对称，绕组轴线作空间分布，电机的理想供电电 压为三相对称正弦电压，其表达式如下： 砧。= 4 - 2 u c o s o x m 6 4 - - 2 uc o s ( 耐一1 2 0 。) m 。= 4 - - 2 u c o s ( o x + 1 2 0 。) 合成电压空间矢量定义如下： ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 西华大学硕士学位论文 k = 妻0 。+ f 6 + a 2 “。) ( 2 1 1 ) j 式中，口。e i 2 x 3 定子电压方程为： 屹r f ，+ 警 ( 2 1 2 ) “i 当转速不是很低时，定子电阻压降较小，可以忽略，则有 妒，一形出 ( 2 1 3 ) 这表明妒。与电压空间矢量的方向的运动方向一致。 在变频调速中，逆变器为电动机提供的是经过调制的p w m 电压。图2 4 是三相电压源逆变器示意图，由六个功率开关器件组成。因为逆变器的上桥臂 和下桥臂的开关状态互补，所以只用上桥臂的三个功率开关器件来描述逆变器 的工作状态就足够了。图中设置直流侧中点的0 作为参考点，则上管导通时输 出电为2 ，下管导通时输出的电压为一玑2 。如果把上桥臂的功率开关器件 的导通状态用“1 ”表示，关断用“o 表示，那么按照电压空间矢量的定义来 讲，逆变器上下桥臂的六个功率开关器件的开关状态有八种组合，分别对应逆 变器八个开关模式。则得到如图2 5 所示的基本电压空间矢量图，包括六个有 效矢量( k _ 圪，模长等于2 玑3 ) 和两个零向量( ，巧) 。 交漉 f i 9 2 4c i r c u i to f t h et h r e e - p h a s ev o l t a g ei n v e r t e r 图2 4 三相电压型逆变器电路图 式( 2 一1 1 ) 中的h 咄。是频率为，相电压峰值为的模对称三相正弦波。矢 量k 就是模长等于相电压峰值，以角频率0 3 ( 0 一耐) 按逆时针方向匀速旋转的 西华大学硕士学位论文 空间矢量。反过来，一个这样的空间矢量在三相轴上的投影就是对称的三相正 弦量。按平行四边形法则，利用这八个基本向量可以合成任意角度和模长的等 效合成矢量。依平行四边形法则得： 互k + l 圪一t ( 2 1 4 ) 利用正弦定理可得： 互一万l ts i n c z 3 ) u d 瓦t 历眵i t s i n o u d ( 2 1 5 ) t o t 一瓦一疋 0s0 死 3 在上式中，t 1 ，t 2 如果不足时，插入零矢量补足。 巧( 0 1 v , o o o ) a - - l i r a - 巧( 0 0 1 )圪0 0 1 ) f 遥2 5v o l t a g es p a c ev e c t 0 飓 图2 5 电压空间矢量 假定向量( 在第三扇区) 在口， p w m 周期为t ，可以得到： f i g 2 6t h et h i r df a n sa r e av e c t o r s 图2 6 第三扇区矢量 卢轴的投影分别是k 口，( 如图2 6 ) ， p 一寺t ( 彤。一慨) ( 2 - 1 6 ) l lt 厄u d 同样可以计算出圪在其他扇区内空间矢量作用的时间： 西华大学硕士学位论文 互。矗【s i n 哼k 帆一唾啪】 疋。老【_ s h 等帆一等万( 2 - 1 7 ) 瓦- t 一互一疋 其中七一1 ，2 ，3 ，6 2 3 2s v p w m 的算法 1 确定矢量f 所在的扇区，由二相三相坐标变换可得： i圪= 圪一1 2 ( 3 v , 。一) ( 2 1 8 ) i v o i t1 2 ( - 4 3 v , 口一) ( 1 ) 如果圪 0 ，则a = i ，否则a = 0 ； ( 2 ) 如果k 0 ，则b = i ，否则b = 0 ； ( 3 ) 如果圪 0 ，则c = i ，否则c = o ；则扇区n = a + 2 b + 4 c 。 2 相邻两矢量作用时间的确定 lx 一4 3 v , t u d y 一( 4 3 + 3 2 v 口皿i u d ( 2 1 9 ) i z 一( 4 3 - 3 2 v 。) ti u d 对不同的扇区的五、疋，按如表2 1 取值。若出现互+ 五 t ，则 五一互互( 互+ 疋) ，疋一互互( 互+ 五) 。 表2 - 1 互和互的赋值表 | * ix e - 号| i| i i t a b l e 2 - 1 a s s i g | n v a l u et a b l e ： f _ 厂r _ 厂厂r r 3 确定矢量的切换点乙1 、乙：、乙， 令l 一( t 一五一t 2 ) 4 ，瓦一l + t , 2 ， 乙。、乙：、乙，根据表2 2 进行赋值。 - 1 4 t - l + r 2 2 ，则在不同的扇区内 西华大学硕士学位论文 表2 2 开关切换的赋值表 t a b l e2 - 2a s s i g nv a l u et a b l eo fs w i t c h 扇区号 iv 乙，瓦ll瓦瓦 乙2乏乙瓦乙t ； 乙3毛瓦艺毛乙 2 4s v p w m 仿真算法的研究 任何一种算法都必须通过实验才能知道它的正确性，为了检验依据 s v 】珊m 算法所建立模型的正确性，使用m a t l a b 的s il i n 来进行了实验 仿真。图2 7 为s i m u l i n k 建构的s v p w m 变频调速系统模型。 交流电动机：图中s i m u l i n k 提供的a s y n c h r o n o u sm a c h i n es iu n i t s 模块也是 一台三相异步电动机，将转子中a ，b ，c 三相短接，就构成一台三相鼠笼式异 步电动机，该模块的参数设为默认值，额定电压为2 2 0 v ，额定功率为5 0 h z ，模 块的输入端l 是转矩信号输入端，设转矩为常数1 1 8 7 。电动机模块不能单独 使用，必须加上a s mm e a s u r e m e n td e m u x 模块，该模块是运算模块，与电动机 模块的m端相连，通过运算模块可以观察电动机运行时转速、定子电流、转 子电流、转_ s i 矩等的变化情况，使仿真效果更具备物理意义。 图中“，耐u s p r e f 由三相电压u 。、h 6 、“。通过静止的坐标变换得到，三相 给定电压u 。、u 。、“。的幅值是1 0 v ，频率5 0 h z ，周期t = 0 0 0 0 1 s ，u 矗一3 1 0 v ， 三角载波由方波通过积分器得到，其频率为6 0 0 h z 。s v p w m 算法子模块就是按 照前面介绍的算法来建立的，由本小节除逆变器模块以外的其他子模块封装而 成。而d s p 全比较寄存器中c m p r x ( x = 1 ，2 ，3 ) 的赋值，可以从l ，、乙：、 z 伪。的仿真结果看到，它相当于在s p w m 方式下正弦调制波中注入三角波形三 次谐波，具体仿真波形见图2 8 所示。 西华大学硕士学位论文 f i g2 7s v p w mf r e q u e n c y c o n v e r s i o ns p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mm o d e l 图2 7s v p w m 变频调速系统模型 f i g2 8s i m u l a t e dw a v eo f 乙1 、乇2 、乙3 图2 8 乙，、乙：、乙3 仿真波形 下面我们同样通过示波器给出了s v p w m 调速系统的波形，图2 9 所示为 s v p w m 调制时逆变器输出的线电压“。6 波形，图2 1 0 所示为s v p w m 调速系 统输出a 相转子、定子电流、转速( d 及转矩r 的波形。 西华大学硕士学位论文 f i g2 9s v p w m m o d u l a t e sc o n t r av a r i a n ti m p l e m e n to u t p u tl i n ev o l t a g ew a v ef o r m 图2 9s v p w m 调制逆变器输出线电压波形 f i g2 1 0w a v eo fr o t a t o r , s t a t o re l e c t r i cc u r r e n t ，r o t a t i o nr a t ea n dr e v o l u t i o nr e g u l a t i o n 图2 1 0 转子、