（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的全数字交流调速实验平台的设计与实现.pdf

d e s i g na n di m p l e m e n to fd i g i t a la c s p e e dr e g u l a t i o ne x p e r i m e n t a l p l a t f o r mb a s e do nd s p a b s t r a c t w i t ha ni n c r e a s i n ga p p l i c a t i o nv a r i a b l e - f r e q u e n c yr e g u l a t i n gs p e e dt e c h n i q u ei n e l e c t r i cd r i v e ，i ti so fg r e a te s s e n t i a lt h a ta d d i n gan e wr e g u l a t i n gs p e e de x p e r i m e n to f v a r i a b l e f r e q u e n c yt ot h ed r i v ee d u c a t e de x p e r i m e n to fu n d e r g r a d u a t e s h o w e v e r , m a n y s p e e dr e g u l a t i o ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r m si nc h i n as t i l ls t o po v e ra tt h es t a g eo fa n a l o g d e v i c e sp l u sa s i cp w mo ra s i cp o r t f o l i o t h e r ea r em a n ys h o r t c o m i n g sf o rt h i s p l a t f o r m s ，j u s tl i k et h ec o m p l e xc o n s t r u c t i o n ，h i g hf a i l u r er a t e ，l o wr e g u l a t i o na c c u r a c y , c o m p l e xo p e r a t i o na n dd i f f i c u l te x p a n s i o na n di n t e g r a t i o n ，b e c a u s eo fc o m p l e x c o n s t r u c t i o no ft h ea n a l o gd e v i c e s ，t h ec h a n g i n gp a r a m e t e r sa l o n gt e m p e r a t u r ea n d t i m e ， e x p e n s i v ea s i cp w ma n dl e s sr e s o u r c e sa n df u n c t i o n so fs i n g l e c h i p t h e r e f o r et h e r ei s an e e df o ran e we x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw h i c hc o n t a i n sas i m p l es t r u c t u r e ，s t a b l e o p e r a t i o na n dh i g hr e g u l a t i o na c c u r a c y s i m p l eo p e r a t i o na n de a s yt oe x p a n d t h i sa r t i c l ef i r s t l yi n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n to fa cd r i v et e c h n o l o g ya n dt h e c u r r e n ts i t u a t i o nb yd o m e s t i cc o m p a n i e sf o rt h ed e v e l o p m e n to ft e a c h i n ge x p e r i m e n t a l p l a t f o r ms p e e d s e c o n d l y , t h ep r i n c i p l eo fs p w mv w fs y s t e m ，v e c t o rc o n t r o ls y s t e m a n dd i r e c t t o r q u es y s t e m a r er e s p e c t i v e l yi n t r o d u c e d d u r i n g r e c o m m e n d i n gt h e p r i n c i p l eo fs p w mv v v f t h em e t h o do fc a l c u l a t i n gb e s tc a r r i e rw a v er a t eo fs e c t i o n i s o c h r o n o u sm o d u l a t i o nt h r o u g hg e n e t i ca l g o r i t h mi sr a i s e d a l s ot a k e nt h es a m e p a r a m e t e rm o t e ra s t h er e s e a r c ho b j e c t , w ec a r r i e do u t r e s p e c t i v e l ys i m u l i n k s i m u l a t i o nt ot h et h r e et y p e so fc o n t r o ls y s t e m f i n a l l y , s e tu pt h eh a r d w a r ep l a t f o r m ， t h ep r e p a r a t i o no ft h es v p w mb a s e do nt h er e a l i z a t i o no ft m s 3 2 0 f 2 8 1 2 p r o c e d u r e s i n t h ed e v i c eo p t i o n s ，h i g h - p e r f o r m a n c ed s p 2 8 1 2 c h i pi su s e dt or e a l i z et h ev e c t o rc o n t r o l a l g o r i t h m ，i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l ep m 5 0 r s h l 2 0 i su s e dt oi m p r o v es y s t e mr e l i a b i l i t y i nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d y , d e b u gt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw i t ht h ea d o p t i o no f s o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o m b i n a t i o n ，a c c o m p l i s ht h ee x p e r i m e n to fs v p w mb a s e do n t h ec o m p l e t i o no ft h ei n d u c t i o nm o t o rr o t o rf i e l do r i e n t e dv e c t o rc o n t r o ls y s t e m t h e v e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h e e x p e r i m e n t a l p l a t f o r m h a s g o o dc o n t r o l p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：d s p ；v e c t o rc o n t r o l ；d i r e c t t o r q u ec o n t r o l ；s v p w m ： e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m v i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 毫隘 学位论文使用授权说明 年皇月日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 妊口时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：南i 选导师签名：私弱陟如9 年广月坊日 基于d s p 的全数字交流调速实验平台的设计与实现 第一章绪论 1 1 引言 1 9 世纪先后诞生了直流电气传动和交流电气传动。由于直流电动机可以通过改变 电枢输入电压以及调节励磁电流实现无级调速，动态性能好，而交流电机的调速性能难 以满足生产要求，因此，在传统的转速控制多采用直流电气传动。随着生产技术的不断 发展，直流电机结构复杂、造价昂贵、机械换向器与电刷之间存在换向火花等缺点逐步 暴露出来，而且其维护困难，尤其是在恶劣的环境中难以适应，这样人们便把目光转向 了结构简单、运行可靠、便于维护而且价格低廉的交流电机，并致力于它的调速技术的 研究h 纠。 随着电气传动技术的快速发展，交流电动机的变频调速系统已成为近代交流调速中 性能最优越的一种电力拖动系统，所以在本科教学实验中变频调速实验变得尤为重要。 然而，目前国内许多电机变频调速实验平台还主要停留在模拟器件加p w m 专用芯片或专 用芯片组合阶段，由于模拟器件回路结构复杂，参数随温度及时间而变化，p 1 j | m 专用芯 片价格昂贵，单片机片内资源及功能少，使得这类实验平台的结构复杂，故障率高，调 节精度低，操作复杂，不能扩展和难集成。 因此，需要有一种结构简单，运行稳定，调节精度高，操作简单且易扩展的变频调 速实验平台。本章简单介绍了交流调速技术的发展、国内传动实验平台研究的现状以及 课题的研究目的和意义。 1 2 交流调速技术的发展概况和现状 现代交流调速技术的发展依赖于电力电子技术、计算机技术、自动控制理论的发展 以及交流电动机制造技术的发展，是一门多学科交叉技术1 。 1 2 1 电力电子器件的发展 电力电子器件作为现代化交流调速装置的支柱，其发展直接决定和影响交流调速的 发展h 3 。电力电子器件的发展是指开关元件的自关断化、模块化、集成化和智能化，开 关频率不断提高，开关损耗将进一步降低喵1 。根据可控程度，电力电子器件分成四代产 口 6 ，7 口口： ( 1 ) 第一代电力电子器件半控型器件 1 广西大学硕士掌位论文基于d s p 的全数字交流调逮实验平台的设计与实现 1 9 4 7 年贝尔实验室发明的半控型电力电子器件一晶闸管( s c r ) 引发了电力电子技 术的一场革命。此后，晶闸管派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶 闸管等半控型器件，性能日益完善。但因晶闸管工作频率和半控问题的限制，影响了其 应用范围。 ( 2 ) 第二代电力电子器件全控型器件 7 0 年代以后，门极可关断晶闸管、电力场效应晶体管和双极结型晶体管等全控型器 件得到迅速发展。由于全控型器件能控制开通和关断，大大提高了开关控制的灵活性， 使电力电子技术进入了一个新的发展阶段。随着脉冲宽度调制( p w m ) 方式的迅速发展， 以全控型器件为基础，p w m 技术广泛应用于逆变、斩波、整流、变频及交流电力控制中， 这对电力电子技术以及现代交直流调速的发展产生了巨大的影响。 ( 3 ) 第三代电力电子器件复合场控器件 8 0 年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管( i g b t ) 为代表的功率半导体复合器件迅 速发展，i g b t 在性能上兼有双极型器件和m o s 器件的优点，其特点是栅极为电压驱动， 驱动电路简单，所需驱动功率小，开关损耗小，工作频率高，承受电压较高，载流密度 大，通态压降小，热稳定性好，没有“二次击穿 问题，安全工作区大，不需要缓冲电 路。i g b t 的不足之处在于高压i g b t 的导通电阻较大，导致导通损耗大，在高压应用领 域，通常需要多个串联，并且过压、过流、抗冲击、抗干扰等承受能力较低。 ( 4 ) 第四代电力电子器件功率集成电路 2 1 世纪以后，大功率半导体器件的发展趋于集成化和智能化，智能功率模块i p m 就是大功率半导体器件发展的典型代表，i p m 不但可以提供一定的功率输出，而且还具 有逻辑、传感、检测、保护和自诊断等功能。其内部独有的驱动和保护电路可以实现过 流、过压、短路和欠压等保护，是一种非常经济实用的集成型功率器件。利用i p m 的控 制功能与微处理器相结合，可方便地构成智能功率控制系统，实现以往复杂的主电路及 其外围电路的功能。i p m 以其自身的诸多优点赢得越来越大的市场，尤其适合制作驱动 电机的变频器，是一种较为理想的电力电子器件。 1 2 2 控制理论的发展 为了提高交流调速系统的控制性能，国内外许多学者投入到控制策略的研究当中。 目前，交流调速系统实用的控制策略主要有以下几种呻9 1 ： ( 1 ) 转速开环恒压频比控制，即控制 控制就是保证输出电压跟频率成正比的控制。异步电动机的转速n 与定子电源 频率z ，转差率s 和极对数刀，有关，改变z 就可以平滑地调节同步转速。为了避免弱磁 2 广西大掌硕士掌位论文 基于d s p 的全数手交流调运实验平台的设计与买现 和磁饱和现象的产生，在改变f 的同时，需调节定子电压。v 腰控制的优点是控制结构 简单、成本较低，缺点是系统静态和动态性能都不太理想。 ( 2 ) 转差频率控制 从异步电机稳态模型可知，异步电动机转矩疋，与气隙磁通转差角频率的关系 为： 乏f 芘。国( 1 - 1 ) 当稳态气隙磁通恒定时，电动机的转矩近似与转差角频率成正比，所以控制 就相当于控制电动机转矩，这就是转差频率控制。转差频率控制的精度和过电流的抑制 等特性较控制都有所提高，然而，这种控制方法只是依据稳态模型的，仅仅引入 速度闭环，未能实施对瞬时转矩的闭环控制，所以动态转矩没有得到控制，动态响应效 果仍不理想。 ( 3 ) 矢量控制 1 9 7 1 年德国学者b l a s c h k e 和h a s s e 提出了对交流电动机可以进行矢量变换控制， 其主要思想是运用现代电机坐标变换理论，通过坐标变换的方法，分别控制电机的励磁 电流分量与转矩电流分量，将异步电动机模拟直流电动机，以获得与直流电动机一样优 良的动态调速特性n 。矢量控制控制采用坐标变换的方法，需要复杂的数学运算，随着 数字信号处理技术的发展，处理能力强、运算速度快的处理器的出现为矢量变换控制的 实现提供了平台。 近年来，无速度传感器的控制系统又成为国内外学者的研究热点，它利用检测定子 电流、电压等物理量对转速进行估算，省去了速度传感器，获得了近似闭环控制的性能， 不但提高了控制系统的可靠性，而且降低了系统成本。 ( 4 ) 直接转矩控制 直接转矩控制( 简称d t c ) n 帅2 1 思想于1 9 7 7 年由a b p i u n k e t t 在i e e e 杂志上首先提 出，1 9 8 5 年德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授首次取得了实际应用的成功，其后将它推广 到弱磁调速范围。直接转矩控制的思路是把交流电机看作一个整体对待，直接采用转矩 反馈的内环控制抑制磁链变化对转矩的影响，近似地实现转速与磁链解藕，获得转矩的 快速动态响应。另外，直接转矩控制采用开关状态表查询方式确定逆变器的开关状态， 简化了控制结构。但在电机低速运行时，定子压降对磁通观测的影响较大，输出转矩有 脉动，因此，其低速性能较差。 ( 5 ) 智能控制 近年来，智能控制研究十分活跃，典型的如模糊控制n3 1 、神经网络控制n 们和基于专 家系统的控制n5 1 。鉴于智能控制的诸多优点，许多学者将其引入了电机控制系统中，并 广西大学硕士掌位论文基于d s p 的全数字交流调速实验平台的设计与实现 在交直流调速系统和伺服系统中取得了比较满意的效果。 1 2 3 数字信号处理技术的发展 从1 9 8 2 年的第一片数字信号处理器t m s 3 2 0 c 1 0 诞生以来，d s p 的发展大致经历了 四个阶段。1 9 8 2 年美国t i 公司推出第一代1 6 位定点d s pt m s 3 2 0 c 1 0 ，它首次采用哈 佛结构，乘累加运算时间为3 9 0 n s ，处理速度比较慢。1 9 8 7 年美国m o t o r o l a 公司推出了 2 4 位定点d s p 5 6 0 0 1 ，它的乘累加运算时间为7 5 n s ，它与a t & t 公司的d s p l 6 a ，t i 公 司的t m s 3 2 0 c 5 0 等等，都是第二代的d s p 产品的代表。第三代定点d s p 产品在1 9 9 5 年问世，它们增加了并行处理单元，存储容量更大，处理速度更快，指令周期只有2 0 n s 。 比较典型的如m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 3 0 1 ，a d i 公司的a d s p 2 1 8 0 ，t i 公司的 t m s 3 2 0 c 5 4 1 等等，同期t i 公司、m o t o r o l a 公司和a d i 公司又推出了功能更为强大的 3 2 位浮点处理的d s p 。近几年各公司又陆续推出了性能更高的第四代处理器，如t i 公 司的t m s 3 2 0 c 4 x 系列、t m s 3 2 0 c 6 2 x x 定点系列、t m s 3 2 0 c 6 7 x x 浮点系列，a d i 公 司的s h r a c 系列a d s p 2 1 0 6 x 、t i g e r s h a r c 系列和并行处理浮点系列a d s p 2 11 6 0 等 j 6 - 2 0 o 目前，t i 公司、a d i 公司、m o t o r o l a 公司和a t & t 公司在微处理器领域最有影响 力。其中t i 公司和a d i 公司的产品类型最多，市场份额最大。本文的调速实验平台即 选用t i 公司的电机控制专用芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 为控制核心的。 1 3 国内传动实验平台研究现状 目前国内有多家专门从事教学实验设备开发的公司，比如上海硕博科技有限公司， 上海华育教育设备有限公司，浙江求是科教设备有限公司，浙江天煌科技事业有限公司， 上海科荣教学设备有限公司等，他们开发出了很多型号的调速实验平台。其中上海硕博 科技有限公司推出的s b 8 0 1 型变频调速实验装置，虽然可以完成变频器的基本操作， 变频器的开环与闭环运转，变频器的频率跳变操作和多段速度运转等实验，实现交流电 机无级平滑调速和软起动功能，但其仅是采用日本三菱公司的多功能变频器 f r a 5 4 0 0 0 7 5 k c h 为主机，所有程序均已固化，不可更改，只能给定参数看电机运行 结果，不能使同学参与其中，作为应使同学加深印象的实验装置，它的效果明显不够理 想。上海华育教育设备有限公司推出的电机控制系统实验装置控制电路全部采用模拟和 数字集成芯片，可靠性较高，结构紧凑，使用方便灵活，功能齐全，综合性能较好，能 在一套装置上完成半导体变流技术、自动控制系统或直流调速系统、交流调 速系统、电机控制等课程的全部主要实验，包括半导体变流技术实验，直流调速系 4 厂西大掌硕士掌位论文基于d s p 的全数字交流调速实验平台的设计与实现 统实验，交流调速系统实验。但模拟器件回路具有结构复杂，参数随温度及时间而变化 等缺点，p w m 专用芯片价格昂贵，单片机片内资源及功能少，使得这类实验平台的结 构复杂，故障率高，调节精度低，操作复杂，不能扩展和难集成。而且单片机的运算速 度比较慢，系统的控制周期长，如果应用较复杂的算法，不能满足系统的实时控制的要 求。浙江求是科教设备有限公司广泛听取了众多高校老师的意见后开发了n m c l i i 电 机电力电子及电气传动教学实验台，采用高性能的d s p 芯片( t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 ) 幢和高 精度的传感器组成，线路简洁，其可靠性较其他公司的实验设备更高。而且功能比较丰 富，能够进行直流调速实验和交流调速实验。但t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 的最高主频只有4 0 m h z ， 对于更高性能的调速，就比较难以满足要求，而且不能进行二次开发。 1 4 课题研究的目的和意义 变频技术的应用范围和深度正在不断的扩大和深化，国内高等院校的工业自动化、 电机控制专业、机电一体化专业等均已将交流电机变频调速技术列为重点教学内在。为 了使同学们能够更好的理解变频技术及其应用，实验教学内容必不可少。 本文针对目前实验设备存在的种种问题，拟开发一种以d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 为控 制芯片，以智能功率模块i p m 为功率开关器件，结合控制对象和相应的上位软件组成一 个交流变频调速实验平台，利用d s p 芯片的高速运算能力，通过r s 2 3 2 串口通讯协议与 上位计算机实现通信，方便在线调试，学生可以在p c 机上实现多种控制算法，实现对电 机的全数字调速控制。学生可以利用已建立的各种s i m u l i n k 模型进行离线仿真，同时 也可以进行实物仿真。 1 5 本文的主要工作和内容安排 本文开发了一个基于d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 的全数字交流调速实验平台，主要进行了 以下几方面的工作： 首先介绍了交流调速技术的发展概况以及课题研究的目的和意义。 其次分别介绍了s p w m 变频调速系统、矢量控制系统、直接转矩系统的基本原理， 其中在介绍s p w m 变频调速原理的过程中提出了用遗传算法求解分段同步调制的最优 载波比，并以同一参数电机为被控对象，分别对三种控制系统进行了s i m u l i n k 仿真。 最后开发了一个基于d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 的全数字异步电动机变频调速实验平台， 完成了基于电压空间矢量调制的矢量控制调速实验，同时详细阐述了系统各部分的编程 以及外围硬件电路的实现，并对实验平台进行了调试，对实验结果进行了分析。 广西大掌硕士掌位论文基于d s p 的全数字交流调速实验平台的设计与实现 本论文内容可分为6 章： 第一章介绍了交流调速技术的发展概况以及课题研究的目的和意义，并介绍了本课 题的研究内容及安排；第二章介绍了s p w m 变频调速系统，并将遗传算法引入到分段调 制载波比的研究当中，对其进行了仿真；第三章对矢量控制系统进行了介绍并仿真；第 四章对直接转矩系统进行了介绍并仿真；第五章详细阐述了基于d s p 的全数字交流调速 实验平台的研制，并进行了试验，对试验结果进行了分析；第六章为结论与展望部分。 6 r - 西大掌硕士掌位论文基于d s p 的全数字交流调速实验平台的设计与实现 第二章分段同步调制载波比的优化 2 1 引言 正弦脉宽调制( s p w m ) 技术是利用功率开关器件的导通与关断，把直流电压变成脉 宽按正弦规律变化的电压脉冲阵列，并通过控制电压脉冲的宽度和电压脉冲阵列的周期 以达到变压变频目的的一种控制技术。它着眼于使变频器的输出的电动机定子绕组电流 为三相对称正弦电流而得名刎。 2 2 正弦脉宽调制原理 s p w m 波形是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。它以一个正弦波 为基准波，令其同一个等幅的高频三角波进行比较，当正弦波幅值大于三角波时，相应 的开关器件导通；当正弦波幅值小于三角波时，相应的开关器件关断。在三角波不变的 情况下，用这种调制方法所得到的输出电压基波频率和幅值都等于基准波的频率和幅 值，因此改变正弦波的频率和幅值就可以控制输出电压的频率和幅值，从而达到变压变 频的目的 2 2 刎。s p w m 变压变频器主电路原理图见图2 1 。 啊 一嘎i i j k zj么 么3 二= o a 卜z 一k ijl o 上 一睨f 一 刍k 三| a 。一卢。的变换式；转子部分用口一b c - a ，一卢，的变换式。总 的电流变换矩阵为： c = 2 z r4 j r c o s uc o s c o s 一 33 s l n os 1 n 堡s i n 竺 o us l n u 33 1l 1 压压压 c 。s pc 。s ( 啡+ _ 2 z - r ) c 。s ( g 一_ 2 7 - r ) j) o s i n g s i n ( 印+ 了2 z r ) s i n ( g 一了2 7 r ) 1 1 l 压压压 变换后得三相异步电机在二相静止轴系上的电压方程为： 2 l ( 3 1 4 ) 4 西大学硕士掌位论文基于d s p 的全数字交流调逮实验平台的设计与实现 u s a u ，卢 h r a u r 卢 r s + l 晒p o k p k 0 r o r s + l 谢p 厶d0 r k p l m d p 0 r r + l 嘣p l 嘣0 r 0 k p l r d o r r r + l r d p ( 3 1 5 ) 吼= 上式中，丘d = 3 l ，2 和l r d = 3 l ，2 分别为定子一相绕组和转子一相绕组的等效自 感；k = 3 l m 2 为定、转子一相绕组的等效互感。 ( 2 ) 三相异步电动机在二相静止轴系上的电磁转矩方程 在二相静止轴系上三相异步电动机的电磁转矩方程可以表示为下式： 疋，= n p l m d ( 卢。一。f r 口) ( 3 1 6 ) ( 3 ) 三相异步电动机在二相静止坐标系上的数学模型 t l 。b = z i 邛 乙= ，z p k ( 如k k 如) d o , q 2 百 ( 3 - 1 7 ) 由于矩阵中所有元素均为常系数，消除了三相异步电动机在三相静止坐标系上的数 学模型中非线性的根源，而且矩阵的阶次也有所降低。 3 4 3 三相异步电机在两相同步旋转坐标系中的数学模型 ( 1 ) 三相异步电动机在两相同步旋转坐标系上的电压方程 矢量旋转变换式为： = l c s o 。s n t p 识5 三篓荔 笔 c 3 一8 ， ( 2 ) 矢量旋转变换后，得到的三相异步电动机在两相同步旋转坐标系上的电压方程为： u s m u s t o 0 r s + l , d p一s l s d l 喇p c o s l 柑i s m s l 畦r s + l s d pc o s l 。dl 。d p l 嘲p一l 。dr r 七l r d p一l 咭 厶l 1 l dl 柑p厶l l dr r + l 嵋p ( 3 - 1 9 ) 即：”胛= k ( 3 ) 三相异步电动机在两相同步旋转坐标系上的电磁转矩方程 三相异步电动机在两相同步旋转坐标系上的电磁转矩方程为： 乃= k ( 7 o 一，m r r ) ( 3 - 2 0 ) 2 2 ( 4 ) 三相异步电动机在两相同步旋转坐标系上的数学模型 篙z 胛( i s 小i m r r ) p 2 ， 瓦= 疗，k r o 一 7 _ ) j 、7 3 5 矢量控制系统的建立 矢量控制系统常用方案有转差频率矢量控制、气隙磁场定向矢量控制、转子磁场定 向矢量控制、定子磁场定向矢量控制，其中转子磁场定向是按转子磁链y ，定向的，即将 m 轴取向于l f ，轴，可以实现励磁电流和转矩电流的完全解耦，因此，具有良好的动态 性能和控制精度。本章以按转子磁场定向的异步电机矢量控制系统为例进行说明阻昝划。 ( 1 ) 按转子磁场定向的三相异步电动机数学模型 由于m 轴取向于y ，轴，丁轴垂直于l f ，轴，即l f ，在丁轴上的分量为0 ，所以转子磁 链l f ，只由m 轴绕组中的电流产生，即定子电流t 在m 轴上的分量f 。w 是励磁电流，在r 轴上的分量f 。r 是转矩电流。l f ，在m 一丁轴系上的分量可用如下方程表示为： 篆ru=v：r=骗lmai,蝴u+lrra0。 ( 3 - 2 2 ) l f ，r = = k 0 + k f ，rj 、 7 带入任意m r 轴系上的电动机数学模型，经化简可得以转子全磁链为定向轴的同 步旋转坐标系上的三相异步电机数学模型。 u s m u s r 0 0 r s 七l , d p一s l 记l i d p一s l ，i d s l s dr s + l s d ps l 。dl 。d p l 。d p 0 r r + l d p 0 a c o l m a 0 厶l 旧r r t e i = c i wr i s t l s m o l r m l r t ( 3 2 3 ) ( 3 - 2 4 ) 其中= 等 ( 2 ) 按转子磁场定向的三相异步电动机控制系统的控制方程 在矢量控制系统中，可以测量的被控量是定子电流t ，得出定子电流矢量和其它物 理量的关系如下： 瓦= c 0 l f ，r ( 3 2 4 ) 虬2 历l - , m i d 1谢(3-25) 扣专沪等”警 p 2 6 ， 其中，r r2 老为转子电路时间常数。 广西大掌硕士掌位论文 基于d s p 的全数字交流调速实验平台的设计与实现 ( 3 ) 按转子磁场定向的三相异步电动机等效直流电动机模型及矢量控制系统的基本结构 如图3 6 所示。 图3 6 转子磁场定向的矢量控制系统结构框图 f i g 3 6s t r u c t u r ed i a g r a mo ff i e l do r i e n t a t e dc o n t r o ls y s t e m 3 6 基于转子磁场定向的矢量控制系统仿真模型 利用s i m u l i n k 软件建立转子磁场定向的矢量控制系统仿真模型，图3 7 为速度调节 器( a s r ) 模块，图3 8 为转矩电流计算( a t r ) 模块，图3 9 为磁链调节器( a p h s i r ) 模块，图3 1 0 为转子磁链电流模块，p a r k 变换和反p a r k 变换都使用s i m u l i n k 软件内的 专用模块，利用上述各功能子模块搭建出转子磁场定向矢量控制系统的仿真模型，如图 3 1 1 所示。 图3 7 a s r 模块 f i g 3 7a s re m u l a t i o n 图3 8 a t r 模块 f i g 3 8a t re m u l a t i o n 2 4 , r - 西大掌硕士掌位论文基于d s p 的全教字交流调逮实验平台的设计与实现 p h s i r 图3 9 a p h s i r 模块 f i g 3 9a p h s i re m u l a t i o n 图3 1 0 按转子磁场定向的转子磁链电流模块 f i g 3 1 0r o t o rm a g n e t i cf l u xc u r r e n to f r o t o rm a g n e t i cf i e l do r i e n t a t i o n 图3 1 1 转子磁链定向的矢量控制系统仿真模型 f i g 3 11v e c t o rc o n t r o ls y s t e mo f r o t o rm a g n e t i cf i e l do r i e n t a t i o n 仿真系统电机参数如下：额定功率p = 2 2 k w ，额定电压= 3 8 0 v ，额定转速h l 于d s p 的童数字史毫调追蜜膛平台的设计与密瑰 为1 4 3 0r r a i n ，额定频率 ) b 5 0 h z 定子电阻r = 0 4 3 5 f 2 ，转子电阻r = o8 1 6 n ，定子 电感丘= 0 0 0 4 h t 转子电感= 0 0 0 2 h ，互感k = 0 0 6 9 h ，转动惯量j = 0 0 8 9 k g m 2 ， 极对数尸= 2 ，负载转矩正= 3 0 n n l 。 37 仿真结果与分析 在r = 05 s 时转速给定值从1 0 0 r m i n 阶跃至1 0 0 0 r m i n ，负载转矩为3 0 n m ，仿真持续时 间为2 s ，观察电动机各主要变量输出波形如图31 2 和图313 所示。 删 咐r m l 蝴 j 。 藤 砷转速波形图 图3 1 2 转速和转矩波形图 ”转矩渡形图 图3转速和转矩波形图 f i g31 2 m a po f s p e e da n d t o r q u e a ) 定子电流波形图b ) 转子磁链波形图 图313 定子电流和转子磁链波形图 f i g3 1 3 m a d o f s t a t o rc u r r e n ta n dr o t o ra l l x l i n k a g e 图31 2 为在v - - o5 s 时，转速给定值从1 0 0 r m i n 阶跃至1 0 0 0 r m i n 的转速和转矩图从图 a ) 可以看出电机在0l s 时达到1 0 0 r m i n ，当在瑚5 s 给阶跃信号后，大约经过02 s 的时间达 到1 0 0 0 r r a i n 动态响应时间很短：从图b ) 可以看出，转矩在电机启动后剧增，当在0i s 转速达到1 0 0 r m i n 后降为2 0 n m ，当在t - 0 5 s 给阶跃信号后转矩迅速增大，经过大约02 s 后转矩迅速减小，最后稳定在3 0 n m 。 “，1 厂。西大掌硕士学位论文基于d s p 的金数孚交流调遣实验平台的设计与买现 图3 1 3 为在t - - o 5 s 时，转速给定值从1 0 0 r m i n 阶跃至1 0 0 0 f f m i n 的定子电流和转子磁链 波形图。从图a ) 中可以看出当电机启动时定子电流较大，在0 1 s 时转速达到1 0 0 r m i n ，定 子电流减小，在0 5 s 时转速阶跃，定子电流再次增加，当转速达至u 1 0 0 0 f f m i n 后定子电流 减小并趋于稳定。从图b ) 中可以直观的观测到，电机启动时转子磁场有一个建立的过程， 此建立过程较平滑，磁链呈螺旋形增加，很快磁链就接近了圆形。 从以上对仿真波形的分析可以看出，本章建立的异步电机矢量控制仿真系统实现了 磁场和转矩的快速响应及完全解耦控制，并具有良好的调速效果。 3 8 本章小节 本章在介绍交流异步电机数学模型的基础上，阐述了矢量控制的基本原理，利用 s i m u l i n k 仿真软件搭建了子功能模块，并通过对这些子功能模块的有机整合，建立了异 步电机的基于转子磁链定向的矢量控制系统仿真模型，进行了仿真实验，从仿真波形可 以看出，该仿真系统实现了磁场和转矩的快速响应及完全解耦控制，具有良好的调速效 果，为后面交流调速实验平台的实现做了铺垫。 2 7 基于d s p 的全数字交流调速实验平台的设计与实现 第四章直接转矩控制技术原理及其仿真 4 1 引言 直接转矩控制技术( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，d t c ) 是德国鲁尔大学m d e p e n b r o c k 教 授在2 0 世纪8 0 年代提出的1 。d t c 把磁链和电磁转矩作为被控量，在很大程度上解决 了控制系统特性易受电机参数变化影响、实际性能难以达到快速的转矩响应的问题，而 且提高了系统鲁棒性，简化了控制器的结构。所以直接转矩控制技术一诞生，就以其诸 多优点而受到了普遍的关注并得到了广泛的应用n 2 3 。 4 2 直接转矩控制的基本思想 直接转矩控制的基本思想实际上就根据给定的电磁转矩指令与交流电机的实际电 磁转矩观测值相比较得到的转矩误差，确定转矩的调节方向，然后根据定子磁链的大小 与相位角确定选择合适的定子电压空间矢量，从而确定三相电压源逆变器的开关状态， 使交流电机的电磁转矩快速跟踪外部给定的电磁转矩指令值。 图4 1 直接转矩控制系统框图 f i g 4 1d i a g r a mo f d i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e m 由直接转矩控制系统框图4 1 可知，直接转矩控制系统工作流程一般如下： 在电机启动时，定子磁链处于空间原点位置，给出一个初始开关工作状态，使其脱 离原点位置，通过对电流和电压采样信号进行3 2 相变化，计算出在a 一卢坐标系下的 投影矢量k 、如和材。、u ，卢，将这些量通过电磁转矩计算模块和矢量分析器分别得到 2 8 广西大掌硕士学位论文基于d s p 的全数字交流调速实验平台的设计与实现 转矩反馈值乙和磁链反馈值y ，。转矩反馈值乙与转速调节器输出量艺通过转矩调节 器得出转矩开关信号，同理可得到磁链开关信号，这两个开关信号和磁链所在扇区共同 选择下一个周期的开关状态，对逆变器进行控制，从而完成一个控制周期n 2 删。 4 3 异步电动机的磁链模型 在直接转矩控制系统对转矩直接调节的过程中，定子磁链是一个非常的重要的控制 量，因而磁链模型的精确与否在很大程度上决定了整个电机控制系统的精确程度。异步 电动机的磁链模型一般有三种u i 模型、i - n 模型、u n 模型硷3 扪。 4 3 1u i 模型 u - i 模型是通过定子电压和定子电流来确定定子磁链的，如图4 1 所示。它根据如下 公式推导得到： 讥= 心- i , & ) a t ( 4 ；1 ) 图4 2 定子磁链帆的u - i 模型 f i g4 2u - im o d e lo fs t a t o rf l u xy 。 u i 模型中的定子电压和定子电流都是易于检测的物理量，在计算过程中唯一需要 知道的电动机参数是易于确定的定子电阻。由式( 4 1 ) 可知，u i 模型中u s ( f ) 一( f ) 足的差 值越大结果越精确，其误差是由定子电阻引起的。因此，u i 模型一般应用在3 0 额定 转速以上调速区域的定子磁链观测中，但是在定子频率接近零时，这种方法不能确定定 子磁链。 4 3 2 - - n 模型 当电机在3 0 额定转速以下范围内的低速运行时，u s ( ，) 一( ，) r 的值将变得很小， 由足参数变化及测量所带来的误差会把实际值冲掉，从而就无法有效使用u i 模型。这 时磁链只能根据定子电流和转速来确定了，这就是i - n 模型，如图4 3 所示。它根据以 下公式推导得到： 2 9 广西大学硕士掌位论文基于d s p 的全数字交流调逮实验平台的设计与实现 z 等帆= 厶乙+ i 嘴卢 乃等卢= l 岛坳v ，旭 式中，互= 去为转子时间常数；为转子角速度 ( 4 - 2 ) 荔：茎乏艺：二，j c 4 - 3 ， l f ，卢k 钿+ l f ，卢j i 式中，l o = 匕。+ 乙，。 从上面两个式中可以看出i n 模型没有出现定子电阻，也就是说不受定子电阻的影 响，但是它受到转子电阻足、漏电感厶、主电感三变化的影响，此外还需要对电机转 速进行精确的测量，它的误差对模型结果影响很大。 图4 3 定子磁链l f ，的i - n 模型 f i g 4 3i - nm o d e lo fs t a t o rf l u x 虬 j a 4 3 2u - - t ) 模型 由前两小节可知，在不同的转速范围内，应采取不同的磁链模型。一般情况下，在 高速采用u i 模型，在低速时采用i - n 模型，但是在从低速向高速( 或从高速向低速) 需要 快速平滑切换时，就产生了困难。由此，出现了一个综合了u i 模型和i - n 模型的特点， 在全速范围内都实用的磁链模型，即u n 模型，如图4 4 所示。它由定子电压和转速来 获得定子磁链，推导方程如下： 广西大掌硕士掌位论文基于d s p 的全数字交流调逮实验平台的设计与实现 虬a2 南 1 ， i p r s 0 - 南( 铞 + 一i i ， y 1 + 一l y ( 4 - 4 ) 式中y 。、l f ，卢分别为由定子磁链电压模型计算出的定子磁链；y 二、y 名分别为由 定子磁链电流模型计算出的定子磁链；、分别为定子a 、卢绕组的感应电动势；y 为常数，通常令y = 1 0 ，即在1 0 额定转速时切换，p 为微分算子。 在式( 4 4 ) 中，、g 口与转速成正比变化，而y 二、l f ，名与转速无关。为此，当电动 机高速运行时， i f ，。y 、 虮卢y ，这时以定子磁链u i 模型为主；而在低速运 行时，