（控制科学与工程专业论文）基于dsp的异步电机矢量控制系统研究.pdf

武汉理f ：人学硕十学位论文 摘要 2 0 世纪7 0 年代以来，随着电力电子技术和微电子技术带动了交流调速系 统的兴起和发展，逐渐打破了直流调速系统占据的统治地位。针对交流电机( 尤 其是笼型感应电机) 动态数学模型的非线性多变量强耦合特点，并随着智能控 制技术的发展，许多学者提出了各种控制策略和技术方法，包括无速度传感器 矢量控制技术、直接转矩控制技术、基于神经网络控制的矢量控制技术、空间 电压矢量控制技术等。 本论文以异步交流电动机为研究对象，以美国德州仪器公司推出的3 2 位电 机控制专用d s p - t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核心，利用时下应用广泛的空问电压矢量 控制方法和电机动态数学模型为基础设计了整个交流调速系统，并在 m a t l a b s i m u li n k 仿真平台上对系统各方面的调试结果进行了验证。论文分析 了电机的变频调速原理和矢量控制技术的数字化实现原理，并详细论述了空间 电压矢量脉宽调制技术的理论依据及其软件实现所必须的控制算法。在本论文 的第二章中详细分析了转子磁链位置的算法模型( 电压型转子磁链位置、电流 型转子磁链位置) 以及介绍了交流电机矢量控制的坐标变换理论( c l a r k e 变 换、p a r k 变换) 。论文在第三章详细介绍了系统的硬件设计方法，包括以 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心的控制电路，以日本三菱公司的现代化智能功率模块( i p m ) 为核心的逆变功率电路，以光电编码器为基础采用m 法测速的速度检测电路以 及相应的电压、电流检测电路、和系统保护电路模块。论文接下来论述了系统 的软件设计思想，给出了与硬件电路模块相对应的软件程序流程图。 最后介绍了在m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台下，充分利用电力系统仿真 ( s i m p o w e rs y s t e m ) 工具箱建立起来的控制电路的仿真模块，并结合系统矢 量控制结构框图组合各个模块，搭建起了整个系统的仿真模型，并得到了所需 要的仿真结果，从而验证了论文所述的设计思想基本能达到设想，使得异步交 流电机接近直流电机特性，控制系统具有良好的动静态性能，在实际的应用中 可以有良好的前景。 关键词：交流变频调速，s v p w m 技术，智能功率模块，d s p 处理器 武汉理j ：人学硕七学t ：7 = 论文 a b s t r a c t s i n c et h e7 0 so ft h e2 0 t h c e n t u r y , w i t ht h ep o w e re l e c t r o n i c s a n d m i c r o e l e c t r o n i c sb r o u g h ta b o u tt h er i s eo fa cs p e e dc o n t r o ls y s t e ma n dd e v e l o p m e n t o fad cd r i v es y s t e mi sg r a d u a l l yb r e a k i n gt h eh o l do ft h ed o m i n a n tp o s i t i o n f o r a cm o t o r ( e s p e c i a l l yc a g ei n d u c t i o nm o t o r ) d y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo f n o n l i n e a rm u l f i v a r i a b l e c o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，a n d w i t h i n t e l l i g e n t c o n t r o l t e c h n o l o g y , a n dm a n ys c h o l a r so fv a r i o u sc o n t r o ls t r a t e g i e sa n dt e c h n i c a lm e t h o d s ， i n c l u d i n gt h es p e e ds e n s o f l e s sv e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g i e s ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l t e c h n o l o g y , b a s e do nn e u r a ln e t w o r kc o n t r o lo fv e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g y , s p a c e v e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g y i nt h i st h e s i s ，t h i ss t u d yi n d u c t i o nm o t o r st ot e x a si n s t r u m e n t sh a si n t r o d u c e d 3 2 一b i tm o t o rc o n t r o ld e d i c a t e dd s p - t m s 3 2 0 f 2 812a st h ec o n t r o lc e n t e r , u s e n o w a d a y sw i d e l yu s e di n t h es p a c ev o l t a g ev e c t o rc o n t r o lm e t h o da n dm o t o r d y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lw a sd e s i g n e db a s e do nt h ee x c h a n g es p e e dc o n t r o l s y s t e ma n dm a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o np l a t f o r md e b u g g i n ga l la s p e c t so ft h es y s t e m ， t h er e s u l t sa r ev e r i f i e d t h ep r i n c i p l eo ff r e q u e n c yc o n v e r s i o nm o t o ra n dv e c t o r c o n t r o lt e c h n o l o g yo fd i g i t a l i m p l e m e n t a t i o np r i n c i p l ea r ea n a l y z e d t 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 nt e c h n o l o g ya n dt h et h e o r e t i c a lb a s i sa n dt h es o f t w a r e n e c e s s a r yt oc o n t r o la l g o r i t h m sa r ed e t a i l e di nt h i sp a p e r i nt h es e c o n dc h a p t e ro f t h i st h e s i s ，t h er o t o rf l u xp o s i t i o no ft h ea l g o r i t h mm o d e l ( v o l t a g em o d e lr o t o rf l u x p o s i t i o n ，c u r r e n tp o s i t i o no f r o t o rf l u x ) i sd r t a i l e da n a l y s i s ，a n dt h ev e c t o rc o n t r o lo f a cm o t o rt h e o r yo fc o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o n ( c l a r k et r a n s f o r m a t i o n ，p a r k t r a n s f o r m a t i o n ) i si n t r o d u c e d i nt h et h i r dc h a p t e rii n t r o d u c et h eh a r d w a r ed e s i g n ， i n c l u d i n gt m s 3 2 0 f 2 8 12a st h ec o r ec o n t r o lc i r c u i t ，t h em o d e r n i z a t i o no fj a p a n s m i t s u b i s h ii n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e s ( i p m ) a st h ec o r eo ft h ei n v e r t e rp o w e rc i r c u i t ， b a s e do np h o t o e l e c t r i ce n c o d e ru s i n gm v e l o c i t ym e a s u r e m e n to ft h es p e e dd e t e c t i o n c i r c u i ta n dt h ec o r r e s p o n d i n gv o l t a g ea n dc u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i t ，a n ds y s t e m p r o t e c t i o nc i r c u i tm o d u l e t h e nid i s c u s s et h es y s t e m ss o f t w a r ed e s i g n ，h a r d w a r e m o d u l e sa l eg i v e na n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ep r o g r a mf l o wc h a r t 武汉理工大学硕士学位论文 f i n a l l y , i nt h em a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h ef u l lu s eo fp o w e r s y s t e ms i m u l a t i o n ( s i m p o w e rs y s t e m ) t o o l b o xe s t a b l i s h e dc o n t r o lc i r c u i te m u l a t i o n m o d u l e ，c o m b i n e dw i t hv e c t o rc o n t r o ls y s t e mb l o c kd i a g r a mo fc o m b i n a t i o no f v a r i o u sm o d u l e s ，b u i l tu pas i m u l a t i o nm o d e lo ft h es y s t e m ，a n dg e tt h en e e d e d s i m u l a t i o nr e s u l t s ，w h i c hp r o v e st h et h e s i sd e s c r i b e dt h ed e s i g ni d e a sc o u l dm e e tt h e v i s i o n ，s h i d ea s y n c h r o n o u sj i a o l i u d i a n j ij i ej i nd cm a c h i n ec h a r a c t e r i s t i c s ，c o n t r o l s y s t e mh a sg o o dd y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e ，i np r a c t i c a la p p l i c a t i o nc a nh a v ea k e y w o r d ：a cv a r i a b l ef r e q u e n c y , s v p w m ，i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ，d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r s i i i 独创性声明 本人声明，所譬交的论文是本人在导师指导下进行的研究j ：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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证 s 而使用过的材料。 与我一同j i ：作的同：占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了谢 意。 研究生签名： 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：学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名辑肭名超醐丝够 武汉理r 人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 交流电机变频调速系统的发展 从世界上第一台电动机诞生以来，交流电机变频调速技术的发展一直没有 得到大规模的应用。这主要是由于交流电动机本身的控制复杂性以及电力电子 技术不成熟、控制方法不完善造成的。一直以来，在工农业生产生活中，直流 调速技术在电力拖动与电机控制技术中占据在主导地位。直流电机控制方法简 单，效果良好并且能节省能耗。但是直流电机也有自身的缺点，首先直流电机 制造技术要求比较高，其次一般来说在工业应用中直流电机所占体积比较大， 限制了其应用领域。所以，2 0 世纪7 0 年代以后，电力电子技术和微电子技术 带动了交流调速系统的兴起和发展，逐渐打破了直流调速系统占据的统治地位。 针对交流电机( 尤其是笼型感应电机) 动态数学模型的非线性多变量强耦合特 点，并随着智能控制技术的发展，许多学者提出了各种控制策略和技术方法船3 ， 包括无速度传感器矢量控制技术、直接转矩控制技术、基于神经网络控制的矢 量控制技术、空间电压矢量控制技术等。近年来，鲁棒控制、模糊控制、自适 应控制和专家系统的应用，使得交流调速系统向着网络化智能化的方向迅速发 展。 交流变频调速技术经历了有最初的v f 恒定控制技术、转差级率控制技术 到矢量控制技术、直接转矩控制技术的发展b 钔晦1 。交流调速系统的应用领域 也得到了大范围的推广，主要有三个方面：( 1 ) 一般性能调速和节能调速。主 要应用在风机、水泵等对调速范围和动态性能要求都不高，只要有一般的调试 性能就可以的场合。( 2 ) 高性能的交流调速系统和伺服系统。主要应用于数字 制造、高性能电机以及精密仪器等方面，控制方法主要包括磁场定向控制技术 和直接转矩控制技术等先进控制方法，形成了可以和直流电机调速系统向媲美 的交流电机调速系统。( 3 ) 特大容量、极高转速的交流调速系统。由于直流电 机在高容量转速方面的限制，所以特大容量的电力设备，如厚板轧钢机、矿井 卷扬机等以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等都是应用的交流调速系 统。 武汉理t 大学硕十学位论文 1 2 矢量控制技术的发展 矢量控制理论( t r a n sv e c t o rc o n t r 0 1 ) 是有美国科学家和德国科学家在 上世纪七十年代初分别提出来的，在经过了近半个世纪的补充和完善后，使得 矢量控制技术在工农业生产中的作用越来越突出哺 。 交流电机的矢量控制技术就是通过建立电机的可靠数学模型，把定子上的 电流矢量分解成励磁电流矢量和转矩电流矢量，进行分别控制其大小和方向， 使其合并成变频器可控的有效信号。它是建立在对直流调速系统的深入研究的 基础上的仿直流系统，它实现了交流电机控制的直流化，极大地提高了交流调 速系统的稳定性、高效性和易操作性。异步电机的矢量控制的基本思路是通过 对变频器参数的控制信号进行分析控制，实现对电磁转矩的有效控制，使得异 步交流电机调速系统能和直流调速系统的控制方法和控制效果相似。具体的原 理为：电流的坐标变换，把定子上的三相对称交流电f 。、i r 通过坐标变换 变换到同步旋转坐标系d - q 轴系下的两相直流电流( 在同步旋转坐标系下，始 终保持d - q 轴系中的d 轴与转子磁场的方向一致) ，也就是通过数学变换把三相 交流电动机的定子电流分解成两个分量：用来产生旋转磁动势的励磁分量f w 和 用来产生电磁转矩的转矩分量，然后像控制直流电机那样分别对磁场与转矩 的进行独立控制，再由变换方程把控制结果转换为随时间变化的瞬时变量，因 此系统控精度高，频率特性好，转矩动态响应速度快捷。 总之，矢量控制技术发展及完善极大地提高了工农业生产水平，并且极大 地减少了对自然环境的污染，降低了各种能源的消耗。 1 3 课题的研究背景及其意义 交流变频调速系统具有优良的调速和起、制动性能及高效节能的效果，用 变频调速技术的电机，其容量、速度和电压等级都可以很高，调速系统体积小、 重量轻、惯性小，运行可靠性高，维护工作量少，适宜恶劣工作环境，成本低。 由于变频调速技术特别是矢量控制技术的突出特点，因此从一般工业技术到航 空、航天军事工业，乃至家电空调、精密伺服机器人控制等等，变频调速技术 无所不及，正在逐步取代直流调速m 引。矢量控制技术作为一种高性能的变频 调速技术，虽已在交流调速领域得到广泛应用，但其理论与应用仍不完善。其 2 武汉理r 人学硕十学位论文 主要问题是：( 1 ) 在高性能矢量控制系统中需采用速度闭环控制，常规的速度 检测多采用速度传感器，然而速度传感器在安装、维护、成本等方面影响了异 步电机调速系统的简便性、时变特性；( 2 ) 矢量控制技术严重依赖电机的参数， 而电机参数受环境、温度等的影响运行时呈时变特性，因此系统的动态性能仍 不尽如人意；( 3 ) 虽然已有许多无传感器矢量控制方案，但由于现有的转子速 度辨识方法的精度和范围的限制，在一些高精度交流电机运动控制( 位置伺服) 中，仍需采用价格昂贵的位置和速度传感器。 以上问题限制了交流调速系统的应用，因此有必要进行探讨和完善矢量控 制技术理论，特别是研究和开发高性能的无速度传感器传动系统。 1 4 本课题的主要内容 在文主要研究了异步电机空l 日j 电压矢量控制系统，并对系统的硬件设计、 软件设计、仿真分析及控制方法做了详细的论述和验证。在本设计论文中大致 分为理论研究部分、硬件设计部分、软件流程设计部分、仿真模块的建立以及 仿真结果的分析等部分。在控制方法上采用了应用效果较好的空间电压矢量脉 宽调制( s v p 阳v i ) 技术，另外采用了比较先进的智能功率模块，使得系统的控制效 果比传统的控制方法更加突出。 本文所做的主要工作包括： ( 1 ) 简单介绍交流调速系统的发展以及控制方法的完善，并说明了本系统 研究应用背景和意义。 ( 2 ) 对电机的变频调速基本原理做了比较详细的介绍，另外就矢量控制 系统的发展和控制思想进行了比较细致的论述。 ( 3 ) 本文着重论述了现在应用比较广泛的空间电压矢量脉宽调制( s v p 删) 技术，并就其研究的理论依据和控制算法进行了详尽的论述。 ( 4 ) ) 对系统硬件电路的设计进行详细介绍。设计了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 8 d s p 为控制核心硬件控制电路的设计，另外设计了相应的保护电路、整流滤波电路、 检测电路以及以智能控制模块为核心的逆变耦合电路。 ( 5 ) 对设计的矢量控制系统软件进行详细论述，对应硬件电路以及控制算 法，编写了整个系统的软件流程图，并介绍了软件编写的环境以及编程语言的 选择等。 武汉理：r 入学硕一f ：学位论文 ( 6 ) 介绍了系统在s i m u l i n k 平台上仿真模型。在整个仿真模型的建立中， 采用了模块化的设计思想，分别设计了坐标变换模块、转子磁链位置计算模块、 s v p w m 波产生模块、电机模块以及系统整体仿真模块，并且对各个模块的参数 进行设置，最后得出了系统的仿真控制模型效果图，验证了系统设计的准确性、 精确性和可行性。 ( 7 ) 对整个矢量控制系统的优点和确定进行了分析和总结，并对以后的研 究方向进行了展望。 4 武汉理+ 1 ：人学硕十学位论文 第2 章交流调速的基本理论 2 1 变频调速的基本理论 三相异步电动机转速公式为m 3 ： 其中：刀。表示电机的同步转速 z 表示电机的定子频率即供电频率 刀，表示电机的磁极对数 s 表示电机的转差率 以表示电机的转速；另外s ：h o _ n 刀o ( 2 - 1 ) 从( 2 一1 ) 式可见，在电机的磁极对数不改变的情况下：改变系统供电频率 z ，即可以改变电机的转速一，它们两者呈现出一种近似的正比例关系，所以 若是可以实现供电电源频率的平滑连续改变，则可以得到电机转速的连续平滑 改变，而这种以改变电动机定子电源的频率，改变其同步转速的调速方法称之 为变频调速。 2 2 矢量控制技术 矢量控制理论( t r a n sv e c t o rc o n t r 0 1 ) 是有美国科学家和德国科学家在 上世纪七十年代初分别提出来的，在经过了近半个世纪的补充和完善后，使得 矢量控制技术在工农业生产中的作用越来越突出1 。交流电机的矢量控制技术 就是通过建立电机的可靠数学模型，把定子上的电流矢量分解成励磁电流矢量 和转矩电流矢量，进行分别控制其大小和方向，使其合并成变频器可控的有效 信号。它是建立在对直流调速系统的深入研究的基础上的仿直流系统，它实现 了交流电机控制的直流化，极大地提高了交流调速的稳定性、高效性和易操作 5 0 盟 = 一 = 武汉理t 大学硕十学位论文 性。 异步电机的矢量控制的基本思路是通过电流的坐标变换，把定子上的三相 对称交流电f 。、如、0 通过坐标变换变换到同步旋转坐标系d - q 轴系下的两相 直流电流( 在同步旋转坐标系下，始终保持d - q 轴系中的d 轴与转子磁场的方 向一致) ，也就是通过数学变换把三相交流电动机的定子电流分解成两个分量： 用来产生旋转磁动势的励磁分量f m 和用来产生电磁转矩的转矩分量i r ，然后像 控制直流电机那样分别对磁场与转矩的进行独立控制，再由变换方程把控制结 果转换为随时间变化的瞬时变量，因此系统控精度高，频率特性好，转矩动态 响应速度快捷。 图2 1 电机坐标变换示意图 本文的矢量控制系统结构如图2 - 2 所示。它是一个包括速度环和电流环的 双闭环控制系统。 图2 - 2 矢量控制原理结构图 6 武汉理j ：人学硕十学位论文 2 3 坐标变换理论 在进行坐标变换的时候，必须遵循以下两个原则：在不同的坐标系下绕组 所产生的合成磁动势相等；坐标变换前后的系统电机功率相等。 2 3 1c l a r k e 变换 从三相a b c 坐标系统变换为两相直角坐标系0 【一b 时，我们定义a 轴与a 轴 重合。由于三相绕组可以用独立的两相正交对称绕组等效代替，其等效的条件 是两个系统所产生的磁动势相等。图2 - 3 给出了电流变换示意图。在满足幅值 不变的条件下，三相变量k 与两相变量如之间的变换关系可以用下面的方 程表示。 阱； 11 1 0 l | 2 l ( 2 2 ) 两相变量x 叩在两相直角坐标系q 一1 3 中，仍然是个时变参数；若是在前提 条件不变的情况下，电压变换矩阵、磁链变换矩阵与电流变换矩阵是相同的， 所以下面只讨论电流变换。在三相无中线系统中三相电流的瞬时值相加总是等 于零，即：t + 如+ t = 0 ，代入上式并重新整理后得： 川 7 ( 2 - 3 ) r_j l。0 。l 1j o 三压 武汉理1 i 大学硕士学位论文 2 3 2p a r k 变换 a ) 图2 30 【一b 变换中定子电流合成示意图 p a r k 变换又称为静止两相一旋转j 下交变换，也成为2 s 2 r 变换( s 表示静止， r 代表旋转) ，该变换同样要遵守在不同的坐标系下绕组所产生的合成磁动势相 等；坐标变换f j 后的系统电机功率相等的规则。如图2 4 所示，d - q 坐标系中 的d 轴与转子的磁通方向一致，这时的d - q 坐标系以角速度同步旋转。在任 意时刻0 【轴和d 轴之间相差。的角度。 p 一 ls 8 i s 一二 图2 - 42 s 2 r 变换中的电流变换关系 武汉理1 ：大学硕十学位论文 由图2 4 可以看出它们之问电流存在如下关系： ： ：_ c o s 啪o s 哪i no 仙 i 。 倍4 ， 2 4s v p w m 控制技术 在异步电机矢量控制系统中，通常采用三相电压型逆变器为电动机提供经 过调制的p w m 电压，其工作结构图如图2 - 5 所示。三相电压型逆变器的被一个 桥壁上、下各有一个开关器件，共由六个功率开关器件组成( 任意时刻，开关 状态必须是3 个开通、3 个关断；同一桥壁上的两个开关不能同时导通，而是 由互补的驱动信号控制) 。从图2 - 5 可以看出，通过控制逆变器桥上6 个功率开 关的状态就可以改变交流异步电机上相应的相电压和相电流。 图2 - 5 三相电压型逆变器电路 假如我们设定：逆变器桥上面的一个晶体开关管开时( 即a 、b 或c ) 为l 时，而逆变器桥下面的开关管被关闭( 即a 、b 或c ) 为0 ；反之，若逆变器 桥上面的一个晶体开关管关时( 即a 、b 或c ) 为0 ，则逆变器桥下面的开关管 被打开( 即a 、b 或c 为) l ：则我们就能够确定开关矢量【口，b ，c 】7 ，在本系统 中三组开关共有8 组状态组合n 2 ”。 表2 - 1 丌关状态组合 状态 0l234567 a 0 o 0oll1l b00l10ol 1 c 0lo1o1o1 9 武汉理i ：人学硕士学何论文 我们用向量【，吃，吃r 来表示逆变桥输出的线电压矢量，由于系统所用异 电压矢量 圪，圪，屹】r 。假定：开关变量矢量可以表示为【口，b ，c 】r ，则它们三者之 篷 = 吃 三： 三 c 2 5 ， 毳 = 吾 三三； 三 c 2 6 ， 用v o ( 即q ) 和巧( d l 。) 来表示，又称这两种开关模式为零状态，对应的基 表2 2 基本电压矢量及其对应相电压、线电压 cba 圪矗 欠量 o000000o0 q 00l 2 3一3一3吃 0 一吃 o l 0 一32 3一3一屹 0 u 2 0 0ll 3v k | 32 3 0 一 1o0 一3一32 3 0 一吃吃己，2 4 0 1ol 吃32 33一吃 0 u ll o 一2 33v t c | 3一 0 u 8 0 lllooooo 0 q i i l o 武汉理工大学硕士学位论文 在表2 2 中、表示输出的相电压，匕口、吃表示输出的线 电压。 经过c l a r k e 变换，静止坐标系仅一6 坐标系中0 【轴、b 轴电压分量与输出的 三相定子对应的电压空i 、日j 矢量可以由下面的方程表示。 阱詈 l一!一1 22 o 鱼一鱼 22 ( 2 - 7 ) 由于逆变器中功率丌关状态的组合一共有只有8 个，则对应的丌关矢量 口，b ，c 】r ，在0 【一1 3 静止坐标系中的匕，也只有8 种组合，、是空间矢 量分解得到的子轴分量，他们他们对应的关系如表2 - 3 所列。表中，圪口被 称为基本空间矢量的0 c 、p 轴分量n 剐n 引，每个基本空间矢量与开关组合( c ，b ，a ) 相对应，例如( c ，b ，a ) = 0 11 ，表示此时的空间矢量为。 表2 3 开关状态与空间矢量、( 0 【、p ) 子轴分量的对应关系 abc 吃 欠量 00o0o q 001 一3一3u 2 o ol0 一屹3y d c | 丽u 2 0 0 l1 2 吃3 o u 8 0 l00 2 吃3 o 1o1 3一y d c 哺虬 ll0 历y d c 嘶 lll 0 0 q 由功率开关组合所形成的8 个基本的空间矢量把a d 坐标系分成了6 个区 域，每个区域称为一个扇区，并标有对应的号码。如图2 - 6 所示。 武汉理 = 大学硕十学位论文 l 吧l + q 图2 - 6 基本空间矢量与对应的开关矢量( a ，b ，c ) 2 4 1s v p w m 的数字化 由前面介绍可以知道，s v p w m 技术的核心是利用若干个与基本电压矢量对 应的开关矢量去逼近给定的定子参考电压矢量u 村，再用u 。，去合成更多的有 效矢量。在一个p w m 周期中，有效矢量越多说明采样的频率越高，输出地波形 也就越接近标准正弦波。这八个电压矢量就称为基本空间电压矢量，六个非零 矢量把两相静止0 c b 坐标系分成6 个扇区，分别标为i 一。 假定，定子参考电压矢量u 耐超前o c 轴3 0 0 ，且u 村在第一扇区。图2 7 表 示出了u 。、u 疗、砜和的对应关系。 图2 7 、u 口、和的对应关系图 上图2 7 中，吃表示基本电压矢量在0 【轴上的分量之和，k 声表示基 本电压矢量在p 轴上的分量之和，结合表2 - 3 可知基本空间矢量的幅值都为 1 2 武汉理r t 大学硕十学位论文 2 3 ，则有如下等式： 有上2 7 图可以看出参考电压矢量u 一位于基本空间矢量和所包围 的扇区中，因此u 可可以用u o 和两个这两个矢量来表示： 肛= 亭砜啐 9 ) l t = r o + 互+ 五 咿黜s m 6 0 u 沿 虬= 争| + 拿i i c o s 6 0 。 从前面的表述中不难看出，所有的基本空i 训矢量的幅值都为2 3 。如果 他们取相对于最大的相电压3 ( 最大的线电压为，则最大的相电压为 ；) 的标么值，则空间矢量的幅值变为2 ；，即经过归一化后的空间矢 量的幅值为l i = i l = 2 3 ，代入上( 2 1 0 ) 式可得n 7 1 ： r7 1 一 互2 量( 3 一)( 2 - 1 1 ) 【五= 7 在式( 2 11 ) 中，u 口和u 表示矢量相对于最大的相电压3 归一化 后( 即取标值) 后的0 【、p 轴分量，r o = r - r , 一五表示的是零矢量在周期内的作 用时间。取石、五与周期t 的相对值有如下等式。 f 。：互：3 u , ) - u p 1 t2 ( 2 1 2 ) f 2 争川 矢量【，可位于被基本空间电压矢量和所包围的扇区( 即扇区0 ) ，则可 得= 一z ，f 2 - x ；同理，当u 一位于被其他的空间电压矢量所包含的扇区中 1 3 2 i i ，出一仄) 专 + 熊i _ 3 争吩 武汉理工大学硕十学位论文 时，相应的f 。和t 2 也可以用x ，y 或z 表示，它们的对应关系如表2 4 所示。 表2 4 、乞与x 、y 、z 的对应关系 。磷 u 如mu ：。u 2 0 u 8 0u 。叱4 0 以虬。虬 f i zzx- x- yy t 2 x y- yz - z- x 现在定义3 个变量：a ，b ，c 。如果。 o ，则a = 1 ，否则a = o ；如果： 0 ， 则b = l ，否则b = o ；如果3 o ，则c = 1 ，否则c = 0 。另设= 4 c + 2 枣b + a ， 所以可以得出n 与扇区号s e c t o r 的对应关系n 8 1 9 1 。 表2 - 5n 与扇区号s e c t o r 的对应关系表 n3l5462 s e c t o ri i ii i i v 2 4 2 扇区切换点的计算 系统的p w m 波形采用的是由两对相对称的非零矢量和三段零矢量组成的七 段式s v p w m 波形啪2 门恤1 ；在波形的开始、结束及中间部分为零矢量，其他部分 为非零矢量即为主矢量和辅助矢量；在p w m 波形中零矢量的作用时间是相同的 乜引。图2 8 给出了p w m 波在第1 扇区和第1 i 扇区的波形图。 1 4 武汉理一f 大学硕士学位论文 0 0 01 0 0l l o1 l l1 1 01 0 0o o o 第1 扇区 图2 8s v p w m 波形图 l 广| |i u oi | u ：；u ，| u ：；u ，| 0 0 0 0 1 0l l ol l l1 1 00 1 0 0 0 0 第1 i 扇区 我们用耳删表示d s p 周期寄存器的值，用t c m l 、t c m 2 、t c m 3 表示控制三 相负载占空比的比较器，用t a 、t b 、t c 表示空间矢量的导通时间；另外，上节 中的三个辅助变量x 、y 、z 也做相应变换，均用系统d s p 的定时器作为计时标 准。 因为耳聊 = t 2 ，且比较寄存器的值为： 荨= 半、t 0 4 坼”+ t , 2 吲2 ，所以可以得到以下表达式： t a ：墨业二王：里 2 t b = t a + 正 ( 2 1 3 ) t c = 两+ t 2 5 转子磁链位置的算法 在异步电机矢量控制系统中，坐标变换的基础是转子磁链的准确观测，没 有它就不可能进行p a r k 变换及逆变换，而且转子磁链还关系到能否实现磁场的 定向和磁链的闭环控制，因此，寻找一种能够获得转子磁链位置和大小的方法 至关重要。一般来讲，转子磁链的检测方法分为直接检测法和间接检测法。 z 武汉理1 j 大学硕十学位论文 直接检测磁通的方法有两种：一是，在电机槽内埋设探测线圈或磁敏元件来检 测磁通；二是，利用贴在定子内表面的霍尔片或者其他电磁元件来检测磁通。 从理论上来讲这种方法是比较可行和准确，但是在工程应用中，由于制造工艺 和技术原因，特别是由于齿槽的影响，使检测到的磁通信号脉动比较大，使得 直接检测法在实际中基本没有应用的可能。因而大多采用的是间接磁链观测的 方法，即利用测到的定子电压、电流或转速，借助于异步电机的数学模型，计 算转子磁链的幅值和空间位置角度。 常见的间接转子磁链检测方法主要有电流型转子磁链模型法、电压型转子 磁链模型法、有限补偿的改进电压型转子磁链模型法和并联式双模型转子磁链 模型法等。在本系统的设计中，采用的是混合式转子磁链模型。它是借助于开 环观测模型中组合模型法的思想，有电压模型和电流模型组成的；这种模型的 工作方式为：电机在低速运行时，系统只需要电流模型来计算转子磁链，电机 在高速运行时，系统使用电压模型计算转子磁链，其中规定：电机转速小于额 定转速的1 0 为低速运行；电机转速大于额定转速的1 0 为高速运行状态。 2 5 1 电流型转子磁链模型 电流型转子磁链模型法是根据异步电机的定子电流和电机转速检测值来计 算异步电动机的转子磁链。电流型转子磁链模型法本质上是转子磁链丌环系统， 虽然可以实现在异步电动机全速范围内应用，但是电流模型用到了电机转速， 不利于采用无速度传感器技术，另外还用到了转子时变参数使得计算出的转子 磁链波动较大船1 绷。 两相静止坐标系0 【一p 中的仅轴与三相绕组中的a 相绕组的轴线重合，p 轴超 前o c 轴9 0 度角，方向沿旋转磁场方向，再取同步旋转是的角速度为零，可以得 到以下两个方程： ( 1 ) 转子电压方程： j 0 2 p l f f m + q + 母t ( 2 - 1 4 ) 1 0 = 一缈。+ p 印+ b 如 ( 2 ) 磁链方程： m 2 t t + 厶乙 ( 2 - 1 5 ) r b = l r i r b + l s b 1 6 武汉理t 大学硕十学位论文 即可得到电流型转子磁链模型法下的转子磁链观测器表达式： 5 晦乙一争一圳衍 5 睁圹等七嘲潮t 由此可以计算出转子磁链的幅值及转子磁链与仅轴之间的央角： 炸= 厩 9 ：矿堕 杪。 2 5 2 电压型转子磁链模型 ( 2 - 1 7 ) 电压型转子磁链模型主要是通过3 s 2 s 变换把检测到的定子电流、电压转 换为两相静止0 c p 坐标系下的虬、u 、乙、0 值，然后利用矢量分析器得到 转子磁链的幅值和空间位置角。 两相静止坐标系仅一p 中的仅轴与三相绕组中的a 相绕组的轴线重合，b 轴超 前a 轴9 0 度角，方向沿旋转磁场方向，再取同步旋转是的角速度为零，可以得 到以下两个方程： ( 1 ) 定子电压方程： 叱= 足乞+ 丘p 乙+ l , n p i , o ( 2 - 1 8 ) u5 8 = r 3 s p 七l s p s b + l m p t r 6 ( 2 ) 磁链方程： 缈m = t 乙+ 乙乙( 2 1 9 ) wr b = l j r 8q - l m i s b 可以推导出电压型转子磁链模型表达式： ”等”c r 毗眺础 浯2 。) 2 等心叱+ 心啦降 最后，可以求出转子磁链矢量妒，和磁通位置角口。 1 7 武汉理下大学硕十学位论文 第3 章基于t m s 3 2 0 f 2 81 2 的矢量控制系统硬件设计 3 1 系统硬件设计总体框图 在本系统的设计中，为了减少强电系统对软挚部分的强磁、噪音等不良影 响，硬件系统在功能上分成两个大的相对独立的部分，即：弱电部分和强电部 分；这两部分中间通过不同的接口单元连接和光耦隔离电路，把不同的控制策 略和不同的功率容量进行便捷的分割组合，使得系统的硬件设计也实现了部分 的模块化，方便了硬件试验平台的部分重复利用，很大程度上减少了系统因强 磁干扰产生的不可控性，另外也有利于实现由实验产品向实际的产品转化。 图3 - 1 系统原理总框图 本系统的强电主电路采用交一直一交电压型变频电路。首先从电网引出三 相完全对称交流电源经过三相不可控整流电路，得到直流电，再通过滤波电容 组的整理，出来的平滑直流电进入由i p m 智能功率模块组成的逆变单元，得到 系统要求的三相交流电送给异步电机。上述就是系统主电路工作流程，下面说 明系统弱电部分；它包括以t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 d s p 为核心控制电路，光电隔离电路、 1 8 武汉理j i ：人学硕十学何论文 滤波采样电路、光电编码测速电路、外设及保护模块电路等组成；另外系统还 有开关电源电路等辅助电路。另外还有键盘控制及于上位机通信电路，这就构 成功能齐全的数字化异步电机矢量控制系统他刀1 。 由图3 - 1 可以看出，该系统是一个有电流、电压和速度反馈环组成的闭环 控制系统，d s p 控制器把各采样电路采集各相电流、电压进行a d 转换操作， 再运用矢量控制算法等一系列操作，最后把d s p 产生的p 1 ；i m 信号送给光耦隔离 驱动电路后，从而控制智能逆变电路的功率器件的丌通与断开，使整流的直流 电转换为三相交流电源带动交流电机的运转汹1 。另外，开关电源电路负责d s p 芯片、光耦隔离模块等系统低压电源供电；上位机与d s p 控制器的通讯能使系 统及时做出规定动作；键盘部分负责系统d s p 系统的关断复位等。 3 2 电机控制芯片t m s 3 2 0 f 2 8 12 现代的d s p 芯片内部一般采用哈佛或者改进的哈佛结构，也就是我们说的 程序存储空间和数据存储空间分离，从而使得数据总线和地址总线相应分离。 哈佛结构允许c p u 同时访问程序指令和数据，使得取指令和取数据可以同时发 生，极大地提高了系统运算速度和数据吞吐率。鉴于以上条件以及本系统实际 性能要求，本论文矢量控制系统选用的是美国t i 公司推出的在c 2 0 0 0 平台上发 展先进的3 2 位定点型d s p 芯片- t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t i 公司近年来推出的面向新一代数字电机控制( d m c ) 的3 2 位定点型数字信号处理器，采用的是增强型哈佛结构，拥有3 2 位数据地址和 2 2 位程序地址。它具有高速信号处理和数字控制所必需的体系结构特点，而且 有为电机控制应用提供单片解决方案所必需的外围设备。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 的特 占【3 0 j j ( 1 ) 采用高性能静态c m o s 技术，i 0 供电电压及f l a s h 编程电压为3 3 v ， 内核供电电压将为1 8 v 或1 9 v ，减小了控制器的功耗。1 5 0 m i s 的执 行速度使得指令周期减小的6 6 7 n s ，从而极大地提高了控制器的实时 控制性能。 ( 2 ) 内置密码保护机制，能有效防止人为因素干扰。 ( 3 ) 支持j t a g 接口，并且芯片集成了多种外设，有利于工程人员的应用。 ( 4 ) 芯片带有多达5 6 个独立编程的输入输出( g p i o ) 引脚，完全满足系 1 9 武汉理_ 1 ：人学硕十学位论文 统对电机调速控制系统的要求。 ( 5 ) 芯片还有丰富的接口，并且自身存储空i 日j 也比较大，能满足大数据量 的存储和运算。 ( 6 ) 两个事件管理器( e v a 、e v b ) 为电机和功率变换器的控制提供了很大 便利。 ( 7 ) 该芯片完全兼容市场上的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的指令系统，能很好的体现 其市场价值。 ( 8 ) 芯片内嵌基于自动锁相环技术的时钟发生器和程