（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的自适应模糊控制交流变频调速系统研究.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 本文着眼于模糊控制特别是自适应模糊控制方法在交流传动控制系统中的应用 研究。通过理论分析和仿真实验，探讨了模糊控制器各种不同参数和结构对系统控制 性能的影响，设计一种基于比例因子自调整的自适应模糊调节器。就该调节器对转子 电阻参数变化的适应能力做了仿真试验，仿真结果表明，在交流调速系统矢量控制的 基础上引入自适应模糊控制调节器，比常规的模糊控制调节器更好的适应电机的参数 变化，使在转子电阻变化的情况下，系统的性能依然保持良好。自适应模糊控制对系 统的调节作用是明显的，能使系统很快在平衡位置达到稳定，改善了系统的动态特性。 围绕实验室承担的北京市自然科学基金项目、北京市教育委员会科技发展委员会 发展计划重点项目：“非线性自适应逆控制的交流电动机变频调速系统研究”( 项目 编号：k z 2 0 0 4 1 0 0 0 5 0 0 5 ) 其中的变频器产品化设计，本人就课题进行了设计，其中 系统结构采用转差型矢量控制系统，控制电路采用t i 公司的1 6 位定点 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为控制核心，运用四点式采样法生成s p w m 。其中系统的主回路设 计包括：整流电路、滤波电路、逆变电路等。同时介绍了智能功率模块及其驱动电路、 泵升电路、故障保护电路。系统的控制回路设计包括仿真接1 2 1 电路、电流检测电路、 电压检测电路、速度检测电路，最后介绍了控制系统的软件结构，给出了详细的软件 流程图及实际测量的不同频率下驱动波形、电流波形。 最后在总结和研究正弦脉宽调制( s p w m ) 理论基础上，进行了脉宽调制法分析 设计和实验。由于自然采样法难于在实时控制中在线实现，而规则采样法的误差较大， 本文提出四点式不对称s p w m ，进行了采样点的确定及脉冲宽度的计算，并从抑制 谐波能力的角度理论上证明其优越性。将这种采样方法应用在上面做的变频调速系统 中，取得良好的效果。 关键词：s p w m 矢量控制自适应模糊控制 北方工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rt b c u s e so nt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ff u z z yc o n t r o lm e t h o d s e l f - a d a p t i v ef u z z y c o n t r o lm e t h o dw a st e s t e di na cd r i v i n gc o n t r o ls y s t e ma n df o u n das a t i s f a c t o r y b yt h e o r e t i ca n a l y s i s a n ds i m u l a t i o n s ，t h ei n f l u e n c e so fv a r i o u sp a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r e so ff u z z yc o n t r o l l e rt os y s t e m p e r f o r m a n c ea r ed i s c u s s e d ，a n das e l f - a d a p t i v ef u z z yc o n t r o lm e t h o db a s e do ns e l f - a d j u s t i n go fo u t p n t s c a l i n gf a c t o ri sd e s i g n e d a n dt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a t i o ni sd o n et o t e s tt h ea d a p t a b i l i t yo ft h e a d j u s t o rt ot h ep a r a m e t e r sc h a n g eo fr o t o rr e s i s t a n c e t h er e s u l ts h o w st h a ts e l f - a d a p t i v ef u z z yc o n t r o l h a sb e t t e rs t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e st h a nr o u t i n ef u z z yc o n t r 0 1 t h ea u t h o rc a r r i e so nt h ed e s i g nt ot h et o p i c ，i nw h i c ht h es p e e d - d i f f e r e n c ev e c t o re o n t r o ls y s t e mi s a d o p t e da st h es y s t e ms t r u c t u r e ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai sa d o p t e da st h ec o r eo fc o n t r o lc i r c u i t , af o u r - d o t s a m p l em e t h o di su s e dt oc r e a t et h es p w m t h em a i nl o o po f t h es y s t e mi n c l u d e sc o m m u t a t ec i r c u i t , f i l t e rc i m u i t ，i n v e a e rc i r c u i t e t e s i m u l t a n e i t y , t h ei p ma n di t sd r i v i n gc i r c u i ta sw e l la ss e l f - p r o t e c t c i r c u i ta r ei n t r o d u c e d c o n t r o ll o o po ft h es y s t e mi n c l u d e ss i m u l a t i n gi n t e r f a c ec i r c u i t , v o l t a g ea n d c u r r e n t - m e a s u r e dc i r c u i ta sw e l la ss p e e d - a c q u i r i n gc i r c u i t a tl a s t , t h es o f t w a r ef a m eo ft h ec o n t r o l s y s t e mi si n t r o d u c e da n dt h ef l o wc h a r ti sg i v e n t h ed r i v ea n dc u r r e n tw a v e si nd i f f e r e n tf r e q u e n c y s h o wt h es y s t e mw o r kw e l l f i n a l l y ，t h ed e s i g na n de x p e r i m e n to f t h es p w m h a sb e e np r o c e s s e do nt h eb a s i so f s u m m a r i z i n g a n dr e s e a r c h i n gt h et h e o r yo fs p w m ( s i n ep u l s e w i d t hm o d u l m i o n ) b e c a u s eo ft h en a t u r a ls a m p l i n g m e t h o di sd i f f i c u l tt or e a l i z ei nt h er e a l - t i m ec o n t r o ls y s t e m ，a n dt h er e g u l a rs a m p l i n gm e t h o di se a s yt o p r o d u c et h el a r g e re r r o r s ，af o u r - d o ts a m p l i n gm e t h o do fs p w mw i t ha s y m m e t r i c a lr u l e sh a sb e e n p r e s e n t e d i tm a k e st h eg e n e r a t i o nt i m ea n dp u l s ew i d t hc l o s et ot h en a t u r es a m p l i n gm e t h o d t h e p r i n c i p l eo ft h i sm e t h o da n dh a r m o n i ca n a l y s i sa r ee x p l a i n e d t h ec o n t r o le f f e c ti sm u c hb e t t e rb y a d o p t i n gt h i sm e t h o di nt h ea b o v ef r e q u e n c yc o n v e r s i o na n dt i m i n gs y s t e m k e y w o r d s ：s p w m , v e c t o rc o n t r o l ，s e r f - a d a p t i v ef u z z yc o n t r o l i i i 独创性声明 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。据我所知，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韭友王些太堂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。 学位论文作者签名融军签字日期：a 叮d 6 年岁月3 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j e 左王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅。本人 授权韭友王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) ， 靴做储戤缸军导师馘：琴班 签字日期盆6 年堂月3 口日签字日期：u 年歹月7 c ，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：制坝桕稠蝴串话：膨，强留盼 通讯地址： 邮编： 北方工业大学硕士学位论文 1 1 电力电子技术发展 第一章绪论 交流变频调速技术是建立在电力电子技术基础上的【1 l ，变频器随着逆变器件的发 展而发展。逆变器件朝着耐高压、电流大、调制频率高及集成度高的方向发展。2 0 世纪5 0 年代出现硅晶闸管s c r ，6 0 年代出现门极可关晶闸管g t o ，7 0 年代出现巨 型晶体管g t r ( 也称b j t ) 和功率场效应晶体管m o s f e t ，8 0 年代相继出现绝缘栅 双极型晶体管i g b t 和绝缘栅双极型门控晶闸管i g c t ，9 0 年代出现智能功率模块 i p m 。 g t o 是高电压大电流全控型功率器件【2 】，容量大，但关断能耗大；g t r 是电流驱 动器件，通态压降低，容量没有g t o 大，但功耗大，调制频率不高，噪声大，现趋 于淘汰中。m o s f e t 是电压型驱动器件，开关频率高，驱动功率小，安全工作区广， 但耐压不高：而i g b t 集g t r 和m o s f e t 的优点之一。p m 是先进的混合集成功率 器件，由高速低耗的i g b t 和优化的门极驱动及保护电路构成，有电流传感器功能的 i g b t ，能连续监控功率器件电流，从而实现高效的过电流保护。由于i p m 集成了过 电流保护电路和锁定保护电路，系统可靠性等到进一步提高。 i g b t 作为第二代的电力电子器件，它的应用使变频器的性能有了很犬的提高， 主要表现为：i j l 1 ) 发热减少，将曾占主回路发热5 0 7 0 的器件发热降低了3 0 2 ) 高载波控制，使输出电流波形有明显改善 3 ) 提高开关频率，实现了电机运行的静音化； 4 ) 驱动功率减少，体积趋于更小： 智能功率模块( i p m ) 是向第四代器件功率集成电路( p c ) 的过渡产品，是微电子技 术和电力电子技术相结合的产物。它不但提供一定功率输出能力，而且具有逻辑、控 制、传感、检测、保护和自诊断等功能。i p m 具有以下特点： 1 ) 开关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单； 2 ) 采用了隔离技术，散热更均匀，体积更加紧凑； 3 ) 集成度高，它集成了驱动电路、保护电路甚至光祸，大大缩短开发时间： 4 ) 内含电流传感器，可以高效迅速地检测出过电流和短路电流，能对功率芯片 给予足够的保护，故障率大大降低： 5 ) 保护功能丰富，如电流保护、电压保护、温度保护等一应俱全，实现了号处 北方工业大学硕士学位论文 理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，既减小了体积、减轻了重量，又 提高了可靠性； 6 ) 由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化，所以浪涌电 压，门极振荡，噪声引起的干扰等问题能有效得到控制； 很高的性能价格比，i p m 的售价已逐渐接近i g b t ，而采用i p m 后的开关电 源容量、驱动功率容量的减小和器件的节省以及综合性能提高等因素，后在 许多场合其性价比己高过i g b t ，有很好的经济性。 目前i p m 己经在工业变频器( 中、小功率) 中被大量采用，随着技术的不断改进， i p m 的功率也越来越大。同时经济型的i p m 在近年内也开始在一些民用品如家用空 调交频器，冰箱变频器、洗衣机变频器中得到应用。d m 也在向更高的水平发展，日 本三菱电机最近开发的专用智能模块a s 邛m 将不需要外接光藕，通过内部自举电路 可单电源供电并采用了低电感的封装技术，在实现系统小型化、专用化、高性能、低 成本方面又推进了一步。 1 2 数字信号处理器( d s p ) 简介 数字信号处理器( d s p ) 是一种高速专用微处理器，运算功能强大，能实现高速 输入和高速率传输数据。【4 】它专门处理以运算为主且不允许延迟的实时信号，可高速 进项快速傅里叶变换运算。它包含灵活可变的i o 接口和片内i o 管理，高速并行数 据处理算法的优化指令集。数字信号处理器的精度高，可靠性好，其先进的品质与性 能可为电机控制提供高效可靠的平台。口1 数字信号处理器保持了微处理器自成系统的 特点，又具有优于通用微处理器对数字信号处理的运算能力。数字信号处理器为完成 信号的实时处理，采用了改进的哈佛结构。程序和数据存储器相隔离，双独立总线， 在确保运算速度的前提下，还提供程序总线和数据总线之间的总线数据交换器，以间 接实现冯诺依曼结构的一些功能，提高系统灵活性。数字信号处理器中专门设置了乘 法累加器结构，从硬件上实现了乘法器和累加器的并行工作，可在单指令周期内完成 一次乘法并将乘积求和的运算，这是数字信号处理器区别于其他通用微处理器的主要 特征，也是实现实时数字信号处理的必要部件。【6 j 概括起来，d s p 芯片一般具有以下主要特点：1 7 j 1 ) 在一个指令周期内能完成一次成法和一次加法。 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线同时访问两块不同域。 北方工业大学硕士学位论文 4 ) 具有抵开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持。 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 7 ) 可以并行执行多个操作。 8 ) 支持流水线操作，使其指令、译码和执行等操作可以重叠执行。 由于具有以上特点，数字信号处理器在交流电机数字控制领域得到了极为广泛的 应用。其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理及控制、观测算法。 目前，d s p 芯片的重要供应商包括美国的德州仪器公司( t i ) ，a d 公司和m o t o r o l a 公司等。其中t i 公司的d s p 芯片约占世界d s p 芯片市场的5 0 。1 9 9 7 年1 1 公司 推出了用于电机控制的t m s 3 2 0 c 2 4 x 熟悉信号处理芯片，这一高集成化的器件代表 了传统微处理器及通用d s p 处理器方案的重大突破，使容易制造的交流电机的直接 驱动及调速控制成为可能。c 2 4 x 具有实时预算能力，并集成了电机控制外围部件， 使设计者只需要外加较少的硬件设备，即可构成最小目标控制系统，从而可以降循系 统费用及产品成本。 s l t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是t i 公司生产的针对电机控制设计的d s p 处理器，是c 2 4 x 系列的最新产品，其主要特点包括：高速运算( 4 0 m i p s ) ；丰富的片内存储器( 3 2 k f l a s h ) ；集成电机控制外设( e v a 、e v b ) 和通讯模块等。本系统选择t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为核心控制芯片，利用其丰富的针对电机控制设计的片内外设可以大大简化为圄电 路。【9 】 1 3 脉宽调制技术 p w m 控制技术一直是变频技术的核心技术之一。从最初采用模拟电路完成三角 调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制s p w m 信号以控制功率器件的开关开 始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的p w m 信号输出，可以说直到 目前为止，p w m 在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。由于p w m 可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，由此在交流传动乃至其它能量变换系统中 得到广泛应用。 p w m 控制技术大致可以分为三类，正弦p w m ( 包括电压，电流或磁通的正弦为 目标的各种p w m 方案，多重p w m 也应归于此类) ，优化p w m 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 北方工业大学硕士学位论文 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虽小以及其它特定优 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大大削弱。正因为如此，即使在i g b t 己被广 泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机p w m 仍然有其特殊 的价值( 直接转矩控制即为一例) ；另一方面则告诉人们消除机械和电磁噪音的最佳方 法不是盲目地提高工作频率，因为随机p w m 技术提供了一个分析、解决问题的全新 思路。 随着新型电力电子器件的不断涌现以及微电子技术的不断发展，p w m 变频技术 也获得了飞速发展，目前主要常用有两种形式：基于正弦波对三角波脉宽调制的 s p w m 控制、电压空间矢量s v p w m 控制。 1 3 1s p b r m 调制技术 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( 三角波的负蜂值或正峰值) 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。 1 3 2 电压空间矢量s v p w m 磁通正弦p w m ( 即电压空间矢量p w m ) 和电压正弦p w m 不同，他是从电机 的角度出发的，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场，即正弦磁通。 1 2 2 0 1 它以三相对称正弦波电压供电时交流电机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关 模式所产生的实际磁通去逼近基准圆形磁通，并由他们比较的结果决定逆变器各个桥 臂的开关状态，形成p w m 波形。由于该控制方法将逆变器和电机看作一个整体来处 理，所以模型简单，便于微处理器进行实时控制，并具有转矩脉动小，噪声低，电压 利用率高的优点，因此目前不论在开环调速系统或闭环控制系统中均得到广泛应用。 4 北方工业大学硕士学位论文 1 4 交流电动机控制技术数字控制技术 交流变压交频技术是一种转差功率小变高效型调速技术，它是现代交流调速的主 要控制方法，自2 0 世纪6 0 年代获得突破性进展以来，一直受到人们的高度重视。交 流变压变频技术按其控制方式可简单分为：v f f 恒定正弦脉宽调匍j ( s p w m ) 、电压空间 矢量( s v p w m ) 、矢量控制和直接转矩控制三代控制方式【5 】 交流电机是一个多变量、强耦合、非线性的被控对象，第1 、2 代的电压频率恒 定控制是从电机静态方程出发研究其控制特性，动态控制效果均小理想，第3 代的矢 量控制( v c ) 和直接转矩控制( d t c ) 能使交流传动系统获得与直流传动相似的静、动态 特性，但是对于交流电机这样一个特殊的被控对象，矢量控制存在转r 磁链难以准确 观测、矢量变换的复杂性和控制性能受电机参数变化影响的小足，直接转矩控制存在 转矩脉动较大的缺点。现代控制理论的各种控制方法为弥补这些不足提供了理论依 据，计算机用于实时控制后，使得现代控制理论中的各种控制方法得到应用，如最优 控制应用到p w m 开关的优化，减少开关损耗【6 】，智能控制能够适应交流电机的非线 性和参数的变化【7 8 1 ，卡尔曼滤波器和自适应控制能对转子磁链观测和进行转速估算 例【l ，这些先进的现代控制技术全而提高了系统性能。近几年智能控制应用于交流电 机调速非常火热，智能控制在提高控制系统的抗干扰能力，提高系统的鲁棱件捏高 系统动态性能、系统参数辨识等方而都有很大的发展潜力。【1 0 】 1 5 智能控制在交流调速系统中的应用 近年来，高性能智能化交流调速系统的研究和开发已引起了国内外的高度重视， 国外已成功开发出了智能化的通用变频器和高性能产品。交流电动机经过矢量坐标变 换后，可以得到与直流电动机相当的数学模型，采用p i d 控制可以取得基本满意的效 果。但实际中电机模型并非一成不变，电机本身的参数【】【1 2 】和拖动负载的参数在某 些应用场合经常会发生漂移：同时，交流电动机本质上还是一个非线性的被控对象。 控制对象的参数变化与非线性特，征【】，使得线性的定常的p i d 控制在交流伺服系统 的控制中常常顾此失彼、不尽人意。近年来，围绕着这些问题国内外专家进行了深入 的研究，提出了各种各样的解决方法，其中有基于电机磁场理论的磁场轨迹控制法1 1 4 j 、 直接转矩控制法【1 5 ，有基于现代控制理论的模型参考自适应控n t l 6 】【1 7 】。这些方法系 统性能获得改善，但它们仍然是建立在对象的精确数学模型的基础上，有的需要大量 的传感器、观测器因而结构复杂，有的甚至还无法摆脱非线性电机参数变化的影响。 并且这些方法对负载的适应能力差，抗干扰能力弱和受系统参数变化影响大。 1 8 1 于是 随着近年来智能控制方法的发展，许多学者开始将智能控制引入交流调速系统的控 制，用于克服这些缺点。智能控制无需对象的精确模型，目前本身具有非线性、变结 北方工业大学硕士学位论文 构、自学习等特点，从而可以有效地克服交流伺服系统中的变参数和非线性因素的影 响，提高系统的性能。 在交流调速系统中应用智能控制时，也不能完全摒弃传统的控制方法，必须将两 者很好地结合起来，才能彼此取长补短，使系统的性能达到最优。 6 北方工业大学硕士学位论文 第二章异步电动机矢量控制系统原理 任何调速系统的任务都是控制和调节电动机的转速，然而，转速是通过转矩来改 变的，因此，对转矩的控制是电机控制的实质和关键。 电动机的转矩转速特性( 调速过程中的动力学方程) t t l d _ d t e ( 2 - 1 ) 式中，t e 为电动机的电磁转矩：t i 为负载转矩；j 为转动惯量；n 为电机的转速。 由电机的统一理论，任何电动机产生电磁转矩的原理，在本质上都是电动机内部 两个磁场相互作用的结果，因此各种电动机的电磁转矩具有统一的表达式 l ；号n ；中。e s i n 见2 号n ；巾。f r s i n s , ，。 。 6lj 式中，n 。为电机极对数；e 、f r 为电动机定、转子磁势矢量的模值：o 。为气隙 主磁通矢量的模值；馥、色为定子磁势空间矢量e 、转子空间磁势矢量1 1 分别与气 隙合成空间矢量e 之间的夹角。通常用电角度表示，即敏= u p 先。，q = n p 6 l n ，缸、 以为机械角；f 为气隙合成磁势空间矢量，当忽略铁损时与同轴同向。 在异步电机中，两个磁场相互作用产生电磁转矩。异步电机定子磁势e 、转子磁 势f r 及二者合成产生的气息磁势f z ( m 。) 均是以同步转速q 在空间旋转的矢量，三者 空间矢量关系如图。 f r 图2 - 1异步电机的磁势、磁通空间矢量图 对于异步电机，其转矩方程可以改写为 t = 秒2 一- 。叫。训= 。( 筹n 2 i r s i n w 垤m 。巾 c o s 饵 7 北方工业大学硕士学位论文 上式表明，异步电机的电磁转矩是气隙磁场和转子磁势相互作用的结果，而且受 转子功率因数角红的制约。 由于各变量之间的强耦合性，要分析和求解非线性方程组非常困难的，所以通常 需要采用坐标变换的方法加以改造，使数学模型简化成比较简单的等效的直流电动机 数学模型。 在确定电流变换矩阵时，因遵守变换前后所产生的旋转磁场等效原则；在确定电 压变换矩阵和阻抗变换矩阵时，应遵循变换前后电动机功率不变的原则。 2 1 矢量坐标变换原理、坐标变换币1 1 变换矩阵 2 1 1 矢量的坐标变换依据原则 1 ) 变换矩阵的确定原则 在确定电机的电流变换矩阵时，应该使得变换前后的旋转磁场等效，即变换前后 的电动机旋转磁场相同。 2 ) 功率不变原则 功率不变原则所体现的是在确定电压变换矩阵和阻抗变换矩阵时应该遵守变换 前后电机的功率不变的原则。 2 1 2 异步电动机的坐标系分类 异步电动机的坐标系主要有三种，它们是按照电机的实际情况来确定的。 1 ) 定子坐标系 三相异步电动机的定子坐标系为其三相绕组的轴线确定，为爿一b c 三相坐标 系，三相彼此互差1 2 0 。由于平面矢量可以用两相直角坐标系来描述，所以在定子坐 标系中又定义了一个两相直角坐标系球一口直角坐标系。其中，口与a 轴重合都是固 定在定子绕组a 相的轴线上。 2 ) 转子坐标系 与定子坐标系类似，转子坐标系也是由转子的三相绕组轴线口，b ，c 来确定的 口一b c 坐标系和d q 坐标系。其中，平面直角坐标系的d 轴位于转子轴线上，q 轴 超前d 轴9 0 ，且转子坐标系以转子的角速度魍旋转。 3 ) 同步旋转坐标系 同步旋转坐标系的m 轴固定在磁链矢量上，t 轴超前m 轴9 0 ，且坐标系同磁链矢 量一起在空间以角速度乱旋转。以上各坐标系之间的夹角定义为：定子轴口到磁链轴 m 之间的夹角为识，即磁链同步角，也叫磁场定向角：转子轴d 到磁链轴m 的夹角为仍， 北方工业大学硕士学位论文 即负载角：其为转子位置角五。 丑= 织一仍 2 1 3 坐标变换和变换矩阵 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 ) 。为达到坐标变化的目的，使异步电动机模型模拟成 为直流电动机模型，我们先将异步电动机模型从三相静止坐标系a b c 变换至两相静 止坐标系口一 二相一) 三相变换矩阵： c = 店卜 2 0 ：1 ： , 1 2 压1 2 压 4 3 1 2 压 三相一) 二相变换矩阵： c - i = c r ：厍 v3 1 1 1 22 o 巫一生 22 111 正砸正 于是，三相一) 二相电流变换方程式为： i o = c 一1 i 即 针o 1 1 1 22 。笪一巫 22 11l 压压压 二相一) 三相电流变换方程式为 i c = c i o 9 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 巨 北方工业大学硕士学位论文 即 10 1压 2 2 1压 22 对于转子轴系( a - - b c = = d q ) ，以上的变换同样成立。 2 2 矢量旋转变换 2 2 1 定子轴系的矢量旋转变换 图2 - 2 旋转变换矢量关系 ( 2 7 ) 如图2 2 ，m 一丁轴系以同步角速度q 旋转，i n n m 轴与口轴夹角致= q f + ， 其中为任意初始角。在矢量变换控制系统中，纯通常称为磁通定向角，也叫磁场 定向角。由图2 2 ，可以得到 k = o c o s q 3 0s i n 口o , s b = “s i n o , + i dc o s 7 以 e 7 b ， t h h | f k 一 图5 - 2生成s p w m 波形的规则采样法 如图5 - 2 所示，它固定在三角波每一周期的负峰值时找到正弦波上的对应点e ， 并用此电压值对三角波进行采样，确定s p w m 波形中脉冲的生成时刻。 北方工业大学硕士学位论文 如图所示，可求得s p w m 脉冲宽度。和间隙时间锄 。= + = 扣删叫 o = + 岛= 瓦一o ( 5 - 3 ) ( 5 4 ) 咀一盯 ( 5 5 ) 规则采样法所生成的s p w m 波形的每一个脉冲都与三角波的中性线对称，且每 一个周期的采样时刻都是确定的，它所产生的s p w m 脉冲宽度和位置都是可预先计 算的，便于实时控制吲采样点a 和b 与实际相交点有偏差，当采样时刻e 位于正弦波幅 值处时，采样电压水平线于三角载波的交点都将处于正弦调制波的同一侧，从而带来更 大的误差 5 2 四点式不对称规则s p w m 采样 5 2 1 四点式不对称规则s p w m 的采样点确定 为保留规则采样法所生成s p w m 波形与三角波中心线的对称性，脉冲宽度可预先 计算等优点，且进一步改善规则采样法，使采样法更接近于自然交点，提出四点式不对 称规则s p w m 采样方法。 仝a ) 武 兰甲 t , + ms i n 毗+ 肘s i n o d t 0 8 ( 5 - 1 2 ) o = 乏一t o = r e ( 4 一m s i n c o t o m s i n o t l 一m s i n c 一肘s i n m r 3 ) 8 ( 5 - 1 3 ) 而且，可以递推出一个周期( 2 z ) 内第i 个脉冲的宽度及间隙时间： 0 ，= t a 4 + m s i n c o t o ，+ m s i n t , ，+ m s i n 国乞+ f s i i l 鹏，) 8 ( 5 1 4 ) 2 毛( 4 一m s i n c o t o ，一ms i n 嘶j m s i n o j t 2 f 一肘s i n 毗，) 8 ( 5 1 5 ) 2 ( 。一1 ) ( f = 1 ，2 ，- - ，n c m ) ( 5 1 6 ) 北方工业大学硕士学位论文 铲手+ ( f _ 1 ) 毛 铲孕+ ( f q ，= j 瑶 o = 1 2 ，) ( f = 1 2 。) ( f = 1 2 ，山) ( 5 一1 7 ) ( 5 - 1 8 ) ( 5 - 1 9 ) 因为正弦调制波的变化周期脚= 2 刀0 ，三角载波周期毛= i 再三了，则4 个采样时 4 。c m j m 刻的角度分别为： 2 卺”n 泞： 妒彘( 4 f - 3 ) ( 5 - 2 1 ) 2 彘- 1 ) ( 5 _ 2 2 ) 即老 睁。) 式中 丘一正弦调制波的变化频率 | o 一载波比 5 2 3 谐波分析 设一个正弦波周期内有山个脉冲，为了保证正负半周内以为州2 对称，为 奇数，且为3 的倍数。因为正弦调制波的变化周期脚= 2 x f u ，三角载波周期 毛2 丽1 ，定义c 点的时刻为2 ，则4 个采样时刻的角度分别为： 即彘- 3 ) ( 5 - 2 4 ) 印象( 2 f - 1 ) ( 5 2 5 ) 鹕，：鲁f ( 5 - 2 6 ) 鹕产瓦7 北方工业大学硕士学位论文 吣彘( 4 f “) p 2 7 ) 厶一正弦调制波的变化频率 n c m 一载波比 为了分析方便，假定导通时间、间隔时间都看成一个脉冲，则半个正弦波( 7 ) 内有| 山个脉冲。每个脉冲中心点所对应的角度： 版= 瓦2 k - 1 丌 ( 吼2 ) 每个脉冲宽度： ( 1 ) 规则采样法 儿2 毛”血彘似曲， ( k = 2 ，4 6 ，一1 ) ( 5 - 2 8 ) 轳薏 【1 “n 惫 1 ) 】+ 【1 “n 薏埘 ) 似1 3 ，5 ，7 t - ，) ( 5 - 2 9 ) ( 2 ) 四点式采样法 “2 彘附咖彘州删“n 薏棚+ s m 若“咖彘邶， ( k = 2 ，4 ，6 ，一1 ) 2 彘卜咖彘+ 驴咖惫c 孙驴如若卜咖惫w ( 后= 3 ，5 ，7 ，) ( 5 3 0 ) 输出电压中聆次谐波电压的幅值为： ，= 警 i + 静广1 c 酬展一劬 ( 5 - 3 1 ) = 孚【1 + 广s ( 屈一缈 ( 5 二3 2 ) 这样，各次谐波的幅值与基波幅值之比k 为 = ( 5 3 3 ) 为对比规则采样法和四点式算法的谐波抑制情况，分析区间定为0 7 ，分别将式 北方工业大学硕士学位论文 ( 5 - 2 9 ) 和式( 5 - 3 0 ) 代入式( 5 3 3 ) ，即得两种算法谐波计算公式。 计算时设肘= 1 ，取c h = 9 , 1 8 ，3 6 ，计算3 次到1 1 次谐波a 结果如表5 - 1 所示。 些。 表5 1 谐波次数规则采样法四点式采样法 n = 9n = 1 8n = 3 6 n = 9n = 1 8n = 3 6 3- 3 9 15 16 2 9- 3 9 35 1 7- 6 3 3 5- 7 0 9 - 9 4 8一1 1 8 9- 7 1 2- 9 4 8一1 1 8 9 7- i 0 0 31 3 5 7 - 1 6 5 2- l o o 9- 1 3 6 3- 1 6 5 8 9一1 2 2 7- 1 6 4 3- 1 8 2 51 2 3 81 6 8 5- 1 8 6 7 1 1- 7 7 6一1 6 2 41 6 8 3- 7 7 9- 1 6 5 7- 1 7 2 8 由表5 1 可见，采用四点式采样算法比采用规则采样法对谐波的抑制能力要强一 5 2 4 软件设计方法 在用程序计算脉宽时，要求事先知道s i n r o t 的数值，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的汇编语言 库文件中有计算正弦值的子程序，但是由于所需的计算量过于庞大，因此不适合在实 时控制算法中使用。本文中作者采用的程序是通过查表法实现对正弦值的求取。为此， 我们建立一个正弦函数表，由0 。开始，每隔1 。安排一项数据。由0 。至3 6 0 。，共3 6 1 项 数据。把它们存在d s p 的数据存储器中，存放位置及长度事先在c m d 文件中进行设 置。 下面给出了系统的程序流程图 6 0 北方工业大学硕士学位论文 共所有中盼i i 艰缎韧靖让i i 谪掰翦中断捧盘l l 帆糨莰栅船纯i l 启精定时嚣l i 井斑目中断l 5 3 5 实验结果 渊躐蝴蛔 0 致跫垒比较控制寄存器 a c m i 搜鬻矩嚣托镕i 奇存辫 d b i c o n a i 擞据箍皱比说鬻髑期舟存嚣 t i p r i 钷h 纯c 射豫i 。c m i p i u 、 c m p 瞄寄存鬻 硷嚣蛾撞控魏骞存嚣 c o m c o m 设累建l 寸控耐寄存嚣 t i c o n 囊精黻鳓照精! “， 1 0 l中鞭罐务子稷群 0 i 计葬角度悄i i l 计算斯豹咤较寄存嚣 c a i p r x ( x = i 鼬 谯 搬藩比较；# 存器蕊 匪麴 图5 - 4 四点式不对称规则s p w m 程序流程图 给出了单相s p w m 脉冲的实际波形。从图中可以看出s p w m 非常接近于正弦波。 6 1 北方工业大学硕士学位论文 i-： 0 “m “妊i 础l t h 娃娃m 搦n 址州 激黜雾臻一 # 1 震燃 i ! + ! p j ! ”! 幽2 0 0 m vm 臻二壁璺嘲a ic h l r 0 0 0 v 日匝瓯更弱 图5 - 55 0 h z 单相$ p m l 波形 4 量勘 gs , f2 0 0 5 o s ：4 9 ：0 6 臼匝匝甄飘 图5 _ 65 0 h z 单相s p 删波形( 放大) 画 9s 月2 0 0 5 0 5 ：s 0 ：1 4 北方工业大学硕士学位论文 第六章全文总结与展望 6 1 全文总结 本论文课题工作着眼于基于d s p 的模糊控制方法在交流传动控制系统中的应用 研究，主要完成了以下三方面工作： 1 ) 对模糊控制方法进行了较广泛和深入的理论研究及仿真实验，探讨了模糊控 制系统中量化、比例因子对系统控制性能的影响；在分析比较多种自适应模 糊控制方法优缺点的基础上，提出了一种基于比例因子自调整的自适应模糊 控制方法。比例因子的调整根据不同的系统特点，按照误差和误差的变化， 或系统性能指标进行；比传统的仅基于系统误差的自调整方法更符合系统响 应特性，可获得更好的动静态控制性能。 2 ) 本文选取t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片作为数字控制系统的控制核心，充分利用 其强大高速的运算处理能力及其片内集成的丰富的电机控制外围部件( 事件 管理器、p w m 产生电路、a d c 转换模块等) ，通过硬、软件较好的协同设计， 研制出了变频调速应用平台。硬件设计，包括d s p 为核心的控制电路部分、 整流滤波电路、口m 逆变电路、电压电流信号检测以及保护电路等。 3 ) 总结和研究正弦脉宽调制( s p w m ) 基础理论，分析了自然采样法、规则采 样法的优缺点，在此基础上提出四点式不对称s p w m 采样法，其采样时间 可预先计算，且采样误差小于规则采样法，更接近于自然采样法，故生成的 s p w m 波形更逼近正弦波，且谐波得到进一步的抑制。其计算工作量增加不 多，不影响实时计算。 6 2 展望 1 ) 系统提供了闭环控制时所有的硬件基础，但是由于时间关系，只做了开环情 况下的试验。 2 ) 模拟给定( 或频率给定) 在一定范围内波动，需要采取合适的数字滤波方法。 北方工业大学硕士学位论文 参考文献 f l j 李华德交流调速控制系统 2 川电子工业出版社，2 0 0 3 ，3 【2 】李永东交流电机数字控制系统机械工业出版社，2 0 0 2 ，4 【3 】彭鸿才电机原理及拖动机械工业出版社，1 9 9 4 ，7 【4 】林平一种基于d s p 的空间矢量的高效调制方法 j 电工技术杂志，2 0 0 2 年第5 期 嘲韩安太刘屹飞黄海d s p 控制器原理及其在运动控制系统中的应用北京：清华大 学出版，2 0 0 3 ：“5 - 1 5 0 ，2 7 6 3 0 0 同v l a d i m i rb l a s k o a n e wm a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o n t r 0 1 o f at l e e - p h a s ed c a c v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r i e e et r a n s p o w e r e l e c t r o n i c s ，1 9 9 7 ，1 2 ( 1 ) ：1 1 6 - 1 2 3 川l a c a b m r a , m l e l b u t u k ，i h u s a l n t u n i n gt h es t a t o rr e s i s t a n c eo f l n d u c f i o n t m o t o r su s i n ga r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k i e e et r a n o np o w e re l e c t r o n , 1 9 9 7 ，1 2 ( 5 ) ：7 7 9 7 8 7 嗍g e o r g em f u z z yl o g i cs e l v om o t o r c o n t r o lo nt h et e x a si n s t r u m e n t st m s 3 2 0