基于DSP28335和MATLAB在线编程V_F控制实现-自动化院毕业设计论文

西安理工大学本科生毕业设计（论文） 毕业设计（论文) 题 目 基于DSP28335和MATLAB 在线编程V/F控制实现 专 业 电气工程及其自动化 班 级 电气114 学 生 指导教师 王建渊 2015 年基于DSP28335和MATLAB在线编程V/F控制实现专业：电气工程及其自动化班级：电气114班作者：指导教师： 职称： 答辩日期：2015-07-01摘 要本课题是在熟悉掌握两电平PWM逆变器工作原理的基础上，在MATLAB仿真平台上搭建V/F控制策略进行仿真，研究自动代码生成，因此，可将本课题设计分为两大部分。第一，转速开环恒压频比控制系统的仿真研究。首先，恒压频比控制在改变输出频率和电压的同时保持磁通不变，实现电机在较大范围内的平滑调速运行。本文分别介绍了SPWM和SVPWM控制算法原理和仿真模型，并在Simulink平台上进行仿真，最后从输出转速、定子三相电流、磁链等方面对这两种控制算法进行对比分析，得出结论，SVPWM模式下的恒压频比控制系统性能更好。 第二，基于模型设计，即利用Embedded Coder提供的DMC库和IQmath库搭建可生成代码的V/F模型，然后进行模型校验和代码优化过程，检查无误后生成代码，最终将生成的代码下载到硬件平台上验证并带电机运行，最终实现异步电机的正反转以及加减速功能。 通过本文证明了基于模型设计的高质高效与经济性，今后可以更加广泛的应用到其他相关方向中，提高设计的质量和效率。关键词：SVPWM，V/F控制策略，自动生成代码，基于模型设计Abstract This thesis is based on the principle of mastering two level PWM inverter Simulation Research on the automatic code generation of V/F control strategy in MATLAB simulation platform, Therefore, this research can be divided into two parts. First ,The simulation of the constant voltage and frequency ratio control system of the speed open-loop. Firstly, as a kind of frequency conversion speed control method, Constant voltage ratio control at the same time to change the output frequency and voltage while keeping the flux unchanged, The realization of the motor in a wide range of smooth speed control operation. This paper introduced SPWM and SVPWM control algorithm and simulation model, and the simulation in the Simulink platform. Finally from the rotation speed and the stator current and flux of the two control algorithms are compared and analyzed, And Then concluded and SVPWM mode under the constant voltage and frequency ratio control system performance better some were introduced in this paper. Second, Model-based Design is using the embedded coder provides the DMC 9checking and code optimization, Check generation code , will eventually generate code downloaded to the hardware platform validation and with motor running, finally realize the asynchronous motor positive inversion and acceleration and deceleration function. Model-based Design with high quality and efficiency and economy.In the future, it can be applied to other related directions. Improve the quality and efficiency of the design.Keywords: SVPWM, V/F control strategy, Automatic generation code, Model-based Design目 录第1章 绪论1 1.1 研究的目的和意义1 1.2 国内外研究现状和意义1 1.2.1 基于模型设计的研究现状1 1.2.2 恒压频比控制系统的研究现状2 1.3 本文的主要研究内容3第2章 变频调速的原理及算法实现4 2.1 V/F控制原理 4 2.1.1 基频以下调速 4 2.1.2 基频以上调速 5 2.2 正弦脉冲宽度调制5 2.2.1 SPWM调制原理5 2.2.2 SPWM不对称规则采样的算法实现7 2.3 SPWM控制系统动态性能仿真结果及分析8 2.3.1 系统构成的原理9 2.3.2 基于MATLAB/Simulink的开环系统建模与仿真12 2.4 电压空间矢量脉宽调制19 2.4.1 SVPWM的原理19 2.4.2 SVPWM的算法20 2.4.3 SVPWM的Simulink仿真子模型20 2.4.4 SVPWM控制系统动态性能仿真结果与分析22 2.5 两种控制算法的对比分析30第3章 实时控制平台的仿真配置31 3.1 仿真环境参数设置31 3.2 目标板模块的设置311 3.3 DSP核心支持库32 3.3.1 ePWM模块32 3.3.2 DMC库34第4章 实时控制平台验证及应用实例35 4.1 SVPWM波在实时控制平台的实现35 4.1.1 SVPWM波离线仿真35 4.1.2 恒压频比离线仿真36 4.2 MATLAB自动生成代码37 4.2.1 代码优化37 4.2.2 模型检查Model Advisor38 4.3 代码的生成与运行结果38第5章 结论与展望40 5.1 结论40 5.2 展望40致谢41参考文献42附录441第1章 绪 论1.1 研究的目的和意义 随着数字信号处理技术和嵌入式技术的快速发展，数字信号处理芯片在电力电子与电力传动、自动化等多个领域中的应用越来越广泛。DSP芯片应用的不断增长以及应用系统复杂性的不断提高，要求DSP软件的规模和复杂性也不断提高。嵌入式DSP软件的开发过程步骤如下：首先在MATLAB/Simulink仿真平台上搭建模型验证算法，然后根据模型在C+编译环境下编写代码，经多次调试无误后下载到硬件平台上进行验证，由于无法从模型直接得到代码，且硬件与软件设计脱离，使开发人员工作量增加，效率降低1。而本文研究的基于模型设计可解决此问题，基于模型设计简而言之即在Simulink实时平台上搭建系统控制部分模型，MATLAB会与CCS自动连接生成可执行代码。基于模型设计突破了传统DSP开发模式，提高了效率，且简单明了。本次毕设是在熟练掌握两电平PWM逆变器工作原理的基础上，在MATLAB仿真平台上搭建V/F控制系统模型，对模型进行仿真并对比哪种控制算法更优，然后学习自动代码生成，自动代码生成器的作用是读取工程的元数据，按照指定的设计模式，混合产生出可执行代码。从生成代码质量、效率、抽象性等不同角度比较不同自动代码生成器的优缺点。并基于TI公司的TMS320F28335DSP控制器研究自动代码生成，将仿真结果结合TMS320F28335硬件平台进行试验验证。1.2 国内外研究现状和意义1.2.1 基于模型设计的研究现状图1-1为目前世界上对基于模型设计较为公认的“V”字形开发流程图。图1-1 基于模型设计的“V”开发流程整个“V”字形开发流程主要包含以下7个部分：(1)系统定义：在统一开发平台下对设计需求进行定义，从而避免需求理念理解上的偏差2。(2)仿真设计：在仿真平台上搭建模型，对模型进行分析，验证设计的可行性2。(3)快速原型：在实时仿真平台上搭建系统仿真模型的控制部分，仿真无误后转化为可执行代码下载到控制器中，连接实际的控制对象，以验证是否可以生成代码以及算法的正确性3。(4)自动代码生成：对模型进行配置，目标板配置应与硬件相结合，配置完成后利用自动代码生成工具，生成代码，并下载到实际的控制器中4,5。(5)硬件在环：通过实时仿真平台，将实际的控制器与虚拟的控制对象连接，以验证代码在芯片中运行的效率，并减少实际控制对象实验时可能产生的错误与损失6。(6)测试、标定：对硬件、模型以及代码各个方面的综合评测。(7)现场测试。 对于不同的应用软件和实际的硬件设备条件，具体流程与测试验证的步骤不尽相同，开发人员可以跳过某些测试验证的步骤，也可以在某一环节循环测试实验，完善设计中的细节7,8。1.2.2 恒压频比控制系统研究现状 图1-2给出了使用PWM控制交-直-交变频器恒压频比控制方式的系统框图。频率给定作为调节加减速的频率f的指令值，给定频率乘以适当比例作为定子电压u的指令值。该u的值和f的值之比就决定了u/f比值，由于电压和频率由同一给定值控制，因此可以保证压频比为恒定9。图1-2 采用恒压频比控制的变频调速系统框图 如果给电机直接加上一定电压会导致电动机启动电流过大对电机损坏较大，所以在给定频率之后加上给定积分器环节，相当于使频率缓升或缓降环节，频率f经电压及频率控制环节得到电压。此时，频率给定正负决定电机正反转，电压幅值大小决定电机转速，电压经PWM生成模块产生PWM波，PWM波经过驱动电路控制开关的通断，使变频器产生所需频率、相位和大小的三相交流电，从而控制交流异步电机的转向和转速9。1.3 本文主要研究内容本课题是在熟悉掌握两电平逆变器工作原理的基础上，在MATLAB仿真平台上搭建V/F控制模型，仿真难点在于用何种算法发出PWM，哪一种算法的性能更好一些，本文针对SPWM和SVPWM分别做了研究，并对两者仿真结果进行对比分析。仿真完成后学习如何自动生成代码，在Simulink实时平台上搭建控制模块，利用Embedded Corder搭建模型，在CCS中生成可执行代码，并将生成代码下载到TMS320F28335中，将仿真结果结合TMS320F28335硬件平台进行实验验证。47第2章 变频调速原理及算法实现2.1 V/F控制原理在电机调速时，我们常常需要考虑一个问题，希望保持电机中每极磁通量m不变10。三相交流异步电机每相电动势的有效值是9 (2-1)式中：气隙磁通为定子每相中感应电动势的有效值，单位为V； 定子频率，单位为Hz； 定子每相绕组串联匝数； 基波绕组系数； 每极气隙磁通量，单位为Wb。由上式可见，如果定子每相电动势的有效值Eg不变，改变定子频率时会出现下面两种情况：如果给定频率f大于电机的额定频率fn，由式(2-1)可知，气隙磁通m就会小于额定气隙磁通量mn，这时电机的铁芯没有得到充分利用，但是电机在机械条件允许情况下运行不会损坏电机；如果给定频率f小于额定频率fn，同样由式(2-1)可知，此时气隙磁通m就会大于额定气隙磁通量mn，从而导致电机铁芯过饱和引起过大的励磁电流，励磁电流过大会引起绕组过热而损坏电机，所以，要实现变频调速，在不损坏电机的条件下还要充分利用铁芯，发挥电机转矩功能，应在变频时保持每极磁通量m为额定值不变10。2.1.1 基频以下调速由式(2-1)可知，要保持m不变，当f从而额定值向下调节时，需要同时降低E，使E/f=常数。当电动势的值较高时，定子绕组阻抗压降就可以忽略，U=E，则得U/f=常数，这就是恒压频比的控制方式。由于在基频以下调速时，保持磁通恒定，所以转矩T也基本恒定，根据电机学原理，基频以下转矩恒定称为“恒转矩调速”，基频以上功率恒定，称为“恒功率调速”，但是恒压频比控制有一个缺点，即在低频时，定子绕组阻抗压降不可忽略，这时可以采用定子电压补偿方式10。2.1.2 基频以上调速把基频以上和基频以下两种情况的控制特性画在一张图上，如图2-1所示。图2-1 异步电机变频调速控制特性2.2 正弦脉冲宽度调制2.2.1 电压SPWM调制原理SPWM是交流调速系统中经常使用的一种调制方式,其基本原理是将频率和幅值都可调节的正弦波用一串不等宽等幅的脉冲序列来等效，如图2-2所示。若是将一正弦波的正半波等分，则正弦半波可看作由n个等幅的脉冲组成，这些脉冲宽度相等幅值按正弦规律变化，将这些脉冲序列用同等数量的不等宽等幅的矩形脉冲代替，使得矩形脉冲的面积和相应正弦部分正好相等，则得到如图2-2所示的脉冲序列。像这种脉冲宽度按正弦规律变化并和正弦波形等效的PWM波形，称为SPWM波形11。a) 正弦正半波 b)等效的SPWM波形图2-2 正弦半波等效的等幅矩形脉冲序列若用SPWM波形作为逆变器的驱动信号来控制IGBT的导通或关断,那么逆变器在理想状态下也应该得到SPWM波形，通过改变SPWM波的占空比就可实现对变频器输出电压幅值大小的调节，通过调节调制波的周期数就可控制其输出频率的大小11，从而达到对逆变器的输出频率和电压幅值的调节，从而可以满足变频调速对频率与电压协调控制的要求以实现V/F控制。由于SPWM各脉冲幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，在本文中选用514V直流电源，另外，SPWM波形与正弦波等效，这样使负载电机可在近似正弦波的交变电压下运行，电磁转矩脉动较小，并且提高了系统的性能11。由于本课题的硬件控制对象为三相交流异步电机，所以在恒压频比仿真中选择三相桥式逆变电路，如图2-3所示，图中每个开关IGBT上反并联二极管。图2-3 三相桥式电压型逆变电路2.2.2 SPWM的数字控制 课题采用的是工程上常用的方法规则采样法，规则采样法与自然采样法相比，由于自然采样法求解困难，而规则采样法算法简单，误差较小，所以在此选用规则采样法。(1) 生成SPWM波的数学模型三角载波两个正峰值之间为一个采样周期Tc。在自然采样法中三角波负峰点不和脉冲中点重合。而自然采样法使三角波负峰点和脉冲中点重合，使得计算大为简化11。如图2-4所示确定A、B点，在tA和tB时刻控制开关器件的通断，这样规则采样法所得脉冲宽度与用自然采样法得到的非常接近。正弦调制信号波 (2-2)称为调制度，01，r为信号波角频率 (2-3) (2-4)图2-4 规则采样法原理由式(2-3)(2-4)得： (2-5) (2-6)2) 生成SPWM参数计算 由同步调制原理可知，载波比为常数可得SPWM脉冲的周期 (2-7) 由(2-4)式可知SPWM脉冲的脉宽与调制度成正比，而脉冲宽度又决定了SPWM脉冲序列的基波电压的幅值，即决定了变频器正弦电压的幅值。2.3 SPWM控制系统动态性能仿真结果及分析 以上第2.2节对变频器V/F调速方案进行了分析论证，本小节借助MATLAB/Simulink仿真平台，搭建V/F控制系统仿真模型，并进行仿真验证。2.3.1 系统构成的原理2.3.1.1 控制电路仿真模块的建立为了实现V/F的控制方式，根据SPWM波形成原理搭建了如图2-5所示控制电路模块。其工作原理是：给定频率经频率上升模块再经取整环节，通过V-F模块得到电压，电压和频率通过子模块Subsystem产生三相调制电压信号，三相调制信号与三角载波相比较，最终形成6路互补的SPWM信号，该信号经过逆变器产生频率与幅值可调的三相电压，从而控制电机按给定要求启动和运转。图2-5 控制电路仿真模型(1) 加速曲线模型加速曲线模型如图2-6所示，用于限制频率上升速度。如果直接给电机加上50Hz频率相对应的电压，这对电机的冲击响应较大，电机容易损坏，所以加上频率上升模块，以采用减压启动方式，以减小启动电流。其中增益的放大倍数取1e5，放大器的作用是避免积分时间受输入偏差的影响。限幅器用于设置给定频率的积分时间，所以调节限幅器上下限可调节输出频率信号的上升速度。图2-6 加速曲线模型(2) V-F模块V-F曲线由函数发生器产生，根据频率确定相对应的电压值，其函数表达式为 (2-8) 式中，Un为电机额定电压，fn为电动机额定频率，U0为初始电压补偿值。在这里加U0的原因是，最大转矩Tmax是随着1降低而减小的，频率很低时，Tmax太小电机的带载能力不好，所以采用定子电压低频补偿，从而适当增大电压U，即可以增强电机的带载能力。经过反复多次试验，高频时函数为，低频时为，其中，为给定频率。(3) Subsystem模型 频率f与的乘积为，对进行积分得到，从而得到三相调制信号 (2-9) (2-10) (2-11)图2-7 SPWM仿真模型 产生的三相调制信号与10kHz的三角载波相比较，产生3路SPWM波，分别取反后输出6路SPWM波，仿真模型如图2-7所示。2.3.1.2 主电路仿真模块的建立(1) 电机仿真模块电机的输出端为m端子，它返回一系列电机的内部信号如定转子三相电流、三相电压、磁链等。可以根据需要观测的信号观测相应信号12。图2-8 异步电机模型双击电动机仿真模块，将得到该模块的参数对话框，根据课题任务的要求，设置的异步电机的参数如表2-1所示。表2-1 异步电机参数逆变器直流侧电压Ud514V交流异步电机参数(4.7kW)电压380V频率50Hz定子绕组电阻1.115定子绕组漏感0.005974H转子绕组电阻1.083转子绕组漏感0.005974H互感0.01H转动惯量0.02kgm2摩擦系数0.005752Nms极对数2(2) 两电平变频器Simulink提供逆变器模块，逆变器的电源部分直接接514V直流电压，因为380V电压经整流后为514V(DC)。主电路的仿真模块如图2-9所示。图2-9 主电路仿真模型2.3.2 基于MATLAB/SIMULINK的开环系统建模与仿真 根据2.3.1小节的介绍，在Simulink平台下搭建转速开环恒压频比电路，仿真模型如图2-10所示。图2-10 基于SPWM的转速开环恒压频比控制仿真模型2.3.2.1 仿真结果与分析运用建立的系统仿真模型，仿真条件为：在给定频率50Hz，电动机理想空载启动，在1s时加负载10Nm，仿真时间为3s，采用ode23tb算法，得到异步电机电流、电磁转矩和转速波形如图所示。图2-11 频率信号给定曲线图2-12 输出转速波形 由图可知，基于SPWM的恒压频比控制高速时转速跟踪性能较好，转速上升时间为0.26s，有超调，但超调在允许范围之内，在1s突加10Nm负载后，转速降落n=50r/min。图2-13 电磁转矩波形 由图可知，起动中交流电机的转矩是有波动的，转速达到1500r/min后，电磁转矩在-11Nm之间波动，加负载后，电磁转矩在911N.m之间波动，对于开环控制系统来说，转矩脉动较小。图2-14 定子三相电流波形 由图可知，在1s之前电流稳在3.4A，1s突加负载后经调整，电流稳在7.1A，此时，三相交流电的周期为0.02s，定子电流为50Hz的正弦波。图2-15 Uab、Ubc、Uca定子三相线电压波形仿真条件为：在给定频率30Hz，电动机理想空载启动，在1s时加负载10N.m，仿真时间为3s，采用变步长ode23tb算法，得到异步电机电流、电磁转矩和转速波形如下所示。图2-16 频率信号给定曲线图2-17 输出转速波形 由图可知，基于SPWM的恒压频比控制中速时转速跟踪性能较好，转速上升时间为0.3s，有超调，但超调在允许范围之内，在1s突加10Nm负载后，转速降落n=54r/min。图2-18 电磁转矩波形 由图可知，起动中交流电机转矩有波动，电磁转矩在-1.11.2Nm之间波动，加负载后，电磁转矩在9.211N.m之间波动，对于开环控制系统来说，转矩脉动较小。图2-19 定子三相电流波形 由图可知，在1s之前电流稳在3.3A，1s突加负载后经调整，电流稳在7.1A，此时，三相交流电的周期为0.033s，频率为30.3Hz，与给定频率30Hz相比误差为0.3Hz。仿真条件为：在给定频率10Hz，电动机理想空载启动，在1s时加负载10N.m，仿真时间为3s，采用变步长ode23tb算法，得到异步电机电流、电磁转矩和转速波形如下图所示。图2-20 频率信号给定曲线 图2-21 输出转速波形 图2-22 补偿后的输出转速波形 由图可知，转速开环恒压频比控制的低频性能不好，未加定子电压补偿前输出转速超调大，调节时间长，转速降落大；加定子电压补偿后转速超调较大，调节时间t=0.5s，转速降落n=10r/min。 图2-23 电磁转矩波形 图2-24 补偿后电磁转矩波形 由图可知，加定子电压补偿后，电磁转矩脉动减小。图2-25 定子三相电流波形 图2-26 补偿后定子三相电流波形 由以上对比可知，基于SPWM的转速开环恒压频比控制的低频性能不好，未加定子电压补偿前输出转速超调较大，调节时间t=1s，转速降落n=68r/min，三相定子电流谐波较大；加定子电压补偿后转速超调较大，调节时间t=0.5s，转速降落n=12r/min，三相定子电流为10Hz的正弦波。经过以上仿真可得到以下结论：(1) 恒压频比SPWM开环控制系统的三相定子电流有脉动且电流谐波较大。(2) 输出电磁转矩响应慢、转矩波动大，电机转矩利用率不高。分析原因，主要由于转速开环恒压频比系统中没有引入速度、位置等反馈信号，所以无法实时捕捉电机状态，致使无法精确控制电磁转矩。(3) 提高载波频率，既提高功率器件的开关频率也可以改善电流的波动。但是开关频率受硬件开关器件自身的限制，不可能无限的增大。(4) 低频特级性较差，在频率较低时，转速波动极大，转矩波动也极大，进行定子电压补偿后收效甚微。(5) 磁链波形为六边形，对应的电机转矩脉动较大，但是正六边形磁链轨迹PWM控制技术的优点在于控制结构简单，便于实现，在同样输出频率下，器件的开关次数最少，开关损耗小。2.4 电压空间矢量脉宽调制 根据电机学知识可以知道，我们一般希望异步电机工作在圆形定子磁链下，这样不仅电流的谐波较小，而且电磁转矩的脉动也较小，这就是空间电压矢量调制技术(SVPWM)的出发点。2.4.1 SVPWM的原理下图2-27为典型的三相电压源逆变器的结构图，三相逆变器共有八种开关状态，代入由park变换定义的电压空间矢量。图2-27 三相电压源逆变器结构图图2-27中Va、Vb、Vc是逆变器的电压输出，Q1到Q6是6个IGBT开关管，它们分别被这6个控制信号所控制。SVPWM的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。相邻两非零矢量和零矢量在时间上的不同组合，可以得到该扇区内的一组等幅不同相的空间电压矢量U，三个矢量的作用时间可以一次施加，也可以在一个采样周期内分多次施加，这样更有利于消除电机转矩脉动，通过控制各个电压矢量的作用时间，使空间电压矢量接近圆轨迹旋转，就可以使电机磁通也逼近圆轨迹12。2.4.2 SVPWM的算法2.4.3 SVPWM的Simulink仿真子模型1、3/2变换子模型图2-28 3/2变换子模型2、 实现判断矢量Uref所处扇区的框图如下图所示图2-29 扇区计算模型3、 计算X、Y、Z图2-30 计算模型4、 计算Tx、Ty图2-31 计算模型5、 计算Tcm1、Tcm2、Tcm3图2-32 计算模型6、产生PWM框图图2-33 PWM产生模型2.4.4 SVPWM控制系统动态性能仿真结果与分析根据转速开环恒压频比控制系统仿真模型与SVPWM子系统模型，搭建如图所示的仿真模型。图2-34 基于SVPWM的转速开环恒压频比控制仿真模型运用建立的系统仿真模型，仿真条件为：在给定频率50Hz，电动机理想空载启动，在1s时加负载10N.m，仿真时间为3s，采用变步长ode23tb算法，得到异步电机转速、电流和转矩波形如图所示。图2-35 频率信号给定曲线图2-36 输出转速波形 由图可知，基于SVPWM的恒压频比控制高速时转速跟踪性能较好，转速上升时间为0.2s，有超调，但超调在允许范围之内，在1s突加10Nm负载后，转速降落n=40r/min。图2-37 电磁转矩波形 由图可知，起动时交流电机转矩有波动，电磁转矩在-0.91Nm之间波动，加负载后，电磁转矩在911N.m之间波动，对于开环控制系统来说，转矩脉动较小。图2-38 定子三相电流波形 由图可知，在1s之前电流稳在4A，1s突加负载后经调整，电流稳在6.8A，此时，三相交流电的周期为0.02s，三相定子电流为50Hz的正弦波。图2-39 Uab、Ubc、Uca定子三相线电压波形图2-40 定子磁链波形 由图可以看出，起动时定子磁链从零开始建立，然后不断增大并旋转，可以看到定子磁链几乎接近圆形。仿真条件为：在给定频率30Hz，电机理想空载启动，在1s时加负载10N.m，仿真时间为3s，采用变步长ode23tb(stiff/TR-BDF2)算法，得到异步电机转速和电磁转矩波形如图所示。图2-41 频率信号给定曲线图2-42 输出转速波形 由图可知，基于SVPWM的恒压频比控制在中速时转速跟踪性能较好，转速上升时间为0.15s，有超调，但超调在允许范围之内，在1s突加10Nm负载后，转速降落n=45r/min。图2-43 电磁转矩波形图2-44 定子三相电流波形 由图可知，在1s之前电流稳在4.1A，1s突加负载后经调整，电流稳在6.8A，此时，三相交流电的周期为0.033s，频率为30.3Hz，与给定频率30Hz误差为0.3Hz。仿真条件为：在给定频率10Hz，电动机理想空载启动，在1s时加负载10N.m，加定子电压补偿，仿真时间为3s，采用变步长ode23tb算法，得到异步电机转速、电流和转矩波形如图所示。图2-45 频率信号给定曲线 图2-46 输出转速波形 图2-47 补偿后输出转速波形 图2-48 电磁转矩波形 图2-49 补偿后电磁转矩波形 图2-50 定子三相电流波形 图2-51 补偿后定子三相电流波形 由以上对比可知，转速开环恒压频比控制的低频性能不好，未加定子电压补偿前输出转速超调较大，调节时间t=1s，转速降落n=50r/min；加定子电压补偿后转速超调较大，调节时间t=0.4s，转速降落n=8r/min，定子电流为10Hz正弦波，只是谐波较大。 以上仿真结果表明：利用SVPWM的异步电机恒压频比控制系统的电压利用率高，三相电流谐波小，转速上升快，转速波动较小，转矩脉动小，具有良好的启动、稳态性能，其电流、转速、转矩波形和直流电机波形较为相似，这就表明采用SVPWM的异步电机恒压频比控制完全可以达到直流电机的调速性能。但是低频特性依然不好，频率较低时，转速超调和波动较大，电磁转矩波动较大，三相定子电流谐波较多，加定子电压补偿后得到改善，因为是开环控制，突加负载后转速降落较大。2.5 两种控制算法的对比分析从仿真波形上与基于SPWM的恒压频比控制的仿真波形进行对比，对比结果如表2-2所示：表2-2 两种控制算法仿真结果对比基于SPWM的V/F控制基于SVPWM的V/F控制快速性较好较好电流谐波大较小，更接近正弦波输出转速上升时间较小，超调较大上升时间较小，超调较小电磁转矩脉动较小脉动较小定子磁链轨迹 圆形圆形直流电压利用率低高 由上表可知，基于SPWM的恒压频比控制，转速超调较大，调节时间较小，转速降落较大，低频时稳态误差较大；基于SVPWM的恒压频比控制，转速超调较小，调节时间较小，转速降落较小，低频时稳态误差较小；总之，基于SVPWM的恒压频比控制动态性能较好。第3章 实时控制平台的仿真配置3.1 仿真环境参数设置本机电系统实时控制平台的软件开发环境主要有：Simulink/RTW及Target for TI C2000工具箱、TI公司提供的CCS集成开发环境。在RTW的支持下，Target for TI C2000工具箱将Simulink模型转换为实时C代码，在CCS编译环境下生成.out文件，将生成代码自动下载到DSP芯片并执行，在搭建模型时配置与硬件DSP处理器对应的端口，即可实现自动生成代码的设计、验证和实现。事实上，MathWorks公司支持TI公司C2000、C5000和C6000系列DSP自动生成代码13，本次毕业设计选用C2000系列下的TMS320F28335芯片13，F28335是TI公司C28X系列下的一款芯片，F28335具有150MHz的高速处理能力，是32位浮点型DSP控制器，F28335具有精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高等优点13。3.2 目标板模块的设置打开Target for TI C2000工具箱，本平台采用的是TMS320F28335，故选择F28335eZdsp，如图3-1所示。该模块在相应的Simulink模型当中是必不可少的，必须放在最顶层，不能放在子系统中，其主要作用是设置整个模块的目标板属性，表明其它相关模块所生成的代码是支持处理器相关外设的。当把F28335模块拖进模型中时，双击该模块，设置参数。在Simulink仿真界面Simulation下的Model Configuration Parameters设置仿真参数，算法里面的开始时间设为0.0，终止时间设为inf，在自动生成代码中，算法只能设为Fixed-Step中的离散型discrete，因为Code Generation只支持离散型算法，具体仿真步长，则根据具体仿真对象的复杂性来确定，具体设置如图3-2所示，在Code Generation标签里面，系统目标文件选为idelink-ert.tlc，如图3-3所示。图3-1 F28335eZdsp 图3-2 目标板参数设置图3-3 目标文件设置3.3 DSP核心支持库3.3.1 ePWM模块ePWM模块即脉冲宽度调制模块，共有12个通道，可以设置成6对互补的PWM信号，来产生需要的波形。双击ePWM模块，如图3-4所示，ePWM模块总共有7个模块：(1)时间基准模块：为输出PWM提供时间基准TBCLK，可以配置PWM时钟基准计数器，配置计数器计数模式，配置硬件或软件同步时钟基准计数器，确定ePWM同步信号输出源14；(2)计数器比较模块：确定PWM占空比，以及ePWM输出高低电平切换时间14；(3)动作限定模块：当计数器与比较寄存器数值相同时动作，ePWM在高低电平之间切换14；(4)死区控制模块：配置输出PWM波上升沿或下降沿的延时时间，在实际电路中反应为在即将开通器件开通时保证上一个期间可靠关断，本文中将ePWM配置成互补模式，并设定死区时间；(5)PWM斩波模块：产生高频PWM载波信号；图3-4 ePWM模块参数设置(6)错误控制模块：当外部有错误信号产生时，对PWM输出进行相应处理，比如全置高，或拉低，或置为高阻态，从而起到保护作用。当然此功能也可以通过软件强制产生14；(7)事件触发模块；使能ePWM中断，使能ePWM触发ADC采样，确定事件产生触发的速度和清除相关事件标志位14。3.3.2 DMC库DMC库15,16，即数字电机控制(Digital Motor Control)库，不但包含了矢量控制中常用到的坐标变换，如Clark变换，Park变换及其逆变换，也包括了PID控制器、空间矢量发生器和转速测量等。本文用到的有park逆变换，空间矢量发生器，斜坡控制模块，如图3-5所示，主要模块及功能如下：(1)IPARK模块。该模块实现Park逆变换，即实现两相旋转坐标电压到两相静止坐标电压的变换15。(2)SVGEN模块。该模块输入为离散的两相静止电压，计算出应用SVPWM产生给定定子参考电压所需的3个比较值Ta、Tb、Tc，再经DSP的比较单元，产生控制功率器件的开关信号15。 (3)RAMP_CNTL缓升缓降模块。该模块类似低通滤波器，实现信号在给定下缓慢变化，避免信号的突变给异步电机造成冲击15。图3-5 DMC库第4章 实时控制平台验证及应用实例4.1 SVPWM波在实时控制平台的实现 SVPWM(空间矢量PWM)是一种控制三相逆变器6个功率开关管动作的有效方法，由第二章的分析可知，与SPWM相比，明显提高了电源的利用率，转速无超调，较为稳定，而且在三相电机控制中产生的电流谐波较小，具有明显的优势和广阔的应用前景，是当前的研究热点。4.1.1 SVPWM波离线仿真本文使用Embedded Targets中的C2000工具箱中数字电机控制DMC库的空间矢量发生器来实现，如图4-1所示。仿真结果波形如图4-2所示。图4-1 基于SVPWM的DSP实时模型图4-2 基于SVPWM实时模型仿真结果SVPWM波的DSP实时模型如图4-1所示，进行代码自动生成，使用示波器在硬件平台上测试测试生成的SVPWM波输出，结果如图4-3所示。图4-3 互补SVPWM波输出由图4-3可以看出，生成代码下载到硬件平台上产生六路互补并带有死区的PWM波，死区时间为3.2，利用DSP实时模型产生的SVPWM波驱动三相异步电机并观察运行情况，电机运行较为平稳，因为是开环控制，所以并不适用于高性能的场合。4.1.2 恒压频比离线仿真根据系统控制算法，搭建转速开环恒压频比控制系统的仿真模型，如图4-4所示。 图4-4 转速开环恒压频比控制的DSP实时模型建模过程中要处理好数据格式的设置，TMS320F28335是一款浮点型DSP，一般在DSP数据处理中使用格式。对于DMC库的模块输入一般要求必须是32位，且数据长度在1-29之间，本文所设输出数据为Q24，而C28xPWM的默认输入数据为16位整数，所以在最后要加数据转换模块。最后对F28335 eZdsp模块进行配置。离线仿真如图4-5所示。图4-5 恒压频比控制实时模型的离线仿真结果4.2 MATLAB自动生成代码在生成代码之前，我们需要进行代码优化，使其更加契合需求，还需要对模型进行检查，识别出模型中隐含的问题、警告和限制代码效率的问题。4.2.1 代码优化在Simulink菜单下的Configuration Parameters中的Coder Generation窗格中，有一个Set Objectives按钮17，打开如图4-6所示。图4-6 代码优化窗口从可用目标列表中选择目标，添加选中目标，根据所定优先级顺序选择优先选择的目标。4.2.2 模型检查Model Advisor进行模型检查时，模型检查会检查可能导致模型或子系统不准确或者效率低下的系统仿真条件和配置设置，在Simulink模型中Tools工具栏，选择Model Advisor18，选择要检查的模型或子系统，如图4-7所示。图4-7 模型检查窗口4.3 代码的生成与运行结果经过前面一系列的参数设置以及模型检查，所配置的是符合设计需求且无错误的，只需点击Build按钮，MATLAB会自动建立与CCS的联系并生成代码如附录所示。生成代码经编译、链接生成可执行的.out文件并自动下载到硬件平台上，点击Run，使用示波器观测PWM口发出的PWM波，波形如图4-8所示。图4-8 恒压频比控制互补PWM波输出由示波器观测可知，所发出波形符合给定频率50Hz，并且带有死区，死区时间为3.2us，符合模型配置的数据，最后带上电机，电机成功运行。又测试了20Hz实时模型生成代码，电机转速降低，-50Hz实时模型生成的代码下载到DSP中，电机可以实现反转功能。第5章 结论与展望5.1 结论本文在参考大量文献资料的基础上，以三相交流异步电机为被控对象，分别通过SPWM和SVPWM控制技术对交流电机实现恒压频比控制，搭建恒压频比自动生成代码模型并生成代码，主要做了以下工作：第一，分析总结了V/F控制的发展历程和国内外交流变频调速的发展现况和趋势。系统地学习了交流电机变频调速的原理，其中变频调速原理包括交流电机的调速方式、V/F控制方式和SPWM、SVPWM控制技术原理。并在Simulink仿真平台上对两种控制算法分别仿真，最后对比分析得出结论，SVPWM模式下的V/F控制动态性能更好一些。第二，学习了基于模型设计的思想与方法，分析其与传统开发模式相比较的优劣点。在MATLAB/Simulink下建立恒压频比控制系统的控制部分数学模型，通过对模型的校验和代码优化，检查了模型的缺陷点