（电力电子与电力传动专业论文）异步电机矢量控制及其数字化实现的研究.pdf

东脸大学硕士学位论文 ab s t r a c t r e s e a r c h o f v e c t o r c o n t r o l a n d d i g i t a l r e a l i z a t i o n f o r t h e a s y n c h r o n o u s mo t o r abs t r a c t i n r e c e n t y e a r s , w i t h t h e a p p e a r a n c e o f t h e n e w p o w e r e l e c t r o n a p p a r a t u s a n d m i c r o p r o c e s s o r a n d t h e d e v e l o p m e n t o f t h e c o n t r o l t h e o r y o n t h e a lt e rn a t i n g c u r r e n t ( a c ) m o t o r , t h e t e c h n o l o g y o f v a r i a b l e f r e q u e n c y s p e e d v a r i a t i o n h a s i m p r o v e d r a p i d l y . v e c t o r c o n t r o l i s o n e o f t h e s t r a t e g i e s f o r t h e a c m o t o r d r i v e w i t h h i g h p e r f o r m a n c e . a n d i t h a s b e e n a p p l i e d e v e r y w h e r e i n t h e i n d u s t r i e s . t h i s p a p e r d o e s s o m e r e s e a r c h w o r k s o f t h e v e c t o r c o n t r o l t e c h n o l o g y b a s e d o n r o t a t o r f i e l d o r i e n t e d a n d t h e n d e s i g n s t h e w h o l e s y s t e m w i t h d s p . v e c t o r c o n t r o l t e c h n o l o g y s o l v e t h e p r o b l e m o f s t r o n g l y -c o u p l e d a n d t o r q u e c o n t r o l i n a a c mo t o r , t h e n m a k e t h e c o n t r o l e f f e c t s i mi l a r t o t h e d c mo t o r f o r a a c mo t o r . t h e a u t h o r d o e s t h e r e s e a r c h o n t h e a l g o r i t h ms o f s f - v e c t o r c o n t r o l a n d i n t r o d u c e s f u z z y c o n t r o l i n t o t h e s p e e d l o o p o f s f - v e c t o r c o n t r o l s y s t e m f o r a n i n d u c t i o n m o t o r . a t w o d im e n s i o n f u z z y c o n t r o l l e r s w i t h s e l f - t u n i n g a r e i n t r o d u c e d a n d t h e s t r u c t u r e o f t h e c o n t r o l s y s t e m i s g i v e n . s i m u l a t i o n r e s e a r c h w i t h ma t l ab i s d o n e b a s e d o n a b o v e me n t i o n e d . t h e r e s u l t s h o ws t h a t t h e v e c t o r c o n t r o l s y s t e m w i t h f u z z y c o n t r o l l e r s i n a n i n d u c t i o n mo t o r i m p r o v e s t h e f u z z y c o n t r o l l e r s s t e a d y - s t a t e p r e c i s i o n a n d d y n a m i c p e r f o r m a n c e , a n d t h e y a r e i n s e n s i t i v e t o t h e d i s t u r b a n c e w h i c h i s c a u s e d b y t h e c h a n g e o f t h e l o a d a n d m o t o r p a r a m e t e r s , s o t h e y c a n m a k e s y s t e m mo r e r o b u s t t h a n c o n v e n t i o n a l p i c o n t r o l l e r . t h i s p a p e r d e s i g n s a h a r d w a r e p l a t f o r m o f v e c t o r c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n t h e h i g h p e r f o r m a n c e d s p ( t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) . f i n i s h e s t h e d e s i g n a n d d e b u g o f h a r d w a r e s y s t e m a n d d o e s s o m e r o u t i n e e x p e r i m e n t s b y u s i n g t h e p l a t f o r m . t h e r e s u l t v e r i f i e s t h e f e a s i b i l i t y o f t h e h a r d w a r e s c h e m e . a t t h e s a m e t i me , t h e a u t h o r fi n i s h e d t h e s o ft w a r e p r o g r a m m i n g a n d g i v e n t h e a fl o w c h a r t f o r t h e s o f t w a r e s y s t e m b a s e d o n d s p . t h e s y s t e m u s e s t h e s t r u c t u r e o f s e q u e n c e a n d i t c a n b e i n t e r r u p t e d b y a s u b - r o u t i n e a t a n y m o m e n t . t h e p r o g r a m m i n g u s e s a m i x e d m e t h o d o f c a n d a s s e m b l y s o t h a t i t i s c a n w o r k 一 i i i 一 东北大学硕士学位论文 ab s t r a c t e f f e c t i v e . ma k e s a d e t a i l e d r e s e a r c h o n t h e a l g o r i t h m o f f u z z y c o n t r o l a n d v e c t o r c o n t r o l a n d p wm r e a l i z i n g , a n d t h e n f i n i s h e s t h e s o f t w a r e p r o g r a m m i n g a n d d e b u g g i n g . a t l a s t , t h e a u t h o r u s e s t h e c o n t r o l a l g o r i t h m i n p r a c t i c e a n d t h u s c a r r i e s o u t a h i g h p e r f o r ma n c e c o n t r o l f o r t h e a c mo t o r . k e y w o r d s : a c s p e e d a d j u s t m e n t , v e c t o r c o n t r o l , f u z z y c o n t r o l l e r w i t h s e l f - t u n i n g , s v p wm, d s p mo t o r , ma t l a b 一 i v一 东北大学硕士学位论文声明 t口口 j . 1 4日 月 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 本 人 签 名 : 开 p $ 日期 : 下、 ) 、 详 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定: 即学校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。 本人授权东北大学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、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名;否则视为不同意。 ) 学位论文作者签名: 补o 导师签名: 拜奢攀 签字日期: 2 刀 . 歹 、 、 可 签 字日 期飞 刁 u几 ? . 诃 一 i 一 东能大学硕士学位论文第 1 章 绪论 第1 章绪论 1 . 1 引言 在用电系统中， 电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、 国防、科技、及社会生活等各个方面，在其中有着重要的作用。 5 1 现代电机控制中，交流调速和直流调速方案之争，长期以来一直存在。在 交流电机变频调速技术发展之前， 直流电机在调速场合几乎占垄断地位。自从 1 8 3 4年直流电动机发明以来，作为调速电动机的代表，在工农业中得到了广 泛的应用。其主要优点在于调速范围宽、静差小、稳定性好以及具有良好的动 态性能。 但直流电动机有其本身固有的结构复杂，重量大，价格高，电刷易磨 损， 维修不方便， 对环境要求高等缺点， 这些都与现代调速系统要求的高可靠 性、 易使用性、 易维护性相矛盾， 因此直流电机难以适应现代传动技术的要求。 1 8 8 5年，世界上第一台交流电动机问世。交流电动机，特别是鼠笼型异 步电动机，由于结构简单、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、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， 这时交流电机在 不调速的领域慢慢取代了直流电机。交流电机本身是一个非线性、强藕合、高 阶、多变量系统，其可控性较差。随着工农业生产的不断发展和社会进步， 人 们对系统调速的要求也越来越高， 而异步电动机在调速方面相对于直流电机而 言一直处于性能不佳的状态。 然而随着现代交流电机调速控制理论和电力电子 变流技术的发展， 交流电机调速技术取得突破性的进展，随之出现了各种类型 的交流电 机调速系统， 如降电压调速、电 磁转差离合器调速、 绕线转子异步电 机转子回路串电阻调速、 绕线转子异步电机串级调速、 变极对数调速、 变压变 频调速等等。而近年来交流调速系统中最活跃，发展最快的是变频调速技术， 在国民经济和日常生活中占据着越来越重要的地位。目前， 在电气传动领域中 交流调速系统己全面、 逐步取代直流调速系统。 交流调速在电气传动领域中占 据了统治地位已是公认的事实。 2 3 5 1 现代工业生产及社会发展的需要推动了交流调速的飞速发展; 现代控制理 论的发展和应用，电力电子技术的发展和应用， 微机控制技术及大规模集成电 一 t 一 东能大学硕士学位论文第 1 章 绪论 第1 章绪论 1 . 1 引言 在用电系统中， 电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、 国防、科技、及社会生活等各个方面，在其中有着重要的作用。 5 1 现代电机控制中，交流调速和直流调速方案之争，长期以来一直存在。在 交流电机变频调速技术发展之前， 直流电机在调速场合几乎占垄断地位。自从 1 8 3 4年直流电动机发明以来，作为调速电动机的代表，在工农业中得到了广 泛的应用。其主要优点在于调速范围宽、静差小、稳定性好以及具有良好的动 态性能。 但直流电动机有其本身固有的结构复杂，重量大，价格高，电刷易磨 损， 维修不方便， 对环境要求高等缺点， 这些都与现代调速系统要求的高可靠 性、 易使用性、 易维护性相矛盾， 因此直流电机难以适应现代传动技术的要求。 1 8 8 5年，世界上第一台交流电动机问世。交流电动机，特别是鼠笼型异 步电动机，由于结构简单、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、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， 这时交流电机在 不调速的领域慢慢取代了直流电机。交流电机本身是一个非线性、强藕合、高 阶、多变量系统，其可控性较差。随着工农业生产的不断发展和社会进步， 人 们对系统调速的要求也越来越高， 而异步电动机在调速方面相对于直流电机而 言一直处于性能不佳的状态。 然而随着现代交流电机调速控制理论和电力电子 变流技术的发展， 交流电机调速技术取得突破性的进展，随之出现了各种类型 的交流电 机调速系统， 如降电压调速、电 磁转差离合器调速、 绕线转子异步电 机转子回路串电阻调速、 绕线转子异步电机串级调速、 变极对数调速、 变压变 频调速等等。而近年来交流调速系统中最活跃，发展最快的是变频调速技术， 在国民经济和日常生活中占据着越来越重要的地位。目前， 在电气传动领域中 交流调速系统己全面、 逐步取代直流调速系统。 交流调速在电气传动领域中占 据了统治地位已是公认的事实。 2 3 5 1 现代工业生产及社会发展的需要推动了交流调速的飞速发展; 现代控制理 论的发展和应用，电力电子技术的发展和应用， 微机控制技术及大规模集成电 一 t 一 东北大学硕士学位论文 路的发展和应用为交流调速的飞速发展创造了技术和物质条件 第 1章绪论 1 .2 脉宽调制技术分类与特点 随着电压型逆变器在高性能电力电子装置( 如交流传动、 u p s 、 无功补偿器) 中的广泛应用，脉宽调制技术( p wm 技术) 作为其共同的核心技术，引起人们 的高度关注，并得到越来越深入的研究。p wm 技术最初是在 1 9 6 4年 a . s c h o n u n g 和h . s t e m m l e r 发表文章把通信系统的 调制技术应用到交流传动中， 从此产生了正弦脉宽调制变频变压的思想， 为现代交流调速技术的发展和实用 化开辟了一新的道路。p wm 技术的发展过程经历了从最初的追求电压波形的 正弦到电流波形的正弦，再到异步电机磁通的正弦:从效率最优， 转矩脉动最 小， 到消除谐波噪声等1 5 1 。到目 前为 止，仍然不断的有新方案提出。从实际应 用来看， s p wm在各种产品中仍占主导地位， 并一直是人们研究的热点， 从最 初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波的比较，产生p wm信号，以控 制功率器件的开关， 到八十年代末到九十年代初使用专门的正弦p wm波产生 芯片如 h e f 4 7 5 2等，再到如今采用高速微处理器 8 0 c 1 9 6 mc , 8 0 c 1 9 6 k c , t ms 3 2 0 c 2 4 0 , t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a等实时在线p wm信号输出，基本实现了全数 字化的方案。 从最初的自 然采样正弦脉宽调制开始， 人们不断探索改进脉宽调 制方法，对自然采样的 s p wm 做简单的近似，得到规则采样算法，在此基础 上，又提出了准优化p wm技术，其实质为在一个基波上面叠加一个幅值为基 波 1 / 4的三次谐波，以提高直流电压利用率。而后出现的空间电压矢量 p wm 技术初始是以保持电机磁链幅值不变( 在平面坐标中轨迹为圆形) 为出发点得到 的，后来被推广成为当前最有效的工程应用方法。其等效的调制波仍然也含有 一定的三次谐波，由于其具有控制简单、 数字化实现极其方便的特点，目 前也 逐渐有取代传统 s p wm 的趋势。而最近几年研究很多的优化 p wm 技术具有 电流谐波畸变率最小、效率最优、转矩脉动最小的特点，尽管具有计算复杂、 实时控制较难，但由于与其它p wm技术相比，具有电压利用率最高、开关次 数少、 可以实现特定优化目标等突出优点，随着微处理器速度的不断提高， 这 种p w m技术也逐渐走入实用化阶段。而另外一种应用较多的p w m技术是电 流滞环比较p wm以及在它基础上发展起来的无差拍控制p wm均具有实现简 单的特点， 当开关频率足够高的时候， 可以得到非常接近理想正弦的电流波形。 到八十年代中后期，人们出于对p wm逆变器产生的电磁噪声给予的越来越多 一 2一 东北大学硕士学位论文 路的发展和应用为交流调速的飞速发展创造了技术和物质条件 第 1章绪论 1 .2 脉宽调制技术分类与特点 随着电压型逆变器在高性能电力电子装置( 如交流传动、 u p s 、 无功补偿器) 中的广泛应用，脉宽调制技术( p wm 技术) 作为其共同的核心技术，引起人们 的高度关注，并得到越来越深入的研究。p wm 技术最初是在 1 9 6 4年 a . s c h o n u n g 和h . s t e m m l e r 发表文章把通信系统的 调制技术应用到交流传动中， 从此产生了正弦脉宽调制变频变压的思想， 为现代交流调速技术的发展和实用 化开辟了一新的道路。p wm 技术的发展过程经历了从最初的追求电压波形的 正弦到电流波形的正弦，再到异步电机磁通的正弦:从效率最优， 转矩脉动最 小， 到消除谐波噪声等1 5 1 。到目 前为 止，仍然不断的有新方案提出。从实际应 用来看， s p wm在各种产品中仍占主导地位， 并一直是人们研究的热点， 从最 初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波的比较，产生p wm信号，以控 制功率器件的开关， 到八十年代末到九十年代初使用专门的正弦p wm波产生 芯片如 h e f 4 7 5 2等，再到如今采用高速微处理器 8 0 c 1 9 6 mc , 8 0 c 1 9 6 k c , t ms 3 2 0 c 2 4 0 , t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a等实时在线p wm信号输出，基本实现了全数 字化的方案。 从最初的自 然采样正弦脉宽调制开始， 人们不断探索改进脉宽调 制方法，对自然采样的 s p wm 做简单的近似，得到规则采样算法，在此基础 上，又提出了准优化p wm技术，其实质为在一个基波上面叠加一个幅值为基 波 1 / 4的三次谐波，以提高直流电压利用率。而后出现的空间电压矢量 p wm 技术初始是以保持电机磁链幅值不变( 在平面坐标中轨迹为圆形) 为出发点得到 的，后来被推广成为当前最有效的工程应用方法。其等效的调制波仍然也含有 一定的三次谐波，由于其具有控制简单、 数字化实现极其方便的特点，目 前也 逐渐有取代传统 s p wm 的趋势。而最近几年研究很多的优化 p wm 技术具有 电流谐波畸变率最小、效率最优、转矩脉动最小的特点，尽管具有计算复杂、 实时控制较难，但由于与其它p wm技术相比，具有电压利用率最高、开关次 数少、 可以实现特定优化目标等突出优点，随着微处理器速度的不断提高， 这 种p w m技术也逐渐走入实用化阶段。而另外一种应用较多的p w m技术是电 流滞环比较p wm以及在它基础上发展起来的无差拍控制p wm均具有实现简 单的特点， 当开关频率足够高的时候， 可以得到非常接近理想正弦的电流波形。 到八十年代中后期，人们出于对p wm逆变器产生的电磁噪声给予的越来越多 一 2一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的关注，由于p wm逆变器的电压电流中含有不少的谐波成分，这些谐波产生 的转矩脉动作用在定转子上， 使电机绕组产生振动而发出噪声。 人们为了解决 此问题想出了两种方法，一个是提高开关频率，使之高于人耳能感受的范围， 另一种方法就是使用随机脉冲频率 p wm技术，从改变谐波的频谱出发，使逆 变器输出电压电流谐波均匀地分布在较宽的频带范围内， 以达到抑制噪声和机 械 共 振 的目 的 。 1 8 3 3 1 . 3 磁场定向控制 2 0世纪 7 0年代初期提出了两项突破性的研究成果:德国西门子公司的 f .b l a s c h k e 等提出的 “ 感应电机磁场定向的控制原理”和美国p . c . c u s t m a n与 a .a .c l a r k申请的专利 “ 感应电机定子电压的坐标变换控制” ， 奠定了矢量控制 的基础。这种原理的基本出发点是，考虑到异步电机是一个多变量、强藕合、 非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩， 但若以转 子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标， 利用从静止坐标系到旋转坐标系之间 的变换， 则可以把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开 来，进行分别控制。这样， 通过坐标变换重建的电机模型就可以等效为一台直 流电机， 从而可像直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制。 其基本出发点还 是在于追求加在电 机三相绕组上的电 压电流的正弦性好。 2 ) 8 0年代中期，磁场定向矢量控制基本理论研究成熟并形成商品化。磁场 定向矢量控制的最重要的特点就是选择和计算出一个紧跟在转子磁通或转子 励磁电流上的坐标系。 通过电机统一理论和坐标变换理论， 把交流电动机的定 子电流分解成磁场定向坐标系下的磁场电流分量和转矩电流分量， 从而实现定 子电流的解祸。 矢量控制方法的提出， 使交流传动系统的动态特性得到了显著 的改善和提高， 从而使交流调速最终取代直流调速成为可能。实践证明: 采用 矢量控制的交流调速系统的优越性高于直流调速系统。 传统的矢量控制系统需 要电机的精确数学模型，但当由于磁饱和或电机绕组温度变化引起差数变化 时， 会影响控制效果， 针对电机参数的时变特点， 可以在矢量控制系统中采用 先进的控制策略与算法， 将模糊控制、自适应控制及神经元控制等应用在矢量 控制系统中， 进而帮助解决这个问题。 现代控制理论的发展为提高矢量控制的 性能提供了基础和条件。 一 3一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的关注，由于p wm逆变器的电压电流中含有不少的谐波成分，这些谐波产生 的转矩脉动作用在定转子上， 使电机绕组产生振动而发出噪声。 人们为了解决 此问题想出了两种方法，一个是提高开关频率，使之高于人耳能感受的范围， 另一种方法就是使用随机脉冲频率 p wm技术，从改变谐波的频谱出发，使逆 变器输出电压电流谐波均匀地分布在较宽的频带范围内， 以达到抑制噪声和机 械 共 振 的目 的 。 1 8 3 3 1 . 3 磁场定向控制 2 0世纪 7 0年代初期提出了两项突破性的研究成果:德国西门子公司的 f .b l a s c h k e 等提出的 “ 感应电机磁场定向的控制原理”和美国p . c . c u s t m a n与 a .a .c l a r k申请的专利 “ 感应电机定子电压的坐标变换控制” ， 奠定了矢量控制 的基础。这种原理的基本出发点是，考虑到异步电机是一个多变量、强藕合、 非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩， 但若以转 子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标， 利用从静止坐标系到旋转坐标系之间 的变换， 则可以把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开 来，进行分别控制。这样， 通过坐标变换重建的电机模型就可以等效为一台直 流电机， 从而可像直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制。 其基本出发点还 是在于追求加在电 机三相绕组上的电 压电流的正弦性好。 2 ) 8 0年代中期，磁场定向矢量控制基本理论研究成熟并形成商品化。磁场 定向矢量控制的最重要的特点就是选择和计算出一个紧跟在转子磁通或转子 励磁电流上的坐标系。 通过电机统一理论和坐标变换理论， 把交流电动机的定 子电流分解成磁场定向坐标系下的磁场电流分量和转矩电流分量， 从而实现定 子电流的解祸。 矢量控制方法的提出， 使交流传动系统的动态特性得到了显著 的改善和提高， 从而使交流调速最终取代直流调速成为可能。实践证明: 采用 矢量控制的交流调速系统的优越性高于直流调速系统。 传统的矢量控制系统需 要电机的精确数学模型，但当由于磁饱和或电机绕组温度变化引起差数变化 时， 会影响控制效果， 针对电机参数的时变特点， 可以在矢量控制系统中采用 先进的控制策略与算法， 将模糊控制、自适应控制及神经元控制等应用在矢量 控制系统中， 进而帮助解决这个问题。 现代控制理论的发展为提高矢量控制的 性能提供了基础和条件。 一 3一 东北大学硕士学位论文 第 1 章绪论 1 .4 数字化的交流调速系统 交流调速系统的控制回路最初多为由模拟电子电路组成。 随着微机控制技 术，特别是单片机及数字信号处理器 d s p的不断更新换代和大规模集成电路 的成熟应用， 促使交流调速系统的控制回路迅速走向数字控制， 全新的全数字 化交流调速系统已经普遍应用。 交流调速系统的数字化控制属于计算机控制系 统，是把自动控制理论和计算机技术结合的产物。当用计算机参与控制开环或 者闭环控制系统后，系统通常具有精度高、速度快、存储量大、逻辑判断功能 强等优点，因此可以实现高级复杂的控制算法， 获得快速精密的控制效果。 计 算机所具有的信息处理能力， 能够进一步把电机控制、 过程控制和整个生产管 理结合起来，从而实现生产的全面自动化。相对于传统的模拟控制系统而言， 数字控制系统具有其无可比拟的优点。 以微处理器为核心的数字控制已成为现 代交流调速系统的主要特征之一。 精心设计的微机控制系统能显著地降低控制器硬件成本， 但软件的成本较 高， 调试较复杂， 需要专门 人员进行。 专门为用户设计的大规模集成电 路( v l s i ) 加软件构成的控制芯片， 或为大批量生产设计的专用集成电路( a s i c ) 均使系统 硬件成本大大降低。 体积更小、 重量更轻、 功耗更小是进一步发展的目标。 v s l i 使得线路连线减小到最少， 其平均无故障时间远远长于分立元器件电路。 提高 系统的可靠性。 而且数字电路不存在温漂等问题， 不存在电路参数变化的影响。 其内部的数字计算极其准确， 只是受字长影响量化误差。 定点微处理器采用定 标可以避免溢出。 设计统一的硬件电路， 通过对软件的编程、修改， 可以应用 于不同的电机控制系统，灵活性很高，软件的设计语言选择也具有灵活性。数 字化使得控制器对信息的处理能力大幅度提高，可以完成非常复杂的控制功 能，诸如磁场定向控制的坐标变换运算、解祸控制、参数辩识的自适应控制、 推广的卡尔曼滤波的矩阵变换、反馈、p i d调节、监控、报警、p wm 脉冲产 生等功能。 尽管计算机内部的数字量非常精确， 但和外部接口 通过a / d和d / a 转换器进行，而a / d , d / a转换器的位数和计算机的字长是一定的，不可能无 限制的增加使数字化存在采样和量化误差， 而采样时间也要影响整个系统的响 应速度。 一 4- 东北大学硕士学位论文第 1 章绪论 1 .5 论文的内容 全文共分为7 章: 第 1 章为绪论， 介绍了变频调速的发展方向以及与本论文相关技术的发展 动态。 第2章为电机模型， 介绍了异步电机的数学模型以及为简化模型的各个坐 标变换原理和公式，并讨论了s v p wm实现方法。 第3 章为系统的功率电路设计实现， 在通过论述矢量控制系统各个模块的 实现原理给出各个子模块的工程实现。 第4 章为系统控制电路设计实现， 在此章中介绍了系统中驱动部分的原理 和硬件实现，详细介绍了主要功能模块的设计和部分参数的选取。 第5 章为系统的软件实现， 给出了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a的控制系统软件 流程，以及利用软件对几个子模块的具体实现。 第6 章为控制系统方案选择， 通过对各种不同控制器的比较， 选择合适的 满足本系统性能要求的控制方案。 在确定了系统的总体方案后，对所选择控制 方式进行了研究与设计。 第 7 章为结束语从总体上对本文进行了总结和展望。 本文以d s p为主控芯片的控制板、 i g b t构成的功率电路及以异步电动机 为被控制对象构成的系统为研究对象，以提高算法的执行速度和精度为目 标， 以矢量控制为控制算法，设计了一种全数字化的变频调速系统，并在此基础上 对系统采用自 调整模糊控制器方案进行了理论分析与研究。 本文有一定的理论 和实际应用价值。 一 5一 东北大学硕士学位论文第 i章 异步电机数学模型建立 第z 章异步电动机数学模型建立 2 . 1 矢量控制中的坐标变换 我们知道， 对一个物理对象的数学模型， 在不改变控制对象物理特性的前 提下采用一定的变换手段， 可以获得相对简单的数学描述，以简化对控制对象 的控制。 对异步电机的数学分析也不例外， 在分析异步电机的数学模型时主要 用到的 是坐 标 变换。 z l n z l 2 . 1 . 1坐标变换的约束条件 电机是电磁能量转化的物理实体， 为了不改变电机在坐标变换后的物理特 性， 在变换时必须遵循一定的原则， 在确定电流变换矩阵时， 采用遵守变换前 后所产生的旋转磁场等效的原则;在确定电压变换矩阵和和阻抗变换矩阵时， 采用遵守变换前后电机功率不变的原则。 设在某坐标系下的电路或系统的电压和电流向量分别为u 和i ，在新的坐 标系下，电压和电流向量变成丫和i ，其中 ( 2 . 1 ) 气.1selll.j 卜防以叮卜以 - 卜队卜队 一- ( 2 . 2 ) 自防阵卜卜.民 一一 阳川匹卜凤 一一 定义新向量与原向量的坐标变换关系为 u = cu ( 2 . 3 ) i = 砚i ( 2 . 4 ) 一 6一 东北大学硕士学位论文第 i章 异步电机数学模型建立 第z 章异步电动机数学模型建立 2 . 1 矢量控制中的坐标变换 我们知道， 对一个物理对象的数学模型， 在不改变控制对象物理特性的前 提下采用一定的变换手段， 可以获得相对简单的数学描述，以简化对控制对象 的控制。 对异步电机的数学分析也不例外， 在分析异步电机的数学模型时主要 用到的 是坐 标 变换。 z l n z l 2 . 1 . 1坐标变换的约束条件 电机是电磁能量转化的物理实体， 为了不改变电机在坐标变换后的物理特 性， 在变换时必须遵循一定的原则， 在确定电流变换矩阵时， 采用遵守变换前 后所产生的旋转磁场等效的原则;在确定电压变换矩阵和和阻抗变换矩阵时， 采用遵守变换前后电机功率不变的原则。 设在某坐标系下的电路或系统的电压和电流向量分别为u 和i ，在新的坐 标系下，电压和电流向量变成丫和i ，其中 ( 2 . 1 ) 气.1selll.j 卜防以叮卜以 - 卜队卜队 一- ( 2 . 2 ) 自防阵卜卜.民 一一 阳川匹卜凤 一一 定义新向量与原向量的坐标变换关系为 u = cu ( 2 . 3 ) i = 砚i ( 2 . 4 ) 一 6一 东北大学硕士学位论文第 z章 异步电 机数学模型建立 c , 和c i 分别为电压与电流的变换阵。 如果变换前后的功率不变，则 p = i t u = i ,t u , ( 2 . 5 ) 把式( 2 . 3 ) , ( 2 . 4 ) 代入式( 2 . 5 ) 因止 匕 式中e为单位矩阵。 t u = ( c ,i ,) t c , u , = i ,t c ,t c u , = i , t u 叮 c . = e ( 2 . 6 ) ( 2 . 7 ) 一般为了使变换阵简单好记，把电压和电流变换阵取为同一阵，即令 c . = c ; = c ( 2 . 8 ) 则式( 2 . 7 ) 变成c t c= e 或c t = c - ( 2 . 9 ) 因此，在变换前后功率不变;且电压和电流选取相同变换阵的条件下，变 换阵的逆与其转置相等，变换是正交变换。 2 . 1 . 2三相/ 两相变换 ( c l a r k 变换) 考虑在三相静止坐标系 a, 该变换服从功率不变的约束条件 b , c和二相静止坐标系a、刀 之间的变换。 为了 方便起见， 取a和a 轴重合， 设三相系统每相绕组的 有效匝 数为n , , 二 相 系 统 每 相 绕 组 的 有 效 匝 数 为n , ， 又 设 c v 2 为由 三 相 坐 标 系 变 到 二 相 坐 标 系 的 变 换 阵 ，c z /, 为 其 反 变 换阵 ， 按 照 变 换 前 后 功 率 不 变的 原 则 可以 导 出 c 31 2 = ( 2 . 1 0 ) 1一2迈21-万 12万一2上扼 州侧引川川蒯 。石-2立2 c ,。 一 ， 1? ， 一v3 ( 2 . 1 1 ) 一 7一 东北大学硕士学位论文第 z章 异步电 机数学模型建立 c , 和c i 分别为电压与电流的变换阵。 如果变换前后的功率不变，则 p = i t u = i ,t u , ( 2 . 5 ) 把式( 2 . 3 ) , ( 2 . 4 ) 代入式( 2 . 5 ) 因止 匕 式中e为单位矩阵。 t u = ( c ,i ,) t c , u , = i ,t c ,t c u , = i , t u 叮 c . = e ( 2 . 6 ) ( 2 . 7 ) 一般为了使变换阵简单好记，把电压和电流变换阵取为同一阵，即令 c . = c ; = c ( 2 . 8 ) 则式( 2 . 7 ) 变成c t c= e 或c t = c - ( 2 . 9 ) 因此，在变换前后功率不变;且电压和电流选取相同变换阵的条件下，变 换阵的逆与其转置相等，变换是正交变换。 2 . 1 . 2三相/ 两相变换 ( c l a r k 变换) 考虑在三相静止坐标系 a, 该变换服从功率不变的约束条件 b , c和二相静止坐标系a、刀 之间的变换。 为了 方便起见， 取a和a 轴重合， 设三相系统每相绕组的 有效匝 数为n , , 二 相 系 统 每 相 绕 组 的 有 效 匝 数 为n , ， 又 设 c v 2 为由 三 相 坐 标 系 变 到 二 相 坐 标 系 的 变 换 阵 ，c z /, 为 其 反 变 换阵 ， 按 照 变 换 前 后 功 率 不 变的 原 则 可以 导 出 c 31 2 = ( 2 . 1 0 ) 1一2迈21-万 12万一2上扼 州侧引川川蒯 。石-2立2 c ,。 一 ， 1? ， 一v3 ( 2 . 1 1 ) 一 7一 东北大学硕士学位论文第 z幸 异步电机数学模型建立 可 以 证明 ， c ,/z 既 是 电 流 变 换 阵 也 是 电 压 变 换 阵 ， 同 时 还 是 磁 链的 变 换 阵 。 2 . 1 . 3两相/ 两相旋转变换 ( p a r k 变换) 考虑二相静止坐标系。 、夕 和二相旋转坐标系m, t 之间的变换， 称两相 / 两相旋转变换。坐标系m, t以同步转速旋转，可以导出，两相旋转坐标系 到两相静止坐标系的变换阵为 、leseseses产、十j/ cosgslnpscosg c,./2 ， 一 : c 2s/z， 一 c o s q s i n尹 c o s p 一s m ( 2 . 1 2 ) ( 2 . 1 3 ) 式中必 为m轴与。 轴的夹角。 2 .2 三相异步电动机的数学模型 三相异步电动机是一个多变量、高阶、强祸合、非线性的复杂系统，为了 便于对三相异步电动机进行分析研究， 抽象出理想化电机模型， 对实际电机常 作如下 假设:2 5 6 1 2 1 3 1 5 1(4 2 1 ( 1 )忽略磁路饱和影响，认为各绕组的自感和互感都是恒定的。 ( 2 )忽略空间谐波，三相定子绕组a, b , c及三相转子绕组a , b , c 在空 间对称分布，互差 1 2 0 “电角度，且认为磁动势和磁通在空间都是正弦 规律分布的。 ( 3 )忽略铁心损耗的影响。 ( 4 )不考虑温度和频率变化对电机参数的影响。 在上述假定条件下，异步电机在各种坐标系中的数学模型分析如下。 2 .2 . 1 三相静止坐标系中的异步电机数学模型 无论电机转子是绕线还是鼠 笼式， 都将它等效成绕线转子， 并折算到定子 侧，折算后的每相绕组匝数都相等。这样，实际电机绕组就被等效为图2 . 1 所 示的三相异步电机的物理模型。图中，定子三相绕组轴线 a , b , c在空间是 固定的，以a轴为参考坐标轴， 转子绕组轴线a , b , c 随转子旋转; 转子轴a 与定子a轴间的电角度0 为空间角位移变量，并规定各绕组电压、电流、 磁链 一 9一 东北大学硕士学位论文第 z幸 异步电机数学模型建立 可 以 证明 ， c ,/z 既 是 电 流 变 换 阵 也 是 电 压 变 换 阵 ， 同 时 还 是 磁 链的 变 换 阵 。 2 . 1 . 3两相/ 两相旋转变换 ( p a r k 变换) 考虑二相静止坐标系。 、夕 和二相旋转坐标系m, t 之间的变换， 称两相 / 两相旋转变换。坐标系m, t以同步转速旋转，可以导出，两相旋转坐标系 到两相静止坐标系的变换阵为 、leseseses产、十j/ cosgslnpscosg c,./2 ， 一 : c 2s/z， 一 c o s q s i n尹 c o s p 一s m ( 2 . 1 2 ) ( 2 . 1 3 ) 式中必 为m轴与。 轴的夹角。 2 .2 三相异步电动机的数学模型 三相异步电动机是一个多变量、高阶、强祸合、非线性的复杂系统，为了 便于对三相异步电动机进行分析研究， 抽象出理想化电机模型， 对实际电机常 作如下 假设:2 5 6 1 2 1 3 1 5 1(4 2 1 ( 1 )忽略磁路饱和影响，认为各绕组的自感和互感都是恒定的。 ( 2 )忽略空间谐波，三相定子绕组a, b , c及三相转子绕组a , b , c 在空 间对称分布，互差 1 2 0 “电角度，且认为磁动势和磁通在空间都是正弦 规律分布的。 ( 3 )忽略铁心损耗的影响。 ( 4 )不考虑温度和频率变化对电机参数的影响。 在上述假定条件下，异步电机在各种坐标系中的数学模型分析如下。 2 .2 . 1 三相静止坐标系中的异步电机数学模型 无论电机转子是绕线还是鼠 笼式， 都将它等效成绕线转子， 并折算到定子 侧，折算后的每相绕组匝数都相等。这样，实际电机绕组就被等效为图2 . 1 所 示的三相异步电机的物理模型。图中，定子三相绕组轴线 a , b , c在空间是 固定的，以a轴为参考坐标轴， 转子绕组轴线a , b , c 随转子旋转; 转子轴a 与定子a轴间的电角度0 为空间角位移变量，并规定各绕组电压、电流、 磁链 一 9一 东北大学硕士学位论文第 z幸 异步电机数学模型建立 可 以 证明 ， c ,/z 既 是 电 流 变 换 阵 也 是 电 压 变 换 阵 ， 同 时 还 是 磁 链的 变 换 阵 。 2 . 1 . 3两相/ 两相旋转变换 ( p a r k 变换) 考虑二相静止坐标系。 、夕 和二相旋转坐标系m, t 之间的变换， 称两相 / 两相旋转变换。坐标系m, t以同步转速旋转，可以导出，两相旋转坐标系 到两相静止坐标系的变换阵为 、leseseses产、十j/ cosgslnpscosg c,./2 ， 一 : c 2s/z， 一 c o s q s i n尹 c o s p 一s m ( 2 . 1 2 ) ( 2 . 1 3 ) 式中必 为m轴与。 轴的夹角。 2 .2 三相异步电动机的数学模型 三相异步电动机是一个多变量、高阶、强祸合、非线性的复杂系统，为了 便于对三相异步电动机进行分析研究， 抽象出理想化电机模型， 对实际电机常 作如下 假设:2 5 6 1 2 1 3 1 5 1(4 2 1 ( 1 )忽略磁路饱和影响，认为各绕组的自感和互感都是恒定的。 ( 2 )忽略空间谐波，三相定子绕组a,