（机械设计及理论专业论文）交流电动叉车行走电动机控制器的研制.pdf

福建农林大学硕士论文 摘要 本文通过对交流电动叉车用行走电动机进行研究和分析，设计了一种按转子 磁场定向控制的电动叉车用交流行走电动机矢量控制系统。文中通过对按转子磁 场定向矢量控制系统的进一步研究和分析，使用m a t l a b 软件对按转子磁场定 向矢量控制算法进行仿真研究。同时构建了三节点c a n 工业网络实现了控制器 与叉车中央控制单元的通讯。本论文从矢量控制的基本原理出发，运用 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 a 的高速运算能力和丰富的片内资源完成了带转矩内环转速外环 的转速、电流双闭环矢量控制系统的软、硬件设计。论文完成了矢量控制系统软 件、控制系统硬件电路的设计，并且进行了调试试验工作。同时对交流电动叉车 用行走电动机进行空载和加载试验研究。试验结果表明了系统控制方案的可行性 和有效性，电动机动态响应速度快，在中高速运行时比较平稳，并且获得了较好 的稳态性能。 关键词：交流驱动矢量控制交流电动机 福建农林大学硕士论文 a b s t r a c t t h em a i ni d e ai nt h i sp a p e l i sr e s e a r c h i n ga n dd e s i g n i n ga l lv e c t o rc o n t r o ls v s t e m b yt h er o t o rm a g n e t i cf i e l do r i e n t e dt oc o n t r o la cm o t o rt h a tu s e di ne l e c t r i cf o r k l i f t t h r o u g hf u r t h e rr e s e a r c ha n da n a l y s i sb yt h er 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 r n ， t h e na n a l y s i st h er o t o rm a g n e t i cf i e l do r i e n t e dv e c t o rc o n t r o la l g o r i t h mb yu s i n g ma t l a bs i m u l a t i o n a tt h es r m et i m eb u i l tat h r e e n o d ec a ni n d u s t r i a ln e t w o r k i m p l e m e n t a t i o no ft h e c o n t r o l l e ra n dt h ec e n t r a lc o n t r o lu n i tc o m m u n i c a t i o n s a c c o r d i n g t ot h eb a s i c p r i n c i p l e s o fv e c t o rc o n t r 0 1 a n dt h ef u l lu s eo f t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 a1 1 i 曲一s p e e dc o m p u t i n gp o w e r , r i c h c h i pr e s o u r c e s ，c o n s t r u c t e d 谢m ad o u b l ec l o s e dl o o pv e c t o rc o n t r o ls y s t e m t h e s i sc o m p l e t e dc o n t r o la l g o r i t h m ， c o n t r o ls o f t w a r e ，c o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ，d e b u ga n dt e s t t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt 1 1 a tt h es y s t e r nc o n t r o lp r o g r a mo ft h ef e a s i b i l i t ya n d e f f e c t i v e n e s s h o w e v e r ，b e c a u s eo ft h ee l e c t r i c a lm o d e la n dt h ep a r a m e t e r so f a c c u r a c y , t h ee l e c t r i c a ll o w - s p e e dr u n n i n gi sn o tv e r yg o o d t h et l i 曲一s p e e dr u n t i m e o b t a i nt ot h er e l a t i v e l ys t a b l ea n dab e t t e rd y n a m i cp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：a c 蹦v e v e c t o rc o n t r o la cm o t o r i i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独 立完成的研究成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致 谢中己作了答谢的地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。 与我一同对本研究做出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢 意，如被查有侵犯他人知识产权的行为，由本人承担应有的责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：多秘 日其i j ： 论文使用授权的说明 97 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学 校有权送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在年后解密可适用本授权书。 口 不保密，本论文属于不保密。 一 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：名砩 指导教师亲笔签名： 日期：五厂。 吼q p 福建农林人学硕上论文 1 引言 1 1 电动叉车的特点及发展趋势 随着人类社会的不断发展、进步，人们的环保意识逐步增强，各国都在制订严格的排放 标准，对不满足标准的车辆将强行淘汰或不允许使用。电动叉车由于正是顺应了这一要求， 从而得到了长足的发展，呈现快速增长的趋势。同时，电动叉车噪音低、振动小。电动叉 车噪音一般小于7 0 d b ，内燃叉车噪音一般大于8 0 d b ，低的噪音可减少驾驶员的疲劳，提高 驾驶的舒适性，同时低噪音也减小对周围环境的影响。相对于相同吨位的内燃叉车而言，电 动叉车外形尺寸小，操纵灵活，可在更狭小的空间作业，可提高仓库的利用率。因此，电动 叉车特别适用于仓库以及烟草、食品、纺织、印刷等轻纺行业【2 1 。随着人们环保意识和对工 作环境要求的提高，目前国内外叉车用户对电动叉车的需求是越来越大，在许多领域，电动 叉车正在逐步代替内燃叉车。另一方面，随着现代物流技术向信息化、自动化方向发展，要 求仓储机械，包括电动叉车向全自动化方向发展。以适应未来自动化立体仓库的要求。电动 叉车在这一过程中，有着不可替代的作用。电控系统作为是整个电动车辆的核心部件，关系 到整个车辆的性能好坏和自动化程度的高低【3 1 。采用交流控制技术的叉车产品在国内处于刚 起步阶段，国外一些大的电动叉车生产厂家有成熟的产品。电动车辆由于具有无污染、低噪 声等显著优点，产销量呈逐年上升趋势，我国的电动叉车技术也得到了飞快的发展 4 】。电动 叉车在充分达到环保要求外其购置、使用费用远比内燃叉车便宜合算5 1 。电动叉车凭借其自 身的优势有着广阔的应用前景。 1 2 交流电动机及其控制系统发展现状 由于历史上最早出现的是直流电动机，所以在1 9 世纪8 0 年代以前，直流电气传动是唯一 的电气传动方式 6 】。到1 9 世纪末期，出现了交流电，且解决了三相制交流电的输送和分配问 题，并制成了经济型实用的鼠笼型异步电机，这就使得交流传动在工业中逐步得到了广泛应 用，并把电气传动应用技术推向一个新的阶段。但是由于直流电动机具有运行效率高和调速 性能好等诸多优点，因此从它诞生之日起就一直受到人们的关注，并且在工业和生活中得到 了极为广泛的应用。随着技术的发展直流拖动的薄落环节也逐步显示出来，由于换向器的存 在，使直流电机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境受到限制。人们开始 转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电机。但是交流电机尽管结构简单， 价格低廉，却难以实现象直流电机那样的调速性能，而随着技术的发展，特别是精密加工和 福建农林大学硕士论文 冶金、交通等工业生产过程的进步，对电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范 围等静态特性和动态响应方面都提出了更高的要求。因此在高性能的调速领域，相当长的时 间内几乎都是采用直流电气传动系统。而交流电机则占领了占电气传动总容量8 0 的不调速 传动领域用。 2 0 世纪6 0 年代后，电力电子学、微电子技术和现代电机控制理论的发展，为交流电气传 动产品的开发创造了有利条件，使得交流传动逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动 态响应及四象限运行等良好的技术性能【8 1 。现代电机控制理论的发展，一方面不断地有技术 指标极其苛刻的特殊应用需求，另一方面又要求提高性能、降低损耗、减少成本。微电子技 术和计算机技术的飞速发展，以及控制理论的完善，仿真工具的日渐成熟，给电机控制行业 带来了很多机遇和发展契机。人们已经能够开发出全数字的交流调速产品，采用先进的控制 理论，获得优于直流调速的性能，现代电气传动领域已经步入交流调速取代直流调速的时代。 1 3 本课题研究的目的和意义 本课题研究的三支点电动叉车两个前轮分别由两个独立的交流电动机驱动，后面由单独 一个导轮支撑。驱动系统由行走电动机及其控制器组成，行走电机控制器通过c a n 总线获 取叉车中央控制系统( 已经具备) 的转速信号，经过矢量控制算法输出p w m 信号给功率变 换器来驱动电动机运转。 控制器是实现电动叉车调速和行驶的关键部件，控制器的好坏在很大程度上决定了电动 车辆的动态性能。由于控制系统的针对性比较强，需要根据不同的电机选用不同的控制方案。 早期的电动叉车主要采用直流电机驱动。直流电机存在过载能力小、维护困难、转矩质量比 小等缺陷。而交流电机具有结构简单、体积小、运行可靠、坚固耐用、易于维护等优点【9 1 。 交流电机变频调速技术具有优异的起动和调速性能、高效率、高功率因数和节能效果，得到 了广泛的使用。本课题希望开发出一种基于d s p 的采用矢量控制技术的交流电动机控制器， 控制三支点交流电动叉车的行走电动机，满足其控制系统对动态性能和静态性能的要求。矢 量控制是目前采用较多的交流调速系统，如果在矢量控制系统中进一步加上先进的控制策 略，将会更加满足电动叉车驱动系统的需要，是当前情况下电动叉车驱动系统的发展方向之 一o 1 4 论文主要研究内容 本文通过对交流电动叉车用行走电动机进行研究和分析，设计了一种按转子磁场定向控 2 一 福建农林大学硕士论文 制的电动叉车交流行走电动机矢量控制系统。文中通过对按转子磁场定向矢量控制系统的进 一步研究和分析，运用m a t l a b 软件对按转子磁场定向矢量控制算法进行仿真研究。同时 构建了三节点c a n 工业网络实现了控制器与叉车中央控制单元的通讯。本论文从矢量控制 的基本原理出发，运用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 a 的高速运算能力和丰富的片内资源构造了带转矩内 环转速外环的转速、电流双闭环矢量控制系统的软、硬件设计。论文完成了矢量控制系统软 件、控制系统硬件电路的设计，并且进行了调试试验工作。同时对交流电动叉车用行走电动 机进行空载和加载试验研究。试验结果表明了系统控制方案的可行性和有效性，电动机动态 响应速度快，在中高速运行时比较平稳，并且获得了较好的稳态性能。 3 福建农林大学硕士论文 2 感应电机在不同坐标系下的数学模型及矢量控制系统的基本方程式 三相异步交流感应电动机( 以下简称为感应电机) ，如鼠笼式感应电机具有结构简单， 转子鼠笼坚固可靠，免维护的优点，克服了直流电动机诸多机械方面的不足。同等功率下感 应电机的结构尺寸比直流电机小，尤其是随着变频技术和新颖控制策略的不断出现，使交流 感应电机调速系统的应用越来越广泛。但是，交流电机是高度非线性、强电磁偶合的功率执 行元件，因此与直流电机相比控制要复杂得多。 2 1 感应电机的结构与原理 2 1 1 感应电机的结构 感应电机的结构通常由定子、转子和定子转子之间的气隙三部分组成，如图2 1 所示。 感应电机的气隙较小且比较均匀，定子接交流电源，根据相数可以分为单相、三相和多相， 而感应电机转子主要有绕组式和鼠笼式2 种结构。如三相感应电机定子安放三相对称绕组， 绕组轴线在空间上互差1 2 0 0 电角，转子可以是相同极数的三相对称绕组，也可以是两个端 部短路的鼠笼式绕组，前者称为三相绕组式感应电机，后者成为三相鼠笼式感应电机。 2 1 2 感应电机的工作原理 三相感应电机定子绕组外加三 相对称交流电压，在定子绕组中会 产生同频率的三相对称电流，每相 绕组产生同频率的脉振磁势。在不 考虑谐波磁势的情况下，三相合成 磁势为圆形旋转磁势，并在气隙中 形成圆形旋转磁场，该旋转磁场相 对于定子绕组的转速取决于电源电 压的频率和电动机的极对数。由于 感应电机的转子绕组通常是短路 的，因此闭合转子的绕组在定子气 隙磁场的作用下产生与定子绕组同 频率的感应电动势和转子电流【1 0 1 。 图2 - l 三相感应电机结构 由于定子绕组和转子绕组在气隙中产生的旋转磁场在空间的转速相同，即它们在空间上保持 相对静止关系，因此定转子电流在气隙中产生的气隙磁场相互作用能产生平均电磁转矩，驱 4 福建农林大学硕士论文 动感应电动机运行，同时在气隙中又形成一个合成的气隙磁场，也称为激磁磁场。 2 2 感应电机的基本方程式 感应电机是一个高阶、非线性、强偶合的多变量系统，在研究感应电机数学模型时为了 便于分析，作如下假设【1 1 1 2 】： 设三相绕组对称，空间互差1 2 0 度电角度，所产生的磁动势沿气隙圆周正弦分布； 忽略磁路饱和，绕组的自感和互感都是线性的； 忽略铁耗的影响。 这样，实际电动机 被等效为图2 2 所示的 三相感应电机物理模 型。图中，定子三相绕 组轴线a 、b 、c 在空间 是固定的，故定义为三 相静止坐标系。设a 轴 为参考坐标系，转子以 缈速度旋转，转子绕组 轴线为a ，b ，c 随转子 旋转。a 轴和定子a 轴 间的电角度差为 c 秒= ，c o d t ，称为空间角 位移。 图中的符号： 图2 - 2 感应电动机的物理模型 “爿，“b ，“c ，以口，u b ，u c 定子和转子相电压的瞬时值 z 彳，l b ，l cz 口，i b ，l c 定子和转子相电流的瞬时值 足，r 定子和转子的电阻 t ，t 由漏磁通产生的定子和转子的漏感 厶= k = 厶，定子和转子互感 气 福建农林大学硕上论文 感应电机的数学模型可由以下四组微分方程来描述【1 2 1 3 】： l 、电压方程三相定子绕组电压方程式为 u 4 = i a 足 u b = i b r i 。d 1 _ 一 d t id vb 中一 d t ( 2 1 ) ( 2 2 ) 驴之足+ 誓 沼3 ， 口f 三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程式为 “d = i o g + 百d l l a ( 2 - 4 ) 口f = i b r r + 百d p b ( 2 5 ) 铲之b + 警 协6 ， 2 、磁链方程式每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对他的互感磁链之和， 爿 v8 n c 虬 既 甲c 式中：自感i a 口= 厶6 = 丘。- - - 厶2 l a a = l s s = l c c = t l l 互感l a b = 如= = 如= 三厶 厶= 乞= = 厶= 三厶 乞= 乞= = 乞= 厶m s o 6 ( 2 7 ) bk吃毛 “励励k 如 珈励伽励励励珈励励知伽如 c c c c c c伽伽船伽伽伽 b 口 口 日 占 b珈伽助助伽励 肌 删 “ 二吾 嘲 钒跏励励砌励助 福建农林大学硕上论文 么= 乞= = k = 乙c o s ( o 一1 2 0 0 ) 乞= 乞= = k = 厶c o 文0 + 1 2 0 0 ) 3 、转矩方程式 r e = p 州厶 ( 乞+ 屯+ i c i 。) s i n 0 + ( i a i b + 之+ i c i 口) s i n ( 8 + 1 2 0 0 ) + ( 之+ 乞+ 七) s i n ( 秒一1 2 0 。) 2 - 8 4 、运动方程式 z = 互+ 瓦j 百d o ) 式中：乏负载转矩 ，机组的转动惯量 电动机极对数 ( 2 9 ) 由以上方程式可知，感应电机的强偶合性主要表现在磁链和转矩方程式中，既有三相绕 组之间的偶合，又有定、转子绕组之间的偶合，还存在转矩方程式中的磁场与定、转子电流 之间的相互影响，其根源在于它有一个复杂的电感矩阵。通常需要用坐标变换的方法加以改 造，最后得出与三相感应电机等效的直流电动机模型。 2 3 感应电机突出转子磁链的t - 1 型等效电路 图2 - 3 为通常见到的感应电机 一相等效电路图。其特点：一是忽 略铁耗；二是着眼于对转子磁通唬 进行公式推导，用于矢量控制。 图中：u 定子相电压 巨，最定子和转子感应 电动势 定子电流 乞转子电流 励磁电流 疋乙一峨 图2 3 感应电动机突出转予磁链的t - i 型等效电路 7 福建农林大学硕上论文 墨，r 2 定子和转子电阻 口l mf l r 图中若令= 厶a ，并定义为转矩电流，则定子电流即可分解为励磁电流分量l 和 转矩电流分量。据此可画出向量图及推导出转矩表达式。 转矩表达式推导如下： 辅等= 云c 姒炉云w 钞旬等欢 协 由上面分析可知，t - 1 型等效电路适用于矢量控制，对l 、分别控制，力图保持转 子磁通欢恒定，使转矩在静态和，- ，1 0 。 2 4 坐标变换 由三相感应电机的数学模型可知，研究其特性并控制时，若用两相就比三相简单；如果 能用直流控制就比交流控制更方便为了对三相系统进行简化，就必须对电动机的参考坐标系 进行变换。在研究矢量控制时定义有三种坐标系，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 ) 。 2 4 1 三相静止坐标系( 么一b c ) 与两相 静止坐标系似一) 之间的变换 图2 4 中，a 、b 、c 为三相对称静止绕组， 通以三相平衡的正弦电流，产生合成磁动势f ， 以同步角速度q 旋转，a 、b 、c 轴称为三相静 止坐标系睨，为两相静止绕组，他们在空间 互差9 0 0 ，且通入时间上互差9 0 0 的两相交流 电，也可以产生以上相同的磁动势f ，图中口， 图2 - 4 从三相静止坐标到两相静止坐标的变换 轴称为两相静止坐标系。由于它们的磁动势和转 速都相等，故可认为这两种坐标系等效。 一个旋转矢量f 从三相定子a b c 坐标系变换到两相定子口一坐标系，称为c l a r k e 8 - 福建农林大学硕士论文 变换，也叫3 2 变换，其矩阵式为【1 4 - 1 5 l 跳 列嘲 m 压 时、； 1o 1历 22 1压 22 嘲 2 4 2 两相静止坐标系 一) 与两相旋转坐标系( m 一丁) 之间的变换 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 图2 - 5 表示两种坐标系，口- p 为两相静止坐标系，m 一丁为两相旋转坐标系。m 、r 绕组在空间垂直放置，且分别加上 直流电压“矿“，产生磁动势f 相对 绕组是静止的。如果让坐标以同步 角速度q 旋转，则产生的磁动势与 口一坐标系等效。m 、r 和 口、轴的夹角乡是一个变量随负 7 又m d厢一 v 雒 载、转速而变，不同的时刻有不同 图2 5 从两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换 的值。 一个旋转矢量f 从垂直坐标系变换到定向坐标系，称为p a r k 变换，其矩阵式为 其逆变换，即p a r k 逆变换的矩阵式为 r f - c o s o 引2k 秒 9 - s i 们僻 ( 2 - 1 3 ) c o s 臼儿j ( 2 1 4 ) 秒 p n誓咄 l = 1j lm0 。l 1j 丌儿 的p 一 瞄 福建农林大学硕士论文 2 5 感应电机在不同坐标系下的数学模型 2 5 1 在两相静止坐标系他一) 上的数学模型 图2 - 6 为用两相交流表示的电动机等效电路图。设转子角速度，则定子与转子轴线的夹 角为秒。将三相感应电机的数学模型式与c l a r k 坐标变换矩阵式合并并整理。得到电动机在 两相静上 ：坐标系的数学模型为【1 6 1 7 】 式中： u 口i l n e t 2 2 i 足+ 厶p 0 z p 0 1 0 r + 厶p 0 厶p i 厶p 国乙碍+ l r p 功 l c o l m 乙p一国tb + p g o t l = 足屯l + p 1 l = 足移l + p 坳1 2 = 足屯2 + p 2 + 国2 2 = r 2 + p g p 2 + 缈2 磁链方程为： l = t l e t l + 厶屯2 t = t 移- + l z 2 = l 所屯l + t 乞2 缈8 2 = l 08 、+ l r i p 2 乞1 砀1 乞2 t p 2 图2 - 6 用两相静止坐标系表示的感应电动机等效电路 ( 2 1 5 ) 在两相静止坐标系上的数 学模型方程，是矢量控制的基本方程之一。图中各电压、电流量均为交流正弦量，在两相静 止坐标系下转矩表达式为： t e = 乙( l 屯2 一屯l i f t 2 ) ( 2 1 6 ) = k 【砀l k 2 一z 口 j ( 2 - 2 5 2 在两相旋转坐标系( m 一丁) 上的数学模型 设坐标轴m 、t 以同步角速度q 旋转，且规定m 轴沿着转子总磁链矢量缈2 的方向，t 轴垂直于矢量奶。这种两相同步旋转坐标系就称为m - t 坐标系，或称为按转子磁场定向的 两相坐标系。在m t 坐标系中认为m 、t 绕组是流过直流电流的。其合成磁动势f 之所以 旋转是因为假设坐标轴在旋转。由于转子的角速度为c o ，故转子的感应电动势与转差角频 1 n 福建农林大学硕士论文 率q 有关( 哆= q c o ) 。异步电动机在m t 旋转坐标系上按转子磁场定向的转矩产生模 型，如图2 7 所示 图2 7 感应电动机在m t 坐标系上转矩产生模型 异步电动机在m 、t 坐标系下的工作状态可由以下3 个方程式来描述 1 8 】： 慝 慝 r s + l s p一i l s 工sr s - k l s p 厶p 0 织l 0 l m p q 厶 r r + l r p q l m l l l r n 2 2 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ，丌 、 p = p mi 、2 z 研2 一沙所2 z f 2 ) ( 2 - 1 9 ) 式( 2 1 7 ) 中的第三、第四行出现零元素，减少了多变量之间的偶合关系，使模型得到 简化。经运算后得到矢量控制下的转矩方程为 l 卜一半睁) = 每渺z = 印。l 所以，= 亭鼍t p 用k ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) o k o k 0 t o 0 厶o 乙 t 0 k 0 福建农林大学硕士论文 而0 = 织( k f m l + l r 0 2 ) + r 2 = q - i - r 2 黝o , , = - - r r i , 2 由 厶。+ 2 = 0 得 铲一每- 整理得q 2 嫠t ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 上式( 2 - 2 4 ) 反映转差角频率织与定子电流转矩分量l 之间的关系，成为转差型矢量 控制的基本方程式a 而前已推导出f f l 和乙的关系，可进一步推导出q 和乙的关系以保持转 矩的直接控制 织2 磅乙 协2 5 ， 进一步推导励磁电流乙1 和y 2 之间的传递函数，以了解转矩控制的动态特性。 得到 2 历l 可m 乙t 式中 互为转子励磁时间常数，正= 每。 ( 2 2 6 ) 由上式可知，与l 之间的传递函数是一阶惯性环节，这和直流电动机励磁特性是相 似的，其涵义是：当励磁分量乙i 突变时，y 2 的变化要受到励磁惯性的阻挠，这和直流电动 机励磁绕组惯性的作用是一致的。当达到稳定时，p m l 1 2 = 0 ， 因而 弘z 2 = 厶乙1 黝 驴等( 2 - 2 7 ) 上述给出的式( 2 2 1 ) 、式( 2 2 5 ) 、式( 2 2 7 ) 三个方程式是构成转差型矢量控制系统 的基本方程式，它描述了】i l 和乃、的关系1 9 1 。 由于口、p m 均为常数，故感应电机在m t 坐标系上的转矩方程与直流电动机非常相似， 1 2 福建农林大学硕士论文 控制就容易进行了。 2 6 本章小结 本章主要介绍了感应电动机的基本方程式和感应电机突出转子磁链的t - l 型等效电路， 给出了感应电动机在不同坐标系下的数学模型以及各坐标系之间的变换矩阵式，最后给出了 感应电动机转差型矢量控制的基本方程式，为交流电动叉车行走电动机控制器的设计打下了 理论基础。 1 3 福建农林大学硕士论文 3 矢量控制系统的实现方法及m a t l a b 仿真分析 3 1 感应电动机按转子磁场定向控制的实现方法 从上一章的分析可知，采用转子磁场定向控制策略感应电动机要满足如下公式例： 西2 磅c 国s 2p m 考i ? e ( 3 1 ) i ：i5 志c 协2 ， 由于该系统为保持磁通恒定的控制，故设e 。为常数，则 杪， i m l5 k ( 3 3 ) 首先将角速度参考指令缈+ 和检测到的电动机的实际转速国的偏差信号送入p i 调节器， 算出电磁转矩控制量一z 指令，进一步得到电动机定子转矩电流参考信号。将检测到的两路 定子相电流根据转子磁链的位置，变换到两相旋转坐标系中，与参考信号相比较，利用p i 控制算法，实现对瞬时转矩和磁链的控制，然后经过一系列坐标变换后，即可得到三相电流 指令、，最终产生s v p w m 调制信号，送给逆变器的驱动电路，使电动机得到精确 的控制【2 。 对感应电动机控制来说转子机械旋转速度并不等于转子磁链旋转速度。因此控制算法中 所必须的转子磁链位置信号不能直接通过检测转子机械位置传感器信号获得。所以必须设计 一个电流磁链转换模块，以电流z 册和z 耵以及电动机机械旋转速度为输入信号，输出转子 磁链位置【2 l 】。感应电动机按转子磁场定向控制系统原理图如图3 1 所示。 - - 1 4 - 福建农林大学硕士论文 图3 1 感应电动机按转子磁场定向控制系统框图 感应电动机的磁场定向控制过程可简单描述为以下过程。首先通过光电编码器或者测速 计得到电动机的转速，并与速度参考输入相比较，比较结果送给速度环p i 控制器，得到定 子和电流参考输入信号z 跏可和o s 呵，其中z 册阿为参考信号的磁场分量，z s 呵为参考信 号的转矩分量。再把定子相电流吃和z 6 检测出来送到c l a r k e 变换模块，得到电流信号z 艘和 2 妒。把这两个分量作为输入变量送往p a r k 变换模块，将其变换到m t 旋转坐标系中，得 到的z 册和1 “分量与参考信号呵和h 相比较并进行p i 控制。得到的输出变量为 u 啊和k 被送往p a r k 逆变换模块，得到萨坐标系中的输出量和v s p r q - ，电 压空间欠量s v p w m 模块根据这两个输入量计算出实际p w m 信号的占空比【2 2 23 1 ，输出正 确的p w m 信号，驱动逆变器。由图3 1 可知，外环速度环产生了定子电流的参考值，内环 电流环得到实际控制信号，共同组成完整的速度电流双闭环控制系统。 3 2 感应电动机按转子磁场定向控制方法的m a t l a b 仿真 m a t l a b 语言是一种面向科学与工程计算的高级语言，它集科学计算、自动控制、信 号处理、神经网络和图象处理等功能于一体，具有极高的编程效率。它是一个高级的数学分 析与运算软件，可用作动态系统的建模与仿真伫4 2 5 1 。目前，电机控制系统越来越复杂，不 断有新的控制算法被采用。仿真是对其进行研究的一个重要的不可缺少的手段。m a t l a b 语言在其仿真研究中被成功地应用在各种科研过程中。 在m a t l a b 环境下根据感应电动机在m t 坐标系下的数学模型即式( 2 1 7 ) 、式( 2 1 8 ) 1 5 福建农林火学硕士论文 和式( 2 1 9 ) ，编制m 文件建立感应电动机的仿真模型。同时根据如图3 2 的仿真框图中各 参数传递路线编写各个模块的m 文件，建立一个感应电动机按转子磁场定向控制的 m a t l a b 仿真系统。整个仿真系统主要包括感应电动机模型模块、电流p i 调节模块、速度 p i 调节模块、p a r k 变换模块、p a r k 逆变换模块和电流磁链模块。 图3 - 2 感应电动机按转子磁场定向控制的m a t l a b 仿真系统框图 在仿真过程中采用电动机的标幺值数学模型，即将电动机的状态量电流、电压、转矩、 转速，以及参数中的电阻、电感等都用相对值( p u 值) 来表示。将物理量的实际值除以其同 单位的基值。选用电动机的标幺值数学模型可以将所有的物理量的数值都限定在 1 ，1 】之间， 简化仿真过程中的计算量。 仿真过程中使用的电动机的参数：三相交流电动机，额定功率4 9 k w ，额定电压2 7 v a c ， 额定频率5 0 h z ，额定转矩3 2 n m ，转差率为0 0 3 ，额定转速1 4 5 5 r p m ，极对数为2 ，定子电阻 为3 8 0 1 t ) ，转子电阻为4 1 0 2 q ，定子电感为0 1 6 6 h ，转子电感为0 1 7 2 h ，互感为0 1 5 9 i - 1 。 兮 e 型 躅 捉 j l = 图3 3 感应电动机速度响应曲线 1 6 福建农林大学硕上论文 兮 e 聂 如 * 蓬 羽 兮 e 嫱 口 - 卜 议 k 1 皤 冀 睾 ： 时间( s ) 图3 4 负载不变时m t 坐标系下定子电流响应曲线 图3 - 5 负载不变时口一口坐标系下定子电压响应曲线 时间( s ) 图3 - 6 感应电动机转矩响应曲线 图3 3 到图3 - 6 分别是感应电动机在负载不变而转速突变时不同坐标系下的电流响应曲 线及速度和转矩响应曲线。仿真条件：从启动到o 5 s 内电动机按给定转速为5 8 2 r p m ( 标幺 值由o 4 ) 运行，仿真时间等于0 5 s 时转速从5 8 2 r p m 变为1 1 6 4 r p m ( 标幺值由0 4 变为o 8 ) ， 给定转矩为6 4 n m ( 标幺值o 2 ) 。图3 4 明m t 坐标系下电流为直流量，图3 3 表明感应 电动机速度响应特性良好，响应时间约为1 5 0 m s 。图3 - 6 表明速度突变时感应电动机转矩产 生脉动，1 5 0 m s 后趋于平稳。 1 7 一nd一邕掣上毫卜嶙馨睾m19早至再 福建农林大学硕士论文 邑 = 藏 鬈 避 鲁 兮 e 嫣 脚 卜 议 匕 倏 蜷 割 卜 i z 誊 型 捌 叠 卜 啦 图3 7 感应电动机转矩响应曲线 图3 8 速度不变时m t 坐标系下定子电流响应曲线 图3 - 9 速度不变时口一坐标系下定子电压响应曲线 图3 1 0 感应电动机速度响应曲线 - 1 8 福建农林大学硕上论文 图3 7 到图3 1 0 分别是感应电动机在速度不变而负载突变时不同坐标系下的电流响应 曲线及速度和转矩响应曲线。仿真条件：从启动到0 5 s 内电动机按给定转速为4 7 8 r p m ( 标 幺值o 3 3 ) ，给定转矩为3 2 n m ( 标幺值为o 1 ) 运行，仿真时间等于0 5 s 时负载从3 2 n m 变为9 6 n m ( 标幺值由o 1 变为o 3 ) ，给定速度不变。图3 1 0 表明负载突变时感应电动机 转速产生脉动，1 5 0 m s 后趋于平稳。 通过在m a t l a b 环境下对感应电动机磁场定向控制的仿真分析可知，对感应电动机使 用矢量控制方法进行控制时具有动态特性好，速度、转矩响应迅速等特点，可以满足对电 动叉车频繁换向及频繁启动、制动工况下的行走电动机的控制。同时m a t l a b 仿真过程中 整定得到的p i 调节器参数k p 、k 1 、( 其中：l q 为比例系数、k l 为积分系数、为积分饱 和修正系数) 为后面实际控制器软、硬件现场调试提供依据，可以节省现场调试时间，提高 调试现场效率。其中电流p i 调节器参数为k id - o 6 5 、k if ：o 0 0 1 、k ic = 0 1 ，速度p i 调节器 参数为k sg = 0 8 6 、k sr = 0 01 、k sc = 0 9 。 3 3 本章小结 本章从感应电动机矢量控制理论出发；根据矢量控制的基本方程式，给出了感应电动机 按转子磁场定向控制系统框图。接着对电动叉车行走电动机控制器所采用的按转子磁场定向 控制的控制算法在m a t l a b 环境下进行仿真研究，仿真结果表明对感应电动机使用矢量控 制方法进行控制时具有动态特性好，速度、转矩响应迅速等特点；仿真过程中整定得到的 p i 调节器参数将用于实际控制系统，可提高现场调试效率。本章的内容为后面的电动叉车 行走电动机控制器软、硬件设计提供了理论依据。 1 9 福建农林大学硕士论文 4 电动叉车行走电动机控制器硬件设计 4 1 硬件设计概述 交流电动叉车行走电动机控制电路是交流行走电动机正常运行并实现各种调速伺服功 能的指挥中心，它主要完成以下功能： 与叉车中央控制单元通讯获得指令速度。 对p w m 调制信号和停车信号进行逻辑综合，以给驱动电路提供各开关管的斩波信 号和选通信号，实现电机的启停和调速控制。 对电动机进行电流闭环控制，使系统具有较好的动态和静态性能；同时对电动机进 行速度闭环控制使叉车具有高的转矩输出，叉车速度响应快。 实现过流、过热等故障保护功能等。 本系统的硬件主要包括开关电源模块、e c u 模块( 控制电路) 、逆变模块( 功率驱动电 路) 、信号检测模块和c a n 通信模块五大部分。其中逆变模块属于强电部分其他模块均属 弱电部分。强电部分驱动电机运转弱电部分通过采样强电电流和电机转速进行矢量控制运算 得出六路p w m 信号控制强电部分的输出。 系统硬件结构如图4 1 ，c a n 通信电路从c a n 通信网络中接收叉车中央控制单元发出 的指令速度，本系统中的e c u 根据该指令速度计算并输出正确的6 路p w m 信号控制逆变 模块驱动电动机运转，同时对系统状态进行采样检测和实时控制。系统的保护电路主要包括 过流、过热保护。 图4 1 电动叉车交流行走电动机控制器硬件框图 2 0 福建农林大学硕士论文 本电路系统中采用叉车携带的蓄电池作为其电源，电压为4 8 v 。而系统所使用的c p u 和传感器需要不同的电压，并且与i g b t 驱动芯片所需的电压也不同。因此必须设计一个 d c d c 变换的多路输出直流稳压电源。该电源为整个控制系统运行提供能量。 e c u 模块是本系统的关键，通过指令速度信号的接受及采样的电流、转速等信号实时 的处理，通过矢量控制算法输出正确的六路p w m 信号，控制逆变电路。 逆变电路包括p w m 信号驱动电路和功率变换电路，逆变电路主要功能是根据e c u 调 制输出的p w m 信号将蓄电池的直流电转换成三相交流电，拖动感应电动机运行。 信号检测电路的主要作用是检测和实时监控系统工作状态，并将工作状态经过转换后反 馈到d s p 2 4 0 6 控制器，并由d s p 主控制器按照事先确定的算法进行处理后，在为各部分电 路输出所需要的控制信号或保护信号，以达到控制输出和为系统及电动机提供必要保护的目 的。信号检测是变频调速系统的重要组成部分，信号检测电路设计的合理与否直接关系到系 统运行的可靠性和控制精度，本系统的信号检测电路分为电流检测和转速检测两部分。 行走电动机控制器是根据叉车中央控制器的指令速度行驶的，c a n 通信模块硬件的功 能主要是使控制器能快速准确的接收到叉车中央控制器的指令速度。 4 2 开关电源电路设计 2 0 0 2 年p i 公司推出了d p a - - s w i t c h 系列单片d c d c 电源变换器，主要包括d p a 4 2 3 r 、 d p a 4 2 4 r 、d p a 4 2 5 r 、d p a 4 2 6 r 四种型号。d p a - - s w i t c h 系列产品具有价格低廉、性能优 良、设计灵活等优点，能降低电源成本，简化设计，适用于分布式电源系统、网络供电设备 及2 4 v 4 8 v 的工业控制【2 6 】。 本电路系统中电源采用叉车携带的蓄电池，电压为4 8 v 。而e c u 模块中的c p u 和传 感器需要不同的电压，并且与i g b t 驱动芯片所需的电压也不同。因此必须设计一个d c d c 变换的多路输出直流稳压电源。 开关电源技术指标：输入直流电压范围为3 6 v 7 2v ；四路输出设计：主输出1 5 v ，输 出电流2 5 a ，功率3 7 5 w ；其他辅助输出：+ 5 v 和+ 3 3 v 隔离输出，隔离输出2 路共地的1 5 v 和1 5 v ，每一路的输出电流为1 0 0m a ，总输出功率大于4 0w 。 采用配t l 4 3 1 的精密光耦反馈电路，其电路较复杂，但稳压性能比较好。这里用t l 4 3 1 型可调式精密并联稳压器来代替稳压管，构成外部误差放大器，进而对输出电压作精密调整， 可使电压调整率和负载调整率均达到o 2 ，能与线性稳压电源相媲美2 7 1 。( 开关电源电路 原理图见附录一) 2 l - 福建农林大学硕士论文 4 3e c u 电路的设计 t m s 3 2 0 l f 2 0 0 0 是德州仪器公司推出的适合于工业控制，尤其适合于电动机控制的定点 d s p 芯片系列。作为d s p 控制器2 0 0 0 系列的成员之一，f 2 4 0 6 a 芯片具有处理性能更好、 外设集成度更高、程序存储器更大、a d 转换速度更快等特点，是电机数字化控制的升级产 品。本系统的控制芯片选用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 a ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 a 硬件结构特点如下【2 8 - 2 9 】： 采用高性能静态静态c o m s 技术，供电电压为3 3 v ，减小了控制器的功耗；4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短为2 5 n s ( 4 0 m h z ) ； 外部存储空间接口：6 4 k 的1 6 位程序空间、6 4 k 字1 6 位数据空间； 片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，5 4 4 字的双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的 单口r a m ( s a r a m ) ； 外设中断扩展模块，最多支持4 5 个外部中断； 动态p l l ，主频可由软件编程修改、片上看门狗电路； 5 个外部中断源( 2 个电机驱动保护、复位、2 个可屏蔽的中断； 3 个通用定时器； 两个事件管理器模块：e v a 和e v b 。每个事件管理器模块包括两个1 6 位通用定时 器、比较单元、捕获单元、8 个1 6 位的脉宽调$ 1 j ( p w m ) 通道以及正交编码脉冲输 入电路。它们能够实现：p w m 的对称和非对称波形；可编程的p w m 死区控制以 防止上下桥臂同时导通而引起短路。事件管理器模块适用于控制交流感应电机、无 刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机以及逆变器。 l o 位a d 转换器最小的转换时间为5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理器来触发2 个 8 通道输入a d 转换器或1 个1 6 通道输入a d 转换器，而每次要转换的通道 都可通过编程来选择。 多种标准串口外设：1 个s p i 同步串口、1 个s c i 异步串口、1 个增强型c a n 总线 接口； 基于t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 d s p 的c p u 内核，与t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容。 本系统设计中所用的d s p 硬件资源有： 事件管理器( e v a ) 模块 每个2 4 0 6 器件都包括两个事件管理器e v a 和e v b ，每个事件管理器模块包括通用定 时器、比较单元、捕获单元以及正交编码脉冲电路。l f 2 4 0 6 a 上有4 个通用定时器，每个 2 2 - 福建农林大学硕士论文 通用定时器可通过定时器控制寄存器配置，有下溢、上溢、周期、比较四种中断资源。同时 通用定时器为其它子模块提供时基，t l 和t 3 适用于所有比较和p w m 电路，t 2 和t 4 适用 于捕获单元和正交脉冲计数操作。 全比较单元利用可编程的死区控制电路编程产生6 路p w m 波形生成的输出。带死区控 制的p w m 输出脉冲宽度的变化量最小为一个c p u 时钟周期。可响应功率驱动保护中断。 捕获单元提供对不同事件或跳变的捕获功能，可编程实现捕