异步电机矢量控制系统设计

江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 1 摘 要 目前广泛研究应用的异步电机调速技术有恒压频比控制方式 矢量控制 直接转矩控制等 本论文中所讨论的是异步电机矢量控制调速法 相对于恒压 频比控制和直接转矩控制 它有优秀的动态性能和低速性能 还有其调速范围 宽的优点 在给出异步电动机的矢量控制原理的同时 一并给出了矢量变换实现的步 骤 解释了三相异步电动机数学模型的解耦方法 在论述了三相异步电功机的 磁场定向原理之后 又介绍了转子磁链计算方法并设计了转子磁链观测器 详 细分析了转矩调节器 转速调节器和磁通调节器的工作原理 并根据各个调节 器的原理对各个调节器进行了相应的设计 以 DSP 为控制核心 设计了异步电 机矢量控制系统的硬件电路 关键词 关键词 异步电机 矢量控制 DSP 处理器 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 2 1 概述 1 1 系统设计的主要任务要求 异步电机矢量控制系统设计是基于三相异步电机的交流调速技术的研究 1 2 3 本设计的主要任务有 1 研究矢量控制系统的原理 4 2 研究矢量 控制系统的实现方法 3 分析矢量控制系统特点及软硬件接口 4 设计矢 量控制系统硬件电路 5 设计矢量控制系统的软件流程 6 对矢量控制的数 学模型进行仿真分析 5 1 2 国内外研究现状 矢量控制理论是由美国和德国的科学家在二十世纪七十年分别提出的理论 5 6 经过半个世纪的补充和完善 使得矢量控制技术在工农业各种生产应用中 逐渐突出 7 8 交流电机矢量控制技术就是建立电机可靠的数学模型 把定子电流矢量分 解为转矩电流矢量和励磁电流矢量 分别控制其方向和大小 使其合成变频器 的可控有效信号 9 此技术是建立在直流调速系统深入研究基础上的仿直流调 速系统 它实现了交流电机的直流化控制 进而极大地提高了交流调速系统的 高效性 稳定性和易操作性 异步电机矢量控制系统的基本思想是通过对变频 器参数的控制信号的分析控制 实现对电磁转矩的有效控制 使得异步电机调 速系统获得和直流调速系统相似的控制方法及控制效果 具体原理如下 首先 将电流的坐标变换 将定子上的三相对称电流 通过坐标变换到同步AiBiCi 旋转坐标系 d q 坐标系下两相直流电流 同步旋转坐标系下 始终保持 d q 坐 标系中 d 轴与转子磁场方向一致 即通过数学变换将三相交流电机的电子电流 分解为两个分量 产生旋转磁动势的励磁分量和产生电磁转矩分量 然后Miri 以控制电流电机的方式分别对磁场和转矩进行单独控制 再经过变换方式把控 制的结果转换成随时间变化的瞬间变量 所以系统控制频率特性好 控制精度 高 转矩动态响应速度快 总而言之 矢量控制技术的发展及完善极大地提高了工农业的生产水平 并减少了对环境的破坏 降低了对能源的损耗 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 3 1 3 本设计的完成的主要工作 在设计中主要研究了按转子磁链定向的异步电机矢量控制系统 并对系统 的硬件设计 10 软件设计 仿真分析 11 12 及控制方法做了详细的论述和验证 在本设计中可以分为理论研究 硬件设计 软件流程设计 系统等几个部分 采用空间电压矢量脉宽调制 SVPWM 技术 13 使得系统的控制效果突出于 传统的控制方法 本文所完成主要工作包括 1 介绍了交流调速系统的发展和控制方法的完善以及本系统研究的应用 背景和意义 2 对电机的矢量控制的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 对系统硬件电路的设计进行详细解释 设计采用 TI 公司生产的 DSP 芯片 TMS320F2818 作为控制核心并进行了硬件控制电路设计 14 另外还设计了 相应的以智能控制模块为核心的逆变耦合电路 检测电路 整流滤波电路以及 保护电路 4 详细论述了本设计的采用的矢量控制系统软件 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 5 建立了系统在 Simulink 平台上仿真模型 对系统的参数进行了设置 最后得出了系统的仿真控制模型效果图 验证了系统设计的正确性及可行性 6 对整个矢量控制系统的优点和缺点进行了分析和总结 并对以后的研 究方向进行了展望 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 4 2 异步电机调速的基本理论 2 1 异步电机的三相数学模型 因为在研究异步电机的数学模型时研究的是理想模型 所以需要对模型条 件进行假设 15 1 忽略空间内的谐波 设三相绕组为对称绕组 在空间中互相相差电 3 2 角度 所产生磁动势沿气隙按正弦规律分布 2 忽略磁路的饱和影响 假设各绕组互感以及自感都是恒定的 3 忽略铁心中的损耗 4 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻阻值和耗散功率的影响 无论异步电机转子是绕线型还是笼型的 都可以等效成三相绕线转子 并 折算到定子侧 折算后的定子和转子绕组匝数等 异步电机三相绕组可以是 Y 联结 也可以是 联结 以下均以 Y 联结进行讨论 若三相绕组为 联结 可 先用 Y 变换 等效为 Y 联结 然后按 Y 联结进行分析和设计 三相异步电机的物理结构模型如图 1 所示 定子三相绕组轴线 AB 在空间中是固定的 转子绕组轴线 以角速度随转子旋转 如以Cabc 轴作为参考坐标轴 转子轴和定子轴间的电角度为空间角位移变量 AaA 规定各绕组电压 电流 磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 5 图 2 1 三相异步电机的物理模型 2 1 12 1 1 异步电机三相动态数学模型的数学表达式异步电机三相动态数学模型的数学表达式 异步电机动态数学模型由电压方程 磁链方程 运动方程和转矩方程组成 其中磁链方程和转矩方程是代数方程 电压方程和运动方程是微分方程 1 磁链方程 异步电机每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链 之和 因此 六个绕组可用下式表示 2 1 c b a C B A LLLLLL LLLLLL LLLLLL LLLLLL LLLLLL LLLLLL bccbcacCcBcA bcbbbabCbBbA acabaaaCaBaA CcCbCaCCCBCA BcBbBaBCBBBA AcAbAaACABAA i i i i i i c b a C B A 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 6 或写成 2 1a Li 式中 定子和转子相电流的瞬时值 iAiBiCiaibic 各相绕组的全磁链 L 为电感矩阵 其中对角元 cbaCBA 素 是各相绕组的自感 其余各项都是相应 LAALBBLCCLaaLbbLcc 两相绕组间的互感 定子各相的漏磁通所对应电感就是定子漏感 各相转子 Lls 的漏磁通相对应转子上的漏感 由于各相绕组是对称的 所以各相的漏感值 Llr 均相等 相对于定子互感的是定子一相的绕组交链的磁通最大互感值 而 Lms 相对应于转子互感的是转子一相绕组的交链中的最大的互感磁通 由于折 Lmr 算后的定子和转子的绕组匝数相等 故 上述各量都已折算到定子侧 LmsLmr 为了简单起见 表示这算量的上角标 均省略 以下同此 对于每一相的绕组来说 它所交链的磁通是漏感磁通与互感磁通之和 因 此 定子各相的自感为 2 2 LLLLLlsmsCCBBAA 而转子各相的自感为 2 3 LLLLLlsmsccbbaa 绕组之间互感分为两类 定子三相相互之间和转子三相相互之间的位置 都相对固定的 所以互感值是常量 定子任意一相与转子任意一相之间相对 位置都是变化着的 所以互感值是角位移 的函数 先讨论第一种情况 三相绕组的轴线在空间中彼此的相位相差是 如 3 2 果假设气隙磁通是正弦分布的 那么互感的值就应该是 于是就有 LLLmsmsms 2 1 3 2 cos 3 2 cos 2 4 LLLLLLL LLLLLLL msaccbbacabcab msACCBBACABCAB 2 1 2 1 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 7 关于第二种情况 也就是定 转子绕组间的互感由于绕组的相对位置变化 而变化时 见图 2 1 可分别表示为 2 5 3 2 cos 3 2 cos cos LLLLLLL LLLLLLL LLLLLLL msbCCbaBBacAAc msaCCacBBcbAAb msCccCbBBbaAAa 在定子和转子的两相绕组的轴线重合时 两者的互感值最大 就是最 Lms 大互感 将式 2 4 式 2 5 代入式 2 1 即得到完整的磁链方程 用矩阵表 示为 2 6 i i LL LL r s rrrs srss r s 式中 iii iii cba CBA cba CBA T r T s T r T s i i 2 7 LLLL LLLL LLLL L lsmsmsms mslsmsms msmslsms ss 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 8 LLLL LLLL LLLL L lrmsLms mslrmsms msmslrms rr 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 8 2 9 cos 3 2 cos 3 2 cos 3 2 coscos 3 2 cos 3 2 cos 3 2 coscos LLLms T srrs 和互为转置矩阵 而且都和转子的位置有关 它们的元素均为变参 LrsLsr 数 这是系统非线性的一个根源 2 1 22 1 2 电压方程电压方程 定子的三相绕组的电压平衡方程式为 2 10 d d Riu d d Riu d d Riu t C sCC t B sBB t A sAA 相对应 转子的三相绕组折算到定子一侧之后电压方程式为 2 11 d d Riu d d Riu d d Riu t c rcc t b rbb t a raa 式中为定子和转子相电压的瞬时值 uuuuuucbaCBA 为定子和转子绕组电阻 RRrs 将电压方程写成矩阵形式 2 12 c b a C B A t c b a C B A s s s s s s c b a C B A d i i i i i i R R R R R R u u u u u u d 00000 00000 00000 00000 00000 00000 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 9 或写成 2 13 d d t Riu 如果把磁链方程式代入到电压方程式 那么得展开之后的电压方程式为 2 14 i L LRi i L LRiLiRiu i i dd d dd d d d dd t ttt 式中 由于电流变化而引起的脉变的电动势 dt di L 由于定子和转子的相对位置变化而产生的与转速之间成正比 i L dt d 关系的电动势 即旋转电动势 2 1 32 1 3 转矩方程转矩方程 根据电机能量转换的原理 电感为线性电感时 磁场储能以及磁共能 Wm 为 Wm 2 15 Li ii TT mmWW 2 1 2 1 电磁转矩等于机械角位移的变化时 磁共能变化率为 将电流变化 m mW 不计 约束为一个常值 而且机械角位移为 于是 np m 2 16 W n W T m m m i p i e 常数常数 将式 2 14 代入式 2 15 由于考虑到了电感分块矩阵的关系式 得 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 10 2 17 ii L L L ii 0 0 2 1 2 1 rs sr T p T pennT 又考虑到 代入式 2 17 得 iiiiii cbaCBA T r T s T iii 2 18 i L ii L ir sr T ss rs T rpenT 2 1 将式 2 9 代入式 2 18 并展开后 得 2 19 120 120 sin sinsin iiiiii iiiiiiiiiiiiLnT bCaBcA aCcBbAcCbBaAmspe 2 1 42 1 4 运动方程运动方程 根据对运动控制系统的理论研究 运动方程式为 2 20 TT n Le pdt Jd 式中 异步电机的转动惯量 J 负载转矩 包括摩擦阻转矩 TL 转角方程为 2 21 dt d 上述的异步电机动态数学模型是在线性磁路 磁动势在空间按正弦分布的 假定条件下得出的 对定 转子电压和电流未作任何假定 因此 该动态模型 完全可以用来分析含有电压 电流谐波的三相异步电机调速系统的动态过程 2 2 坐标变换 2 2 12 2 1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路 图 2 2 给出了两极直流电动机的物理模型 图中 F 为励磁绕组 A 为电枢 绕组 C 为补偿绕组 F 和 C 都在定子上 只有 A 在转子上 把 F 的轴向称作 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 11 直轴或者轴 direct axis 主磁通的方向就是沿着轴的 A 和 C 的轴线 d d 则称为交轴或者轴 quadrature axis q 如果可以把交流电机物理模型 图 2 1 等效的变换成类似直流电机的模型 分析和控制的过程就可以大大地简化 而坐标变换正是按照这种思路进行的 在这里 不同坐标系之中的电动机模型可以等效看待的原则是 绕组在不同的 坐标系之中产生的合成磁动势是相等的 在交流电机的对称三相静止绕组 A B C 中 在电路中同三相平衡正弦交 流电电流时 它们产生的合成磁动势就是旋转磁动势 在 iiiCBA FF 空间是正弦分布 并以同步转速顺着 A B C 的相序在旋转 如图 2 3 所示 1 图2 3 三相坐标系 两相坐标系的物理模型 图 2 3 中绘出的两相绕组 通以平衡两相交流电 电流为和 i i 也能产生旋转的磁动势 如果三相绕组和两相绕组产生的磁动势大小和转速都 相等时 就可以认为两相绕组和三相绕组等效 这就是 3 2 变换 图 2 4 中除两相绕组外 还给出了匝数相等的两个相互正交的绕组 分别通直流电流和 使其产生的合成磁动势的位置相对于绕组的qd idiq F 位置来说是固定不变的 如果人为地使铁心 包含绕组 以同步转速去旋转 则磁动势也将随着铁心旋转 就可以成为旋转磁动势 如果这个旋转磁动FF 势的大小和转速都与固定交流绕组所产生的旋转磁动势相等 那么这套旋转F 的直流绕组就可以视为和前面两套固定的交流绕组都是等效的 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 12 图2 4 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系的物理模型 2 2 22 2 2 三相三相 两相变换 两相变换 3 23 2 变换 变换 图 2 5 是交流电机的坐标系的等效变换图 图中 A B C 三个坐标轴分别 代表电机分解后的参量的三相坐标系 而则表示电机参量后分解的静止的 两相坐标系 而在每一个坐标轴的磁动势的分量都可以通过在这个坐标轴上的 电流 和电机在这个坐标轴上的匝数之间的乘积来表示 其空间矢量均位于iN 相关的坐标轴上 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 13 图2 5 两相正交坐标系和三相坐标系的磁动势矢量 按照磁动势等效原则 三相合成磁动势与两相合成磁动势相等 故两套绕 组磁动势在轴上的投影都相应相等 因此 iiNiNiNiN iiiNiNiNiNiN CBCBB cBACBA 3332 33332 2 3 3 sin 3 sin 2 1 2 1 3 cos 3 cos 写成矩阵形式得 公式 2 22 i i i i i C B A 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 2 3 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 14 按照变换前后总功率不变 可以证明匝数比为 2 23 3 2 2 3 N N 代入式 2 22 得 2 24 i i i i i C B A 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 3 2 令表示从三相坐标系变换到两相坐标系的变换矩阵 则 C2 3 2 25 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 3 2 2 3C 利用的约束条件 将 2 24 扩展为 0 iiiCBA 2 26 i i i i i C B A 2 1 2 1 2 1 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 3 2 0 第三行的元素取 使其相应的变换矩阵为正交矩阵 其优点在于逆矩 2 1 阵等于矩阵的转置 由式 2 26 求得逆变换 2 27 0 2 1 2 1 2 1 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 3 2 i i i i i B A C B A 再出去第三列 即得两相正交坐标系变换到三相正交坐标系 3 2 变换 的 变换矩阵 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 15 2 28 2 3 2 1 2 3 2 1 01 3 2 3 2C 考虑到 代入式 1 23 并整理后得0 iii CBA 2 29 i i i i B A 2 1 2 1 0 2 3 相应的逆变换 2 30 i i i i B A 2 1 2 1 0 2 3 从原理上分析 上面的变换公式是有普遍性额 同样能应用在电压或者其 他的参量的坐标变换中 将三相坐标的模型变换为两相坐标的模型 这是简化 电机模型复杂度的第一步 为满足不同的参考坐标系下的各参量的分量分析 需要找到不同的参考运动坐标系下的变换方程 接下来推演静止坐标系变换到 运动坐标系的公式 2 2 32 2 3 静止两相静止两相 旋转正交变换 旋转正交变换 2r 2s2r 2s 变换 变换 将静止两相的正交坐标系到旋转正交坐标系之间的变换 称为静止 dq 两相 旋转正交变换 简称 2s 2r 变换 其中 S 表示静止 表示旋转 变换r 的前提还是产生的磁动势等价 图 2 6 给出了和坐标系中的各个磁动势矢量 绕组每项有效匝数均 dq 为 磁动势矢量是位于相关坐标轴上的 两相交流电流以及两个直 N2ii 流电流会以角速度旋转的产生等效的的合成磁动势 iiqd 1 F 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 16 图2 6 旋转正交坐标系以及两相静止正交坐标系中的磁动势矢量 由图 2 6 可见 和之间存在的关系 ii iiqd 2 31 cossin sincos iii iii q d 写成矩阵的形式 得 2 32 i i C i i i i rs q d 2 2 cossin sincos 因此两相静止正交坐标系到旋转两相正交坐标系的变换矩阵为 2 33 cossin sincos 2 2Crs 那么两相旋转的正交坐标系到两相静止正交坐标系的变换矩阵为 2 34 cossin sincos 2 2Csr 即 2 35 i i i i q d cossin sincos 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 17 电压及磁链的旋转变换矩阵和电流旋转变换矩阵相同 2 3 异步电机按转子磁链定向的矢量控制系统 按转子磁链定向的矢量控制的基本思想是 通过坐标变换 在按转子磁链 定向的同步旋转的正交坐标系中 得出等效的直流电机的模型 模仿直流电机 的控制方法去控制电磁转矩和磁链 然后把转子磁链的定向坐标系里得到的控 制量通过反变换得到三相坐标系里的对应量 用以实现控制 因为变换的矢量 所以这种变换称为矢量变换 其相应控制系统称为矢量控制系统 在三相坐标系上 定子交流电 通过 3 2 变换可以等效为静止 iii CBA 两相正交坐标系上的交流电流和 再进行与转子磁链同步的旋转变换 is is 就可以等效为旋转同步正交坐标系中的直流电流和 这样用和作为 ismistismist 输入的电动机模型就是直流电机等效模型 如图 2 7 图2 7 异步电机矢量变换及等效的直流电机模型 如果采用转子磁链定向则仅实现了电子电流两个分量的解耦 而电流微分 方程里依然存在交叉耦合和非线性 若采用电流闭环控制 那么可以有效地抑 制 实际电流能快速跟随给定值 如图 2 8 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 18 图 2 8 矢量控制系统结构原理图 采用电流闭环控制之后 转子磁链为稳定的惯性环节 此时转子磁链可以 采用闭环控制也可以使用开环控制 而转速环节存在积分环节 是不稳定结构 需要加转速外环控制 使其稳定 本文采用的方法为 将检测到的三相电流 实际只需两相电流 实施 3 2 变换 再施以旋转变换得到坐标系下的电流和 使用 PI 调节软件构成mt ismist 电流闭环控制 电流调节器输出为给定定子电压和 经反旋转变换 得 usm ust 两相静止坐标系的给定定子电压值和 再经过 SVPWM 控制的逆变器输 us us 出三相电压 如图 2 9 图2 9 三相电流闭环控制的矢量控制系统结构图 2 3 12 3 1 转子磁链计算转子磁链计算 按转子磁链定向的矢量控制系统控制的关键是的准确定向 即需要获得 r 转子磁链矢量的空间位置 此外 在构成转子磁链的反馈及转矩控制的时候 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 19 转子磁链的幅值也是不可缺少的信息 对转子磁链进行直接检测比较困难 现 实中大多采用按模型计算的方法解决 在计算模型中 由于主要测量的信号的 不同 分为电流模型和电压模型两种 电流模型的计算有实际测量的三相定子电流进行 3 2 变换得到两相静止正 交坐标系上的电流和 然后利用坐标系内的数学模型计算转子磁链在 is is 两坐标轴上的分量 2 36 r rsm r r r rsm r r TiL T TiL T s s 1 1 1 1 利用直角坐标到极坐标的变换 得出转子磁链矢量幅值和空间位置 由于 矢量变换中采用的的正弦和余弦函数 所以有 2 37 r r r r rrr cos sin 22 电压模型的计算是根据电压方程内感应电动势等于磁链变化率的关系 取 电动势的积分即得磁链 这种模型称为电压模型 其表达式为 2 38 iLiRu L L iLiRu L L sssss m r r sssss m r r dt dt 在本系统中 采用的是混合型的转子磁链模型 由电压模型和电流模型组 合而成 其工作方式为 低速运行 系统采用电低流模型来计算转子磁链 高 速运行 系统采用电压模型计算转子的磁链 而界定高低速运行的临界线为电 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 20 机额定转速的 10 低于额定转速的 10 认定为低速运行 高于 10 认定为高 速运行 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 21 3 基于 DSP 芯片 TMS320F2812 的矢量控制系统设计 在系统的设计中 为减少强电系统引起的强磁和噪音对系统的影响 系统 的硬件功能划分为弱电和强电两部分 中间通过光电耦合及不同的接口单元对 不同的控制策略和功率容量进行了分划和组合 系统的硬件部分模块化 图 3 1 系统原理总图 系统的强电主电路采用的是交 直交的电压型变频电路 系统主电路的工作 流程为 首先将从电玩引出的三相电流经过不可控整流电路整流得到直流电 然后经滤波电容组滤波 得到平滑的直流电 输入 IPM 智能功率模块所组成的 逆变单元 得到系统所要求的输送给异步电机的三相交流电 弱电部分 以 TMS320LF2812DSP 芯片为主体的核心控制电流 光电耦合 隔离电路 光电旋转编码器测速电路 滤波采样电路 外设 保护模块电路 系统还有开关电源电路等辅助电路 另外 键盘控制及上位机通信电路与 上述强电和弱电部分仪器构成异步电机矢量控制系统 如图 3 1 所示 本设计所采用的系统是一个有电压 电流和速度反馈环构 成的闭环控制系统 DSP 控制器将各个采样电路采样到的各项电压 电流数据 进行 A D 转换 并运用矢量控制算法等一系列操作 最终 DSP 产生的 PWM 信 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 22 号送给光电耦合隔离驱动电路后 进而控制智能逆变电路的功率器件的断开与 开通 使整流得到的直流电转换为三相交流电源带动交流电机的运转 此外 开关电源电路负责对光电耦合隔离模块 DSP 芯片等低压电源的电力供应 DSP 系统的关断复位等操作由键盘部分负责 上位机和 DSP 控制器的通讯使系 统及时作出规定动作 3 1 DSP 芯片 TMS320F2812 现代实用的 DSP 芯片采用指令存贮和程序存贮分开的哈佛结构或者改进的 哈佛结构 以达到地址总线和数据总线的分离 15 16 哈佛结构的优点是允许 CPU 同时访问程序指令和数据 使指令存取和数据存取可以同时进行 而这极 大地提高了 CPU 的工作效率 而本文使用的芯片是有美国 TI 公司设计制造的 的 32 位定点型基于 C2000 平台的 DSP 芯片 TMS320F2812 TMS320F2812 是 TI 公司在 2010 年推出的新一代的数字电机控制 DMC 用 32 位定点型的 DSP 芯片 其采用增强型的哈佛结构 22 位的程序地址和 32 位的数据地址 17 具有数字控制和高速信号处理所需要的体系结构特点 而且 其具有专门为控制电机而提供的单片解决方案必须的外围设备 该芯片的特点 有 1 支持 JTAG 接口 集成了多种有利于工程人员使用的外设 2 为有效防止人为因素的干扰 内置了密码保护机制 3 使用高性能的静态 CMOS I O 供电电压和 Flash 的编程电压均是 3 3V 内核供电电压将为 1 8V 或者 1 9V 减小了控制器的功耗 150MI S 执行 速度使得指令周期减小的 6 67ns 从而极大地提高了控制器的实时控制性能 4 芯片有 56 个可独立编程的输入输出引脚 GPIO 完全满足系统对 电机调速控制的要求 5 拥有丰富的接口 及较大的自身存储空间 可以满足大数据量的运算 和存储 6 对市场上的 TMS320LF2407 指令系统完全兼容 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 23 7 有两个事件管理器 EVA 和 EVB 使功率变换器和电机提供了很大 的便利 8 芯片带有 PWM 控制模块 9 内嵌基于自动锁相环技术的程序监视器和时钟发生器 10 内置了多个定时器 为软件编译提供了很大的便利 11 多样化的封装模式和配置标准 满足不同用户的需求 12 高性能 32 位 CPU 使用哈佛总线结构 具有统一的存储模式 可快 速中断和中断处理 并能适应 C C 和汇编语言 它的 C 语言编译器支持 C 的编译规范 可以直接将高级语言转换为汇编语言代码 能与 TI 公司以前的芯 片源代码良好兼容 13 芯片使用的温度范围更广 S Q A CC 125 40 CC 85 40 3 2 主电路设计 主电路使用交 直 交的电压型电路结构 包括由 IPM 智能功率模块构成的 逆变电路 由大电容组成的滤波电路和整流二极管组成的整流电路 3 2 13 2 1 智能功率模块设计智能功率模块设计 该模块将直流电变为交流电 这个过程成为逆变 逆变电路工作时不断将 发生电流从一个之路转移到另一个支路 这个过程成为换流 根据其不同的性 质和工作原理 换流分为四种方式 器件换流 负载换流 电网换流和强迫换流 本系统采用的是全控整流器件进行换流 即器件换流 18 利用一定规律的 PWM 波形控制 IGBT 器件导通或关断 从而将直流功率转变为系统所需求的交 流功率 所以 逆变电路也称为功率电路 在本设计中 未采用传统的全控型开关器件进行主电路的逆变电路设计 为了实现智能功率模块 采用了三菱公司的现代化智能功率模块 IPM 作为 控制核心的逆变电路 本设计采用的 IPM 模块型号为 PM30CSJ060 这是采用了第五代 IGBT 技 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 24 术和先进亚微米电源芯片的设计技术 极大地提升了其动 静态性能 技术参 数 功率 2 2KW 额定电流 30A 额定电压 600V 开关频率 20KHZ 供电电 源电压15V 根据系统的原理框图 强电和弱电信号的接口处需要驱动电路 和光电耦合电路 根据设计的实际情况 采用 HPCL4504 高速光电耦合芯片隔 离 用以实现精确的光电信号转换 图 3 2 光电耦合隔离电路 如上图所示 一路 PWM 的控制信号连接到光电耦合隔离模块中的发光二 极管上 用阻值 110的电阻在中间限流 其产生的光信号将使模块的另半边 K 进入工作 输出信号通过 RC 滤波和去耦合电路发出 IGBT 触发信号使智能功 率模块工作 上图为单路信号光电耦合隔离电路 系统共需要六路这样的隔离 电路 3 2 23 2 2 整流滤波电路的设计整流滤波电路的设计 整流电路的作用是将工频交流电通过整流器件转变为直流电 由于系统采 用电路二极管这种不可控整流器件 得到的直流电有很强的脉动 所以需要在 整流电路后面加上滤波电路 如图 3 3 所示 系统交流电机参数 1 额定电压 380V 2 额定电流 2 8A 3 磁极对数 2 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 25 4 额定功率 1100W 5 额定转矩 7Nm 图 3 3 整流滤波电路 选取整流二极管时应该使电机在最大负载下正常工作 综合考虑二极管耐 压和电网电压波动等因素 选取电压波动系数 1 1 安全系数 2 额定电压 940V 二极管额定电流取 11 6A 考虑到负载的情况 选择额定电流 8A 额定 电压 800V 的 KBJ808 整流二极管 为有效地消除电流脉动 设计中采用多级滤波 考虑到价格和实际需求 系统采用二级滤波 如上图所示 R1 和 R2 为压敏电阻器 当电压或电阻过低 时成高阻状态 使电流减少甚至没有电流通过 滤波电容全部采用 470pF 耐压 型电解电容 电阻 R3 和 R4 的大小分别为 10和 2 2 K K 3 3 控制电路设计 控制电路的核心是 DSP 芯片 系统通过对电机三相定子电压 电机转速检 测和直流母线电流的检测 达到对电机转速的平滑控制 系统运行时 先把检测到的电压和电流信号转换成 0 20mA 电流信号或 0 3V 电压信号 通过 A D 转换输入到 DSP 的 GPIO 口中 信号检测部分 系 统使用芯片的 CAP 模块接收 处理速度信号 芯片的 PDPINTA 引脚连接 IPM 模块中的会使 DSP 产生故障的信号 以便处理 控制芯片的供电电源由 TI 公司的专用电源转换芯片 TPS767D301 附加必要 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 26 的电器元件构成直流电压转换电路组成 控制芯片还有上电复位功能 TMS320F2812 的时钟信号可由外部晶振提供 通过芯片自带锁相环模块 将时 钟信号乘以 4 倍频后输入到 CPU 控制系统的复位电路使用微控制芯片 TPS3307 18 实现 具有手动复位以及上电复位功能 3 4 检测电路设计 检测电路设计部分分为电压检测 转速检测和电流检测 电压检测电路检 测的主要是母线电压 用于系统的过压 欠压保护 转速检测电路利用光电旋 转编码器进行脉冲计数 通过 M 法测速公式计算出电机的瞬时转速 信号送入 系统控制器 电流检测电路主要是把三相的定子电流进行 A D 转换 并输入到 控制芯片 实现电流环的闭环控制 该部分是实现系统双闭环控制的关键 直 接影响系统的可靠性和精度 3 4 13 4 1 电压检测电路电压检测电路 电压检测主要检测系统逆变部分直流母线的电压 由于智能功率控制芯片 内置了保护电路 故检测到的信号通过 D A 转换和数据偏移处理后直接输入到 PM30CSJ060 引脚和 DSP 保护外设中 电压检测传感器使用 LEM 公司的 LV25 P 电压传感器 该芯片测量精度良好 抗干扰能力强 温度漂移低 技术参数 额定有效输入电流 0 20A 工作温度 非线性失真 0 1 精度大于 0 5 F S 响应时间 CC 70 25 ns40 具体检测电路如下图所示 其中 R8 56 VCC 15V K 图 3 4 电压采样电路 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 27 3 4 23 4 2 转速检测电路转速检测电路 在设计中速度检测通过增量式光电旋转编码器来实现 进而实现速度的闭 环控制 通过光电旋转编码器和电机转子的信息 经过不同的测速原理计算电 机的瞬时转速 系统中采用的是测频法 M 法 速度计算公式为 NMfn c 15 其中为电机的每分钟转速 N 为编码器 N 线 为测速频率 M 为计数器脉n c f 冲数 具体的连接方法是将光电旋转编码器的 A B 两路正交信号输出和控制 芯片 TMS320F2812 内置的事件管理器 QEP 模块输入引脚 QEP1 QEP2 相连 公用通用定时器 TxCNT 进行计数 3 4 33 4 3 电流检测电路电流检测电路 该部分主要用于实现系统电流的闭环控制 即将检测到的定子三相电流信 号进行 A D 转换 输入到 DSP 芯片的 A D 接口 进而实现电流闭环控制 由 于系统采用三相完全对称的异步电机 所以只需用两个霍尔元件分别检测电流 ii BA 基于系统对电流信号的稳定性和精度要求 采用 IR 公司 HVIC 相电流检测 芯片 IR2277 该芯片只需要少量无源器件即可实现检测 偏置和确定时间常数 等基本功能 它检测到的电流信号通过 D A 转换能直接输入到 DSP 芯片内 并 转化为相应的 PEM 控制信号 具体电路如下图 鉴于完全对称的电路 检 iB 测方法相同 图 3 5 电流采样点路 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 28 3 5 保护电路 由于逆变器工作时会产生短路电流和浪涌电压等不良因素 所以需要保护 电路来确保安全 鉴于智能功率模块有相应的保护电路 所以不需要再对 IGBT 进行保护 但是考虑到电机调速过程中电压和电流的波动 加入如下图的保护 电路 图 3 6 保护电路 如图所示 当 DSP 判定检测部分电路信号有过电压 过电流和启动故障时 LED 指示灯会被点亮 指示排除故障 同时 系统 PDPNIT 中端口接到故障信号 系统执行中断程序 停止 PWM 输出信号以停止电机运行 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 29 4 系统软件设计 系统的软件设计采用模块化设计 其主体分为两个模块 主程序和 PWM 中断服务 软件实现的主要任务有 1 完成与上位机间的通讯 2 电压和电流的采样 3 坐标变换 4 转速计算和调节 5 光电旋转编码器 速度 采样 6 SVPWM 波形控制 7 故障报警和处理 8 实现矢量控制的目标 设计中对于上位机的使用比较简单 系统没有关于上位机的过多功能要求 故上位机的控制程序只需利用网络通用串口通信程序就能实现 对于键盘控制 程序 主要功能就是进行参数显示及修正 启动或者关断系统运行 设计要求 简单 4 1 主程序设计 主程序流程图如下图所示 当系统出席那故障是 系统停止 PWM 并锁定 将相应故障位置显示出来 然后执行保护和故障处理程序 如果系统运行正常 就进入矢量控制部分 最后将参数显示以观察控制的效果 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 30 图 4 1 主程序流程图 4 2 初始化程序设计 对中断的初始化主要完成相应寄存器的位设置和中断矢量的初始化 片内 外设的初始化是对系统用到的各部分进行相应设置 变量初始化是指对在 SVPWM 中断中多用到的变量进行初始化 系统初始化主要对系统内置时钟 主定时器和中断看门狗程序进行初始化 整个系统运行中 这部分只在开始时 运行一次 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 31 图 4 2 初始化程序流程图 4 3 定子电流采样程序设计 具体程序流程图如下 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 32 图 4 3 定子电流采样程序流程图 4 4 速度采样程序设计 由于系统的速度采样是依靠光电编码器实现的 根据上文所述 光电旋转 编码器输出两路正交信号和 DSP 芯片内置事件管理器 QEP 模块的两个输入引脚 QEP1 QEP 相连 共用一个通用定时器计数 下图为 M 法测速采样信号处理图 图 4 4 速度采样处理流程图 图中 speed 为计数器变量 SPEED 表示计数值 TxCNT 为通用定时器 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 33 Kspdwie 速度系数 为计算出的速度值 mn 4 5 SVPWM 中断程序 在软件设计中 最重要的就是 SVPWM 中断模块 其主要作用是实现矢量 控制系统算法 具体算法为 假定 PWM 的脉冲信号和 ADC 的扫描周期同步 事件管理器 A 定时器下溢成为中断源 中断标志位置 1 当中断运行时 首先 读取采样电流值 调用坐标变换函数变换后读取速度的采样值并进行 PI 调节 再根据电流求得转子磁链的位置和空间角度 最终通过反变换得到相应 PWM 波形控制功率开关 具体如下图所示 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 34 图 4 5 SVPWM 中断程序设计流程图 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 35 5 Simulink 仿真及结果分析 针对建立的异步电机矢量系统进行了仿真分析 电机的主要参数为 额定功率 11KW 额定电流 2 8A 额定电压 380V 额定转矩 7Nm 额定转速 1520 极对数 2 转子电感 定子电感 sr H 3 108 0 定子电阻 0 068 转子电阻 0 248 定子转子互感 H 3 107 0 H 2 1047 3 得到系统的转速和转矩仿真 其仿真波形如图 5 1 图 5 2 所示 图 5 1 转速 0 200r s 的仿真波形 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 36 图 5 2 仿真转矩波形 江苏师范大学本科生毕业设计 异步电机矢量控制系统设计 37 6 结论 本设计首先分析了异步电机调速的发展历程 然后对于异步电机变频调速 的发展方向进行了分析 论述了交流调速技术近年来的发展方向以及成