基于DSP的空间矢量控制的交流调速系统

第 3 0卷 第 1 2期 华中科技大学学报 自然科学版 Vo 1 3 0 No 1 2 2 0 0 2年1 2月 J Hu a z h o n g Un i v o f SCi T e c h Na t u r e S c i e n c e E d i t i o n D e c 2 0 0 2 基 于 DS P的 空 间矢 量 控 制 的 交流 调 速 系统 舒 州 沈安文 华 中科技 大学控 制科 学与 工程 系 摘 要 介 绍 了一种 基 于空 间矢量 脉 宽调 制 S VP W M 的磁 场 定 向矢 量 控 制 方法 并 给 出 了基 于 TMS 3 2 0 F 2 4 0 的全数字实现 仿真和实验结果表明所采用的控制方案正确可行 控制系统有较好 的动态性能和静态精度 关键词 数字信号处理器 空间矢量 P WM 磁场定向矢量控制 仿真 中图分类号 TM3 0 1 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 4 5 1 2 2 0 0 2 1 2 0 0 4 7 0 2 矢量控制技术作为交流异步 电机控 制的一种 方式 已成 为高性 能变频 调速 系统 的首 选方 案 空 间矢量脉宽调制 S VP WM 方式 因具 有 比 S P WM 调 速方式 更优 异 的性 能而得 到 了广 泛 的应用 TI 公 司面 向电机 控 制 的新一 代 DS P的推 出为实 现 调 速系统 的全数字化提供 了硬 件基础 1 S VP W M 的基 本原 理 根据逆变器各 桥臂 开关 状态 的不 同 可 以得 到 8个基本 电压 矢量 包 括 6个非 零 电压矢 量 和 2个零 电压 矢量 这 8个 矢量 称 为基本 空 间 电压 矢量并记作 0 6 0 l 2 0 l 8 0 2 4 0 3 o 0 0o 0 0 和 0 图 l给出 了基本 空 间电压矢 量和所 需 的 电机 电压矢量 在 a 一 平面上 的投影 U l 0l 1 4 2 仃 0 I 孙 U 0l 0 1 1 0 1 i 4 7 o o 0 o 图 1 基 本 空I 司矢 量 及 在 a 平 面上 的投 影 S VP WM 方 法 的 目的是通过 与 6个开关 管 的 8种开关状态相应 的基本 空 间电压矢量 来逼 近 电 机所 需的 电压 向量 一般 的 实现方 法是 在一 个 P WM 周期 Tp w M内使逆变 器输 出 电压 的平均 值 和 o u 相等 如 果 丁P w M 很 小 在 Tp w M周期 内 使 的变化很小 则具 体的实现方程为 T p wM Uo t T 1 ux 丁2 L 6 0 To Oo o o o r O1 l 1 式 中 丁l 丁2 为 o u 所在 区域 的两相邻 非零基 本 空 间电压矢 量 和 6 0 对 应开关 管导 通状 态 的时间 T0 为插入 的零基本空 间矢量 Oo o o 或 0 的时间 同时有 丁l 丁2 T0 Te W M 成 立 2控制系统的设计及基本算法 系统采 用 基 于转 子磁 场 定 向 的矢 量 控 制 方 法 结构如 图 2 下 面分别介绍各部 分的组成 图 2 S IWM 控 制方 法 框 图 2 1 电流控 制模块 电流模块 是本 系统 的核 心 它 以定子 电流和 转 子速度作 为输入 输 出转子磁通角 以进 行正确 的磁场 定向 由交 流电动机数学模型可知 2 O J 1 丁 5 丁 式 中 丁 为转 子 时 间常数 T L R 则 同 步角 速度 O J 的表达式为 收稿 日期 2 0 0 2 0 5 3 0 作者简介 舒州 1 9 7 7 一 男 硕士研究生 武汉 华中科技大学控制科学与工程系 4 3 0 0 7 4 维普资讯 华中科技大学学报 自然 科学 版 第 3 0卷 1 dO dt r r 0 I 1 T s T i sq i 由上式可 知 根据 定 子 电流 的 q d轴 分量 转子时间常数和转子角速度 可算出转子磁通 角 0 而定子 电流 的 q轴 和 d轴 分量可 由定 子 电 流经 过 3 2变换及 旋转 变换后 得到 转子 角速度 由 P G编码器获得的信号通过 D S P的正交解 码脉 冲单元 QEP计算得到 2 2调 节 器 为使 系统具 有较 好 的动态性 能 和稳 态精 度 速度环采 用积分分离 PI 控制算法 电流调节器 分 别对定子 电流 的 d q分 量进 行控 制 采 用 P I 控 制器 输 出为定 子 电压矢 量 的 d q分量 经 旋转 变换 后 得 到 两 相 静 止 坐 标 系 a 轴 分 量 作 为 S 甲wM 模块 的输入 2 3 S VP WM 模块 S VP WM 的原理 如第 1节 所述 u lx 6 0 0o o o 和 0 不 同 的开 关顺 序 会产 生不 同的输 出 波形 基于 TMS 3 2 0 C 2 4 X F 2 4 X 的空间矢 量 的对 称实 现方 法 有 软件 实现方 法 和硬 件实 现方法 两 种 基本形式 这 里主要介 绍软件实现方法 该 方 案 的 开 关 顺 序 可 表 示 为 o0 o o ux 6 0 01 1 1 01 1 1 U x 6 0 Ux 和 0o o o X 0 1 2 0 2 4 0 以 u 在 0 6 0 即第一 区域 内为例 其开 关顺 序 如 图 3所 示 图 4显 示 了各 区域 的 P WM 波形 D 删 加 D 加 D 舢 图 3 软 开关 方 案 U 在 0 6 0 内 的开关 顺序 该方 案 具 有 以下 特 征 除 占空 比 为 0 和 1 0 0 外 在每 个 P WM 周期 里 每个 P WM 通 道 开关 两 次 每 个 区域 的开关 顺 序是 固定 的 每 个 P WM 周期 以 Uo o 0 开 始 和结 束 每 个 P WM 周 期 中 u 0 o o 和 u川 的作用时间是相等 的 对 于 S VP WM 波 形 的实 时调 制 主要 完 成 三 项工作 确定 f 和 Vs p r e f 合 成 的 电压 向量 落 在 那个扇 区 计算该 扇 区内两 相邻 向量 和零 向量各 自的时间 给全 比较单元 的 比较寄存器赋值 系统 的软件实现框 图略 U m 0I 1 lI 图 4 各区域的 P WM 波形 3 仿 真及 实验 结 果 在 MATL AB环境下 3 J 进行 的仿 真结果 如 图 5和 6所 示 电 机 参 数 为 P N 3 0 k W J 0 1 6 2 9 81 N m2 P 2 P 1 4 6 0 r mi n R 0 0 8 7 Q R 0 2 5 Q L L 3 5 5 mH L 3 4 7 mH 在 0 0 7 S时突加 2 0 0 Nm 的负 载 图 5 为 电机定子三相 电流 波形 图 6为转 速 负载转矩 给定 输 出 电磁 转 矩 波形 其 中 曲线 1为 转 速 波 形 曲线 2输 出 电磁转矩波形 曲线 3为给定 负载 转矩波形 图 7为转速给定为 6 0 0 r mi n 时的 l 拿 6 0 0 4 0 0 2 o 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 图 5 仿真的三相定子电流波形 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 1 0 t S 图 6 仿真的转速 负载转矩 输出电磁转矩波形 图 7 稳态时的电流实验实测波形 下转第 5 5页 口 6 C 维普资讯 第 1 2期 黄可知等 亲油型纳米 S i O2的制备及其分散稳定性研究 5 5 Fo r ma t i o n a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f mo n od i s p e r s e S p h e ri cal Or g a n o S i l i ca P o wd e r s f rom Or g a n o Al k o ny s i l a n e W a t e r S y s t e m J o u rna l o f t h e Ame r i c a n Ce r a mi c S o c i e t y 1 9 9 8 8 1 5 1 1 8 4 1 1 8 8 4 戴志成 硅化合物的生产与应用 成都 成都科技大学 出版 社 1 9 9 4 5 张立德 牟季美 纳米材料和纳米结构 北京 科学技 术 出版 社 2 0 0 1 6 田伏宗雄 有机硅烷偶联剂对无机填料表面的处理技 术 国外塑料 1 9 9 1 9 2 4 2 4 7 Pr e pa r a t i o n o f Si 02 na no pa r t i c l e s a nd t he i r di s pe r s i o n s t a b i l i t y Hu a n g Ke z h i Xi o n g Ya h P a n g J i n xi n g Z h a n g Ch a o c an Ab s t r a c t Ta k e n s o d i u m s i l i c a t e a s a ma j o r ma t e r i a l S i o2 n a n o p a r t i c l e s s i z e i n 8 1 5 n m a q u e o u s d i s p e r s i o n wa s p r e p a r e d b y i o n e x c h a n g i n g Th e e f f e c t s o f s o d i u m s i l i cat e c o n s i s t e n c e s u r f a c e mod i f y i n g t i me t e mp e r a t u r e a n d t e c h n i q u e s o n t h e i r d i a me t e r s i z e d i s t r i b u t i o n a n d d i s p e r s i o n s t a b i l i t y we r e s t u d i e d Th i s k i n d o f p r e p a r i n g me t h o d ca n b e wi d e l y a d o p t e d I t i s s i mp l e c o n v e n i e n t a n d c h e a p a n d e f f e c t i v e l y r e s o l v es d i s p e r s i o n s t a b i l i t y o f S i 02 n a n o p a r t i c l e s i n wa t e r Ke y wo r d s n a n o p a r t i c l e s I o n e x c h a n g i n g Hu a n g Ke z h i Le c t S c h o o l o f Ma t e r i a l s s u rfa c e mod i f i e d s i z e d i s t r i b u t i o n d i s p e r s i o n s t a b i l i t y Sc i e n c e a n d En g i n e e r i n g W HUT W u h a n 4 3 0 0 7 4 Ch i n a 上接 第 4 8页 稳态 电流 的实验 实测 波形 仿 真 及实验结果表 明所采 用 的方案 正确 可行 控 制 系 统有较好 的动态性 能和稳态精 度 参 考 文 献 1 B r o ec k H W V D S k u d e l n y H C A n a l y s i s a n d r e a l i za t i o n o f a p u l s e wi d t h mo d u l a t o r b a s e d o n v o l t a g e s p a c e v e c t o rs I EE E Tr a n s a c t i o n s o n I n d u s t r y Ap p l i cat i o ns 1 9 8 8 2 4 1 1 4 2 1 4 9 2 陈坚 交流电机数学模型及调速系统 北京 国防工 业出版社 1 9 8 9 3 薛定宇 反馈控制系统设计与分析一 MA TL AB语 言应 用 北京 清华大学出版社 2 0 0 0 The S VP vM c o nt r o l l e d i nd u c t i o n m o t o r d r i v e ba s e d o n TM 3 2 0 F2 40 DSP O U e n A n z n Ab s t ra c t A k i n d o f f i e l d o r i e n t e d co n t r o l me t h od b a s e d o n t h e s p a c e v e c t o r P W M wa s i n t r od u c e d Th i s me t h od wa s t e s t e d o n a d i g i t a l s y s t e m b y u s i n g t h e TM S 3 4 0 F 2 4 0 Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h i s co n t r o l