基于DSP的异步电机矢量控制系统的研究与设计-开题报告.doc

研究生学位论文开题报告 学位级别 工程硕士 学科专业 控制工程 姓 名 指导教师 入学年月 填表日期 2007年 月 日任务来源自选校项目编号经 费课题名称基于DSP的异步电机矢量控制系统的研究与设计论文题目或选题范围基于DSP的异步电机矢量控制系统的研究与设计阅读文献情况国内文献 19篇开题日期国外文献 12篇开题地点上海大学内容提要： 随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术己成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节能、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。高速度的数字控制是未来交流变频调速的一个发展方向，在电机控制系统中采用的是电机专用型DSP控制器，它不仅具有一般通用DSP稳定性强、精度高、可重复性好等优点，其内部还集成了电机控制用的外围设备，大大简化了硬件组成系统，降低了成本。矢量变换控制是在交流电动机的双轴理论、机电能量转换和坐标变换理论的基础上发展起来的。它的主要思想是在基于转子磁链定向的同步旋转坐标系中把定子电流矢量分解为两个分量:一个分量与转子磁链矢量重合，称为励磁电流分量;另一个分量与转子磁链矢量垂直，称为转矩电流分量。通过控制励磁电流分量和转矩电流分量的大小，以实现他励直流电动机那样对磁场和转矩的解祸控制。本课题应用矢量控制的原理，采用TI的电机专用控制芯片TMS320LF2407DSP,开发出了基于矢量控制的变频调速系统。所采用的新型的PWM调制方式空间电压矢量法(SVPWM )，提高了能量的利用效率。主要的工作如下：1、深入研究了转了磁场定向矢量控制系统的数学模型，设计了转速、磁通及转矩的闭环调节器:对SVFWM的工作原理和控制算法进行了研究，并分析比较了它的两种控制方式。2、分析了异步电机在二相静止坐标系、两相静止与旋转坐标系下的电机基本数学模型和控制基本方程，在进行相应的坐标变换以后，得到了基于转子磁定向的同步旋转坐标系下的控制方程式;分析了电压空间矢量脉宽调制的基本原理、控制算法。3、确定适合本系统要求的控制方案，对比不同调制方式，完成系统的方框图;设计了控制系统的硬件电路，包括主电路和功率电路等。4、设计了控制系统的软件部分，给出了基于TMS320LF2407的矢量控制系统软件流程和各子模块的具体实现。论文完成了控制算法、控制软件、控制系统硬件电路及功率电路的设计，并且在调试中对驱动电路以及保护电路的参数优化进行了分析。同时针对转子磁链受电机参数影响误差较大的缺点，采用改进的电压模型和电流模型相结合的方法，提高了磁链观测器运算精度以及对电机参数的鲁棒性。实验结果表明了系统设计方案的有效性和可行性。参考文献：1Texas Instruments. Implementation of a speed Brushless DC Drive Using TMS320F240M.2003:67-111.2Texas Instruments. Implementation of a speed Field Orientation Control of Three Phase AC induction Motor using TMS320F240M. 2003: 25-36.3Texas Instrument s. Implementation of a speed field Orientation control of three Phase AC induction Motor using TMS320F240M. 2003: 8-58.4Texas Instrument s. AC Induction Motor Control Using Constant V/Hz Principle and Space Vector PWMM. 2003: 16-65.5Texas Instruments .DSP Solution For AC Induction MotorM. 2003:15 -26.6Murphy ,J, Turnbull FG .Power Electronic Control of AC MotorsM. 2003, Pergamon Press: 86 -112.7Texas Instruments. Code composer Users GuideM. 2003:58-98.8Texas Instruments. TMS320F/C240 DSP Controllers Reference GuideM. 2003:8-v56.9Texas Instrument s. implementation of a speed Field Orientation Control of Three Phase AC induction Motor using TMS320F240M.2005: 25-36.10Texas Instruments. Creating a Sine Modulated PWM Signal Using the TMS320F240 EVMM.2005: 3-35.11Texas Instruments.TMS320LF/LC240x DSP Controllers System and Peripherals M. 2006: 35-45.12CHEN S,JOOS G. Symmetrical SVPWM pattern generator using field programmable gate array implementation A.Applied Power Electronics Conference and ExpositionC.APEC 2002 Seventeenth Annual IEEE, 2002. 117-12113李华德等.交流调速控制系统M . 电子工业出版社.2003，3:133-229.14余天才等.空间电压矢量算法及其在TMSLF2407上的实现J.电机电器技术，2003 No.6: 25-26.15韩安太，刘峙飞，黄海.DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用M.2003. 10，清华大学出版社: 416-452.16张红莲.应用DSP实现SVPWM的变频调速控制J.水利电力机械，2004. 2,26 （1）:31-33.17范子超王明彦.三电平逆变器SVPWM控制的改进算法J.变频器世界，2004. 2: 101-104.17窦汝振，许镇琳.一种新型空间矢量PWM控制方法J.变频器世界，2004. 2:105-10618范逸之，陈立元.Visual Basic与RS-232串行通信控制M. 中国青年出版社2002. 19张卫宁.TMS320C2000系列DSP原理及应用M. 国防工业出版社 .2002. 20刘和平等.TMS320LF240x DSP结构、原理及应用M. 北京航空航天大学出版社.2002.21李永东.交流电机数字控制系统M. 机械工业出版社.2002. 22刘和平等.TMS320LF240x DSP C语言开发应用M . 北京航空航天大学出版社.2003. 23王晶晶，徐国卿，王摩.基于DSP的两种SVPWM技术实现方案研究J.电工技术杂志.2003.24许实章.电机学.北京:机械工业出版社，199525陈坚.电力电子学-电力电子变换和控制技术.北京:高等教育出版社，200226陈伯时，陈敏逊.交流调速系统.北京:机械工业出版社，199927范正翘.电力传动与自动控制系统.北京:北京航空航大大学出版社，200328 TMS320F2810, TMS320F2811, TMS320F2812 Digital Signal Processors Data Manual. Texas Instruments, 200529Texas Instruments Incorporated.TMS320C28 X系列DSP的CPU与外设(上下册).张卫宁译.北京:清华大学出版社，200430刘和平，邓力，江渝，郑群英.DSP原理及电机控制应用基于TMS320LF240X系列.北京:北京航空航大大学出版社，200631 TMS320X281X Event Manager (FV) Reference Guide (Rev. C). TexasInstruments，2004起止日期论文工作进度（主要内容、完成要求）第一阶段收集资料第二阶段研究本课题的国内外研究状况，并对本课题的研究方向进行确认第三阶段详细研究收集到的资料，对矢量控制系统和异步电机理论进行深入研究第四阶段确定适合本系统要求的控制方案，设计控制系统的硬件电路，包括主电路和功率电路等第五阶段完成系统软件部分的设计第六阶段撰写论文，准备答辩论文阶段完成日期文献调研完成日期论文实验完成日期撰写论文完成日期评议答辩完成日期导师评语 导师签名： 年 月 日评主议要小成组员姓 名职 称姓 名职 称评议小组意见评议小组负责人签名： 年 月 日教研 室意见 主任签名： 年 月 日院意系所见 主任签名： 年 月 日开题报告1 课题背景能源问题始终是全球经济高速发展的过程中一个令人关注的主题。从最近国际原油市场的油价起伏，到中国这样经济高速发展的发展中国家，国家的能源战略政策的重要调整，能源已经成为国际政治经济外交交往中的一个不可缺少的主题。能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也困扰着许多发达国家。有资料表明，中国能源利用率比发达国家低得多。90年代中国高耗能产品的耗能量一般比发达国家高出12%-55%左右。如果进行单位GNP能耗(吨标准煤/千美元)的国家比较(90年代中期)，中国分别是日本、德国、美国的10.6倍、8.3倍和4.6倍。由此可见，提高能源的有效利用率在我国已经显得非常迫切。作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。我国各类在用电机中，80%以上为0. 55220kW以下的中小型异步电动机，并且在用电机拖动系统的总体装各水平仅相当于发达国家50年代水平。因此，在电机系统节能方而将有很大的发展空间，所以异步电机的变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。直流电机由于励磁磁场和电枢磁场完全解祸，这样就可以独立控制，因此直流调速系统会有良好的调速性能，调速平滑和易于控制，在电机控制领域一直占据主导地位。交流电机就不同，其电流、电压、磁通和电磁转矩各量处于相当复杂的祸合状态之中，所以一般的调速方式都不能达到和直流电机的一样的控制效果。但是，随着电力电子器件、现代控制理论、微型计算机技术的迅速发展，交流调速有代替直流调速的趋势。现在从数百瓦的伺服系统到数万千瓦的大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速到高精度、快响应、大范围的调速，从单机传动到多机协作运行，交流传动调速在控制性能方而完全可以和直流调速传动相当，在很多场合交流传动已经取代直流传动。2 国内外相关技术发展水平、现状直流电机存在结构复杂、使用机械换向器和电刷，使它具有难以克服的固有缺点，如造价高、维护难、寿命短、存在换向火花和电磁干扰，电机的最高转速、单机容量和最高电压都受到一定的限制。所以交流电机得以进入更多的领域并得到迅猛发展。交流变频调速以其优异的调速和起、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，被国内外公认为最有前途的调速方式，成为当今节电、改善工艺流程以及提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。随着电力电子技术、微电子学、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电力传动领域正发生着交流调速代替直流调速和计算机数字控制技术代替模拟控制技术的革命。（1）电力电子技术的发展电机控制的基本手段就是如何控制PWM波形使得功率控制器件输出的电压和电流波形能满足电机高性能运行的要求。可控型功率控制器件的不断发展为电机控制系统的完善提供了硬件保证，尤其是新的可关断器件，如门极可关断器件(GTO)、大功率品体管CGTW、金属氧化物半导体场效应品体管(MOSFLi),绝缘栅双极型品体管(IGBT)、绝缘栅可换向品闸管(IGCT)等的实用化，使得高频、高压、大功率PWM控制技术得以实现。在低压交流电机的传动控制中，应用最多的功率器件有GTO, GTR、IGBT以及最近几年出现的智能功率模块工PM(Intelligent Power Module)。后两种集合GTR的低饱和电压特性和MOSFFT的高频开关特性于一体，是目前变频调速系统中广泛应用的主流功率器件。智能功率模块(IPM)是向第四代器件功率集成电路（PIC）的过渡产品，是微电子和电力电子技术结合的产物。它不但能提供功率输出，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。（2）微处理器和数字信号处理器的技术应用 在电机控制系统中应用的控制器主要有单片机和数字信号处理器(DSP)。单片机片内集成较多I/O接口，但是运算速度较慢：DSP是面向高速信号处理的，运算速度比单片机要提高一个数量级，但是成本价格较高。为了满足需要，单片机和数字信号处理器正朝着提高集成度、增加位数、提高数据处理能力、增强扩展功能、降低成本的方向发展。电机驱动微处理器的发展分为三个阶段。 第一阶段：只具有单一数据处理功能的微处理器。代表Intel公司的8085和8086芯片等。此时，微处理器处理速度慢，硬件配置不全，由它们组成的控制系统数字化程度有限，控制精度不高。第二阶段:单片机阶段。代表是Intel的8048单片机，随后的MCS51系列和MCS96系列单片机。由单片机实现高性能全数字控制是比较困难的，主要原因是单片机的处理速度满足不了系统对电流控制的快速性要求。目前采用16位单片机控制的电机调速系统多采用数字和模拟混合控制方式，即位置环、速度环的控制及其旋转坐标变换等由单片机实现，电流环的控制一般由模拟电路实现。第三阶段：数字信号处理器DSP (Digital Signal Processor)。代表是Motolora公司的5600系列、AD公司的ADSP2100系列、和TI司的TMS320X2000系列。其中TI公司的TMS320F2407和TMS320F2812是专门而向电机控制的DSP芯片，视为电机控制领域的首选DSP芯片。DSP的最大特点就是运算速度快，能满足电流环的实时控制要求。当采用DSP构成全数字电机控制系统时，其控制功能可以由软件实现，这样有利于提高系统的可靠性，降低系统本，并且可以采用先进的控制算法，获得更好的控制性能。（3）功率环节PWM技术的发展PWM控制技术是利用功率开关器件的通断把直流电压变换成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变频和变压的目的。PWM技术是电机驱动控制的核心技术之一。VVVF控制技术发展早期采用脉幅调制(PAM)。这种方法的特点是变频器在改变输出频率的同时，也改变电压的振幅值。随着全控型功率开关器件GTR，OSFFT、IGBT等的发展，才产生了PWM技术。这种方法的特点是变频器在改变输出频率的同时，也改变输出电压的脉冲占空比。这时，以全波整流代替相控整流，提高了输入端的功率因数，减小了高次谐波对电网的冲击；另外由于输出电压波形为PWM波，减少了低次谐波，减小了电动机在低频区的转矩脉动问题，也降低了电动机的谐波损耗和噪声。PWM控制技术从控制思想上分为四种：等脉宽PWM法、正弦波PWM法(SPWM法)、空间电压矢量PWM法( SVPWM法)和电流跟踪型PWM法。等脉宽PWM法产生的脉冲宽度均匀相等，改变脉冲系列的周期可以调频，改变脉冲的宽度可以调压，采用适当的控制算法可以使电压和频率协调的变化。该方法的缺点是输出电压中除了基波成分外，还包含较大的谐波成分。SPWM法是为了克服等脉宽PWM法的缺点而发展起来的。它从电机供电电源的角度出发，着眼于如何产生一个可调频、可调压的三相对称正弦波电源。具体的方法是以一个正弦波为基准波，用一系列等幅的三角波与基准正弦波相比较，由它们的交点确定逆变器的开关模式。该方法的特点是，在半个周期中总是中间的脉冲宽，两边的脉冲窄，各脉冲的面积与该区间正弦波下的面积成比例，这样在输出电压中的低次谐波成分会大大减小。SVPWM法是从电动机的角度出发，着眼于如何是电动机获得理想的圆形旋转磁场。它以三相对称正弦电压供电时交流电动机的理想磁链圆为基准，用逆变器的不同开关模式所产生的实际磁链矢量来跟踪基准磁链圆，由跟踪的结果决定逆变器的开关模式，形成PWM波。该控制方法时把逆变器和电机作为一个整体来处理，建立逆变器开关模式与电压空间矢量的内在联系，使控制系统结构得以简单化。（4）交流电动机控制系统分类在交流电机的控制系统中具有代表性的方法有：开环的变压变频(VVVF)控制、转差频率控制、矢量变换控制、直接转矩控制、空间矢量调制控制、智能控制。变压变频控制以电动机的稳态方程为推导基础，以控制电机的气隙磁通幅值恒定为目标，具有控制简单、容易实现，其静态性能指标在大部分场合能满足要求，但是不能真正实现动态过程的转矩控制。转差频率控制性能比V/F控制方式有了较大提高，但是与直流闭环系统相比还有较大差距，这是因为在分析转差频率控制规律时还是从电动机的稳态等效电路和稳态转矩公式出发，因此会影响系统的实际动态性能。 矢量变换控制(Vector Transformation Control)也称为磁场定向控制(Field - Oriented Control)，就是经过一系列矢量变换，将电机的数学模型变换至正交的旋转坐标系系统中，并对各物理量实现解祸控制。直接转矩控制(Direct Torque Control)是在20世纪80年代中期提出的新的交流电机控制理论。直接转矩控制就是在定子坐标系统中计算磁通和电磁转矩的大小和位置角，通过磁通幅值和转矩的直接跟踪来实现高性能动态控制。空间矢量调制控制(Space Vector Modulation)是为了提高气隙磁场稳定性减少谐波，优化功率控制器开关模式，降低开关损耗，根据定子磁场运动规律，选择合适的基本电压空间矢量进行合成以产生其他所需要的电压空间矢量。在经典和各种近代的控制理论基础之上提出的控制策略都有一个共同点即控制算法都依赖于电机的数学模型，但当模型受到参数变化和扰动作用影响3 本论文的研究内容及技术要求本课题应用矢量控制的原理，采用TI的电机专用控制芯片TMS320LF2407DSP,开发出了基于矢量控制的变频调速系统。所采用的新型的PWM调制方式空间电压矢量法(SVPWM )，提高了能量的利用效率。主要的工作如下：1、深入研究了转了磁场定向矢量控制系统的数学模型，设计了转速、磁通及转矩的闭环调节器:对SVFWM的工作原理和控制算法进行了研究，并分析比较了它的两种控制方式。2、分析了异步电机在二相静止坐标系、两相静止与旋转坐标系下的电机基本数学模型和控制基本方程，在进行相应的坐标变换以后，得到了基于转子磁定向的同步旋转坐标系下的控制方程式;分析了电压空间矢量脉宽调制的基本原理、控制算法。3、确定适合本系统要求的控制方案，对比不同调制方式，完成系统的方框图;设计了控制系统的硬件电路，包括主电路和功率电路等。4、设计了控制系统的软件部分，给出了基于TMS320LF2407的矢量控制系统软件流程和各子模块的具体实现。4 预计的困难和对策在系统开发过程中可能会遇到如下的困难：（1） 系统控制策略的研究；（2） 异步电机矢量控制系统设计和功率电路的设计和硬件电路的设计（3） 系统驱动程序的开发和矢量控制系统软件的实现解决方法：针对一的解决方法是完成系统的原理图的分析的基础上，进行数学建模，然后用matlab进行仿真；针对二的解决方法是参阅大量相关的研究成果，然后和项目工程师一起研究，设计中着重原理图的设计，而电路板的设计外包的方法给有经验的技术人员；针对三的解决方法先进行无操作系统程序开发，在程序开发正确后进行系统控制软件的开发。5 论文的预期成果与创新点论文完成了控制算法、控制软件、控制系统硬件电路及功率电路的设计，并且在调试中对驱动电路以及保护电路的参数优化进行了分析。同时针对转子磁链受电机参数影响误差较大的缺点，采用改进的电压模型和电流模型相结合的方法，提高了磁链观测器运算精度以及对电机参数的鲁棒性。实验结果表明了系统设计方案的有效性和可行性。参考文献：1Texas Instruments. Implementation of a speed Brushless DC Drive Using TMS320F240M.2003:67-111.2Texas Instruments. Implementation of a speed Field Orientation Control of Three Phase AC induction Motor using TMS320F240M. 2003: 25-36.3Texas Instrument s. Implementation of a speed field Orientation control of three Phase AC induction Motor using TMS320F240M. 2003: 8-58.4Texas Instrument s. AC Induction Motor Control Using Constant V/Hz Principle and Space Vector PWMM. 2003: 16-65.5Texas Instruments .DSP Solution For AC Induction MotorM. 2003:15 -26.6Murphy ,J, Turnbull FG .Power Electronic Control of AC MotorsM. 2003, Pergamon Press: 86 -112.7Texas Instruments. Code composer Users GuideM. 2003:58-98.8Texas Instruments. TMS320F/C240 DSP Controllers Reference GuideM. 2003:8-v56.9Texas Instrument s. implementation of a speed Field Orientation Control of Three Phase AC induction Motor using TMS320F240M.2005: 25-36.10Texas Instruments. Creating a Sine Modulated PWM Signal Using the TMS320F240 EVMM.2005: 3-35.11Texas Instruments.TMS320LF/LC240x DSP Controllers System and Peripherals M. 2006: 35-45.12CHEN S,JOOS G. Symmetrical SVPWM pattern generator using field programmable gate array implementation A.Applied Power Electronics Conference and ExpositionC.APEC 2002 Seventeenth Annual IEEE, 2002. 117-12113李华德等.交流调速控制系统M . 电子工业出版社.2003，3:133-229.14余天才等.空间电压矢量算法及其在TMSLF2407上的实现J.电机电器技术，2003 No.6: 25-26.15韩安太，刘峙飞，黄海.DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用M.2003. 10，清华大学出版社: 416-452.16张红莲.应用DSP实现SVPWM的变频调速控制J.水利电力机械，2004. 2,26 （1）:31-33.17范子超王明彦.三电