交流电动机调速系统软件设计-本科论文

-.z.XXX大学本科毕业设计〔论文〕电机交流调速软件设计学生XX：学生学号：院〔系〕：年级专业：指导教师：教授助理指导教师：副教授二〇一一年六月-.z.摘要本文主要介绍基于意法公司STM32处理器的三相交流异步电动机调速系统的软件设计。详细阐述异步电动机矢量控制系统和电压空间矢量PWM(SVPWM)调制技术原理及软件实现。使用IAR公司的EWARM开发环境进展C语言程序开发，同时嵌入μcos-ii实时操作系统，以提高系统的实时性。然后通过MATLAB/Simulink软件进展仿真验证。实验及仿真结果说明，所设计的三相交流异步电动机调速系统具有转矩脉动小，输出电流波形好，系统响应速度快等优点。关键词三相异步电动机，矢量控制，SVPWM，STM32,μcos-ii实时操作系统,MATLAB仿真-.z.目录1绪论2矢量控制的根本原理3电压空间矢量PWM(SVPWM)的根本原理4STM32简介5μcos-ii实时操作系统简介6基于STM32的μcos-ii实时操作系统移植7MATLAB/Simulink仿真软件简介8调速系统软件实现9调速系统仿真模型及仿真-.z.1绪论当前，三相交流异步电动机已广泛应用于现代工业及相关领域，其调速系统显然成为应用的关键，而调速系统的实现有很多种方式。20世纪70年代德国学者Blaschke等人提出了矢量控制方法。这种控制方法就是采用矢量变换使交流异步电机定子电流励磁分量和转矩分量之间实现解耦，交流异步电动机的磁通和转矩分别进展独立控制，从而使交流异步电动机变频调速系统具有了直流调速系统的优点。因此，近几年来得到相当广泛的应用。矢量控制采用脉宽调制(PWM)技术控制输出电压，PWM技术主要有正弦PWM(SPWM)、消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM)、电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)、电压空间矢量PWM(SVPWM)等控制技术。其中经典的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输出电流的波形。而电流滞环跟踪控制那么直接控制输出电流，使之在正弦波附近变化，这就比只要求正弦电压前进了一步。然而交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目标是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩，这正是电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术的控制目标。如此，SVPWM控制技术具有系统逆变器直流端母线电压利用率高、开关损耗小、电动机转矩波动小等优越性能，应用更为广泛。本文详细阐述异步电动机矢量控制系统和电压空间矢量PWM(SVPWM)调制技术原理及基于意法公司STM32处理器的软件实现，同时嵌入μcos-ii实时操作系统，以提高系统的实时性，然后通过MATLAB/Simulink软件进展仿真验证。实验及仿真结果说明，该设计的三相交流异步电动机调速系统具有转矩脉动小，输出电流波形好，系统响应速度快等优点。2矢量控制的根本原理2.1矢量控制的根本思路通过坐标变换，使异步电动机等效成直流电动机，模仿直流电动机的控制策略，得到直流电动机的控制量，然后经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电动机。即通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统〔VC系统〕。基构造框图如图2-1。2.2坐标变换2.2.1坐标变换引出由于异步电动机的动态数学模型复杂，即是一个多变量〔多输入输出〕，并且电压〔电流〕、磁通、转速、频率之间相互影响的高阶、强耦合、非线性系统，因此，要分析和求解这样的数学模型所列的方程显然是十分困难的。在实际应用中必须设法予以简化，而简化的根本方法就是坐标变换。2.2.2坐标变换的根本思路坐标变换的根本思路是能把异步电动机的物理模型等效的变换为类似直流电动机的模式，所依据的原那么是：在不同的坐标下所产生的磁动势完全一样。首先看看直流电动机的物理模型，如图2-1中所示。图中F为励磁绕组，A为电枢绕组，其中F在定子上，A在转子上。这里把F的轴线称作d轴，主磁通Ф的方向就是沿着d轴的方向；A的轴线那么称为q轴，由于换向器电刷的作用，电刷两侧每条支路中导线的电流方向总是一样的，因此，电枢磁动势的轴线始终被电刷限定在q轴位置上，其效果好象一个在q轴上静止的绕组一样，即电枢绕组。由此可描述直流电动机的物理模型是建立在两个相互垂直的坐标系上的，其中d轴励磁绕组A的励磁电流决定主磁通Ф，而q轴电枢绕组F的电枢电流在主磁通Ф下产生电磁转矩，与主磁通Ф无关。在交流电动机三相对称的静止绕组A、B、C中，通以三相平衡的正弦电流,,时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势F，它在空间呈正弦分布，以同步转速顺着A-B-C的相序旋转。其物理模型如图2-2〔a〕所示。依据坐标变换的原那么，要建立与直流电动机的物理模型等效的物理模型，可由下面的方法进展坐标变换：一是将三相静止坐标系转换为两相静止坐标系〔3/2变换〕，二是将两相静止坐标系转换为两相旋转坐标系〔3s/2r变换〕，如图2-2。如此得到与直流电动机的物理模型的等效的坐标系。2.2.3坐标变换之三相-二相变换〔3/2变换〕3/2变换即三相静止坐标系到两相静止坐标系的转换，根据文献[8]知，〔式2-1〕那么三相静止坐标系到两相静止坐标系的转换的转换矩阵为，〔式2-2〕由〔式2-2〕可得到两相静止坐标系到三相静止坐标系的变换〔2/3变换〕，即的逆矩阵为，〔式2-3〕2.2.4坐标变换之二相-二相变换〔2s/2r变换〕2s/2r变换即二相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，α、β轴为静止的，d,q轴是以转速旋转的，α轴与d轴的夹角为，根据文献[8]知，〔式2-4〕那么两相旋转坐标系到二相静止坐标系的变换的变换阵为，〔式2-5〕由〔式2-4〕两边左乘以变换阵的逆矩阵，可得〔式2-6〕那么二相静止坐标系到两相旋转坐标系变换的变换阵为，〔式2-7〕2.3异步电动机在两一样步旋转坐标上的数学模型2.3.1磁链方程在dq坐标系的磁链方程为，〔式2-8〕其中，——dq坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感；——dq坐标系定子等效两相绕组的自感；——dq坐标系转子等效两相绕组的自感；、、、分别表示d、q轴上定子磁链，d、q轴上转子磁链；、、、分别表示d、q轴方向定子绕组电流，d、q轴方向转子绕组电流；2.3.2电压方程在dq坐标系的电压方程为，〔式2-9〕其中，为转子内电阻，为定子内电阻；为同步角转速，其等于定子频率；为转差，，为转子转速；、、、分别表示d、q轴方向定子绕组电压，d、q轴方向转子绕组电压。2.3.3转矩与运动方程在dq坐标系的电转矩方程为，〔式2-10〕运动方程为，〔式2-11〕2.3.4异步电动机在两一样步旋转坐标上的状态方程由于鼠笼型转子内部是短路的，故有==0，由代数变换可知，其状态方程，即状态方程，〔式2-12〕〔式2-13〕〔式2-14〕〔式2-15〕〔式2-16〕其中，——电机漏磁系数；——转子电磁时间常数。2.4按转子磁链定向的矢量控制2.4.1按转子定向的旋转坐标系现令d轴沿着转子总磁链矢量方向，并称之为M轴，而q轴再逆时针转90°，即垂直于转子总磁链矢量，称之为T轴。即有，〔式2-17〕2.4.2按转子定向的旋转坐标系的状态方程转矩方程为〔式2-18〕转差方程为〔式2-19〕d、q解耦方程〔式2-19〕2.4.3按转子磁链模型〔计算〕按转子磁链模型如下列图图2-3，2.4.4按转子磁链定向的矢量控制矢量控制的构造框图如下列图2-4，3电压空间矢量PWM(SVPWM)的根本原理4STM32简介4.1基于CORTEX-M3内核的STM32CORTEX-M3是ARM公司最新推出的基于ARMv7体系架构的处理器核，具有高性能、低本钱、低功耗的特点，专门为嵌入式应用领域设计。ARMv7架构采用了Thumb．2技术。保持了对现存ARM解决方案完整的代码兼容性，比单纯ARM代码少使用3l％的内存，减少了系统开销，同时能够比Thumb技术高出38％的性能。在中断处理方面，CORTEX-M3集成了嵌套向量中断控制器NVIC。NVIC可以配置1～240个带有256个优先级、8级抢占优先权的物理中断。同时，抢占(Pre-eruption)、尾链(Tail-chaining)、迟到技术(Late-arriving)的使用，大大缩短了异常事件的响应事件。CORTEX-M3异常处理过程中由硬件自动保存和恢复处理器状态，进一步缩短了中断响应时间，降低了软件设计的复杂性。STM32是意法公司基于CORTEX-M3内核的一款高性能单片机，在具有与其它单片机一样功能的同时，在电机控制方面尤为突出，可产生高精度的可控6路PWM波，其可设置死区时间与故障输出保护，并且设有正交编码器速度反应接口，实现高精度速度检测。并且意法公司针对交流感应电动机还专门设计了应用程序库，方便使用者二次开发。ARM是目前嵌入式领域应用最广泛的RISC微处理器构造，它以低本钱、低功耗、高性能等优点占据了嵌入式系统应用领域的领先地位。Cortex-M3内核是ARM新型V7架构系列的微控制器版本，广泛应用于企业、汽车系统、家庭网络和无线技术领域，特别在电机数字控制领域的性能尤为突出。4.2STM32的高级定时器4.2.1高级定时器的构造图参考文献[11]，其构造如下列图4-1，4.2.2高精度PWM产生时钟可为APB总线频率的2倍，最大72MHz，可提供13.8ns定时精度。有边沿或中心对称模式，方便PWM波的构造调整。在更新率倍频模式，中心对称模式下无精度损失，每个PWM周期可产生两次中断或DMA连续传输。4.2.2高精度PWM管理可编程的死区产生是其最大的特点，由8位存放器控制死区时间，在时钟为72MHz时13.8ns最大精度(从0到14µs,非线性)。有专门的故障停机输入控制，由关闭6路PWM输出且发出中断请求来实现，且异步操作(无须时钟同步)，更适合实时控制。4.3STM32的速度检测STM32可直接与增量式正交编码器相连而无需外部逻辑电路,其中正交编码器的第三个输出口，可连至外部中断口来触发定时器的计数器复位。当自动重载存放器的值配置为正交编码器每转产生的计数脉冲时，那么计数器的值直接为转子的角度/位置，非常方便速度检测。4.4STM32的ADCADC转换速度可达1MHZ，精度为达12位，采样时间可编程(1.5-239.5个时钟周期)，最小采样时间达107ns，满足高性能异步电动机调速的采样频率要求。有多通道基于定时器的扫描采样功能，且每个ADC通道可被来自定时器的６个事件触发，或由外部事件和软件触发，由此可将ADC与定时器并联控制，得到更好的调速性能。5μcos-ii实时操作系统简介µC/OS-II是著名的源代码公开的实时内核，是一个完整的，易移植、易固化、易裁剪的占先式实时多任务内核。µC/OS-II是用ANSIC编写的，包含一小局部与微处理器类型相关的汇编语言代码，使之可供不同架构的微处理器使用。虽然µC/OS-II是在PC机上开发和测试的，但µC/OS-II的实际对象是嵌入式系统，并且很容易移植到不同架构的微处理器上。至今，从8位到64位，µC/OS-II已在超过40中不同架构的微处理器上运行。6基于STM32的μcos-ii实时操作系统移植7MATLAB/Simulink仿真软件简介8调速系统软件实现8.1调速系统软件的构造图调速系统软件的构造图如图8-1，磁场定向控制〔FOC〕软件的流程图如图8-2，电流采样电流采样=PID调节〔，〕=PID调节〔，〕〔〔,,〕=得到相电流〔，〔，〕=饱和处理〔，〕(,)=Clarke(,,)〔，〔，〕=反Park〔，〕(,)=Park(,)SVPWM(,SVPWM(,)=PID调节〔，〕结束结束8.29调速系统仿真模型及仿真结论-.z.参考文献[1]华成英，童诗白.模拟电子技术根底[M]：高等教育，2006[2]杨路明.C语言程序设计教程[M]：邮电大学，2005[3]王晓明.电动机的单片机控制.：北极航空航天大学，2002.[4]王兆安，黄俊.电力电子技术.：机械工业，2000.[5]李华德，白晶，李志明.交流调速控制系统.：电子工业，2004.

[6]罗政球.提高电子电路抗干扰能力经历谈[J].电子制作，2006,10.[7]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].：清华大学，2006,3.[8]陈伯时.电力拖动自动控制系统.：机械工业，2004,07.[9]〔澳〕霍姆斯〔Holmes,D.G.〕，〔美〕利波〔Lipo,T.A.〕著；周克亮译.电力电子变换器PWM技术原理与实践.：人民邮电，2010