基于dsp的異步電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于DSP的異步電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　異步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)是在坐標(biāo)變換理論、電機(jī)統(tǒng)一理論和機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，通過(guò)一系列的轉(zhuǎn)換將異步電機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)來(lái)控制，利用坐標(biāo)變換將定子電流矢量分解為按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的兩個(gè)直流分量并分別加以控制，從而實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制

2、，達(dá)到直流電機(jī)的控制效果。本文應(yīng)用矢量控制的原理，以電機(jī)控制專(zhuān)用的DSP芯片TMS320LF2407為核心，設(shè)計(jì)出基于矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)了整個(gè)硬件系統(tǒng)的主電路(整流電路以及口M逆變電路)和控制電路(以DSP芯片為核心的控制電路，以及電流和轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路)。同時(shí)采用一種PWM調(diào)制方法一電壓空間矢量法(SVPwM)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的控制，提高了能量的利用效率。仿真實(shí)驗(yàn)證明，基于DSP芯片的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)性能優(yōu)良，運(yùn)行穩(wěn)定，

3、抗干擾能力強(qiáng)，電機(jī)運(yùn)行噪音小，不失為一套具有先進(jìn)型、新穎性、實(shí)用性的控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文對(duì)異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)著重進(jìn)行了算法和軟件方面的研究。設(shè)計(jì)了一種新的轉(zhuǎn)子磁鏈位置的計(jì)算方法，并應(yīng)用于異步電機(jī)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，保證了Park變換和逆變換的快速性和準(zhǔn)確性。文中設(shè)計(jì)了系統(tǒng)主程序和各中斷子程序，以及S</p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器； 異步電機(jī)； 矢量控制； 變頻調(diào)速系統(tǒng)</p&

4、gt;<p><b>　　Abstract:</b></p><p>　　Vector control system of induction motor is based on vector coordinatetransformation theory,motor unification principle and energy conversion．11le stator

5、current is decomposing two DC parts which orientated as the rotator magnetic fieldand controlled respectively by transforming coordinate．So magnetic flux and torqueare decoupled．It controls the asynchronous motor as a sy

6、nchronous way．Using digital signal processor(DSP)，TMs320u2407，which is special for</p><p>　　motor control，we develop a suit of speed—adjustable，speed—reliable and highlyeffective induction drive based on FOC

7、 principle．Realization of the main circut andthe control circut is described．At the same time，a new Pulse Width Modulation(PWM)named Space Vector Pulse Width Modulation(svewM)method isintroduced which is more effective．B

8、ased on hardware design,this paper also illustrated both algorithm and softwaredesign．Not only it introduced the main program and suspended program，but alsohow each </p><p>　　Key words：Asynchronous motor Vec

9、tor control Space Vector Pulse WidthModulation</p><p>　　一、引言現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)控制中，長(zhǎng)期以來(lái)存在著交流調(diào)速和直流調(diào)速方案之爭(zhēng)，早在19世紀(jì)末，電力系統(tǒng)中就有過(guò)交流供電和直流供電之爭(zhēng)，結(jié)果經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的爭(zhēng)論，由于三相交流電的發(fā)明，使電力系統(tǒng)的交流化取得了勝利。在電力電子技術(shù)發(fā)展之前，直流電機(jī)幾乎占?jí)艛嗟匚?。?duì)于直流電機(jī)，只要改變電機(jī)的電壓或者是勵(lì)磁電流就可以

10、實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)極調(diào)速，且電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩容易控制，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。但是直流電動(dòng)機(jī)也有其本身固有的缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，價(jià)格高；電刷易磨損，維修不方便；對(duì)環(huán)境要求高，不適合用于易燃、易爆及有腐蝕性氣體的場(chǎng)合；這些都與現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)要求的可靠性、可使用性、可維護(hù)性相矛盾，因此直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代電氣傳動(dòng)的要求了。</p><p>　　交流電動(dòng)機(jī)特別是鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，制造方便，價(jià)格低廉，容量沒(méi)

11、有限制，而且維修方便，對(duì)環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。但同時(shí)交流電機(jī)本身是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，其可控性較差。而隨著現(xiàn)代交流電機(jī)的調(diào)速控制理論和電力電子變流技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)調(diào)速取得了突破性的進(jìn)展，電氣傳動(dòng)交流化的時(shí)代隨之到來(lái)。70年代矢量控制理論的引入使交流調(diào)速實(shí)用化。相繼各類(lèi)全控型器件層出不窮，變頻調(diào)速技術(shù)日新月異。從生產(chǎn)到日用家電涉及方方面面，已進(jìn)入一個(gè)高科技應(yīng)用時(shí)代，使工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)發(fā)生了很

12、大的變革。變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動(dòng)的主要發(fā)展方向，它在節(jié)電、提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等方面，是基本技術(shù)之一，其重要性日趨增強(qiáng)。特別是在電力電子、微電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，各種電力器件SCR．GTR．GTO．IGBT以及GTO+IGBT的復(fù)合器件的開(kāi)發(fā)，使變頻調(diào)速技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。交流變頻調(diào)速技術(shù)已成為調(diào)速傳動(dòng)技術(shù)的主流。近10年來(lái)，隨著矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速的性能達(dá)到和超過(guò)了直流調(diào)速，電機(jī)的交流

13、調(diào)速價(jià)格己與直流接近或相當(dāng)。因此，出現(xiàn)了</p><p>　　DSP系統(tǒng)是以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)，概括起來(lái)具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　(1)在一個(gè)指令周期內(nèi)可以完成一次乘法和一次加法。</p><p>　　(2)具有低開(kāi)銷(xiāo)或無(wú)開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持。</p><p>　　(3)具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器。</p&

14、gt;<p>　　(4)可以并行執(zhí)行多個(gè)操作。</p><p>　　(5)程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi)，可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)。</p><p>　　(6)支持流水線操作，使取指令、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊進(jìn)行。</p><p>　　本課題以DSP和智能功率模塊(IPM)及異步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)為研究對(duì)象，以空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)為控制算法，設(shè)計(jì)了一種

15、全數(shù)字化的變頻調(diào)速系統(tǒng)，具有一定的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　二、電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展概況</p><p>　　近年來(lái)，交流調(diào)速中最活躍，發(fā)展最快的就是變頻調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速技術(shù)是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主要內(nèi)容。上個(gè)世紀(jì)變壓器的出現(xiàn)使改變電壓變得容易，從而造就了一個(gè)龐大的電力行業(yè)。長(zhǎng)期以來(lái)，交流電的頻率一直是固定的，變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)使頻率變得可調(diào)了，從而可以充分利用這一極為有用

16、得資源。電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)通常由電動(dòng)機(jī)、控制裝置和信息裝置3部分組成。電氣傳動(dòng)關(guān)系到合理地使用電動(dòng)機(jī)以節(jié)約電能和控制機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)(位置、速度、加速度等)，實(shí)現(xiàn)電能一機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的目的。電氣傳動(dòng)分成不調(diào)速和調(diào)速兩大類(lèi)，調(diào)速又分為交流調(diào)速和直流調(diào)速兩種方式。不調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接由電網(wǎng)供電，但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展這類(lèi)原本不調(diào)速的機(jī)械越來(lái)越多地改用調(diào)速傳動(dòng)以節(jié)約電能，改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)量。在我國(guó)60％的發(fā)電量是通過(guò)電動(dòng)機(jī)消

17、耗掉的，因此調(diào)速傳動(dòng)是一個(gè)重要行業(yè)，一直得到國(guó)家重視。變頻調(diào)速是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容。上個(gè)世紀(jì)變壓器的出現(xiàn)，人為地可以改變電壓的大小，從而造就了一個(gè)龐大的電力行業(yè)。長(zhǎng)期以來(lái)，交流電的頻率一直是固定的，而變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)使頻率變?yōu)榭梢猿浞掷玫馁Y源。我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，許多產(chǎn)品的科研開(kāi)發(fā)能</p><p><b>　　性嚴(yán)重的問(wèn)題。</b></p><p>　　

18、從總體上看我國(guó)電氣傳動(dòng)的總體水平較國(guó)際先進(jìn)水平差距l(xiāng)O～15年。在大功率交一交、無(wú)換向器電機(jī)等變頻技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，但在數(shù)字化及系統(tǒng)可靠性方面與國(guó)外還有相當(dāng)?shù)牟罹?。而這方面產(chǎn)品在諸如抽水蓄能電站機(jī)組啟動(dòng)及運(yùn)行、大容量風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和軋機(jī)傳動(dòng)、礦井卷?yè)P(yáng)方面有很大的需求。在中小功率變頻技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)幾乎所以的產(chǎn)品都是普通的V／F控制，僅有少量的樣機(jī)采用矢量控制，品種與質(zhì)量還不能滿足市場(chǎng)的需要，每年大量進(jìn)口。</p

19、><p>　　交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)弱電混合、機(jī)電一體的綜合技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換(整流、逆變)，又要處理信息的收集、變換和傳輸，因此它的共性技術(shù)可分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問(wèn)題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題，后者要解決(基于現(xiàn)代控制理論的控制策略和智能控制策略)的軟硬件開(kāi)發(fā)問(wèn)題(在目前狀況下主要是全數(shù)字控制技術(shù))。</p><p>　　目前主要發(fā)展方向有以

20、下幾項(xiàng)：</p><p>　　(1)實(shí)現(xiàn)高水平的控制；</p><p>　　(2)開(kāi)發(fā)清潔電能的變流器；</p><p>　　(3)縮小裝置的尺寸；</p><p>　　(4)高速度的數(shù)字控制：</p><p>　　(5)模擬與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)。</p><p><b>　

21、　2．1電力電子器件</b></p><p>　　電力半導(dǎo)體器件是以美國(guó)1956年生產(chǎn)硅整流管(SR)、1958年生產(chǎn)晶閘管(SCR)為起始點(diǎn)逐漸發(fā)展起來(lái)的。經(jīng)過(guò)了40多年的發(fā)展，在器件制造技術(shù)上不斷提高，已經(jīng)歷了以晶閘管為代表的分立器件，以可關(guān)斷晶閘管(GTO)、巨型晶體管(GTR)、功率MOSFET、絕緣柵雙極品體管(IGBT)為代表的功率集成器件(PID)，以智能化功率集成電路(SPIC)、高壓

22、功率集成電路(HVIC)為代表的功率集成電路(PIC)等三個(gè)發(fā)展時(shí)期。從品閘管靠換相電流過(guò)零關(guān)斷的半控器件發(fā)展到P1D，PIC通過(guò)門(mén)極或柵極控制脈沖可實(shí)現(xiàn)器件導(dǎo)通與關(guān)斷的全控器件。在器件的控制模式上，從電流型控制模式發(fā)展到電壓型控制模式，不僅人大降低了門(mén)極(柵極)的控制功率，而且大大提高了器件導(dǎo)通與關(guān)斷的轉(zhuǎn)換速度，從而使器件的工作頻率由工頻一中頻一高頻不斷提高。在器件結(jié)構(gòu)上，從分立器件，發(fā)展到由分立器件組合成功率變換電路的初級(jí)模塊，繼而

23、將功率變換電路與觸發(fā)控制電路、緩沖電路、檢測(cè)電路等組合在一起的復(fù)雜模塊。功率集成器件從單一器件發(fā)展到模塊的速度更為迅速，今天己經(jīng)開(kāi)發(fā)出智能化功率模塊(IPM)。</p><p>　　2．2微處理器的發(fā)展</p><p>　　早期電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)完全由模擬電子器件構(gòu)成，調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)整困難，受外界環(huán)境的影響很大，因而對(duì)控制對(duì)象的適應(yīng)能力差，難于適應(yīng)各種新型控制策略和控制方法111。另外，由于模

24、擬器件的集成度不高，這樣就使得整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜，從而影響控制裝置的可靠性。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)的功能不斷提高，電氣傳動(dòng)領(lǐng)域出現(xiàn)了以微處理器為核心的微機(jī)控制系統(tǒng)。微機(jī)控制在初始階段需要配置大量的外圍接口，以達(dá)到實(shí)時(shí)控制的目的。為了適應(yīng)這種需要，一些公司在單塊芯片上直接集成這些外圍接口，構(gòu)成單片機(jī)。單片機(jī)自問(wèn)世以來(lái)，就得到了飛速發(fā)展，以Intel公司為例，早期推出MCS-48系列單片機(jī)，該單片機(jī)功能簡(jiǎn)單，尋址范

25、圍有限，性能較差，隨之被稍后推出的</p><p>　　MCS．51系列單片機(jī)所取代。MCS．51系列單片機(jī)功能較強(qiáng)，尋址范圍達(dá)到64K，有多級(jí)中斷處理系統(tǒng)，片內(nèi)帶有串行I／O口，16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，這些性能基本能夠滿足一般控制系統(tǒng)的需要，故這類(lèi)單片機(jī)仍是目前應(yīng)用最為廣泛的一種單片機(jī)。雖然MCS．51單片機(jī)目前應(yīng)用得最為廣泛，但在一些比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，由于受計(jì)算速度和計(jì)算精度的影響，它不得不讓位于16位單片機(jī)

26、。MCS．96系列16位單片機(jī)具有豐富的硬件資源和軟件資源，特別是在其CPU中不采用常規(guī)的累加器結(jié)構(gòu)，改用寄存器一寄存器結(jié)構(gòu)，CPU操作直接面向256字節(jié)寄存器，消除一般CPU結(jié)構(gòu)中存在的累加器瓶頸效應(yīng)；尤其80C196MC型單片機(jī)內(nèi)置的波形發(fā)生器可直接輸出三相脈寬調(diào)制波形，特別適用于變頻調(diào)速電機(jī)控制系統(tǒng)。雖然MCS．96單片機(jī)性能優(yōu)越，但當(dāng)用于需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理或浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)則略有遜色。80年代初期出現(xiàn)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)既增強(qiáng)

27、了微處理器的數(shù)據(jù)處理能力，提高了精度，又在片內(nèi)集成了大量的外圍接口，因而在控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。DSP通常采用哈佛結(jié)構(gòu)，將程序存儲(chǔ)空間與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間分開(kāi)，并且各自擁有自己的數(shù)據(jù)總線和地址總線；采用流</p><p>　　2．3控制策略的發(fā)展</p><p>　　早期變頻調(diào)速系統(tǒng)是開(kāi)環(huán)恒壓頻比(V／F控制，V／F=常數(shù))的控制方式1219其優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，缺點(diǎn)是系統(tǒng)性能不高。

28、具體來(lái)說(shuō)，其控制曲線會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在使性能下降，穩(wěn)定性變差，因此這種控制方式比較適合應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)速的場(chǎng)合。轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)在V／F控制中引入速度閉環(huán)，使逆變器輸出的實(shí)際角頻率隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度同步上升或下降，從而提高了系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能。與開(kāi)環(huán)v伊控制相比，加速、減速更為平滑，且系統(tǒng)容易穩(wěn)定。但轉(zhuǎn)差頻率控制是從異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)分析的，因而會(huì)

29、影響系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)性能。</p><p>　　上世紀(jì)70年代，西德EBlaschke等人提出的“感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向的控制原理”和EC．Custman與AA．Clark申請(qǐng)的專(zhuān)利“感應(yīng)電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制”，奠定了矢量控制理論的基礎(chǔ)131．矢量控制理論的基本出發(fā)點(diǎn)是，考慮到異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)藕合、非線性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過(guò)外加信號(hào)準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩，但若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利用

30、從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換，則可以把定子電流中的勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量變成標(biāo)量獨(dú)立開(kāi)來(lái)，進(jìn)行分別控制。這樣，通過(guò)坐標(biāo)變換重建的電機(jī)模型可等效為一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，從而可像直流電機(jī)那樣進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)矩和磁通控制。因?yàn)檫@種方法采用了坐標(biāo)變換，所以對(duì)控制器的運(yùn)算速度、處理能力等性能要求較高。近年來(lái)，圍繞著矢量變換控制的缺陷，如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非線性和電機(jī)參數(shù)變化影響系統(tǒng)性能等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。在致力于發(fā)展異步電機(jī)矢量控制技

31、術(shù)的同時(shí)，各國(guó)學(xué)者并沒(méi)有放棄其他控制思想的研究。1985年德國(guó)魯爾大學(xué)Depenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論(DTC)。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，DTC摒棄了解藕的思想，取消了旋</p><p>　　機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系計(jì)算與控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場(chǎng)定向，借助離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器產(chǎn)生脈寬調(diào)

32、制(PWM)信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。從轉(zhuǎn)矩的角度看，只關(guān)心轉(zhuǎn)矩的大小，磁通本身的小范圍誤差并不影響轉(zhuǎn)矩的控制性能。因此，這種方法對(duì)參數(shù)變化不敏感。DTC省掉了復(fù)雜的矢量變換，其控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制手段直接，信號(hào)處理的物理概念明確。該控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，是一種具有高靜、動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速方法。</p><p>　　2．4控制理論的發(fā)展</p>

33、<p>　　現(xiàn)代交流調(diào)速的主要控制方法交流變壓變頻技術(shù)是一種轉(zhuǎn)差功率不變高效</p><p>　　型調(diào)速技術(shù)，它是，自20世紀(jì)60年代獲得突破性進(jìn)展以來(lái)，一直受到人們的</p><p>　　高度重視。交流變壓變頻技術(shù)按其控制方式可簡(jiǎn)單分為：V／F恒定薩弦脈寬調(diào)制</p><p>　　(SPWM)、電壓空間矢量(SVPwM)、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制3代控制方

34、式。</p><p>　　交流電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的被控對(duì)象，第1、2代的電壓／頻率恒定控制是從電機(jī)靜態(tài)方程出發(fā)研究其控制特性，動(dòng)態(tài)控制效果均不理想，第3代的矢量控制(vC)和直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)能使交流傳動(dòng)系統(tǒng)獲得與直流傳動(dòng)相似的靜、動(dòng)態(tài)特性t519但是對(duì)于交流電機(jī)這樣一個(gè)特殊的被控對(duì)象，矢量控制存在轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)、矢量變換的復(fù)雜性和控制性能受電機(jī)參數(shù)變化影響的不足哳1，直接轉(zhuǎn)矩控制存在轉(zhuǎn)矩

35、脈動(dòng)較大的缺點(diǎn)?，F(xiàn)代控制理論的各種控制方法為彌補(bǔ)這些不足提供了理論依據(jù)，計(jì)算機(jī)用于實(shí)時(shí)控制后，使得現(xiàn)代控制理論中的各種控制方法得到應(yīng)用，如最優(yōu)控制應(yīng)用到PWM開(kāi)關(guān)的優(yōu)化，減少開(kāi)關(guān)損耗‘”；智能控制能夠適應(yīng)交流電機(jī)的非線性和參數(shù)的變化；卡爾曼濾波器和自適應(yīng)控制能對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)和進(jìn)行轉(zhuǎn)速估算”1，這些先進(jìn)的現(xiàn)代控制技術(shù)全面提高了系統(tǒng)性能。近幾年智能控制己較多應(yīng)用于交流電機(jī)調(diào)速中，在提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力，提高系統(tǒng)的魯棒性‘91，提高系統(tǒng)動(dòng)

36、態(tài)性能、系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)n∞等方面都有很大的發(fā)展?jié)摿Α?lt;/p><p><b>　　三、本文研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　現(xiàn)代電機(jī)控制發(fā)展和完善、仿真工具的日漸成熟，給電機(jī)控制帶來(lái)了很多發(fā)展的契機(jī)。同時(shí)也出現(xiàn)一些要求高性能、低能耗、低成本以及技術(shù)指標(biāo)要求苛刻的特殊應(yīng)用系統(tǒng)。本課題運(yùn)用現(xiàn)代電機(jī)調(diào)速的控制方式(矢量控制)并結(jié)合空間電壓矢量技術(shù)，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一套以11公司

37、的DSP芯片TMS320LF2407為核心構(gòu)成通用的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。</p><p><b>　　本文的主要內(nèi)容：</b></p><p>　　(1)異步電機(jī)各種交流調(diào)速的方法，重點(diǎn)闡述了矢量控制系統(tǒng)的基本原理及其實(shí)現(xiàn)裝置，其中主要包括變頻調(diào)速的基本原理和異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　(2)以TMs320LF2407為中央處理器，

38、設(shè)計(jì)控制電路，它可以分為DSP模塊、電流檢測(cè)模塊，轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊等。設(shè)計(jì)以IPM為功率器件構(gòu)成逆變電路，以二極管構(gòu)成三相橋式不可控全波整流電路，組成典型交一直一交電壓源型變頻系統(tǒng)主電路。</p><p>　　(3)用C語(yǔ)言及匯編實(shí)現(xiàn)矢量控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了主程序流程圖，各中斷子程序流程圖及各模塊的實(shí)現(xiàn)。并給出部分模塊的軟件程序。</p><p>　　四、系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)矢量控制變頻調(diào)速控制

39、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，系統(tǒng)運(yùn)行性能的好壞在很大程度上取決于控制系統(tǒng)軟件質(zhì)量的高低。本系統(tǒng)的軟件主要分為兩部分：一是上位機(jī)的監(jiān)控顯示程序；二是下位機(jī)的控制程序。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)電機(jī)參數(shù)設(shè)定，包括轉(zhuǎn)速設(shè)定及顯示等；下位機(jī)主要負(fù)責(zé)電流采樣、轉(zhuǎn)速采樣、矢量變換、PWM輸出、故障輸出等。下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)可簡(jiǎn)單分為兩個(gè)部分：一個(gè)是系統(tǒng)的初始化，一個(gè)是控制運(yùn)行模塊。其中第一個(gè)模塊只在系統(tǒng)上電時(shí)執(zhí)行一次，而第二個(gè)模塊在每次PWM下溢事

40、件發(fā)生之后都將從等待循環(huán)中喚醒，當(dāng)中斷標(biāo)志被設(shè)置后，相應(yīng)的中斷服務(wù)程序ISR就將執(zhí)行，整個(gè)矢量控制算法都在中斷子程序中完成，其調(diào)用的頻率與PWM的輸出頻率一致。整個(gè)軟件的系統(tǒng)框圖如圖1所示。</p><p>　　3 系統(tǒng)軟件的具體實(shí)現(xiàn)3.1 相電流檢測(cè)模塊該模塊的主要功能在于把采樣得到的兩路定子相電流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。具體的采樣過(guò)程如圖2所示：</p><p>　　處理結(jié)果如圖3

41、所示。</p><p>　　3.2 速度采樣模塊采用歐姆龍公司的旋轉(zhuǎn)編碼器（E6B2-CWZ6C）作為檢測(cè)器件，與傳動(dòng)軸連接，每轉(zhuǎn)動(dòng)一周便發(fā)出一定數(shù)目的脈沖，DSP通過(guò)對(duì)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率和周期的測(cè)量，從而間接得到軸上的轉(zhuǎn)速。在具體的軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，就是通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器送進(jìn)來(lái)脈沖計(jì)數(shù)，得到當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，把起始位置設(shè)為0，并把兩個(gè)PWM周期之間的脈沖數(shù)保存在計(jì)數(shù)器T3CNT中。3.3 PI

42、調(diào)節(jié)模塊</p><p>　　由于外界干擾和電機(jī)參數(shù)等原因，常使PI調(diào)節(jié)器的輸出超過(guò)系統(tǒng)輸出能力，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，采用了輸出限幅的PI調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。</p><p>　　在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程需要首先得到控制對(duì)象的傳遞函數(shù)，然后選擇合適的PI調(diào)節(jié)器，將系統(tǒng)校正成典型環(huán)節(jié)，遵循典型系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法得到系統(tǒng)參數(shù)。在得到3個(gè)PI調(diào)節(jié)器后，采用后向差分法進(jìn)行離散化，得到差分方程，進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程。3

43、.4 矢量變換模塊</p><p>　　3.5 電流磁鏈轉(zhuǎn)化模塊</p><p>　　電流模型可以用如圖5所示的模塊進(jìn)行描述。</p><p>　　3.6 電壓空間矢量產(chǎn)生模塊 逆變器的一個(gè)工作周期被六個(gè)有效的電壓空間矢量分為6個(gè)區(qū)，實(shí)現(xiàn)PWM空間電壓矢量控制的方法就是在每一個(gè)扇區(qū)再分為若干個(gè)對(duì)應(yīng)于時(shí)間T（脈沖周期）的小區(qū)間，在這個(gè)小區(qū)間中插入若干個(gè)線性組合

44、的電壓空間矢量，就可以獲得優(yōu)于正六邊形的多邊形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 算法步驟為：1）判斷當(dāng)前電壓矢量所在的扇區(qū)；2）計(jì)算開(kāi)關(guān)電壓矢量作用的時(shí)間；3）根據(jù)開(kāi)關(guān)電壓矢量作用的時(shí)間和成三相PWM信號(hào)。</p><p>　　4、軟件抗干擾設(shè)計(jì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境惡劣，干擾嚴(yán)重，對(duì)DSP運(yùn)行的可靠性和安全性有很高的要求。除了在硬件電路上需要安排一些必要的抗干擾措施外，還需要軟件系統(tǒng)的密切配合。軟件方面的干擾主要表現(xiàn)

45、在以下幾個(gè)方面：（1）不正確的算法產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果，容易產(chǎn)生誤動(dòng)作；（2）由于計(jì)算機(jī)的精度不夠，而加減法運(yùn)算時(shí)要對(duì)階，大數(shù)“吃掉”了小數(shù)，產(chǎn)生了誤差積累，導(dǎo)致下溢的出現(xiàn)，也是噪聲的來(lái)源之一；（3）由于硬件方面的干擾引起計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的諸如：程序計(jì)數(shù)器PC值變化、數(shù)據(jù)采集誤差增大、控制狀態(tài)失靈、RAM數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化以及系統(tǒng)出現(xiàn)“死鎖”等現(xiàn)象。軟件抗干擾的方法主要有：（1）采用軟件的方法抑制疊加在模擬輸入信號(hào)上的噪聲影響，如數(shù)字濾波計(jì)數(shù)等新

46、方法；（2）對(duì)由于干擾而使程序運(yùn)行發(fā)生混亂，導(dǎo)致程序亂飛或陷入死循環(huán)的情況，可以采取軟件冗余、軟件陷阱和“看門(mén)狗”等方法。軟件抗干擾是被動(dòng)措施，而硬件抗干擾是主動(dòng)措施。但由于DSP軟件設(shè)計(jì)靈活，可以節(jié)省硬件資源，所以DSP系統(tǒng)的軟件抗干擾技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視。</p><p><b>　　五、總結(jié)</b></p><p>　　本文主要采用TMS320LF2407

47、型定點(diǎn)DSP為控制核心，以職M為逆變器的開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用SVPWM變頻技術(shù)，利用DSP芯片高速運(yùn)算的能力，產(chǎn)生輸出頻率和調(diào)制比可任意改變的PWM波，為實(shí)現(xiàn)矢量控制系統(tǒng)提供了一定條件。在硬件電路設(shè)計(jì)中進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，口M的使用減少了很多驅(qū)動(dòng)電路，使變頻器實(shí)現(xiàn)小型化，簡(jiǎn)單化。在算法實(shí)現(xiàn)中，DSP都不可避免的要處理浮點(diǎn)數(shù)，因些浮點(diǎn)數(shù)的定標(biāo)就顯得重要。本文的定點(diǎn)運(yùn)算采用了Pu模式，既能滿足寬范圍又能滿足高精度。具體研究的內(nèi)容主

48、要有：(1)通過(guò)對(duì)異步電機(jī)物理模型的分析，建立了電機(jī)在三相坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型。采用矢量控制的變頻調(diào)速方法，經(jīng)過(guò)Clark和Park變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，從而得到了異步電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的等效直流電機(jī)模型。在SVPWM理論的基礎(chǔ)上，推倒出SVPWM波形的快捷實(shí)現(xiàn)算法。分析了LF2407DSP硬件和軟件生成SVPWM波形的實(shí)現(xiàn)方法。(2)詳細(xì)介紹了DSP芯片的特性，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路。硬件電路主要包括電流檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)