DSP交流異步電機調(diào)速研究報告

1、個人資料整理 僅限學習使用防災科技學院畢業(yè)設計題 目基于DSP的交流異步電機調(diào)速的研究學生姓名修鳳武學 號0770237系別防災儀器系專 業(yè)電氣工程及其自動化班 級07702開題時間2018 年 11 月 26 日答辯時間2018 年 06 月 11 日指導教師于瑞紅職稱講師個人資料整理 僅限學習使用基于DSP的交流異步電機調(diào)速的研究作者修鳳武指導教師王全勝摘要矢量控制作為一種先進的控制方式，是在電機統(tǒng)一、機電能量轉(zhuǎn)換理論和坐標變換理論的基 礎上發(fā)展起來的，具有先進性、實用性的特點。其思想就是利用坐標變化，使得異步電動機的模型 變成直流電動機模型，將定子電流矢量分解為按轉(zhuǎn)子磁場定向的兩個直流分

2、量并分別加以控制，從 而實現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，以期達到直流電機的控制效果。關(guān)鍵詞：矢量控制、變頻調(diào)速、數(shù)字信號處理VDSPVDSP)、電壓控制矢量法VSVPWMVSVPWM)ABSTRACTABSTRACTVector control as an advaneed control mode, is in the motor, electrical and mechanical en ergyconversion uni fied theory and coord in ate tran sformati on theory developed on the basis of, have t

3、hecharacteristics of the adva nceme nt and practicability. The idea is the cha nge of coord in ate, make in duct ionmotor model into dc motor model of stator curre nt vector decompositi on, to press a rotor field-orie nted two dccomp onent were con trolled, and so as to realize the flux and the torq

4、ue of the decoupli ng con trol, i n order toachieve dc motor con trol effect.KEYWORDSKEYWORDS :Vector control, variable frequency speed regulation, and digital signal processing (DSP,voltage con trol vector method (SVPWM個人資料整理 僅限學習使用目錄引言 1 1第一章緒論 1 11.1課題研究背景和意義11.2異步電動機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展簡況11.3異步電機變頻調(diào)速技術(shù)21.4研究

5、的目標和內(nèi)容3第二章交流異步電機的 PWMPWM 技術(shù) 4 42.1交流異步電動機變頻調(diào)速通用原理42.2脈寬調(diào)制(PWM技術(shù)52.3電壓空間矢量SVPWM技術(shù)6第三章交流異步電動機矢量控制技術(shù)6 63.1異步電動機的數(shù)學模型63.2坐標變換的矢量控制73.3矢量控制原理103.4矢量控制方式10第四章系統(tǒng)硬件電路的設計 12124.1 DSP(TMS320LF2407A124.2主回路的設計134.3逆變器驅(qū)動電路的設計134.4檢測電路的設計144.5輔助外圍電路的設計與實現(xiàn)16第五章系統(tǒng)控制軟件的設計開發(fā)17175.1系統(tǒng)軟件總體設計175.2軟件模塊205.3本章小結(jié)23個人資料整理

6、僅限學習使用第六章仿真結(jié)果分析 2424_ 個人資料整理僅限學習使用6.1 MATLAB/SIMULINK仿真平臺246.2仿真系統(tǒng)建模246.3仿真結(jié)果及分析266.4本章小結(jié)26致謝 2727參考文獻 2828個人資料整理 僅限學習使用引言隨著半導體業(yè)的迅猛發(fā)展，尤其是數(shù)字信號處理器的發(fā)展以及精確的異步電機模型 和各種先進的控制理論的提出，很大程度上促進了電機控制的發(fā)展，使得高精度、寬 調(diào)速范圍、控制性能好的電機控制器的實現(xiàn)成為可能。第一章緒論1.1課題研究背景和意義隨著電力電子技術(shù)、計算機應用技術(shù)、和快速增長的自動化控制技術(shù)、電氣傳動 技術(shù)正在經(jīng)歷一個歷史性的革命。直流傳動控制和交流傳動

7、控制是電氣傳動技術(shù)的研 究與開發(fā)的兩個方向，擁有兩個方向的交流傳動技術(shù)的發(fā)展進步，交流傳動技術(shù)越來越成 熟,交流傳動技術(shù)在許多領域具有調(diào)速性能和直流調(diào)速技術(shù)相媲美的性能，很多工業(yè)控制領域已逐漸取代直流傳輸調(diào)速，但交流電機控制技術(shù)雖然經(jīng)過多年的快速發(fā)展，但仍具有很大的技術(shù)進步和發(fā)展空間，仍然是該行業(yè)的重要課題。隨著交流電機控制系統(tǒng)逐步完善以來，越來越多的硬件和軟件實現(xiàn)簡潔，不僅簡化了 越來越復雜功能，同時，控制算法正在迅速發(fā)展。目前，交流電機控制已成為一門集運動學習與電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)字模擬和計算機控制為一體的新興學科。 因此,從事電氣自動化相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員，了解和掌握交流電機系統(tǒng)工

8、作原理的數(shù)字控制 系統(tǒng)設計方法已成必然趨勢，我們根據(jù)需要選擇設計合理的控制方案對效益的最大化 引進、吸收、消化國外先進技術(shù)，并能繼續(xù)進一步探索了學習和提高交流電機控制理論 和控制策略的方法日趨重要。1.2異步電動機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展簡況在電力電子發(fā)展之前，直流電機已經(jīng)占據(jù)了主導地位。直流電機，當改變電動機 的電壓或者勵磁電流時， 就可以對電機進行無級調(diào)速， 且電動機的轉(zhuǎn)矩相對比較容易 控制， 并且動態(tài)性能良好。但直流電動機有其缺點：重量大，價格高，結(jié)構(gòu)復雜；電 刷易磨損，維修不方便；對環(huán)境要求高，不適合用于一些要求較高的的場合。 這與現(xiàn) 代調(diào)速系統(tǒng)要求的可靠性、 可使用性、 可維護性相矛盾，因此直

9、流電機已經(jīng)很難適應 現(xiàn)代電氣傳動的要求了。交流電動機，容量沒有限制，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，價格低廉，而且維修方便 可適應各種復雜環(huán)境，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。但同時交流電機本身是一 個強耦合、非線性的多變量系統(tǒng)，其可控性較差；而隨著現(xiàn)代交流電機的調(diào)速控制理 論和電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流電機調(diào)速獲得了突破性的進展。個人資料整理 僅限學習使用變頻調(diào)速己經(jīng)成為異步電動機最主要的調(diào)速方式，在很多領域都得到了廣泛的應 用；而且隨著交流電機調(diào)速理論的發(fā)展如：矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制）和電力電子技 術(shù)vIGBT、IPM）以及DSP等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，變壓變頻調(diào)速將在很長一段時間內(nèi)主 導電氣傳動領域。本系統(tǒng)

10、以DSP和功率管vMOSFET）及異步電動機構(gòu)成的系統(tǒng)為研究對象，以提 高算法的執(zhí)行速度和精度為目標，以空間電壓矢量脈寬調(diào)制vSVPWM）為控制算法, 設計了一種全數(shù)字化的變頻調(diào)速系統(tǒng)，具有一定的理論和實際應用價值。1.3異步電機變頻調(diào)速技術(shù)1.3.1電力電子器件的發(fā)展電力電子是交流調(diào)速裝置的基礎，其發(fā)展直接決定交流調(diào)速的發(fā)展。20世紀50年代出現(xiàn)SCR，之后相繼出現(xiàn)GTO，GTR（也稱BJT和MOSFET，絕緣柵雙極型晶體管IGBT和絕緣柵雙極型門控晶閘管IGCT，智能功率模塊IPM0IPM是先進的混合集成功率器件，由優(yōu)化的門極驅(qū)動及保護電路高速低耗的IGBT構(gòu)成，采用了有電流傳感器功能的I

11、GBT，能連續(xù)監(jiān)控功率元件電流，從而實現(xiàn)高效的 過電流保護。由從IPM集成了過熱保護電路和鎖定保護電路，系統(tǒng)可靠性得到進一步1.3.2異步電機變頻調(diào)速控制理論的發(fā)展早期變頻系統(tǒng)都是利用開環(huán)恒壓比（V/F=常數(shù)的控制方式，其優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡 單、成本較少，缺點是系統(tǒng)的整體控制性能不高。具體來說，其控制曲線會隨著負載 的增加而增加，轉(zhuǎn)矩相應的變化慢，跟隨性不好，利用率不高，低頻時因定子電阻 和逆變器死區(qū)效應的存在，而性能下降穩(wěn)定性變差等。因此這種控制方式比較適合應 用在風機、水泵調(diào)速場合。矢量控制理論，仿照直流電動機和交流電動機比較的方法，由此開創(chuàng)了交流電動 機與直流電動機等效控制的先河。矢量控制

12、的主要思想是將異步電動機模擬成直流電 動機，通過變換坐標，分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，使得解耦控制 實現(xiàn)，從而獲得與直流電動機一樣良好的動態(tài)調(diào)速特性。直接轉(zhuǎn)矩控制理論（DTC是比較先進的控制理論。原理：直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制有很大的差別，DTC用的不是解耦思想。通過對電機定子電壓和電流的檢測，利用瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù) 與給定值比較所得差值，實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。133 DSP的發(fā)展個人資料整理 僅限學習使用20世紀80年代初期出現(xiàn)了數(shù)字處理器(DSP,DSP有其自身的優(yōu)勢：支持浮點運 算，提高了時鐘頻率，集成了硬件乘法器，它既增強了微處理器的數(shù)據(jù)處理能

13、力，又 在片內(nèi)集成了大量的外圍接口，因而在控制系統(tǒng)中得到廣泛應用。SPWM波形產(chǎn)生器技術(shù)越來越成熟，它能與其它控制芯片配合共同完成交流電機的矢量控制。在本系統(tǒng) 中采用的是TI公司的TMS320LF2407A作為本控制系統(tǒng)的核心處理芯片。1.4研究的目標和內(nèi)容1.4.1研究目標本論文的題目是基于DSP的交流異步電機調(diào)速的研究。本系統(tǒng)以TMS320LF2407A為核心，并在此基礎上進行數(shù)字化PWM交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究1.4.2研究內(nèi)容本文運用矢量控制技術(shù)并結(jié)合空間電壓矢量技術(shù)，開發(fā)一套以TI公司的DSP芯片TMS320F2407A為核心，形成具有良好人機界面的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。該方案主要介紹和設

14、計了一種以(DSPTMS320LF2407A為中心的電機調(diào)速控制系 統(tǒng)，并以此調(diào)速系統(tǒng)為基礎，研究了按轉(zhuǎn)子磁場定向的SVPWM調(diào)制方式的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)，并利用該控制方式，搭建整個系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，同時編輯軟件算法。使電機在高速、低速以及啟動、運行時的各個條件下都能得到比較理想，穩(wěn)定的控制 特性。論文的研究內(nèi)容具體包括：第1章 主要介紹了電機調(diào)速理論以及控制理論的背景、意義、現(xiàn)狀和發(fā)展方向， 以及本文的主要內(nèi)容。第2章講了交流異步電動機的PWM技術(shù)，變頻調(diào)速的基本原理，變頻調(diào)速主要有 基頻以下和基頻以上兩種情況。第3章主要講交流異步電動機矢量控制原理并從矢量控制系統(tǒng)原理出發(fā)，利用坐 標變換技

15、術(shù)，分析構(gòu)建了異步電機在三種坐標系中的數(shù)學模型，重點對基于轉(zhuǎn)子磁場 定向的矢量控制原理進行了研究，最后介紹了電壓空間矢量SVPWM控制的原理。第4章講述的是以TMS320LF2407A芯片為核心的硬件結(jié)構(gòu)，包括交-直-交變頻_ 個人資料整僅限學習使用_主電路、轉(zhuǎn)速檢測模塊、電流檢測保護模塊、電壓檢測保護模塊及各個硬件模塊的具 體設計要求及電路結(jié)構(gòu)。第5章 主要介紹了整個系統(tǒng)的軟件設計，由主程序、中斷服務子程序兩部分組 成，給出了各個模塊的詳細軟件設計流程圖。第6章對交流異步電機矢量控制利用MATLAB進行了仿真，根據(jù)仿真結(jié)果研究改 進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。第二章交流異步電機的 PWMPWM 技術(shù)2.1交流

16、異步電動機變頻調(diào)速通用原理交流異步電動機的轉(zhuǎn)速公式：N=60f(1-s/p (21式中：卩電動機極對數(shù)：f電源頻率；N電動機轉(zhuǎn)速：s-轉(zhuǎn)差率。由式(2一1可見，調(diào)節(jié)極對數(shù)P,轉(zhuǎn)差率S和電源頻率f可是其轉(zhuǎn)速改變。其 中，改變電源頻率來實現(xiàn)交流電動機調(diào)速的方法效果最理想。根據(jù)電機學理論，交流 異步電動機的定子繞組的感應電動勢有效值計算如下：UE=4 44kfQ22要使電動機具有較好的性能必須在改變頻率f的同時協(xié)調(diào)的改變定子電壓U。使氣隙磁通為一常量為了保證：E/f=C=(2-3式(2-3表明了f由基頻降至低頻的變速過程中使得=C可以獲得轉(zhuǎn)矩Tc：Temax=C的控制效果。異步電機的控制特性如圖21

17、所示:在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從額定值fs往上提高，但是端電壓U不能繼續(xù)上升，只能維持在額定值h卯A恒特距確理埴功事調(diào)11個人資料整理 僅限學習使用圖2.1異步電機變頻調(diào)速使的磁通與頻率成反比的下降，這時電機轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化，因此在基頻以 下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，在基頻以上為恒功率調(diào)速。2.2脈寬調(diào)制（PWM技術(shù)PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的基礎。隨著新型電力電子器件的不斷涌現(xiàn)以及微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，PWM變頻技術(shù)也獲得了飛速發(fā)展，目前常用的主要有兩種形式：基于正弦波對三角波脈寬調(diào)制的SPWM控制和電壓空間矢量SVPWM控制。圖2-2SPWM法波形的產(chǎn)生法波形的產(chǎn)生一、SPWM技術(shù)上圖中，通常

18、采用等腰三角波作為載波，正弦波作為調(diào)制波，當載波與調(diào)制信號波相交時，如果在交點時刻控制電路中功率開關(guān)器件的通斷，就可以得到寬度正比于 信號波幅值的脈沖，若拿正弦波作為調(diào)制信號波為時稱其為SPWM調(diào)制。SPWM法是從電源的角度出發(fā)，該如何產(chǎn)生調(diào)壓調(diào)頻的三相正弦波電源？SPWM波形的生成方法：等效面積法、自然采樣法、規(guī)則采樣法等等。規(guī)則采樣法有其特點和優(yōu)勢：偏離自然采樣法較小，脈寬的計算方法簡單，用計算機實現(xiàn)比較方便，運算量小，實時性好，是人們常用的一種SPWM方法。二、 電壓空間矢量SVPWM電流跟蹤控制直接控制輸出電流，使之隨著正玄波變化，交流電動機輸入三相正弦波使得電機空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，

19、從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。把逆變器和交流電機看作是為一體，以圓形磁場為目標來控制逆變器的工作。磁鏈軌跡的控制通過交替?zhèn)€人資料整理 僅限學習使用使用不同的電壓空間矢量實現(xiàn)的，又稱為“電壓空間矢量SVPWM2.3電壓空間矢量SVPWM技術(shù)2.3.1電壓矢量與磁鏈矢量的關(guān)系電壓空間矢量是按照電壓所加在繞組的空間位置來定義的。電動機的三相定子繞 組可以定義一個三相平面靜止坐標系，如圖23所示。這個坐標系有三個軸，互相間隔120。三相定子電壓Ua，Ub,Uc分別施加在三相繞組上，形成三個相電壓空間矢量Ua、Ub、Uc它們的方向始終在各相的軸線上，大小隨時間按正弦規(guī)律變化。因此， 三個相電壓空間矢量相加所形

20、成的一個合成電壓空間矢量u是一個以電源角頻率速度旋轉(zhuǎn)的空間矢量。圖2.3空間矢量坐標U=Ua+Ub+Uc(24因此有：u=RI+d/dt當轉(zhuǎn)速不是很低時，定子電阻R的壓降相對較小所以有：ud/dt該式說明，當磁鏈幅值定時。u的大小與3成正比，或者說供電電壓與頻率f成正 比，其方向是磁鏈圓軌跡的切線方向。如此，便將電動機旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)化為電壓空間軌 跡。第三章交流異步電動機矢量控制技術(shù)3.1異步電動機的數(shù)學模型異步電機的矢量控制而言，速度系統(tǒng)的控制方式是比較復雜的，確定了最優(yōu)控制方法：個人資料整理 僅限學習使用_ 個人資料整星一僅限學習使用_必須要充滿系統(tǒng)靜態(tài)特性的研究。作為交流電機調(diào)速系統(tǒng)一個主要

21、的聯(lián)系，該系統(tǒng)特點顯得尤為重要，建立相應的數(shù)學模型，推導出系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)特性及其控制技術(shù)的理論 基礎為了分析三相異步電動機，一般做以下的理想化假設：(1三相繞組是對稱的，忽略空間諧波。(2忽略了磁飽和且自感和互感是恒定的(3忽略鐵芯損失。(4不可考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響在恒定轉(zhuǎn)矩負載條件下，三相異步電動機的數(shù)學模型可用如下矢量方程表示：3-1)其中：L是定、轉(zhuǎn)子漏感，D是轉(zhuǎn)子角速度，u是定、轉(zhuǎn)子相電壓，i是定、轉(zhuǎn)子 電流？是轉(zhuǎn)子和定子間的夾角。用等效電路圖表示則有下面的通用等效圖，如圖31所示：3.1異步電機通用圖交流感應電機實質(zhì)上是一種高階非線性和強耦合的多變量系統(tǒng)，要分析和

22、非線性方程組是十分困難的，所以通常需要采用坐標變換方法加以改造，來控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 使數(shù)學模型簡化為比較簡單的等效直流電動機數(shù)學模型。3.2坐標變換的矢量控制通過磁勢量來描述或電流空間三相磁場、兩相磁場與磁場和旋轉(zhuǎn)坐標變換，直流他們稱為矢量坐標變換。矢量坐標變換必須遵循以下原則：1變換前后電流所產(chǎn)生等效的旋轉(zhuǎn)磁場；2變換前后兩個系統(tǒng)總功率不發(fā)生變化。為使總磁動勢、功率保持不變，這里采用正交變換方式進行。個人資料整理 僅限學習使用321 Clarke變換研究矢量控制的三種坐標系統(tǒng)：兩相靜止坐標系（2S、三相靜止坐標系（3s、和兩相旋轉(zhuǎn)坐標系（2R。為仿照直流電動機模型，我們先將異步電動機模型從

23、三相靜止坐圖3.2坐標變換即采用正交變換矩陣，則可以得到變換公式為:(3-2變換矩陣為：(3- 3對于三相電流系統(tǒng)而言，有iA+ia+ic=O。因此ic=-iA-iB，代入式3-2,得:標系ABC變換至兩相靜止坐標系即3S/2S變換，如圖3-2所示。由于磁動勢總量不變，變換前后功率保持不變,C=EEJ(3- 4個人資料整理 僅限學習使用_ 個人資料整星一僅限學習使用_3. 2. 2 Park 變換Park變換是將兩相靜止直角坐標系向兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標系得轉(zhuǎn)換。由兩稍變換是將兩相靜止直角坐標系向兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標系得轉(zhuǎn)換。由兩稍 靜止坐標靜止坐標系系a-p到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系（M-TJH

24、P 2S/2R,坐標變換原理見圖坐標變換原理見圖3-3.M. T繞組在空側(cè)垂直放置，繞組在空側(cè)垂直放置， 且且分剔加上直流和并讓分剔加上直流和并讓T塑標以同步轉(zhuǎn)速塑標以同步轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)，則旋轉(zhuǎn)，則產(chǎn)生的產(chǎn)生的 磁動勢與磁動勢與a-p坐掠系等效樣坐掠系等效樣M、T和和m P軸的夾角軸的夾角e是一個變量，隨是一個變量，隨 負載、轉(zhuǎn)速而變，在負載、轉(zhuǎn)速而變，在不同的時刻有不不同的時刻有不 同的值口同的值口2S/2R的變換的變換* *寫成矩寫成矩陣形陣形式，其公式如下：變換矩陣為：c=（3-6綜述可以得到三相靜止坐標系ABC到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系MT之間的變換矩陣為：CQS0co$（-12（r）cos（+12

25、0o）或nt? _sin（儀一lJ sin（l9 + 20Q）（37）X/2Z/2Z/2 j這樣根據(jù)式（3-2式（38,可以得到異步電機不同坐標系下的模型1異步電動機在兩相（a-B靜止坐標系上的模型2.異步電動機在兩相（MT旋轉(zhuǎn)坐標系上的模型如如t0= =L.P0LPR, + LrPSF0 (3-10)7丿得到在MT坐標系上電機定子電流的轉(zhuǎn)矩分量im1和勵磁分量it1,根據(jù)電流模型 即可得電機的轉(zhuǎn)子磁鏈，同時算出轉(zhuǎn)差u。，定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量經(jīng)過各自 的PI調(diào)節(jié)器輸出，并通過兩相旋轉(zhuǎn)坐標系變換到兩相靜止坐標系，再利用電壓空間矢 量法來控制脈寬值，進而控制異步電動機。根據(jù)矢量控制原理，到

26、矢量控制系統(tǒng)的框 圖如圖34所示。3.4 矢量控制系統(tǒng)的框圖圖中用的是SVPWM逆變器，當編碼器測得轉(zhuǎn)速且把該速度當作速度環(huán)的負反饋 量，由電流-磁鏈位置轉(zhuǎn)換得出轉(zhuǎn)子磁鏈位置，并參與Park變換和逆變換，轉(zhuǎn)速負反饋量n與給定轉(zhuǎn)速nref的偏差經(jīng)過pl調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，輸出量即為轉(zhuǎn)矩控制的電流T參考 分量。 和與電流反饋量的偏差經(jīng)過P1，分別輸出M、T旋轉(zhuǎn)坐標系的相電壓分量二1再經(jīng)過Park逆變換得到亠，同時也生產(chǎn)一組開關(guān)脈沖控制信 號，控制逆變器及時、準確地獲得良好的調(diào)速性能。從圖表可以看出，本系統(tǒng)是一個轉(zhuǎn)速、電流反饋閉環(huán)系統(tǒng)。從異步電機控制電路接受速度和定子電流反饋信號，在DSP實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、計

27、算速度快、數(shù)量、位置矢量控制算法的操作，該方法根據(jù)生成的六個IPM逆變器模塊SVPWM控制信號，經(jīng)光耦隔離器后，傳動控制逆變器每個開關(guān)管的工作 最終達到定子電壓矢量調(diào)整的目的。與此同時，DSP也通過LED顯示電機瞬時速度，當系統(tǒng)出現(xiàn)：短路、過電流、過電壓、DSP過熱故障時,則輸出信號的脈寬調(diào)制將封鎖和停止。個人資料整理 僅限學習使用_ 個人資料整星一僅限學習使用 矢量控制系統(tǒng)性能主要取決于兩點：（1精確的轉(zhuǎn)子磁鏈矢量的信息。（2依照實際定子電流的指導價值快速、準確地調(diào)整。 因此該兩點是本課題主要研究的方向。第四章系統(tǒng)硬件電路的設計基于DSP的變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計方案框圖如圖41所示。該設計方案采

28、用TMS320LF2407A為控制核心，同時應用功率開關(guān)器件（IRFP450和驅(qū)動芯片（IR2132。其重要要組成模塊有：整流電路、濾波電路、過壓保護電路、欠壓保護電 路、過流保護電路、逆變驅(qū)動電路、檢測電路電流檢測電路、轉(zhuǎn)速檢測電路）和鍵盤 顯示電路。圖4一I基于DSP的變頻調(diào)速系統(tǒng)原理方框圖4.1 DSP（TMS320LF2407A“TMS320F2407A芯片是Texas Instruments公司生產(chǎn)的16位定點數(shù)字信號處理器，是一款電機控制專用芯片，主要特性如下1.采用TMS320C2xx DSP CPU內(nèi)核，40MIPS的運算速度；2雙訪問片內(nèi)程序/數(shù)據(jù)內(nèi)存544字節(jié)，F(xiàn)lash程

29、序存儲器32K字，192K尋址空間（64K字數(shù)據(jù)空間，64K字程序空間，64K字1/O空間，可編程密碼保護;3兩個10位的A/D轉(zhuǎn)換模塊，共有16路A/D輸入，最快500ns的轉(zhuǎn)換時間:16個比較器通道：四個定時器，分別有六種模式；閤1數(shù)字控制變頻調(diào)連系統(tǒng)的庚理框圖4四個帶有死區(qū)寬的16位完全比較單元；四個16位的簡單比較單元；41個可編程的多功能I/O腳以及串行通訊接口模塊?！弊⑨?4.2主回路的設計系統(tǒng)采用的是交直交式變壓變頻電路，整流部分采用三相橋式不可控整流電路逆變采用PWM方式，由這六個功率場效應管IRFP450組成逆變電路。其主回路構(gòu)圖 如圖43所示。圖4-3主電路圖從圖4-3可以

30、看出，380V的電壓經(jīng)過六個二極管（D1一D6的全波整流交為直 流。電解電容C1和C2為整流濾波電容，同時為逆變器負載和直流電源之間的無功功 率提供緩沖。主電路運行時，因為六個開關(guān)頻率很高的場效應管，開關(guān)起停時直流環(huán)節(jié)會產(chǎn)生 電流突變，在場效應管的集電極和發(fā)射極和直流母線上會出現(xiàn)高頻率的毛刺電壓。不 僅影響逆變橋的正常運行，有時還會損壞功率場效應管IRFP450，因此加上一個吸收緩沖電路在逆變橋上。圖4-3中快恢復二極管D7、無感電容c3和無感電阻R3,就是 一個小功率吸收緩沖的電路，有抑制浪涌的作用。除此之外電阻RI和R2組成分壓電路，通過線性光耦隔離器、調(diào)整電路處理后送給控制芯片，當作過壓

31、和欠壓保護信 號。4.3逆變器驅(qū)動電路的設計本設計采用國際整流器公司生產(chǎn)的IR2132來作為專業(yè)的驅(qū)動芯片，只需一個供電電源即可驅(qū)動三相橋式逆變電路的6個功率開關(guān)器件，來改善IRFP450的結(jié)電容比較大且使IRFP450工作在高的開斷頻率下，必須通過大電流快速的對結(jié)電容充放電的缺點，可以使整個驅(qū)動電路簡單可靠它自身工作和電源電壓的范圍較寬(320V，在它的內(nèi)部還設計有與被驅(qū)動的功 率器件所通過的電流成線性關(guān)系的電流放大器，電路設計還保證了內(nèi)部的3個通道的高壓側(cè)驅(qū)動器和低壓側(cè)驅(qū)動器可單獨使用，亦可只用其內(nèi)部的3個低壓側(cè)驅(qū)動器，并且輸入信號與TTL及COMS電平兼容?！弊⑨?個人資料整理 僅限學習

32、使用4.4 IR2132 驅(qū)動電路采用IR2132芯片驅(qū)動逆變器功率管時，其主電路結(jié)構(gòu)不需要變化，仍可用三相電 壓型逆變器電路，圖44畫出了IR2132其中1個橋臂的驅(qū)動電路示意圖，圖中：cl是 自舉電容為上橋臂功率管驅(qū)動的懸浮電源存儲能量)，DI:防止上橋臂導通時的直流母線電壓加到IR2132的電源上而使器件損壞，因此D1應有足夠的反向耐壓，由于D1與cl串聯(lián)，滿足了主電路功率管開關(guān)頻率的要求，D快速恢復二極管。R1和R2是IGBT的門極驅(qū)動電阻， 一般可采用10到幾十歐，R3是過流取樣電阻，R4是作為分壓 用的可調(diào)電阻，R3和R4組成過流檢測電路。4.4檢測電路的設計檢測電路為了檢測的各種

33、信號而設計的，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，變成DSP可以識別的數(shù)字信號。檢測電路分為以下三塊：1相電流的檢測2.母線電壓的檢測3電機轉(zhuǎn)速及位置的檢測4.4.1相電流的檢測電流檢測就是把三相交流異步電機的三相定子電流轉(zhuǎn)或直流母線電流換成相應的 二進制代碼，送至DSP處理。因為本課題研究的是三相平衡系統(tǒng)Ua+Ub+Uc=O，因此只要檢測其中兩路電流，就可以得到三相電流。在實際的系統(tǒng)中采用的CS型號CS005LX，其硬件電路見圖45。其工作電壓為土12v土15V，輸出電壓為一4v+4V。由兩個Cs模塊檢測A相和B相的電流，得到電流信號（傳感器輸出為電壓信 號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路，變成一1.7v-1.7V的電壓信號，然后經(jīng)過

34、偏置電路得到03. 3V的電壓信號，最后由TMS320F2407A的A/D轉(zhuǎn)換模塊把它變成相應的數(shù)值， 并保存在定義的數(shù)值寄存器la和lb中。個人資料整理 僅限學習使用圖 4.5 電流檢測電路4.4.2電機轉(zhuǎn)速和位置的檢測通過對光電脈沖編碼器的檢測來檢測電動機的轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)速檢測的正確性和精 度直接影響調(diào)速系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性。決定轉(zhuǎn)速測量性能的因素有兩個：一是系統(tǒng) 硬件本身，系統(tǒng)一經(jīng)確定，由硬件引起的速度檢測性能的差異不再變化。二是速度估 計算法，優(yōu)質(zhì)的估計算法可以得到精確穩(wěn)定的速度檢測性能。本系統(tǒng)采用的是M法即測頻法）測速原理，即在某一定時間T內(nèi)，通過對編碼 器輸出脈沖的多少來計算電機轉(zhuǎn)速

35、。設在一周期Tc內(nèi)，光電碼盤的脈沖數(shù)為Pn，在Tc內(nèi)所測到的脈沖數(shù)為m，則電機轉(zhuǎn)速n（r/min為：S本系統(tǒng)采用型號是E682-CWZ6C的旋轉(zhuǎn)編碼器，參數(shù)為：1200P/R,它由524v供電，有三路輸出A相、B相、z相）；其中測速用A與B兩相，A與B相位差 為90度，每轉(zhuǎn)一圈輸出1200個脈沖；伺服控制系統(tǒng)中的定位用z脈沖。所以每轉(zhuǎn)一 圈輸出一個脈沖，光電脈沖編碼器的A、B輸出加上高速光電隔離，起一個保護作用，然后再接TMS320F2407的QEPI、QEP2上電路如圖47所示個人資料整理 僅限學習使用圖4.7高速光藕電路利用快速光耦的原因：碼盤輸出的信號的頻率最高接近60KHZ,而普通光耦

36、的開通和關(guān)斷延時就有幾個微秒，無法滿足要求。4.4.3母線電壓的檢測測得母線的電壓是進行SVPWM脈寬調(diào)制的前提，由于我國電網(wǎng)的易波動，其三 相電整流后的直流電壓的數(shù)值變化頻率高。因此在該設計中利用在母線上并聯(lián)兩個大 功率電阻進行分壓，進而測量母線電壓，如圖43所示。由于逆變電路開關(guān)頻率高，在母線上會出現(xiàn)浪涌現(xiàn)象，雖存在著浪涌吸收電路，但在很大程度上影響著電壓的測 量，了在電阻端并聯(lián)一個電容，降低這種影響。經(jīng)過光耦電氣隔離后直接送給TMS320LF2407的A/D模塊。4.5輔助外圍電路的設計與實現(xiàn)4.5.1通信模塊的設計與實現(xiàn)TMS320LF2407帶有SCI通訊接口和CAN總線接口，因此可

37、以方便的實現(xiàn)Rs-232通訊和CAN的通訊。我們利用一片MAX232CSE，來實現(xiàn)該方案，由MAX232CSE構(gòu)成串行通信模塊，其電路圖如4-11所示4.11 串行通信模塊MAX232是雙路驅(qū)動/接收器，內(nèi)部包含一個電壓生成器，可以將單5V電源轉(zhuǎn)換6X1376X137DGNDDGNDR24R2410K1 11r,4 L,rt _TKvccCW嘰HXIL個人資料整理 僅限學習使用成符合EIA/TIA232E的電壓等級。接收器將EIA/TIA232-E的輸入脈沖轉(zhuǎn)換成5vTTL/CMOS電平。 接收器的界值1.3v,磁滯是0.5V， 可以接收土30V的輸入信 號。 驅(qū)動器將TTL/CMOS輸入電平

38、轉(zhuǎn)換成EIA/TIA一232一E電平。這樣。通過 簡單的RS-232,就可以方便的實現(xiàn)下位機與上位機之間的通信。第五章系統(tǒng)控制軟件的設計開發(fā)軟件設計的優(yōu)劣一定程度上決定控制系統(tǒng)功能的優(yōu)劣，控制軟件要具有很好的實 時性。在DSP芯片中TMS320LF2407是進行高效、高精度電機控制的首選。5.1系統(tǒng)軟件總體設計本系統(tǒng)的軟件包括兩部分：一、監(jiān)控顯示程序；二、控制程序。上位機控制電機 參數(shù)的設定，顯示轉(zhuǎn)速給定以及反饋下位機上傳的當前速度信息；同時為電壓波形的 實時顯示作好準備。下位機主要功能：轉(zhuǎn)速采樣、電流采樣、PWM輸出、矢量變換以及串行通信、轉(zhuǎn)速顯示、故障輸出等。上位機能通過串口實現(xiàn)讀寫操作的

39、程序進而來 控制PC級，本系統(tǒng)就采用C+Builder6.0編制了上位機的顯示監(jiān)控界面。下位機的控制軟件是關(guān)鍵部分。下位機的控制軟件由主程序和三個中斷服務程序組成。主程序主要負責DSP的系統(tǒng)初始化以及各個變量的初始化以及電機轉(zhuǎn)速頻率的 實時顯示；三個中斷服務子程序包括；通信中斷服務子程序、PWM中斷服務子程序和故障顯示中斷服務子程序。通信中斷服務子程序的主要任務就是：一、接收PC機設定的電機參數(shù)。二、反饋轉(zhuǎn)速信息給PC機。PWM中斷服務子程序的主要任務就是：一、負責A、B兩相的電流值的采樣，并且實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。二、 根據(jù)脈沖編碼器傳遞的信息計算當前的轉(zhuǎn)速和？值。三、根據(jù)測量值進行矢量變化和計算

40、。四、SVPWM輸出。顯示故障中斷服務子程序的主要作用就是：當控制系統(tǒng)出現(xiàn)不可控的情況時，那么DSP就產(chǎn)生故障中斷響應，立即關(guān)閉逆變電路，并且顯示“ERR”。使得實時的保護系統(tǒng)，使故障而引起的損失減小到最低。具體的軟件流程圖如下所示：圖51主程序流程圖，圖52PWM中斷服務予程序、圖53通信中斷服務子程序個人資料整理 僅限學習使用5.1 主程序流程圖個人資料整理 僅限學習使用流 PI 調(diào)Park 逆Park 變換變換轉(zhuǎn)子磁鏈位置T 軸電流變換PI 調(diào)節(jié)計算編碼增量累計米樣電流規(guī)格化處Clarke變換Sin，cos 表M 軸電_ 個人資料整理僅限學習使用圖 5.2 PWM 中斷服務子程序-八關(guān)閉

41、 PWM輸出顯示出錯信圖 53 故障中斷服務子程序5.2軟件模塊異步電機矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件包含了眾多模塊進行分析，分別說明實現(xiàn) 的方法，本系統(tǒng)軟件主要包括以下模塊：數(shù)據(jù)初始化和DSP初始化模塊電流采樣模塊轉(zhuǎn)速采樣模塊PI調(diào)節(jié)反饋模塊.轉(zhuǎn)子磁鏈位置計算模塊電壓空間矢量法模塊（SVPWM初始化即對系統(tǒng)和變量定義初值及其類型， 變量初始化是指對變量對應的存儲器 單元賦初值；系統(tǒng)初始化包括：設置PLL時鐘工作頻率，DSP工作頻率為40MHz.關(guān)閉 看門狗：設置事件管理器模塊和各個定時器，6相PWM輸出及死區(qū)時間；初始化I/O口及串行口，允許串行接受中斷；A/D采樣初始化，清空ADFIFO;初始

42、化I/O口及 串行口，允許串行接受中斷；5.2.1初始化模塊初始化模塊分為兩塊：數(shù)據(jù)初始化和DSP初始化。1數(shù)據(jù)初始化：數(shù)據(jù)初始化有兩塊即；.data塊和.bss塊。data塊包括了己經(jīng)初始化的數(shù)據(jù)，個人資料整理 僅限學習使用.bss塊則是一些預留的數(shù)據(jù)。初始化I/0口及串行口，允許串行接受中斷；.bss塊包括多種預留的數(shù)據(jù)寄存器，如ia，ib等。.data塊定義各種常量如PI調(diào)節(jié)系數(shù)、sin函數(shù)表、坐標變換系數(shù)等和一些軟件使用 的軟開關(guān)以及其他一些固定參數(shù)。(2DSP的初始化主要有以下幾點：設置外部時鐘為10M，內(nèi)部系統(tǒng)時鐘為5M，關(guān)閉看門狗；串行口使能，并允許串 行接收中斷，設置通信速度為

43、3600bit/s：初始化所有1/0口；對所有數(shù)據(jù)類型進行初 始化，對保留的數(shù)字字節(jié)進行設置：AD采樣初始化，對ADFIF0清空；設置6相PWM輸出和全比較模式及設置死區(qū)時間；5.2.2串口通訊模塊通訊模塊的波特率為9600bps,全雙工RS-232通信模式；數(shù)據(jù)字格式：雙緩沖接收和發(fā)送，并設置接收中斷，8位數(shù)據(jù)位，無奇校驗。通信協(xié)議：PC機發(fā)送字符給DSP：DSP采用的是中斷接收的方式，當有數(shù)據(jù)進入DSP的RXBUF時，DSP發(fā)生中斷，隨即接收字符，在接收到符合條件的字符后，發(fā)送 相應的字符給PC機。規(guī)定的通信格式如下：首先，PC發(fā)一個字符“S給DSP，DSP在接 收到字符以后，就開始判斷：

44、接收到的字符是否是“S”如果是，那么置位接收標志(RXFLAG，從而，Pc機再發(fā)過來數(shù)據(jù)時，DSP就開始正常接收數(shù)據(jù)；如果否，那么DSP就發(fā)送字符“ERR遙知PcM。需要重新發(fā)送。其次，再接收完正式的數(shù)據(jù)以后，DSP就開始判斷，最后接收到的數(shù)據(jù)是不是 “END，如果是，那么DSP就發(fā)送“OK通知Pc機 ，告訴其接受正確，表明通信完畢”。注釋35.2.3電流采樣模塊電流采樣是在中斷服務子程序中完進行的，電流霍爾元件的輸出帶有正負方向的 電流，所以在信號接入DSP之前，應先經(jīng)過電流/電壓變換電路，先轉(zhuǎn)換為- 5V+5V的電壓信號，再經(jīng)濾波電路、零遷限幅電路，轉(zhuǎn)換為0-+3.3V的信號送入DSP的A

45、/D轉(zhuǎn)換器。進入A/D轉(zhuǎn)換器后的程序流程圖個人資料整理 僅限學習使用圖5.4電流采樣模塊524電機轉(zhuǎn)速采樣模塊個人資料整理 僅限學習使用本系統(tǒng)轉(zhuǎn)速檢測采用的是M法測速原理，每一次PWM中斷就進行轉(zhuǎn)速的測量，從 而確保轉(zhuǎn)速檢測的實時性。需要判定轉(zhuǎn)速的變化，若無轉(zhuǎn)速變化，則不需計算，其流 程圖如圖55所示（光電編碼器的脈沖數(shù)存于定時器T3的T3CNT中：5.5 電機轉(zhuǎn)速采樣模塊5.2.5P1調(diào)節(jié)模塊在這個系統(tǒng)中,有幾種使用PI調(diào)節(jié)模塊,采用積分飽和PI控制器，包括速度到當前的PI模塊、電流電壓PI模塊。調(diào)整參數(shù)Kp,Ki受很多因素的影響，包括采樣時間和電機參 數(shù)等，應根據(jù)不同的情況選擇不同參數(shù)的選

46、擇、參數(shù)人工調(diào)控現(xiàn)場。直到優(yōu)化調(diào)節(jié)參數(shù) 的大小決定到目前為止。在這個系統(tǒng)中，利用現(xiàn)有的理論和經(jīng)驗，電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)PI參 數(shù)選擇如下：轉(zhuǎn)速的PI控制參數(shù)：Ksi=0.03；Lp-6.5;電流到電壓的PI參數(shù)：Kii=0.05.Kip=0.08;根據(jù)系統(tǒng)的精度和數(shù)據(jù)格式要求，軟件中的常數(shù)都采用Q12的數(shù)據(jù)格式，那么各種PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)都要經(jīng)過標么化。5.3本章小結(jié)這一章從異步電機的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件的設計思路，給出了詳細的模塊的軟件設計方法，主程序完成各種變量和控制器的初始化PWM中斷服務子程序，都是該系 統(tǒng)的核心部分，主要完成轉(zhuǎn)速、電流采樣計算和調(diào)整，SVPWM,PI調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)子磁鏈角位個人

47、資料整理 僅限學習使用置。通過構(gòu)建模型的軟件模塊，每個孩子最終構(gòu)成整個傳動系統(tǒng)完成軟件開發(fā)模型第六章仿真結(jié)果分析6.1 MATLAB/SIMULINK仿真平臺計算機仿真是模擬電機調(diào)速的一種重要工具，計算機仿真成為分析驗證系統(tǒng)設計 思想、算法的正確性的首選。用軟件搭起電機控制模型，再以此模型在多種環(huán)境下運 行研究，即可得到可靠的實驗分析數(shù)據(jù)，又能節(jié)約時間和費用。可以排除由于人工介 入而引起的錯誤，提高了設計效率。SIMULINK是Math Works開發(fā)的一種針對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件 包。它具有相對獨立的的功能和使用方法，可用結(jié)構(gòu)圖的形式進行仿真工作，其內(nèi)部 包含了各種功能模塊，有連續(xù)系（Continous、函數(shù)與表（Functions&Tables非線性系統(tǒng)（No nli near、離散系統(tǒng)（Discrete等， 還包括數(shù)學運算模塊（Math、 輸入源模塊（Sources輸入源（Sources和接受