DSP相異步電動機矢量控制系統(tǒng)研究報告

1、個人資料整理 僅限學習使用本科生畢業(yè)設計論文）開題報告論文題目：基于 DSP 的三相異步電動機矢量控制系統(tǒng)的研究學院：電氣工程學院專業(yè)班級： 自動化 10041004 班學生姓名：龐海欣學 號：100302425100302425導師姓名：藍益鵬開題時間：年月 日_個人資料整理_僅限學習使用1.課題背景及意義1.1課題研究背景、目的及意義隨著電力電子技術、計算機技術和控制理論的迅速發(fā)展，三相異步電機的 控制方法有了很大的提升。異步電動機的轉(zhuǎn)子繞組不需要與其他的電源相連， 其定子電流直接取自交流電力系統(tǒng)，與其他電機相比，異步電機的結構簡單、 運行可靠、重量輕、成本低，在生產(chǎn)和生活的各個領域有著廣

2、泛的應用。而矢 量控制是一種先進的控制策略，其基本思想是將交流電機的模型通過坐標變 換，使之成為直流電機模型，將定子電流分解為按轉(zhuǎn)子磁場定向的兩個直流分 量，分別進行獨立控制，達到直流電機的控制效果。它通過將電機的電流、電 壓、磁鏈等量變換到同步坐標系中實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制，從而實現(xiàn) 快速的轉(zhuǎn)矩響應 。異步電機在三相靜止坐標系下的數(shù)學模型很復雜，關鍵是 由于其磁鏈關系復雜。因此，要簡化數(shù)學模型，必須將異步電機的數(shù)學模型從 三相 g 靜止坐標系變換到兩相.F 同步旋轉(zhuǎn)坐標系。從口坐標系到廠 靜止坐標系的變換稱為Clarke變換，從河 坐標系到兩相 丄I同步旋轉(zhuǎn) 坐標系的變換稱為Park變

3、換。異步電機矢量控制系統(tǒng)目前已經(jīng)獲得了實際應用，這種方案作為高性能的 調(diào)速，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的靜、動態(tài)性能，并具有連續(xù)控制、調(diào)速范圍寬等顯著優(yōu) 點。近年來，對矢量控制系統(tǒng)方面的研究獲得了很好的結果，為此矢量控制 系統(tǒng)可謂現(xiàn)代交流調(diào)速的重要方向之一。數(shù)字信號處理器包括一個隨機端口和一個時序端口以及獨立的讀寫總線提高了數(shù)據(jù)存儲速度0基于DSP芯片TMS320F2812的控制系統(tǒng)，利用電壓空間矢量調(diào)制技術實 現(xiàn)異步電機矢量控制，目的是增強對電機的控制，使其能夠具有更快的響應、 更高的精度高、更加節(jié)能等特點。使其在生產(chǎn)和生活過程中給人們帶來更多的 便利并能夠節(jié)約更多的能源和時間。1.2課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及

4、趨勢近年來，對于三相異步電動機矢量控制系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為自動控制領_個人資料整理_僅限學習使用域的一大熱點。德、美、英、法、意、加拿大以及日本等發(fā)達國家都十分重視 矢量控制技術的研究，做了大量的工作。歐洲是矢量控制技術的誕生地，其研 究水平一直走在世界的前列。另外，德國和日本等國還將矢量控制技術用于電力機車等領域。我國學者對矢量控制的研究也比較早，取得了很好的成果。四川大學劉 竟成教授和湖南大學盧驥教授從德國進修回來，在1981年1982年就先后發(fā)表了論文介紹矢量控制技術。但由于當時的技術手段和工業(yè)基礎，發(fā)展并不迅 速。到了90年代，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和交流的增多，國外電氣公司進入中國市 場，國內(nèi)

5、的矢量控制研究才發(fā)展起來，并逐步成為電氣傳動的熱點。國內(nèi)對矢 量控制技術的研究主要集中于無速度傳感器矢量控制和電機參數(shù)的識別上，許 多工作停留在計算機仿真上，而實際應用不多。隨著我國技術人員對矢量控制 研究的深入，矢量控制技術在我國逐漸進入實用化階段，并有少量的由我國技 術人員開發(fā)的實際應用。目前，國內(nèi)外矢量控制的研究趨勢主要集中在以下幾個方面：1）無速度傳感器矢量控制技術的研究；2）電機參數(shù)的識別與跟蹤；、研究轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，設計了轉(zhuǎn)速、磁通及 轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)調(diào)節(jié)器：對SVPWM的工作原理和控制算法進行了研究。（2、分析了異步電機在二相靜止坐標系、兩相靜止與旋轉(zhuǎn)坐標系下的電

6、機基本數(shù)學模型和控制基本方程，在進行相應的坐標變換以后，得到了基于磁 定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的控制方程式；分析了電壓空間矢量脈寬調(diào)制的基本 原理、控制算法等。2.2設計思想及設計方案基于DSP芯片對異步電機的矢量控制系統(tǒng)進行研究，充分利用DSP的高速運算能力和豐富的片內(nèi)外設資源，系統(tǒng)外圍電路少，可靠性高。結合IPM簡單緊湊的逆變主電路，保證了電機控制的實時性，有效的簡化了硬件設計， 提高了系統(tǒng)的可靠性。異步電機矢量控制原理框圖如圖1所示。方案如下：系統(tǒng)的組成：包含主電路、控制電路和保護電路三大部分，具體由整流濾 波模塊、逆變模塊、IPM保護模塊、三相異步電動機、電壓、電流和轉(zhuǎn)速檢測_個人資料整

7、 _僅限學習使用_模塊、顯示模塊、主控制模塊、DSP與PC機通信模塊等組成。系統(tǒng)主電路采用典型的交-直-交電壓型變頻器結構。整流環(huán)節(jié)采用三相橋 式不可控整流模塊，逆變電路采用三菱公司的智能功率模塊(IPMPM25RSB-120作為功率器件，中間直流環(huán)節(jié)利用大電容濾波。系統(tǒng)控制電路包含兩個部 分，即卩TMS320F2812核心電路和基于核心電路的外部擴展電路。DSP核心電路負責整個系統(tǒng)的控制和具體的算法實現(xiàn)功能，外部擴展電路主要完成電壓、 電流和速度信號的檢測，數(shù)據(jù)顯示以及DSP與PC機通信等功能。圖1異步電動機矢量控制原理框圖1、系統(tǒng)硬件設計：本系統(tǒng)功率部分采用交-直-交電壓型電路?？刂撇糠种?/p>

8、要以TMS320F2812控制芯片為核心，用它來完成矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制、電流 控制算法的實現(xiàn)、A/D轉(zhuǎn)換、電壓空間矢量PWM波的產(chǎn)生等?？刂葡到y(tǒng)采用 電流和轉(zhuǎn)速反饋的雙閉環(huán)控制。(1主電路部分主電路由整流電路、濾波電路和智能功率模塊構成的逆變電路組成。整流 電路的主要作用是將電網(wǎng)的交流電整流后提供給逆變電路和控制電路。同時為 了減少直流脈動，在整流橋的輸出端接濾波電路。逆變電路采用的智能功率模 塊IPM為PS22052,它采用壓注封裝技術的雙列直插式，除了具有IGBT模塊外，還集成了保護模塊，制動模塊等。(2驅(qū)動電路部分由于從DSP發(fā)出的PWM驅(qū)動信號是只有3.3 V的電壓，而整流逆變電路

9、驅(qū) 動電壓為8-20V，采用光耦隔離驅(qū)動電路，將從DSP發(fā)出的3.3 V PWM驅(qū)動信號進行幅值和功率放大，同時還要保證轉(zhuǎn)換的速度和精度。轉(zhuǎn)短電流轉(zhuǎn)短電流PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器勵雄勵雄電流電流轉(zhuǎn)差角頻轉(zhuǎn)差角頻率運算器率運算器(3電流檢測電路_個人資料整理_僅限學習使用電流檢測模塊是把電機的三相定子電流經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后便于DSP處理。由于本 系統(tǒng)是三相平衡系統(tǒng)二I，因此只要檢測其中兩路電流，便可以得到三相電流。電流的檢測精度和實時性是整個矢量控制系統(tǒng)的關鍵，本系統(tǒng)采用LEM霍爾電流傳感器來檢測電流。由于DSP的AD模塊接收的電壓為0-3V的 電壓信號，而采樣信號為弱電流信號，因此應將該電流信號轉(zhuǎn)換成電壓

10、信號， 然后經(jīng)過濾波加法處理，再通過電壓偏移電路使電壓穩(wěn)定在AD壓限幅范圍內(nèi)。(4速度檢測電路電機的轉(zhuǎn)速是通過光電編碼盤檢測的，采用M/T法測速原理，即在某一采 樣時間T內(nèi)，傳感器產(chǎn)生m個脈沖，同時記取編碼盤脈沖個數(shù)為，高頻時鐘脈沖個數(shù)為，T定時到時，再記取內(nèi)編碼盤脈沖個數(shù) 也，高頻時鐘脈沖個數(shù)。在 時間內(nèi)傳感器產(chǎn)生個脈沖，則電機轉(zhuǎn)速如下式所示速度檢測電路將檢測到的脈沖信號經(jīng)過光耦處理后輸入到DSP的正交編碼 單元QEP1，QEP2,經(jīng)內(nèi)部譯碼邏輯單元產(chǎn)生四倍頻的脈沖信號CLK和轉(zhuǎn)向信 號DIR。對脈沖信號CLK的計數(shù)可由T2計數(shù)器完成，計數(shù)器的計數(shù)方向由DIR確定，從而可以計算出電機的轉(zhuǎn)速大

11、小。2系統(tǒng)軟件設計：控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，程序由主程序和中斷子程序組成。主程序 實現(xiàn)硬件和變量的初始化功能。中斷子程序的工作主要是實現(xiàn)A/D采樣、轉(zhuǎn)速計算、坐標變換和實現(xiàn)SVPWM，是矢量控制系統(tǒng)的核心部分。2.3畢業(yè)設計擬采用方法和手段采用高性能的DSP芯片TMS320F2812的強大運算功能和快速實時處理能 力及IPM等模塊化的芯片，利用電壓矢量調(diào)制技術構成的對異步電機控制系 統(tǒng)進行研究，目的是實現(xiàn)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度高，動態(tài)調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量小、 抗干擾能力強，達到能與直流電機相媲美的調(diào)速性能。對整個系統(tǒng)軟件部分進行設計，并在Simulink平臺上建立系統(tǒng)的各個部 分的模型模塊，包括P

12、ark、Clarke變換及Park逆變換模塊、轉(zhuǎn)子磁鏈位置計 算模塊以及PI模塊。并對異步電機的調(diào)速進行仿真，并分析得到的結果。3.畢業(yè)設計工作計劃及進度安排了解課題，初步確定研究范圍第 2 周收集整理材料、了解課題的相關背景及現(xiàn)狀第 3 周外文翻譯、外文翻譯校對、元成開題報告第 4 周異步電動機矢量控制原理第 5 周控制系統(tǒng)主電路設計第 6 周控制系統(tǒng)主電路設計第 7 周系統(tǒng)控制電路設計第 8 周系統(tǒng)控制電路設計第 9 周系統(tǒng)控制電路設計第 10 周系統(tǒng)軟件設計第 11 周系統(tǒng)軟件設計第 12 周系統(tǒng)軟件設計第 13 周系統(tǒng)軟件設計第 14 周撰寫畢業(yè)設計論文第 15 周撰寫畢業(yè)設計論文第

13、16 周撰寫畢業(yè)設計論文按模板修改第 17 周準備畢業(yè)設計答辯4.參考文獻1 丁義行基于 DSP 的異步電動機矢量控制系統(tǒng)D.大連：大連海事大學碩士論文，2006.2 阮毅，陳伯時電力拖動自動控制系統(tǒng)一運動控制系統(tǒng)M.第四版北京：機械工業(yè)出版社，2009.3 陳伯時電力拖動自動控制系統(tǒng)M 第三版北京：機械工業(yè)出版社， 2003.145-214.4 寧改娣，曾翔君，駱一萍 DSP 控制器原理及應用M.第二版北京：科學出版社， 2009.謝寶昌，任永德電機的 DSP 控制技術及其應用M.北京：北京航空航天大學出版 社，2005.潘言全矢量控制的發(fā)展與研究現(xiàn)狀J.黑龍江科技信息，2009,36 :

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