基于DSP2812的交流電機(jī)矢量控制開題報告

1、南就差*本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告題目：基于DSP的交流電機(jī)控制的研究與實現(xiàn)姓名：李鑫學(xué)院：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院專業(yè)：農(nóng)業(yè)電氣化與自動化班級：電氣121學(xué)號：學(xué)112117指導(dǎo)教師：徐進(jìn)職稱：講師2016年03月05日南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教務(wù)處制1課題背景與研究意義直流(DirectCurrent,DC)電機(jī)因為具有優(yōu)越的調(diào)速性能，良好的控制性能，比較大的啟動轉(zhuǎn)矩和運行的平穩(wěn)以及高效率，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制和民用領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的DC電機(jī)全是具有電刷和換向器的，這些是其不能缺少的部件，主要功能是用于對電流換向。但是，這會帶來一系列的缺點：如機(jī)械換向時會有電火花出現(xiàn)，損壞組成元件，從而減少電機(jī)的

2、使用年限，以及需要定期保護(hù)維修等。這些缺點必然導(dǎo)致了系統(tǒng)的不可靠性，并使其使用場合受到了一定的限制。近幾年來對電力電子裝置控制技術(shù)的研究十分活躍，各種現(xiàn)代控制理論，如自適應(yīng)控制、滑模控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以及智能控制(如專家系統(tǒng)、模糊控制、遺傳算法、采用微分幾何理論的非線性解耦1、魯棒觀察器2,在某種指標(biāo)意義下的最優(yōu)控制技術(shù)和逆奈奎斯特陣列網(wǎng)設(shè)計方法等)和無速度傳感器等高動態(tài)性能控制都是研究的熱點，這些研究必將把交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展到一個新的水平。交流電機(jī)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、礦山、化工、石油、紡織、造紙、印染、水泥、船舶、鐵路等行業(yè)，是最有發(fā)展前途的一種控制方式。從總體上看我國電氣傳動的技

3、術(shù)水平較國際先進(jìn)水平差距1015年，就目前而言，盡管交流電機(jī)的控制系統(tǒng)的研發(fā)在國內(nèi)還比較活躍，但是市場上的絕大部分產(chǎn)品還是被國外產(chǎn)品所占據(jù)，為此，我們需要密切關(guān)注國際變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展的趨勢，緊跟著國內(nèi)市場的需求，加快國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，努力研制出自己的廠品。為了克服以上的缺憾，我們決定研究交流電機(jī)的控制系統(tǒng)。由于交流電機(jī)器件組成非常簡單、可以平穩(wěn)的調(diào)節(jié)速度、輸出轉(zhuǎn)矩大、維護(hù)容易以及防止電磁干擾等許多好的特性，迄今已在很多領(lǐng)域中大量使用。但是用來控制交流電機(jī)基準(zhǔn)計算方法比較復(fù)雜，響應(yīng)速度快和需要處理非常多的信息等因素限制了其發(fā)展。交流電機(jī)控制器的最開始采用的是模擬電路，后來就將數(shù)字電路和單片

4、機(jī)相結(jié)合來控制?？墒莾烧叨加忻黠@缺陷，一個應(yīng)用的都是特別容易發(fā)生老化的模擬元件，而且只要溫度變化一點點都會受到影響；另一個雖然解決了上一個的一些缺陷，可是系統(tǒng)運行時速度還是不夠快，這樣就不能夠展現(xiàn)出交流電機(jī)的優(yōu)良特性，在本時代工業(yè)背景下就不能夠滿足實時操作和控制的要求。為了解決這一矛盾，性能更強(qiáng)大的數(shù)字信號處理器(DigitalSignalProcessor,DSP)應(yīng)運而生，并取得了顯著研究成效。近幾年，我國在交流電機(jī)控制器方面的研究也取得了許多成果，但是在驅(qū)動和控制等技術(shù)方面仍有待繼續(xù)深入，所以關(guān)于交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的研究與實現(xiàn)有著長遠(yuǎn)意義402國內(nèi)外研究現(xiàn)狀交流控制理論在70年代獲得了突破

5、性的發(fā)展。德國西門子公司的等提出的“感應(yīng)電動機(jī)磁場定向的控制原理”和美國和提出的“感應(yīng)電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制”奠定了矢量控制的基礎(chǔ)。這種理論的出發(fā)點是考慮到交流電機(jī)的非線性、多變量、強(qiáng)藕合的時變系統(tǒng)5,通過坐標(biāo)變換重建電動機(jī)模型即可等效為一臺直流電動機(jī)。其后，隨著現(xiàn)代控制理論、微處理技術(shù)電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，矢量控制的交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入了伺服控制白高精度領(lǐng)域，而且實現(xiàn)了無速度傳感器的矢量控制。然而矢量控制在實際系統(tǒng)存在很多問題，即轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電機(jī)參數(shù)變化影響較大，以及在模擬直流電動機(jī)控制過程中所用的矢量旋轉(zhuǎn)6坐標(biāo)變換的復(fù)雜性，使得實際控制效果難以達(dá)到理論分析的結(jié)果

6、，雖然傳動領(lǐng)域的專家們針對矢量控制上的缺陷做過諸如參數(shù)的實時辨識補(bǔ)償以及使用狀態(tài)觀測器等現(xiàn)代控制理論進(jìn)行研究，但是這些方案的引入使得系統(tǒng)復(fù)雜化，控制的實時性和可靠性降低了?，F(xiàn)階段，交流電機(jī)的有位置傳感器控制技術(shù)正漸漸步入了成熟的軌道。國外發(fā)達(dá)國家研究交流電機(jī)比較早，技術(shù)應(yīng)用也相對成熟。美國和日本在交流電機(jī)驅(qū)動與控制方面是在領(lǐng)頭羊的位置，美國在軍工方面應(yīng)用則更加先進(jìn)，日本則更加偏重在民用。截止到目前，交流電機(jī)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床，雷達(dá)，潛艇，軍工隨動系統(tǒng)等許多高科技領(lǐng)域。與此同時，我們也一直在提高對電機(jī)控制性能的要求，使得這項技術(shù)更加完善。2.1 轉(zhuǎn)矩脈動的抑制轉(zhuǎn)矩脈動是系統(tǒng)設(shè)計需要解決的

7、一個重要難題，齒槽效應(yīng)和磁通畸變7會引起轉(zhuǎn)矩脈動，那么除此之外，與控制系統(tǒng)息息相關(guān)的可以引起轉(zhuǎn)矩脈動的因素即是電流的誤差調(diào)節(jié)和電子換向問題。對于前者完全可以在電機(jī)制造方面消除其影響，典型的方法即是采用無槽電機(jī)。而對于如何抑制電子換向所引起的轉(zhuǎn)矩脈動的問題，從上一世紀(jì)八十年代Jahns詳細(xì)論證了交流電機(jī)一定存在轉(zhuǎn)矩脈動開始，到目前為止，國內(nèi)外許多學(xué)者都進(jìn)行了大量的研究，并對每一種情況都提出了相應(yīng)的解決辦法。2.2 智能控制系統(tǒng)智能控制是近幾年比較火熱的研究方向，其中模糊控制應(yīng)用簡單，對于系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)也具有極其良好的魯棒性。早期智能控制系統(tǒng)設(shè)計的最主要最核心的芯片采用的單片機(jī)，因為其不僅價格低廉

8、，而且還可以滿足基本的控制要求，但是單片機(jī)的運行能力有限，在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中以及多臺電機(jī)協(xié)同工作的情況下，就難以達(dá)到必須實施控制系統(tǒng)的要求。那么在電力半導(dǎo)體科技快速發(fā)展的影響下，就出現(xiàn)了數(shù)字信號處理器DSPDS%一款專門的快速響應(yīng)的處理器，其輸入的數(shù)字信號是由模擬信號采集、嵌位后得到，由于其采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)網(wǎng)，并集成了許多種便于信號處理和數(shù)字運算的硬件，它處理信號的速度比其他的芯片快得多，現(xiàn)在的時代是數(shù)字科技的時代，DSP已經(jīng)成為很多領(lǐng)域的關(guān)鍵器件，例如TI,通信等。3應(yīng)用前景在發(fā)達(dá)國家中生產(chǎn)的總電能有一半以上是用于電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換，這些電機(jī)傳動系統(tǒng)當(dāng)中90流右的是交流電機(jī)。在國內(nèi)，電機(jī)的總裝

9、機(jī)容量已達(dá)4億千瓦，年耗電量6000億千瓦時，約占工業(yè)耗電量的80%并且使用中的電機(jī)絕大部分還是中小型異步電機(jī)，加之設(shè)備的陳舊，管理、控制技術(shù)跟不上，所浪費的電能甚多。能源工業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，對于社會、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高都起著極為重要的作用。在高速增長的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，我國能源工業(yè)面臨著經(jīng)濟(jì)增長與環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。有資料表明，受資金、技術(shù)、能源價格的影響，我國能源利用效率比發(fā)達(dá)國家低很多。為此，國家十五計劃中，在電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能方面投入的資金高達(dá)500億元左右，由此可見，在我國交流電機(jī)的控制系統(tǒng)將有巨大的市場潛能。4參考文獻(xiàn)1翟紅存，薛重德，魏昌洲.基于DSP的SPW般頻調(diào)速系統(tǒng)的實

10、現(xiàn).機(jī)械與電子，2005.2王曉明，王玲.電動機(jī)的DSP控制.北京航空航天大學(xué)出版社.2004.7.3MouloudAzzedineDenai,SidAhmedAttia.FuzzyandNeuralControlofanInductionMotor.Int.J.Appl.Math.Comput.SCI.Vol.12,NO.2,pp.221233,2002.4李永東.交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng).北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2002.4.5 Haddoun,A.;Benbouzid,M.E.H.;etal."ComparativeanalysisofestimationtechniquesofSF

11、OCinductionmotorforelectricvehicles”.ICEM2008.18thInternationalConferenceon,pp.1-6,2008.6Bodkhe,S.B.;Aware,M.V.,“Avariable-speed,sensorless,inductionmotordriveusingDClinkmeasurements".ICIEA2009.4thIEEEConferenceon,pp.3591-3596,2009.7Jamoussi,K.;Chadli,M.;etal.“Robustfuzzyslidingmodeobserverfors

12、ensorlessfieldorientedcontrolofinductionmotor”.SSD.09.6thInternationalMulti-Conferenceon,pp.1-7,2009.8王文森，李永東.無速度傳感器異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)低速性能改進(jìn)M.清華大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文，2001.6.4研究的目標(biāo)設(shè)計一個基于DSP芯片的交流電機(jī)的控制系統(tǒng)。主要是完成矢量控制的交流電機(jī)控制的部分，實現(xiàn)軟件硬件的全面設(shè)計與實現(xiàn)。5研究的內(nèi)容在CCSV5.5平臺上編程調(diào)試，通過顯示板改變交軸電壓的占空比，再經(jīng)坐標(biāo)變換得到EVA所需的三個比較點，用于產(chǎn)生控制逆變器工作狀態(tài)的六路PWM波，由此實現(xiàn)

13、了對交流電機(jī)的全數(shù)字化控制。該系統(tǒng)包括開關(guān)單元，驅(qū)動電路，檢測電路等。將程序燒入系統(tǒng)主控芯片后，可以通過顯示板控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后采集驅(qū)動電路中各路PWM波形，并對波形進(jìn)行詳細(xì)分析，分析結(jié)果顯示該系統(tǒng)滿足實時控制，轉(zhuǎn)矩波動小以及平穩(wěn)運行等要求。6擬解決的關(guān)鍵問題1 、硬件電路的設(shè)計2 、軟件程序的編程3 、波形輸出4 、成果測試與校對5 、設(shè)計成果展現(xiàn)7研究方法(1)通過對設(shè)計所需的幾項數(shù)據(jù)因素中入手，學(xué)習(xí)DSP2812K片的工作原理(2)根據(jù)實際效果選擇控制方式：矢量控制、PW肺制、智能控制等。(3)了解當(dāng)今國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)程，從而從中吸取經(jīng)驗與教訓(xùn)。(4)對于最終的輸出結(jié)果進(jìn)行多次

14、的運行，已達(dá)到最佳的設(shè)計結(jié)果。8技術(shù)路線9實驗方案(1)硬件系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計：開關(guān)單元，驅(qū)動電路，檢測電路。(2)軟件調(diào)試：CCSV5.5平臺上編程調(diào)試，調(diào)整坐標(biāo)變換，實現(xiàn)智能控制(3)通過反復(fù)的運行系統(tǒng)，達(dá)到最佳的設(shè)計目標(biāo)。10可行性分析1、如今，交流電機(jī)的控制已經(jīng)引起了國內(nèi)廣泛重視，有大量人力物力支持研究。2、國外對于該項目的研究相當(dāng)成熟，可以借鑒國外的實際工程，結(jié)合中國實際研究3、CCSV5.5已經(jīng)是相對成熟的電力程序軟件。4、DS艱是較為專業(yè)的控制芯片，具有較高的穩(wěn)定性與研究價值。11特色或創(chuàng)新之處(1)隨著技術(shù)的變革與節(jié)能減排思想的推廣，交流電機(jī)控制問題在近年頗為重視，我國對此也研

15、究尚淺，所以此次研究是一項有廣大前景的領(lǐng)域，有著重要的研究價值。(2)運用DSP芯片進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計的思想，屬于該項研究較為前沿的設(shè)計理念，將引領(lǐng)未來該項技術(shù)的革命與發(fā)展。12研究計劃及預(yù)期進(jìn)展2015年11、12閱讀資料，進(jìn)行相關(guān)學(xué)習(xí)，對課題有初步了解2016年1月-3月完成開題報告、文獻(xiàn)綜述及外文翻譯，開始學(xué)習(xí)DSP與CCSV5.52016年4月進(jìn)行硬件設(shè)計與軟件編程，完成設(shè)計2016年5月中旬前完善設(shè)計項目，撰寫論文2016年5月下旬總結(jié)項目，做PPT匯報13已具備的條件(1)電腦中已順利安裝CCSV5.5軟件，可供學(xué)習(xí)操作(2)網(wǎng)絡(luò)及圖書館資源方便查找文獻(xiàn)、期刊等資料供學(xué)習(xí)；(3)擁有指導(dǎo)老師