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1、目录目录引言 1一 异步电机控制原理 11.1异步电机控制的数学模型 1 1.2SVPWM 原理 2二 控制系统硬件组成 32.1 定子电流检测 32.2 转速检测 4三 控制系统软件设计5四 实验结果6五 结束语7异步电机矢量控制系统设计异步电机矢量控制系统设计引言引言随着现代控制理论、微处理技术和电力电子技术的不断发展，基于矢量控 制的高性能交流传动系统得到广泛的应用。异步电机是一个多变量、强耦合、 非线性的时变参数系统，若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，再利 用坐标变换，就可以把定子电流中的励磁分量和转矩分量独立开来分别进行控 制。这就是矢量控制的出发点。SVPWM 调制技术把逆
2、变器和电机看成一个整体 来处理，所得模型简单，便于处理器实时控制，并具有转矩脉动小、噪声低、 电压利用率高等优点。本文以 TI 公司的专用电机控制芯片 TMS320F2812 为核心， 给出了整个异步电机矢量控制系统的设计方案，并通过实验验证了其有效性。一、一、 异步电机矢量控制原理异步电机矢量控制原理矢量控制技术自从上世纪 60、70 年代开始，国内外众多专家学者就已经进 行了潜心的研究，因此，矢量控制技术发展至今，内容已经非常丰富。本文只 讨论基于转子磁场定向的矢量控制原理。11 异步电机控制的数学模型鼠笼式异步电机在 d，q 两相同步旋转坐标系下的数学模型的电压方程为：其中：usd 和
3、usq 分别为 d，q 旋转坐标系下的定子电压；isd 和 isq 分别 为 d，q 旋转坐标系下的定子电流；ird 和 irq 分别为 d，q 旋转坐标系下的转子电流；Rs 和 Ls 分别为定子绕组的电阻与自感；Rr 和 Lr 分别为定子绕组的电 阻与自感；Lm 为定转子互感；P 为微分算子；1 为同步旋转角频率；s 为转 差角频率；将转子磁链矢量定在 d 轴方向上，可以推导出转子磁链为：其中：Tr 为转子时间常数。由式(2)可见，调节定子电流的 isd 分量可以调节转子磁链 r，而当保持 该定子电流磁通分量不变时，转子磁通保持不变。其转矩方程为：其中：Te 为电磁转矩；np 为电机的极对数
4、；由式(3)可见，控制定子电流 isq 分量可以控制电机的电磁转矩 Te，通过该转矩分量可以调节电机的转速。 该控制系统采用双闭环结构，图 1 所示是其控制系统结构原理图。该控制系统所检测的两相定子电流经 Clarke 与 Park 变换后可产生转矩电 流分量和励磁电流分量，然后结合检测转速并通过电流模型计算坐标变换所需 的磁链角。检测转速与给定转速误差经 PI 调节后将生成转矩给定值。转矩电流分量与励磁电流分量的误差经 PI 调节可产生 u 小 M。给定值，并在通过旋转坐 标变换后输入 SVPWM 模块以产生 6 路 PWM 波，从而控制逆变器。12 SVPWM 原理电压空间矢量 PWM 技
5、术是 SPWM 技术与电机磁链圆形轨迹直接结合的一种方 法。它从电动机角度出发，直接以电动机磁链圆形轨迹控制为目的，该方法不 仅在控制上与 SPWM 的效果相同，而且更直观，物理意义更明晰，实现起来也很 方便。SVPWM 调制方法是利用交替使用不同的电压空间矢量(六个基本电压矢量 和两个零矢量)合成实现的。参考矢量合成规则是：由当前参考矢量所在扇区的 两个电压矢量分别作用一定时间合成所得。为了补偿参考矢量的旋转频率，设 计时需要插入零矢量。二、二、 控制系统硬件组成控制系统硬件组成本系统主电路由整流电路、中间直流电容滤波和 IGBT 模块封装逆变器等组 成。控制电路采用 TI 公司的电机专用控
6、制芯片 TMS320F2812 为核心，由 DSP 最 小系统板与控制底板构成，用以实现采样调理、矢量控制及 SVPWM 调制算法等。 此外，该控制系统还包括隔离开关电源、PWM 驱动电路、转速转矩传感器、以 及霍尔电流传感器等辅助电路，其中开关电源为整个控制电路提供多路隔离电 源，其控制系统总体框图如图 2 所示。21 定子电流检测通过霍尔电流传感器可将采样得到的两相定子电流经过调理电路后送入 DSP 的 AD 口，以将模拟信号转换为数字信号。其采样转换过程如图 3 所示。22 转速检测通过智能数字式转矩转速测量仪可检测转速。当测速码盘连续旋转时，可 通过光电开关输出具有一定周期宽度的脉冲信
7、号，这样，根据码盘的齿数和输 出信号的频率，即可计算出相应的转速。三、三、 控制系统软件设计控制系统软件设计控制系统软件主要分为两部分：一是控制系统主程序，包括系统初始化、 定时器初始化、使能定时器下溢中断与 CPU 中断、其他系统模块参数初始化等； 二是中断子程序，包括 ADC 模块、CLARKEPARK 变换模块、IdIq 与速度 PID 模块、PARK 逆变换模块、SVPWM 模块、速度计算模块、电机电流模型计算模块 等。整个系统软件的总体结构如图 4 所示。四、实验结果四、实验结果通过实验可对上述矢量控制算法进行实验验证，实验时，可选功率开关管 的开关频率为 5kHz，死区为 52s。
8、电机为 4 极三相笼型异步电机，其额定 参数为：PN=3 kW，UN=220V，IN=75A，fN=50 Hz，nN=1500 rmin。图 5 所 示是实验得出的结果和响应曲线。该实验结果显示，该控制系统具有良好的动态和静态特性。五、五、 结束语结束语本文以 TI 公司的电机控制专用 DSP 芯片 TMS320F2812 为基础，采用基于转 子磁场定向控制和 SVPWM 调制技术，构建了一种异步电机矢量控制系统，并通 过实验验证了该控制算法的正确性和有效性，具有一定的实用价值。运动控制课程设计运动控制课程设计课课 题：异步电机矢量控制系统题：异步电机矢量控制系统专专 业：自动化业：自动化姓姓 名：王震名：王震班班 级：级：12240721224072学学 号：号：122407229122407229指导老师：王明杰指导老师：王明杰河南城建学院河南城建学院20102010 年年 1212 月月 3030 日日成绩评定指导教师评语：课程设计成绩评定班级 姓名 学号 综合成绩： 指导教师签字 年 月 日
