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1、分类号分类号分类号分类号 学号学号学号学号 M201172014 学校代码学校代码学校代码学校代码 10487 密级密级密级密级 硕士学位论文硕士学位论文硕士学位论文硕士学位论文 基于基于基于基于 DSP2810 的无速度传感器矢量控制技术的无速度传感器矢量控制技术的无速度传感器矢量控制技术的无速度传感器矢量控制技术 学 位 申 请 人学 位 申 请 人学 位 申 请 人学 位 申 请 人 ： 甘海轩甘海轩甘海轩甘海轩 学 科 专 业学 科 专 业学 科 专 业学 科 专 业 ： 控制工程控制工程控制工程控制工程 指 导 教 师指 导 教 师指 导 教 师指 导 教 师 ： 秦元庆秦元庆秦元庆
2、秦元庆 讲师讲师讲师讲师 答 辩 日 期答 辩 日 期答 辩 日 期答 辩 日 期 ： 2013.5.29 A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering Speed Sensorless Vector Control Technology based on TMS320F2810 DSP Candidate : Gan Haixuan Major : Control Engeering Supervisor : Lecture
3、r. Qin Yuanqing Huazhong University of Science Vector Control ;Three-phase asynchronous motor ; AC speed regulation ;Inverter IV 目目目目 录录录录 摘摘摘摘 要要要要I Abstract II 1 绪论绪论绪论绪论 1.1 无速度传感器矢量控制技术背景 (1) 1.2 无速度传感器矢量控制当前现状与发展 (2) 1.3 论文主要研究内容和章节安排 (4) 2 三相异步电机无速度传感器矢量控制技术原理三相异步电机无速度传感器矢量控制技术原理三相异步电机无速度传感器矢量
4、控制技术原理三相异步电机无速度传感器矢量控制技术原理 2.1 三相交流异步电机的数学模型 (6) 2.2 三相交流异步电机无速度传感器转子磁场定向矢量控制(16) 3 无速度传感器矢量控制系统实验平台及硬件电路无速度传感器矢量控制系统实验平台及硬件电路无速度传感器矢量控制系统实验平台及硬件电路无速度传感器矢量控制系统实验平台及硬件电路 3.1 实验平台(35) 3.2 变频器的改造(36) 3.3 直流母线电压采样电路的制作(39) 3.4 驱动板电路分析(40) 3.5 主板电路部分(44) 4 无速度传感器矢量控制系统软件设计无速度传感器矢量控制系统软件设计无速度传感器矢量控制系统软件设计
5、无速度传感器矢量控制系统软件设计 4.1 MODBUS 上位机通讯 (51) 4.2 电机控制软件总体结构(56) V 5 无速度传感器矢量控制实验分析无速度传感器矢量控制实验分析无速度传感器矢量控制实验分析无速度传感器矢量控制实验分析 5.1 无速度传感器矢量控制系统设备分析(61) 5.2 变频器软件调试工作(62) 5.3 SVPWM 模块输出三个桥路占空比信号 Ta、Tb、Tc 的测试(63) 5.4 模拟输入磁链角与估算反馈磁链角比较(64) 5.5 转子转速的测量(65) 5.6 光线编码器检测电机转速(69) 5.7 误差分析(71) 6 工作总结和展望工作总结和展望工作总结和展
6、望工作总结和展望(73) 致致致致 谢谢谢谢(75) 参考文献参考文献参考文献参考文献(76) 1 1 绪论绪论绪论绪论 伴随着这些年电力电子技术、控制算法、计算机控制技术的飞跃发展，交流调速系统以其优越的调速性能，已在很多领域逐步取代了直流调速系统，得到了非常广泛的应用。而无速度传感器矢量控制技术凭借其良好的控制性能，高可靠性和低成本等特性，在交流调速技术中占有重要地位，所以感应电机的无速度传感器矢量控制技术的研究与应用有着非常重要的发展意义。 1.1 无速度传感器矢量控制技术背景无速度传感器矢量控制技术背景无速度传感器矢量控制技术背景无速度传感器矢量控制技术背景 当前社会中，一般用到的电机
7、大致有以下几种：直流电机、交流同步电机、交流异步电机等。下面对这几种电机特性进行比较，直流电机励磁电路和电枢电路是互相独立的，所以其调速性能和控制特性较为优越，但是直流电机在结构设计上的缺陷，比如换向器、电刷、电源不易获得等影响，满足不了现代调速控制系统大容量和高速的需求。 交流同步电机的转子较多使用的是永磁体材料， 具有较高的效率，能量反馈较好，但是低速时转矩很难得到提高，有失步问题，同时存在永磁体退磁的困扰，因此其应用有一定程度的局限性1。交流异步电机的结构比较简单、电机本身可靠性高、容易提供其工作电源，缺点是自身非线性的数学模型使得控制算法较为复杂，控制特性不是很好，但随着矢量控制算法的
8、提出，使得交流异步电机获得和直流电机调速性能相媲美成为可能。 矢量控制算法通过磁场定向和一系列坐标旋转，将感应电机定、转子绕组数学方程进行坐标变换，将定子电流解耦为转矩分量和励磁分量，简化了异步电机的数学模型，这样异步电机拥有了与直流电机相类似的良好控制性能。矢量控制算法较为复杂，整个系统对电机控制的实时性要求很高，这样就要求处理器用有较快的运算速度， 随着电力电子技术的发展， 计算机控制技术的普及， 微处理器水平的提升，特别是 DSP 芯片的出现，使得矢量控制理论中那些复杂的控制算法的实现变成现2 实。 异步电机的矢量控制转子速度的测量，在早期通过安装在电动机转子轴上的速度传感器进行检测，但
9、是安装速度传感器有很多不好的地方：增加了一个器件，而且速度或位置传感器价格比较贵，提升了整个矢量控制系统的成本；安装速度传感器使得整个矢量控制系统的复杂度提高，维护的成本相应也会提升，系统在恶劣环境下会影响测量精度，降低系统鲁棒性；部分感应电动机受自身结构限制，安装不了速度传感器2。 由此可以看出的无速度传感器矢量控制各方面优越性，它不必安装速度传感器，只要通过测量定子电压、定子电流等这些容易坚持的物理量来计算出转速，使得整个系统的安装和维护变得更为简单，提高了系统的简易性和鲁棒性，所以无速度传感器矢量控制系统的研究迫在眉睫3。 由此可以看出，研究无速度传感器矢量控制技术能够产生良好的经济效应
10、，具有广阔的市场发展，已经受到国内外众多专家学者的关注，成为了感应电机高性能控制技术的重要研究部分。 1.2 无速度传感器矢量控制当前现状与发展无速度传感器矢量控制当前现状与发展无速度传感器矢量控制当前现状与发展无速度传感器矢量控制当前现状与发展 从 20 世纪 70 年代到现在，通过这三十来年矢量控制理论的发展，矢量控制技术在工业控制领域交流调速系统中得到了广泛的应用。但是对无速度传感器矢量控制技术的发展，美日欧等国家因为研究得较早，在技术上长期处于领先地位，比较知名的企业有三菱、西门子、安川等，这些公司产品的性能要比国内的一些产品高一个层次。国内虽然起步较晚，但这些年也取得了长足的进步，正
11、在逐渐缩小与美日欧的差距。 无速度传感器矢量控制技术核心关键问题就是估算电机的转子速度。转速信号既可以在速度环中成为速度反馈信号，又可以是磁链控制模块在弱磁区域的指令计算依据等，所以高性能交流调速系统的矢量控制技术需要进行精确的速度检测。 3 结合国内外的研究状况，无速度传感器实现速度估计的控制算法基本分为以下几类： （1）开环速度估计法。该算法是直接利用电机的数学模型估算转子速度，该方式直观明了，容易实现，动态性能与实时性都不错，但是转子转速估算的数据容易受电机参数变化的干扰，因为转子转速估算是开环的，缺少反馈校正环节，使得抗干扰性能和系统稳定性不高，尤其在低速时误差会比较大，而且控制算法较
12、为复杂，必须使用运算处理能力性能较高的控制芯片，以满足算法和精度的要求4。 （2）模型参考自适应法（MRAS） 。该方法通过使用反馈校正，保障了电机控制的相关参数具有渐进收敛的特点，它是一种依靠稳定性理论而设计的参数识别法则，具有较高的抗干扰能力和可靠性。但是模型参考自适应法对参考模型的参数要求非常高，参考模型参数的准确度对最后的估算结果有直接影响。 （3）自适应转速观测器法。该法具有模型参考自适应法的理念和思想，区别在于把参考模型变成了电机自身，可调模型使用的是闭环观测器。自适应转速观测器法因为采用闭环算法，具有很多优点，比如：参数估算收敛较快、抗干扰能力强、可靠性高等。但是该方法数学模型的算法复杂，从而造成计算量较大。 （4）人工神
