基于dsp自动控制系统课程设计报告

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1、自动控制系统课程设计自动控制系统课程设计设计题目： 转速闭环异步电动机变频调速系统设计 班 级： 自动化 1303 班 学 号： 20134132 姓 名： 李丹阳 指导教师： 闫士杰、刘秀翀、贾旭 设计时间： 2016.9 摘要摘要电机分为直流电机和交流电机两大类。直流电机由于其便于控制和控制精度比较高的特点，在很长一段时间内被广泛应用，被人们认为难以被其他电机所取代。但随着电力电子技术的发展、各种新型控制器件和先进控制方法的在电机调速系统中的应用，使交流电机控制精度得到极大的提高；另外，由于交流电机，特别是笼型式异步电机具有结构简单牢固、制造成本低廉、运行方便可靠、环境适应能力强以及易于向

2、高电压、高转速和大容量方向发展等优点，过去直流电机占主导地位的调速传动领域将逐渐被交流电机所占领。 本文先从异步电机的物理模型出发，通过抽象假设给出了理想的异步电机原始数学模型；然后，详述了坐标变换方法，包括从三相到两相的静止坐标变换和从两相静止到两相旋转坐标的变换；最后，通过坐标变换将异步电机原始数学模型变换成便于控制的在不同坐标系的简化数学模型。然后，主要描述了变频调速原理，详述了 V/F 控制原理和电压空间矢量(SVPWM)控制原理，给出了用DSP 实现 SVPWM 的方案，并给定了对应的 SVPWM 在一个 PWM 周期的波形，为异步电机变频调速的软件实现提供了理论依据。关键字：关键字

3、：交流电机、异步电机、原始数学模型、坐标变换、V/F 控制原理、电压空间矢量控制原理目录摘摘 要要.2 1.1.概述概述.4 2.2.课程设计任务及要求课程设计任务及要求.5 2.1 设计任务.5 2.2 设计要求.5 2.2.2 系统设计5 2.2.3 安装调试部分5 2.2.4 写出课程设计总结报告(要求报告在 15 页以上，并打印)5 3.3.理论设计理论设计.6 3.1 方案论证6 3.1.1 交流异步电机的数学模型6 3.1.2 异步电机的原始数学模型6 3.1.3 坐标变换8 3.1.4 交流异步电动机在不同坐标系的数学模型.10 3.2 VF 控制原理.12 33 电压空间矢量(

4、SVPWM)控制原理.13 3.3.1 基本电压空间矢量的形成及作用时间的计算13 3.3.2 矢量控制系统原理分析.16 4.4.矢量控制系统软件设计矢量控制系统软件设计.17 4.1 主程序设计.18 4.2 中断服务子程序设计.18 4.3 电压空间矢量脉宽调制波形生成.20 5.5.安装调试安装调试.23 5.1 系统软件调试.24 5.2 系统整机调试.25 6.6.结论与分析结论与分析.26 6.1 结论.26 6.2 实验结果分析.27 7.7.使用仪器设备清单使用仪器设备清单.27 8.8.收获、体会和建议收获、体会和建议.28 9.9.参考文献参考文献.29 附录附录.301

5、.1.概述概述随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机，但异步电动机的调速性能难以满足生产要求，于是，从上世纪三十年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢，直到上世纪六七十年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争，目前，交流调速已进入逐步替代直流调速的时代。而变频技术作为高新技术是一门重要的节能和环保技术，在各种工业生产、交通运输、家用电器中应用十分广泛。变频器作为变频技

6、术的产品，在我国工农业等各方面有着极其重要的作用。在目前经济快速发展与能源相对紧缺状况中，普及变频器的应用范围将对振兴经济、节约能源起到不可估量的作用。本课设正是主要运用新型电机控制芯片 TMS320F2812DSP 为控制核心，构建了异步电机无速度传感器矢量控制变频调速系统，重点研究了交流变频调速技术和无速度传感器矢量控制技术，并在搭建的实验平台上进行了实验，得到了正确的实验结果。这对推动我国交流调速系统的理论研究、扩大交流调速系统的工业应用起到一定的推动作用，具有比较重要的理论和实际意义。2.2.课程设计任务及要求课程设计任务及要求2.12.1 设计任务设计任务（1）典型控制系统的分析与设

7、计（2）系统设计调试，以自动控制系统实验室模型为设计对象（3）控制系统的分析，以自动控制系统实验室模型为设计对象2.22.2 设计要求设计要求独立完成系统的原理设计。说明系统实现的功能，应达到技术指标，进行多种方案的论证，确定最佳设计方案。画出电路图，说明各部分电路的工作原理，初步选定所使用的各种器件的主要参数及型号，列出元器件明细表。2.2.2 系统设计系统设计根据理论设计，验证所设计方案的正确性。分析系统的工作原理，写出报告。2.2.3 安装调试部分安装调试部分实现所设计的系统，并进行单元测试和系统调试。完成系统功能。若系统出现故障，排除系统故障，分析并记录系统产生故障的原因，并将此部分内

8、容写在报告中。2.2.4 写出课程设计总结报告写出课程设计总结报告(要求报告在要求报告在 15 页以上，并打印页以上，并打印)3.3.理论设计理论设计3.13.1 方案论证方案论证3.1.13.1.1 交流异步电机的数学模型交流异步电机的数学模型三相交流异步电机是一个多变量、高阶、非线性、强耦合的复杂系统，为了方便对三相交流异步电机进行分析研究，抽象出理想化的电机模型，通常对实际电机作如下假设 ：1)忽略磁路饱和的影响，认为各绕组的自感和互感都是恒定的。2)忽略空间谐波，三相定子绕组 A、B、C 及三项转子绕组 a、b、c 在空问对称分布，互差 120。电角度，且认为磁动势和磁通在空间都是按

9、J 下弦规律分布。3)忽略铁心损耗的影响。4)忽略温度和频率变化对电机参数的影响。有了这些假设，实际异步电机可被等效为如图 21 所示的三相异步电机物理模型。图中，定子三相绕组轴线 A、B、C 在空间是固定的，故定义为三相静止坐标系。设 A 轴为参考坐标轴，转子绕组轴线 a、b、c 随转子以速度旋转。A轴和转子 a 轴间的电角度 即为空间角位移变量图 3-1 异步电机物理模型3.1.2 异步电机的原始数学模型异步电机的原始数学模型异步电机的原始数学模型可由以下四组方程表示： 1电压方程 三相定子绕组的电压方程为： (3-1)三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为： （3-2）式中 uA，uB，

10、uC，ua，ub，uc定子、转子相电压的瞬时值； iA，iB，iC，ia，ib，ic定子、转子相电流的瞬时值； A，B，C，a，b，c各绕组的全磁链； R1 ，R2定子、转子绕组电阻。将以上电压方程写成矩阵形式,并以微分算子 P 代替微分符号 ddt （3-3）也可以简写为： U=Ri+p (3-4)2磁链方程 由于每个绕组的磁链是它本是的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和，六个绕组的磁链可以表示为： (3-5) 也可简写为： Li (3-6)式中，L 是 6 x 6 的电感矩阵，其中对角线元素是各有关绕组的自感， 其余各项是绕组间的互感。 3矩阵方程 根据机电能量转换原理，异步电机电磁转矩

11、表达式为： Te=PnLm1(iAia+iBib+iCic)sin+(iAib+iBic+iCia)sin(+120o)+(iAic+iBia+iCib)sin(-120o) (3-7)4运动方程 对于恒转矩负载，机电系统的运动方程为：Te= TL + J/Pnd/dt (3-8)式中：Te，TL电磁转矩，负载转矩；J转动惯量；P电动机极对数。 3.1.33.1.3 坐标变换坐标变换 我们知道对异步电机研究控制时，如果能用两相就比用三相简单，如果能用直流控制就比交流控制更方便。为了对三相系统进行简化，就必须对电动机的参考坐标系进行变换，这就叫坐标变换。坐标变换以产生相同的磁通为准则，建立三相交

12、流绕组、两相交流绕组和旋转的直流绕组三者之间的关系，从而可以建立交流异步电机的直流模型。 在研究电机矢量控制时定义有三种坐标系统，即三相静止坐标系(3s)、两相静止坐标系(2s)和两相旋转坐标系(2r)。对应的坐标变换有：从三相到两相的静止坐标变换(3s2s)；从两相静止到两相旋转的坐标转换(2s2r)等。 1.Clarke1.Clarke 变换：从三相到两相的静止坐标变换变换：从三相到两相的静止坐标变换(3s(3s2s)2s)图 3-2 3s2s 变换图 3-2 是 A、B、C 为三相对称静止绕组，图 3-1 中 A 轴与口轴重合，通以三相平衡的 J 下弦电流，产生合成磁动势 F，以同步转速

13、旋转，三相静止坐标系与两相静止坐标系在空间上相差 90。，且如果通上时间相差 90。的两相交流电，也可以产生相同的磁动势 F。由于它们的磁动势和转速都相等，所以可以认为这两种坐标系等效。可以由简单的三角函数关系推导出从三相到两相静止坐标系的变换矩阵：（3-9）若为三相平衡系统，uA+ uB+ uC =0，则矩阵的第三行系数为 0，于是可写成为 (3-10)即(3-11)变换后的两相电流有效值为三相电流有效值的倍，因此，每相功率为三相2/3绕组每相功率的 3/2 倍，但相数由原来 3 变成 2，所以变换前后总功率不变。此外变换后的两相绕组每相匝数是原来三相绕组每相匝数的。此变换称为 2/332

14、变换(3s2s 变换)。 2.2. ParkPark 变换变换: :从两相静止到两相旋转的坐标转换从两相静止到两相旋转的坐标转换(2s(2s2r)2r) 在两相静止坐标 和两相旋转坐标 dq 之间的变换简称为 2s2r 变换。 如图 33 所示， 为两相静止坐标系(2s)，dq 为两相旋转坐标系(2r)。dq 绕组在空间相互垂直放置，分别加上直流电压 Ud 和 Uq，产生合成磁动势F，其位置相对于绕组来说是静止的。如果让包含两个绕组在内的整个铁心以同步转速 1 旋转，则磁动势自然也随之旋转起来，成为旋转磁动势。如果磁动势的大小与两相静止坐标系下的磁动势大小相等，那么这个旋转的直流绕组也就和交流

15、绕组等效了。当观察者站在铁心上和绕组一起旋转时，在他看来，d和 q 是两个通以直流而且相互垂直的静止绕组，如果控制磁通的位置在 d 轴上，就相当于直流电机物理模型了。这时，绕组 d 相当于励磁绕组，q 绕组相当于静止的电枢绕 组。dq 和 轴的夹角 是一个变量，随着负载、转速而变。其变换矩阵为 （3-12）其逆变换矩阵为 （3-13）图 3-3 2s2r 变换3.1.4 交流异步电动机在不同坐标系的数学模型交流异步电动机在不同坐标系的数学模型 1.1.在两相静止坐标系的数学模型在两相静止坐标系的数学模型 三相异步电机的数学模型经 3s2s 变换后在两相静止坐标系 上的数学模型为：1电压方程 （3-14）2磁链方程 （3-15）3转矩方程 （3-16）4运动方程 （3-17）式中：Ls Lr 定子、转子相的自感； Rs Rr 定子、转子相的电阻； Lm定转子绕组的互感； 转子角频率。2.2. 在两相旋转坐标系的数学模型在两相旋转坐标系的数学模型 设坐标轴 dq 的旋转速度等于定子频率的同步角转速 1，而转子的转速为 ，则 dq 轴相对于转子的角转速为 s=1 一 ，即为转差。将三相异步电机在 坐