DSP的矢量控制系统

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1、目录一 概述 1二 异步电机矢量控制原理 3三 异步电机矢量控制系统控制电路 73.1 主电路 93.2 控制系统硬件电路 11321 SVPWM波形的产生123.3 控制系统软件设计 . 14工程实训心得 错误！未定义书签一 概述电力拖动系统发展到今天，已经不单是电动机拖动系统，还 必须与高性能的控制系统相结合来满足生产机械提出的各种工艺 要求。随着人类社会文明的进步和发展，人们对现代工业及生活 设备的性能要求也越来越高。在这样的环境下，性能优良的自动 电力拖动系统是必不可少的。调速系统正是电机拖动技术和自动 控制技术相结合的产物。电气传动技术是以电机为控制对象，以微电子装置为控制核 心，以

2、电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指 导下组成电气传动控制系统，以达到控制电机转速或转矩的目的。电机控制系统主要分速度控制和位置控制两大类。传统的电 气传动系统一般指速度控制系统 ,对于位置控制 （伺服）系统，目前 国际上较多采用运动控制这一名称。运动控制系统通过伺服驱动 装置将给定指令变成期望的机构运动，一般功率较小，并有定位 要求和频繁起制动的特点，在导航系统，雷达天线，数控机床， 加工中心，机器人，打印机，复印机，磁记录仪等领域中得到广 泛应用。而在此方面，直流电机由于控制简单而被广泛的使用。1971年德国学者Blaschke和Hasse提出了对交流电动机可以 进行矢量变换

3、控制，这是一种新的控制思想、新的控制理论和新 的控制技术。可以说，它的出现对交流电动机控制技术的研究具 有划时代的意义 . 这种通过磁场定向构成的矢量变换交流闭环控 制系统，其性能完全可以与直流系统相媲美。正因如此，随着电 力电子、微电子、计算机技术和微控制器的发展，矢量控制技术 得以迅速应用和推广。自关断器件的发展为PW技术铺平了道路。目前几乎所有的变 频调速装置都采用这一技术。PW技术用于变频器的控制，可以改 善变频器的输出波形，降低电动机的谐波损耗，并减小转矩脉动， 同时还简化了逆变器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动 态响应性能。PW逆变器有着不同的调制方法，日前流行的一种是 SP

4、WM(Sine PWM， )另一种较新的方法是 SVPWM(SpaceVector PWM。 ) 这些方法都己趋成熟，在实际中均有应用。与此同时，电力电子器件正向高压，大功率，高频化，组合 化和智能化方向发展。经过近几十年的不断努力，性能得到很大 改善，成本还在下降。表现在应用矢量控制系统技术及现代控制 理论V/F恒定、使用MCUI勺速度开环控制的通用变频调速系统和 滑差频率速度闭环控制系统，基本上解决了异步电机平滑调速的 问题，如：三菱公司的MCU加IPM方案，在较多的空调制造业中使 用。然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时， 上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。原因在于，其

5、系统控制 的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出稳 态值控制，完全不考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时 转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意。交流电机是一个多 变量，非线性的被控对象，过去的电压 /频率控制都是从电机稳态 方程出发研究其控制特性， 动态控制效果均不理想。 20 世纪 70年 代初提出的用矢量变换的方法研究电机的动态控制过程，不但控 制各变量的幅值，同时控制其相位，并利用状态重构和估计的现 代控制概念，巧妙地实现了交流电机磁通和转矩的重构和解藕控 制，从而促进了交流电机控制系统走向实用化。目前国外用变频 电源供电的异步电机己成功地采用矢量控制技术。此外，为

6、解决 系统复杂性和控制精度之间的矛盾，又提出了一些新的控制方法， 如直接转矩控制，电压定向控制和定子磁场定向控制等。尤其自从计算机用于实时控制之后，使得现代控制理论中各种控制方法 得到应用，如二次型性能指标的最优控制和双位模拟调节器控制， 可提高系统的动态性能，滑模变结构控制可增强系统的鲁棒性， 状态观测器和卡尔曼滤波器可以获得无法实测的状态信息，自适 应控制则能全面地提高系统的性能。二异步电机矢量控制原理一般来说，异步电机矢量控制调速系统的控制方式是比较复杂 的，要确定整个系统的最佳的控制方式，必须对系统动静态特性 进行充分的研究。作为系统中的一个主要环节，异步电机的特性 显得尤为重要，建立

7、一个适当的数学模型是研究其动静态特性及 其控制技术的理论基础。为了分析方便，一般对三相异步电机做 如下理想化假定(1) 电机定转子三相绕组完全对称；(2) 定转子表面光滑，无齿槽效应，定转子每相气隙磁动势在 空间呈正弦分布；(3) 磁饱和，涡流及铁心损耗忽略不计。异步电机本质上是一个高阶，非线性，强涡合的多变量系统， 其详细的数学推导过程和物理分析比较复杂。这里直接采用推导 的结果，重写以任意速度(相对于a相绕组轴线)旋转的坐标系下的 异步电机数学模型1. 电压方程式：Usd 二 RsIsd PT-Sd 一qUsq 二 RsJq PJUrd = RJrd Prd -(人-爲U rq 二 RrI

8、rq rq C，kJ宇rd对异步电机而言：Urd 二5q2. 磁链方程式：:sd = Ls I sd Lm 1 rd?sq二 Lslsq LmIrq?rd-Lm 1 sd Lr 1 rdLmlsqLrlrq#3. 转矩表达式：Tem 二 Pn2 I sq?rd 一 Isd ? rqLr4. 机械运动方程式：J dTem 二 Ti在研究异步电机矢量控制策略中，主要采用两种座标系：d-q坐标系和-坐标系用等效电路图表示则有下面的通用等效图 - -wujsrw 4- WXJWVLli f4bc#异步电机的T型等效电路图#矢量控制技术是在异步电动机的数学模型基础上，将耦合在 一起的电机绕组的磁通电流和

9、力矩电流在选定的坐标系上分解出 来，并分别对磁通和力矩进行控制，使异步电动机接近直流电动 机特性。随着计算机技术迅速发展 , 特别是数字信号处理器 (DSP) 的广泛应用 ,使矢量控制技术逐渐进入到实用化阶段。与 V/F 控制 技术(标量控制 )相比，矢量控制技术具有控制精度高、低频特性 优良、转矩响应快的优点。空间矢量PWM是一种针对三相交流电路的新型调制技术,空间 矢量PWM利用三相功率转换器的六个能量晶体管的特殊转换机制， 改善输出峰值电压，使三相交流电机绕组中的电流谐波失真最小。 基于空间矢量原理的最大输出电压是传统正弦调制的 1.55 倍，它 能在高速下提供更高的磁矩和更高的效率。对

10、于逆变器来说，功率器件的开关导通状态确定的空间矢量 位置也是有限的。空间矢量调制就是根据确定位置的有限空间矢 量组合作用来产生满足任意位置和一定幅值范围需要的空间矢量 的过程。也就是说，在整个 PWM周期内改变各相导通时间的分配 来形成所需要的任意空间矢量。空间矢量调制既可以是电流空间 矢量的调制，也可以是电压空间矢量的调制。三相绕线式感应电 机定转子都是三相对称绕组且定转子三相绕组在空间按照1200 电角度对称分布，如图 2.2 所示。由于三相绕组的这种对称排列方 式，决定了感应电机数学模型分析方法要比直流电机复杂得多。 正是这种相互电磁耦合的影响使得人们难以直接分析，需要采用 坐标变换的特

11、殊手段使得感应电机的数学模型建立在独立解耦的 坐标系统基础上，便于分析和控制。当然，坐标系统的引入及其 变换过程看起来使得问题变得错综复杂，而实际上变得有条不紊、清晰明朗，因为任何非线性时变问题是最难以对付的，如果能将非线性时变问题转换成线性时不变形式，那么分析和控制的手段 会变得十分简单，坐标变换就是要将感应电机这一非线性时变问 题转换成线性时不变形式，那么分析和控制的手段会变得十分简 单，坐标变换就是要将感应电机这一非线性时变问题转换成线性 时不变问题。BACa感应电机绕组空间排列方式三 异步电机矢量控制系统控制电路基于DSP勺矢量控制系统由功率电路、控制系统及辅助电路组 成。功率电路由电

12、压型的交直交变压变频结构、驱动电 路和交流电机组成。控制系统由TMS320LF24C芯片及其外围电路 组成，用来完成矢量控制核心算法、 SVPWM生、相关电压电流的 检测处理等功能。辅助电路由辅助开关电源、光电编码器、滤波 放大器和电流互感器组成，以实现给系统提供多路直流电源、IGBT 的隔离驱动和电机转速检测及放大等功能。系统的框图如图3.1所示。三相整流器辅助开关电源驱动电路光电编码器I MSBOLF2407 SP滤波放大器系统结构框图控制系统采用转子磁场定向矢量控制方案，其系统结构如图3.2所示。整个系统采用双闭环控制，转矩环和磁通环为内环，转 速环为外环。磁通的闭环控制可实现转子磁通的

13、恒定当转子磁通转子磁场定向矢量控制方案总体框图恒定时，电磁转矩与定子电流的q轴分量成正比，通过控制定子电 流的q轴分量就可以控制电磁转矩。这样由定子电流 d轴分量控制 转子磁通，q轴分量控制转矩，实现了系统的完全解耦控制。模決#ia，F面对图中功能以及各个变量和参数做一说明，电机电流 ib经过CLAR变换，将实时采样的定子电流转换为在空间静止坐标 系下的电流isjsl,再通过PAR变换，得到与转子磁场同步的运动 坐标系下的电流分量isd，isq；通过分别控制与电机磁通有关的电流 分量isd和与电机转矩有关的电流分量isq，达到电机的转速与磁通 的独立控制。这两个控制环节分别为两个 PI调节器，

14、输入为电流的差值，输出为转子磁场同步坐标系上的电压分量Vsdref和Vsqref，再通过PAR逆变换，转换成空间静止坐标系下的电压分量 Vsjef和Vs ；ef，通过SVPWM变调制，将期望电压矢量供给逆变器。电机的 速度n反馈通过脉冲编码盘获得，与输入的速度参考量 nef形成闭环。同时编码盘的另外个作用是获得转子的绝对位置，从而通过 磁通观测环节，输出正确的磁通角二以实现精确的PAR逆变换3.1主电路1整流电路整流电路采用三相桥式全相整流电路，其原理图如下:VTud负载VT4VT6VT2d2整流电路原理图其中，VT系列的及晶闸管，晶闸管是晶体闸流管的简称，又 称作可控硅整流器，以前被简称为可

15、控硅。在电力二极管开始得 到应用后不久，1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管，到1957年美国通用电气公司开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。由于其开通时刻可以控制，而且各方面性能均明 显胜过以前的汞弧整流器，因而立即受到普遍欢迎，从此开辟了 电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代，其标志就是以晶闸管为代表的电力半导体器件的广泛应用，有人称之为继晶体管 发明和应用之后的又一次电子技术革命。自20世纪80年代以来,晶闸管的地位开始被各种性能更好的全控型器件所取代，但是由 于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高 的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要 的地位本整流电路在每个时刻均有 2个晶闸管导通，形成向负载供电的回路，从而完成整流的功能2逆变电路逆变电路采用IPM模块,其原理图如下:逆变电路原理图智能功率模块IPM具有高集成度，小体积的特点，其内部不 仅封装了门极驱动控制电路，而且还有故障检测电路和各种保护 电路