按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)

1、按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系 統(tǒng)中華人民共和國教育部東北林業(yè)大學畢業(yè)設計設計題目：按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)設計學 生：黃建龍指導教師：李克新 講師學院：機電工程學院專業(yè)：電氣工程及其自動化 2007 級3班2011年6月按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)設計摘要本文在對交流異步電動機坐標變換原理的概念， 異步電動機的數(shù)學模型和在不同坐標系上的數(shù)學模型表達方程式介紹的基礎上，指出了異步電動機模型多變量、強耦合非線性的特點，介紹了 SVPWM 空間矢量變頻調(diào)速技術(shù)，并對基于高速數(shù)字信號處理器（DSP）的交流電動機按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制調(diào)速系統(tǒng)進行了研究。本設計完成了基于TMS320F2812DSP

2、的交流電機按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)設計。在系統(tǒng)總體設計方面，系統(tǒng)由功率電路、控制系統(tǒng)及輔助電路組成。功率電路包括整流電路、直流中間電路、逆變電路以及驅(qū)動電路等組成；控制電路由F2812芯片及其外圍電路組成，用來完成矢量控制核心算法、 SVPWM 產(chǎn)生、相關(guān)電壓電流的檢測量處理等功能；輔助電路由開關(guān)電源、串行通信電路等組成，以實現(xiàn)給系統(tǒng)提供多路直流電源以及上位機的監(jiān)控等功能。系統(tǒng)硬件電路主要是由主電路、驅(qū)動電路、微控制電路、檢測電路、信號采集與故障綜合電路等組成；軟件程序主要由主程序、中斷程序以及鍵盤程序等組成。關(guān)鍵字： SVPWM ；矢量控制；磁鏈定向； DSPThe Design of

3、Orientated by the Rotor Flux Vector Control SystemAbstractIn this paper, we introduces the ac induction motor concept, the principle of coordinate transformation of asynchronous motor in different reference frames mathematical model and mathematical model of the express equations, and pointed out th

4、e characteristics asynchronous motor model multivariable and strong coupling nonlinear characteristics, and introduced the SVPWM space vector, and the technology of frequency conversion based on high speed digital signal processor (DSP) according to the ac motor rotor flux vector control speed contr

5、ol system is studied.This design completed the design of ac motor according to rotor flux vector control system based on TMS320F2812DSP.In the design of the whole system, this system consists of power circuit, auxiliary circuit and control system. The Power circuit includes rectifier circuit, dc int

6、ermediate circuit, inverter circuits and drive circuit etc; Control circuit is composed of F2812 chip and its peripheral circuit, to complete vector control core algorithm, SVPWM production, related voltage current detection quantity processing function; Auxiliary circuit by switching power supply,

7、Serial communication circuit etc, so as to realize the system to provide multi-channel to dc power supply and PC monitoring, and other functions.The hardware circuit is mainly composed of main circuit, drive circuit, micro control circuit, detection circuit, signal acquisition and fault integrated c

8、ircuit etc; Software program mainly by the main program, interruption program and keyboard program etc.Key word: SVPWM;Vector control; Flux; DSP摘要Abstract1 . 緒論 51.1 矢量控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀51.1.1 交流電動機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀51.1.2 矢量控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀71.2 矢量控制的思想及其優(yōu)點 81.2.1 矢量控制的基本思想81.2.2 矢量控制的優(yōu)點 92 .矢量控制技術(shù)的基本原理102.1 異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型102

9、.1.1 三相異步電動機的物理模型102.1.2 三相異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型112.1.3 SVPWM 基本原理 132.2 矢量控制的基本原理172.2.1 三相 兩相靜止坐標系變換（3/2變換 ） 182.2.2 兩相 兩相旋轉(zhuǎn)變換（ 2s/2r 變換） 192.3 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制技術(shù)的實現(xiàn)212.3.1 電流閉環(huán)控制方式212.3.2 轉(zhuǎn)矩控制方式222.3.3 轉(zhuǎn)子磁鏈的計算232.4 系統(tǒng)的總體設計243 系統(tǒng)硬件電路設計253.1 核心芯片選擇與介紹 253.2 系統(tǒng)主電路的設計283.3 控制電路及其外圍電路設計303.3.1 PWM 電路的設計以及驅(qū)動電路303.3

10、.2 電流采樣電路的設計313.3.3 電壓檢測電路323.3.4 轉(zhuǎn)速檢測電路333.3.5 PWM 輸出和故障輸入電路333.3.6 控制電路的設計343.3.7 電源電路 354 .軟件系統(tǒng)設計365 .論文總結(jié)和展望39參考文獻附錄致謝東北林業(yè)大學畢業(yè)設計按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)設計1 .緒論隨著電力電子技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的不斷發(fā)展，交流異步電動機在電力傳動領(lǐng)域應用 越來越廣泛，具取代直流電機已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。異步電機具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、 維護方便且效率較高的優(yōu)點。普通的變頻調(diào)速裝置采用恒定磁通控制，即V/F恒定控制，電機即使在輕載運行時，其磁場的大小并不改變，電機的鐵損耗

11、并不會因為電機的輕載運 行而減小，特別是當電機負載變化時將會造成電能的浪費，這種變頻調(diào)速系統(tǒng)雖然具有異 步交流電機調(diào)速的部分優(yōu)點，但是它的動態(tài)性能差。現(xiàn)在，各種通用的和高性能的交流電 機控制策略相繼誕生，市面上有各種變頻器，而在高性能異步電機調(diào)速系統(tǒng)中通常采用具 有良好動靜態(tài)性能的矢量控制技術(shù)，其控制性能可和直流調(diào)速相媲美。1.1 矢量控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1.1.1 交流電動機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀在20世紀60年代以前，全世界電氣傳動系統(tǒng)中高性能調(diào)速傳動都采用直流電動機，而 絕大多數(shù)不變速傳動則使用交流電機。到了 60-7孫代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和應用， 出現(xiàn)了采用電力電子變換器的交流調(diào)速系統(tǒng)

12、。再后來隨著微型計算機技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)代控制理論的深入應用，交流調(diào)速控制策略取得不斷突破：先后出現(xiàn)調(diào)速性能比較好的恒V/F控制、轉(zhuǎn)差頻率控制，這些控制方式的靜態(tài)性能比較好，實現(xiàn)了交流電機在一定范圍內(nèi)調(diào) 速要求，但由于其控制思想基于交流電機的穩(wěn)態(tài)控制規(guī)律，在動態(tài)特性、低速轉(zhuǎn)矩特性方 面，還不能與直流調(diào)速相媲美，從而使其應用范圍受到了很大限制。但直流電機本身具有 許多難以克服的缺點，例如：電刷和換向器必須經(jīng)常檢查維修，換向火花使它的應用環(huán)境 受到限制，換向能力限制了直流電機的容量和速度等等（極限容量與轉(zhuǎn)速之積約 106kW.r/min） 1。而相比之下，交流電機具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，維護方便且效率

13、高的 優(yōu)點，應用很廣泛。所以發(fā)展高性能交流調(diào)速系統(tǒng)成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迫切要求且意義重 大。自195孫品閘管（SCR）在美國GE公司誕生以來，電氣傳動技術(shù)就進入了電力電子發(fā) 展時代，電力電子器件的發(fā)展為交流調(diào)速奠定了物質(zhì)基礎。在電氣傳動控制系統(tǒng)中，電力 電子技術(shù)的作用主要是構(gòu)成功率變換器，它作為弱電控制強電的樞紐，起著至關(guān)重要的作 用。傳統(tǒng)的電力電子器件是以晶閘管（SCR）為代表的，用它構(gòu)成的可控硅整流裝置使直 流傳動占據(jù)傳動領(lǐng)域統(tǒng)治地位達數(shù)十年之久。然而品閘管屬于半控型器件且頻率低，除在某些超大容量的場合中還在使用外，中小容量場合已被逐漸取代了2。在20世紀70年代以后，GTR、GTO、Pow

14、er MOSFET、IGBT、MCT等全控型器件先后問世。由于IGBT兼 有MOSFET和GTR的優(yōu)點，是用于中小功率目前最為流行的器件，MCT則綜合了晶閘管的高電壓、大電流特性和MOSFET的快速開關(guān)特性，是極有發(fā)展前景的大功率、高頻功率 開關(guān)器件。電力電子器件正向大功率化、高頻化、模塊化、智能化發(fā)展。目前己經(jīng)應用于 交流本課題來源：生產(chǎn)實踐調(diào)速的智能功率模塊(Intelligent Power Module IPM )采用IGBT作為功率開關(guān)，含有電 流傳感器、驅(qū)動電路及過載、短路、超溫、欠電壓保護電路，實現(xiàn)了信號處理、故障診斷、 自我保護等多種智能功能，是功率器件的重要發(fā)展方向。隨著新型

15、電力電子器件的不斷涌 現(xiàn)，變頻技術(shù)獲得了飛速發(fā)展。PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。一般認 為，1964#西德的A. Schonung和H. stemmler首先在BBC評論上發(fā)表文章，提出把 通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)應用于交流傳動中，產(chǎn)生了正弦脈寬調(diào)制(SPWM )變壓變頻的思想，從而為交流傳動的推廣應用開辟了新的局面3。所謂PWM技術(shù)即脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，就是通過功率管的開關(guān)作用，將恒定直流電壓 轉(zhuǎn)換成頻率一定，寬度可調(diào)的方波脈沖電壓，通過調(diào)節(jié)脈沖電壓的寬度而改變輸出電壓平 均值的一種功率變換技術(shù)4。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波的比較， 產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號以控制

16、功率器件的開關(guān)開始， 到目前采用全數(shù)字化方案，完 成優(yōu)化的實時在線的PWM信號輸出，可以說到現(xiàn)在，PWM在各種應用場合仍占主導地位， 并一直是人們研究的熱點。在世界能源緊張、節(jié)能已成為工業(yè)生產(chǎn)主要課題的今天，PWM 調(diào)速技術(shù)更顯示出其優(yōu)越性 3。目前已有多種 PWM控制方案，其中，空間電壓矢量 PWM (SVPWM )逆變器以控制磁通正弦為目標的磁鏈跟蹤控制技術(shù)，以不同的開關(guān)方式 在電機中產(chǎn)生的實際磁通去逼近定子磁鏈的給定軌跡理想磁通圓，來確定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，形成PWM波形。由于其控制簡單、數(shù)字化實現(xiàn)方便，且直流母線電壓利用率高， 已呈現(xiàn)出取代傳統(tǒng)SPWM的趨勢。另外還經(jīng)常采用電流的閉環(huán)控制

17、，即電流正弦PWM技術(shù)，使電機具有良好的動態(tài)特性，且在低速時也能平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。在變頻技術(shù)飛速發(fā)展的同時，交流異步電機控制技術(shù)也取得了突破性進展。對任何電 氣傳動系統(tǒng)而言，從動態(tài)轉(zhuǎn)矩到轉(zhuǎn)速均為一積分環(huán)節(jié)，動態(tài)轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩的 差值，因而電磁轉(zhuǎn)矩是電系統(tǒng)和機械系統(tǒng)相聯(lián)系的重要紐帶，傳動系統(tǒng)性能的好壞，歸根 結(jié)底取決于系統(tǒng)對電磁轉(zhuǎn)矩的控制能力。交流電機是一多變量、非線性、強耦合的受控對象，其電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生和定轉(zhuǎn)子磁場 及其夾角有關(guān)，因此，如欲控制轉(zhuǎn)矩，必先控制磁通。如何使交流電機獲得和直流電機一 樣的轉(zhuǎn)矩控制性能，是對交流電機實施有效控制的關(guān)鍵。而矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 基于交流電機的動態(tài)

18、數(shù)學模型，因而動態(tài)性能好，轉(zhuǎn)矩響應速度快，獲得了與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣優(yōu)良的靜、動態(tài)性能，開創(chuàng)了交流調(diào)速與直流調(diào)速相競爭的時代5。同時，單片微機、數(shù)字信號處理器(DSP)等微處理機引入電機控制系統(tǒng)，尤其是近年來能夠進行復雜運 算的數(shù)字信號處理器的應用，使得復雜的電機控制得以實現(xiàn)。另外，微機運算速度不斷提 高，存儲器大容量化，進一步促進了數(shù)字控制系統(tǒng)取代模擬控制系統(tǒng)，數(shù)字化已成為控制 技術(shù)的發(fā)展方向。在電氣傳動領(lǐng)域，前后產(chǎn)生了多種通用的和高性能的交流電機控制策略，主要有：轉(zhuǎn) 差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、非線性控制、自適應控制等。其中，轉(zhuǎn)差頻率控 制又有轉(zhuǎn)速開環(huán)和閉環(huán)的轉(zhuǎn)差頻率控制，這都是依據(jù)

19、電機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，其動態(tài)性能不 高，但控制規(guī)則簡單，仍在一般的調(diào)速系統(tǒng)中應用。要實現(xiàn)高動態(tài)性能的調(diào)速和伺服系統(tǒng)， 必須依據(jù)異步電動機的動態(tài)模型來建立控制系統(tǒng)。由于交流電機的輸入量是定子電壓和定子頻率，輸出量則是電機轉(zhuǎn)速和磁鏈，如果仍采用簡單的線性PID控制器，就必須對電機數(shù)學模型進行解耦，通過解耦使電機模型線性化，等效為直流電動機模型來實施控制，基 于動態(tài)電機模型的控制策略有矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。1.1.2 矢量控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀異步電機矢量控制技術(shù)是由德國學者K.Hass和F.Blaschke在20世紀70年代初建立起來的。矢量控制(Vector Control )又稱磁場定向控制(F

20、ield Oriented Control )，就是將交流電 機空間磁場矢量的方向作為坐標軸的基準方向，其實際是一種解耦合控制，通過坐標變換 和其它一系列的數(shù)學運算，將交流電機的定子電流分解為按磁鏈定向的勵磁電流分量isd和轉(zhuǎn)矩電流分量isq,再通過仿照直流電動機的控制方法對這兩個電流分量單獨控制實現(xiàn)對電 磁轉(zhuǎn)矩和磁通的分離控制。毫無疑問，矢量控制理論的提出在交流傳動史上具有劃時代的意義。但在當時要將其 實用化還存在以下幾個方面的問題6：(1)矢量控制誕生不久，理論上并沒有完全成熟，需要針對具體應用不斷完善理論。(2)由于矢量控制中包括坐標變換和旋轉(zhuǎn)以及其他一些包含非線性的復雜運算，其運算處理

21、的規(guī)模比直流調(diào)速大很多，若要進行實時控制必須有運算速度極快的控制系統(tǒng)。但在 70年代，計算機技術(shù)還不發(fā)達，當時的計算機由于運算速度低、價格昂貴和體積龐大而不 能廣泛應用于工業(yè)控制領(lǐng)域，只能用復雜的模擬電路來完成矢量控制系統(tǒng)，但模擬控制系 統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)相當復雜、可靠性低并且價格也很高，這些制約了矢量控制技術(shù)的實用化。(3)當時的電力電子技術(shù)還不足以使矢量控制技術(shù)進入實用化。在70年代，雖然PWM逆變器己出現(xiàn)，但GTO和GTR尚未完全走入實用，PWM技術(shù)實現(xiàn)起來成本很高。而普通 品閘管由于本身的特點，不能利用門極關(guān)斷信號使其關(guān)斷，由普通品閘管構(gòu)成的逆變器必 須有復雜的換流電路才能工作，這樣一方面降低

22、了系統(tǒng)的可靠性，另一方面，由于逆變器 的開關(guān)頻率很低，不能適應矢量控制中電壓電流的快速變化。隨著各國學者的不斷努力，經(jīng)過近40年的發(fā)展，矢量控制技術(shù)逐步走向成熟。這期間電力電子器件也從最初的可控硅（SCR）發(fā)展至GTR、GTO、MOSFET、IGBT等多種開關(guān) 頻率高、控制性能好的開關(guān)器件。再加上電子計算機技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，在80年代中后期交流電機矢量控制技術(shù)開始逐步邁入實用階段。進入90年代，數(shù)字信號處理器（DSP）的應用，為矢量控制技術(shù)的實用化開拓出嶄新局面，DSP的高速運算能力使矢量控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)得到簡化，這就為一些結(jié)構(gòu)較為復雜而性能較好的矢量控制方案 的實施提供了物

23、質(zhì)保證。而電力電子器件的進一步發(fā)展也為矢量控制技術(shù)的應用提供了更 好的舞臺，現(xiàn)在小到精密伺服大到電力牽引，都有矢量控制技術(shù)的身影。隨著控制系統(tǒng)硬 件（包括DSP和電力電子器件）性價比的進一步提高，以矢量控制技術(shù)為核心的交流調(diào)速系 統(tǒng)將有望在越來越多的領(lǐng)域中取代直流調(diào)速7。目前較典型的矢量控制方案有：轉(zhuǎn)差矢量控制、氣隙磁場定向的矢量控制、定子磁場 定向的矢量控制、轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制等。1.2 矢量控制的思想及其優(yōu)點1.2.1 矢量控制的基本思想矢量控制的思路是把三相異步電動機等效于兩相a、曬止系統(tǒng)模型，再經(jīng)過旋轉(zhuǎn)坐標變換為磁場方向與M軸方向一致的同步旋轉(zhuǎn)的兩相 M、T模型。電流矢量i是一個空

24、間矢量， 因為它實際上代表電機三相產(chǎn)生的合成磁勢，是沿空間作正弦分布的量，不同于在電路中 電流隨時間按正弦變化的時間向量。電流矢量分解為與M軸平行的產(chǎn)生磁場的分量一勵磁電流im和與T軸平行的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分量一轉(zhuǎn)矩電流iT,前者可理解為勵磁磁勢，后者可理解 為電樞磁勢。通過控制大小也就是矢量電流i的幅值和方向（M、T坐標系中的0角）去等 效地控制三相電流ia、ib、ic的瞬時值，從而調(diào)節(jié)電機的磁場和轉(zhuǎn)矩以達到調(diào)速的目的。經(jīng)典的正弦脈寬調(diào)制（SPWM ）控制主要著眼于使變壓變頻器的輸出電壓接近正弦波, 并未顧及輸出電流的波形。而電流跟蹤控制則主要控制輸出電流，使之在正弦附近變化， 這就比只要求正弦電

25、壓前進了一步。 然而交流電動機則需要輸入單項正弦電流的最終目的 使在電動機空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。把逆變器和交流電動機視 為一體，以圓形旋轉(zhuǎn)磁場作為目標來控制逆變器的工作，這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控 制”，磁鏈軌跡的控制是通過交替使用不同的電壓空間矢量實現(xiàn)的，所以又稱“電壓空間 矢量PWM （Space Vector PWM , SVPWM 控制）”網(wǎng)。矢量控制不同的電壓空間矢量是由電力電子變頻器根據(jù)一定的輸出要求產(chǎn)生的。變頻器按其變頻方式可分為交-直-交變頻器和交-交變頻器，變頻器的結(jié)果示意圖如圖1-1:11a）交-直交變頻器b)交-交變頻器圖1-1變頻器結(jié)構(gòu)示意圖常

26、用的交-直-交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖如圖1-2所示:圖1-2交-直-交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖本文所要研究的按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)其基本實現(xiàn)方法，是通過對交流異步電機進行坐標變換解除定子電流轉(zhuǎn)矩分量和磁鏈分量的耦合，通過對電力電子變頻器輸出的電壓空間矢量按一定的方式進行合成，使逆變器的輸出趨近于目標控制軌跡。其中坐標 變換的具體方法將在第二章中介紹。1.2.2 矢量控制的優(yōu)點矢量控制系統(tǒng)是已經(jīng)獲得實際應用的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)， 它有以下特點1）按轉(zhuǎn)子磁 鏈定向，實現(xiàn)了定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦，需要電流閉環(huán)控制；2）轉(zhuǎn)子磁鏈系統(tǒng)的控制對象是穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，可以采用磁鏈閉環(huán)控制，也可以采用開環(huán)

27、控制；3）采用連續(xù)的PI控制，轉(zhuǎn)矩于磁鏈變化平穩(wěn)，電流閉環(huán)控制可有效的限制起制動電流 網(wǎng)。矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點有，轉(zhuǎn)子磁鏈控制可以閉環(huán)控制也可以開環(huán)控制； 轉(zhuǎn)矩控制連續(xù)， 轉(zhuǎn)矩脈動小，比較平滑；調(diào)速范圍較寬，調(diào)速性能好。正是由于矢量控制系統(tǒng)的這些優(yōu)點， 又由于交流電機具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，維護方便且效率高的優(yōu)點，使得矢量控制調(diào)速 系統(tǒng)獲得廣泛的應用。2 .矢量控制技術(shù)的基本原理2.1 異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型網(wǎng)92.1.1 三相異步電動機的物理模型異步電機是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，這就決定了對于異步電機的控 制，如果要實現(xiàn)良好的調(diào)速性能，必然較為復雜。70年代發(fā)展建立起來的磁場定

28、向理論（即 矢量控制理論），為現(xiàn)代交流調(diào)速控制的發(fā)展提供了理論基礎，使交流電機的動、靜態(tài)性 能能夠和直流電機相媲美。本節(jié)將對異步電機的數(shù)學模型進行介紹，為了解矢量控制和轉(zhuǎn) 子磁鏈模型的建立奠定數(shù)學基礎。在討論異步電動機的數(shù)學模型之前，先對其進行如下假設9:1 .設三相定子繞組A, B, C及三相轉(zhuǎn)子繞組a, b, c在空間對稱分布，各相電流所產(chǎn) 生的磁動勢沿氣隙圓周正弦分布，無齒槽效應。2 .忽略磁路飽和，認為各繞組的自感和互感都是恒定的3 .忽略鐵心損耗。4 .不考慮頻率變化和溫度變化對電機參數(shù)的影響在三相異步電機中，定子三相繞組軸線 A, B, C在空間是固定的，轉(zhuǎn)子繞組軸線a、b、 c以

29、角速度隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如以 A軸為參考坐標軸，轉(zhuǎn)子a軸和定子A軸的電角度為空間角位 移變量。規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動機慣例和右手螺旋定則。三相異 步電機的物理模型如圖2-1所示：東北林業(yè)大學畢業(yè)設計圖2-1三相異步電動機的物理模型2.1.2 三相異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型異步電動機的動態(tài)模型由磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程組成。其中磁鏈 方程和轉(zhuǎn)矩方程為代數(shù)方程，電壓方程和運動方程為微分方程。1 .電壓方程三相定子繞組的電壓平衡方程為UaiaRAUbibRBUcicRcd dtddtd dt(2-1)ii三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為UaiaRrUbibRrUcic

30、Rrd dtd dtd ,dt(2-2)將電壓方程寫成矩陣方程東北林業(yè)大學畢業(yè)設計UaRs00000IaAUb0Rs0000iBBUc00Rs000IcdC000Rr00(2-3)UaiadtaUb0000Rr0ibbUc00000Rr%c式中UA、UB、UC、Ua、Ub、Uc 定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時值iA、iB、iC、ia、ib、ic定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時值岫、巾B、即、巾a、巾b、8各項繞組的全鏈值R$ Rr定子和轉(zhuǎn)子電阻。2 .磁鏈方程ALaaLABLACLAaLAbLaciABLbaLBBLBCLBaLBbLBciBCLCALCBLCCLCaLCbLCciC(2-4)aLaALaBLa

31、C aCLaaLabLaciabLbALbBLbCLbaLbbLbcibcLcALcBLcCLcaLcbLccic式中iA、iB、iC、ia、ib、ic定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時值岫、巾B、即、巾a、巾b、8各項繞組的全鏈值L電感矩陣，其中對角線元素LAA、LBB、LCC、Laa、Lbb、Lcc是各繞組的自感，其 余各項是相應繞組的互感。3 .轉(zhuǎn)矩方程綜合考慮機電能量轉(zhuǎn)換、電感的矩陣關(guān)系，得到轉(zhuǎn)矩方程如下:Te npLms(iAiaieibicic) sin(2-5)Mb iBic icia)sin(120 )(i/c iBia iCib)sin(120 )4 .運動方程運動控制系統(tǒng)的運動方程為:

32、J dnp出TeTl(2-6)d dt(2-7)式中J機組的轉(zhuǎn)動慣量；Tl 包括摩擦阻轉(zhuǎn)矩的負載轉(zhuǎn)矩。從以上三相異步電動機的原始數(shù)學模型可以看出來，三相變量中只有兩相是獨立的， 因此三相原始數(shù)學模型并不是其物理對象最簡潔的描述，完全可以且完全有必要用兩相模型代替。異步電機三相原始模型中的非線性耦合主要表現(xiàn)在磁鏈方程式與轉(zhuǎn)矩方程式）中,既存在定子和轉(zhuǎn)子間的耦合，也存在三相繞組間的交叉耦合。三相繞組在空間按120。分布, 必然引起三相繞組間的耦合。而交流異步電機的能量轉(zhuǎn)換及傳遞過程，決定了定、轉(zhuǎn)子問 的耦合不可避免。由于定轉(zhuǎn)子間的相對運動，導致其夾角不斷變化，使得互感矩陣和均為非線性變參數(shù)矩陣?？?/p>

33、以看出，異步電動機三相原始動態(tài)模型相當復雜，分析和求解這組非線性方程十分 的困難。在實際應用中必須予以簡化，簡化的基本方法就是坐標變換。異步電動機數(shù)學模 型之所以復雜，關(guān)鍵是因為有一個復雜的電感矩陣，它體現(xiàn)了影響磁鏈和受磁鏈影響的復 雜關(guān)系。因此，要簡化數(shù)學模型，須從簡化磁鏈關(guān)系入手。2.1.3 SVPWM基本原理1 .基本電壓矢量如圖2-2所示是電壓源型PWM逆變器一電動機示意圖。圖中Ua、Ub、Uc是逆變器 的電壓輸出，VT1至UVT6是6個IGBT ,他們分別被a、a'、b、b'、c、c'這六個控制信號 所控制。當逆變橋上半部分的一個IGBT開通時，即a、b或c為

34、1時，其下半部分相對 的IGBT被關(guān)斷（即a'、b'或c'為0）。VT1 , VT3和VT5 3個IGBT的開關(guān)狀態(tài)，即a、 b和c為0或為1的狀態(tài)，將決定Ua、Ub、Uc三相輸出電壓的波形。可以推 導出，三相逆變器輸出的線電壓矢量Uab Ubc UcaT與開關(guān)狀態(tài)矢量a b cT的關(guān)系為Uab 110 aUbc 011 b（2-8）Uca 10 1c三相逆變器輸出的相電壓矢量 Ua Ub UcT與開關(guān)狀態(tài)矢量a b cT的關(guān)系為Ua211a(2-9)1U B-U DC 12 1b3Uc112c式中，Udc是直流電源電壓。不難看出，因為開關(guān)狀態(tài)矢量 a b cT有8個不

35、同的組合 值（a、b、c只能取0, 1）,即逆變橋上半部分的三個IGBT的開關(guān)狀態(tài)有8種不同的組 合，故其輸出的相電壓和線圖2-2電壓源型PWM逆變器一電動機示意圖1電壓也有8種對應的組合。開關(guān)狀態(tài)矢量與輸出的相電壓和線電壓的對應關(guān)系見表2-1所示。將表2.1中的8組相電壓值代入式（2-14）,就可以計算出相應的8組相電壓的矢量， 這8個矢量就稱為基本電壓空間矢量，圖2-3給出了 8個基本電壓空間矢量的大小和位置， 包括6個標準矢量 Uo、U60、U120、U180、U240、U300和兩個零矢量 Oooo和。111。其中非零 矢量的幅值相同，都為2Udc/3。且相鄰的兩矢量相位相差60

36、76;,而2個零矢量幅值為零， 位于中心。當采用DSP編程實現(xiàn)SVPWM時，為了計算方便，需要將如圖 2-3所示的三相ABC 平面坐標系中的線電壓和相電壓值轉(zhuǎn)換到平面直角坐標系中， 其中平面直角坐標選擇 a軸 與A軸重合，B軸超前90 0如果在兩個坐標系的旋轉(zhuǎn)中保持電動機的總功率不表2-1開關(guān)狀態(tài)與相電壓和線電壓的對應關(guān)系16AbcUaUbUcUabUbcUca0000000001002Udc/3-Udc/3-Udc/3Udc0-Udc110Udc/3Udc/3-2U dc/30Udc-Udc010-U dc/3-Udc/3-Udc/3-UdcUdc0Udc011-2U dc/3Udc/3Ud

37、c/3-Udc0001-U dc/3-Udc/32Udc/30-UdcUdc0101Udc/3-2U dc/3Udc/3U DC-Udc011100000變，則變換矩陣為:11一 1TABC3i202,32 .322(2-10)40利用這個變換矩陣，就可以將三相ABC平面坐標系中的相電壓轉(zhuǎn)換到平面直角坐標系中, 其轉(zhuǎn)換式為12 ,3212、.32UaUbUc(2-11)Ui20(010)Ui80(011)6 . 22U240(001).2/3,0B* U60(100)1 6, 1 2,0111)000(000)U0(100)U300(101)圖2-3基本空間矢量對應圖152磁鏈軌跡PWM的控制

38、算法當磁鏈空間矢量 Vs的矢端在如圖2-4所示的位置時（定點在BC邊上），如果此圖2-4正六邊形磁鏈軌跡時逆變器加到定子上的電壓空間矢量為U0,則由Vs于U的積分關(guān)系，使 Vs的矢端將沿BC邊的軌跡向所作用的方向運動。Vs的矢端運動到c點時，如果定子上的電壓空間矢量 變?yōu)閁60,則Vs矢端將沿CD邊運動。用同樣的方法依次給出電壓空間矢量U120、U180、U240、U300,則vs矢端將沿DE、EF、fa> AB邊的軌跡運動。這樣，就形成了正六邊 形磁鏈運動軌跡（逆時針方向）。同樣如果要使磁鏈順時針方向運動，則當甲s在如圖2- 13所示位置時，應依次給出 U180、U120、U60、Uo

39、> U300、U240, Vs的始端將沿正六邊形的六 條邊以順時針方向運動。由于非零的基本電壓矢量只有 6個，因此只能形成一個正六邊形的磁鏈軌跡。為獲得 近似圓形的磁鏈軌跡，一種方法就是利用這幾個非零的基本電壓空間向量的線性組合來得 到更多的開關(guān)狀態(tài)。如圖2-5所示，任意時刻輸出參考相電壓矢量Uout可由相鄰的兩個基本電壓空間矢量UX和Ux±60的線性時間組合來合成，它等于tl/TPWM倍的Ux與t2/TPWM 倍的Ux±60的矢量和。其中ti和t2分別是Ux和Ux±60作用的時間，Tpwm是Uout作用的 時間。按照這種方式，在下一個Tpwm期間，仍然用U

40、x和Ux±60的線性時間組合，但作用的時間t1'和t2'與上一次的不同，它們必須保證合成的新的電壓空間矢量Uout'與原來的電壓空間矢量Uout的幅值相等。Uoutti Ux/T PWMUx圖2-5電壓空間矢量的線性組合如此下去，在每一個Tpwm期間，都改變相鄰基本矢量作用的時間，并保證所合成的 電壓空間矢量的幅值都相等，因此，當 Tpwm取足夠小時，電壓空間矢量的軌跡使用一個 近似圓形的正多邊形，這樣形成的磁鏈空間矢量甲s的軌跡也近似為圓形。磁鏈空間矢量 Vs運動速度的改變可由各邊中添加零矢量來實現(xiàn)。添加零矢量的原則 是選擇使期間開關(guān)次數(shù)最少的零矢量。對于圖

41、2-4,在邊BC選用的電壓空間矢量是 U0,則當Vs的矢端在BC邊運動時，調(diào)節(jié)磁鏈的運動速度由添加零矢量 O000來實現(xiàn)。Uo和O000 的開關(guān)模式分別為（100）和（ 000）,可見，添加零矢量后，只一個橋臂發(fā)生了開關(guān)動作， 開關(guān)器件的個數(shù)最少。同理，在 CD邊上應選擇O000來調(diào)節(jié)磁鏈的運動速度。一般為了使磁鏈的運動平滑，零矢量并不是在某一個點加入，而是采用零矢量分割技 術(shù)將零矢量多點插入到磁鏈軌跡中，作用時間之和仍為t0o這樣做可以大大減少電動機的轉(zhuǎn)矩脈動。1.2 矢量控制的基本原理矢量控制要求對異步電機的動態(tài)數(shù)學模型進行化簡，將定子電流分解為轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量，通過控制矢量電流i的幅值

42、和方向（M、T坐標系中的B角）去等效地控制三相電流 ia、ib、ic的瞬時值，從而調(diào)節(jié)電機的磁場和轉(zhuǎn)矩以達到調(diào)速的目的。矢量控制系統(tǒng)的原理 結(jié)構(gòu)圖如圖2- 68:圖2-6矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖由圖2-6可以看出，從給定輸入到等效直流電機的輸出，異步電機的直流等效過程就 是解除異步電機非線性耦合關(guān)系簡化其數(shù)學模型的過程，在這個過程中，涉及三種坐標系 統(tǒng)：三相靜止坐標系（3S）、兩相靜止坐標系（2S）和兩相旋轉(zhuǎn)坐標系（2R）,三相異步電機 模擬成直流電動機進行控制需將三相變換到兩相，以及靜止坐標系變換到旋轉(zhuǎn)坐標系，以 下對這些變換過程進行簡要的闡述。1.2.1 三相一兩相靜止坐標系變換（3/2變換

43、）不同電動機模型彼此等效的原則是：在不同坐標下產(chǎn)生的合成磁動勢完全一致?？偹?周知，在交流電動機三相對稱靜止繞組 A、B、C中，通以三相平衡的正弦電流iA、iB、ic 時，所產(chǎn)生的合成磁動勢F是空間正弦分布的旋轉(zhuǎn)磁通勢。我們還知道，旋轉(zhuǎn)磁通勢并非 要三相不可，除單項外，二相，三相，四相等任意對稱的多項繞組，通入平衡的多相 電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁通勢。現(xiàn)在考慮三相靜止繞組 A、B、C到靜止兩相繞組 心B的變換。如圖2-7是3/2變圖2-7 3/2變換坐標系與繞組磁動勢空間矢量圖換坐標系與繞組磁動勢空間矢量圖(為方便起見，取 A軸與a軸重合，圖中)。靜止坐標系變換是按等效電機原則進行，即變換前的三相

44、電機與變換后的兩相電機具 有相同的功率和磁動勢，在電、磁兩方面完全等效。從三相到兩相的變換關(guān)系為：(2-12)變換矩陣為：(2-13)反變換關(guān)系為：(2-14)反變換矩陣為：(2-15)1.2.2 兩相一兩相旋轉(zhuǎn)變換(2s/2r變換)從兩相正交坐標系到旋轉(zhuǎn)正交坐標系的變換，稱做靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交變換，簡稱變換。兩相靜止繞組，通以兩相平衡交流電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢。如果令兩相繞組轉(zhuǎn)起來， 且旋轉(zhuǎn)角速度等于合成磁動勢的旋轉(zhuǎn)角速度，則兩相繞組通以直流電流就產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)磁動勢。兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標系中的磁動勢矢量如圖2-8所小(其中)：圖2-8兩相靜止和旋轉(zhuǎn)正交坐標系中的磁動勢矢量由圖2-8可見，和之間存

45、在下列關(guān)系：(2-16)旋轉(zhuǎn)正交坐標系到靜止兩相正交坐標系的變換為：(2-17)其中，s分別是靜止兩相正交坐標系到旋轉(zhuǎn)正交坐標系、旋轉(zhuǎn)正交坐標系到靜止兩相 正交坐標系的變換矩陣。電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣相同。圖2-9靜止正交坐標系與按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標系旋轉(zhuǎn)正交dq坐標系的一個特例是與轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量 甲r同步旋轉(zhuǎn)的坐標系，若令d 軸與轉(zhuǎn)子磁鏈矢量重合，稱作按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標系，簡稱mt坐標系，如圖2-9所示，此時d軸改為m軸，q軸改為t軸。,于是有按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標系中，有: 轉(zhuǎn)坐標系中的狀態(tài)方程：ddtd rdt2. n p Lm

46、 . -jLTistinpTLTrTrdi smdtLmLsLrTrdistdtLmLsLr_2_2RsLrRrLm.2 i smLsLr22RsL2RrLm.LsL2istii st1i smusmLsustLs(2-18)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)正交坐標系上的數(shù)學模型是同步旋轉(zhuǎn)正交坐標系模型的一個特例。通過按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，將定子電流分解為勵磁分量ism和轉(zhuǎn)矩分量ist,使轉(zhuǎn)子磁鏈 的僅由定子電流勵磁分量ism產(chǎn)生，而電磁轉(zhuǎn)矩Ts正比于轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流轉(zhuǎn)矩分 量的乘積，實現(xiàn)了定子電流兩個分量的解耦。因此，按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)坐標系中的異步電動機數(shù)學模型與直流電動機動態(tài)模型相當網(wǎng)從本節(jié)可以看

47、出，相當復雜的異步電動機原始模型，經(jīng)過以上的坐標變換，是能夠簡 化數(shù)學模型，有利于我們的分析計算。我們選取轉(zhuǎn)速，定子電流isd,轉(zhuǎn)子磁鏈 的為狀態(tài)變量，通過相應變換，對電機進行控制。1.3 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制技術(shù)的實現(xiàn)1.3.1 電流閉環(huán)控制方式電流閉環(huán)控制后，轉(zhuǎn)子磁鏈為穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，對轉(zhuǎn)子磁鏈可以采用閉環(huán)控制，也可 以采用開環(huán)控制方式，而轉(zhuǎn)速通道存在積分環(huán)節(jié)，為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，必須加轉(zhuǎn)速外環(huán)使之穩(wěn) 定。常用的電流閉環(huán)控制有兩種方法：三相電流閉環(huán)控制的矢量控制、定子電流勵磁分量 和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控制。兩種電流控制作用相同，前者多采用硬件電路，后者可 用軟件實現(xiàn)，由于現(xiàn)代計算機運算速

48、度高，功能強，我們采用后者。采用定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控制方法，我們需要將檢測到得三 相電流（實際只要檢測兩相）施彳T 3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換，得到mt坐標系中的電流ism和ist, 采用PI調(diào)節(jié)軟件構(gòu)成電流閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器的輸出為定子電壓給定值和，經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換得到靜止兩相坐標系的定子電壓給定值和， 再經(jīng)SVPWM控制逆變器輸出三相電壓 網(wǎng)定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-10所示：本文將采用帶基于電流模型反饋信號的轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制。如圖 2-10所示，此控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn) 速控制外環(huán)和電流控制內(nèi)環(huán)組成，轉(zhuǎn)速控制環(huán)由用戶給定的轉(zhuǎn)速指令值與來自于電機軸

49、上的光電編碼器的轉(zhuǎn)速反饋信號 進行比較，將其偏差通過速度 PI調(diào)節(jié)器調(diào)整，并輸出轉(zhuǎn) 矩分量電流作為內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的指令值，再與通過霍爾電流傳感器檢測到的三相定子電流經(jīng)過3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換信號比較，經(jīng)過轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器，得到旋轉(zhuǎn)坐標系下的定子轉(zhuǎn)矩 電壓分量。電流控制內(nèi)環(huán)中由勵磁分量指令值 （為零）與檢測到的定子電流經(jīng)過3/2變換和 旋轉(zhuǎn)變換信號比較，經(jīng)過 PI調(diào)節(jié)器，得到旋轉(zhuǎn)坐標系下的定子勵磁電壓分量usm再將usm和ust進行反旋轉(zhuǎn)變換，變換到定子靜止兩相坐標系統(tǒng)，獲得與逆變器的電壓空間矢量具 有相同坐標系統(tǒng)的兩個電壓分量，最后利用空間矢量脈寬調(diào)制技（ SVPWM ）產(chǎn)生逆變器 開關(guān)導通狀態(tài)的

50、PWM波形。*圖2-10定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢 量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.3.2 轉(zhuǎn)矩控制方式當轉(zhuǎn)子磁鏈發(fā)生波動時，將影響電磁轉(zhuǎn)矩，進而影響電動機轉(zhuǎn)速。此時，轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào) 節(jié)器力圖使轉(zhuǎn)子磁鏈包定，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器則調(diào)節(jié)電流的轉(zhuǎn)矩分量，以抵消轉(zhuǎn)子磁鏈變化對 電磁轉(zhuǎn)矩的影響，最后達到平衡，轉(zhuǎn)速等于給定值，電磁轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩。*圖2-11轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制能夠通過調(diào)節(jié)電流轉(zhuǎn)矩的分量來抑制轉(zhuǎn)子磁鏈波動所引起的電磁轉(zhuǎn)矩 變換，但這種調(diào)節(jié)方式是在轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后起作用的，為了改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，采用轉(zhuǎn) 矩控制方式。常用的轉(zhuǎn)矩控制方式有轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制和在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出增加出發(fā)環(huán)

51、節(jié)兩 種。兩種轉(zhuǎn)矩控制方式的作用相同，我們采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方式。轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的矢量控制系 統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖2-11所示。1.3.3 轉(zhuǎn)子磁鏈的計算按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是的的準確定向，也就是說需要獲得轉(zhuǎn)子磁鏈矢量的空間位置，除此之外，在構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁鏈反饋以及轉(zhuǎn)矩控制時，轉(zhuǎn)子磁鏈幅值也是 不可缺少的信息。根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈的實際值進行矢量變換的方法，稱作直接定向。轉(zhuǎn)子磁鏈 直直接檢測相對困難，現(xiàn)在實用的系統(tǒng)中，多采用間接計算的方法，即利用容易測得的電 壓、電流或轉(zhuǎn)速等信號，借助于轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實時計算磁鏈的幅值與空間位置。在計算 模型中，由于主要實測信號的不同，又分電流模型和電壓模型兩種。電流模

52、型需要實測電 流和轉(zhuǎn)速信號，不論轉(zhuǎn)速高低都適用，受電機參數(shù)影響較大。在坐標系上計算轉(zhuǎn)子磁鏈的 電流模型如圖2-12所示。圖2-12在mt坐標系上計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型電壓模型不需要轉(zhuǎn)速信號，且算法與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)，只要定子電阻相對易于測得，和 電流模型相比，電壓模型受電機參數(shù)變化影響較小，而且算法簡單，但是在低速時，定子 電阻壓降變換影響也較大。計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型如圖 2-13所示：圖2-13計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型轉(zhuǎn)子磁鏈計算的兩種模型，比較起來，電壓模型更容易適合于中、高速范圍，而電流 模型能適應低速，有時為了提高準確度，把兩種模型結(jié)合起來，在低速時采用電流模型，高速時采用電壓模型1.4

53、系統(tǒng)的總體設計按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制控制系統(tǒng)和其他的異步電機調(diào)速系統(tǒng)一樣，由主電路和控制電路兩大部分構(gòu)成。系統(tǒng)主電路采用通用變頻器IPM模塊作為化的成交一直一交電壓源型通用變頻主電路。矢量控制盡管為高性能電機控制系統(tǒng)提供了理論依據(jù)，但是系統(tǒng)中 的控制電路所采用的微處理器的性能將直接影響系統(tǒng)性能。實踐表明，采用高性能微處理 器實現(xiàn)的電機控制系統(tǒng)是簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、完善系統(tǒng)功能、實現(xiàn)復雜有效的控制策略以及提 高控制系統(tǒng)可靠性的重要手段。在交流電機控制中，DSP所特有的高速計算能力，可以用來增加采樣頻率，并完成復雜的信號處理和控制算法，控制電力電子的外圍設備。PID算法、卡爾曼濾波、FFT、狀態(tài)觀測器

54、、自適應控制及智能控制等，均可利用 DSP在較短的 采樣周期內(nèi)完成。因此利用 DSP的信號處理能力還可以減少傳感器的數(shù)量。電機控制專 用DSP具有PWM生成功能：可產(chǎn)生高分辨率的 PWM波形，可靈活實現(xiàn)各種 PWM控 制模式，具有多路PWM輸出功能。美國TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320F2812芯片， 具有相當快的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的輸入輸出設備及接口電路，因而本系統(tǒng)選用它作為核心控制器件來構(gòu)成控制回路，擴展模擬信號采樣板、穩(wěn)壓電源板。其中上位機通過串口通 信完成參數(shù)給定、數(shù)據(jù)顯示等功能；輔助電路由速度檢測電路，電流檢測電路，故障檢測 保護電路以及串行通信電路等組成，實現(xiàn)異步電動機的轉(zhuǎn)速電

55、流檢測。按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)的硬件由以下幾部分構(gòu)成：1.上位機和RS232串行聯(lián)接線；2.主電路，采用通用的IPM功率模塊成交一直一交電壓源型通用變頻電路以及用于 給TMS320F2812控制板提供直流電的開關(guān)電源電路；3.TMS320F2812控制板，這是整個 控制系統(tǒng)的核心；4用于檢測采集兩相定子電流和直流母線電壓的檢測電路；5.用于轉(zhuǎn)速檢測的光電編碼器及三相交流異步電動機。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理電路如圖2-14所示。圖2-14系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理框圖系統(tǒng)參數(shù)可以由上位機通過 RS232接口傳給下位機，DSP控制器負責A/D轉(zhuǎn)換、計 算電動機的轉(zhuǎn)速和位置，最后運用矢量控制算法，得到電壓空間矢量的SVPWM控制信號, 再經(jīng)過光耦隔離電路后，驅(qū)動IPM功率開關(guān)器件。DSP控制器還負責系統(tǒng)的保護和監(jiān)控， 當系統(tǒng)出現(xiàn)