（控制理论与控制工程专业论文）矢量控制系统的模块化标幺化设计方法研究.pdf

摘要 摘要 结构的模块化软件的优点是众所周知的。这一点尤其适用于有许多小模块构 成的大型复杂系统。所有参与者必须遵循一个标准或一套规则和准则。为了实现 数字化电机控制系统，t m s 3 2 0c 2 0 0 0 ( c 2 0 0 0 ) 的i s a ( 指令集架构) 已经被开 发，t m s 3 2 0d s p 算法标准涉及应用领域的具体需求，如数字化电机控制( d m c ) 、 工业自动化( 认) 、不间断电源( u p s ) ，加上其他一系列相关领域的控制。用于 代表数字控制系统的信号流程图为控制行为的有效实现提供了很好的借鉴，这主 要是通过定义好的u o 口由软件互联的模块来实现的。 本文分析定点d s p 在感应电机矢量控制中q 格式处理问题。以矢量控制为例， 分析了其标幺值的q 1 5 格式表示方案。最后，给出了矢量控制定点运算的具体编 程实现方法。 在实时软件编制方面，利用汇编语言和1 6 位定点c 语言混合编程的方法， 编写了变频调速系统的模块化程序，以便于修改和移植。在实现s v p w m 算法 的汇编程序中采用了一种新型的定标法对标幺化的数值进行定标，这种定标法能 直观的表示数值的大小范围，可以实时的对数值进行定标提高了s v p w m 算法 执行的精度和速度。 该系统使用p c 机对下位机d s p 进行实时控制，在d s p 中依据选定的电机控制 策略程序，发出空间矢量脉冲调制形式的电压波形，实现对交流电机变压变频控 制；在上位机中能实时查看变量波形，并对d s p 内存变量进行修改。这种方法为 矢量控制提供了一种很好的解决方案。 关键词：数字化电机控制标幺化数字定标矢量控制 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eb e n e f i t so fs t r u c t u r e dm o d u l a t o rs o t b c c a r ea r ew e l lk n o w n t h i si se s p e c i a l l y t r u ef o r l a r g ec o m p l e xs y s t e m sw i t hm a n ys u b - b l o c k s c o n t r i b u t e db ym a n y i n d i v i d u a l s t h e r em u s tb eas t a n d a r do ras e to fr u l e sa n dg u i d e l i n e sf o ra l l c o n t r i b u t o r st of o l l o w w i t h i nt h e d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m s ( d e s ) s p a c e ，w h e r e t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 ( c 2 0 0 0 ) i s a ( i n s t r u c t i o ns e ta r c h i t e c t u r e ) h a sb e e nd e p l o y e d ，t h e t m s 3 2 0 d s pa l g o r i t h ms t a n d a r da d d r e s s e st h es p e c i f i cn e e d so fa p p l i c a t i o na r e a s ， s u c ha sd i g i t a lm o t o rc o n t r o l ( d m c ) ，i n d u s t r i a la u t o m a t i o n ( i a ) ，u n i n t e r r u p t i b l e p o w e rs u p p l i e s ( u p s ) ，p l u sah o s to fo t h e rc o n t r o lr e l a t e da r e a s t h ef a m i l i a rs i g n a l f l o wb l o c kd i a g r a mr e p r e s e n t a t i o no fd i g i t a lc o n t r o ls y s t e m s ，l e n dt h e m s e l v e sw e l lt o e f f e c t i v ea c t i o ni m p l e m e n t a t i o nb ys o f t w a r e i n t e r c o n n e c t e dm o d u l eb l o c k s ( i e ， f u n c t i o n s ) w i t hw e l l - d e f i n e di n p u ta n do u t p u tp o r t s t h ep r o b l e mo ff l x e d - p o i n td s p sqf o r m a tp r o c e s si ni n d u c t i o nm o t o rv e c t o r c o n t r o ls y s t e mw a ss t u d i e d a ne x a m p l eo fp r o c e s st ov e c t o rc o n t r o lw a sp r e s e n t e dt o a n a l y z et h eq 15f o r m a to fp e ru n i t a tl a s t ，t h ep r o g r a m m i n go fv e c t o rc o n t r o l p r o c e s s i n gw i t hd s p w a sp r o v i d e d o nt h es i d eo fr e a lt i m es o f t w a r e ，t h em o d u l es o f t w a r ei sw r i t t e nb ya s s e m b l y l a n g u a g ef u n c t i o n st h a ti n t e r f a c ew i t h l6b i t sf i x e d p o i n tc o d es ot h a ti tc a nb e a m e n d e da n dr e p l a n t e de a s i l y an o v e lf o r m a ti sa d o p t e dt ot r a n s f o r mt h eu n i t a r yd a t a t o f i x e d - p o i n td a t ai nt h ep r o j e c t t h i sf o r m a tc a ns h o wt h er a n g eo ft h ed a t a i n t u i t i v e l ya n de x p r e s st h er e a lt i m ed a t a ，w h i c hi m p r o v e st h es p e e da n dp r e c i s i o no f s v p w ma r i t h m e t i cg r e a t l y t h ei n d u s t r yc o m p u t e rc o n t r o l st h ed s pt oo u t p u tt h es p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o nv o l t a g ew a v e ( s v p w m ) o n t ot h ei n d u c t i o nm o t o r u s i n gt h i ss o f t w a r ew e c a nv i e wt h es t a t ev a r i a b l ew a v e f o r mo nt h ep ca n dm o d i f yt h ev a r i a b l ei nt h ed s p m e m o r y t h i sm e t h o dp r o v i d e sag o o ds o l u t i o nf o rv e c t o rc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：d m c ，p e ru n i t ，f o r m a t ，v e c t o rc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得一天津大学_ 或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：谒球亏虽 签字日期： p9 年6 月妒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学一有关保留、使用学位论文的规定。特 授权一天津大学一可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：茜隶弓虽 签字日期： p ) 年 6 月 o - 日 导师签名：受墨曼吏 签字日期：2 卵7 年6 月7 l 日 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着能源危机的加深，环境污染的不断加剧，清洁环保能源取代石化能源成 为全球急需和正在解决的热点问题。目前世界汽车保有量已经超过了六亿辆，年 产量超过了5 0 0 0 万辆。保有量的不断增长在耗用大量石油资源的同时，也造成 了严重的气体污染。每年汽车尾气排放的有害气体约2 亿吨，占大气污染总量的 6 0 以上。石油资源逐渐枯竭，环境污染日益严重，迫切需要可节省能源的低排 放量甚至是零排放量的绿色环保汽车产品。为此，世界各国政府以及各大汽车制 造商都在加大力度，开发各种不同类型的电动汽车。 电机控制器是动力蓄电池组与电机之间能量传输的装置，它由外部控制信号 接口电路、功率变换电路、控制电路和驱动电路等组成。控制器用正弦脉宽调制 ( s p w m ) 的方法，在电动状态下，将电池组提供的直流电转换成变频、变压的 交流电去驱动电机，在制动状态下，将制动能量变换成直流电回馈给电池组。 电机控制器作为电动汽车中的主要部件，对电动汽车的发展起着至关重要的 作用。控制器可以使电动汽车各动力系统之间的数据交换满足简单迅速、可靠性 高、抗干扰能力强、实时性好、系统错误检测和隔离能力强等要求，所以对它进 行研究具有重要的理论意义和现实意义。 现代数字运动控制系统要求控制器能完成的控制程度较高，精度也较高，安 全性能好。因此，在软件设计上要求考虑控制程序的灵活性，控制算法的复杂性， 既要有严密的调度机制，又要有脱离上位机的独立工作能力。 现代数字电机控制系统多采用d s p 方法进行控制，但是由于d s p 算法缺乏 统一的标准，算法从一个系统移植到另外一个系统时，或一种算法要应用于多个 系统中时，通常要做很大的改动。算法的继承性和重用性都很差，因此基于d s p 的产品上市时间往往以年，而不是以月来计算。对一个产品开发商来说，不可能 仅从一个算法开发商那里购买全部所需的d s p 算法；另一方面不同算法开发商 的算法产品由于实现风格不同，相互不兼容。因此，常常出现这样的情况，系统 集成商不得不选择能提供他们所需的大部分算法的算法开发商，并与他们谈判来 开发所需的其他算法。 d s p 算法标准在3 个层次上定义了一系列编程规范，其内容如表1 1 所示。 第一层：定义了所有算法必须遵循的常规规范，适用于任何构架的d s p 。在近期 第一章绪论 开发的软件模块中大多数已经遵循的常规规范，算法标准把它们进一步 归纳总结。 第二层：定义了为实现多种算法互用必须遵循的编程规范。包括存储器使用、全 局变量命名的约定以及算法封装等内容。 第三层：定义了针对特定类型d s p 所制定的编程规范。在实际编程中，由于某 些特殊原因可能会对该规范作必要的修改，其修改的内容应该在源代码 和相关的技术文档中给与说明，让系统集成人员能够清楚了解。 第四层：它包含了各种应用，可以看作d s p 算法的使用者，它不属于d s p 算法 标准所涉及的范围。 如果d s p 算法遵循了前3 层的编成规范，则算法满足算法标准( x d m s ) 。 d s p 算法标准的内容分为两类：规则和建议。规则是满足x d a i s 的算法所必须 遵守的，而建议不做强行规范，但极力推荐编程人员遵循【3 】。 表i 1d s p 算法标准的内容 通用编程规范：允许c 语言的调用、可重载和反复调用、无绝 第一层 对地址、其他 第二层 算法模型：模块化、封装形式、通用接口、其他 c 6 0 0 0 的规则c 5 0 0 0 的规则c 2 0 0 0 的规则 中断的使用中断的使用中断的使用 第三层存储器使用存储器使用存储器使用 寄存器使用寄存器使用寄存器使用 其他 其他其他 电信应用 图像应用 音频应用 声码器 第四层j p e g编码器其他应用 回声消除 其他其他 其他 1 2 数字模块化设计现状 数字电机控制系统也称作计算机控制系统，是自动控制理论和计算机技术相 结合的产物，一般是计算机参与控制的开环或闭环系统，通常具有精度高、速度 快、存储量大和有逻辑判断功能等特点。因此可以实现高级复杂的控制方法，获 得快速精密的控制效果。计算机技术的发展已使真个人类社会面貌发生了的变 化，自然也应用到工业生产及各种电机控制系统中。而且，计算机所具有的信息 2 第一章绪论 处理能力，能够进一步把电机控制、过程控制和生产管理有机的结合起来，从而 实现工厂、企业的全面自动化管理。 相比较传统的模拟控制系统而言，数字控制系统的优点是： 精心设计的微机控制系统能显著地降低控制器硬件成本。根据目前微机的发 展趋势来看，此优点变得越来越明显，对于复杂控制系统尤其如此。为用户专门 设计的大规模集成电路( v l s i ) 加软件的控制芯片，或为大批量生产设计的专 用集成电路( a s i c ) 均使系统硬件成本大大降低。体积小、重量轻、耗能少他 们附带的共同特点。 数字控制系统模块化设计师在电机设计、制造和应用达到一定数量，积累了 一定经验的基础上，为提高设计效率和优化设计方案采取的新的设计方法。模块 化分设计程序的模块化设计和电机结构的模块化。电机设计的模块化，使得电机 的设计、生产周期和成本都比传统设计方法有明显的优势，将成为开发者优先选 用的方法。 大家已经广泛的接受，软件工程的模块化方法是一个可行的方法。在下面的 部分中，将详细的介绍一种标幺化的编程思想。 1 3 本论文研究内容和主要工作 通过查阅大量的国内外参考文献，对数字化模块电机的设计有了系统的认 识，对模块化控制策略和控制方法以及它们的优缺点有了深入的了解，在此基 础上，本文设计了一套标幺值系统的矢量控制系统，主要完成了以下5 个方面 的工作： 第一章为绪论，主要介绍数字电机控制设计方法，以及d s p 算法标准的一 些概念。 第二章主要介绍数字电机的模块化设计基础。在分析当前的标幺化设计思 想，以及数字定标的概念，结合数字电机的模块化设计要求，详细介绍了数字电 机模块化设计，如何快速有效的完成模块化设计。 第三章分析了s v p w m 的控制原理，给出了矢量合成式s v p w m 控制策略 的具体算法，并给出了仿真研究。 第四章主要介绍了异步电机矢量控制模块化设计的软件实现方法。 第五章对本次设计工作进行了一些总结，并对以后的设计提出了要求，完善 系统的设计。 第二章数字电机的模块化设计基础 第二章数字化电机的模块化设计基础 数字化电机控制( d i g i t a lm o t o rc o n t r 0 1 ) 简称d m c ，包括电机软启动、电 机调速，是电机控制产品的发展方向，为此，许多公司推出了性能丰富的控制芯 片，从简单的微控制器( m c u ) 、数字信号处理器( d s p ) 到d s p 斗- m c u 集成产 品。，n 公司的c 2 0 0 0 d s p 系列是专为d m c 设计，许多公司以它为主控芯片开发 d m c 产品。本论文首先简单介绍t i 的c 2 0 0 0 产品族，然后介绍以c 2 0 0 0 为主的 d m c 产品，最后介绍开发的多功能电机控制系统。 2 1 数字定标与标幺化系统 2 1 1 数字定标的基本概念 在定点d s p 中，采用定点数进行数值运算，其操作数一般采用整型数 表示，而且是以二进制补码形式表示的。以1 6 位定点d s p 为例。 无符号数的表示范围是0 6 5 5 3 5 。 有符号数的表示范围是3 2 7 6 8 3 2 7 6 7 。 对于定点d s p 而言，内部运算的操作数均为1 6 位整型数，但是在实际 中控制系统中许多变量均为小数，就需要确定变量的小数在1 6 位整型数中 的位置。这一过程就是数字定标。通过设定小数点在1 6 位数中的不同位置， 就可以表示不同的范围和不同精度的小数。定标的表示方法通常有两种： q 表示法和s 表示法。q 表示法仅仅列出小数的位数，而s 表示法则要列 出整数位数、小数点、小数位数。 例如：某变量采用四位整数1 2 位小数的定标方式，表示为q 1 2 或者 s 4 1 2 。这种定标可表示的小数分辨率为 歹1 = 0 0 0 。2 4 4 1 4 。6 2 5 ( 2 1 ) 在符号扩展模式( 即有符号数) ，例：某数的实际值为2 5 6 ，按q 1 2 进行定 标。x = 2 5 6 2 1 2 = 0 x 2 8 f 5 = 1 0 4 8 5 ，同样一个经过q 1 2 定标的数x = 1 0 4 8 5 ，其实 际值x = 1 0 4 8 5 2 1 2 = 2 5 5 9 8 1 4 4 5 ，之所以x x ，而是由一个比较小的误差，是 在定标过程中由于1 6 位定点数的表示精度所限制而产生的【1 1 。 4 第二章数字电机的模块化设计基础 2 1 2 标幺值的基本概念 标幺值( 标么值) 是电力系统分析和工程计算中常用的数值标记方法， 表示各物理量及参数的相对值，单位为p u ( 也可以认为其无量纲) 。标幺 值是相对于某一基准值而言的，同一有名值，当基准值选取不同时，其标 幺值也不同。它们的关系如下： 标幺值= 藉 ( 2 2 ) 悬准1 自 2 1 3 标幺化系统与数字定标 在定点d s p 中，按变量的实际值对物理量进行计算会带来很多问题。 第一，定标过程非常繁琐，并且在计算过程中不断调整变量的定标值； 第二，定标值与硬件结合非常紧密，必须按照硬件的变化进行调整； 第三，计算过程过于复杂； 第四，不便于算法的移植，可读性也比较欠缺。 因此，需要寻找更加有效的方法紧来处理定点d s p 的运算问题。其中 经过数字定标的标幺化系统就是一个非常好的选择。 在电机控制系统中，经常会对不同的参数进行运算，而各种参数的范围又各 不相同。为了使变量的表示范围能够涵盖参数的动态变化，又能满足足够的精度 要求，同时还必须使所有参数的定标一致，通常可以引入基于标幺值系统的q 1 5 固定定标运算。采用q 1 5 固定标值，其表示范围是一1 x 0 9 9 9 9 6 9 5 ，恰好是 标幺值的表示范围。其表示精度是相对的，相对于变量的动态表示范围来说，所 有参数的表示精度相同。而且采用q 1 5 固定定标值的有符号数计算，使1 6 位定点d s p 处理器能够较好的实现标幺化控制系统的设计。利用该设计策 略，不必考虑传统定点d s p 计算时的溢出，也不必过分关心定标后数据的 表示精度，使软件设计更加简洁、高效、准确。标幺值系统的另一个特点 就是系统的可移植性，控制器的标幺化设计能够使控制其适应不同容量的 电机。这是因为尽管电机的容量不同，其标幺值参数大体相同。除此而外， 采用该设计方法使软件能够更好地适应不同的硬件，便于软件的移植。因此， 采用标幺值系统的控制器设计，在实际应用当中起到具有非常优良的性能。 如果采用标幺值系统，就会使控制程序大为简化，同时使整个系统保持比较 高的精度。采用标幺值系统，首先要确定基值。应选取系统中变量绝对值的最大 值作为基值。这样，经过标幺化以后的变量，其范围为1 - 1 之间。这个范围的变 量刚好可以用定标值为q 1 5 的定点数来表示l l j 。 例如，我们在系统中选取电流的最大值为5 0 a ，那么我们选取电流基值为 第二章数字电机的模块化设计基础 k = 5 0 a ，如果电流i o = 3 1 2 a ，则标幺值可以表示为 j = 二l = ! 兰= 0 6 2 4 ( 2 3 ) 。厶伽5 0 实际值与标幺值之间的关系如图2 1 所示。 经过标幺化的电流值按q 1 5 进行定标可以得到： i 。= l 幸( 2 ”一1 ) = 0 6 2 4 木3 2 7 6 7 = 0 x 4 f d e = 2 0 4 4 6 ( 2 4 ) 之所以要乘以( 2 ”一1 ) ，是因为1 6 位有符号数的最大值是o x 7 f f f h ，即 ( 2 1 5 1 ) = 3 2 7 6 7 ，而标幺值的最大值是+ l ，所以标幺值的1 与定标值的3 2 7 6 7 相对应。标幺值的定标值的关系同样可以从图2 2 中看出。 标幺值 i l 0 6 2 4 刁 5 0 a 3 1 25 0 a - 1 实际值 定标值 o x 7 f f f o “f d e 彳 l o 6 2 41 o x 8 0 标幺值 图2 1 实际值与标幺值的关系 图2 2 标幺值与定标值的关系 2 2 数字化电机控制 2 2 1d s p 介绍 早期用于电机控制的微处理器是各种类型的单片机，如i n t e l 公司的5 l 系列和1 9 6 系列单片机，都得到了广泛的应用，特别是9 0 c 1 9 6 m c 具有片 内波形发生器( w f g ) ，可产生3 对独立的p w m 信号，适合于交流感应 电机控制，在一般的变频器中很多采用这种单片机。这类单片机具有丰富 的硬件和软件资源，也可以用于实时控制，但是当需要大量的数据计算处 理或者浮点运算，对快速性要求较高时，则能力不足。为了进一步提高运 算速度，特别是对矢量控制这种具有复杂的控制方案和数据计算的场合， 8 0 年代初出现了数字信号处理器( d s p ) ，目前最常用的则是德州仪器公 司( t i ) 的t m $ 3 2 0 系列d s p 。 6 第二章数字电机的模块化设计基础 1 9 8 2 年，德州仪器公司推出了第一个t m s 3 2 0 系列产品t m s 3 2 0 l o ， 该产品被“电子产品”杂志授予“年度产品的荣誉，如今t m s 3 2 0 己发 展到拥有定点、浮点及多处理器等各种型号的系列产品，是世界上占有量 最大的d s p ，已广泛用于数字信号处理、自动控制领域。9 0 年代t i 公司又 推出一种专门用于数字化电机控制( d m c ) 的d s p 产品。 t m s 3 2 0 f c 2 4 x 系列。2 4 x 属于1 6 位定点d s p ，基于c 2 0 0 0 平台，它 将高性能的c p u 和众多外设接口集成在一个芯片内。2 4 x 的体系结构设计 是基于一种改进的哈佛结构，程序存储空间、数据存储空间和输入输出端 口是并行分布设计的，其指令执行采用4 级流水线操作，大多数指令都是 单周期指令( 5 0 n s ) 。特别是c p u 内部具有1 个硬件乘法器，使得乘法运 算也只需一个指令周期即可完，大大提高了运算速度，可用于对快速性和 实时性要求很高的控制。 ，2 4 x 内部具有一个面向电机控制的“事件管理器”模块，包括定时器、 比较单元以及p w m 产生电路，可以根据需要产生6 路互补的、带死区控制 的p w m 信号。2 4 x 还具有两组各8 路1 0 位10 u s 的a t ) 转换器，以及串行 通信接口( s c i ) 、串行外设接口( s p i ) 、看门狗定时器、实时中断定时 器、片内r o m 或f l a s h 存储器等功能，所有这些功能使得2 4 x 特别适合于 交流调速控制。本文样机就是采用f 2 4 0 和l f 2 4 0 7 作为控制器运算核心。 2 2 2 数字化的电机控制系统 d s p 算法标准主要应用在数字化电机控制系统( d m c ) 、工业自动化( i a ) 、 不间断电源( u p s ) 和其他一些控制相关的领域。 表2 1 中，详细描绘了九种数字电机控制系统。c 2 0 0 0 d s p 基础软件库包括 9 种软件子库。分别命名为：d m c l i b 、a c l l 1 、a c l 3 1 、a c l 3 2 、a c l 3 3 、 b l d c 3 1 、b l d c 3 2 、p m s m 3 1 、p m s m 3 2 。其中d m c l i b 是数字化电机控制 通用软件模块集。a c l l 1 、a c l 3 一l 、a c l 3 2 和a c l 3 3 用于单相和三相感应电机 调速控制，单相控制利用w 控制并带直流补偿环节，三相电机调速利用空 间p w m 控制和基于模型参考自适应速度估算方法的无传感器控制策略。 b l d c 3 一l 、b l d c 3 2 、p m s m 3 1 、p m s m 3 2 用于直流无刷电机和永磁电机控制， 包括传感器和无传感器方式。数字化电机控制系统总的来说分为标量控制和矢量 控制。每一种控制策略又分为带速度传感器和不带速度传感器。在大多数的情况 下，速度传感器和无速度传感器系统仅有一到两个模块有区别，比如速度和位置 测量，而其他模块都是相同的f 1 4 1 。 7 第二章数字电机的模块化设计基础 表2 1 数字电机控制系统描绘和电机控制类型 系统电机类型描绘 a c l l l 单相电动机速度传感器s p w m 速度p i d a c l 3 1 三相异步电动机速度传感器s v p w m 速度p i d a c l 3 2 三相异步电动机无速度传感器s v p w m 模型参考自适应 a c l 3 3三相异步电动机f o cs ，w m 磁链估计器电流p i d 速度p i d 无速度传感器s v p w m 卡尔曼滤波电流p i d a c l 3 4 三相异步电动机 速度p i d 无速度传感器s v p w m 卡尔曼滤波电流p i d a c l 3 5 三相异步电动机 速度p i d 速度传感器q e ps v p w m 电流p i d 调节 p m s m 3 一l永磁同步电机 速度p i d 无速度传感器滑膜观测器位置估计s v p w m 电流 p m s m 3 - 2 永磁同步电机 p i d 调节速度p i d 速度传感器霍尔效应梯形波控制电流p i d b l d c 3 1 无刷直流电机 速度p i d 无速度传感器反电动势过零检测梯形波控制 b l d c 3 2 无刷直流电机 电流p i d 调节速度p i d 2 3 数字化电机控制系统的模块化分类 数字化电机控制系统在编程中理解软件模块的确切独立性是非常重要的。在 调试期间，在软件端口从一个对象到另一个对象，规划系统的调试策略过程中， 这些知识是最关重要的。这些组成数字化控制系统( d c s ) 基础软件库的模块主 要被分成两种类型： ( 1 ) 目标d s p 独立性 1 2 ) 驱动( 对象依赖性和应用配置性) 这两种类型又被细分为四类： ( 1 ) 目标独立性应用独立性( t i 脚) ( 2 ) 目标独立性应用配置( 1 r i a c ) ( 3 ) 驱动( 目标依赖性应用可配置的) ( d r v ) ( 4 ) 可调用的调试 其中目标独立模块指的是不直接访问或修改控制或状态寄存器任何片上或 片外外设，即目标d s p 的特定资源。这些模块仅仅依赖c 2 xc p u 内核。目标独 8 第章数字电机的模块化设计基础 立模块可以应用到整个c 2 4 x 和c 2 0 x 产品中。目标独市模块可以进一步分为 两类： ( 1 ) 应用配置( a c ) ( 2 ) 应用独立性( a i ) 2 3 1 目标独立性应用性模块 v d 堕船撼z 叫j i 霖p a r kd 了 ! 。! 划一型：! 竺。j 。竺”j 。1 ，5 ! 当型园_ 一兰 囫= 鼢 图2 - 3 目标和应用独立模块 如图2 - 3 ，目标独立和应用独立模块描绘的是典型数学变换模块( 三角关系， 矩阵变换，矩阵运算，波形发生器) ，这些函数是同定的和相当规范的，而且不 需要配置，外围知识和端口应用。 | 三团蠲垂固 当日二圉| 二圄 国2 4 目标独立和应片j 配置模块 如图2 4 ，目标独立和应用配置模块不需要外围设备的知识，但是需要根据 最终的应用进行配置。例如这些模块的例子有p i d 控制器，速度估计。电压，电 流模块。在大多数情况r ，物理系统或者应用参数需要提前知道，因此这些模块 m k 勰扭 耋i | 三 萼一一 第二章数字电机的模块化设计基础 能够被正确配置。因为这些模块依靠物理量( 电流，电压，工作频率) ，并且这 些模块依赖连接外围的驱动模块，例如a d c ，p w m 发生器，事件捕获。在所有 的情况中，t i a c 模块不用直接连接到外围。 2 3 2 驱动模块( 目标独立应用配置) 雾。“锄 f c 纠 缗e d r v、， 0 1 sm w ， 缀，弘，嚆i黝 髟诵吲 c a p n e v t 卜 p _ o u t 叫v | p 二 _ 一 融1 5 o 5 l 嘲 黔一，”。瑚鬻 q e p x t h e t av d r v h 0 1 5w j 镌 图2 - 5 驱动模块( 目标独立和应用配置) 驱动模块是软件和d s p 特有的外围硬件的接i ：3 ，这些模块如图2 5 所示， 这些模块直接访问外围状态寄存器和并且依赖于c 2 4 x 产品。 2 3 3 公用调试模块 d a c _ i p t r 0 d a c i p t r l d a c i p l r 2 d a c i p t r 3 圈 图2 - 6 公用调试模块 公用程序调试模块主要使用在软件开发和调试过程中。他们在软件完成的 时候被除去，如果在系统测试或者评估中需要的话，为了系统诊断，这些模块也 可以以代码的形式留下。 由于断点和单步执行的调试方法都需要暂停程序，在对实时性要求很高的电 机控制应用中不很实用。实时数据采集是一种不需要中止程序执行的调试方法。 在程序运行过程中，将变量值存储于数据存储区，在程序停止后上传存储的数据， 并可以在上位机中进行数据的分析，转换，作图。此功能使用了0 x c 0 0 0 - 0 x d f f f 的数据空间存储变量的设置信息和采集的数据，总共可存储8 k 的数据，最多同 1 0 固固 妻一 黉 第二章数字电机的模块化设计基础 时存储8 个变量。 图2 - 6 显示了两个调试模块。这两个模块允许软件设计师观察系统中q 1 5 的格式的变量，并通过c o d ec o m p o s e r 仿真调试环境，把变量的波形实时显示 出来。 l o g 模块接收用户传递的数据采集设置信息，运行程序前向d s p 传送设置 信息。这些设置信息包括采样起始时间、采样变量地址。用户程序在需要保存变 量时调用软件环境中的l 0 9 0 函数。 2 4 快速模块评估和测试 除了先前描述的模块化设计的明显优点外，二些相同的想法可以用来促进快 速的模块化测试或者评估，检查适用性或者模块怎么执行。另外，可以通过快速 的连接模块来进行几个方案的选择。 图2 7 显示了一个单元测试模块，利用输入波形模块s i n c o sp h ，产生正 弦信号，连接测试模块s v g e nd q ，模拟p w m 的计算过程，然后通过 d a cv i e w 观察模块，实时监测变量的变化情况【l4 1 。 2 4 1d s p 语言的选择 图2 7 快速测试闸z 估模块 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 具有丰富的指令集，其程序的开发既可使用汇编语言也可 使用c 语言。汇编语言是一种低级的编程语言，运行速度快，可以充分利用处 理器的硬件特性，但开发速度慢，程序的可读性差；c 语言是一门高级编程语言， 第二章数字电机的模块化设计基础 它的优势在于它编程容易、易于调试、可读性好，但是一般编译后得到的代码效 率较低，运算速度慢。在实际应用中可将两者结合发挥各自的优势，扬长避短， 可获得更好的效果。在此平台上d s p 软件的设计中，可考虑采用汇编语言与c 语言混合编程的方法。对速度要求更高的部分，如中断程序采用汇编语言编程； 而在对速度要求不高，或提供调用的软件接口，则使用c 语言。编程工具选择 t i 公司提供的集成开发环境c c s 2 2 。 第三章空间电压矢量p w m ( s v p 删) 控制技术 第三章空间电压矢量p 删( s v p w m ) 控制技术 空间电压矢量p w m ( s v p w m ) 控制技术( 又称磁通正弦p w m 控制技术) 是由德国h w v a n d e rb r o e k 等提出的。他的特点是：s v p w m 法是从电机的角度 出发的，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场，即正弦磁通。具体地 说，他以正弦波电压供电时三相对称电动机定子的理想磁链圆为准、由三相逆变 器不同的开关模式所产生的实际磁链矢量去逼近基准磁链圆，并由他们比较的结 果决定逆变器的开关状态，形成p w m 波形。由于该控制方法由逆变器和电机作 为一个整体考虑，所以模型结构简单，便于数字化实现。仿真结果还表明，与传 统的正弦p w m 相比，该控制方法具有使得电机转矩脉动降低、电流波形畸变减 小、直流电压利用率提高的优点。 3 1s v p w m 基本原理 空间电压矢量p w m 法基于对三相电压进行转换成二相平面，产生八个相应 空间电压矢量：六个有效空间电压矢量形成一个正六边形，两个零矢量位于中心 位置。这种变换的基础是c l a r k e 矢量变换，它是将三个标量( 三维) 变换成一 个矢量( - - 维) ，这种表达关系对于时间函数也同样适用。 u d c a a ： iii 图3 1 逆变器异步电机示意图 第三章空间电压矢量p w m ( s v p 麟) 控制技术 唧10 )f5 删0 ) u 1 ( 0 0 1 )u 5 ( 0 0 1 ) 图3 - 2 电压空问矢量 t l 制l o o ) + 下面分析以下逆变器的输出电压模式。图3 1 是电压型p w m 逆变器一异步 电机的示意图。对于1 8 0 度导电类型的逆变器来说，它的三个桥臂的六个导电功 率器件共形成八个开关模式。用a ，b ，c ，分别标记三个桥臂的状态。其中，定义每 组功率器件的上桥臂器件导通时桥臂状态为1 ，下桥臂器件导通时桥臂状态为0 。 这样逆变器的八中开关模式对应图3 2 所示的八个电压矢量。在逆变器的八种开 关模式，有六种开关模式对应非零电压空间矢量，其幅值为2 玩3 ，称为非零 电压矢量；有两种开关模式对应空间的幅值为零，称为零电压空间矢量。当零电 压空间矢量作用于电机时，不形成磁链矢量；而当非零矢量作用于电机时，会在 电机中形成相应的磁链矢量。与八种电压空间矢量相对应的磁链矢量见图3 3 所 示。 a ( o l o ) a 妙( 0 1 1 ) a 沙( 0 0 1 ) a v ( 1l o ) 一二 图3 3 磁链空间矢量 1 4 a v ( 1 0 1 ) 第三章空间电压矢量p w w ( s v p w m ) 控制技术 开关模式下三相定子侧的电压值如表3 1 所示。 表3 。1 开关状态电压值 cbau 蛾u 嘲u c nu 8 u b c 0oooooooo 0o l2 3 - u d c 3- u d cf 3 - u 。co一 0 l0 一ud cf 32 u d cb- u d c 3 - u d co 0l1 u d c | 3 u i ) cb- 2 30 u d c 1o o u d c 终- u d c 3 2 ud c 玛 0一u u d c 10lu d c f 3 - 2 u d cf 3u d c 3u d c- o l1 o- 2 3 u 【) cb u d cf 3u 。c o 1l1000oo0 3 2s v p w m 空间矢量 3 2 1 标幺值不变原则进行三相一两相变换【3 4 】 i 8 - n 毒b 口 图3 - 4 三相和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量 图3 4 中绘出了a 、b 、c 和q 、b 两个坐标系，为方便起见，取a 轴和口轴 重合。设三相绕组每相有效匝数为3 ，两相绕组每相有效匝数为2 ，各相磁动 势为有效匝数与电流的乘积，其空间矢量均位于有关相的坐标轴上。由于交流磁 动势的大小随时问在变化着，图中磁动势矢量的长度是随意的。 设磁动势波形是正弦分布的，当三相磁动势与两相磁动势相等时，两套绕组 第三章空间电压矢量p w m ( s v p 删) 控制技术 瞬时磁动势在口、轴上的投影都应相等，因此 驴瓮旷枷扣。s 争 俘。， 沪等( 0 + 埘n 争槲n 争 当电机参数和变量采用标幺值时，电机方程由三相轴系到两相轴系的坐标变 换应遵守标幺值不变原则，而不再受功率不变原则的约束。为使变换前后标幺值 不变，当，毛的标幺值都是1 时，。，如得标幺值也应为1 ，为满足这一要 求，特作如下三条规定： ( 1 ) 令丝：1 ； 2 ( 2 ) 令0 ，口的基值为，七基值的1 5 倍； ( 3 ) 取定子绕组电流基值为气，两相静止坐标系下电流基值为。 按此规定，式中的匝数比盟：1 而不是功率不变原则时的一4 3 ，为将该式电 n ，0 2 流变为标幺值，可将该式两边除以电流基值l 。= 詈乇，使该方程标幺化。 如果三相绕组是星型联结不带零线，则有，p + ，+ 芒，= 0 。 两边同除以两相坐标系下电流的基值， 如( ) = ( o + 埘n 争测n j n - 从j 3 u ( 3 - 2 ) 上式写成标幺值形式则为： k ，_ p 2 j ( _ ，p 一互b ，一互k ，p ) 如p 邓+ 粤k 一牟机) 其中，l a , p f c ，p 是三相静止坐标系下电流的标幺值，唧，如，p 是两相静止坐标 系下的电流标幺值。 i 。p = i s z ，i s 8 p = i s b i i a p = z , b i 8 p2i b i l b ， c p2j c b 由于p + p + t p = 0 ，因此上式写成矩阵形式为 = 詈 三 o 2 石 墨 1 、： ( 乏二 ， 乏三 = 去去 ( 2 ： c 3 - 3 ， 于是，我们也能够得到按标幺值不变原则进行反c l a r k 变换 1 6 第三章空间电压矢量p 删( s 、p 聊) 控制技术 盼 l0 1 , 3 22 1压 22 ( 3 4 ) 在我们利用标幺值原则完成三相一两相坐标系的变换之后，此时我们可以得 到开关模式下两相静止坐标系下电压值，如表3 - 2 所示t 表3 2 开关状态两相电压值 cba u s 。p u s b 。pc t o r ooo0o 。 o012 u 。c0玑 j u d c 010 压 3 u d c o1l 压 玩 3 u d c u 贸 1oo 插 u 3 ( u d c 1o 1 压 以 3 2 t t l1o一：v d cou j 11loo 玑 3 2 2s v p w m 控制算法 由上节论述可知，八种磁链矢量的不同组合作用，可使该磁链轨迹逼近正多 边形或圆形。根据使用这八种磁链矢量方式的不同，传统磁链追踪型p w m 控制 方法可分为两类：一是比较判断式磁链追踪型p w m 法；二是三矢量合成式磁通 正弦p w m 法。 适当地使用八种磁链矢量追踪基准磁链圆，由( n - 1 ) 次追踪的结果进行比 较判断，决定第n 次是使用六种非零矢量中的哪一种继续追踪呢，还是使用两种 零矢量中的哪一种暂停追踪，这样来决定逆变器的开关模式，形成相应的p w m 波。这就是比较判断式磁链追踪型p w m 法的基本原理。这种控制虽然简单，能 实时追踪，但易出现判断误差和量化误差，从而影响到磁链追踪的精度。在保留 比较判断式磁链追踪型p w m 法的基础上，形成了一种新的控制算法一高精度比 第三章空间电压矢量p 删( s 、，p 删) 控制技术 较判断式磁链追踪型p w m 控制法。它消除了比较判断误差和量化误差，从而提 高磁链追踪的精度，改善逆变器的输出波形。但无论是比较判断式磁链追踪型 p w m 法还是高精度比较判断式磁链追踪型p w m 控制法，均具有算法复杂、难 以实施的特点，本文不对其具体算法进行详细的分析。 三矢量合成式磁通正弦p w m 法，即用实际磁链矢量追踪理想磁链圆的方式， 是用三段实际磁链合成磁链v v 。它把理想磁链圆分成六个区间，每6 0 。为一个区 间，在每一个区间，选择相邻的两个电压矢量及零矢量，按照伏秒平衡的原则来 合