（电机与电器专业论文）基于dsp和fpga的异步电机矢量控制系统的研究.pdf

a b s t r a c t a sak i n do fa d v a n c e d c o n t m ls t r a t e g y ，t h ev e c t o rc o n n d li sd e v e l o p e do nm o t o r u m f l c a t i o nt h e o r y ，e l e c t r o m e c h a n i c a le n e r g yt r a n s f e ra i l dv e c t o rc o o r d i n a t et r a n s f o n n a t i o n t h e o r y ，h a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fa d v a n c e ，n o v e l t ya n dp r a c t i c a b i l i t y i ti sb a s e do nd u a la x l e t h e o r i e so fa ci n d u c t i o nm o t o r ，r e s 0 1 v e st h ec u n e n tv e c t o ro ft h es t a t o ri n t ot w od cp a n s w h i c ha r eo r i e n t a t e dt o w a r d st h er o t a t o rm a g n e t i cf i e l d ：aw e i g h ti sc o i n c i d e n tw i t 1t h e m a g n e t i cc h a 缸v e c t o ro fr o t o r ，c a l l e dt h ew e i g h to fe l e c t r i cc u 玎e n to ft h ee x c i 衄t i o n ；a n o t h e r w e i g h ti sv e r t i c a lw i t ht | l em a g n e t i cc h a i l lv e c t o ro fr o t o r ，c a l l e dt h ew e i 曲to fe l e c m cc u r r e n t o ft h et o r q u e t h r o u g hc o n t r 0 1 1 i n gt h e 渤t o re l e c t cc u r r e n tv e c t o ri np o s i t i o na n dm a g n i t u d e u n d e rr 0 切t i n gt h es y s t e mo fc o o r d i n a t e s ，w ec a i lc o n 仃0 1 t h em a g n i t u d eo ft h ew e i 曲to f e l e c t r i cc u r r e n to ft h ee x c i t a t i o na j l dt h ew e i g h to fe l e c t r i cc u r r e n to ft o r q u e ，r e 撕z em e t h o d s i m i l a rt oad cm a c h i n es t m c t i l r e ，h e r et o r q u ea f l d f i e l dc a j lb ec o m m l l e di n d e p e n d e n t l y ， t h i st e x ts t u d yas p a c ev t o rc o n t i d li n v e r t e rs y s t e mb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p sa n d f p g a t h i sp a p e ra n a l y z e sp f i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o nm e t h o d sa b o u tt h ep w ma n dt h ev e c t o r c o n t m la tf i r s t ，m u ss e t su pt 1 1 em a t h e m a t i c a im o d e lo ft l ea s y n c h m n o u sm o t o r f o r t h ev e c t o r c o n 舡o l ，w ea n a l y z et h eb a s i cp r i n c i p l et h a tt h ev e c t o rc o 曲o la n dc o n t r o la l g o m h m s ，d e d u c e t 1 1 ef h d a r n e n t a le q u a t i o no fm o t o ra n d 血eb a s i cf o r n l u l a 丽t l lv e c t o rc o n t r o lu n d e rt l l r e e - p h a s ec o o r d i n a t es y s t e m s ，t w os t a t i ca n dr e v o l u “o nc o o r d i n a t es y s t e m s a tt h es a m et i m e ，t h e c h a r to fi n d i r e c tm a g n e t i cf i e l do r i e n t e df k q u e n c yc o n v e r s i o n 廿a n s f e rs p e e ds y s t e mf o r v e c t o rc o n t m li sa l s oo b t a i n e db yt h ec o r r e s p o n d i n gc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n c o m b i n i n g w i t l lt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p ，w en n i s ht h ec o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o nm e m o da r l dd e s i g n ea k i n do fs v p w mr e d u n d a n ts y s t e mb a s e do nd s pa f l df p g aa c c o r d i n gt ot h eb a s i c 埘n c i p l e o f t h ev e c t o rc o n t r o lf i n a l i y i nh a r d w a r e ，m i sp a p e rr e g a r d st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pa n de p lc 1 2 q 2 4 0f p g aa st h e c o n t r o l l e r ，t h e yf i n i s he x c h a n g eo fd a t at h r o u 曲d u a l - p o nr a mi d t 7 l3 0b e 帆e e nt h e m ，a n d c a na n o 仇e rg e n e r a t es v p w mw a v ef o ni m m e d i a t e l yu n t i lo n ei so u to f c o n t r 0 1 a tt h es a m e t i m e ，t h et e x tf i n i s h e s 、v i r e l e s sr e m o t ec o n t r 0 1 ，s p e e ds e m n g ，d a t ad i s p l a y ，d e t e c t i o no f e l e c cc u n n ta n ds p e e d ，t h ef i l n c t i o no fm o t o rp r o t e c t ，a n de x p l a i nt h em a i nc i r c u i t ，p o w e r c i r c u i t ，f p g ad i s p o s ec i r c u i t ，w i r e l e s sr 咖o t ec o i i t r o lc j r c u i t ，l c dd i s p l a yc i r c u i t ，p r o t e c t c i r c u “，e l e c t r i cc u r r e n ta n ds p e e dm e a s l i r ec i r c u i ti nf r e q u e n c yc o n v e r s i o nt r a n s f e rs p e e d s y s t e ms i m p l y i ns o r 、v a r e ，t h i sp a p e rp r o v i d e st 1 1 es o r 、v a r ef l o wd i a g m mo f t h ev e c t o rc o n t o l s y s t e mb a s e do nd s pa n dc a r r ) 7o np r o g r a r n m i n gi nc1 a n g u a g e f o rf p g a ，t h i sp a p e r i i t 量三呈兰堡! ! 堑垒篁量童皇! ! 堡兰丝型至竺墼竺! ! 矗n i s h e sp m g r a m m i n gw i t hh a r d w a r ed e s c r i b el a n g u a g e ( h d l ) v e r i l o p m v i d e sr e l e v a n t s i m u l a t i o nw a v e f o r m s m a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h ea l g o r i t h m sr e s e a r c h e di nt h i s t e x to fv e c t o rc o n t r o la r es u c c e s s 如la n dr e a l i z eh i g hp e o r n l a n c ec o n t r o li ne l e c t r i c a l m a c h i n e r yc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：f r e q u e n c yc o n v e r s i o nt r a n s f e rs p e e d ； v e c t o rc o n t r o i ； f i e i dp r o g r a m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) ； d i g i t a ls i g n a l p r o c e ss o r s ( d s p s ) ； s p a c e v e c t o rp u l s ew i d t h m o d u i a t i o n ( s v p w m ) 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律后果由本人承担。 作者签名：高噎鸣 日期：籼6 年年月2 9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密因名 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：如e 年 日期：厕年 年月堪日 p 月瑶日 姐踯 咯趴雌y 名名签签者师怍导 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 交流电气传动的发展概况 电气传动控制系统通常由控制驱动模块、电动机和人机通信装置三部分组 成。电气传动的合理使用关系到电能的节约和控制机械的运转状态，实现电能到 机械能的高效转换，达到优质、高产、低耗的目的。电气传动分成不调速和调速 两大类，调速又分为交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供 电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动 以节约电能、改善产品质量、提高产量。在我国大部分发电量是通过电动机消耗 掉的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视，目前已有一定规模。 我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。至今 自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上8 0 年代水平。随着改革开放和 经济的高速发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对国外公司敞 开。很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生 活需要。国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部门在自行 设计制造的成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，自己开发应用 软件，为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统，虽然取得很大成 绩，但由于国内白行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性严重。从总 体上看我国电气传动的总体水平较国际先进水平差距1 0 1 5 年。在大功率交一交、 无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，且在数字化 及系统可靠性方面与国外仍有相当的差距。在中小功率变频技术方面，国内几乎 所有的产品都是普通的v f 控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还 不能满足市场的需要，每年大量进口。 交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合技术，既要处理电能的转 换( 整流、逆变) ，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成 功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子 器件的应用技术问题，后者要解决基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略 的软硬件开发问题。 电动机是把电能转换为机械能的最主要设备。调速以适应所拖动机械的需要 是多数电动机应用系统的要求。近年来，随着社会的发展和工业的进步，人们对 产品的质量要求逐渐提高，高性能控制系统的出现成为迫切的需要，各领域对交流 传动的需求从数量和质量上都呈现出空前的增长。而交流调速中最活跃、发展最 基于d s p 和f p g a 的异步电机矢量摔制系统的研究 快的就是变频调速技术。变频调速技术是交流调速的基础和主要内容。上个世纪 变压器的出现使改变电压变得容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以 来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变得可调了，从而 可以充分利用这一极为有用的资源。在电力电子技术发展以前，直流电动机以其 磁链和转矩电流二者各自独立而获得良好的调速范围和调速精度，在传动应用中 独领风骚上百年，几乎占垄断地位。对于直流电机，只要改变电机的电压或者励 磁电流就可以实现电机的无级调速，且电动机的转矩容易控制，具有良好的动态 性能。但是直流电机有其本身固有的缺点：( 1 ) 结构复杂，重量轻，价格高；( 2 ) 电刷易磨损，维修不方便：( 3 ) 环境要求高，不适合用于易然、易爆及有腐蚀性气 体的场合。这些都与现代调速系统要求的可靠性、可使用性、可维护性相矛盾， 因此直流电动机已经难以适应现代电气传动的要求了。 交流电动机比起直流电动机来，省去了换向器，结构简单、结实、紧凑、维 修工作量小、运行效率高、转动惯量小、动态响应快，可以做到高电压、大容 量、高速化。但是交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统，其可控性较 差，调速难度大限制了交流电动机在调速系统中的应用。直到二十世纪七、八十 年代，采用微电子一计算机技术的新型电力电子装置实现了变频调速，才开辟了 交流传动的新纪元i l l 。1 9 7 1 年【2 j ，德国学者提出的对交流电动机的矢量变换控制 解决了该问题，它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。矢量控制理论的 引入使交流调速实用化。相继各类全控型器件层出不穷，变频调速技术日新月 异。从生产到日用家电涉及方方面面，已进入一个高科技应用时代，使工业化生 产应用技术发生了很大的变革。变频调速技术是现代电力传动的主要发展方向， 它在节电、提高产品质量、产量实现自动化等方面，其重要性同趋增强，特别是 在电力电子、微电子及计算机技术迅速发展的今天，各种电力器件s c r g t r g t o i g b t 以及g t o i g b t 的复合器件的开发，使变频调速技术得到了迅速的发 展，交流变频调速技术已成为调速传动技术的主流p 】。近1 0 年来，随着矢量控制 技术和直接转矩控制技术的发展，交流调速的性能达到和超过了直流调速，电机 的交流调速价格已与直流接近或相当。因此，出现了以交流取代直流的趋势。国 外基本上已全部采用交流调速，虽还贵一点，但能从减小维护和停机时间中得到 补偿。我国目前直流还占一定的比例，但许多新上的项目己要求全调速。 矢量控制技术，又称磁场定向控制技术，是交流电动机高性能控制的一种先 进控制方法，它以交流电动机的双轴理论为基础，将电机空间磁场矢量方向作为 同步旋转坐标系的基准方向，把电机定子电流矢量分解成与磁场方向一致的励磁 电流分量和与磁场方向垂直的转矩电流分量，从而实现电机励磁和转矩的解耦控 制，达到和他励直流电机一样的控制【3 。8 0 年代初矢量控制进入实用阶段，经 过二十多年工业实践的考验、改进与提高，目前已达到成熟阶段。但其也有不足 之处，即要进行坐标变换、计算量大、变换复杂，从而限制了它的发展与应用。 随着集成电路技术的发展，微机的速度越柬越快、精度越来越高、功能越来越 多，它已能够完成交流调速系统复杂的控制任务。特别是在1 9 8 2 年美国德州仪器 公司f t e x a si n s t r u m e n t s ) 成功推出d s p ( 数字信号处理器) 以后【6 】电机调速系统已可 实现全数字化。 矢量控制方法的提出，使交流传动系统的动态特性得到了显著的改善，这无 疑是交流传动控制理论上的一个质的飞跃，交流电机调速取得了突破性进展，电 气传动交流化的时代将随之而来。而且，传动系统的价格和体积也在大幅度下 降，交流传动系统的性能比以前有了大幅度的提高，具备了宽调速范围、高稳态 精度、快速动态响应及四象限运行等良好技术性能，其动、静态性能已达到可以 和直流传动装置相媲美的程度。 1 2 全数字化变频调速系统 随着计算机技术的发展，无论是在生活还是在工业生产过程当中，人们对数 字化信息的依赖程度越来越高。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时 也为了提高交流调速系统自身的性能，经过不懈的努力，无论是在控制算法上还 是硬件结构上都取得了一定的成果，为交流调速系统实现全数字化控制铺平了道 路。 d s p f p g a 的出现增强了数字化控制的计算能力。矢量变换控制的系统，由 于需要处理的数据量大，实时性和精度要求高，单片机往往不再能满足要求。2 0 世纪8 0 年代初期出现的数字信号处理器( d s p s ) 既增强了微处理器的数据处理能力 “1 ，又在片内集成了大量的外围接口，因而在控制系统中得到广泛应用。d s p 通 常采用哈佛结构，将程序存储空间与数据存储空间分丌，并且各自拥有自己的数 据总线和地址总线，采用流水线技术，使得指令处理的平均速度大大提高：内部 增设专门的硬件乘法器，并将硬件乘法器与累加器以流水线方式连接，从而可以 高速进行乘法和累加运算。d s p 在提高速度的同时，片内集成了越来越多的外围 接口，从而大大提高其功能，本系统即选用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 为控 制器构成变频调速系统。 智能功率模块i p m 的发展简化了数字化控制的结构 2 l 】。自美国g e 公司1 9 5 7 年生产第一个晶闸管以来，功率器件的发展突飞猛进。经过了第一代半控型器件 ( 以晶闸管为代表) 、第二代全控型器件( g t o ，g t r 等) ，目前己进入了第三代和第 四代阶段，第三代功率器件以复合型为标志，如绝缘栅极晶体管( i g b t ) 等。微电 子工艺和电力电子技术的结合使得第四代功率器件证朝着模块化、智能化的方向 发展( 如智能功率模块i p m ) ，功率器件的驱动、检测、保护电路都集成在一起，降 1 基于d s p 和f p g a 的异步电机矢量控制系统的研究 低了器件的成本，减小了体积，而且安全可靠性也得到了大幅度的提高。在功率 器件更新换代的同时，功率变换电路的结构和控制性能也得到了改善与提高，全 控型器件的出现使得人们有可能抛开以往复杂的辅助环流设施，而专注于电路拓 扑结构和异步电机控制算法的改进。 磁链追踪型p w m 法( s v p w m ) 为数字化控制提供了理论基础1 5 1 。s v p w m 是把电动机与逆变器看为一体，着眼于如何使电动机获得幅值恒定的圆形磁场为 目标，它以三相对称讵弦电压供电时交流电动机中的理想磁链为基准，用逆变器 不同的开关模式所产生的磁链有效矢量来逼近基准圆，理论分析和实验表明 s v p w m 调制具有脉动转矩小、噪音低、直流电压率高的特点。 综上所述，以上三点都使得s v p w m 的实现变得容易起来，为全数字化控制 奠定了坚实的基础。 1 3 本课题的研究内容 全文共分为5 章： 第1 章为绪论，介绍了变频调速的发展方向以及与本论文相关的技术发展动 态。 第2 章为电机模型，介绍了p w m 调制技术和异步电机矢量控制的基本思 想、数学模型以及为简化模型的各个坐标变换的原理和公式，并讨论了s v p w m 的实现方法。 第3 章为系统的硬件电路设计实现，在给出总体硬件框图的基础上，对 l f 2 4 0 7 a 芯片和f p g a 以及相关的外围电路进行了功能分解，并给出了原理图、 注意事项和部分参数的选取。 第4 章为系统控制电路的软件实现和仿真，在此章中依据s v p w m 的控制框 图详细介绍了d s p 各软件模块的软件初始化和相关流程图，以及f p g a 的 s v p w m 各功能模块和m o d e l s i m 仿真。最后给出了矢量控制的m a t l a b 仿真。 最后为结论，从总体上对本文进彳亍了总结和展望。 本文以t t 公司的l f 2 4 0 7 a 芯片和a 1 t e r a 公司的e p l c l 2 q 2 4 0 为主控器件， 结合i r 公司的i g b t 组成的功率电路以及异步电动机构成了本系统的研究对象， 把键盘、无线遥控等需要延时防抖的外围以及液晶l c d 与f p g a 相接，以硬件电 路来实现防抖功能，增加系统的实时性。同时，利用f p g a 产生s v p w m 波形， 以防止d s p 控制器控制失败时，能够无问断地切换到f p g a 控制器对电机进行控 制，特别是在各种流水生产线上，这种控制能够极大地降低由此带来的巨大经济 损失。该论文以提高算法的执行速度和精度为目标，以矢量控制为控制策略，设 计了一种双备用全数字化的变频调速冗余系统。本文有一定的理论和实际应用价 值。 d 第2 章变频调速和矢量控制系统 本章主要给出了异步电机变频调速的几种方法，对传统的及新型的几种变频 调速做了比较，提出了该系统采用的调速方法一一电压空间矢量s v p w m 法，给 出了该方法的理论基础及其实现。 2 1 变频调速系统 异步电机变频调速系统由静止变频器、异步电机及控制系统构成【2 ，7 5 7 8 】， 其中静止变频器又按照转换方式不同分为间接变频和直接变频两大类。间接变频 是先将工频电源转换为直流，然后经过变频器变换成可变频率的交流；而直接变 频则是将工频一次性转换成可变频率的交流。目前以间接变频( 交一直一交) 应 用为主。 2 1 1 交直交变频器的几种形式 可控整流器调压、逆变器调频，如图2 1a ) 所示。其调压和调频分别在两个环 节上单独控制得以实现，故结构简单，控制方便。但是装置输入环节采用可控整 流，当低频低压运行时，输入功率因数低下。同时逆变器多用六阶梯波逆变，输 出谐波成分大。 不可控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频，如图2 1b ) 所示。由于不可控 整流采用的是二极管，所以输入功率因数高。但是逆变器还是采用六阶梯波逆 变，输出谐波成分大。 不可控整流器整流、脉宽调制( p w m ) 逆变器变频，如图2 1c ) 所示。综合 了上述两者的优点，输入功率因数高，输出谐波小。 一a l 一厂 u r l 蚯， 习可控整流f 习逆变f ； 翟f蠹f _ 1r _ 1 a ) 可控整流器调压逆变器调频 b ) 不可控整流器整流斩波器调压逆变器调频 基fd s p 和f p g a 的异步电机矢量控制系统的研究 i ：l 一不控整 c ) 不可控整流器整流脉宽调制逆变器变频 图2 1 交一直一交变频的结构形式 2 1 2 逆变器的结构及其输出波形 从以上交一直一交变频的结构形式可以看出，逆变器是整个系统的核心，因 此，有必要分析一下它的结构和工作原理。图2 1 所示的a ) 和b ) 所示的结构，其逆 变器主要是由晶闸管构成，产生六阶梯波；而图2 1c ) 逆交器主要是由自关断器件 构成，是本论文重点讨论的p w m 逆变器。 六阶梯波逆变器所采用的功率半导体多为晶闸管，没有自关断能力，工作在 恒定直流电源下存在关断问题。其三相桥式电路结构如图2 2a ) 所示，二极管的作 用是续流，使电机线圈中电流在晶闸管全部关闭时能够通过回路放电。根据控制 方式的不同，可以分为1 8 0 0 导通型和1 2 0 0 导通型两种，其输出电压波形分别如图 2 - 2b ) 和2 2c ) 所示。 1 8 0 0 导通型的换流是在同一相上下两晶闸管之间进行的，如v 1 、v 4 之间， v 3 、v 6 之间，v 5 、v 2 之间。同一相上下两桥臂晶闸管不能同时导通，否则会形 成短路，并且任意时刻均有三只晶闸管同时导通，负载三相端点都经过晶闸管接 到直流电源上，每相电压大小确定而不随电流变化，多用于电压源型逆变器。图 中给出了负载三相对直流负端n 的电压、负载三相线电压及负载三相对负载等效 中点的电压波形。 u 图2 2a ) 三相桥式电路结构 1 2 0 0 导通型的换流是在同一组( 侧) 相邻两晶闸管之间进行的，如v 1 、 v 3 、v 5 之间或者v 4 、v 6 、v 2 之间。同一相上下两桥臂晶闸管也不能同时导通， 否则会形成短路，并且除换流期间外任意时刻均有两只晶闸管同时导通，负载三 6 去七至 一 笋一 苯擘。一 摹 一 一 一。买工苤七鹫 一一 相端点只有曲相经过晶l 甲j 宫瑗到且佩电琢上，为外一下日悬芏。川米贝飘是蟹膨愦 法，三相电压大小不确定而电流确定，多用于电流源型逆变器。同时图中也给出 了相应的电压波形。 “4 li v 4 _ 田。“围困区4 bi v 4 _ 田 以 8 l v l 围困区 7 要叵j 卫。膨j i ，互应。1 翌i 坚 兰lv 兰一l 以斟鞠l _ 旦l 恒lq ”：匠塑匠”k 冈叵旦 、“ u b c 口 厂，! u ，厂l - ， _ t _ j - 厂q 卜 l + q 一_ 一_ _ f fl i “b 。t f 一_ 厂l f l + i 哪 。 。| j 1 。 l 一 u 。毒j 丢也“”静 盯以 u + 广 ”i 一 r 卜f 一十 l 1 “、“ 叱。t ，几一 r l _ _ 。一十q l 。 j 一 图2 2b ) 1 8 0 0 导通型电压波形 2 1 3 脉宽调制控制技术 u h f h j 厂i 。一砷 r oi j 图2 2c ) 1 2 0 0 导通型电压波形 异步电机在变频调速运行时1 4 0 1 4 ，一方面为了保持磁通量巾恒定不变要求电 机端电压大小随频率连续变化，另一方面为了使谐波含量少，要求输出波形尽可 能的接近正弦。然而图2 1a ) 和b 1 输出电压或电流均为六阶梯形波，含有较大的 五次和七次等低次谐波，会引起谐波效应。采用相控整流方式调压，使得系统的 输入功率因数随整流电压的大小变化，在电机低频低速运行时，系统功率因数将 变得更低。同时随着变频调速技术的发展，用于高性能、宽调速的电力传动场合 越来越多，这就需要找出一种新的方法柬解决，脉宽调制便在这样的条件下应运而 _ 时 蚶 基十d s p 和f p g a 的异步电机矢量控制系统的研究 生。 采样控制理论中有一个重要理论6 】：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有 惯性的环节上时，其效果是基本相同的。冲量也就是窄脉冲的面积，效果相同这 罩指输出波形基本相同。因此，可以用一系列宽度不同的脉冲来替代所需要的波 形，达到控制的目的，如图2 3 所示。 从控制方法上看，常用的p w m 控制技术有以下四类：( 1 ) 三角波调制法( 难弦 波s p w m 法) ：( 2 ) 电流跟踪型p w m 法， 结合了电压型和电流型逆变器的特点，使“ 得结构简单、工作可靠、动态响应快、谐 波分量小；( 3 1 丌关频率恒定的电流跟踪型 p w m 法；( 4 ) 磁链追踪型p w m 法( s v p w m 法，也称电压空间矢量p w m 法) 。这四种u p w m 技术中，前两种是以输出电压接近正 弦波为控制目标，第三种是以输出电流正 弦波为控制目标，第四种是以被控电机的 旋转磁场接近圆形为控制目标1 5j 。 7 一厂介1 、 图2 3p w m 控制的基本原理示意图 s p w m 控制技术是从电机供电电源的角度出发，着眼于如何生成可调频调压 的三相对称正弦波电源。其原理就是将一可调幅调频的正弦波调制成一串与其等 效的等幅不等宽的脉冲信号，等效的原则是面积相等。当用s p w m 波形来作为逆 变器的触发脉冲时，逆变器在理想状态下也应输出s p w m 波形，这样的脉冲信号 可以使负载电流中的高次谐波成分大为减少。通过改变矩形脉冲的宽度可以控制 逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率，从而 在逆变器上可以同时实现输出电压幅值与频率的控制，满足变频调速对电压与频 率协调控制的要求。s p w m 各脉冲幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供 电。另外，s p w m 波形与正弦波等效，这样使负载电机可在近似正弦波的交变电 压下运行，转矩脉动小。s p w m 变频调速控制实现的方法就是以正弦波作为基准 波( 调制波) ，用一系列等腰三角波( 载波) 与其相交，由交点来确定逆变器的开关模 式。 生成s p w m 波的方法有很多种【3 】，如自然采样法和规则采样法、低次谐波消 去法等。自然采样法通过计算正弦调制波与三角载波的交点确定脉宽，因其求解 是一个超越方程，要花费较多的时间，不适于微机实时控制。规则采样法，是对 自然采样法的一种近似，这种方法实质是由经过采样的正弦波( 实际上是阶梯波) 与 三角波相交，由交点得出脉冲宽度，从而简化了计算。只要载波比足够大，不同 的阶梯波都很逼近正弦波，所造成的误差在工程上可以忽略不计。 s v p w m 与s p w m 不同，它是从电机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅 值恒定的圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩，这种调制方法把逆变器和电 机作为一个整体考虑，是一种无反馈型工作模式，以三相对称正弦波电压供电时 交流电动机的理想磁链圆为基准，用逆变器不同的工作模式所产生的实际磁链矢 量来追踪基准磁链，由追踪的结果决定逆变器的开关模式，形成p w m 波。由于 s v p w m 方法有较高的直流电压利用率以及较小的谐波等优点，且在2 0 世纪6 0 7 0 年代，随着微处理器、大规模集成电路等微电子技术的飞跃发展，快速电力半 导体变流装置的研制，使得用软件控制生成s v p w m 波形变得更加容易，为矢量 控制的研究奠定了坚实的物质基础。故在本文中着重用d s p 和f p g a 相结合来实 现，这将在下一节详细介绍。 2 2 矢量控制变频调速的基本思想 众所周知【2 2 ，2 5 ，2 9 ，3 2 35 1 ，他励直流电动机的转速很容易控制，并且具有优良的 静、动态特性，用同样的理论和方法控制三相鼠笼式异步电动机却达不到预期的 目的，这是因为直流电动机数学模型简单，主要物理量问关系解耦，电动机转速 便于控制。而三相异步电动机数学模型十分复杂，主要物理量间关系强耦合，电 动机转速不便于控制。矢量控制变频调速的基本思想之一是超越原有三相异步电 动机传统的模型，建立一个全新的模型，这个新模型等效于原来的三相异步机， 也等效于一个直流机，这样，模拟控制直流电动机的理论和方法既可控制三相交 流异步机又能取得优良的静、动态特性。虽然这个等效变换比较复杂，还要求对 转子磁链进行观测( 准确观察转子磁链比较困难) ，系统特性也受异步电动机参 数的影响，但矢量控制变频调速系统的提出仍具有重大的意义。矢量控制系统是 在1 9 7 1 年1 2j 德国和美国分别提出的，联邦德国西门子公司的f b l a s c h k e 等提出了 “感应电机磁场定向的控制原理”，美国的p c c u s t m a n 和a a c l a r k 提出了“感 应电机定子电压的坐标变换控制”，之后又在实践中不断改进，形成了现已普遍 应用的矢量控制变频调速系统。 从电机学可以知道，直流电机由于电刷和换向器的作用【2 ”，使得磁极面下的 电枢电流l 方向固定不变，励磁电流，决定了磁通的方向，电枢电流l 与磁通 正交，若不考虑电枢反应的影响，可以看到l 与，是两个相互独立的变量。根 据电机左手定则判断，会产生电磁转矩并以角速度以旋转。 磁通由励磁电流，产生，若忽略磁路非线性的影响，蛾与，成正比，而与 厶无关，当励磁电流，不变时，磁通也不变，控制电枢电流l 就可以控制电磁 转矩z 。在直流调速系统中( 弱磁升速除外) ，一般主磁通哦可以事先建立起来， 而不参与系统的动态调节。 基于d s p 和f p g a 的异步电机矢量控制系统的研究 运动方程式：t 正= ，譬 “ 式中z 一一包括电动机空载转矩在内的负载转矩； r 一一直流电动机的电磁转矩： j 一一电力拖动系统运动部分折算到电动机轴上的转动惯量； n 一电动机的转速。 当负载转矩正发生变化时，只要调节电枢电流l 即可调节电磁转矩t ，从而可 以获得满意的动态特性。 对于异步电机，把应用于直流电机调速系统的经典设计理论用于设计异步电 机的调速系统，必须对异步电机进行数学模型分析，得到近似的动态结构图，才 能进行系统的有关参数设计，但建立异步电机的准确数学模型相当困难：在异步电 机的调压调速系统中，所得到的动态结构图只能适用于机械特性段上某工作点附 近的小范围内进行稳定性判别和动态校正，而不能适合于大范围内运行。在异步 电机中，电流、电压、磁通电磁转矩各量是相互关联的，属于强耦合的状态。变 频调速系统中有电压、频率两个独立的输入变量，电压是三相的，因此，系统为 多变量系统；在异步电机中，转矩正比于主磁通与电流，这两个物理量是同时变 化的，决定了异步电机数学模型中有两个变量的乘积项。因此，系统又为非线性 系统。 由三相异步电机原理可知，当定子三相绕组空间上互差1 2 0 0 ，且输入以时间 上互差1 2 0 0 的三相正弦交流电时，在空问上会建立旋转磁势f ，以同步角速度为 以旋转，如图2 4a ) 所示。事实上，产生旋转磁场不一定非要三相绕组。取空间上 互相垂直的两相绕组，且在绕组中通以时间互差9 0 0 的两相平衡交流电流时，也能 建立一个旋转磁场，如图2 4b ) 所示。当该旋转磁势的大小和转向与三相绕组产生 的合成磁场相同时，则认为该两相绕组与三相绕组等效。若两个相互垂直的绕组 m 、t ，在t 绕组中通以直流电流，m 绕组中通以直流电流0 ，并将此固定磁场 以同样的角速度艘旋转起来，则m ，t 两相旋转绕组产生的合成磁势f 也是一个旋 转磁场，使t 绕组轴线与三相绕组的旋转磁场方向相同，如图2 4c ) 所示，i 。，则相 当于直流电动机的励磁电流分量，由它来产生直流电机的磁场，而与磁场相垂 直的分量相当于直流电机的电枢电流即转矩电流分量。调节f 。即可调节磁场的 强弱，调节即可在磁场恒定的情况下调节转矩的大小。矢量变换控制就是基于 上述设想3 7 锄j ，借用直流调速系统设计中所使用的一些经典理论来进行交流调速 系统的设计。 1 0 b tf m a ) 三相交流绕组( 交流量)b ) 两相交流绕组( 交流量)c ) 旋转直流绕组( 直流量) 图2 4 等效的异步电机绕组和直流电机绕组物理模型 所以，矢量变换控制的基本思想就是通过数学的坐标变换方法，把交流三相 绕组a ，b ，c 中的电流o 、变换到两相静止绕组口、中的电流t 、， 由数学变换把、变换到两相旋转绕组m 、t 中的直流电流0 和。实质上就 是通过数学变换把三相异步电机的定子电流分解成两个分量，一个是用来产生旋 转磁势的励磁分量0 ，另一个是用来产生电磁转矩的转矩分量0 ，如图2 5 所示。 乞 一 一 3 中彳嵋 。l 8 一m r z 卢 2 3 坐标变换 电 机 图2 5 矢量控制的异步电动机数学模型 矢量控制系统的坐标变换包括静止坐标系之间的变换、旋转与静止坐标系间 的变换以及直角坐标系与极坐标系间的变换【h 】。 2 3 1静止坐标系间的变换 1 静止三相坐标系变换为静止二相坐标系 静止三相坐标系a 、b 、c 和静止二相坐标系口、之问的变换，其坐标系如 图2 6 所示。假设口轴和a 轴重合，三相绕组每相有效匝数为。，二相绕组每相 有效匝数为，则可以将电流写成以下形式： 傩。m h h ( 2 1 ) 为了便于反变换，即静止二相坐标系变换为静止三相坐标系，增加了一个假 想的零轴电流f o ，f 0 = 足( + + ) = 0 ，这并不影响总的变换结果，k 为一待定常 董圭呈：! 型! ! 竺垒竺量耋皇! ! 叁星垄型童篓墼竺垒 数。为了写出变换矩阵c 3 。，可以应用变换前后总磁势、总功率不变的原则。 变换前后总磁势不变 b 、 口 。f静止二相绕组和静止三相绕组的磁势在q 轴 和p 轴上的投影相等，有： 。f a 2 屯= 一m c o s 6 0 0 一心f cc o s 6 0 0 2 = o + 3 s i n 6 0 0 一 j f cs i n 6 0 0 c j 矗= j 3 k ( + + f c ) 图2 6 静止坐标系 写成矩阵形式： 所以 3 2 rn 3 “z s j 瓦 1一上一上 22 o e 一再 k kk 1一三一1 2 2 。再一层 kkk ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 变换前后功率不变 假设某系统变换前的电压向量为z f ，电流向量为f ，变换后的电压向量甜1 ，电 流向量为f 1 ，其中： 甜2 【明屹。】。 r1 i 卢h j “：k 。：。+ 。 7 f = f ：f 。， 它们之间应满足： 三纠 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 变换前后总功率应该不变，即 将式( 2 6 ) 代入式( 2 7 ) 得 f 7 “：，甜 ，扰= ( c f ) r c “= f 丁c ，c “ ( 2 7 ) ( 2 8 ) 比较式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 得： c 7 c = e ( 单位矩阵) ( 2 9 ) 从数学上可知：c = e 及c 。c = e ，所以：c 7 = c ，c c 7 = 点，从而： g m 。g m 。= e 式( 2 4 ) 代入式( 2 1 0 ) 得： 从而有 代入式( 2 4 ) 得： 所以： l一!一l 22 纷再 kk丘 盟 2 n3 一臣 丌丁一、了 k = 店 lo足 j ；k 1 厅。， 一20 i k 11 22 再5 v iv 4 再再 q2q i 一； 压 压 如果三相绕组为星形接法，因为：+ + f c = 0 ，代入式( 2 1 4 ) 得 1 3 ( 2 1 2 ) ( 2 14 ) ， 。厅妊 一2 3 = j2，j c n峪 ：岳捱 。o再一 压屿 j k，啊如 兰三呈些竺坚