（电机与电器专业论文）感应电机全数字化无速度传感器矢量控制变频调速系统的研究.pdf

全数字化无速度传感器变频调速系统实现的关键在于速度 的推算模块、电压型矢量解耦模块、速度调节器模块的实现以及 如何实时地得到p w m 开关信号。本文主要对这四部分做了详细的 分析，给出了这几个模块的设计方法和编程思想。在基于 t m s 3 2 0 f 2 4 0 的研究开发平台上对一台2 2 k w 的感应电动机进行 了实验，实验结果证明该控制系统具有较强的带负载能力，较好 的变频能力、较好的速度推算能力。 近几年来，为了使无速度传感器控制系统具有与有速度传感 器控制系统( 或直接转矩控制) 相当的速度性能，出现了很多高 性能的速度辨识方法。为了提高速度辨识的精度，本文在速度辨 识这方面做了进一步的探索。主要是用模型参考自适应法进行了 速度辨识，并在m a t l a b 的s i m u l i n k 中对它进行了仿真研究，但 由于时间限制，仿真结果还不完善。 关键词：d s p ( 数字信号处理器) ，变频调速，矢量控制，解耦， 脉宽调制( p w m ) ，空间矢量( s v p w m ) ，模型参考自 适应 s t u d yo ff u l l d i g i t a li n d u c t i o nm o t o r s p e e d s e n s o r l e s sv e c t o r c o n t r o lv w fs y s t e m a b s t r a c t i nt h ev v v f s y s t e mo f i n d u c t i o nm o t o r , i ti si n d i s p e n s a b l et o n e e das p e e d - s e n s o ri no r d e rt or e a l i z es p e e dc l o s e l o o pc o n t r 0 1 s o m em a t t e r st h a ta r eb r o u g h tb ys p e e d - s e n s o rf i x e da n dt h e s y s t e mr u n n i n g c o n d i t i o nu s u r yb e c o m et h es y s t e m sab r e a k d o w n r o o ta n dl o wt h es y s t e m sd e p e n d a b l e ，w h i c hi si nc o n t r a v e n t i o no f p e o p l e so r i g i n a l i n t e n t i o nt ou s ei n d u c t i o nm o t o r i nt h el a s tf e wy e a r s t h es p e e d - s e n s o r l e s sv w f s y s t e mo f i n d u c t i o nm o t o rh a sb e c o m ean e ws t u d yh o t s p o ta n dd e v e l o p m e n t t r e n d t h ep a p e r p r i m a r i l ys t u d i e dt h ed e s i g nm e t h o da n d s o f t - w a r e o f s p e e d - s e n s o r l e s sv 、r 、，fs y s t e m o fi n d u c t i o nm o t o rb a s e do nt h e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 4 0 t h e p a p e rl u c u b r a t e dt h ec o n t r o lt h e o r yo fi n d u c t i o nm o t o r s v e c t o rt r a n s f o r ma n dt h em e t h o do fc a l c u l a t i n gs p e e db yi n d u c t i o n m o t o r st o r q u ec u r r e n tw e i g h t , b a s e do l lw h i c h ，t h ep a p e rd e s i g n e da c l o s e l o o ps p e e d - s e n s o r l e s s v e c t o rc o n t r o lv 、r 、，f s y s t e m a n d r e a l i z e dt h es y s t e mi nm a t l a b s i m u l i n k t h es i m u l i n kr e s u l t p r o v e d t h ef e a s i b i l i t yo f s p e e d c a l c u l a t i o nm o d e l i na d d i t i o n ，i ta l s o p r o v e d t h a tt h ec o n t r o l s y s t e m h a sab e t t e r d y n a m i c 、s t a t i c p e r f o r m a n c e t h e s i m u l i n k p r o v i d e d t h eb a s ef o rt h e i m p l e m e n t a t i o n o f t h ec o n t r o ls y s t e ma r e r w a r d s t h e k e y o ft h e i m p l e m e n t a t i o n o ft h ef u l l d i g i t a l s p e e d - s e n s o r l e s sv w fs y s t e ml i e s i nh o wt oo b t a i nt h e s p e e d c a l c u l a t i o nm o d e l 、v o l t a g ev e c t o r d e c o u p l i n gm o d e l 、s p e e da d j u s t o r m o d e la n dh o wt oo b t a i nt h ep w ms 、v i t c h s i g n a l t h ep a p e r p r i m a r i l ya n a l y z e d t h ef o u r - p a r td e t a i l e da n d p r o v i d e d t h ed e s i g n i n g a n d p r o g r a m i n gt h o u g h t o nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mb a s e do nd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 4 0 ，t h ep a p e rm a d ee x p e r i m e n t o ft h e c o n t r o ls y s t e mw i l2 2 k wi n d u c t i o nm o t o r t h er e s u l tp r o v e dt h a t t h e s y s t e m h a sb e t t e r c a p a b i l i t i e so f & a g i n gl o a d 、v a r y i n gf r e q u e n c y a n d c a l c u l a t i n gs p e e d i nt h el a s tf e w y e a r s ，a l o to fh i g l l p e r f o r m a n c es p e e d i d e n t i f i c a t i o nm e t h o d sh a v eb e e na p p e a r e di no r d e rt oo b t a i nt h e s a m es p e e dp e r f o r m a n c eo ft h es p e e d - s e n s o r l e s sc o n t r o ls y s t e ma s t h a to f s p e e d - s e n s o rc o n t r o ls y s t e m ( o r d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) t h e p a p e r w e n td e e pi n t os p e e di d e n t i f i c a t i o nt oi m p r o v et h ep r e c i s i o n o f c a l c u l a t i n gs p e e d t h ep a p e rm a i n l ya d o p t e dt ot h em e t h o do f m o d e lr e f e r e n c e a d a p t i v e ，a n d s i m u l i n k e di ti nt h e m a t l a b s i m u l i n k , h o w e v e r s i m u l i n kr e s u l t h a sn o tb e e n p e r f e c t e d b e c a u s et i m el i m i t e d k e y w o r d s , d s p ( d i e , i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，v v v f ( v a r i e t y v o l t a g ev a r i e t yf r e q u e n c y ) ，v e c t o rc o n t r o l ，d e c o u p l i n g ，p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) ，s p a c ev e c t o rp w m ，m o d e lr e f e r e n c e a d a p t i v e 第一章概论 随着交流传动系统的飞速发展，交流调速系统正以良好的动态、静态 性能广泛应用于工业生产的各个领域，打破了过去传动领域内直流调速系 统所占的统治地位。二十一世纪将是交流调速占统治的时代。 七十年代初，矢量控制技术提出以后，交流电机控制系统的性能不断 得到改善。目前，p w m 供电的交流电机调速系统在中小功率电气传动领 域中得到广泛的应用。 第一节交流调速系统的发展趋势 一、交流调速的发展趋势【l 】【1 4 】【3 9 1 尽管人们很早以前就致力于交流电动机调速技术的研究，但是由于不 具备理论与技术物质条件，以致长期以来未能取得突破性的进展。7 0 年代 以来，当现代控制理论、新型大功率电力电子器件、新型变频技术以及微 型计算机数字控制技术等在实际应用中相继取得了重要进展的时候，才为 交流电动机调速技术的飞跃创造了一个坚实的基础。今后的交流调速技术 将在以下几个方面得到进一步的发展。 ( 一) 高性能化产品将普遍采用的矢量控制技术，提高调速性能， 达到和超过直流调速水平 交流电动机是个多变量、强耦合、非线性被控对象，仅用电压频率 ( 【杉) 恒定控制，不能满足对调速系统的要求。1 9 7 1 年伯拉斯切克 ，j ( e b l a s c h k e ) 提出了交流电动机矢量控制原理后，交流调速得到了飞速的 发展。 太原理工大学硕士学位论文 矢量变换控制的设计思想是设法模拟直流电动机的控制特点来进行 交流电动机的控制。调速的关键问题是转矩控制问题，直流电动机调速性 能好的根本原因就在于它的转矩控制容易。直流电动机转矩表达为 t = 吖。，其中电枢电流j 。和磁通。两个参数互成9 0 。直角坐标正交关 系，且为两个独立变量，可分别进行调节，在电路上互不影响，而异步电动 机的转矩表达式为瓦= c 中。1 2c o s ( p 2 ，式中转子阻抗角妒2 = a r c t a n s x 2 r 2 。 异步电动机的转子电流厶和气隙有效磁通。有关，且与转速( 转差率s ) 有关，j ，和o 。两个参数不成直角又不是两个独立变量，转矩的这种复杂 关系成为异步电动机难于控制的根本原因。如果把异步电动机的定子电流 ，分解成磁场定向坐标的磁场电流分量。和与之垂直的转矩电流分量 ，l ，在调速过程中始终维持定子电流的磁场电流分量，。不变，通过控制 转矩电流分量。来控制电机的转矩，能使异步电动机具有直流电动机的 调速性能。 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一个质的飞跃。但是经典的矢量控制方 法要以转子磁链定向，需要先求得转子磁链的相位，然后才能进行坐标变 换。然而，异步电动机，特别是笼型异步电动机的转子磁链是无法直接测 量的，只有实测电机气隙磁链后，再经过计算才能求得。而且气隙磁场本 身也常由于齿谐波磁场的影响而难以测准，这就影响了以转子磁链定向的 矢量控制技术的准确性。因此，在实用上转子磁链往往不是通过实测，而 是利用所谓磁通观测器，根据电机的电压、电流和转差由计算求得。采用 磁通观测器可以避免直接测量电机磁链的麻烦，但是它的准确性与电动机 太原理工大学硕士学位论文 的参数，特别是回路的时间常数l = l 石有关。而在异步电动机中，这 2 个转子回路的时间常数恰巧是一个很不稳定的参数，随着电动机的温度和 转差频率的变化，正值可以有相当大的变化，这使磁通观测器的准确性受 到很大的影响。为了解决这个问题，需要采用现代控制技术中的自适应控 制方法。一种是通过系统辨识，对异步电动机的转子参数进行实时估计， 然后利用这些实时辨识所得的参数对磁通观测器模型进行校正，算出转子 更接近实际的磁链，并以此定向进行矢量控制。这种控制方法叫做基于参 数辨识的模型参考自适应控制。另一种是近年来在伺服系统中应用较多的 所谓滑模变结构控制技术。即强迫系统沿着一个预先设定的参考模型的轨 迹滑动，而与电机参数及负载转矩无关。由于这种控制方法对系统模型参 数的精度要求不高，允许参数有相当大的偏差，所以转子参数的变化不致 引起系统动态性的恶化。此外，围绕着矢量控制法的完善化，还相继提出 了多种提高矢量控制性能的方案。比如，为了解决非线性问题，采用了变 结构控制，提出了低速时采用速度开环控制、高速时改用速度闭环控制的 方法或低速时采用电流模型控制、高速时改用电压模型控制方案：为了抑 制轴振动，应用现代控制理论技术构成负载转矩观测器来推断电机的负载 转矩，并将此值加入到控制系统中，可收到显著的轴振抑制效果等等。 还有一种矢量控制的方法称为转差矢量控制法，它是在日本人提出的 磁场加速法的基础上演变而来的。这种控制方法比较简单，不需要进行磁 通检测，也不用坐标变换，而像通常的转差控制方法一样，只要测出电动 机转子的角频率国，加上根据需要的转矩推算出应有的转差角频率。，以 此控制定子电流的瞬时角频率c o = c o 。+ ，就能使电动机的电流和转矩 迅速地由原先的工作状态变到新的所需的工作状态。转差矢量控制系统简 单，在日本的产品中得到了较多的应用，但是，转差矢量控制的性能同样 查堕望三查堂堡主堂垡丝兰 也受到转子参数变化的影响。 近年来又提出了一种标量解耦控制的新方法。这种方法的基本思想是 电动机的磁通主要取决于电压和频率的比值 ；而异步电动机的转矩在 j 磁通恒定的情况下主要取决于转差。但实际上，由于相互之间也存在着一 定的内在联系。如果把它们相互之间的关系用传递函数来表示，则异步 电动机的框图如图1 1 中实线部分所示。 图卜1 异步电动机标量解耦控制框图 f i g u r e1 - 1i n d u c t i o n m o t o r d i a g r a mb a s e do ns c a l a rq u a n t i t y d e c o u p l i n g c o n t r o l 在这里g l g 4 代表了各量之间的传递函数。为了消除负载变化对电动 ，1 机磁场的影响，可以在电动机外部a n - 解耦回路g = 一u ( 如图中虚线 v l 所示) ，则在负载变化时，转差角频率0 3 。的变化对磁通o 。的影响将完全被 消除，即可实现转差对磁场的解耦。在这种情况下，当。形保持恒定时， ，j 电动机的转矩就只决定于转差率。标量解耦不但方法简单，而且它的最大 特点是解耦回路的参数主要决定于电动机定子的参数，而与转子回路的时 间常数无关。转子参数的变化对标量解耦系统的影响可以减小到最低限 度。所以这种系统性能比较可靠。 太原理工大学硕士学位论文 最近一个值得重视的动向是1 9 8 4 年，德国d e p e n b r o c k 教授提出了对 交流电机实现的直接转矩控制新方法，也叫直接自控。它避开了矢量控制 中的两次坐标变换及求矢量的模型与相角的复杂计算工作量，而直接在定 子坐标系上计算电动机的转矩与磁通，通过转矩的砰砰控制，使转矩响应 时间控制在一拍以内，且无超调，控制性能比矢量控制还好。此法虽尚未 形成商品化的产品，但却是很有发展前景的一种新的控制原理。 交流电动机调速控制理论，从恒定控制法到矢量控制法是一个飞 ，j 跃，从矢量控制法到直接转矩控制法将是第二个飞跃。 ( 二) 脉宽调制技术的发展与应用使变频装置性能优化，可以适用于 各类交流电动机，为交流调速的普及创造了条件 早期以普通晶闸管为基础的变频装置采用的是相控原理。用相控方式 生成的变频变压电源含有大量的谐波分量，功率因数差，转矩脉动大，动 态响应慢，线路复杂，无法满足高性能调速系统的要求。新一代的全控型 电力电子器件是快速型器件，其允许通断频率可达2 0 0 0 0 h z ，从而为摆脱 相控原理的新型逆变方案提供了良好的条件。 1 9 6 4 年，德国的a s c h o n u n g 等率先提出了脉宽调频的思想，即把通信系 统的脉宽调制技术( 简称为p w m 技术) 应用于交流电气传动。以这种技 术组成的p w m 型逆变器由于具有输入功率因数高和输出波形好的特点， 为近代交流调速系统开辟了新的发展领域。图1 2 a 、b 分别示出了常规交 一直一交变频调速系统和p w m 型交一直一交变频调速系统的主电路原理 图。由图1 2 可见这两种变频系统具有以下几个主要特点： 太原理工大学硕士学位论文 r工 ri 图l _ 2 交一直一交变频调速系统 a ) 常规型b ) p w m 型 f i g u r e1 - 2a c d c a c v v v f s y s t e r m a ) r o u t i n eb ) p w m ( 1 ) 常规型交一直一交变频调速系统的主电路有两个功率控制级， 增加了控制的复杂性；而p w m 型交一直一交变频调速系统的主 电路只有一个功率控制级，简化了主电路结构： ( 2 ) 常规型交一直一交变频调速系统由于中间直流回路有滤波电抗 和电容器等大时间常数元件存在，使系统的动态响应缓慢；而 p w m 型逆变器在调频时同时调电压，与中间直流环节的元件参 数无关，加快了系统的动态响应。 ( 3 ) 常规型交一直一交变频调速系统由于整流器是可控的，使供电 电网的功率因数随系统的输出频率降低而变坏，并产生高次谐 波电流；而p w m 型交直一交变频调速系统使用了不可控整流 桥，使系统对电网的功率因数与逆变器输出电压无关而接近于 1 ： ( 4 ) 常规型逆变器输出为六阶梯形电压( 电流) ，在传动电动机中形 太原理工大学硕士学位论文 成较多的谐波，电动机气隙中产生的脉动磁场使电动机在低速 工作时动态性能严重恶化；而p w m 型逆变器可获得比常规型六 阶梯波为好的输出电压波形，能消除与抑制低次谐波，使负载 电动机可在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，大大 扩展了传动系统的调速范围。 由此可见，p w m 型变频调速较常规型的变频调速方案有较大的优点， 是一种很有发展前途的变频调速方法。 脉宽调制型变频器的关键技术之一是p w m 的调制方法。图l 一3 列举了 s p w m ( 正弦p w m ) 准s p w m n p w m ( 新的p w m ) d t p w m ( 双三角形p w m ) d m p w m ( d e l t a 调制p w m ) m p w m ( m 调制p w m ) w p w m ( w 调制p w m ) p a m p w m ( 脉幅调制p w m ) 矢量角p w m 最佳开关角p w m 电流跟踪p w m m 改进型p w m 图1 3 几种p w m 调制方法 f i g u r e1 3 s e v e r a lp w m m o d u l a t i o nm e t h o d s 几种p w m 调制方法，从原理上讲可有面积法、图解法、计算法、优化法、 采样法、斩波法、角度法、跟踪法和次谐波法等。 正弦波脉宽调制( s p w m ) 是最常用的一种调制方法，其调制脉冲的 太原理工大学硕士学位论文 特点是在半周期内等距、等幅、不等宽( 可调) ，并且总是中间宽两边窄， 各脉冲面积之和与正弦波下的面积成比例。新的脉宽调制( n p w m ) 是把 半个周期分成三等分，前6 0 。脉冲p l 和后6 0 。脉冲p 3 ，调制方法同s p w m ， 但中间6 0 。脉冲p 2 等于前面及后面脉冲之和，即p 2 = p 1 + p 3 ，这样便提高了 开关频率，谐波成份也随之降低。( d e l t a ) 脉宽调制( d m p w m ) 在调 制方法上不需要三角形载波信号，而是用三个组件( 放大器、积分器和比 例器) 构成“”脉宽调制电路，只输入一个频率可变、幅值恒定的正弦 参考信号就可调制出相应的脉冲，且可保持电压与频率比一定，满足恒磁 通变频原则的协调控制条件。角度p w i d 则着眼于电压空间矢量角的均匀变 化，当电压空间矢量的幅值不变，而矢量角呈线性变化时，会产生网形磁 场轨迹，可消除电压的高次谐波。 在交一直一交电压型变频器中，输出的相电压空间矢量实际是步进 的，每次步进角为6 0 。电角度，而理想的矢量角变化方式为0 = 2 顽f ，这 个理论值与实际值偏差较大，可以利用p w m 技术和斩波概念，在6 0 6 的 两电压矢量之间从平均意义上使电压空间矢量角趋近线性均匀变化。为保 持恒磁通变频，电压空间矢量的幅值必须随频率的变化而变化，可以采用 n a 零矢量的方法，应用斩波原理，相当于在平均值上实现改变电压空间 矢量的幅值。这种角度p w m 方法是脉冲调制原理和斩波原理的综合应用。 它算法简单，易于实现全数字化控制。电流跟踪p w m 是把实际负载电流 的瞬时值与给定电流瞬时值相比较，将两者的误差限制在设定的范围内， 当误差大于设定的最大偏差时，逆变器有关开关动作，使实际电流减小； 反之当误差小于负的设定最大偏差时，逆变器有关、开动作使实际电流增 大，这样就可使实际负载电流值时刻跟踪给定电流。 p w m 新方案的研究仍然是当前交流电动机调速技术的一个热门课 r 太原理工大学硕士学位论文 题，新的研究成果必将进一步推动变频电路的发展，使之日臻完善。 第二节微处理器的发展概况 自1 9 6 8 年德国人发明矢量控制理论以来，迄今已有2 0 余年；产品开 发也有1 0 年左右历史，技术e t 趋成熟。从1 9 9 2 年开始陆续有进口的矢量 控制变频器进入国内市场，但国内尚无专门阐述异步电动机无速度传感器 矢量控制系统的专著。矢量控制变频器的知识含量高，体现在：一是应用 自适应控制、模糊控制、人工神经网络控制等现代控制理论设计新的系统： 二是新的功率器件层出不穷，g t r 已过时，并且已从i g b t 发展到i p m 等 智能模块；三是最新微电子技术的采用十分普遍，如3 2 位d s p 、新型固 体混合电路( h w ) 等。当今高精度通用变频器( 特别是中小型容量) ， 普遍采用d s p 无速度传感器矢量控制方案。 一、微处理器【l l 】【1 2 】【1 4 1 一般微机可分为微处理器( m i c r o p r o c e s s o r ) 、单片机( m i c r o c o n t r o l l e r ) 和数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 三种。一般来说，单片机是 面向控制的，在片内集成了较多的i o 接口和外围部件，但运算速度比 较慢；d s p 是面向快速信号处理的，运算速度比同一时期的单片机要快1 到2 个数量级，但i o 接口和外围部件少。价格也相对昂贵。为了满足实 际需要，微处理器、单片机和数字信号处理器本身也在沿着扩大集成度、 增大位数、加快速度、提高数据和信号处理能力、扩展功能、降低成本的 方向发展。 交流调速系统控制器采用微处理的数字控制方式，大体经历三个阶 段： 第一阶段交流调速系统控制器主要采用具有单一数据处理功能的微 处理器( m i c r o p r o c e s s o r ) 0 查堡望三盔堂堡主兰垡堡苎 一 以i n t e l 公司的芯片为例，i n t e l 公司最早开发成功的微处理器是四位 芯片i n t e l 4 0 0 4 ，接着推出了八位微处理器i n t e l 8 0 0 8 。1 9 7 4 年研制成功的 八位微处理器i n t e l 8 0 8 0 ，开始应用于电力传动控制系统，它曾是工业控制 系统中应用非常广泛的一种微处理器。1 9 7 6 年推出的i n t e l 8 0 8 5 微处理器 也是八位，但集成度和性能已经有了提高：到了1 9 7 8 年以后，i n t e l 8 0 8 6 等通用十六位微处理器问世，他们在计算速度、数据处理能力方面有了很 大的提高，具备了一定的快速实时控制能力，由此构成的直流传动系统的 性能也得到了比较大的改善，并且这类十六位处理器芯片在交流传动中的 应用也取得了成功。从此，微处理器在电力传动控制系统、特别是在直流 传动控制领域中得到了广泛应用。但是在应用过程中，这种通用型的微处 理器在硬件资源上比较馈乏，必须辅以大量的外围接口电路，才能构成实 时控制系统，因而使用不方便，所组成的控制系统体积较大。在这个时期， 微处理器存在处理速度慢、硬件配置不齐备等不足，致使系统数字化的程 度相当有限、控制精度不高。 第二阶段交流调速系统控制器主要采用微型计算机和数字信号处理 器( d s p ) 典型代表是i n t e l 公司在1 9 7 6 年推出世界标准的8 0 4 8 ( m c s 一4 8 ) 单片 机，1 9 8 0 年和1 9 8 3 年相继推出的m c s 5 1 系列和m c s 9 6 系列单片机， 其集成度越来越高，配置十分齐全，特别是m c s 一9 6 系列十六位单片机中 取消了累加器，其运算处理速度大幅度提高，并且具有丰富的软硬件资源。 特别是8 0 c 1 9 6 系列，它是在8 0 9 6 b h 的基础上发展起来的，它采用 c h m o s i i i 工艺，使性能又有了很大的提高。 八十年代末九十年代初，为了使交流系统得到响应速度更快、实时性 更强的数字式电流控制，也广泛地采用了数字信号处理器( d s p ) ，如 t m s 3 2 0 系列、m o t o r o l a 公司的6 8 0 0 0 系列以及n e c 公司的t p d 7 7 2 0 太原理工大学硕士学位论文 系列等等。d s p 是一种高速集成的微处理器，其最大的特点是运算速度非 常快，这比目前的1 6 3 2 位微处理器和单片机的运算速度至少快一个数量 级。因此，具有很强运算处理能力的d s p 能够满足电流环的实时控制的高 要求。当采用d s p 构成全数字交流调速系统时，其所有控制功能可以由软 件实现，故有利于提高系统的可靠性，降低系统的成本，并且可以采用先 进的现代控制策略，获得更高的控制性能，完成数据存储、故障诊断、故 障冗余等功能，使交流调速系统更趋于智能化。八十年代末期，f a n u c 、 安川公司、三菱、富士电机等都有了基于d s p 实现的高性能交流主轴和伺 服进给系统的产品。d s p 与单片机相比的不足之处在于d s p 只是一个通 用型的运算器，它最初是作为数字信号和音频信号的高速处理而开发的， 因此作为一般的运动控制器使用时，通常需要很多的外围硬件电路来支 持，如定时计数器电路、a d 转换器电路、异步通讯电路以及高速的可编 程静态r a m 和数据存储器等，而且d s p 的指令系统不是面向控制对象和 控制过程的，亦即指令执行控制的效率较低，有时一个简单的外部硬件操 作，就需要很多条指令才能实现。但是，这些不足随着新型d s p 的出现已 被逐步克服。新型d s p 不但更快，而且允许容量更大的程序和数据存储器， 配置了更多的硬件，如计时器、通讯口等。作为全球最大的d s p 生产厂商， t i 公司的t m s 3 2 0 d s p 已经从第一代发展到第四代，主要是在提高速度和 精度、扩大功能和增加容量上发展，其中的t m s 3 2 0 3 2 d s 寻址可达1 2 8 k 的贮存空间，并提供了串行输入口，增加了并行输入口，指令功能也更强。 1 9 8 6 年t i 推出的第二代d s p _ t m s 3 2 0 c 2 5 指令的周期已达l o o n s ，其 有3 2 位a l u 和累加器，片内r o m 和r a m 容量也大大增加，使用更方 便。1 9 8 7 年t i 公司又推出了l u m c o m s 工艺的第三代器件t m $ 3 2 0 c 3 0 ， 指令周期达到6 0 n s ，具有3 2 位浮点运算能力，并采用多总线结构，大大 缓解了i o 瓶颈问题，另外该器件具有片内乘法器和3 2 位片内r o m 和 奎壁翌三查堂堡圭兰垡丝苎 r a m ，并配备了一定的硬件接口电路：1 9 8 8 年后，t e x a s 仪器公司还推出 t m s 3 2 0 3 0 和t m s 3 2 0 c 3 0 ；t i 公司1 9 9 2 年新推出的t m s 3 2 0 c 4 0 和其后 不久问世的t m s 3 2 0 c 5 0 在不同程度上进一步缩短了指令周期 ( t m s 3 2 0 c 4 0 为4 0 5 0 u s ，t m s 3 2 0 c 5 0 为3 5 u s ) ，并设置了更为复杂的功 能。 总之，芯片上包括越来越多的复杂功能，如：浮点处理，完善的中断 结构，提高自我诊断能力，更强的软件功能和i 0 接口能力等，它将为交 流伺服系统全数字化控制开辟一条新途径。 第三个阶段九十年代的新一代达到具有单片机特点的数字信号处理 器。 目前，真正能实现交流伺服系统电流环的数字控制、并能使其获得高 性能的微机是具有单片机特点的dsp 。其典型的器件有m o t o l o r a 公司的 5 6 0 0 0 系列、日立公司的s h 7 0 0 0 系列、a d 公司的a d s p 2 1 0 0 系列和t i 公司的t m s 3 2 0 x 2 4 x 系列。 1 9 9 7 年t i 公司推出了面向电机控制领域的d s p 芯片t m s 3 2 0 c 2 x x 系 列，但是它所具备的一些新特性使其在电机数字控制领域具有极大的优 势，甚至一度被推为“电机数字控制中的首选芯片”。 它和其他厂商推出的一些主要竞争芯片的性能对比见表1 一】，由表 可知，t m s 3 2 0 f 2 4 0 一方面具有d s p 固有的优点，运算速度几乎是同类 竞争产品中最快的，有助于提高系统性能；另方面它又有着传统单片 机固有的优点，集成了几乎所有电机控制所需要的外部设备，有助于减 小系统体积，降低系统成本。 因为f 2 4 0 芯片极高的运算速度( 执行速度达2 0 m i p s ) ，几乎所有的 指令都可在5 0n s 的单周期内完成，而且f 2 4 0 具有用于高速信号处理和数 字控制功能所必需的结构特点，同时还具有单片机电机控制应用方案所需 1 2 太原理工大学硕士学位论文 的外设功能。( f 2 4 0 采用亚微米c m o s 制造工艺，使功耗极低；此外， 表1 i 几大半导体生产商面向电机控制的微处理器主要性能一览表 p v s i1 0 位 乘法输入捕 厂家型号r o m r a mf l a s h通道a b 时间获单元 数通道 t m s 3 2 0 f t i05 4 4 字1 6 k 字5 0 n s1 241 6 2 4 0 5 1 2 * 2 5 k 2 4 m o t o r o l a5 6 0 0 54o4 0 n s500 b i t b i t a d s p 2 1 0 a d 3 k 字2 k 字05 0 n s807 o $ 6 s 8 8 c 1 6 602 k 字 3 2 k 字6 0 0 n s1 61 61 0 t h o m s o n 25 k i n t e l8 0 2 9 6 s a0 o8 0 n s740 字 h i t a c h is h 7 0 3 46 4 k 字4 k 字01 0 0 n s2 3 48 还具有几种降低功耗的省电方式。) 如此高的性能可以对非常复杂的控制 算法进行实时运算，如自适应控制和卡尔曼滤波等。作为系统管理器，d s p 必须具备较大的片内i i o 和其它外设功能。f 2 4 0 片内的事件管理器与其它 任何一种d s p 都不同，面向应用油画的外设单元和高性能d s p 内核的结 合，可以为所有的电机类型提供高速、高效的先进控制技术。在该事件管 理器中包括的p w m 产生功能，特殊的附加功能包括可编程的死区功能和 空间矢量p w m 状态机，后者可为三相电机在功率晶体管开关机制中提供 太原理工大学硕士学位论文 了迄今为止最高的功效。三个独立的向上下计数器，每一个都有属于它们 自己的比较寄存器，可以支持产生多达1 2 路的非对称的和对称的p w m 波 形。四路捕获输入中的两路可以直接连至光电编码器的正交编码脉冲信 号。此外片内还集成了两个1 0 位a d 转换模块及一个串口通讯块( s c i ) ， 使得由c 2 4 0 构成的控制系统具有结构简单，可靠性高等优点，因而在电 机数字控制领域中得到了广泛的应用。 基于微机的交流调速系统数字控制也因微机本身性能有限而存在一些 问题，主要表现在： ( 1 ) 模拟量离散化时受分辨率的限制会产生量化误差，从而降低了实 际信号的复杂性，影响了控制精度，要减少量化误差则必须增加a d 、d a 变换的位数； ( 2 ) 系统参数、限幅值的实时调整没有模拟控制中方便； ( 3 ) 微处理器的处理速度有限。因为对于专用的硬件控制，信号处理 是同步进行的，处理器处理信号是以串行的方式进行，因而需要较长的时 间。要完成几个任务时，时间以分时方式分配，进一步减慢了对信号的处 理速度，导致系统的采样周期可能不满足系统控制的实时性要求，故对交 流调速系统的实时性有一定的限制，在闭环控制中，严重时，这一延迟甚 至可能引起系统的不稳定； ( 4 ) 交流调速系统的数字化程度和性能受微处理器性能的制约，如果 要求高性能、高精度和快速响应，则会使系统价格非常贵。 随着微处理器芯片本身性能的不断提高，以及价格的不断下降，上述 的不足将会逐步得到改善和克服。 毫无疑问，由微机控制的交流调速系统的性能还会随着微机本身性能 的改善不断提高，其数字化程度也会逐渐加深。在微处理器、单片机和数 字信号处理器这三种微机中，d s p 以其卓越的速度优势，使之在交流调速 太原理工大学硕士学位论文 系统的数字控制中显得尤为突出。可以预测，随着d s p 价格的降低和性能 的完善，它将取代大多数交流调速系统中的模拟电路、微处理器和单片机， 实现交流调速系统的全数字控制。采用大规模集成电路和微处理器为主的 交流调速系统全数字化控制，将是未来交流技术发展的主流。 二、电力电子变换技术【3 8 】 电力电子技术是信息流与物质一量流之间的重要纽带，尽管当前信息 技术和微电子技术正领导着新技术的发展潮流，但是如果没有电力电子变 换技术，则信息就只能是信息，不可能真正用来控制物质生产。在大功率 电力电子装置中，功率器件对整个装置的性能、体积、重量和价格的影响 非常大。一般来说，功率电子学的发展是以功率器件的进步为标志的。 功率电力电子器件的发展历程，可以分为三个阶段： 第一代电力电子器件的主要特点是门极不可关断。其代表器件是晶闸 管，它是一种相控类型器件。 第二代电力电子器件的主要特点是双极性全控器件。其代表器件是 g t r 、g t o 和s i t 。 第三代电力电子器件的主要特点是采用m o s 门极控制和集成化。其代 表性器件是大功率m o s f e t 、i g b t 和i p m 。 现在，电力电子技术的发展正处于壮年期，新的器件和变换技术仍在 不断涌现出来。 现代的电力电子变换装置中，p w m 变压变频技术是目前主要使用的变 换器控制技术，常用的p w m 控制技术有： ( 1 ) 基于正弦波对三角波脉宽调制的s p w m 控制。 ( 2 ) 基于消除指定次数谐波的h e p w m 控制。 ( 3 ) 基于电流滞环跟踪的c h p w m 控制。 ( 4 ) 电压空间矢量控制s v p w m 控制。 查曼堡三盔兰堡主兰垡堡奎一 在以上的4 种p w m 变换器中，前两种是以输出电压接近正弦波为控 制目标的，第3 种以输出正弦波电流为控制目标，第4 种则以被控电机的 定子电压为控制目标，算法简单，因此目前应用最广。 第三节现代传动系统的自动控制策酬硎4 】 交流电气传动控制中比较典型的是定子变压变频控制和绕线型电机转 子变压变频控制。为了取代直流调速，提高控制性能并降低成本，各种变 压变频控制策略得到了很大的发展，新的控制策略不断涌现，目前，交流 调速系统实用的控制方法主要有以下四种： 一、转速开环噎压频比控制即l 杉= c 控制 ，j 这是最简单的变压变频控制策略，【杉= c 控制作为交流电动机最简 ，j 单的一种控制方法，特别适用于通用变频器。 二、基于稳态模型的转速闭环转差频率控制即滑差频率控制 从异步电机稳态模型可以证明，当稳态气隙磁通恒定时，电磁转矩近 似与转差频率。成正比，如果能保持稳态转子全磁通恒定，则转矩准确地 与转差频率。成正比，因此控制。就相当于控制转矩。然而，滑差频率 控制这种方法只是依据稳态模型的，仅仅引入速度闭环，未能实施对瞬时 转矩的闭环控制，还得不到很理想的动态控制性能。系统性能较l 杉= c ，j 控制没有实质性进展。 三、基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制 真正实现瞬时转矩控制的方法是磁场定向控制( 又称矢量控制) 。它 运用现代电机坐标变换理论，把交流异步电动机等效为直流电机进行控 制，此项技术使得交流调速系统在性能上达到了直流调速系统的水平。目 太原理工大学硕士学位论文 前矢量控制技术已广泛应用于造纸、纺织、轧钢、机床和机器人等领域。 磁场定向控制的实现方法有两种：磁通直接反馈型( 也称直接检测型) 和 磁通前馈型( 也称滑差频率控制型) 。前者是由b l a s c h k e 提出的，由于实 现磁链的闭环控制，在理论上具有比较好的基本控制特性，然而磁通观测 器容易受到电动机参数变化的影响，尤其是在低速时，一般需要进行电压 补偿。目前这种直接检测型控制方法仍在研究中，实用化尚需时日。实用 中较为常见的是滑差频率矢量控制技术，由于它没有实现直接磁通的闭环 控制，无需检测出磁链，因而容易实现，但是其控制器的设计在某种程度 上依赖于电机参数，为了减少控制上对参数的敏感性，已经提出了很多参 数辨识、参数补偿和参数自适应方案，有些收到了良好的效果。然而在理 论上，矢量控制是否真正解耦，仍是学术界讨论的热点。 四、基于动态模型保持定子磁链恒定的直接转矩控制 直接采用转矩反馈的内环控制可以抑制磁链变化对转矩的影响，近似 地实现转速与磁链解耦，直接转矩控制系统正是突出了这一特色，与此同 时，还获得了转矩的快速动态响应。直接转矩控制( d t c ) 是继矢量控制 后的又一种力矩闭环控制方法。它克服了坐标旋转变换和解耦运算的复杂 性，直接对转矩进行控制，与矢量控制相比，d t c 直接着眼于转矩控制， 省掉了解耦控制所需的复杂旋转坐标变换和线性调节器，另外，d t c 采用 开关状态表查询方式确定开关状态，使控制结构大为简化。其缺点是：输 出转矩有脉动，特别是低速性能不理想，在低速时，定子电压降对磁通观 测影响较严重，使系统的低速性能难以保证。限制了系统的调速范围，如 何提高d t c 控制方案的低速性能是值得深入探讨的理论及实践课题。 五、异步电机无速度传感器矢量控制技术 高动态性能的交流传动系统都需要转速闭环控制，所需要的转速反馈 信号来自与电机同轴的速度传感器。为了获得准确而且可靠的转速信号， 太原理工大学硕士学位论文 速度传感器必须经过精确的安装和妥善的维护。高精度的速度传感器对系 统维护性能和对环境的适应性较差，在条件不好的工业现场上常常不易做 到。因而在应用上受到一定的限制。此外，在低速时要获得准确无干扰的 转速信号也并非易事。因此，取消速度传感器而仍能获得良好的控制性能， 便成为众所瞩目的研究与开发课题。无速度传感器矢量控制的实现，促进 了容易实现的开环控制和矢量控制动态性能相当的理想调速的诞生。目 前，已有若干品种的无速度传感器矢量控制通用变频器问世，但研究工作 仍在继续进行。 无速度传感器调速技术的关键在于转速信