DSP相異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究報(bào)告

1、個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)論文）開題報(bào)告論文題目：基于 DSP 的三相異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究學(xué)院：電氣工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化 10041004 班學(xué)生姓名：龐海欣學(xué) 號(hào)：100302425100302425導(dǎo)師姓名：藍(lán)益鵬開題時(shí)間：年月 日_個(gè)人資料整理_僅限學(xué)習(xí)使用1.課題背景及意義1.1課題研究背景、目的及意義隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制理論的迅速發(fā)展，三相異步電機(jī)的 控制方法有了很大的提升。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組不需要與其他的電源相連， 其定子電流直接取自交流電力系統(tǒng)，與其他電機(jī)相比，異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 運(yùn)行可靠、重量輕、成本低，在生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域有著廣

2、泛的應(yīng)用。而矢 量控制是一種先進(jìn)的控制策略，其基本思想是將交流電機(jī)的模型通過坐標(biāo)變 換，使之成為直流電機(jī)模型，將定子電流分解為按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的兩個(gè)直流分 量，分別進(jìn)行獨(dú)立控制，達(dá)到直流電機(jī)的控制效果。它通過將電機(jī)的電流、電 壓、磁鏈等量變換到同步坐標(biāo)系中實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制，從而實(shí)現(xiàn) 快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng) 。異步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型很復(fù)雜，關(guān)鍵是 由于其磁鏈關(guān)系復(fù)雜。因此，要簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，必須將異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型從 三相 g 靜止坐標(biāo)系變換到兩相.F 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。從口坐標(biāo)系到廠 靜止坐標(biāo)系的變換稱為Clarke變換，從河 坐標(biāo)系到兩相 丄I同步旋轉(zhuǎn) 坐標(biāo)系的變換稱為Park變

3、換。異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)目前已經(jīng)獲得了實(shí)際應(yīng)用，這種方案作為高性能的 調(diào)速，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的靜、動(dòng)態(tài)性能，并具有連續(xù)控制、調(diào)速范圍寬等顯著優(yōu) 點(diǎn)。近年來，對(duì)矢量控制系統(tǒng)方面的研究獲得了很好的結(jié)果，為此矢量控制 系統(tǒng)可謂現(xiàn)代交流調(diào)速的重要方向之一。數(shù)字信號(hào)處理器包括一個(gè)隨機(jī)端口和一個(gè)時(shí)序端口以及獨(dú)立的讀寫總線提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度0基于DSP芯片TMS320F2812的控制系統(tǒng)，利用電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)實(shí) 現(xiàn)異步電機(jī)矢量控制，目的是增強(qiáng)對(duì)電機(jī)的控制，使其能夠具有更快的響應(yīng)、 更高的精度高、更加節(jié)能等特點(diǎn)。使其在生產(chǎn)和生活過程中給人們帶來更多的 便利并能夠節(jié)約更多的能源和時(shí)間。1.2課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及

4、趨勢(shì)近年來，對(duì)于三相異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為自動(dòng)控制領(lǐng)_個(gè)人資料整理_僅限學(xué)習(xí)使用域的一大熱點(diǎn)。德、美、英、法、意、加拿大以及日本等發(fā)達(dá)國家都十分重視 矢量控制技術(shù)的研究，做了大量的工作。歐洲是矢量控制技術(shù)的誕生地，其研 究水平一直走在世界的前列。另外，德國和日本等國還將矢量控制技術(shù)用于電力機(jī)車等領(lǐng)域。我國學(xué)者對(duì)矢量控制的研究也比較早，取得了很好的成果。四川大學(xué)劉 竟成教授和湖南大學(xué)盧驥教授從德國進(jìn)修回來，在1981年1982年就先后發(fā)表了論文介紹矢量控制技術(shù)。但由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)手段和工業(yè)基礎(chǔ)，發(fā)展并不迅 速。到了90年代，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和交流的增多，國外電氣公司進(jìn)入中國市 場(chǎng)，國內(nèi)

5、的矢量控制研究才發(fā)展起來，并逐步成為電氣傳動(dòng)的熱點(diǎn)。國內(nèi)對(duì)矢 量控制技術(shù)的研究主要集中于無速度傳感器矢量控制和電機(jī)參數(shù)的識(shí)別上，許 多工作停留在計(jì)算機(jī)仿真上，而實(shí)際應(yīng)用不多。隨著我國技術(shù)人員對(duì)矢量控制 研究的深入，矢量控制技術(shù)在我國逐漸進(jìn)入實(shí)用化階段，并有少量的由我國技 術(shù)人員開發(fā)的實(shí)際應(yīng)用。目前，國內(nèi)外矢量控制的研究趨勢(shì)主要集中在以下幾個(gè)方面：1）無速度傳感器矢量控制技術(shù)的研究；2）電機(jī)參數(shù)的識(shí)別與跟蹤；、研究轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速、磁通及 轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)調(diào)節(jié)器：對(duì)SVPWM的工作原理和控制算法進(jìn)行了研究。（2、分析了異步電機(jī)在二相靜止坐標(biāo)系、兩相靜止與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電

6、機(jī)基本數(shù)學(xué)模型和控制基本方程，在進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)變換以后，得到了基于磁 定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的控制方程式；分析了電壓空間矢量脈寬調(diào)制的基本 原理、控制算法等。2.2設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)方案基于DSP芯片對(duì)異步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，充分利用DSP的高速運(yùn)算能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，系統(tǒng)外圍電路少，可靠性高。結(jié)合IPM簡(jiǎn)單緊湊的逆變主電路，保證了電機(jī)控制的實(shí)時(shí)性，有效的簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)， 提高了系統(tǒng)的可靠性。異步電機(jī)矢量控制原理框圖如圖1所示。方案如下：系統(tǒng)的組成：包含主電路、控制電路和保護(hù)電路三大部分，具體由整流濾 波模塊、逆變模塊、IPM保護(hù)模塊、三相異步電動(dòng)機(jī)、電壓、電流和轉(zhuǎn)速檢測(cè)_個(gè)人資料整

7、 _僅限學(xué)習(xí)使用_模塊、顯示模塊、主控制模塊、DSP與PC機(jī)通信模塊等組成。系統(tǒng)主電路采用典型的交-直-交電壓型變頻器結(jié)構(gòu)。整流環(huán)節(jié)采用三相橋 式不可控整流模塊，逆變電路采用三菱公司的智能功率模塊(IPMPM25RSB-120作為功率器件，中間直流環(huán)節(jié)利用大電容濾波。系統(tǒng)控制電路包含兩個(gè)部 分，即卩TMS320F2812核心電路和基于核心電路的外部擴(kuò)展電路。DSP核心電路負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制和具體的算法實(shí)現(xiàn)功能，外部擴(kuò)展電路主要完成電壓、 電流和速度信號(hào)的檢測(cè)，數(shù)據(jù)顯示以及DSP與PC機(jī)通信等功能。圖1異步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理框圖1、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：本系統(tǒng)功率部分采用交-直-交電壓型電路。控制部分主

8、要以TMS320F2812控制芯片為核心，用它來完成矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制、電流 控制算法的實(shí)現(xiàn)、A/D轉(zhuǎn)換、電壓空間矢量PWM波的產(chǎn)生等?？刂葡到y(tǒng)采用 電流和轉(zhuǎn)速反饋的雙閉環(huán)控制。(1主電路部分主電路由整流電路、濾波電路和智能功率模塊構(gòu)成的逆變電路組成。整流 電路的主要作用是將電網(wǎng)的交流電整流后提供給逆變電路和控制電路。同時(shí)為 了減少直流脈動(dòng)，在整流橋的輸出端接濾波電路。逆變電路采用的智能功率模 塊IPM為PS22052,它采用壓注封裝技術(shù)的雙列直插式，除了具有IGBT模塊外，還集成了保護(hù)模塊，制動(dòng)模塊等。(2驅(qū)動(dòng)電路部分由于從DSP發(fā)出的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)是只有3.3 V的電壓，而整流逆變電路

9、驅(qū) 動(dòng)電壓為8-20V，采用光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路，將從DSP發(fā)出的3.3 V PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行幅值和功率放大，同時(shí)還要保證轉(zhuǎn)換的速度和精度。轉(zhuǎn)短電流轉(zhuǎn)短電流PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器勵(lì)雄勵(lì)雄電流電流轉(zhuǎn)差角頻轉(zhuǎn)差角頻率運(yùn)算器率運(yùn)算器(3電流檢測(cè)電路_個(gè)人資料整理_僅限學(xué)習(xí)使用電流檢測(cè)模塊是把電機(jī)的三相定子電流經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后便于DSP處理。由于本 系統(tǒng)是三相平衡系統(tǒng)二I，因此只要檢測(cè)其中兩路電流，便可以得到三相電流。電流的檢測(cè)精度和實(shí)時(shí)性是整個(gè)矢量控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，本系統(tǒng)采用LEM霍爾電流傳感器來檢測(cè)電流。由于DSP的AD模塊接收的電壓為0-3V的 電壓信號(hào)，而采樣信號(hào)為弱電流信號(hào)，因此應(yīng)將該電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓

10、信號(hào)， 然后經(jīng)過濾波加法處理，再通過電壓偏移電路使電壓穩(wěn)定在AD壓限幅范圍內(nèi)。(4速度檢測(cè)電路電機(jī)的轉(zhuǎn)速是通過光電編碼盤檢測(cè)的，采用M/T法測(cè)速原理，即在某一采 樣時(shí)間T內(nèi)，傳感器產(chǎn)生m個(gè)脈沖，同時(shí)記取編碼盤脈沖個(gè)數(shù)為，高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)為，T定時(shí)到時(shí)，再記取內(nèi)編碼盤脈沖個(gè)數(shù) 也，高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)。在 時(shí)間內(nèi)傳感器產(chǎn)生個(gè)脈沖，則電機(jī)轉(zhuǎn)速如下式所示速度檢測(cè)電路將檢測(cè)到的脈沖信號(hào)經(jīng)過光耦處理后輸入到DSP的正交編碼 單元QEP1，QEP2,經(jīng)內(nèi)部譯碼邏輯單元產(chǎn)生四倍頻的脈沖信號(hào)CLK和轉(zhuǎn)向信 號(hào)DIR。對(duì)脈沖信號(hào)CLK的計(jì)數(shù)可由T2計(jì)數(shù)器完成，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向由DIR確定，從而可以計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速大

11、小。2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，程序由主程序和中斷子程序組成。主程序 實(shí)現(xiàn)硬件和變量的初始化功能。中斷子程序的工作主要是實(shí)現(xiàn)A/D采樣、轉(zhuǎn)速計(jì)算、坐標(biāo)變換和實(shí)現(xiàn)SVPWM，是矢量控制系統(tǒng)的核心部分。2.3畢業(yè)設(shè)計(jì)擬采用方法和手段采用高性能的DSP芯片TMS320F2812的強(qiáng)大運(yùn)算功能和快速實(shí)時(shí)處理能 力及IPM等模塊化的芯片，利用電壓矢量調(diào)制技術(shù)構(gòu)成的對(duì)異步電機(jī)控制系 統(tǒng)進(jìn)行研究，目的是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度高，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量小、 抗干擾能力強(qiáng)，達(dá)到能與直流電機(jī)相媲美的調(diào)速性能。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在Simulink平臺(tái)上建立系統(tǒng)的各個(gè)部 分的模型模塊，包括P

12、ark、Clarke變換及Park逆變換模塊、轉(zhuǎn)子磁鏈位置計(jì) 算模塊以及PI模塊。并對(duì)異步電機(jī)的調(diào)速進(jìn)行仿真，并分析得到的結(jié)果。3.畢業(yè)設(shè)計(jì)工作計(jì)劃及進(jìn)度安排了解課題，初步確定研究范圍第 2 周收集整理材料、了解課題的相關(guān)背景及現(xiàn)狀第 3 周外文翻譯、外文翻譯校對(duì)、元成開題報(bào)告第 4 周異步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理第 5 周控制系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)第 6 周控制系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)第 7 周系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)第 8 周系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)第 9 周系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)第 10 周系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第 11 周系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第 12 周系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第 13 周系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第 14 周撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 15 周撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第

13、16 周撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文按模板修改第 17 周準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯4.參考文獻(xiàn)1 丁義行基于 DSP 的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)D.大連：大連海事大學(xué)碩士論文，2006.2 阮毅，陳伯時(shí)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)一運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)M.第四版北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.3 陳伯時(shí)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)M 第三版北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2003.145-214.4 寧改娣，曾翔君，駱一萍 DSP 控制器原理及應(yīng)用M.第二版北京：科學(xué)出版社， 2009.謝寶昌，任永德電機(jī)的 DSP 控制技術(shù)及其應(yīng)用M.北京：北京航空航天大學(xué)出版 社，2005.潘言全矢量控制的發(fā)展與研究現(xiàn)狀J.黑龍江科技信息，2009,36 :

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