交流異步電機(jī)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)以及新的電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速性能日益提高。變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)使交流調(diào)速系統(tǒng)有取代直流調(diào)速系統(tǒng)的趨勢。但是國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展要求交流變頻調(diào)速系統(tǒng)具有更高的調(diào)速精度、更大的調(diào)速范圍和更快的響應(yīng)速度，一般的通用變頻器己經(jīng)不能滿足工業(yè)應(yīng)用的需求，而交流電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)能夠很好的滿足這個要求。矢

2、量控制(Field Oriented Control)，能夠?qū)崿F(xiàn)交流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的快速控制，本文對三相交流異步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究和分析，以高性能數(shù)字信號處理器為硬件平臺設(shè)計(jì)了基于DSP的三相交流異步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)，并分析了逆變器死區(qū)效應(yīng)的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了逆變器死區(qū)的補(bǔ)償。</p><p>　　本文介紹了交流調(diào)速及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速的方案以及國內(nèi)外對矢量控制的研究狀況。以三相交流異步電機(jī)在三相靜止

3、坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過Clarke變換和Parke變換得到三相交流異步電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，并利用轉(zhuǎn)子磁場定向的方法，對該模型進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器，以實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)電流量的有效解耦，得到定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量。仿照直流電機(jī)的控制方法，設(shè)計(jì)了矢量控制算法的電流與速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了以TMS320F2812A為主控制器的硬件平臺，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了矢量控制算法，論述了電壓空間矢量調(diào)制((SVPWM)的原

4、理和方法，并對其進(jìn)行了改進(jìn)。最后對逆變器的死區(qū)進(jìn)行了補(bǔ)償。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)表明基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制(FOC)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，電流解耦方便，動態(tài)性能好，精度較高，能夠基本滿足現(xiàn)代交流電機(jī)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和速度要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞:交流異步電機(jī) ； 數(shù)字信號處理器 ； 矢量控制 ； 空間矢量調(diào)制 </p><p><b>

5、;　　Abstract</b></p><p>　　With the development of power electronics, micro-processor and new technology of motor control, the performance of AC speed regulation system is highly promoted. It seems that

6、DC speed regulation system will be replaced by AC speed regulation system, when variable frequency technology comes out. But the high development of national economy needs higher precision, wider peed-regulating range an

7、d faster response of AC variable frequency speed regulation system, while Field orientated control (FOC)</p><p>　　In this paper, the development and method of variable frequency, the national and internation

8、al research of FOC are introduced. The mathematic model of three-phase AC asynchronous motor in two-phase rotating coordinates is educed from the mathematic model in three-phase coordinates by Clarke transform and Parke

9、transform. Based on the rotor flux orientation theory and this mathematic model, the rotor flux observer is designed to make sure the magnetizing and torque current components of asynchro</p><p>　　Experiment

10、 indicates field orientated control system using rotor flux orientation theory is excellent to meet torque and speed need of modern asynchronous speed-regulation system, for its simple structure, convenient decoupling of

11、 current, high dynamic performance and precision.</p><p>　　Key Words: AC Asynchronous Motor; Digital Signal Processor; Field Oriented Control; Space Vector Pulse Width Modulation</p><p><b&g

12、t;　　目錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 交流調(diào)速相關(guān)技術(shù)的發(fā)展1</p><p>　　1. 1. 1交流調(diào)速的基本類型1</p><p>　　1. 1. 2電力電子技術(shù)的發(fā)展2</p><p>　　1.1.3微處理器與

13、數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展3</p><p>　　1.1.4 PWM技術(shù)及其發(fā)展4</p><p>　　1.2變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展5</p><p>　　1. 3變頻調(diào)速系統(tǒng)的方案6</p><p>　　1.4國內(nèi)外對矢量控制系統(tǒng)的研究7</p><p>　　1.5課題的研究內(nèi)容和意義8</p>&l

14、t;p>　　2三相異步電機(jī)的矢量控制策略10</p><p>　　2. 1矢量控制的基本原理10</p><p>　　2. 2矢量控制的坐標(biāo)變換11</p><p>　　2.2.1 Clarke變換11</p><p>　　2. 2. 2 Pa r k變換14</p><p>　　2. 3三相異步電

15、機(jī)的數(shù)學(xué)模型15</p><p>　　2.4電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)(SVPWM)16</p><p>　　2.5 SVPWM的實(shí)現(xiàn)方法19</p><p>　　3三相異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)22</p><p>　　3. 1整體框圖22</p><p>　　3. 2 P I控制器設(shè)計(jì)24</p>

16、;<p>　　4三相異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.1 TMS320F2812 DSP芯片介紹28</p><p>　　4. 2主電路設(shè)計(jì)29</p><p>　　4. 3驅(qū)動與保護(hù)電路設(shè)計(jì)30</p><p>　　4. 4檢測電路設(shè)計(jì)32</p><p>　　4.

17、4. 1電流檢測電路設(shè)計(jì)32</p><p>　　4. 4. 2速度檢測電路設(shè)計(jì)33</p><p>　　4.5電源電路設(shè)計(jì)34</p><p>　　5三相異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)37</p><p>　　5. 1 DSP的系統(tǒng)開發(fā)37</p><p>　　5. 2主程序設(shè)計(jì)38</p>

18、<p>　　5. 3 PWM中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)41</p><p>　　5. 3. 1電流采樣模塊設(shè)計(jì)樣42</p><p>　　5. 3. 2轉(zhuǎn)速采樣模塊設(shè)計(jì)42</p><p>　　5. 4程序抗干擾設(shè)計(jì)43</p><p>　　6實(shí)驗(yàn)裝置與結(jié)果44</p><p>　　6.1 實(shí)驗(yàn)裝置44

19、</p><p>　　6.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果47</p><p><b>　　結(jié)論48</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)50</b></p><p><b>　　附錄52</b></p><p><b>　　英文原文52<

20、/b></p><p><b>　　中文譯文61</b></p><p><b>　　部分程序68</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　自從電氣化時代開始以來，電動機(jī)成為重要的動力來源。起初，直流電機(jī)因其控制與調(diào)速較交流電機(jī)方便，

21、在電動機(jī)應(yīng)用中占十分重要的比例。但是隨著電力電子技術(shù)，微處理器技術(shù)、控制技術(shù)以及PWM等技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，交流電機(jī)的調(diào)速越來越方便。如今高性能的交流電機(jī)調(diào)速性能可以和直流電機(jī)相媲美。另外由于交流電機(jī)具有價格較低，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，這使得在工業(yè)中交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用。</p><p>　　1.1 交流調(diào)速相關(guān)技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，

22、目前交流調(diào)速電氣傳動已經(jīng)成為電氣調(diào)速傳動的主流。交流電機(jī)與直流電機(jī)相比，特別是鼠籠式異步電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、容易維修、轉(zhuǎn)動慣量小、制造成本低、適用于惡劣工作環(huán)境、易于向高電壓、高速大容量發(fā)展等一系列優(yōu)點(diǎn)。但是交流電機(jī)本身是一個非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，電磁轉(zhuǎn)矩很難直接通過外加信號來準(zhǔn)確控制。而隨著現(xiàn)代交流電機(jī)的調(diào)速控制理論的發(fā)展和電力電子裝置功能的完善，特別是微型計(jì)算機(jī)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，交流電機(jī)調(diào)速取得了突破性的進(jìn)展，

23、電氣傳動交流化的時代隨之到來。</p><p>　　1. 1. 1交流調(diào)速的基本類型</p><p>　　交流電機(jī)的調(diào)速類型豐富，方便靈活。常見的有:①降壓調(diào)速;②繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速;③電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速;④繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)串級調(diào)速⑤變極調(diào)速;⑥變頻調(diào)速等。</p><p>　　按照交流異步電動機(jī)的基本原理，定子側(cè)的傳入電磁功率可以分為兩部分:其一為拖動

24、負(fù)載的有效功率;其二為轉(zhuǎn)差功率。后者與轉(zhuǎn)差率s成正比。按照轉(zhuǎn)差功率的變化趨勢可以把基本的交流調(diào)速方法分為下面三個類型:</p><p>　　(1)轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng):全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)變成熱能的形式而消耗掉，上述的①、②、③三種調(diào)速方法都屬于這一類型。它們的系統(tǒng)效率最低，但是結(jié)構(gòu)簡單，在要求不高的某些場合有應(yīng)用。</p><p>　　(2)轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng):轉(zhuǎn)差功率的一部分消耗掉，

25、大部分通過交流裝置回饋給電網(wǎng)。上述的方法④就是屬于這種類型。這種裝置較轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)的能量利用率有所提高，但是增加的回饋系統(tǒng)也要消耗一定的能量，其利用率還不夠理想。</p><p>　　(3)轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng):雖然轉(zhuǎn)差功率中轉(zhuǎn)子的銅損不可避免，但是系統(tǒng)的轉(zhuǎn)差功率在整個調(diào)速階段基本不變，效率最高。上述的⑤、⑥兩種調(diào)速方式就屬于這一類。變極調(diào)速受磁極對數(shù)的影響，應(yīng)用不多。故只有變頻調(diào)速應(yīng)用最為廣泛，以這

26、種調(diào)速方法為基礎(chǔ)可以構(gòu)成高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，并可以取代直流調(diào)速系統(tǒng)，成為現(xiàn)代電氣調(diào)速系統(tǒng)的主流。</p><p>　　1. 1. 2電力電子技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　電力電子器件是現(xiàn)代交流調(diào)速的基礎(chǔ)，其發(fā)展直接決定和影響著交流調(diào)速的發(fā)展。在交流電動機(jī)的傳動控制中，應(yīng)用最多的功率器件有GTO， GTR, IGBT以及IPM 。1947年美國著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了半控的電力電子器件一

27、晶閘管，這引發(fā)了電力電子技術(shù)的一場革命，但是晶閘管的半控性影響了它的進(jìn)一步應(yīng)用。</p><p>　　70年代以后，以門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力雙極性晶閘管((BJT)和電力場效應(yīng)晶閘管(Power-MOSFET)為代表的全控型器件迅速發(fā)展。這類器件可以實(shí)現(xiàn)自由的開通與關(guān)斷，開關(guān)速度得到很大的提高，使電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段。以全控型器件為基礎(chǔ)，脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式迅速發(fā)展，PWM技術(shù)廣泛應(yīng)

28、用于逆變、斬波、整流、變頻及交流電力控制中，這對電力電子技術(shù)以及現(xiàn)代交直流調(diào)速的發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響。</p><p>　　80年代后期以絕緣柵極雙極型晶體管((IGBT)為代表的復(fù)合型器件異軍突起。它把MOSFET的驅(qū)動功率小、開關(guān)速度高的優(yōu)點(diǎn)和BJT通態(tài)壓降低、載流能力大的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合于一體。IGBT高頻開關(guān)特性好，驅(qū)動電路簡單、保護(hù)容易、開關(guān)頻率高，是目前電機(jī)變頻控制中應(yīng)用最為廣泛的主流功率器件。 IGBT集射

29、電壓小于3V，開關(guān)頻率可達(dá)到20kHz，內(nèi)含的集射間超高速二極管可達(dá)150ns。第四代IGBT的應(yīng)用使變頻器的性能有了更大的提高。IGBT開關(guān)器件的發(fā)熱減少，將占主回路發(fā)熱的50%~70%的器件發(fā)熱降低到了30%; 高頻波控制使輸出電流波形有了明顯的改善，減小了電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動;由于開關(guān)頻率的提高，電動機(jī)的金屬鳴響因振動頻率超過了人耳的感受范圍而“消失”，即實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)行的靜音化;驅(qū)動回路簡單，驅(qū)動功率減少，使得整體裝置更加緊湊，休積減小。

30、</p><p>　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率半導(dǎo)體器件又向智能化發(fā)展，智能功率模塊IPM(Intelligent Power Module)是微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。IPM包含了IGBT芯片及外圍的驅(qū)動和保護(hù)電路，有些甚至把光耦也集成于一體，是一種更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的集成型功率器件。利用IPM的控制功能與微處理器相結(jié)合，可方便地構(gòu)成智能功率控制系統(tǒng)。由于采用了隔離技術(shù)，使得器件散熱均勻、體積緊湊，

31、不但提高了可靠性，而且使系統(tǒng)的開發(fā)時間、開發(fā)費(fèi)用都大大減少。IPM以其可靠性高、用戶使用方便等優(yōu)點(diǎn)贏得越來越大的市場，尤其適合制作驅(qū)動電機(jī)的變頻器，是一種較為理想的電力電子器件。</p><p>　　1.1.3微處理器與數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　微處理器的發(fā)展推動了控制技術(shù)的發(fā)展，使得現(xiàn)代控制理論中的一些先進(jìn)的控制策略應(yīng)用到電機(jī)控制中成為可能。</p><

32、p>　　在微處理器出現(xiàn)之前，驅(qū)動控制系統(tǒng)只能由模擬系統(tǒng)構(gòu)成。由模擬器件構(gòu)的系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)簡單的控制，功能單一，升級換代困難，而分立器件構(gòu)成的系統(tǒng)控制精度不高，溫度漂移，器件老化嚴(yán)重，使得維護(hù)成本增高，限制了它的發(fā)展和應(yīng)用。</p><p>　　隨著微處理器的應(yīng)用，使得控制系統(tǒng)由模擬式進(jìn)入模數(shù)混合式[1]，基礎(chǔ)電路甚至電機(jī)控制專用集成電路被大量在電機(jī)控制中引用，這些電路大大提高了電機(jī)控制器的可靠性、抗干擾能力，

33、又縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了研制費(fèi)用，因而近年來發(fā)展很快。</p><p>　　目前，適用于電機(jī)系統(tǒng)控制的控制器有單片機(jī)和數(shù)字信號處理器兩種。</p><p>　　單片機(jī)機(jī)片內(nèi)集成較多的I/O接口，但運(yùn)算速度較慢，對電機(jī)的實(shí)時控制性能不夠優(yōu)越。主要代表為Intel公司早期的微處理器芯片8088,8085,8086和后

34、

35、 </p><p>　　DSP是于九十年代出現(xiàn)的，面向快速信號處理的運(yùn)算器。它的運(yùn)

36、算速度快，如德州儀器生產(chǎn)的C2000系列DSP主頻最高可以達(dá)到 150MHz。采用DSP構(gòu)成全數(shù)字電機(jī)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)控制功能的軟件化，提高控制的實(shí)時性，降低系統(tǒng)的成本，并且可以方便的實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的控制策略。本文的電機(jī)矢量控制系統(tǒng)正是基于德州儀器(TI)的TMS320F2812這款數(shù)字信號處理器實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　如今國內(nèi)外也有不少學(xué)者和工程師把可編程控制器CPLD/FPGA應(yīng)用到電機(jī)控制與調(diào)速領(lǐng)域。這

37、主要是看重它們存儲量大，處理速度更高的優(yōu)點(diǎn)，但是這類微處理器的控制功能較弱，I/O操作并不是十分方便，往往需要配合單片機(jī)才能更好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，所以這限制了可編程控制器在電機(jī)控制和交直流調(diào)速中的應(yīng)用。</p><p>　　1.1.4 PWM技術(shù)及其發(fā)展</p><p>　　交流電機(jī)調(diào)速性能的不斷提高在很大程度上是由于PWM技術(shù)的不斷進(jìn)步。隨著電壓型逆變器在高性能電力電子裝置(如交流傳動

38、、不間斷電源和有源濾波器)中的應(yīng)用越來越廣泛，PWM控制技術(shù)作為這些系統(tǒng)的核心技術(shù)，引起了人們的高度重視，并得到深入的研究。所謂PWM技術(shù)就是利用半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，以實(shí)現(xiàn)變壓變頻并有效地控制和消除諧波的一門技術(shù)。目前，幾乎所有的變頻調(diào)速裝置都采用這一技術(shù)。PWM技術(shù)用于變頻器的控制可以明顯改善變頻器的輸出波形，降低電機(jī)的諧波損耗，并減小轉(zhuǎn)矩脈動，同時還簡化了逆變器的結(jié)構(gòu)，加快了調(diào)節(jié)速度，提高了系

39、統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能。</p><p>　　目前，采用高速功率器件的電壓型PWM變頻器的主導(dǎo)控制技術(shù)[3]有:</p><p>　?、倩谡也ê腿遣}寬調(diào)制的SPWM控制，</p><p>　　②基于消除指定次數(shù)諧波的HEPWM控制，</p><p>　?、刍陔娏鳒h(huán)跟蹤的CHPWM控制，</p><p>　?、茈妷?/p>

40、空間矢量控制SVPWM，或稱磁鏈軌跡跟蹤控制。</p><p>　　這四種PWM技術(shù)中，前兩種是以輸出電壓接近正弦波為控制目標(biāo)，第三種是以輸出電流接近正弦波為控制目標(biāo)，第四種是以被控電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場接近圓形為控制目標(biāo)。</p><p>　　三相SPWM控制方案由于其原理簡單，通用性強(qiáng)，控制和調(diào)節(jié)性能好，是目前國內(nèi)外的電機(jī)控制中應(yīng)用最廣的一種，該方法使得流入電動機(jī)的電流諧波較少，電機(jī)振動小，其

41、控制變頻壓縮機(jī)的效果較好，相應(yīng)的硬件和軟件技術(shù)較成熟，但它仍然存在直流電壓利用率低、諧波含量大，轉(zhuǎn)矩脈動較大等缺點(diǎn)。</p><p>　　消除指定次數(shù)諧波的HEPWM控制是通過脈沖平均法把逆變器輸出的方波電壓轉(zhuǎn)換成等效的正弦波以消除某些特定諧波，這樣就可以實(shí)現(xiàn)某些特定的優(yōu)化目標(biāo)，如諧波最小，效率最優(yōu)等;但是其中求解最優(yōu)開關(guān)角的方程為非線性的，且為超越函數(shù)，因此必須采用計(jì)算機(jī)編寫最優(yōu)的搜索程序，另外，要提高直流電壓

42、的利用率，還必須采取相應(yīng)的優(yōu)化措施，這又增加了系統(tǒng)的開發(fā)復(fù)雜度。</p><p>　　CHPWM控制方[4]法的優(yōu)點(diǎn)是控制簡單、電流響應(yīng)快;而其缺點(diǎn)是開關(guān)頻</p><p>　　率不固定，電流紋波大，低調(diào)制比時造成開關(guān)頻率高，對功率器件不利，而且三相滯環(huán)需要相互獨(dú)立控制，這在三相交流電機(jī)控制中顯然增加了控制復(fù)雜度。此外，在直流電壓不夠高、反電動勢太大(高速調(diào)速中)或電流太小時，電流控制效果

43、不理想。</p><p>　　電壓空間矢量控制[5](SVPWM控制)從電動機(jī)角度出發(fā)，以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機(jī)的理想磁鏈圓為基準(zhǔn)，用逆變器不同的工作模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶縼碜粉櫥鶞?zhǔn)磁鏈圓，由追蹤的結(jié)果決定變頻器的開關(guān)模式，形成PWM波，這種方法就叫做“磁鏈軌跡跟蹤控制”。由于磁鏈的軌跡是靠電壓空間矢量相加得到的，因此又叫做“電壓空間矢量控制”?？臻g矢量法是目前國際上比較先進(jìn)的變頻工作模式，由于其供

44、給電動機(jī)的是理想磁鏈圓，因此，電動機(jī)工作更平穩(wěn)，噪音更低，同時也提高了電動機(jī)的工作效率，提高了電源電壓的利用效率。</p><p>　　1.2變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　交流變頻調(diào)速技術(shù)相對于變壓調(diào)速等其它方法有著明顯的優(yōu)點(diǎn):①調(diào)速時平滑性好，效率高;②調(diào)速范圍較大，精度高;③起動電流低，對系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，節(jié)電效果明顯;④變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡便;⑤易于實(shí)現(xiàn)過程

45、自動化等優(yōu)異特性，在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　20世紀(jì)是電力電子變頻技術(shù)由誕生到發(fā)展的一個全盛時期。最初的交流變頻調(diào)速理論誕生于20世紀(jì)20年代，直到60年代，由于電力電子器件的發(fā)展，才促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)向?qū)嵱梅较虻陌l(fā)展。70年代，席卷工業(yè)發(fā)達(dá)國家的石油危機(jī)，促使他們投入大量的人力、物力、財(cái)力去研究高效率的變頻器，使變頻調(diào)速技術(shù)有了很大的發(fā)展并得到推廣應(yīng)用。80年代，變頻調(diào)速己產(chǎn)品化，性能也不

46、斷提高，充分發(fā)揮了交流調(diào)速的優(yōu)越性，廣泛的應(yīng)用于工業(yè)各部門，并且部分取代了直流調(diào)速。進(jìn)入90年代，由于新型電力電子器件的發(fā)展及性能的提高、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及先進(jìn)控制理論和技術(shù)的完善和發(fā)展等原因，極大地提高了變頻調(diào)速的技術(shù)性能，促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，使變頻調(diào)速裝置在調(diào)速范圍、驅(qū)動能力、調(diào)速精度、動態(tài)響應(yīng)、輸出性能、功率因數(shù)、運(yùn)行效率及使用的方便性等方面大大超過了其他常規(guī)交流調(diào)速方式，其性能指標(biāo)亦已超過了直流調(diào)速系統(tǒng)，達(dá)到取代直流調(diào)速

47、系統(tǒng)的地步。</p><p>　　目前，交流變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果以及在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的廣泛適用性，而被公認(rèn)為是一種最有前途的交流調(diào)速方式，代表了電氣傳動發(fā)展的主流方向。變頻調(diào)速技術(shù)為節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量提供了至關(guān)重要的手段。變頻調(diào)速理論己形成較為完整的科學(xué)體系，成為一門相對獨(dú)立的學(xué)科。</p><p>　　變頻裝置按變換環(huán)節(jié)分有交-直-交系

48、統(tǒng)和交-交系統(tǒng)兩大類，交-直-交系統(tǒng)又分為電壓型和電流型，其中，電壓型變頻器[6]在工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛;按電壓的調(diào)制方式分為脈幅調(diào)制PAM(Pulse Altitude Modulation)和脈寬調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation)兩大類，前者己幾近絕跡，目前普遍采用的是后者。</p><p>　　1. 3變頻調(diào)速系統(tǒng)的方案</p><p>　　目前典型的變頻調(diào)速控

49、制類型主要有四種:①恒壓頻比（V/f）控制，②轉(zhuǎn)差頻率控制，③矢量控制，④直接轉(zhuǎn)矩控制。下面分別對這四種調(diào)速控制類型進(jìn)行介紹。</p><p>　　早期的變頻系統(tǒng)都是采用開環(huán)恒壓比(U/f=常數(shù))的控制方式，U/f控制是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電路簡單，負(fù)載可以是通用標(biāo)準(zhǔn)異步電動機(jī)，所以通用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式，普遍應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、泵類的調(diào)速系統(tǒng)中。但是由于這種控制方

50、法是開環(huán)控制，調(diào)速精度不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)[7]的存在而性能下降、穩(wěn)定性變差。</p><p>　　異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制是一種轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。利用異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率成正比的關(guān)系來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，就可以達(dá)到與直流恒磁通調(diào)速系統(tǒng)相似的性能。它的優(yōu)點(diǎn)在于頻率控制環(huán)節(jié)的輸入頻率信號是由轉(zhuǎn)差信號和實(shí)測轉(zhuǎn)速信號相加后得到的，在轉(zhuǎn)速變化過程中，實(shí)際頻率隨著實(shí)際轉(zhuǎn)速同步上升或下降，因此加、減速更平滑，容

51、易穩(wěn)定。其缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律是從異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式推得的，所以存在動態(tài)時磁通的變化不能得到控制、電流相位沒有得到控制等差距，使其不能達(dá)到與直流恒磁通調(diào)速系統(tǒng)同樣的性能。</p><p>　　本世紀(jì)70年代西德F.Blaschke等人首先提出矢量控制(FOC)理論[8]，由此開創(chuàng)了交流電動機(jī)等效直流電動機(jī)控制的先河。矢量控制也稱為磁場定向控制，它著眼于電機(jī)磁場的直接控制。其主要思想是將異步

52、電動機(jī)模擬成直流電動機(jī)，通過坐標(biāo)變換的方法分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制，從而獲得與直流電動機(jī)一樣良好的動態(tài)調(diào)速特性。因?yàn)檫@種方法采用了坐標(biāo)變換，所以對控制器的運(yùn)算速度、處理能力等性能要求較高。但在實(shí)際上矢量控制運(yùn)算及轉(zhuǎn)子磁鏈估計(jì)中要使用電動</p><p>　　機(jī)參數(shù)，其控制的精確性受到參數(shù)變化的影響，所以精確的矢量控制系統(tǒng)要對電動機(jī)的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。這種控制方式需要解耦計(jì)算和坐標(biāo)旋

53、轉(zhuǎn)變換，計(jì)算量較大，實(shí)現(xiàn)起來困難。在矢量控制系統(tǒng)中，給定量要從直流變?yōu)榻涣?，而反饋量要從交流變?yōu)橹绷髟偌由限D(zhuǎn)子磁鏈模型、轉(zhuǎn)子參數(shù)的辨識與校正等;因此電機(jī)的速度辨識及磁鏈觀測器的實(shí)現(xiàn)是矢量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在。</p><p>　　1985年德國魯爾大學(xué)DePenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論(DTC)。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，DTC摒棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡單的通過檢測電機(jī)定子電壓和電

54、流，借助瞬時空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得的差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系計(jì)算與控制交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場定向，借助離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器產(chǎn)生脈寬調(diào)制(PWM)信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于:直接在定子坐標(biāo)系上分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型、控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換和計(jì)算。

55、大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題。但是由于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是直接進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的砰-砰控制，避開了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，降低調(diào)速性能，因此只能用在對調(diào)速要求不高的場合。同時，</p><p>　　直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的控制也較復(fù)雜，造價較高。</p><p>　　1.4國內(nèi)外對矢量控制系統(tǒng)的研究</p><p>　

56、　自從1971年德國西門子公司的F.Blashke提出了異步電機(jī)的矢量控制技術(shù)</p><p>　　(FOC)，交流調(diào)速理論得到了歷史性的飛躍。國內(nèi)外眾多學(xué)者和工程師也對矢量控制理論進(jìn)行了深入的研究，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了各種可行的控制策略。</p><p>　　日本學(xué)者Yamamura, Nabae等人借鑒了矢量控制的思想和方法[9]，應(yīng)用穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)差頻率得出轉(zhuǎn)子磁場的位置，提出了轉(zhuǎn)

57、差矢量控制方法。該理論出發(fā)點(diǎn)是異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩主要由電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率來決定。它以定子電流和頻率為控制量，保持電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場大小不變，而改變磁場的旋轉(zhuǎn)速度，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時控制。</p><p>　　氣隙磁場定向的矢量控制方案把旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定向于氣隙磁場的方向，此時磁場的q軸分量為零。如果保持氣隙磁通d軸分量恒定，轉(zhuǎn)矩就和q軸電流成正比。這樣通過控制q軸電流可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的直接控制。</p>

58、<p>　　定子磁場定向的矢量控制方案將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的d軸定位在定子磁場方向上，此時定子磁通的q軸分量為零。保持定子磁通恒定，轉(zhuǎn)矩就和q軸電流成正比。定子磁場方向控制使定子方程大大簡化，從而有利于定子磁鏈觀測器的實(shí)現(xiàn)，另外本方案的解決需要設(shè)計(jì)一個電流的解耦器。</p><p>　　轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方法是在磁場定向中，將d-q坐標(biāo)系放在同步旋轉(zhuǎn)磁場上，將電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通方向與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸重合。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁

59、通恒定時，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流的q軸分量成正比，通過控制定子電流的q軸分量就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩。把定子電流的d軸分量稱為勵磁分量，定子電流的q軸分量稱為轉(zhuǎn)矩分量，分別控制兩個變量就可以實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦與控制。</p><p>　　上述四種方案中轉(zhuǎn)差矢量控制方案不適合高性能電機(jī)控制系統(tǒng);氣隙磁場定向系統(tǒng)中磁通關(guān)系和轉(zhuǎn)差關(guān)系存在耦合，需要增加解耦器，這比轉(zhuǎn)子磁通的控制方案要復(fù)雜很多，而處理飽和效應(yīng)時，應(yīng)用氣隙磁場定向

60、較為合適;定子磁場定向的矢量控制方案在一般的調(diào)速范圍內(nèi)可以利用定子方程作為磁鏈觀測器，可以達(dá)到非常好的動態(tài)與靜態(tài)性能。然而，系統(tǒng)在低速時，反電動勢測量誤差變大，定子磁鏈觀測器達(dá)不到要求的精度，系統(tǒng)性能不能滿足。因此該方案比較適合于大范圍的弱磁運(yùn)行以及要求恒功率調(diào)速的情況下;轉(zhuǎn)子磁通定向的方案受轉(zhuǎn)子時間常數(shù)的影響很大，系統(tǒng)性能有所降低。但是它達(dá)到了電流的完全解耦，控制系統(tǒng)簡單，動態(tài)性能和精度較好。因此這種控制方法得到了更為廣泛的應(yīng)用。本文

61、中就是在轉(zhuǎn)子磁通定向控制的基礎(chǔ)上完成的。</p><p>　　1.5課題的研究內(nèi)容和意義</p><p>　　本課題源于項(xiàng)目研發(fā)的需要，以三相交流異步電機(jī)為主要的控制對象，結(jié)合數(shù)字控制技術(shù)、電力電子技術(shù)及微處理器技術(shù)，開發(fā)矢量控制理論在三相交流異步電機(jī)中的應(yīng)用。</p><p><b>　　本文的主要內(nèi)容為:</b></p>&l

62、t;p>　　(1)相關(guān)理論的調(diào)研與分析</p><p>　　分析和介紹了交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展與方案、變頻調(diào)速的發(fā)展與方案以及國內(nèi)外對矢量控制的研究現(xiàn)狀，得出本文選用的控制方案為帶速度傳感器的基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢</p><p><b>　　量控制理論。</b></p><p>　　(2)矢量控制的理論分析及其在三相交流異步電機(jī)中的算法實(shí)現(xiàn)&

63、lt;/p><p>　　以三相交流異步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過Clarke變換和Parke變換得到三相交流異步電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，并利用轉(zhuǎn)子磁場定向的方法，對該模型進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器，實(shí)現(xiàn)定子電流和轉(zhuǎn)矩的解耦。結(jié)合轉(zhuǎn)子磁場定向的理論，開發(fā)矢量控制理論在三相交流異步電機(jī)中的算法實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　(3)電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)<

64、/p><p>　　研究了全數(shù)字化電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)(SVPWM)[10]的理論推導(dǎo)與實(shí)現(xiàn)方法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了算法的改進(jìn)和優(yōu)化。</p><p>　　(4)基于DSP平臺的矢量控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　介紹了DSP的性能，并以TI公司的TMS320F2812為主控制器，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件平臺，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了矢量控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。</p>

65、;<p>　　矢量控制理論完全能夠滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對交流調(diào)速系統(tǒng)提出的寬調(diào)速范圍，快速響應(yīng)性能，高精度和穩(wěn)定性的要求，如今矢量控制理論已經(jīng)應(yīng)用到家用電器、車輛交通、航空航天、軍工及醫(yī)療設(shè)備的各個領(lǐng)域中，具有較好的應(yīng)用前景。</p><p>　　2三相異步電機(jī)的矢量控制策略</p><p>　　2. 1矢量控制的基本原理</p><p>　　所謂矢量控制

66、就是將靜止坐標(biāo)系上表示的電動機(jī)矢量關(guān)系變換到以氣隙磁場、定子磁場或者轉(zhuǎn)子磁場定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系上，達(dá)到對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時控制的目的。由于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方法簡單易行，解耦方便，控制精度較好，本文的工作就是基于轉(zhuǎn)子磁場定向的。交流電機(jī)三相定子電流 、 、 ，經(jīng)過由三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系變換得到 、，.然后、，再由兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換，并使d軸沿著轉(zhuǎn)子磁鏈的方向，得到交流電機(jī)勵磁電流分量，和轉(zhuǎn)矩電流分量，分別等效于

67、直流電動機(jī)的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流。這樣通過控制和，就可以按照直流電動機(jī)的控制方法來控制交流電動機(jī)。</p><p>　　圖2.1矢量控制原理框圖</p><p>　　矢量控制基本原理如圖2-1所示，其中FOC框就是用來實(shí)現(xiàn)矢量控制的，可以完全用軟件來實(shí)現(xiàn)。3S/2S是三相靜止到兩相靜止坐標(biāo)系的變換，VR是兩相旋轉(zhuǎn)變換，θ是轉(zhuǎn)子磁鏈位置角，它表示d軸與α軸的夾角，由轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器給出。FOC實(shí)

68、現(xiàn)的關(guān)鍵是在于轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器的構(gòu)造，也就是轉(zhuǎn)子磁鏈位置角θ的確定，這要涉及到交流電機(jī)電流解耦問題。因此需要研究交流電機(jī)的模型、坐標(biāo)變換以及在此基礎(chǔ)上的電流解耦問題。</p><p>　　2. 2矢量控制的坐標(biāo)變換</p><p>　　如前所述，為了便于組成控制系統(tǒng)，對異步電動機(jī)采用矢量變換控制，需要把,A-B-C三相坐標(biāo)系的交流量先變換成α-β兩相坐標(biāo)系的交流量，然后再變換成以轉(zhuǎn)子磁場定向

69、的d-q直角坐標(biāo)系的直流量。此外，在控制調(diào)節(jié)過程中，還需要對兩相坐標(biāo)系下的電壓、電流和磁通進(jìn)行分析，確定幅值的大小和相位。矢量控制系統(tǒng)的坐標(biāo)變換包括靜止坐標(biāo)系間的變換、旋轉(zhuǎn)與靜止坐標(biāo)系間的變換以及直角坐標(biāo)系與極坐標(biāo)系間的變換。</p><p>　　2.2.1 Clarke變換</p><p>　　Clarke變換[11]指的是靜止三相坐標(biāo)系變換為靜止二相坐標(biāo)系(3 S/2S變換)<

70、/p><p>　　靜止三相坐標(biāo)系A(chǔ)-B-C和靜止二相坐標(biāo)系a渭之間的變換，其變換關(guān)系如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 3S/2S變換圖 </p><p>　　假設(shè)α軸與A軸重合，三相系繞組每相有效匝數(shù)，二相系繞組每相有效匝數(shù)。變換的原則是變換前后總磁勢、總功率不變。為了便于反變換，即靜止二相坐標(biāo)系變換為靜止三相坐標(biāo)系，我們增加

71、一個假想的零軸電流 , ，這并不影響總的變換結(jié)果，k為某一待定常數(shù)。</p><p>　　變換前后總磁勢相等:靜止二相繞組和靜止三相繞組的磁勢在α軸和β軸上投影相等，即</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　將上式化簡并寫成矩陣形式</p><p>　　(2.2)

72、 </p><p>　　變換前后總功率不變:可以解得:</p><p>　　(2.3) </p><p>　　故Clarke變換為:</p><p>　　(2.4)

73、 </p><p><b>　　變換矩陣為</b></p><p><b>　　(2.5)</b></p><p>　　對于三相繞組是星型連接的平衡系統(tǒng)有，故Clarke可以簡化為</p><p><b>　　(2.6)</b></p>

74、<p>　　通過求Clarke變換矩陣的逆陣，我們可以得到Clarke逆變換，也就是從兩相靜止坐標(biāo)系到三相靜止坐標(biāo)系的變換為:</p><p>　　(2.7) </p><p>　　2. 2. 2 Pa r k變換</p><p>　　Parke變換是指兩相靜止坐標(biāo)系到二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變

75、換(2S/2R變換)</p><p>　　把二相靜止坐標(biāo)系α-β(α軸仍和A軸重合)和二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q兩個坐標(biāo)系畫在一起如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 2S/2R變換圖</p><p>　　d, q繞組在空間垂直放置，并讓該坐標(biāo)系以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，則產(chǎn)生的磁動勢與靜止坐標(biāo)系的兩相交流電流.今產(chǎn)生同樣的磁動勢。d軸和α軸的夾角θ是一個隨負(fù)載和轉(zhuǎn)速的

76、變量。Parke變換(2S/2R變換)的矩陣形式為:</p><p><b>　　(2.8)</b></p><p><b>　　變換矩陣為：</b></p><p><b>　　(2.9)</b></p><p>　　通過求Parke變換矩陣的逆陣，我們可以得到Parke逆變

77、換((2R/2S)的矩陣形式為:</p><p><b>　　(2.10)</b></p><p>　　2. 3三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　矢量控制的基礎(chǔ)是三相異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立，而三相交流電機(jī)的電流、磁通和轉(zhuǎn)速之間都是互相影響的。另外，三相電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子分別等效成為三個繞組[12]，每個繞組在產(chǎn)生磁通時都有自己的電磁慣性

78、，加上運(yùn)動系統(tǒng)的機(jī)電慣性，變頻裝置的滯后因素等，這些因素都決定了異步電機(jī)是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。</p><p>　　在研究異步電機(jī)多變量數(shù)學(xué)模型時，常作一下假設(shè):</p><p>　?、俸雎钥臻g諧波，假設(shè)電機(jī)三相繞組對稱(空間互差電角度)，所產(chǎn)生的磁動勢沿著氣隙圓周按照正弦規(guī)律分布。②忽略磁飽和，繞組具有恒定的自感和互感。④忽略鐵損。⑤各個繞組的電阻恒定，不受頻率和溫度的

79、影響。⑥將電機(jī)轉(zhuǎn)子等效成為繞線轉(zhuǎn)子，折算到定子側(cè)，而且折算后的三相繞組匝數(shù)相等。這樣得到三相異步電機(jī)的物理模型如圖2-4示。圖中的三相繞組軸線A, B, C在空間是固定的，以A軸為參考坐標(biāo)軸;轉(zhuǎn)子繞組軸線a、 b、c隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子a軸和定子A軸間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(jī)的慣例和右手螺旋定則。我們可以用系統(tǒng)的電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動方程來描述三相異步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

80、。</p><p>　　圖2.4三相異步電機(jī)的物理模型</p><p>　　2.4電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)(SVPWM)</p><p>　　通過PWM控制方式對異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主電路進(jìn)行控制，是實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)空間矢量調(diào)制和矢量控制的基礎(chǔ)。PWM控制的主電路如圖2.5示，圖中T1-T6是逆變器的六個全控式功率開關(guān)器件，它們各有一個反并聯(lián)的續(xù)流二極管。六路PWM控制信號接

81、到T1~T6的源極輸入端，通過有規(guī)律的控制T1~T6的開通和關(guān)斷，就可以實(shí)現(xiàn)PWM輸出控制。整個逆變器由三相不可控整流器供電，所提供的直流恒壓為。</p><p>　　圖2.5逆變器主電路原理圖</p><p>　　SVPWM從電機(jī)的角度出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，這種調(diào)制方法把逆變器和電機(jī)作為一個整體考慮，是一種無反饋型工作模式，以三相對稱正

82、弦波電壓供電時交流電動機(jī)的理想磁鏈圓為基準(zhǔn)用逆變器不同的工作模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶縼碜粉櫥鶞?zhǔn)磁鏈圓[13]，由追蹤的結(jié)果決定逆變器的開關(guān)模式，形成PWM波。</p><p>　　2. 4. 1 SVPWM的基本原理</p><p>　　在理想電源供電時，某時刻加到電機(jī)三相繞組上的三相對稱正弦電壓為:</p><p><b>　?。?.11）</

83、b></p><p>　　式中，為相電壓的最大值，為電源角頻率，、 和分別為三相定子繞組的相電壓。設(shè),為電壓空間矢量在α、β軸上的投影，則定子電壓空間矢量為:</p><p><b>　　（2.12）</b></p><p>　　根據(jù)三相系統(tǒng)向兩相系統(tǒng)變換保持幅值不變的原則，有下式成立:</p><p><b

84、>　?。?.13）</b></p><p>　　式中為Clark變換坐標(biāo)轉(zhuǎn)換式：</p><p><b>　　（2.14）</b></p><p><b>　　綜上可得：</b></p><p><b>　?。?.15）</b></p><

85、p>　　由上式可見，當(dāng)理想電源供電時，加到電機(jī)繞組上的瞬時空間電壓矢量會以一定大小的角速度旋轉(zhuǎn)，其軌跡在復(fù)平面上是一個圓心在原點(diǎn)、半徑為的圓周。</p><p>　　己知電機(jī)定子電壓矢量方程為:</p><p><b>　?。?.16）</b></p><p>　　忽略定子阻抗壓降，則定子磁通矢量為:</p><p&g

86、t;<b>　　（2.17）</b></p><p>　　由式(2.17)可見，磁通矢量是一個比電壓矢量滯后的旋轉(zhuǎn)矢量，磁通矢量的軌跡為圓，其半徑為:</p><p>　　(2.18) </p><p>　　由式(2.18)可以看出當(dāng)壓頻比為常數(shù)時

87、，磁通軌跡半徑r也為常數(shù)，隨著的變化，磁通矢量必的定點(diǎn)運(yùn)動軌跡就形成了一個以:為半徑的圓，即得到了一個理想的磁通圓，SVPWM法以此理想磁通圓為基準(zhǔn)圓。</p><p>　　在圖2.5中，每個橋臂上的晶體管可以看作是一個開關(guān)，文中采用導(dǎo)通型逆變器，所以Tl與T4, T3與T6, T5與T2之間互為反相，即一個導(dǎo)通，另一個必須斷開，所以實(shí)際上只有三個獨(dú)立開關(guān)，三組開關(guān)共有 = 8種開關(guān)組合，所以有8種工作狀態(tài)。規(guī)定

88、:三相負(fù)載的某一相與直流電源正極接通時，該相的開關(guān)狀態(tài)為“1”，與負(fù)極接通時，該相的狀態(tài)為“0”，這八種工作狀態(tài)用空間矢量的概念可以表示為：(000),(001),(010),(011),(100),(101),(110)和(111)。其中~是非零矢量，為工作狀態(tài)，6個非零矢量幅值相等相位互差/3電角度，狀態(tài)矢量、為零矢量。</p><p>　　2. 5 SVPWM的實(shí)現(xiàn)方法</p><p&

89、gt;　　實(shí)現(xiàn)SVPWM的方法[14]很多，有磁鏈圓軌跡法、電壓矢量合成法等。這里介紹電壓矢量合成法，在圖2.6，假設(shè)一個PWM調(diào)制周期足夠小，在這個周期的平均電壓空間矢量可以認(rèn)為近似不變，所以在六個非零矢量所組成的六邊形內(nèi)的任意一個矢量都可以用與它相鄰的兩個滿足逆變器工作狀態(tài)的矢量和兩個零矢量合成。這也是連續(xù)空間矢量調(diào)制的基礎(chǔ)。為了得到優(yōu)化的諧波性能和最少的開關(guān)次數(shù)，在一個調(diào)制周期內(nèi)，應(yīng)適當(dāng)安排狀態(tài)的轉(zhuǎn)換順序，并且在做每一次轉(zhuǎn)換時，只

90、有一個橋臂的開關(guān)管執(zhí)行切換，這是因?yàn)楫?dāng)有兩個或三個橋臂同時動作時，在線電壓的半周期內(nèi)會出現(xiàn)反極性的電壓脈沖，產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，引起轉(zhuǎn)矩脈動和電磁噪聲?；谏鲜鲈瓌t，在奇數(shù)區(qū)間內(nèi)，狀態(tài)序列為，在偶數(shù)區(qū)間內(nèi)，狀態(tài)序列為。</p><p>　　圖2.6三相電壓源逆變器的空間矢量圖</p><p>　　空間矢量脈寬調(diào)制的核心問題就是計(jì)算每一個調(diào)制周期內(nèi)的非零矢量和零矢量的作用時間[15]，以下分析參考

91、矢量位于第I區(qū)間內(nèi)的合成方法及如何產(chǎn)生空間矢量PWM調(diào)制，參見圖2.7，有(2.19)式成立，式中，，為載波周期，為零矢量作用時間。</p><p>　　圖2.7參考矢量位于奇數(shù)區(qū)間k的SVPWM的逆變器開關(guān)信號</p><p><b>　?。?.19）</b></p><p>　　因?yàn)?=0，在這個調(diào)制周期內(nèi)是不變的，和是常矢量，所以上式可簡

92、化為:</p><p><b>　?。?.20）</b></p><p>　　將(2.20)式分解為實(shí)部和虛部分量，則電壓合成矢量的α ,β分量 , 滿足:</p><p><b>　　（2.21）</b></p><p>　　式中k由下式?jīng)Q定，其中θ為α、β分量的夾角：</p>&l

93、t;p>　　解方程( 2.21 )得:</p><p><b>　?。?.22）</b></p><p>　　為了產(chǎn)生對稱的三相正弦電壓，要求所產(chǎn)生的空間矢量的軌跡是一個圓[16]。所以滿足:</p><p><b>　?。?.23）</b></p><p>　　其中，t為與之間的夾角。則由式

94、(2.22)可得:</p><p><b>　　（2.24）</b></p><p>　　由上式可知，調(diào)制時，通過控制電壓矢量的作用時間，即可用盡可能多的多邊形磁通軌跡逼近理想的圓形磁通[17]。一般當(dāng)邊數(shù)>>40時，即可近似認(rèn)為磁通軌跡近似為圓形。</p><p>　　3三相異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)</p><

95、;p><b>　　3. 1整體框圖</b></p><p>　　矢量控制的方式主要有兩種:有速度傳感器和無速度傳感器的矢量控制。本文中采用的是帶速度傳感器的矢量控制方式?；谵D(zhuǎn)子磁鏈定向的系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　系統(tǒng)采用的是帶速度傳感器的基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制理論

96、，控制結(jié)構(gòu)上采用速度和電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器進(jìn)行轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測，通過檢測定子電流，并經(jīng)過三相坐標(biāo)系到轉(zhuǎn)子磁場定向的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換，得到在d-q坐標(biāo)系上電機(jī)定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量，定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量通過各自的控制器輸出，并通過兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系，再利用電壓空間矢量法(SVPWM)來控制脈寬并驅(qū)動逆變器進(jìn)行工作。</p><p>　　回饋通道主要是

97、定子電流回饋和轉(zhuǎn)子速度回饋。電流反饋用于反映負(fù)載的狀況，使電流的轉(zhuǎn)矩分量，隨負(fù)載而變化，模擬出直流電機(jī)的工作狀況。速度反饋用于反映拖動系統(tǒng)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速間的差異，并使之以合適的速度進(jìn)行校正，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。交流電機(jī)的A相和B相定子電流采樣值經(jīng)Clarke變換和Parke變換得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量，并結(jié)合轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器得到轉(zhuǎn)子磁鏈位置角θ，這三個量用于控制系統(tǒng)的前向通道的控制[18]。</p>

98、<p>　　前向通道是回饋通道的逆變換:由兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系回到兩相靜止坐標(biāo)系下。是系統(tǒng)給定速度，經(jīng)過速度PI控制器和弱磁控制環(huán)節(jié)分別得到電流的轉(zhuǎn)矩分量參考值和勵磁分量參考值，兩者經(jīng)過各自的電流PI控制器得到各自電壓的參考值和，再經(jīng)過Park逆變換得到和從而可以建立空間矢量調(diào)制(SVPWM)算法，對逆變器進(jìn)行控制。</p><p>　　系統(tǒng)中有四個主要的控制環(huán)節(jié):三個PI控制器和一個弱磁控制環(huán)節(jié)。PI控制

99、器包括一個速度控制器和兩個電流控制器。弱磁控制環(huán)節(jié)用于超過額定轉(zhuǎn)速時控制用的。本文中負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，變頻器的工作在額定頻率以下，所以在求取時，可以按照=k得到。</p><p>　　該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩動態(tài)相應(yīng)快，關(guān)鍵在于以下兩點(diǎn):</p><p>　　(1)定子電流的快速準(zhǔn)確的獲得。</p><p>　　(2)電流模型的建立與轉(zhuǎn)子磁鏈位置的計(jì)算。</p&

100、gt;<p>　　3. 2 P I控制器設(shè)計(jì)</p><p>　　矢量控制系統(tǒng)中反饋環(huán)節(jié)采用了PI控制器，PI控制器包括比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)兩個部分。比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，以最快速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的方向變化。比例系數(shù)變大，穩(wěn)態(tài)誤差減小;同時動態(tài)性能變差，振蕩比較嚴(yán)重，超調(diào)量增大。積分作用的引入主要是為了保證實(shí)際輸出值在穩(wěn)態(tài)時對設(shè)定值之間的無靜差跟蹤。&l

101、t;/p><p>　　典型的數(shù)字PI控制器如圖3.2所示。圖中為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)。為給定值，為反饋值，為給定值和反饋值的誤差，為PI控制輸出值。PI控制器的數(shù)字表達(dá)式為:</p><p><b>　　（3.1）</b></p><p>　　圖3.2 典型數(shù)字PI控制器</p><p>　　圖3.2中典型PI控制器[1

102、9]的局限在于當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，輸出量可能會出現(xiàn)比較大的變動或者外界可能會產(chǎn)生大的擾動，從而帶來控制器輸出的飽和或者溢出。如果這種情形不加以控制的話，這種非線性會帶來系統(tǒng)機(jī)械或者動力系統(tǒng)的故障。為了解決這個問題我們對積分環(huán)節(jié)進(jìn)行了修正，得到帶積分校正環(huán)節(jié)的PI控制器，該控制器如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 帶積分校正的PI控制器</p><p>　　該控制器各變量關(guān)系如下:

103、</p><p>　　輸入變量: </p><p><b>　　輸出變量:</b></p><p>　　其中一比例系數(shù);一積分系數(shù);一積分防飽和系數(shù)</p><p>　　4三相異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 TMS320F2812 DSP芯片介紹&

104、lt;/p><p>　　DSP芯片，即數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processing)，是一種高速專用微處理器，運(yùn)算功能強(qiáng)大，能實(shí)現(xiàn)高速輸入和高速率傳輸數(shù)據(jù)。DSP內(nèi)部采用數(shù)據(jù)和程序分開的哈佛結(jié)構(gòu)，專門設(shè)置了乘法累加器結(jié)構(gòu)，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。本文以TI公司最新推出的電機(jī)控制專用TMS320F2812 DSP芯片為控制核心進(jìn)行研究。</

105、p><p>　　圖4.1 TMS320F2812外擴(kuò)資源與擴(kuò)展接口</p><p><b>　　4. 2主電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　主電路圖如圖4.2所示。該電路采用的是典型的交-直-交變頻電路，由不可控整流器和脈寬調(diào)制逆變器構(gòu)成[20]。在這類裝置中，經(jīng)不可控整流環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的輸入功率因數(shù)不變;經(jīng)PWM逆變環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的輸出諧波減少。利

106、用SPWM或者SVPWM技術(shù)進(jìn)行調(diào)制，在開關(guān)頻率滿足的情況下，輸出可以非常接近正弦波。</p><p><b>　　圖4.2主電路圖</b></p><p>　　4. 3驅(qū)動與保護(hù)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　驅(qū)動申路采用的是惠普公司生產(chǎn)的IGBT, MOSFET驅(qū)動芯片:HCPL 3120和HCPL 316J。其中HCPL316J具有電壓欠飽

107、和檢測電路及故障狀態(tài)反饋電路，能夠很好的反映逆變電路的工作情況，并對系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。HCPL 3120用于上橋臂的驅(qū)動，HCPL 316J用于下橋臂的驅(qū)動，這樣既實(shí)現(xiàn)了逆變電路的保護(hù)功能，又在一定程度上節(jié)省了成本。</p><p>　　圖4.3 HCPL 3120驅(qū)動電路圖</p><p>　　圖4.4 HCPL 316J驅(qū)動電路圖</p><p>　　驅(qū)動電路采

108、用單電源供電的方式，=20V，結(jié)合5.1V穩(wěn)壓管，IRFP460的門極和源極之間可以得到15V左右的開通電壓和5.IV的關(guān)斷電壓，更好的保證了IRFP460的正常開關(guān)動作。HCPL 316J的DESAT(l4腳)管腳為飽和電壓輸入引腳，連接MOSFET的漏極，監(jiān)測開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)時漏極、源極之間的電壓大小。當(dāng)該電壓超過內(nèi)部7V的參考電壓時，F(xiàn)ault (6腳)將在5us時間內(nèi)降為低電平，把該引腳電平送入DSP的PDPINTB引腳，即可關(guān)閉