基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统的研究

本科生毕业设计（论文）开题报告论文题目：基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统的研究学院：电气工程学院专业班级：自动化1004班学生姓名：庞海欣学号：100302425导师姓名：蓝益鹏开题时间：年月日-1-1．课题背景及意义1.1课题研究背景、目的及意义随着电力电子技术、计算机技术和控制理论的迅速发展，三相异步电机的控制方法有了很大的提升。异步电动机的转子绕组不需要与其他的电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统，与其他电机相比，异步电机的结构简单、运行可靠、重量轻、成本低，在生产和生活的各个领域有着广泛的应用。而矢量控制是一种先进的控制策略，其基本思想是将交流电机的模型通过坐标变换，使之成为直流电机模型，将定子电流分解为按转子磁场定向的两个直流分量，分别进行独立控制，达到直流电机的控制效果。它通过将电机的电流、电压、磁链等量变换到同步坐标系中实现电机转矩和磁通的解耦控制，从而实现快速的转矩响应]1[。异步电机在三相静止坐标系下的数学模型很复杂，关键是由于其磁链关系复杂。因此，要简化数学模型，必须将异步电机的数学模型从三相CBA,,静止坐标系变换到两相TM,同步旋转坐标系。从CBA,,坐标系到,静止坐标系的变换称为Clarke变换，从,坐标系到两相TM,同步旋转坐标系的变换称为Park变换[2]。异步电机矢量控制系统目前已经获得了实际应用，这种方案作为高性能的调速，能够实现较高的静、动态性能，并具有连续控制、调速范围宽等显著优点]3[。近年来，对矢量控制系统方面的研究获得了很好的结果，为此矢量控制系统可谓现代交流调速的重要方向之一。数字信号处理器（DSP）具有很强的控制功能，它的高速运算处理能力使得很多的复杂控制算法和功能得以实现，增强了控制的灵活性，在控制领域得到了很好的应用[4]。TMS320F2812采用改进的哈佛结构，不仅允许程序储存在高速缓存中，提高指令的读取速度，而且允许数据存储在程序存储器中，并被算数指令直接使用，增强芯片的灵活性。此外，DSP的双口RAM(SARAM)包括一个随机端口和一个时序端口以及独立的读写总线提高了数据存储速度]5[。基于DSP芯片TMS320F2812的控制系统，利用电压空间矢量调制技术实现异步电机矢量控制，目的是增强对电机的控制，使其能够具有更快的响应、更高的精度高、更加节能等特点。使其在生产和生活过程中给人们带来更多的便利并能够节约更多的能源和时间。1.2课题国内外研究现状及趋势近年来，对于三相异步电动机矢量控制系统的研究已经成为自动控制领域的一大热点。德、美、英、法、意、加拿大以及日本等发达国家都十分重视矢量控制技术的研究，做了大量的工作。欧洲是矢量控制技术的诞生地，其研究水平一直走在世界的前列]6[。另外，德国和日本等国还将矢量控制技术用于电2力机车等领域。我国学者对矢量控制的研究也比较早，取得了很好的成果。四川大学刘竟成教授和湖南大学卢骥教授从德国进修回来，在1981年1982年就先后发表了论文介绍矢量控制技术。但由于当时的技术手段和工业基础，发展并不迅速。到了90年代，随着经济的发展和交流的增多，国外电气公司进入中国市场，国内的矢量控制研究才发展起来，并逐步成为电气传动的热点。国内对矢量控制技术的研究主要集中于无速度传感器矢量控制和电机参数的识别上，许多工作停留在计算机仿真上，而实际应用不多。随着我国技术人员对矢量控制研究的深入，矢量控制技术在我国逐渐进入实用化阶段，并有少量的由我国技术人员开发的实际应用。目前，国内外矢量控制的研究趋势主要集中在以下几个方面：（1）无速度传感器矢量控制技术的研究；（2）电机参数的识别与跟踪；（3）大功率矢量控制系统的研究。2．毕业设计研究内容及任务2.1研究内容(1)、研究转子磁场定向矢量控制系统的数学模型，设计了转速、磁通及转矩的闭环调节器：对SVPWM的工作原理和控制算法进行了研究。(2)、分析了异步电机在二相静止坐标系、两相静止与旋转坐标系下的电机基本数学模型和控制基本方程，在进行相应的坐标变换以后，得到了基于磁定向的同步旋转坐标系下的控制方程式；分析了电压空间矢量脉宽调制的基本原理、控制算法等。2.2设计思想及设计方案基于DSP芯片对异步电机的矢量控制系统进行研究，充分利用DSP的高速运算能力和丰富的片内外设资源，系统外围电路少，可靠性高。结合IPM简单紧凑的逆变主电路，保证了电机控制的实时性，有效的简化了硬件设计，提高了系统的可靠性。异步电机矢量控制原理框图如图1所示。方案如下：系统的组成：包含主电路、控制电路和保护电路三大部分，具体由整流滤波模块、逆变模块、IPM保护模块、三相异步电动机、电压、电流和转速检测模块、显示模块、主控制模块、DSP与PC机通信模块等组成。系统主电路采用典型的交-直-交电压型变频器结构。整流环节采用三相桥式不可控整流模块，逆变电路采用三菱公司的智能功率模块(IPM)PM25RSB-120作为功率器件，中间直流环节利用大电容滤波。系统控制3电路包含两个部分，即TMS320F2812核心电路和基于核心电路的外部扩展电路。DSP核心电路负责整个系统的控制和具体的算法实现功能，外部扩展电路主要完成电压、电流和速度信号的检测，数据显示以及DSP与PC机通信等功能。图1异步电动机矢量控制原理框图[1]、系统硬件设计：本系统功率部分采用交-直-交电压型电路。控制部分主要以TMS320F2812控制芯片为核心，用它来完成矢量控制系统的转速控制、电流控制算法的实现、A/D转换、电压空间矢量PWM波的产生等。控制系统采用电流和转速反馈的双闭环控制。(1)主电路部分主电路由整流电路、滤波电路和智能功率模块构成的逆变电路组成。整流电路的主要作用是将电网的交流电整流后提供给逆变电路和控制电路。同时为了减少直流脉动，在整流桥的输出端接滤波电路。逆变电路采用的智能功率模块IPM为PS22052，它采用压注封装技术的双列直插式，除了具有IGBT模块外，还集成了保护模块，制动模块等。(2)驱动电路部分由于从DSP发出的PWM驱动信号是只有3.3V的电压，而整流逆变电路驱动电压为8-20V，采用光耦隔离驱动电路，将从DSP发出的3.3VPWM驱动信号进行幅值和功率放大，同时还要保证转换的速度和精度。(3)电流检测电路电流检测模块是把电机的三相定子电流经过AD转换后便于DSP处理。由于本系统是三相平衡系统0CBAIII，因此只要检测其中两路电流，便可以得到三相电流。电流的检测精度和实时性是整个矢量控制系统的关键，本系统采用LEM霍尔电流传感器来检测电流。由于DSP的AD模块接收的电压为0-3V的电压信号，而采样信号为弱电流信号，因此应将该电流信号转换成电压信号，4然后经过滤波加法处理，再通过电压偏移电路使电压稳定在AD压限幅范围内。(4)速度检测电路电机的转速是通过光电编码盘检测的，采用M/T法测速原理，即在某一采样时间T内，传感器产生m个脉冲，同时记取编码盘脉冲个数为1m，高频时钟脉冲个数为2m，T1定时到时，再记取T内编码盘脉冲个数'1m，高频时钟脉冲个数'2m。在T时间内传感器产生m个脉冲，则电机转速如下式所示mrmmNmfn)(60'22速度检测电路将检测到的脉冲信号经过光耦处理后输入到DSP的正交编码单元QEP1，QEP2，经内部译码逻辑单元产生四倍频的脉冲信号CLK和转向信号DIR。对脉冲信号CLK的计数可由T2计数器完成，计数器的计数方向由DIR确定，从而可以计算出电机的转速大小。[2]系统软件设计：控制系统软件采用模块化设计，程序由主程序和中断子程序组成。主程序实现硬件和变量的初始化功能。中断子程序的工作主要是实现A/D采样、转速计算、坐标变换和实现SVPWM，是矢量控制系统的核心部分。2.3毕业设计拟采用方法和手段采用高性能的DSP芯片TMS320F2812的强大运算功能和快速实时处理能力及IPM等模块化的芯片，利用电压矢量调制技术构成的对异步电机控制系统进行研究，目的是实现控制系统稳态精度高，动态调节时间短、超调量小、抗干扰能力强，达到能与直流电机相媲美的调速性能。对整个系统软件部分进行设计，并在Simulink平台上建立系统的各个部分的模型模块，包括Park、Clarke变换及Park逆变换模块、转子磁链位置计算模块以及PI模块。并对异步电机的调速进行仿真，并分析得到的结果。3．毕业设计工作计划及进度安排第1周了解课题，初步确定研究范围第2周收集整理材料、了解课题的相关背景及现状第3周外文翻译、外文翻译校对、完成开题报告第4周异步电动机矢量控制原理第5周控制系统主电路设计第6周控制系统主电路设计第7周系统控制电路设计5第8周系统控制电路设计第9周系统控制电路设计第10周系统软件设计第11周系统软件设计第12周系统软件设计第13周系统软件设计第14周撰写毕业设计论文第15周撰写毕业设计论文第16周撰写毕业设计论文按模板修改第17周准备毕业设计答辩4.参考文献[1]丁义行.基于DSP的异步电动机矢量控制系统[D].大连：大连海事大学硕士论文，2006.[2]阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统[M].第四版.北京：机械工业出版社，2009.[3]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].第三版.北京：机械工业出版社，2003.145-214.[4]宁改娣，曾翔君，骆一萍.DSP控制器原理及应用[M].第二版.北京：科学出版社，2009.[5]谢宝昌，任永德.电机的DSP控制技术及其应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.[6]潘言全.矢量控制的发展与研究现状[J].黑龙江科技信息，2009,36:106-106.[7]AltunH,SunterS(2003)Matrixconverterinductionmotordrive:modeling,simulationandcontrol.ElectricalEng86:25–33.[8]AbouridaS,DufourC,B´elangerJ,LapointeV(2003)Real-time,PC-basedsimulatorofelectricsystemsanddrives.InternationalConferenceonPowerSystemsTransients–IPST2003inNewOrleans,USA,1–6.[9]ErMJ,LowCB,NahKH,LimMH,NgSY(2002)Real-timeimplementationofadynamicfuzzyneuralnetworkscontrollerforaSCARA.MicroprocessMicrosyst26:449–461.[10]HongKH,GanWS,ChongYK,CheongTF,TanTF(2002)RapidprototypingofDSPalgorithmsonVLIWTMS320C6701DSP.MicroprocessMicrosyst26:311–324.[11]KangMH(1999)AnIMdrivingpowerelectronicsystemsimulationusingDNTandSimulink.JControlAutomatSystEng5(1):25–32.[12]VasP(1990)VectorcontrolofACmachines.ClarendonPress,Oxford,122–159.[13]MathWorks(1998)Real-timeworkshopforusewithSimulinkuser’sguide.6[14]陈俊.基于SVPWM的异步电动机矢量控制系统的建模与仿真[J].科技创新与生产力,2012,9:91-94.[16]程善美，万淑云，段正澄.基于DSP的感应电动机矢量控制系统的研究[J].微电机(伺服技术)，2004，06:26-30.[17]王晓明.电动机的DSP控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.[18]周有为，刘和平，杨利辉.基于TMS320F2812的