基于C2000的电机控制策略分析研究.doc

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1、 目录第一张、绪论.3第二章、电机控制策略研究数学分析.52.1、三相异步电机的矢量控制策略.5 2.1.2、三相异步电机的数学模型.52.2、VVVF.92.2.1、VVVF变频器控制原理.92.2.2、VVVF变频调速原理82.3直接转矩82.3.1、直接转矩控制技术的基本原理82.3.2、直接转矩无差拍控制9第三章、DSP、CCS、Matlab简介103.1、DSP简介103.1.1、DSP定义103.1.2、DSP的特征103.1.3、DSP芯片的发展103.1.4、DSP芯片的基本结构113.2、CCS简介123.3、matlab简介123.3.1、matlab定义123.3.2、m

2、atlab的主要功能123.3.3、matlab的特点12第四章、直接转矩控制系统的仿真实现134.1 直接转矩仿真模型134.1.1 仿真模型134.1.2直接转矩控制系统的仿真结果与分析144.2 矢量控制系统仿真模型154.2.1 仿真模型154.2.2 PI调机器设计164.3 仿真结果174.3.1 电机定子侧的电流仿真结果174.3.2 电机输出转矩仿真结果184.4、数字实现分析184.4.1、电机伺服驱动系统的类别184.4.2、伺服驱动系统电路分析194.4.3、辅助电路的简单探析19第五章 小结21参考文献：22第一章 绪论近十几年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制

3、技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量、推动技术进步的主要手段。变频调速以其优异的调速和启制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。众所周知，变频器控制方式是决定变频调速系统性能的关键所在。变频器的控制模式指的是针对频率、电压、磁通、电磁转矩等参数之间的配合控制方式，在通用变频器中，目前比较常用的控制模式有U/f控制模式、矢量控制模式和直接转矩控制模式3大类。 U/f模式在原理上是最简单的

4、。电压与频率配合调整是变压变频调速（Variable Voltage Variable Frequency）的基本原理，令电压与频率以函数关系共同变化是最容易想到的思路。由于主要的目标是转速的调节，而交流电动机的转速又主要与频率有关，因此，在电压频率的函数关系中，频率应该是主动变化量，也即是自变量，而电压则作为因变量跟随变化。直流电动机磁场由定子励磁绕组和电枢绕组分别激励，因此，其磁通和转矩能够分别独立地进行控制，这使得直流电动机具有对转矩的良好控制能力，这也就是它在调速原理上的主要优势。交流异步电动机与直流电动机有一个内在的共同性，即直流电动机的主磁通与电枢绕组磁场运行中在空间角上是正交的，

5、交流异步电动机也一样。差别在于，直流电动机励磁回路和电枢回路是分离的，能够分别进行控制，而交流异步电动机的励磁电流和转矩电流却合成了定子电流矢量，简单地直接控制定子电流不能实现对转矩的有效控制。有效地控制磁通，并且在此基础上准确快速地控制电磁转矩，是所有提高性能调速方法都必须具备的能力。反过来说，凡是具有这两方面能力的控制方案，都有可能成为高性能的调速控制模式。对定子磁链的控制构成了有效控制磁通的手段，而对定子磁链旋转速度的控制能够控制转速差，从而实现对电磁转矩的控制。建立定子磁链和电磁转矩的数学观测模型，利用可测量的物理量，以软件测量技术获得定子磁链和电磁转矩的反馈值，采用滞环式闭环控制方式

6、，利用电压空间矢量的开关状态切换来实现对磁通和电磁转矩的分别控制，这就是基于磁链跟踪脉宽调制的直接转矩控制的基本原理。直接转矩控制（简称DTC）是有别于矢量控制的另一类高性能变频调速控制模式，这里的转矩指的就是电磁转矩第二章、电机控制策略研究数学分析2.1、三相异步电机的矢量控制策略2.1.1、矢量控制的基本原理所谓矢量控制就是将静止坐标系上表示的电动机矢量关系变换到以气隙磁场、定子磁场或者转子磁场定向的旋转坐标轴系上，达到对电机转矩的实时控制的目的。由于转子磁场定向的矢量控制方法简单易行，解耦方便，控制精度较好。交流电机三相定子电流、，经过由三相静止坐标系到两相静止坐标系变换得到、然后、再由

7、两相静止坐标系到两相旋转坐标系变换，并使d轴沿着转子磁链的方向，得到交流电机励磁电流分量和转矩电流分量分别等效于直流电动机的励磁电流和转矩电流。这样通过控制和就可以按照直流电动机的控制方法来控制交流电动机。图2.1.1 矢量控制原理框图矢量控制基本原理如图2.1.1所示，其中FOC框就是用来实现矢量控制的，可以完全用软件来实现。3S2S是三相静止到两相静止坐标系的变换，VR是两相旋转变换，是转子磁链位置角，它表示d轴与a轴的夹角，由转子磁链观测器给出。FOC实现的关键是在于转子磁链观测器的构造，也就是转子磁链位置角的确定，这要涉及到交流电机电流解耦问题。因此需要研究交流电机的模型、坐标变换以及

8、在此基础上的电流解耦问题。2.1.2、三相异步电机的数学模型矢量控制的基础是三相异步电机数学模型的建立，而三相交流电机的电流、磁通和转速之间都是互相影响的。另外，三相电机的定子和转子分别等效成为三个绕组，每个绕组在产生磁通时都有自己的电磁惯性，加上运动系统的机电惯性，变频装置的滞后因素等，这些因素都决定了异步电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。(1)、在三相静止坐标系下的模型在研究异步电机多变量数学模型时，常作一下假设： 忽略空间谐波，假设电机三相绕组对称(空间互差120。电角度)，所产生的磁动势沿着气隙圆周按照正弦规律分布。忽略磁饱和，绕组具有恒定的自感和互感。忽略铁损。各个绕组的电

9、阻恒定，不受频率和温度的影响。将电机转子等效成为绕线转子，折算到定子侧，而且折算后的三相绕组匝数相等。这样得到三相异步电机的物理模型如图2.1.2示。图中的三相绕组轴线A、B、C在空间是固定的，以A轴为参考坐标轴；转子绕组轴线a、b、c随转子旋转，转子a轴和定子A轴间的电角度为空间角位移变量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机的惯例和右手螺旋定则。我们可以用系统的电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程来描述三相异步电机在三相静止坐标系下的数学模型。图2.1.2 三相异步电机的物理模型1）电压方程三相定子绕组的电压平衡方程为 (2-1) (2-2) (2-3)相应的三相转子绕组折算到定

10、子侧的电压方程为 (2-4) (2-5) (2-6)式中 ，定子和转子相电压瞬时值 ，定子和转子相电流瞬时值 ，各相定子和转子的全磁链 ，定子和转子绕组电阻 微分算子2）磁链方程交流电机中每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对他的互感磁链之和。因此，六个绕组的磁链可以表达为： （2-7）即 (2-8)3）转矩方程电磁转矩等于电流不变条件下，只有机械位移变化，磁场储能对机械角位移的偏导数，见式(9、10、11) (2-9) (2-10) (2-11)式中 磁场储能 机械角位移 电角度表示的转子空间角位移 极对数（2） 、在两相静止坐标系下的模型三相异步电机在两相静止坐标系下的模型也就是在-

11、坐标系下的模型。将三相静止坐标（A-B-C）下的电量（电压、电流、磁链）用阵变换成两相静止坐标系（-）下，即可以得到三相异步电机在两相静止坐标系下的数学模型。计算后的模型为：1）电压方程 （2-12）其中 （2-13） （2-14）2） 磁链方程 （2-15）3） 转矩方程 （2-16）（3） 在两相旋转坐标系下的模型三相异步电机在两相旋转坐标系下的模型也就是在d-q坐标系下的模型。将两相静止坐标系（-）下的电量经阵变换到两相旋转坐标系d-q下即可得到三相异步电机在两相旋转坐标系下的模型。计算后的模型为：1） 电压方程 （2-17）2） 磁链方程 （2-18）3） 转矩方程 （2-19）以上三

12、个方程式与异步电动机在三相静止坐标系下对应的三个方程式相比，形式上要简单多了，电感矩阵和阻抗矩阵的阶次降低了，而且在矩阵里出现了零，这就意味着变换后的等效电机多变量之间已经部分地得到解耦了。2.2、VVVF2.2.1、VVVF变频器控制原理在感应电机额定频率（如通常的50hz、60hz）以下，变频器输出电压随输出频率的增大而增大,这是为了保证电机内部磁通近似恒定，这就是变压变频控制的基本点。通常额定频率对应的输出电压就是电机的额定电压。在额定频率以内区域可以实现电机的恒转矩控制。注意通过输出电压和频率的比值（V/f）来判断电机气隙磁通大小，近似条件是忽略定子电阻、定子漏感上的压降。为补偿定子电

13、阻等非理想近似的影响，在低频下常须对输出电压进行补偿，补偿的方式有多种。变频器输出电压随输出频率变化的曲线就是V/f曲线。变频器也可以输出频率超过电机额定频率的电压，但此时输出电压大小一般不会超过电机额定电压（如额定频率以上可保持变频器输出电压恒等于电机额定电压），因为往往逆变器达到满调制的同时输出电压也达到电机能承受的最大电压。随着输出频率增大、输出电压不变，电机内部磁通减小，电机进入弱磁区域。在这个区域近似为恒功率控制。 随着频率变化，电机内部磁通（可以是定子磁通、转子磁通或是气隙磁通）变化的目标就是变频器的弱磁控制规律，在更高级的控制策略（如矢量控制）中，如何确定弱磁的规律并使得磁链可控

14、是重要的技术点。理论上变频器能够输出非常高频率（超过400Hz）的电压，这个极限取决于微处理器的内核（PWM发生单元等决定分辨率）以及功率开关器件（如IGBT）的开关特性。但实际应用中由于弱磁扩速范围的限制，一般不会输出那么高频率，因为按普通设计的电机此时已经不能正常运行。若变频器网侧采用不控整流器，网侧电压一定，直流母线电压也就确定了，那么在固定的PWM调制方式下，变频器能输出的最大正弦电压幅值就已经被决定了，超过该幅值的输出电压会有较大的低次谐波（对应逆变器过调制区域）。加零序三次谐波的PWM（如SVPWM）方式的母线电压利用率是最高的，比SPWM方式高出15%。如果有优化的需要（如降低逆

15、变器开关损耗、电压THD等等），可以通过调整零序三次谐波的形状继而改变调制波波形（如不同种类的DPWM）来完成。当变频器网侧电压很高（假定功率器件允许），变频器的确可以产生大于电机额定电压的正弦输出，但考虑到电机允许的电压要求，变频器内核控制算法不会这么做。为保证输出电压、电流的品质，需要对死区时间、逆变器非理想特性（功率器件导通、关断时间不一致）进行补偿。死区补偿值的极性与电机线电流的极性有关。在PWM频率变低时，同样死区时间产生的死区电压变小。死区补偿可以基于硬件或微处理器软件进行。2.2.2、VVVF变频调速原理根据电机学理论，交流异步电机定子绕组感应电动势有效值为 (2-20)式中，k

16、是与电动机结构有关的常数，为定子磁通，U为定子电压，为定子电压频率，为气隙磁通在定子每相的感应电动势。由式(1)可知，进行电机变频调速时，在 U不变的情况下，如果 下降， 将增加，而 的增加会引起磁饱和，造成实际磁通量增加不上去，电流波形产生畸变，从而削弱电磁转矩，严重影响机械特性反之，若上升，下降，将导致负载能力下降因此，为了保持的恒定，应在改变的同时改变U，即常数但是在电压较低的情况下，定子压降不能忽略，用U近似的误差较大因此，在U较小时，应使 比值适当增大，也就是所谓的转矩补偿或电压补偿转矩补偿通常采用两种方法：一种是在微机中存储多条不同斜率和折线段的 函数曲线；另一种办法是采用霍尔电流

17、传感器检测定子电流或直流回路电流，按电流大小自动补偿定子电压但无论如何都存在过补偿或欠补偿的可能，这是开环控制系统的不足之处转速开环变频调速系统可以满足平滑调速的要求，但静动态性能是有限的，要提高静动态性能，一种改进方法是通过调节转差率以实现速度闭环控制，这就是转差频率控制已知电机稳态运行时，转差率 很小，可得到： (2-21)式中P为极对数，由式(2)可知，保持不变，则近似与成正比，控制转差频率就可以控制转矩了2.3直接转矩2.3.1、直接转矩控制技术的基本原理直接转矩控制的目标是：通过选择适当的定子电压空间矢量，使定子磁链的运动轨迹为圆形，同时实现磁链模值和电磁转矩的跟踪控制，其基本原理如

18、图2.3.1所示。在图2.3.1中，定子磁链和电磁转矩分别采用闭环控制，s*、Tei*分别为定子磁链模值和电磁转矩的给定信号，分别为定子磁链模值和电磁转矩的估计值，作为反馈信号使用。根据误差信号，转矩调节器输出转矩增、减控制信号CT；磁链调节器输出磁链增、减控制信号C。开关表根据C、CT以及估计器输出的磁链扇区信号，选择正确的磁链扇区信号，选择正确的定子电压空间矢量，输出控制字SA、B、C给逆变器。图2.3.1 直接转矩控制系统的基本原理框图2.3.2、直接转矩无差拍控制直接转矩无差拍控制方法是由美国人T.G.Habetler基于离散化直接转矩控制系统首先提出来的。下面介绍这种控制方法的原理，

19、首先根据异步电动机的数学模型，可以得到转矩控制误差Tei和电机各物理量之间存在如下数学关系： (2-22)式中：p是极对数，Ts是采样周期： 、为定子反电动势在、轴上的估计值； 、为定子磁链在、轴上的估计值； 、为定子电压在、轴上的给定值。显而易见只要u*s、u*s满足式(1)的要求，在下一个控制周期内就可以消除转矩误差。 其次，根据定子磁链电压模型，可知当u*s、u*s满足式(2)表示的关系时，就可以在下一个控制周期内消除磁链模值误差。 (2-23)式中：磁链模值给定值的平方。 解式(1)和式(2)联立组成的方程组，可以得到既能消除转矩误差又能消除磁链模值误差的定子电压给定值(u*s、u*s

20、)，这就是直接转矩无差拍控制方法的控制原理。 23第三章、DSP、CCS、Matlab简介3.1、DSP简介3.1.1、DSP定义DSP（digital singnal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，源源超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色 DSP既是Digital

21、 Signal Processing的缩写(数字信号处理的理论和方法)或者是Digital Signal Processor(用于数字信号处理的可编程微处理器)的缩写。我们所说的DSP技术,则一般指将通用的或专用的DSP处理器用于完成数字信号处理的方法和技术。3.1.2、DSP的特征（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。 （2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 （3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。 （4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 （5）快速的中断处理和硬件I/O支持。 （6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 （7）可

22、以并行执行多个操作。 （8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。3.1.3、DSP芯片的发展 世界上第一个单片DSP芯片是1978年AMI公司宣布的S2811，1979年美国Iintel公司发布的商用可编程期间2920是DSP芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须的单周期芯片。 1980年。日本NEC公司推出的PD7720是第一个具有乘法器的商用DSP 芯片。第一个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片的是日本的Hitachi 公司，它于1982年推出了浮点DSP芯片。1983年，日本的Fujits

23、u公司推出的MB8764，其指令周期为120ns ，且具有双内部总线，从而处理的吞吐量发生了一个大的飞跃。而第一个高性能的浮点DSP芯片应是AT&T公司于1984年推出的DSP32。在这么多的DSP芯片种类中，最成功的是美国德克萨斯仪器公司（Texas Instruments，简称TI）的一系列产品。TI公司灾982年成功推出启迪一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS32C10/C14/C15/C16/C17等，之后相继推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代DSP芯片TMS32C30/C31/C32，第四代DSP芯片TMS

24、32C40/C44，第五代DSP芯片TMS32C50/C51/C52/C53以及集多个DSP于一体的高性能DSP芯片TMS32C80/C82等。 自1980年以来，DSP芯片得到了突飞猛进的发展，DSP芯片的应用越来越广泛。从运算速度来看，MAC（一次乘法和一次加法）时间已经从80年代初的400ns（如TMS32010）降低到40ns（如TMS32C40），处理能力提高了10多倍。DSP芯片内部关键的乘法器部件从1980年的占模区的40左右下降到5以下，片内RAM增加一个数量级以上。从制造工艺来看，1980年采用4的N沟道MOS工艺，而现在则普遍采用亚微米CMOS工艺。DSP芯片的引脚数量从1

25、980年的最多64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加。此外，DSP芯片的发展，是DSP系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。3.1.4、DSP芯片的基本结构DSP芯片的基本结构包括：（1）哈佛结构； （2）流水线操作； （3）专用的硬件乘法器； （4）特殊的DSP指令； （5）快速的指令周期。1）哈佛结构 哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。由于程序和存储器在两个分开的空间

26、中，因此取指和执行能完全重叠。 2）采用流水技术流水技术是指将各指令的各个步骤重叠起来执行。DSP处理器所采用的将程序存储空和数据存储空间的地址与数据总线分开的哈佛结构，为采用流水技术提供了很大的方便。为了提高DSP处理器的运算速度，它们无例外的设置了硬件乘法器，以及MAC一类的指令。3）专用的硬件乘法器乘法速度越快，DSP处理器的性能越高。由于具有专用的应用乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。 4）特殊的DSP指令DSP芯片是采用特殊的指令。 5）快速的指令周期哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成电路的优化设计可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。3.2、C

27、CS简介Code Comp Studio(CCS或CCStudio)是一种针对TI的DSP、微控制器和应用处理器的集成开发环境。CCS包括一套用于开发和调试嵌入式应用程序，CCS包括一套用于开发和调试嵌入式应用程序的工具。它包括用于各种TI设备系列的编译器、源代码编辑器项目生成环境调试程序探源代码编辑器、项目生成环境、调试程序、探查器、模拟器和其他许多功能。提供个单用户界面指导用户完成CCS提供一个单一用户界面，指导用户完成应用程序开发流程的每一步骤CCS提供了基本的代码生成工具，它们具有一系列的调试、分析能力。3.3、matlab简介3.3.1、matlab定义MATLAB软件界面图MATL

28、AB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。3.3.2、matlab的主要功能1.数值分析2.数值和符号计算3.工程与科学绘图4.控制系统的设计与仿真5.数字图像处理6.数字信号处理7.通讯系统设计与仿真8.财务与金融工程3.3.3、matlab的特点1) 高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；2) 具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化；3) 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；4) 功

29、能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ，为用户提供了大量方便实用的处理工具。第四章、直接转矩控制系统的仿真实现4.1 直接转矩仿真模型4.1.1 仿真模型实际存在的异步电动机、逆变器均采用SimPowerSystems模块中的模型，而且认为异步电动机的三相定子电压、电流和转速都是可以方便测出的，这些都可以归为硬件部分;其它模块则属于算法，归为软件部分。这样使整个系统条理清晰，为以后的实际系统开发做好铺垫。采用总分总的建模步骤:首先将整个系统按照算法分成几个子模块;然后利用SIMULINK中的基本模块分别构建各个子系统，通过封装技术将它们封装起来:最后把各个子模块连接起来，构成整

30、个系统的仿真模型网。系统的仿真模型如图4.1.1所示。图4.1.1 异步电动机直接转矩控制系统仿真模型电机模型主要参数:=149.2 KVA =460V =60 Hz =0.01485 J=3.1kg速度PI模块系数:=30 =200根据前面所述，在Matlab/Simulink环境下建立了传统直接转矩控制的仿真模型。模型中包括三相交流异步电机模型、逆变器模块、整流模块以及最重要的控制算法模型。在控制算法模型中，主要包括磁链和转矩计算模块、磁链和计算控制模块、区间选择模块以及开关表选择模块等。4.1.2直接转矩控制系统的仿真结果与分析仿真结果如图所示：图3.1.2 定子电流定子电流在初始的波动

31、后，逐渐呈现为正弦波形。图4.1.3 转速电机的实际转速能够跟上给定值的变化。图4.1.4 转矩电磁转矩的实际值能够跟上给定值的变化。通过以上三图可以看出，经典的直接转矩控制能够保证转速和电磁转矩有很好的动态性能，能在短时间内跟随给定值变化，并保证输出电流波形保持正弦。但是，从图中也要看到，经典的直接转矩控制算法下定子磁链幅值和电磁转矩相对于给定值的脉动仍然比较大，电流波形不够圆滑。根据上一节的仿真结果以及前面章节的理论分析，可以很清楚地看到，与矢量控制以及V/F控制等方法相比，直接转矩控制方法是一种完全不同的控制算法，具有以下三个明显的优点: (1)算法理论简单明了，不需要复杂的坐标变换和数

32、学计算，对电机参数依赖非常小，仅仅需要定子电阻这一很容易得到的参数。(2) DTC算法直接对定子磁链和电磁转矩进行控制，并采用了转矩和磁链双闭环的控制策略，可以使得被控制量快速准确地跟随给定值变化，动态性能良好。(3)总体控制结构非常简单，仅仅需要简单的PI调节器和滞环比较器;此外，由于采用了空间电压矢量的概念，直接通过数字量控制逆变器的通断，使得控制大大简化，非常有利于DSP实现。当然，作为一种在近年来才逐步发展起来的控制方法，直接转矩控制自身还存在很多问题，具体表现在下面三个方面:(1)由于在控制过程中只考虑了转矩和磁链误差的方向性，而忽略了误差的大小，这经常导致在控制过程中误差超过滞环比

33、较的带宽，从而使实际的转矩和磁链产生较大的脉动，影响实际性能。(2)由于采取根据控制信号选取开关表控制逆变器开关的方法，必然导致逆变器的开关频率不能固定，变化较大，导致电流脉动大且会影响逆变器的使用寿命。(3)在定子磁链观测时采用了U-I模型，导致在低速运行区间，由于死区效应、定子电阻压降以及采样噪声的影响，使得定子磁链观测结果产生较大偏差，严重影响直接转矩控制在低速区间的控制性能。上述三个问题是影响直接转矩控制大范围应用的主要问题，也是直接转矩控制研究中的热点和难点问题。4.2 矢量控制系统仿真模型4.2.1 仿真模型本次MATLAB系统结构仿真模型如图4.2.1所示，其中SVPWM用惯性环

34、节等效代替，若采用实际的SVPWM方法仿真，将大大增加仿真计算时间，对计算机的运行速度和内存容量要求较高，转速，转子磁链和两个电流调节器均采用带有积图4.2.1 矢量控制系统仿真模型图分和输出限幅的PI调节器，两相磁链由电动机模型直接得到，其中转子磁链的幅值由两相磁链计算得到。矢量控制系统仿真模型图如图4.2.1所示。由图中可知ASR为转速调节器，APsirR为转子磁链调节器，ACMR为定子电流励磁分量调节器，ACTR为定子电流转矩分量调节器，对转子磁链和转速而言，均表现为双闭环控制的系统结构，内环为电流恒定，外环为转子磁链或转速环。其中系统中的K/P模块是计算转子磁链幅值和角度的，其内部结构

35、图如图4.2.2所示。图4.2.2转子磁链和角度计算结构图4.2.2 PI调机器设计本次仿真设计中的调节器都是采用PI调节器，其传递函数为： (4-1) 电流调节器的比例系数； 电流调节器的超前时间常数。同时其传递函数也可写为： (4-2)其PI调节器的MATLAB仿真结构图如图3.2.3所示。而且此PI调节器是带了限幅的。根据MATLAB的仿真图形，不断改进PI调节器和Kp和Ki。最终得到的各种调节如下。1磁链调节器APsirR，其结构图如图3.2.3所示。其中Kp=10，Ki=15,输出限幅值-55。其中磁链给定为1.2。图4.2.3 APsirR调节器2 转速调节器 ASR,其结构图如图

36、3.2.4所示。其中Kp=15，Ki=10,输出限幅值-8080。其中转速根据电机的额定转速1400 r/min得到对应w给定为146.6。图4.2.4 ASR调节器4.3 仿真结果4.3.1 电机定子侧的电流仿真结果电机定子侧的电流（Isa&Isb）仿真结果如图3.3.1和3.3.2所示。 图4.3.1 电机定子侧的电流仿真 图4.3.2 电机定子侧的电流仿真放大波形图由仿真结果可知:空载起动时，定子电流基本稳定不变，成正弦变化。在t=4.6s突加负载后，电流仍成正弦变化，幅值变大，但基本保持稳定。4.3.2 电机输出转矩仿真结果电机输出转矩Te的仿真结果如图3.3.3所示。 图4.3.3

37、电机输出转矩Te仿真图结果表明，电机在空载启动时，输出转矩会有一个突变到较大值，随着电机的启动输出转矩减小直至为0并稳定运行。在突加负载后，通过系统的闭环控制，使得电机输出转矩突增并超过给定负载转矩一定值，以保证电机正常运行，逐渐稳定后输出转矩回落到给定值，输出转矩等于负载转矩，电机稳定运行。4.4、数字实现分析电机伺服驱动系统概述DSP 控制，就是我们所说的数字信号处理控制，它是一种通过数学技巧执行转换或者提取有效信息，来处理现实信号，来控制机器的一种方法。所谓的在 DSP 控制背景下的 IPM 数字化电机伺服驱动系统就是通过数字化的信号控制跟调节，保证电气元器件稳定可靠的工作，增强系统的抗

38、干扰性，提高系统运行的稳定性。并且在此条件下，还能保证电压值多路输出。4.4.1、电机伺服驱动系统的类别 1. 基于 DSP 控制的 IPM 数字化直流伺服驱动系统是利用数字化信号管理直流伺服驱动系统的一种方法。它有较好的制动性能以及启动性能，并且可以在一定范围内，能进行无无极调速。图3.4.1是一个数字化直流伺服系统的整体过程图。图4.4.1数字化直流伺服系统的整体过程图 2. 基于 DSP 控制的数字化交流伺服驱动系统是利用系统软件，根据磁场定向原理，检测三相电流中的两相电流，同时将交流电转换成数字化后进行 CLAKER变化和 PARK 的变化。而且在此时还检测电机的旋转角度的一种控制方法

39、。 3. TMS320LF2812的使用提高了系统的快速性和稳定性，精确度也提高了。4.4.2、伺服驱动系统电路分析基于 DSP 控制的数字化电机伺服驱动系统包括 IM 驱动隔离控制模块，电流检测模块，显示模块，智能功率模块，滤波电容模块，桥式整流模块，键盘接口模块，脉冲形成，转换位置检测模块，并且还有辅助点路，保护电路等，那么下面先让我们简单分析一下主电路。系统主电路的变换（1）电路整流部分家庭中，电器用品一般的母线都是 220v 的交流电，而像伺服系统的电路一般需要 +5v 和 +15v 的电源，其中 15v 电流给外部保护电路供电。而 5v电路给 DSP 芯片以及电流传感器供电。由于伺服

40、系统电器需要一个直流电压，原始三相电流经过电阻以及桥式整流电路，滤出正方向的电流，然后再通过电容滤波功效，使的整流的电流变化越来越小，然后再电容器然后再由滤波电容进行电容滤波，耦合电容则起到高频旁路的作用。以此来保证电源电压的平稳输出。（2）功率驱动模块。功率驱动模块是一个逆变电路，主要功能是为了使得 DC/AC 的功率能够自由转换。其工作过程可以叙述如下 ：光电编码器先检测到位置速度信号经过 A-D 转换输给 DSP，DSP 根据电压波动自动调节脉冲信号，进而实现对电压的调控，这过程状态响应的非常迅速，能有效的节约能源。当 IPM 有短路，过流，过热的情况出现时，将会有故障信号被输入DSP

41、的引脚中，当有别的故障时，引脚被拉成地位，引脚就会被拉平。DSP 计算器停止。当然，如果当引脚都处于高阻位置时，会马上产生中断信号，并告知有异常情况发生。所有的过程，全部是数字化控制，全自动完成。不需要人工干预，保证故障的告诉处理。IPM不仅能快速反应模块，还拥有缓冲作用。电路中产生瞬时功耗，都会被电路中的二极管钳制住，并且能抑制由于母线寄生电感可能引起的寄生振荡。4.4.3、辅助电路的简单探析1. 电源电压经过滤波整流等一系列过程，得到稳定直流电流，然后此电流在与两个给定电压比较，得到过压输出信号。在一般情况下，信号变弱，就会导致DSP 信号中断，就会调用欠压中断处理程序，封锁交流脉冲，切断

42、输入，保护电路。2. 在电路检测过程中，我们通常用的是线性光电隔离电路，电路精确度高，而且经济实用，在一定的范围内（0-5v）是线性的，这种电路方式，与传统的电路方式相比较而言，更有优势，因为传统电路在一定电压下，工作一段时间后，电阻变化是成函数变化的，而不是线性，所以，相比较而言，更加容易计算。从 DSP的前脚驱动输出与保护电路输出的低信号，通过稳定放大后进入光电隔离器里面，既能产生 OPPER 信号，也能实现电气隔离。为高速光耦提供了驱动信号，这样子，产生的高速光耦入信号为低有效。光耦的输出信号经过上位，默认的是高档的。保证系统初始化的时候，只能模块只要没有什么动作，就不会产生高压，保证电路的安全。3. 辅助电源的设计。因为 DSP 控制芯片中，包括 I/O 内核电源引脚，内部模拟电路电源，CPU 内核电源引脚，所引用电源的电压一般都是低压电源，所以需要进一步讲 5v 的电压进行降压转换。在一般的电路中，一般运用的就是一个复杂的门电路来实现。第五章 结论 异步电动机是一个多变量系统，而电压、电流、频率、磁通、转速之间又互相都有影响，而且其数学模型也是非线性的，所以是强藕合、非线性的多变量系