按转子磁链定向的矢量控制系统

在电气传动领域，前后产生了多种通用的和高性能的交流电机控制策略，主要有：转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、自适应控制等。其中，转差频率控制又有转速开环和闭环的转差频率控制，这都是依据电机的稳态数学模型，其动态性能不高，但控制规则简单，仍在一般的调速系统中应用。要实现高动态性能的调速和伺服系统，必须依据异步电动机的动态模型来建立控制系统。由于交流电机的输入量是定子电压和定子频率，输出量则是电机转速和磁链，如果仍采用简单的线性PID控制器，就必须对电机数学模型进行解耦，通过解耦使电机模型线性化，等效为直流电动机模型来实施控制，基于动态电机模型的控制策略有矢量控制、直接转矩控制等。
绪论11矢量控制技术的发展现状111交流电动机调速技术的发展现状112矢量控制技术的发展现状12矢量控制的思想及其优点121矢量控制的基本思想122矢量控制的优点21异步电动机的动态数学模型211三相异步电动机的物理模型212三相异步电动机的动态数学模型213svpwm基本原理22矢量控制的基本原理10221三相两相静止坐标系变换32变换11222两相两相旋转变换2s2r变换1123按转子磁链定向的矢量控制技术的实现13231电流闭环控制方式13232转矩控制方式14233转子磁链的计算1424系统的总体设计153
按转子磁链定向的矢量控制系统(总60页)
中华人民共和国教育部
东北林业大学
毕业设计
设计题目：按转子磁链定向的矢量控制系统设计
学 生：黄建龙
指导教师：李克新 讲师
学 院：机电工程学院
专 业：电气工程及其自动化2007级3班
2011年6月
按转子磁链定向的矢量控制系统设计
摘 要
本文在对交流异步电动机坐标变换原理的概念，异步电动机的数学模型和在不同坐标系上的数学模型表达方程式介绍的基础上，指出了异步电动机模型多变量、强耦合非线性的特点，介绍了SVPWM空间矢量变频调速技术，并对基于高速数字信号处理器（DSP）的交流电动机按转子磁链定向的矢量控制调速系统进行了研究。
在变频技术飞速发展的同时，交流异步电机控制技术也取得了突破性进展。对任何电气传动系统而言，从动态转矩到转速均为一积分环节，动态转矩为电磁转矩和负载转矩的差值，因而电磁转矩是电系统和机械系统相联系的重要纽带，传动系统性能的好坏，归根结底取决于系统对电磁转矩的控制能力。
交流电机是一多变量、非线性、强耦合的受控对象，其电磁转矩的产生和定转子磁场及其夹角有关，因此，如欲控制转矩，必先控制磁通。如何使交流电机获得和直流电机一样的转矩控制性能，是对交流电机实施有效控制的关键。而矢量控制和直接转矩控制系统基于交流电机的动态数学模型，因而动态性能好，转矩响应速度快，获得了与直流调速系统同样优良的静、动态性能，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代[5]。同时，单片微机、数字信号处理器(DSP)等微处理机引入电机控制系统，尤其是近年来能够进行复杂运算的数字信号处理器的应用，使得复杂的电机控制得以实现。另外，微机运算速度不断提高，存储器大容量化，进一步促进了数字控制系统取代模拟控制系统，数字化已成为控制技术的发展方向。
调速的智能功率模块（Intelligent Power Module—IPM）采用IGBT作为功率开关，含有电流传感器、驱动电路及过载、短路、超温、欠电压保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，是功率器件的重要发展方向。随着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得了飞速发展。PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。一般认为，1964年西德的A．Schonung和H．stemmler首先在《BBC评论》上发表文章，提出把通信系统的调制技术应用于交流传动中，产生了正弦脉宽调制(SPWM)变压变频的思想，从而为交流传动的推广应用开辟了新的局面[3]。
自1958年晶闸管（SCR）在美国GE公司诞生以来，电气传动技术就进入了电力电子发展时代，电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。在电气传动控制系统中，电力电子技术的作用主要是构成功率变换器，它作为弱电控制强电的枢纽，起着至关重要的作用。传统的电力电子器件是以晶闸管（SCR）为代表的，用它构成的可控硅整流装置使直流传动占据传动领域统治地位达数十年之久。然而晶闸管属于半控型器件且频率低，除在某些超大容量的场合中还在使用外，中小容量场合已被逐渐取代了[2]。在20世纪70年代以后，GTR、GTO、Power MOSFET、IGBT、MCT等全控型器件先后问世。由于IGBT兼有MOSFET和GTR的优点，是用于中小功率目前最为流行的器件，MCT则综合了晶闸管的高电压、大电流特性和MOSFET的快速开关特性，是极有发展前景的大功率、高频功率开关器件。电力电子器件正向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。目前己经应用于交流
Thehardware circuit is mainly composed of main circuit, drive circuit, micro control circuit, detection circuit, signal acquisition and fault integrated circuit etc; Software program mainly by the main program, interruption program and keyboard program etc.
所谓PWM技术即脉冲宽度调制技术，就是通过功率管的开关作用，将恒定直流电压转换成频率一定，宽度可调的方波脉冲电压，通过调节脉冲电压的宽度而改变输出电压平均值的一种功率变换技术[4]。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波的比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说到现在，PWM在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。在世界能源紧张、节能已成为工业生产主要课题的今天，PWM调速技术更显示出其优越性[3]。目前已有多种PWM控制方案，其中，空间电压矢量PWM(SVPWM)逆变器以控制磁通正弦为目标的磁链跟踪控制技术，以不同的开关方式在电机中产生的实际磁通去逼近定子磁链的给定轨迹——理想磁通圆，来确定逆变器的开关状态，形成PWM波形。由于其控制简单、数字化实现方便，且直流母线电压利用率高，已呈现出取代传统SPWM的趋势。另外还经常采用电流的闭环控制，即电流正弦PWM技术，使电机具有良好的动态特性，且在低速时也能平稳运转。
本设计完成了基于TMS320F2812DSP的交流电机按转子磁链定向的矢量控制系统设计。
在系统总体设计方面，系统由功率电路、控制系统及辅助电路组成。功率电路包括整流电路、直流中间电路、逆变电路以及驱动电路等组成；控制电路由F2812芯片及其外围电路组成，用来完成矢量控制核心算法、SVPWM产生、相关电压电流的检测量处理等功能；辅助电路由开关电源、串行通信电路等组成，以实现给系统提供多路直流电源以及上位机的监控等功能。
系统硬件电路主要是由主电路、驱动电路、微控制电路、检测电路、信号采集与故障综合电路等组成；软件程序主要由主程序、中断程序以及键盘程序等组成。
关键字：SVPWM；矢量控制；磁链定向；DSP
The DesignofOrientatedbytheRotorFluxVectorControlSystem
Abstract
Key word:SVPWM;Vector control;Flux; DSP
摘要
Abstract
按转子磁链定向的矢量控制系统设计
1.
随着电力电子技术和数字控制技术的不断发展，交流异步电动机在电力传动领域应用越来越广泛，其取代直流电机已成为不可逆转的趋势。异步电机具有结构简单、工作可靠、维护方便且效率较高的优点。普通的变频调速装置采用恒定磁通控制，即V/F恒定控制，电机即使在轻载运行时，其磁场的大小并不改变，电机的铁损耗并不会因为电机的轻载运行而减小，特别是当电机负载变化时将会造成电能的浪费，这种变频调速系统虽然具有异步交流电机调速的部分优点，但是它的动态性能差。现在，各种通用的和高性能的交流电机控制策略相继诞生，市面上有各种变频器，而在高性能异步电机调速系统中通常采用具有良好动静态性能的矢量控制技术，其控制性能可和直流调速相媲美。
This design completedthedesignof ac motoraccording to rotor flux vector control system based on TMS320F2812DSP.
In the design of the whole system,thissystem consists of power circuit, auxiliary circuit and control system. ThePower circuit includesrectifier circuit, dc intermediate circuit, inverter circuits and drive circuit etc; Control circuit iscomposed of F2812 chip and its peripheral circuit, to complete vector control core algorithm, SVPWM production, related voltage current detection quantity processing function; Auxiliary circuit by switching power supply, Serial communication circuit etc, so as to realize the system to provide multi-channel to dc power supply and PC monitoring, and other functions.
In this paper,weintroduces the ac induction motor concept, the principle of coordinate transformation of asynchronous motor in different refer and mathematical model of the express equations, and pointed outthecharacteristics asynchronous motor model multivariable and strong coupling nonlinear characteristics, and introduced the SVPWM space vector, and the technology of frequency conversion based on high speed digital signal processor(DSP)according to the ac motor rotor flux vector control speed control system is studied.