按转子磁链定向的矢量控制系统.docx
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按转子磁链定向的矢量控制系统
按转子磁链定向的矢量控制系统
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。
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
TheDesignofOrientatedbytheRotorFluxVectorControlSystem
Abstract
Inthispaper,weintroducestheacinductionmotorconcept,theprincipleofcoordinatetransformationofasynchronousmotorindifferentreferenceframesmathematicalmodelandmathematicalmodeloftheexpressequations,andpointedoutthecharacteristicsasynchronousmotormodelmultivariableandstrongcouplingnonlinearcharacteristics,andintroducedtheSVPWMspacevector,andthetechnologyoffrequencyconversionbasedonhighspeeddigitalsignalprocessor（DSP）accordingtotheacmotorrotorfluxvectorcontrolspeedcontrolsystemisstudied.
ThisdesigncompletedthedesignofacmotoraccordingtorotorfluxvectorcontrolsystembasedonTMS320F2812DSP.
Inthedesignofthewholesystem,thissystemconsistsofpowercircuit,auxiliarycircuitandcontrolsystem.ThePowercircuitincludesrectifiercircuit,dcintermediatecircuit,invertercircuitsanddrivecircuitetc;ControlcircuitiscomposedofF2812chipanditsperipheralcircuit,tocompletevectorcontrolcorealgorithm,SVPWMproduction,relatedvoltagecurrentdetectionquantityprocessingfunction;Auxiliarycircuitbyswitchingpowersupply,Serialcommunicationcircuitetc,soastorealizethesystemtoprovidemulti-channeltodcpowersupplyandPCmonitoring,andotherfunctions.
Thehardwarecircuitismainlycomposedofmaincircuit,drivecircuit,microcontrolcircuit,detectioncircuit,signalacquisitionandfaultintegratedcircuitetc;Softwareprogrammainlybythemainprogram,interruptionprogramandkeyboardprogrametc.
Keyword:
SVPWM;Vectorcontrol;Flux;DSP
摘要
Abstract
按转子磁链定向的矢量控制系统设计
1.绪论
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。
1.1矢量控制技术的发展现状
1.1.1交流电动机调速技术的发展现状
在20世纪60年代以前，全世界电气传动系统中高性能调速传动都采用直流电动机，而绝大多数不变速传动则使用交流电机。
到了60-70年代，随着电力电子技术的发展和应用，出现了采用电力电子变换器的交流调速系统。
再后来随着微型计算机技术的发展及现代控制理论的深入应用，交流调速控制策略取得不断突破：
先后出现调速性能比较好的恒V/F控制、转差频率控制，这些控制方式的静态性能比较好，实现了交流电机在一定范围内调速要求，但由于其控制思想基于交流电机的稳态控制规律，在动态特性、低速转矩特性方面，还不能与直流调速相媲美，从而使其应用范围受到了很大限制。
但直流电机本身具有许多难以克服的缺点，例如：
电刷和换向器必须经常检查维修，换向火花使它的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电机的容量和速度等等（极限容量与转速之积约106kW.r/min）[1]。
而相比之下，交流电机具有结构简单，工作可靠，维护方便且效率高的优点，应用很广泛。
所以发展高性能交流调速系统成为现代工业生产的迫切要求且意义重大。
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、PowerMOSFET、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
调速的智能功率模块（IntelligentPowerModule—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]。
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。
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。
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。
1.1.2矢量控制技术的发展现状
异步电机矢量控制技术是由德国学者K.Hass和F.Blaschke在20世纪70年代初建立起来的。
矢量控制（VectorControl）又称磁场定向控制（FieldOrientedControl），就是将交流电机空间磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向，其实际是一种解耦合控制，通过坐标变换和其它一系列的数学运算，将交流电机的定子电流分解为按磁链定向的励磁电流分量isd和转矩电流分量isq，再通过仿照直流电动机的控制方法对这两个电流分量单独控制实现对电磁转矩和磁通的分离控制。
毫无疑问，矢量控制理论的提出在交流传动史上具有划时代的意义。
但在当时要将其实用化还存在以下几个方面的问题[6]：
（1）矢量控制诞生不久，理论上并没有完全成熟，需要针对具体应用不断完善理论。
（2）由于矢量控制中包括坐标变换和旋转以及其他一些包含非线性的复杂运算，其运算处理的规模比直流调速大很多，若要进行实时控制必须有运算速度极快的控制系统。
但在70年代，计算机技术还不发达，当时的计算机由于运算速度低、价格昂贵和体积庞大而不能广泛应用于工业控制领域，只能用复杂的模拟电路来完成矢量控制系统，但模拟控制系统硬件结构相当复杂、可靠性低并且价格也很高，这些制约了矢量控制技术的实用化。
（3）当时的电力电子技术还不足以使矢量控制技术进入实用化。
在70年代，虽然PWM逆变器己出现，但GTO和GTR尚未完全走入实用，PWM技术实现起来成本很高。
而普通晶闸管由于本身的特点，不能利用门极关断信号使其关断，由普通晶闸管构成的逆变器必须有复杂的换流电路才能工作，这样一方面降低了系统的可靠性，另一方面，由于逆变器的开关频率很低，不能适应矢量控制中电压电流的快速变化。
随着各国学者的不断努力，经过近40年的发展，矢量控制技术逐步走向成熟。
这期间电力电子器件也从最初的可控硅（SCR）发展至GTR、GTO、MOSFET、IGBT等多种开关频率高、控制性能好的开关器件。
再加上电子计算机技术、大规模集成电路技术的发展，在80年代中后期交流电机矢量控制技术开始逐步迈入实用阶段。
进入90年代，数字信号处理器（DSP）的应用，为矢量控制技术的实用化开拓出崭新局面，DSP的高速运算能力使矢量控制系统的软硬件结构得到简化，这就为一些结构较为复杂而性能较好的矢量控制方案的实施提供了物质保证。
而电力电子器件的进一步发展也为矢量控制技术的应用提供了更好的舞台，现在小到精密伺服大到电力牵引，都有矢量控制技术的身影。
随着控制系统硬件（包括DSP和电力电子器件）性价比的进一步提高，以矢量控制技术为核心的交流调速系统将有望在越来越多的领域中取代直流调速[7]。
目前较典型的矢量控制方案有：
转差矢量控制、气隙磁场定向的矢量控制、定子磁场定向的矢量控制、转子磁场定向的矢量控制等。
1.2矢量控制的思想及其优点
1.2.1矢量控制的基本思想
矢量控制的思路是把三相异步电动机等效于两相
静止系统模型，再经过旋转坐标变换为磁场方向与M轴方向一致的同步旋转的两相M、T模型。
电流矢量i是一个空间矢量，因为它实际上代表电机三相产生的合成磁势，是沿空间作正弦分布的量，不同于在电路中电流随时间按正弦变化的时间向量。
电流矢量分解为与M轴平行的产生磁场的分量—励磁电流im和与T轴平行的产生转矩的分量—转矩电流iT,前者可理解为励磁磁势，后者可理解为电枢磁势。
通过控制大小也就是矢量电流i的幅值和方向（M、T坐标系中的
角）去等效地控制三相电流
的瞬时值，从而调节电机的磁场和转矩以达到调速的目的。
经典的正弦脉宽调制（SPWM）控制主要着眼于使变压变频器的输出电压接近正弦波，并未顾及输出电流的波形。
而电流跟踪控制则主要控制输出电流，使之在正弦附近变化，这就比只要求正弦电压前进了一步。
然而交流电动机则需要输入单项正弦电流的最终目的使在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。
把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场作为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称“电压空间矢量PWM（SpaceVectorPWM，SVPWM控制）”[8]。
矢量控制不同的电压空间矢量是由电力电子变频器根据一定的输出要求产生的。
变频器按其变频方式可分为交-直-交变频器和交-交变频器，变频器的结果示意图如图1-1：
a）交-直-交变频器b）交-交变频器
图1-1变频器结构示意图
常用的交-直-交变频器主回路结构图如图1-2所示：
图1-2交-直-交变频器主回路结构图
本文所要研究的按转子磁链定向的矢量控制系统其基本实现方法，是通过对交流异步电机进行坐标变换解除定子电流转矩分量和磁链分量的耦合，通过对电力电子变频器输出的电压空间矢量按一定的方式进行合成，使逆变器的输出趋近于目标控制轨迹。
其中坐标变换的具体方法将在第二章中介绍。
1.2.2矢量控制的优点
矢量控制系统是已经获得实际应用的高性能交流调速系统，它有以下特点1）按转子磁链定向，实现了定子电流励磁分量和转矩分量的解耦，需要电流闭环控制；2）转子磁链系统的控制对象是稳定的惯性环节，可以采用磁链闭环控制，也可以采用开环控制；3）采用连续的PI控制，转矩于磁链变化平稳，电流闭环控制可有效的限制起制动电流[8]。
矢量控制系统的优点有，转子磁链控制可以闭环控制也可以开环控制；转矩控制连续，转矩脉动小，比较平滑；调速范围较宽，调速性能好。
正是由于矢量控制系统的这些优点，又由于交流电机具有结构简单，工作可靠，维护方便且效率高的优点，使得矢量控制调速系统获得广泛的应用。
2.矢量控制技术的基本原理
2.1异步电动机的动态数学模型[8][9]
2.1.1三相异步电动机的物理模型
异步电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，这就决定了对于异步电机的控制，如果要实现良好的调速性能，必然较为复杂。
70年代发展建立起来的磁场定向理论（即矢量控制理论），为现代交流调速控制的发展提供了理论基础，使交流电机的动、静态性能能够和直流电机相媲美。
本节将对异步电机的数学模型进行介绍，为了解矢量控制和转子磁链模型的建立奠定数学基础。
在讨论异步电动机的数学模型之前，先对其进行如下假设[9]：
1．设三相定子绕组A，B，C及三相转子绕组a，b，c在空间对称分布，各相电流所产生的磁动势沿气隙圆周正弦分布，无齿槽效应。
2．忽略磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的。
3．忽略铁心损耗。
4．不考虑频率变化和温度变化对电机参数的影响。
在三相异步电机中，定子三相绕组轴线A，B，C在空间是固定的，转子绕组轴线a、b、c以角速度随转子旋转。
如以A轴为参考坐标轴，转子a轴和定子A轴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惯例和右手螺旋定则。
三相异步电机的物理模型如图2-1所示：
图2-1三相异步电动机的物理模型
2.1.2三相异步电动机的动态数学模型
异步电动机的动态模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成。
其中磁链方程和转矩方程为代数方程，电压方程和运动方程为微分方程。
1.电压方程
三相定子绕组的电压平衡方程为
（2-1）
三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为
（2-2）
将电压方程写成矩阵方程
（2-3）
式中uA、uB、uC、ua、ub、uc——定子和转子相电压的瞬时值
iA、iB、iC、ia、ib、ic——定子和转子相电压的瞬时值
ψA、ψB、ψC、ψa、ψb、ψc——各项绕组的全链值
Rs、Rr——定子和转子电阻。
2.磁链方程
（2-4）
式中iA、iB、iC、ia、ib、ic——定子和转子相电压的瞬时值
ψA、ψB、ψC、ψa、ψb、ψc——各项绕组的全链值
L——电感矩阵，其中对角线元素LAA、LBB、LCC、Laa、Lbb、Lcc是各绕组的自感，其余各项是相应绕组的互感。
3.转矩方程
综合考虑机电能量转换、电感的矩阵关系，得到转矩方程如下：
（2-5）
4.运动方程
运动控制系统的运动方程为：
（2-6）
（2-7）
式中J——机组的转动惯量；
TL——包括摩擦阻转矩的负载转矩。
从以上三相异步电动机的原始数学模型可以看出来，三相变量中只有两相是独立的，因此三相原始数学模型并不是其物理对象最简洁的描述，完全可以且完全有必要用两相模型代替。
异步电机三相原始模型中的非线性耦合主要表现在磁链方程式与转矩方程式）中，既存在定子和转子间的耦合，也存在三相绕组间的交叉耦合。
三相绕组在空间按120°分布，必然引起三相绕组间的耦合。
而交流异步电机的能量转换及传递过程，决定了定、转子间的耦合不可避免。
由于定转子间的相对运动，导致其夹角θ不断变化，使得互感矩阵和均为非线性变参数矩阵。
可以看出，异步电动机三相原始动态模型相当复杂，分析和求解这组非线性方程十分的困难。
在实际应用中必须予以简化，简化的基本方法就是坐标变换。
异步电动机数学模型之所以复杂，关键是因为有一个复杂的电感矩阵，它体现了影响磁链和受磁链影响的复杂关系。
因此，要简化数学模型，须从简化磁链关系入手。
2.1.3SVPWM基本原理
1.基本电压矢量
如图2-2所示是电压源型PWM逆变器—电动机示意图。
图中UA、UB、UC是逆变器的电压输出，VT1到VT6是6个IGBT，他们分别被a、a'、b、b'、c、c'这六个控制信号所控制。
当逆变桥上半部分的一个IGBT开通时，即a、b或c为1时，其下半部分相对的IGBT被关断（即a'、b'或c'为0）。
VT1，VT3和VT53个IGBT的开关状态，即a、b和c为0或为1的状态，将决定UA、UB、UC三相输出电压的波形。
可以推导出，三相逆变器输出的线电压矢量
与开关状态矢量
的关系为
（2-8）
三相逆变器输出的相电压矢量
与开关状态矢量
的关系为
（2-9）
式中，UDC是直流电源电压。
不难看出，因为开关状态矢量
有8个不同的组合值（a、b、c只能取0，1），即逆变桥上半部分的三个IGBT的开关状态有8种不同的组合，故其输出的相电压和线
图2-2电压源型PWM逆变器—电动机示意图[1]
电压也有8种对应的组合。
开关状态矢量与输出的相电压和线电压的对应关系见表2-1所示。
将表2.1中的8组相电压值代入式（2-14），就可以计算出相应的8组相电压的矢量，这8个矢量就称为基本电压空间矢量，图2-3给出了8个基本电压空间矢量的大小和位置，包括6个标准矢量U0、U60、U120、U180、U240、U300和两个零矢量O000和O111。
其中非零矢量的幅值相同，都为2UDC/3。
且相邻的两矢量相位相差60°，而2个零矢量幅值为零，位于中心。
当采用DSP编程实现SVPWM时，为了计算方便，需要将如图2-3所示的三相ABC平面坐标系中的线电压和相电压值转换到平面直角坐标系中，其中平面直角坐标选择α轴与A轴重合，
轴超前90°。
如果在两个坐标系的旋转中保持电动机的总功率不
表2-1开关状态与相电压和线电压的对应关系[16]
A
b
c
UA
UB
UC
UAB
UBC
UCA
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
2UDC/3
-UDC/3
-UDC/3
UDC
0
-UDC
1
1
0
UDC/3
UDC/3
-2UDC/3
0
UDC
-UDC
0
1
0
-UDC/3
-UDC/3
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