异步电机矢量控制及其数字化实现

3.0 范春蓉 2024-09-25 13 4 4.17MB 54 页 15积分

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基于 DSP 的异步电机控制平台的研究与开发

摘要

为了实施数字化调速策略的深入研究，需要一套专门的电机调速控制的试验平台。本文

设计的数字化电机通用控制试验平台提供了一整套适用于调速控制交流异步电机，目的是可

以使电机调速控制算法更快更好地得到实践的验证。本文主要介绍了该平台的设计目的和整

体构架，平台的硬件设计，实现了本平台的软件设计，并进行平台的测试和验证，本文主要

研究内容有如下几个方面：

本文研究的是以 TMS320F2812 -DSP 为控制核心的电压源型矢量控制变频调速系统。本文

分析了矢量控制和的电压空间矢量脉宽调制原理与实现方法。论文中分析了异步电机在三相

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，得到了基于转子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、控制算法以及 DSP 的实现方法，最后得到异步电机的矢量控制系

统图。

在系统图的基础上完成模块化的硬件实现。以 TMS320F2812 为控制核心，采用智能功率

模块 IPM 作为功率主回路，通过电流和转速检测电路构成闭环控制系统。用 TMS320F2812 汇

编语言编制了矢量控制系统程序。在该系统中利用高性能的电机控制专用芯片 TMS320F2812

的强大运算能力和快速实时处理能力，使复杂的控制算法更加容易实现，实现异步电动机高

性能控制。该矢量控制系统的研究为今后开发更高性能的变频调速系统奠定了良好的基础。

最后，本文在实验平台上分别完成了 V/F 开环、V/F 转速闭环和异步电机矢量控制三个

实验，分别介绍了它们的调试过程以及它们之间相互关系，并进一步对比分析了实验结果。

关键词:变频调速，转子磁链定向控制，数字信号处理器(DSP)，空间矢量脉宽调制(SVPWM)

基于 DSP 的异步电机控制平台的研究与开发

Abstract

With the development of digital technology, digital motor control has been the chief method in

motor control field. In order to validate the motor control algorithm by experiments, the system of

general digital motor control research is required. The system prepares a set of hardware not only

for digital motor control, but also for digital DC and Switching asynchronies motor control.

People can do motor control experiments more quickly with the system. This paper introduces

the purpose, hardware design, and tests the platform. The main research aspects are the followings:

In this dissertation the research focuses on a vector control variable-frequency speed control

system based on TMS320F2812. The principle and realization method of vector control and

SVPWM (space vector pulse width modulation) have been analyzed. For vector control the analysis

of induction motor mathematic models and control equations under three-phase static coordinate

system, two-phase static coordinate system and circular coordinate system is presented in the

dissertation, and then the control equation under synchronous circular coordinate system based on

rotor field orientation is acquired. The principle, control algorithm and realization method by DSP

of SVPWM are also given, and then designed the vector control system of induction motor.

The system adopted TMS320F2812 as control core, intelligent power modulation (IPM) to

constitute the main power loop to form a two loop-locked control system by detecting currents and

rotor speed. The software including main program and part subprogram is realized by assemble

language. The DSP chip (TMS320F2812) has great capability of data computation and real-time

processing which make complicated control algorithm achieved easily and the control of induction

motor more efficient. The research of the system does help to the development of the more

advanced motor control system. Finally, the three experiments that V/F open loop, V/F speed close

loop, indirect vector control system are made on experiment platform, which showthem mutual

relation and analyze experimental result.

KEY WORDS: Variable-frequency Speed Control

，

Field Oriented Control Based on Rotor

Magnetic Flux

，

Digital Signal Processors (DSP)Space Vector Pulse Width Modulation

(SOPWM)

基于 DSP 的异步电机控制平台的研究与开发

第一章绪论

1.1 课题研究背景

电气传动系统是由控制部分、功率部分和电动机三大要素组成的一个有机整体。各部分

之间的不同组合，可构成多种电气传动系统。调速传动从电流型式上分为直流调速和交流调

速两大类，而在交流调速中，异步电动机调速系统和同步电动机调速系统己发展成为占有相

当比例的两类调速系统，目前已形成直流电动机、异步电动机、永磁同步电动机三大类调速

系统。异步电动机调速系统包括转差功率消耗型，转差功率馈送型，转差功率不变型；而同

步电机转差恒等于 0，没有转差功率，只有转差功率不变型的变压变频调速。

直流调速系统控制简单，调速性能好，变流装置结构简单，长期以来在调速系统领域里

占统治地位。但是也有许多缺点：

1、由于直流电动机结构复杂、成本高、故障多、维护困难且工作量大，经常因火花大而影

响生产。

2、接触式的电流传输限制了直流电动机的使用场合。

3、由于电枢在转子上，电动机效率低，散热条件差，冷却费用高。

这些固有的缺点限制了直流电动机向高转速、高电压、大容量方向发展。

在交流调速系统中，因为异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低、保养维

护简单等优点，所以长期以来，异步电动机占有主导地位。在风机、水泵、普通机床等的驱动

中，人们广泛使用交流异步电动机来拖动机械工作。其中，，由于交流变频调速技术显著的

节能效果以及在国民经济各领域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的交流调速方式，

代表了电气传动发展的主流方向。目前，变频调速理论已经形成较为完整的科学体系，成为

一门相对独立的学科。

交流调速技术的发展依赖于微电子学、电力电子技术、计算机控制、现代控制理论和逆变

技术以及交流电动机制造技术的发展，是一门多学科交叉技术。随着电力电子技术和现代控

制理论的提出和迅速发展，促进了电机调速系统的迅速发展。电动机调速从直流发电机→电

动机组调速、静止晶闸管整流器直流调压调速逐步发展到交流感应电动机变频调速，变频调

速又由 VVVF 的变压变频控制的 PWM 变频调速发展到了矢量控制变频调速。通过控制交流电动

机里相当于并励直流电动机励磁绕组的磁通变化，提高变频器的恒转矩输出范围和动静态特

性，使得交流电动机变频器调速性能超过了直流电动机调压调速性能。目前在调速传动领域，

基于 DSP 的异步电机控制平台的研究与开发

交流调速取代直流调速，数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。

本课题以 DSP 和智能功率模块及异步电动机构成的系统为研究对象，以提高算法的执行

速度和精度为目标，运用矢量控制思想设计了一种数字化的变频调速研究平台，具有一定的

理论和实际应用价值。

1.2 电机调速技术发展

交流电机是一个多变量、强耦合、非线性的被控对象，初期的变压变频调速方案实现了

交流电机在一定范围内的调速，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，还不能达到较高要求。随着电力电子技术的发展和控制方法的进步，

出现了较高性能的控制方法，以矢量控制和直接转矩控制为代表，使交流调速得到了飞速发

展，开始逐步取代以前处于垄断地位的直流调速。

矢量控制方法的基本思路是经过坐标变换，将交流电机模拟成直流电机，对定子电流的

励磁分量和转矩分量分别进行控制，从而得到较好的调速。随着近年来智能控制方法的发展，

许多学者也开始将智能控制引入交流调速系统，用于克服控制方法中电机对负载的适应能力

差，抗干扰能力弱和受系统参数变化影响大等缺点。智能控制无需对象的精确模型，且本身

具有非线性、变结构、自学习等特点，从而可以有效地克服交流伺服系统中的变参数和非线

性因素的影响，提高系统的性能。

随着计算机技术的迅猛发展，16 位乃至 32 位微处理器的应用越来越普及，而且由于微

处理器在性能、速度、容量、价格、体积等方面的不断发展，使得在电气传动中全部采用数字

控制成为现实，目前，已呈现出不可阻挡的发展趋势。数字控制系统的特点如下所述：

(1)控制精度高。在模拟控制系统中，使用运算放大器会受温度变化和电压波动的影响;

而数字控制系统中，一切均通过软件运算，且采用微量化信号(数据)，故控制精度有保证。

(2)稳定性好。控制信息为数字量，不会随时间发生漂移，也不会随温度和环境条件而

发生变化，这是模拟控制所无法比拟的。

(3)可靠性。高微机控制由于采用的元器件少，相应地故障率也大大降低。而且信号全

部采用数字量传输，受干扰的影响小，因此，比模拟控制可靠性高。

(4)维护方便。微机可以通过各种信号检测方法将取得的信息寄存，具备记忆能力，故

容易实现故障诊断，方便维护。

(5)灵活性好。在硬件不做任何改动的情况下，只要修改软件就可以改变它的控制功能，

实现不同的控制策略。

(6)经济性。采用微机或高性能控制芯片后会提高成本，但随着芯片价格的降低，这个

差距会很快缩小。

(7)逻辑运算能力强。数字计算机具有很强的逻辑运算能力，与它的存储能力相结合，

使得计算机可以做许多事情，甚至可以模拟人的思维进行分析、判断，积累经验，进行学习，

实现智能控制。

(8)存储能力强。存储容量大，存储时间几乎不受限制，可以在计算机内存放各种数据

基于 DSP 的异步电机控制平台的研究与开发

和表格以便采用查表的方法来简化计算。

数字化技术使得高性能的控制方法得以实现，而且还有可能进一步实现更复杂的控制技

术。用微机实现软件控制算法，大大简化了硬件，而且使硬件电路规范化，降低了成本，提

高了控制精度及可靠性。各种功能的高级专用集成电路的相继出现，使得交流调速系统的性

能得到了更大的提高。

1.3 DSP 在电机调速系统中的应用

以微处理器为核心的数字控制已成为现代交流调速系统的主要特征之一。开始时由于单

片机集成了最小微机控制系统，并且以数字控制功能强为特点，因此被广泛的应用在交流调

速系统中。随着单片机性能的不断提高，单片机具有了丰富的硬件资源和软件资源，能够满

足简单的 V/F 变频调速系统的要求，但是单片机对大量数据处理或浮点运算能力有限，不能

够完成矢量控制和直接转矩控制这样复杂系统的控制。

为了提高运算速度，在 20 世纪 80 年代初期出现了数字信号处理器 DSP，它作为高速专

用的微处理器，运算功能强大，数据传输速度快，在数字控制领域应用广泛。 DSP 的出现和

发展使复杂算法的实现成为可能，并且可同时实现系统的故障自诊断、控制参数的自整定等，

从而使交流调速系统具有更高的性能。

在控制领域应用 DSP 可以使数值运算获得更精确的控制值和更快的系统响应速度，DSP

高速和强大的运算能力，可以使系统采样频率的提高不再有障碍，这无疑又提高了使用某些

数字控制规律系统的性能。DSP 以运算速度快为显著特征，而单片机则以数字控制功能强为

特点。电动机的数字控制既要求控制器有强大的 I/O控制功能，又要求控制器有高速的信号

处理能力以实现实时控制。因此世界上各大 DSP 生产商将 DSP 的高速运算速度与单片机的高

控制能力相结合，开发出电机控制的专用 DSP 芯片。这种 DSP 集中了电动机控制所必须的可

增加死区和灵活多变的多路 PWM 信号发生器，高速高精度 ADC，以及用于电机速度和位置反

馈的编码器接口等电路。TMS320C24x作为第一个数字电机控制器的专用 DSP 系列，可支持电

机的转向、指令的产生、控制算法的处理、数据交流和系统监控等功能。集成化 DSP 核、最佳化

电机控制事件管理器和单片式 A/D 设计等诸多因素加在一起，就可提供一个单芯片数字电机

控制方案。这种 DSP 是目前用于电机控制中功能最强大的控制器。

尤其在无速度传感器矢量控制中，以 DSP 为核心控制系统的变频器，可以自动检测电机

的参数，建立电机的数学模型，通过检测电机的电压和电流，从而实现随心所欲的控制。在

实际工程应用中，DSP 的高速度运算能力还可以消除噪声污染和不精确的输入及反馈信号数

据，对要求速度较快的 PWM 控制算法如空间矢量算法，用 DSP 芯片可以提高供电电压的利用

率，减少电机电流中的谐波分量。

1.4 本课题的研究意义

交流电机控制系统正向集成化、数字化、智能化、模块化、无速度传感器方向发展，采用

基于 DSP 的异步电机控制平台的研究与开发

先进的数字信号处理器，使得先进的控制理论、现代控制理论、智能控制理论等新理论被普

遍应用到电机控制系统中。为了使得新方法能够用于交流调速系统的实时在线控制中，从而

大大提高系统控制性能，本文研究高性能通用的交流电机控制平台对研究电机算法和变频技

术提供一个通用的研究平台具有重要的研究意义。

1.5 本论文的研究内容及技术要求

本课题应用矢量控制的原理，采用 TI 的电机专用控制芯片 TMS320LF2407 DSP，开发出

异步电机矢量控制及其数字化控制系统。主要的工作如下：

（1）分析矢量控制和的电压空间矢量脉宽调制原理（SVPWM）与实现方法。

（2）进行异步电机矢量控制系统总体设计和控制方案的选择，进而利用 DSP 技术来实

现数字化控制。

（3）其次依据矢量控制的原理，以电机控制专用的 DSP 芯片 TMS320LF2812 为核心，设

计基于 DSP 的矢量控制变频调速实验平台。文中对智能功率模块 IPM, DSP 芯片、电流和转速

检测电路以及异步电机矢量控制系统作了介绍。

（4）对各个功能模块的 DSP 编程实现都进行了详细研究，重点介绍空间矢量算法

(SVPWM)的 DSP 编程实现方法。

（5）系统的测试，对整个做好的矢量控制系统的测试。然后查看输出波形进行分析，并

进行控制方法的分析。

论文完成了控制算法、控制软件、控制系统硬件电路及功率电路的设计，并且在调试中

对驱动电路以及保护电路的参数优化进行了分析。实验结果表明了系统设计方案的有效性和

可行性。

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摘要：

基于DSP的异步电机控制平台的研究与开发基于DSP的异步电机控制平台的研究与开发摘要为了实施数字化调速策略的深入研究，需要一套专门的电机调速控制的试验平台。本文设计的数字化电机通用控制试验平台提供了一整套适用于调速控制交流异步电机，目的是可以使电机调速控制算法更快更好地得到实践的验证。本文主要介绍了该平台的设计目的和整体构架，平台的硬件设计，实现了本平台的软件设计，并进行平台的测试和验证，本文主要研究内容有如下几个方面：本文研究的是以TMS320F2812-DSP为控制核心的电压源型矢量控制变频调速系统。本文分析了矢量控制和的电压空间矢量脉宽调制原理与实现方法。论文中分析了异步电机在三相静止坐...

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