【正文】 交流異步電機(jī)的控制策略分類V/F 控制當(dāng)前異步電機(jī)調(diào)速總體控制方案中，V/F 控制方式是最早實(shí)現(xiàn)的調(diào)速方式。異步電動(dòng)機(jī)存在轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷力矩變化而變動(dòng)，即使目前有些變頻器具有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能及轉(zhuǎn)矩提升功能，也難以實(shí)現(xiàn) %的精度，所以采用這種 V/F 控制的通用變頻器異步電機(jī)開環(huán)變頻調(diào)速適用于一般要求不高的場(chǎng)合，徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2如風(fēng)機(jī)、水泵等機(jī)械。矢量控制變頻器可以分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測(cè)和控制，自動(dòng)改變電壓和頻率，使指令值和檢測(cè)實(shí)際值達(dá)到一致，從而實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速，大大提高了電機(jī)控制靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩作為直接拄制對(duì)象，通過控制定子磁場(chǎng)向量控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。智能控制在經(jīng)典和各種近代的控制理論基礎(chǔ)之上提出的控制策略都有一個(gè)共同點(diǎn)即控制算法都依賴于電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，但當(dāng)模型受到參數(shù)變化和擾動(dòng)作用影響時(shí)，如何進(jìn)行有效的控制，使系統(tǒng)仍能保持優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能，便是人們需要研究的一個(gè)大課題。徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)42 異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型和電壓空間矢量 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和直流電動(dòng)機(jī)相比有著根本的的區(qū)別。在異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，一般采用的數(shù)學(xué)模型都是基于理想的電機(jī)模型。 、渦流及鐵芯損耗均忽略不計(jì)。由于定轉(zhuǎn)子m L折算后繞組匝數(shù)相等，認(rèn)為 ，則：定子三相繞組的自感1=2mL；轉(zhuǎn)子三相繞組的自感 ；ALLBC???a2bcm??（2）非對(duì)角線元素為定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組之間的互感和定轉(zhuǎn)子繞組之間的互感。 。這就是異步電機(jī)控制非線性的根源所在。 式（213）01122diLuRtJTenpLsrLTriiie?????????????????????????由式(2 一 13)可知異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，本質(zhì)上因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)是高階、非線性、多變量和強(qiáng)禍合的系統(tǒng)，我們希望通過坐標(biāo)變換使之簡(jiǎn)化。由此物理模型，可推導(dǎo)得到任意速度旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下異步電機(jī)的狀態(tài)方程為：電壓方程式(2 一 14): 式（214）q1d2URipsdsqirrpq????????????—磁鏈方程式(2 一 15)： 式（215）Liisdmrdqqiirsd???????電磁轉(zhuǎn)矩方程式(2 一 16)： 式（216）()Tniiepsqsq??—機(jī)電運(yùn)動(dòng)方程式(2 一 17)： 式（217）JdeLntp??將式（215）代入（214）式中，得： +k km+k k=+r r +r rRLLpLU issmd sdLRp pq qipRrmLLR???? ?? ?? ?? ?? ?? ??? ??—（ ） （ ）（ ） （ ） 式（218）式中 d、q 系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速度=kp??當(dāng) 時(shí)為同步旋轉(zhuǎn) d、q 系統(tǒng)；當(dāng) 時(shí)為定子靜止坐標(biāo)系統(tǒng)。 表示法與 月相似。利用電0su壓逆變器的開關(guān)特點(diǎn)，正確地選擇電壓空間矢量不斷切換電壓狀態(tài)，使定子磁鏈逼近圓形，并通過零電壓矢量的穿插調(diào)節(jié)來改變轉(zhuǎn)差頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩同時(shí)按要求快速變化。圖 所示的是一個(gè)典型的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)框圖。數(shù)字信號(hào)處理一般是用 DSP 芯片和在其上運(yùn)行的實(shí)時(shí)處理軟件對(duì)輸入數(shù)字信號(hào)按照一定的算法進(jìn)行處理，然后將處理后的信號(hào)輸出給 D\A 轉(zhuǎn)換器，經(jīng) D\A 轉(zhuǎn)換、內(nèi)插和平滑濾波后得到連續(xù)的模擬信號(hào)。這種實(shí)時(shí)能力使DSP 在聲音處理、圖像處理等不允許時(shí)間延遲的領(lǐng)域的應(yīng)用十分理想，成為全球 70%數(shù)字電話的“心臟” ，同時(shí) DSP 在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。世界上第一片單片 DSP 芯片是 1978 年 AMI 公司宣布的 S2811，在這之后，最成功的 DSP 芯片當(dāng)數(shù) TI 公司 1982 年推出的 DSP 芯片。20 世紀(jì) 90 年代 DSP 發(fā)展最快，相繼出現(xiàn)了第四代和第五代DSP。TI 公司作為 DSP 生產(chǎn)商的代表，生產(chǎn)的品種很多，大約占市場(chǎng)份額的 60%?！? 儀器儀表：暫態(tài)分析、函數(shù)發(fā)生、波形產(chǎn)生、數(shù)據(jù)采集、石油/ 地質(zhì)勘探，地震預(yù)測(cè)與處理等?！? 通信：糾錯(cuò)/譯碼、自適應(yīng)均衡、回波抵消、同步、分散接收、數(shù)字調(diào)制/ 解調(diào)軟件無線電和擴(kuò)頻通信等。所有控制算法的實(shí)現(xiàn)和實(shí)用化均不能離開硬件系統(tǒng)，本節(jié)主要介紹系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)屬于中、小容量變頻器，整流器可采用不可控整流二極管成的橋式全波整流，再經(jīng)大容量電解電容 C，構(gòu)成的濾波環(huán)節(jié)進(jìn)行濾波，為逆變器提供恒定的直流電壓。能耗制動(dòng)電路徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)19當(dāng)能耗制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)再生的電能經(jīng)續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路，在濾波電容上會(huì)有短時(shí)間大量電荷堆積，這就是所謂的“泵生電壓” ，使得直流電壓升高。逆變電路的功能是在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下把直流電變換到幅值恒定、頻率可調(diào)的三相交流電，由功率器件和驅(qū)動(dòng)電路組成。（2）功率效應(yīng)管漏極電流的大小受控制級(jí)與源級(jí)間的電壓控制，屬電壓控制性器件，開關(guān)頻率較高，最高答 20KHz 以上。（3）絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）IGBT 是 MOSFET 和 BJT 結(jié)合的產(chǎn)物，主體部分與晶體管相同，但驅(qū)動(dòng)部分卻和場(chǎng)效應(yīng)管相同。而且開關(guān)頻率也可達(dá) 20KHz，電機(jī)的電流波形比價(jià)平滑，基本無電磁噪聲。本系統(tǒng)是中、小型系統(tǒng)采用 IGBT 作為逆變?cè)ｒ?qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。通過 DC/DC 輔助開關(guān)電源，可得到四路相互獨(dú)立的 24V電壓輸出，于四片驅(qū)動(dòng)芯片的供電。因?yàn)楦鞣N尖峰干擾的存在，為避免頻繁的保護(hù)影響開關(guān)電源的正常工作，設(shè)立盲區(qū)是很有必要的；當(dāng)過流信號(hào)時(shí)間大于設(shè)定的盲區(qū)時(shí)間時(shí)，開始軟關(guān)斷。獨(dú)立或互鎖設(shè)定光耦隔離D C / D C驅(qū)動(dòng)用戶保護(hù)參數(shù)設(shè)置4 路隔離驅(qū)動(dòng)輸出輸入雙路P W M 信號(hào)輸出互補(bǔ)故障信號(hào)控制電源1 5 1 8 V圖 驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)框圖GNDV11V12AohAo1GND12/15V5V輸入PWM故障輸出主板電源D A 8 4 1 H D4214214214211 5 — 1 8 VJ 1 0 1J 1 2J 4 2J 2 2J 3 2J 11 0 0 K1 0 0 K1 0 0 K1 0 0 K圖 應(yīng)用連接圖徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)22 控制回路設(shè)計(jì)控制電路控制電路由 DSP 控制板及其外圍電路組成，主要完成信號(hào)檢測(cè)、控制算法實(shí)現(xiàn)、逆變器 PWM 波形輸出等功能。TMS320LF2407A 是美國(guó) TI(TexasInstruments)公司專為數(shù)字電機(jī)控制而推出的一種定點(diǎn) DSP，是基于 TMS320CZ 雙型 16 位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的新型DSP 控制器系列的首批成員。高速運(yùn)算能力， 30MIPS 的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到 33ns，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。※ 串行通訊 SCI 模塊，支持 CPU 與其他使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間的數(shù)字通訊，可編程 65535 種傳輸速度；※ 1/0 模塊、以 模塊、SPI 模塊；※ 32 位累加器和 32 位中央算術(shù)邏輯單元（CALU ） ；16 位16 位并行乘法器，可實(shí)現(xiàn)單指令周期的乘法運(yùn)算，5 個(gè)外部中斷。例如:一個(gè)可編程的死區(qū)單元和一個(gè)用于三相電機(jī)的空間向量 PWM 狀態(tài)機(jī)，它們可以在功率三極管開關(guān)過程中提供最大的效率。LF2407A 中有 16 個(gè)模擬輸入通道，其中每個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器有 8 個(gè)輸入通道，并且 F2407 有兩個(gè)二級(jí) FIFO 結(jié)果寄存器用于存放轉(zhuǎn)換結(jié)果。串行通訊接口(SCI)提供了通用全雙工的異步接收 /發(fā)送(UART)通信模式，可與 PC 機(jī)串口、打印機(jī)等標(biāo)準(zhǔn)器件通訊，可采用 RS 一 232 一 C 協(xié)議。RTI 模塊提供可編程間隔的中斷，在 CPU 異常時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位。由于是模塊化的編寫程序，所以應(yīng)在充分理解直接轉(zhuǎn)矩的控制原理與步驟的基礎(chǔ)上進(jìn)行程序的編寫。在實(shí)際運(yùn)行中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分利用電動(dòng)機(jī)鐵芯；轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載決定；要改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，可以通過改變磁通角 θs 的大小來實(shí)現(xiàn)。其誤差是由定子電阻 的存在引起的。此外，還需要精確地rRL?s測(cè)得轉(zhuǎn)子角速度 的大小。所以 u－n 是一個(gè)全速范圍的定子磁鏈觀測(cè)模型。 磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩控制和磁鏈控制可以分別通過一個(gè)滯環(huán)比較器來實(shí)現(xiàn)。若 ，則 TQ=1，要求選用電壓2??空間矢量使轉(zhuǎn)矩增大。0teT*?Ae??0s*s?*s?A*s圖 恒定圓形磁鏈軌跡控制示意圖 圖 轉(zhuǎn)矩變化控制示意圖理論上講， 取的越小，則轉(zhuǎn)矩控制和磁鏈控制就越精確。若器件開關(guān)頻率較低時(shí)仍然取較小的 ，T??、則滯環(huán)也就失去了意義，系統(tǒng)也可能會(huì)出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。在功率器件開關(guān)頻率較高的中小功率領(lǐng)域，后者占據(jù)了優(yōu)勢(shì)地位。我們沿逆時(shí)針方向?qū)⒍ㄗ哟沛湹奈恢脛澐譃榱鶄€(gè)扇區(qū)： , 如圖 。徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)32表 52 正轉(zhuǎn)定子電壓開關(guān)矢量表 θ Ψq TQ θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 θ61 110 010 011 001 101 1000 111 000 111 000 111 00011 101 100 110 010 011 0011 010 011 001 101 100 1100 000 111 000 111 000 11101 001 101 100 110 010 011表 53 反轉(zhuǎn)定子電壓開關(guān)矢量表 θ Ψq TQ θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 θ61 101 100 110 010 011 0010 111 000 111 000 111 0001 1 110 010 011 001 101 1001 001 101 100 110 010 011徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)330 000 111 000 111 000 1110 1 011 001 101 100 110 010 主程序設(shè)計(jì)主程序每 10μs 由硬件定時(shí)器發(fā)出的中斷信號(hào)啟動(dòng)并執(zhí)行一次，它負(fù)責(zé)執(zhí)行整個(gè)軟件整個(gè)必經(jīng)流程。③串行通信接口的軟件配置，通過串行通信接口通信控制寄存器(SCICCR)、串行通信接口控制寄存器(SCICTLI)和串行通信接口波特率寄存器(SCIHBAUD 和 SCILBAUO)這些控制寄存器來初始化所需的串行通信接口通信格式，包括操作模式、協(xié)議、波特率、字符長(zhǎng)度、奇/偶效驗(yàn)位等。本系統(tǒng)需要測(cè)量的電機(jī) 3 個(gè)定子端電壓和 2 個(gè)定子相電流。主程序框圖如圖 。(3)串行中斷子程序和故障處理子程序。（2） 通過解耦的異步電動(dòng)機(jī)對(duì)其兩個(gè)電流分量分別進(jìn)行控制從而達(dá)到轉(zhuǎn)矩的控制。宋老師淵博的知識(shí)，獻(xiàn)身科學(xué)，對(duì)知識(shí)的追求孜孜不倦、精益求精的治學(xué)態(tài)度，給我留下了深刻的印象。感謝本專業(yè)的老師們的幫助和支持，他們?yōu)槲覀儬I(yíng)造了科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)、進(jìn)取的學(xué)習(xí)氛圍，感謝他們對(duì)我們所遇到的各種問題的熱情解答。最后，我還要感謝我的家人，尤其是我的父母。宋老師嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高品質(zhì)更將是學(xué)生一生的榜樣。（4） 設(shè)計(jì)硬件電路和軟件框圖，將直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際控制中來。在本文的設(shè)計(jì)中采用了 TI 公司的 TMS320LF2407A 芯片為控制核心，利用電壓空間矢量的控制方法，用軟硬件成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制在三相交流電機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用。(1)開關(guān)量信息的捕捉:控制面板設(shè)定開關(guān)量信息(如啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動(dòng)加速、點(diǎn)動(dòng)減速和復(fù)位)時(shí)，同時(shí)給一定一個(gè)低電平信號(hào)，使TMS320LF2407A 的 XINT1 和 XINT2 外部引腳拉低至少 6 個(gè)或 12 個(gè)時(shí)鐘周期CLKOUT，這樣才能被 CPU 認(rèn)可。（4）調(diào)用調(diào)節(jié)器子程序：需要調(diào)用調(diào)節(jié)器子程序包括速度調(diào)節(jié)器子程序、轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)器子程序、磁鏈調(diào)節(jié)器子程序和零狀態(tài)調(diào)節(jié)器子程序，從而分別給出速度調(diào)節(jié)信號(hào)、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號(hào)、磁鏈調(diào)節(jié)信號(hào)和零狀態(tài)信號(hào)。⑤對(duì)事件管理模塊 EVA 或 EVB 的設(shè)置的內(nèi)容很多，主要包括:定時(shí)器 4 的設(shè)定，全比較 PWM 單元的設(shè)定，PWM工作方式的設(shè)定，死區(qū)時(shí)間的設(shè)計(jì)和 QEp 工作方式的設(shè)定等等。包括:①p 比時(shí)鐘設(shè)定，OSp 的工作頻率設(shè)定為 30H