異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-閱讀頁(yè)
2025-08-14 04:23本頁(yè)面
【正文】 換，得出轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶糠岛涂臻g位置，由于矢量變換中采用的的正弦和余弦函數(shù)，所以有 （237）電壓模型的計(jì)算是根據(jù)電壓方程內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于磁鏈變化率的關(guān)系，取電動(dòng)勢(shì)的積分即得磁鏈。其表達(dá)式為 （238）在本系統(tǒng)中，采用的是混合型的轉(zhuǎn)子磁鏈模型。其工作方式為：低速運(yùn)行，系統(tǒng)采用電低流模型來計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈；高速運(yùn)行，系統(tǒng)采用電壓模型計(jì)算轉(zhuǎn)子的磁鏈。低于額定轉(zhuǎn)速的10%認(rèn)定為低速運(yùn)行，高于10%認(rèn)定為高速運(yùn)行。中間通過光電耦合及不同的接口單元對(duì)不同的控制策略和功率容量進(jìn)行了分劃和組合。圖31 系統(tǒng)原理總圖系統(tǒng)的強(qiáng)電主電路采用的是交直交的電壓型變頻電路。輸入IPM智能功率模塊所組成的逆變單元，得到系統(tǒng)所要求的輸送給異步電機(jī)的三相交流電。系統(tǒng)還有開關(guān)電源電路等輔助電路，另外，鍵盤控制及上位機(jī)通信電路與上述強(qiáng)電和弱電部分儀器構(gòu)成異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)。此外，開關(guān)電源電路負(fù)責(zé)對(duì)光電耦合隔離模塊、DSP芯片等低壓電源的電力供應(yīng)。上位機(jī)和DSP控制器的通訊使系統(tǒng)及時(shí)作出規(guī)定動(dòng)作。哈佛結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是允許CPU同時(shí)訪問程序指令和數(shù)據(jù)，使指令存取和數(shù)據(jù)存取可以同時(shí)進(jìn)行，而這極大地提高了CPU的工作效率。TMS320F2812是TI公司在2010年推出的新一代的數(shù)字電機(jī)控制（DMC）用32位定點(diǎn)型的DSP芯片，其采用增強(qiáng)型的哈佛結(jié)構(gòu)，22位的程序地址和32位的數(shù)據(jù)地址[17]。該芯片的特點(diǎn)有：（1） 支持JTAG接口，集成了多種有利于工程人員使用的外設(shè)。（3） 使用高性能的靜態(tài)CMOS，I/，減小了控制器的功耗。（4） 芯片有56個(gè)可獨(dú)立編程的輸入輸出引腳（GPIO），完全滿足系統(tǒng)對(duì)電機(jī)調(diào)速控制的要求。（6） 對(duì)市場(chǎng)上的TMS320LF2407指令系統(tǒng)完全兼容。（8） 芯片帶有PWM控制模塊。（10） 內(nèi)置了多個(gè)定時(shí)器，為軟件編譯提供了很大的便利。（12） 高性能32位CPU使用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有統(tǒng)一的存儲(chǔ)模式，可快速中斷和中斷處理；并能適應(yīng)C,C++和匯編語言，它的C語言編譯器支持C++的編譯規(guī)范，可以直接將高級(jí)語言轉(zhuǎn)換為匯編語言代碼。（13） 芯片使用的溫度范圍更廣，S/Q：。 智能功率模塊設(shè)計(jì)該模塊將直流電變?yōu)榻涣麟?，這個(gè)過程成為逆變。根據(jù)其不同的性質(zhì)和工作原理,換流分為四種方式：器件換流、負(fù)載換流、電網(wǎng)換流和強(qiáng)迫換流。利用一定規(guī)律的PWM波形控制IGBT器件導(dǎo)通或關(guān)斷，從而將直流功率轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)所需求的交流功率，所以，逆變電路也稱為功率電路。為了實(shí)現(xiàn)智能功率模塊，采用了三菱公司的現(xiàn)代化智能功率模塊（IPM）作為控制核心的逆變電路。技術(shù)參數(shù)：，額定電流30A，額定電壓600V，開關(guān)頻率20KHZ，供電電源電壓15V。根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，采用HPCL4504高速光電耦合芯片隔離，用以實(shí)現(xiàn)精確的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換。輸出信號(hào)通過RC濾波和去耦合電路發(fā)出IGBT觸發(fā)信號(hào)使智能功率模塊工作。 整流濾波電路的設(shè)計(jì)整流電路的作用是將工頻交流電通過整流器件轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。如圖33所示?？紤]到負(fù)載的情況，選擇額定電流8A、額定電壓800V的KBJ808整流二極管。如上圖所示。濾波電容全部采用470pF耐壓型電解電容。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，先把檢測(cè)到的電壓和電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成0~20mA電流信號(hào)或0~3V電壓信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換輸入到DSP的GPIO口中；信號(hào)檢測(cè)部分，系統(tǒng)使用芯片的CAP模塊接收、處理速度信號(hào)；芯片的PDPINTA引腳連接IPM模塊中的會(huì)使DSP產(chǎn)生故障的信號(hào)，以便處理?？刂菩酒€有上電復(fù)位功能；TMS320F2812的時(shí)鐘信號(hào)可由外部晶振提供，通過芯片自帶鎖相環(huán)模塊，將時(shí)鐘信號(hào)乘以4倍頻后輸入到CPU。 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)部分分為電壓檢測(cè)、轉(zhuǎn)速檢測(cè)和電流檢測(cè)。該部分是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)雙閉環(huán)控制的關(guān)鍵，直接影響系統(tǒng)的可靠性和精度。由于智能功率控制芯片內(nèi)置了保護(hù)電路，故檢測(cè)到的信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)偏移處理后直接輸入到PM30CSJ060引腳和DSP保護(hù)外設(shè)中。該芯片測(cè)量精度良好，抗干擾能力強(qiáng)，溫度漂移低。具體檢測(cè)電路如下圖所示，其中R8=56，VCC = +15V。通過光電旋轉(zhuǎn)編碼器和電機(jī)轉(zhuǎn)子的信息，經(jīng)過不同的測(cè)速原理計(jì)算電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。具體的連接方法是將光電旋轉(zhuǎn)編碼器的A、B兩路正交信號(hào)輸出和控制芯片TMS320F2812內(nèi)置的事件管理器QEP模塊輸入引腳QEPQEP2相連，公用通用定時(shí)器TxCNT進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于系統(tǒng)采用三相完全對(duì)稱的異步電機(jī)，所以只需用兩個(gè)霍爾元件分別檢測(cè)電流。該芯片只需要少量無源器件即可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、偏置和確定時(shí)間常數(shù)等基本功能。具體電路如下圖，鑒于完全對(duì)稱的電路，檢測(cè)方法相同。鑒于智能功率模塊有相應(yīng)的保護(hù)電路，所以不需要再對(duì)IGBT進(jìn)行保護(hù)。圖36 保護(hù)電路如圖所示，當(dāng)DSP判定檢測(cè)部分電路信號(hào)有過電壓、過電流和啟動(dòng)故障時(shí)，LED指示燈會(huì)被點(diǎn)亮，指示排除故障；同時(shí)，系統(tǒng)PDPNIT中端口接到故障信號(hào)，系統(tǒng)執(zhí)行中斷程序，停止PWM輸出信號(hào)以停止電機(jī)運(yùn)行。軟件實(shí)現(xiàn)的主要任務(wù)有：（1） 完成與上位機(jī)間的通訊。（3） 坐標(biāo)變換。（5） 光電旋轉(zhuǎn)編碼器（速度）采樣。（7） 故障報(bào)警和處理。設(shè)計(jì)中對(duì)于上位機(jī)的使用比較簡(jiǎn)單，系統(tǒng)沒有關(guān)于上位機(jī)的過多功能要求，故上位機(jī)的控制程序只需利用網(wǎng)絡(luò)通用串口通信程序就能實(shí)現(xiàn)。主程序流程圖如下圖所示，當(dāng)系統(tǒng)出席那故障是，系統(tǒng)停止PWM并鎖定，將相應(yīng)故障位置顯示出來，然后執(zhí)行保護(hù)和故障處理程序。圖41 主程序流程圖 初始化程序設(shè)計(jì)對(duì)中斷的初始化主要完成相應(yīng)寄存器的位設(shè)置和中斷矢量的初始化；片內(nèi)外設(shè)的初始化是對(duì)系統(tǒng)用到的各部分進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置；變量初始化是指對(duì)在SVPWM中斷中多用到的變量進(jìn)行初始化；系統(tǒng)初始化主要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)置時(shí)鐘、主定時(shí)器和中斷看門狗程序進(jìn)行初始化。圖42 初始化程序流程圖 定子電流采樣程序設(shè)計(jì)具體程序流程圖如下圖43 定子電流采樣程序流程圖由于系統(tǒng)的速度采樣是依靠光電編碼器實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)上文所述：光電旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩路正交信號(hào)和DSP芯片內(nèi)置事件管理器QEP模塊的兩個(gè)輸入引腳QEPQEP相連，共用一個(gè)通用定時(shí)器計(jì)數(shù)。圖44 速度采樣處理流程圖圖中speed為計(jì)數(shù)器變量，SPEED表示計(jì)數(shù)值，TxCNT為通用定時(shí)器，Kspdwie速度系數(shù)，為計(jì)算出的速度值。其主要作用是實(shí)現(xiàn)矢量控制系統(tǒng)算法。當(dāng)中斷運(yùn)行時(shí)，首先讀取采樣電流值，調(diào)用坐標(biāo)變換函數(shù)變換后讀取速度的采樣值并進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，再根據(jù)電流求得轉(zhuǎn)子磁鏈的位置和空間角度，最終通過反變換得到相應(yīng)PWM波形控制功率開關(guān)。圖45 SVPWM中斷程序設(shè)計(jì)流程圖5 Simulink仿真及結(jié)果分析針對(duì)建立的異步電機(jī)矢量系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。得到系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩仿真，其仿真波形如圖5圖52所示。闡述了選擇異步電機(jī)矢量控制作為研究課題的意義。給出了異步電機(jī)矢量控制的具體算法——按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)。硬件部分，對(duì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并將系統(tǒng)按功能分為了幾個(gè)功能模塊，對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)。軟件部分，按照硬件部分的設(shè)計(jì)思想，根據(jù)軟硬件結(jié)合的概念，分模塊設(shè)計(jì)了程序流程圖。關(guān)于本設(shè)計(jì)，其實(shí)還有很多地方?jīng)]有沒有完善。硬件電路的設(shè)計(jì)也不完善，只是一個(gè)解決有無問題的雛形而已。對(duì)于這次設(shè)計(jì)中存在的缺陷希望各位老師給予批評(píng)指正。在二十多個(gè)個(gè)年頭里，他們對(duì)我的關(guān)愛是我在這個(gè)世界最美好的記憶。甘老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)態(tài)度和淵博的知識(shí)為我們完成畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。感謝在大學(xué)四年里教導(dǎo)過我的老師，沒有你們的指導(dǎo)也沒有我遼闊的未來。感謝母?！俺绲潞駥W(xué)，勵(lì)志敦行”的校訓(xùn)對(duì)于我們?nèi)松闹笇?dǎo)。在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)完成之際，感謝我的家人、朋友和所有關(guān)心我的老師
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