基于DSP的异步电动机矢量控制调速系统的研究与设计

论文摘要

目前,能源日益紧张,节能具有十分重要的意义。在我国,电动机是能源消耗的大户。电动机早期的调速方法由于调速范围小、效率低,造成能源的浪费。所以,迫切需要对电动机进行高效调速。电动机早期的调速方法,其系统的控制规律是从电动机的稳态模型出发,动态性能尚不能令人满意,而矢量控制则是从电动机的动态模型出发,具有良好的动态性能,是目前交流电动机先进的控制方式。本文以异步鼠笼感应电动机为研究对象,从电动机调速的实质出发,建立了异步鼠笼感应电动机的矢量调速控制系统。首先分析构建异步电动机的数学模型,通过坐标变换和按转子磁场定向,将定子电流矢量分解为励磁分量和转矩分量两个直流分量并分别加以控制,从而实现磁通和转矩的解耦控制,达到直流电动机的控制效果。其次,介绍了调速系统的主电路结构,详细阐述了逆变器的工作原理。电机参数的准确辨识是矢量控制系统的关键,本文采用一种改进的电机参数离线检测方法,重点研究并建立了在堵转和空载状态下异步电动机的等效数学模型,通过实验获得电机各参数值,并进行了仿真分析,为进一步的研究奠定基础。本课题主要以TI公司的TMS320F2812型DSP （Digital Signal Processing）为控制核心,并在此基础上进行了数字化PWM交流变频调速系统的研究,阐述了在正弦脉宽调制（SPWM）控制技术、电压空间矢量（SVPWM）控制技术的基础上,并实现对异步电机的控制,提高了能量的利用效率,通过实验证明了其正确性及有效性。在硬件方面,组建了以TMS320F2812型DSP为控制器,设计数字接口完成频率给定、数据显示、通讯等功能；模拟接口完成电流、电压检测及保护等功能的硬件系统。主电路采用交-直-交电压源性变频器。软件方面,用C语言编制程序实现正弦脉宽调制、电压空间矢量脉宽调从而达到对异步电机变频调速的目的。实验证明本文提出的DSP矢量控制调速系统的软硬件设计是成功的,其结构简单,性能良好,运行稳定,抗干扰能力强,电机运行噪音小,不失为一套具有先进性、新颖性、实用性的控制系统,为今后开发高性能的矢量控制系统奠定了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 本课题研究的背景
• 1.2 交流调速相关技术的发展概况
• 1.2.1 电力电子技术的发展
• 1.2.2 微处理器和数字信号处理器的技术应用
• 1.2.3 功率环节PWM技术的发展
• 1.2.4 基于交流电动机控制系统分类
• 1.3 矢量系统
• 1.3.1 矢量控制系统常用方案
• 1.3.1.1 转差频率矢量控制方案
• 1.3.1.2 气隙磁场定向矢量控制方案
• 1.3.1.3 定子磁场定向矢量控制方案
• 1.3.1.4 转子磁场定向的矢量控制方案
• 1.3.2 控制方案比较
• 1.3.2.1 转差频率矢量控制方案
• 1.3.2.2 气隙磁场定向矢量控制方案
• 1.3.2.3 定子磁场定向矢量控制方案
• 1.3.2.4 转子磁场定向的矢量控制方案
• 1.4 本论文的主要内容
• 2 感应电机矢量控制理论
• 2.1 感应电机在不同坐标系下的数学模型
• 2.1.1 三相坐标系中感应电机的数学模型
• 2.1.1.1 电压方程
• 2.1.1.2 磁链方程
• 2.1.1.3 运动方程
• 2.1.2 两相坐标系中感应电机的数学模型
• 2.2 矢量控制原理
• 2.3 坐标变换的实现
• 2.3.1 CLARKER变换
• 2.3.2 PARK变换
• 2.3.3 PARK反变换
• 2.3.4 CLARKER反变换
• 2.4 磁通估计器
• 2.5 PID控制的应用
• 2.6 空间矢量调制
• 2.6.1 电压空间矢量PWM信号生成方法
• 2.6.2 SVPWM控制的特点
• 3 电机参数辨识
• 3.1 直流实验
• 3.2 单相实验
• 3.3 空载实验
• 3.4 对4Kw电机的实验
• 3.4.1 直流实验检测结果
• 3.4.2 单相实验检测结果
• 3.4.3 空载试验检测结果
• 3.5 参数离线检测仿真
• 4 矢量控制系统的硬件实现
• 4.1 系统硬件总体设计
• 4.2 控制系统硬件设计
• 4.2.1 TI的DSP芯片TMS 320F2812的介绍
• 4.3 主电路的实现
• 4.4 过流保护
• 4.4.1 过压保护
• 4.5 DSP电源设计
• 4.6 采样电路设计
• 4.7 小结
• 5 矢量控制系统的软件实现
• 5.1 系统控制软件的任务和设计方案
• 5.2 异步电动机的标么值模型
• 5.3 系统主程序设计
• 5.4 PWM中断程序设计
• 5.4.1 电流采样程序模块
• 5.4.2 电机转速计算模块
• 5.4.3 转子磁链位置计算模块
• 5.4.4 SVPWM生成模块
• 5.5 系统软件抗干扰设计
• 5.6 小结
• 6 总结
• 6.1 本论文工作总结
• 6.2 后续工作及研究展望
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 获得成果目录清单
• 致谢