无传感器矢量变频电动执行机构的设计

论文摘要

三相交流异步电机是交流调速系统的主要驱动系统,在传统的三相交流异步电机运动控制中,通常采用旋转变压器或光电编码器来检测转子的位置和速度。然而,这样的方法既增加了系统的成本,又降低了系统的可靠性。因此,不用传感器控制三相交流异步电机,以提高系统可靠性和降低系统成本的研究逐渐热门。IRMCF341由国际整流器公司研发,是一款内部包含了无传感器矢量控制算法的单芯片控制器。本文研究了该芯片内部包含的无传感器矢量控制算法,将其应用到三相交流异步电机的驱动控制系统中。本文基于IRMCF341为核心的无传感器矢量变频电动执行机构的设计,主要展开了以下工作：(1)深入分析了在不同坐标系下三相交流异步电机的数学模型和相互变换的方法,介绍了三相交流异步电机的矢量控制原理和电压空间矢量调制技术。设计了一套双闭环的控制系统。(2)通过研究无传感器三相交流异步电机空间矢量控制系统的原理,以及矢量变频调速系统实施方法的分析,设计制作了系统硬件：包括系统功率回路的设计、控制电路的设计、保护电路的设计、电压电路的设计以及PCB抗干扰的设计。(3)双CPU系统的软件设计。在硬件设计的基础上,介绍了系统的软件设计：包括驱动电路矢量控制软件的设计实现、IRMCF341 8051核的软件设计实现以及STC12LE5A40S2的软件设计实现。(4)本文通过工业现场实际电机运行测试来检验本文的研究。运用MCEDesigner对系统进行在线仿真,测试系统的速度环、力矩环在各种不同负载、不同环境下的运行状况,通过在先仿真之后用FS2将程序灌入芯片,进行脱离PC机的现场测试。并整理总结在测试过程中遇到的各类问题,进行分析解决。实验结果表明：本文研究的无传感器矢量变频电动执行机构的设计基本达到了预期目标,在在线仿真和独立运行的条件下,都能够对三相交流异步电机进行变频调速,电压、电流输出波形符合理论分析结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 电动执行机构的国内外研究现状
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.3 课题的研究背景及意义
• 1.4 本文研究的主要内容
• 2 电动执行机构无传感器矢量控制的原理与算法设计
• 2.1 三相交流异步电机的数学模型
• 2.1.1 三相交流异步电机在静止三相坐标系下的数学模型—电压方程式
• 2.1.2 三相交流异步电机的磁链方程式
• 2.1.3 三相交流异步电机的运动方程式
• 2.1.4 三相交流异步电机的转矩方程式
• 2.2 三相交流异步电机数学模型的坐标变换
• 2.2.1 异步电机数学模型坐标变换的可实现性
• 2.2.2 静止三相到静止两相（CLARKE）变换
• 2.2.3 两相静止到两相旋转（PARK）变换
• 2.2.4 直角坐标线到极坐标系的变换:K/P变换
• 2.3 三相电动执行机构两相坐标系上的数学模型
• 2.3.1 两相任意转速旋转坐标系上的数学模型
• 2.3.2 两相静止坐标系上的数学模型
• 2.3.3 两相同步旋转坐标系上的数学模型
• 2.3.4 按照转子磁场定向控制的数学模型
• 2.4 无传感器电动执行机构空间矢量控制系统原理
• 2.4.1 电压源型PWM逆变器
• 2.4.2 正弦脉宽调制（SPWM）技术
• 2.4.2.1 SPWM技术原理
• 2.4.2.2 SPWM常见生成方法
• 2.4.3 电压空间矢量调制（SVPWM）技术
• 2.4.3.1 SVPWM技术原理
• 2.4.3.2 SVPWM控制算法
• 2.5 PID双闭环的设计
• 2.5.1 速度电流双闭环控制
• 2.5.1.1 电流环的设计
• 2.5.1.2 速度环的设计
• 2.6 基于IRMCF341无传感器空间矢量控制系统的算法实现
• 2.7 本章小结
• 3 基于IRMCF341的无传感器空间矢量控制系统硬件设计
• 3.1 IRMCF341简介
• 3.2 控制系统整体硬件方案设计
• 3.3 系统功率回路设计
• 3.4 系统控制电路设计
• 3.4.1 最小系统设计
• 3.4.2 单电阻电流采样电路设计
• 3.4.3 直流母线电压采样设计
• 3.4.4 IGBT驱动电路设计
• 3.4.5 模拟信号输入输出电路设计
• 3.5 系统保护电路设计
• 3.6 电源电路设计
• 3.7 PCB抗干扰设计
• 3.7.1 PCB的布局设计
• 3.7.2 PCB的布线设计
• 3.8 本章小结
• 4 基于IRMCF341的无传感器空间矢量控制系统软件设计
• 4.1 控制系统软件开发环境
• 4.2 控制系统整体软件方案设计
• 4.3 驱动电路矢量控制软件设计实现（MATLAB的软件设计）
• 4.3.1 建立一个完整的MCE设计
• 4.3.2 MCE设计分层子系统
• 4.4 IRMCF341的8051核软件设计
• 4.4.1 串口通信程序设计
• 4.4.2 电机驱动程序设计
• 4.4.3 故障处理程序设计
• 4.5 STC12LE5A40S2的软件设计
• 4.5.1 I/O 口检测程序设计
• 4.5.2 信号调理程序设计
• 4.6 本章小结
• 5 系统调试分析与总结
• 5.1 系统调试环境
• 5.2 系统调试及结果
• 5.2.1 MCE DESIGNER
• 5.2.2 速度环的调试分析
• 5.2.3 电流重构环节的调试分析
• 5.2.4 系统的典型问题及解决方法
• 5.3 系统调试总结
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢