某型变频器矢量控制模块研究与设计
摘要
在为某变频器矢量控制模块的设计中，针对光电编码器带来的安装困难、费用过高等问题确定了高性能无速度传感器的矢量控制系统方案，根据此方案展开的设计研究，对促进矢量控制系统的发展有重要意义。
本文首先介绍了异步电机的数学模型与矢量控制的原理，在此基础上得出结合转子磁场定向与空间电压矢量(SVPWM)技术的异步电机矢量控制系统原理框图。为得到矢量控制系统中所需的转速信息，分析了几种转速辨识方案的优缺点后将模型参考自适应法确定为本论文的转速辨识方案，并介绍了该辨识方法的原理、结构及估算方法。
根据得到的无速度传感器矢量控制系统原理图，在Matlab/Simulink的仿真环境中搭建出三相异步电机无速度传感器矢量控制系统及各重要模块的仿真模型并进行仿真，仿真结果表明，该控制系统动、静态响应良好、精度高、整体稳定性强，且系统结构简单，故具有良好的实用性和可行性。
最后，以TI公司生产的DSP芯片TMS320F2808为主要控制单元，完成了对三相异步电机无速度传感器矢量控制系统软件各部分的程序编写，主要对主程序中的初始化流程、标幺转换流程、参数自学习流程与下溢中断子程序中的坐标变换流程、PI调节流程、模型参考自适应法实现流程、SVPWM算法实现流程等做了详细介绍并给出直观的流程图，实现了理论的实用化。
In the design of vector control module for a certain type of inverter, use the scheme ofhigh-performance speed-sensorless vector control system to overcome the problems likeinstallation difficulties and high cost brings by optical encoder is important for thedevelopment of vector control system.
This paper first introduces the mathematical model of the induction motor and theprinciple of vector control, on this basis, get the induction motor vector control systemprinciple diagram which combined with the rotor magnetic field orientation and space vectorpulse width modulation technology (SVPWM). In order to get the speed information to berequired in the vector control system, determine MRAS to be the speed identification schemein this paper after identify the advantages and disadvantages of several speed identificationschemes, and introduced the principle, structure and estimate approach of MRAS.
Then build the three-phase induction motor speed sensorless vector control systemsimulation model in Matlab/Simulink simulation environment according to induction motorvector control system principle diagram. The simulation results show that this control systemhas good static and dynamic response, high precision, overall stability, and structure simple, soit has good practicability and feasibility.
Finally, complete the three-phase induction motor speed sensorless vector control systemsoftware programming with the DSP chip TMS320F2808 which product by TI company as themain control unit. Detailed the flow charts of important parts, include: Initialization flow chart,per unit conversion flowchart and parameter self-learning flow chart under main program, andcoordinate transformation flow chart, PI regulator flow chart, MRAS flow chart, and SVPWMalgorithm flow chart under underflow interrupt subroutine. The preparation of this programchange the theory to be Practical.
本文首先介绍了异步电机的数学模型与矢量控制的原理，在此基础上得出结合转子磁场定向与空间电压矢量(SVPWM)技术的异步电机矢量控制系统原理框图。为得到矢量控制系统中所需的转速信息，分析了几种转速辨识方案的优缺点后将模型参考自适应法确定为本论文的转速辨识方案，并介绍了该辨识方法的原理、结构及估算方法。
根据得到的无速度传感器矢量控制系统原理图，在Matlab/Simulink的仿真环境中搭建出三相异步电机无速度传感器矢量控制系统及各重要模块的仿真模型并进行仿真，仿真结果表明，该控制系统动、静态响应良好、精度高、整体稳定性强，且系统结构简单，故具有良好的实用性和可行性。
最后，以TI公司生产的DSP芯片TMS320F2808为主要控制单元，完成了对三相异步电机无速度传感器矢量控制系统软件各部分的程序编写，主要对主程序中的初始化流程、标幺转换流程、参数自学习流程与下溢中断子程序中的坐标变换流程、PI调节流程、模型参考自适应法实现流程、SVPWM算法实现流程等做了详细介绍并给出直观的流程图，实现了理论的实用化。
In the design of vector control module for a certain type of inverter, use the scheme ofhigh-performance speed-sensorless vector control system to overcome the problems likeinstallation difficulties and high cost brings by optical encoder is important for thedevelopment of vector control system.
This paper first introduces the mathematical model of the induction motor and theprinciple of vector control, on this basis, get the induction motor vector control systemprinciple diagram which combined with the rotor magnetic field orientation and space vectorpulse width modulation technology (SVPWM). In order to get the speed information to berequired in the vector control system, determine MRAS to be the speed identification schemein this paper after identify the advantages and disadvantages of several speed identificationschemes, and introduced the principle, structure and estimate approach of MRAS.
Then build the three-phase induction motor speed sensorless vector control systemsimulation model in Matlab/Simulink simulation environment according to induction motorvector control system principle diagram. The simulation results show that this control systemhas good static and dynamic response, high precision, overall stability, and structure simple, soit has good practicability and feasibility.
Finally, complete the three-phase induction motor speed sensorless vector control systemsoftware programming with the DSP chip TMS320F2808 which product by TI company as themain control unit. Detailed the flow charts of important parts, include: Initialization flow chart,per unit conversion flowchart and parameter self-learning flow chart under main program, andcoordinate transformation flow chart, PI regulator flow chart, MRAS flow chart, and SVPWMalgorithm flow chart under underflow interrupt subroutine. The preparation of this programchange the theory to be Practical.
引文
[1]冯垛生，曾岳南．无速度传感器矢量控制原理与实践[M].第二版.北京:机械工业出版社,2006:16-89.
[2]李崇坚，交流电机变频调速控制系统的探讨．中国工控网，2004．
[3]丁斗章．变频调速技术与系统应用．北京：机械工业出版社，2005．
[4] BOSE BK．现代电力电子与电力传动[M].王聪，赵金等译.北京：机械工业出版社，2003：311-321．
[5]陈伯时，陈敏逊．交流调速系统[M].第二版.北京:机械工业出版社,2005:1-230.
[6]黄志武,桂卫华,年晓红,单勇腾,刘心昊.基于自适应观测器的无速度传感器感应电机控制[J].控制理论与应用, 2007,24(6):913-918.
[7]林渭勋.现代电力电子技术[M].北京：机械工业出版社,2006: 1-5.
[8]朝泽云.无速度传感器矢量控制系统的若干问题研究.博士学位论文.湖北:华中科技大学,2006.
[9]陈伯时.电力拖动自动控制系统.第三版.北京：机械工业出版社,2003:144-146.
[10]袁寿财,朱长纯.现代交流传动控制技术的回顾与展望[J].光机电信息,2002(6):29-37.
[11] Bimal K.Bose.Power Electronics and Motion Control-Technology Status and RecentTrends.IEEE Trans.1993,29(5):902-909.
[12]谢宝昌,任永德.电机的DSP控制技术及其应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2005:1-248.
[13]王晓明,王玲.电动机的DSP控制—TI公司的DSP应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2004:1-167.
[14] Li Zhen, Longya Xu.Sensorless Field Orientation Control of InductionMachines Basedon a Mutual MARS Scheme. IEEE Trans.1998, 45(5): 824～830.
[15]万山明. TMS320F281x DSP原理及应用实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:1-283.
[16]苏奎峰,吕强,邓志东,汤霞清. TMS320x28xx原理与开发[M].北京:电子工业出版社,2009:1-387.
[17] T. Cao-Minh, U. Toshiyuki, H. Yoichi. MRAS-based speed sensorless control forinducti-on motor using instantaneous reactive power. IEEE-IES Annual Meeting. 2001:1417-1422.
[18]Liu X.J., Felipe L.R., and Chan C.W. Model reference adaptive control based on neurofuzzy networks. IEEE Trans. on Systems, 2004, 34(3): 302-309
[19]苏奎峰,吕强,耿庆锋,陈圣俭. TMS320F2812原理与开发[M].北京:电子工业出版社,2005:1-419.
[20]熊健,康勇,张凯,陈坚.电压空间矢量调制与常规SPWM的比较研究[J].电力电子技术,1999(1):25-28.
[21]陆海峰,瞿文龙,张磊.基于调制函数的SVPWM算法[J].电工技术学报,2008,2：37-43.
[22]林飞,杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真[M].北京:中国电力出版社,2009:200-207.
[23]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2005:130-136.
[24]陈桂明,张明照.应用MATLAB建模与仿真[M].北京:科学出版社,2001:10-156.[25]韩安太,刘峙飞,黄海.DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用[M].北京:清华大学出版社,2003,(6):381-395.
[26] Hirokazu Tajima, Y Hori. Speed sensorless field-orientation control of the inductionmachine.IEEE Trans. Ind Appli. [J].1993,29(1): 175-180.
[27] Hirokazo Tajima, Yoichi Hori. Speed Sensorless Field-Orientation Control of theInduction Machine. IEEE Transaction onindustry application. 1993,29(1):211-216.
[28] B. Heber, L. Xu and Y. Tang. Fuzzy logic enhanced speed control of an indirectfield-oriented induction motor drive[J]. IEEE Trans. on Power Electronics,1997, 12(5):772-778.
[29] J. O. P. Pinto, B.K. Bose, L. E. Borges et al. A neural network based space vetor PWMcontroller for voltage-fed inverter induction motor drives[J]. IEEE Trans. IAS, 1995,31(3): 620-629.
[30]陆海峰,翟文龙,张磊.一种基于无功功率的异步电机矢量控制转子磁场准确定向方法.中国电机工程学报.2005,25(16):116-120.
[31]廖子庭,樊生文,冯建国,李正熙.基于DSP 2407的矢量控制三相异步电动机变频调速系统设计[J].北方工业大学学报,VOL.18,NO.3 2006.03.
[32]杨耕,陈伯时.交流感应电动机无速度传感器的高动态性能控制方法综述[J].电气传动.2001,31(3):3-8.
[33]刘军锋,徐金榜,万淑芸.基于定子磁场定向的无速度传感器矢量控制.华中科技大学学报(自然科学版), 2005, 33(6): 83-85.
[34]庞涛,徐壮,徐殿国.基于扩展卡尔曼滤波器的永磁同步电动机无传感器矢量控制[J].微电机,2009,(01).
[35]李夙.异步电动机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版社,1998:1~38.
[36]刘和平,严利平,张学锋.TMS320LF240xDSP结构、原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.4
[37] S.H.Kim,T.S.Park,J.YYoo. Speed-sensorless Vector Control of an nductionMotorUsing Neural Network Speed Estimation. IEEE Trans . 2001,48(3):609-614.
[38]肖岸文.基于MATLAB /SIMULINK的异步电动机直接转矩控制系统的建模与仿真[J].电脑与信息技术,2003, (5): 22-25.
[39]王俊柳,王敏,王颖.基于MATLAB的异步电动机仿真试验平台[J].计算机仿真,2002, 19(4): 118-123.
[40] S. Tamai. Speed Sensorless Vector Control of Induction Motors Applied Model Referen-ce Adaptive System, IEEE/IAS Annual Meeting.1987:189-195.
[41]姜斌,陈复杨.自适应控制与应用.北京:国防工业出版社,2009:1-150.
[42]梁天.基于DSP的无速度传感器矢量控制系统的转速辨识方法.硕士学位论文.辽宁:大连理工大学,2005.
[43]张俊.异步电机无速度传感器矢量控制系统的研究.硕士学位论文.四川:西南交通大学,2006.
[44]张志林.基于DSP的异步电动机无速度传感器矢量控制系统的研究.硕士学位论文.江苏:南京航空航天大学,2007.
[45] K.Hurst, Zero-speed tacholess IM torque control simply a matter of stator voltageintegration ,Trans. IEEE Ind. Applications, No.4,1998,pp.790-794.
[46] M.Shin, An improved stator flux estimation for speed sensorless stator control ofinduction motors, Trans. IEEE Ind. Applications, No.2,2000,pp.312-317.
[47] Rajib Datta,V.T.Ranganathan.Variable-speed wind power generation using doubly fedwound rotor induction machine-a comparison with alternative schemes.IEEETransactions on Energy Conversion,2002,17(3):414-421.
[48] Abolhassani M.T.,Enjeti P.,Toliyat H.A Integrated Doubly-fed Electric Alternator/activeFilter(IDEA),a Viable Power Quality Solution,for Wind Energy Conversion Systems.IAS2004,3:2036-2043.
[49]吕华林,宋仲康.基于DSP的异步电机矢量控制系统.仪表技术.2010,7:35-39.
[50]徐科军,陶维青等.DSP及其电气与自动化工程应用.北京:北京航空航天大学出版社,2010:1-399.
[2]李崇坚，交流电机变频调速控制系统的探讨．中国工控网，2004．
[3]丁斗章．变频调速技术与系统应用．北京：机械工业出版社，2005．
[4] BOSE BK．现代电力电子与电力传动[M].王聪，赵金等译.北京：机械工业出版社，2003：311-321．
[5]陈伯时，陈敏逊．交流调速系统[M].第二版.北京:机械工业出版社,2005:1-230.
[6]黄志武,桂卫华,年晓红,单勇腾,刘心昊.基于自适应观测器的无速度传感器感应电机控制[J].控制理论与应用, 2007,24(6):913-918.
[7]林渭勋.现代电力电子技术[M].北京：机械工业出版社,2006: 1-5.
[8]朝泽云.无速度传感器矢量控制系统的若干问题研究.博士学位论文.湖北:华中科技大学,2006.
[9]陈伯时.电力拖动自动控制系统.第三版.北京：机械工业出版社,2003:144-146.
[10]袁寿财,朱长纯.现代交流传动控制技术的回顾与展望[J].光机电信息,2002(6):29-37.
[11] Bimal K.Bose.Power Electronics and Motion Control-Technology Status and RecentTrends.IEEE Trans.1993,29(5):902-909.
[12]谢宝昌,任永德.电机的DSP控制技术及其应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2005:1-248.
[13]王晓明,王玲.电动机的DSP控制—TI公司的DSP应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2004:1-167.
[14] Li Zhen, Longya Xu.Sensorless Field Orientation Control of InductionMachines Basedon a Mutual MARS Scheme. IEEE Trans.1998, 45(5): 824～830.
[15]万山明. TMS320F281x DSP原理及应用实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:1-283.
[16]苏奎峰,吕强,邓志东,汤霞清. TMS320x28xx原理与开发[M].北京:电子工业出版社,2009:1-387.
[17] T. Cao-Minh, U. Toshiyuki, H. Yoichi. MRAS-based speed sensorless control forinducti-on motor using instantaneous reactive power. IEEE-IES Annual Meeting. 2001:1417-1422.
[18]Liu X.J., Felipe L.R., and Chan C.W. Model reference adaptive control based on neurofuzzy networks. IEEE Trans. on Systems, 2004, 34(3): 302-309
[19]苏奎峰,吕强,耿庆锋,陈圣俭. TMS320F2812原理与开发[M].北京:电子工业出版社,2005:1-419.
[20]熊健,康勇,张凯,陈坚.电压空间矢量调制与常规SPWM的比较研究[J].电力电子技术,1999(1):25-28.
[21]陆海峰,瞿文龙,张磊.基于调制函数的SVPWM算法[J].电工技术学报,2008,2：37-43.
[22]林飞,杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真[M].北京:中国电力出版社,2009:200-207.
[23]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2005:130-136.
[24]陈桂明,张明照.应用MATLAB建模与仿真[M].北京:科学出版社,2001:10-156.[25]韩安太,刘峙飞,黄海.DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用[M].北京:清华大学出版社,2003,(6):381-395.
[26] Hirokazu Tajima, Y Hori. Speed sensorless field-orientation control of the inductionmachine.IEEE Trans. Ind Appli. [J].1993,29(1): 175-180.
[27] Hirokazo Tajima, Yoichi Hori. Speed Sensorless Field-Orientation Control of theInduction Machine. IEEE Transaction onindustry application. 1993,29(1):211-216.
[28] B. Heber, L. Xu and Y. Tang. Fuzzy logic enhanced speed control of an indirectfield-oriented induction motor drive[J]. IEEE Trans. on Power Electronics,1997, 12(5):772-778.
[29] J. O. P. Pinto, B.K. Bose, L. E. Borges et al. A neural network based space vetor PWMcontroller for voltage-fed inverter induction motor drives[J]. IEEE Trans. IAS, 1995,31(3): 620-629.
[30]陆海峰,翟文龙,张磊.一种基于无功功率的异步电机矢量控制转子磁场准确定向方法.中国电机工程学报.2005,25(16):116-120.
[31]廖子庭,樊生文,冯建国,李正熙.基于DSP 2407的矢量控制三相异步电动机变频调速系统设计[J].北方工业大学学报,VOL.18,NO.3 2006.03.
[32]杨耕,陈伯时.交流感应电动机无速度传感器的高动态性能控制方法综述[J].电气传动.2001,31(3):3-8.
[33]刘军锋,徐金榜,万淑芸.基于定子磁场定向的无速度传感器矢量控制.华中科技大学学报(自然科学版), 2005, 33(6): 83-85.
[34]庞涛,徐壮,徐殿国.基于扩展卡尔曼滤波器的永磁同步电动机无传感器矢量控制[J].微电机,2009,(01).
[35]李夙.异步电动机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版社,1998:1~38.
[36]刘和平,严利平,张学锋.TMS320LF240xDSP结构、原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.4
[37] S.H.Kim,T.S.Park,J.YYoo. Speed-sensorless Vector Control of an nductionMotorUsing Neural Network Speed Estimation. IEEE Trans . 2001,48(3):609-614.
[38]肖岸文.基于MATLAB /SIMULINK的异步电动机直接转矩控制系统的建模与仿真[J].电脑与信息技术,2003, (5): 22-25.
[39]王俊柳,王敏,王颖.基于MATLAB的异步电动机仿真试验平台[J].计算机仿真,2002, 19(4): 118-123.
[40] S. Tamai. Speed Sensorless Vector Control of Induction Motors Applied Model Referen-ce Adaptive System, IEEE/IAS Annual Meeting.1987:189-195.
[41]姜斌,陈复杨.自适应控制与应用.北京:国防工业出版社,2009:1-150.
[42]梁天.基于DSP的无速度传感器矢量控制系统的转速辨识方法.硕士学位论文.辽宁:大连理工大学,2005.
[43]张俊.异步电机无速度传感器矢量控制系统的研究.硕士学位论文.四川:西南交通大学,2006.
[44]张志林.基于DSP的异步电动机无速度传感器矢量控制系统的研究.硕士学位论文.江苏:南京航空航天大学,2007.
[45] K.Hurst, Zero-speed tacholess IM torque control simply a matter of stator voltageintegration ,Trans. IEEE Ind. Applications, No.4,1998,pp.790-794.
[46] M.Shin, An improved stator flux estimation for speed sensorless stator control ofinduction motors, Trans. IEEE Ind. Applications, No.2,2000,pp.312-317.
[47] Rajib Datta,V.T.Ranganathan.Variable-speed wind power generation using doubly fedwound rotor induction machine-a comparison with alternative schemes.IEEETransactions on Energy Conversion,2002,17(3):414-421.
[48] Abolhassani M.T.,Enjeti P.,Toliyat H.A Integrated Doubly-fed Electric Alternator/activeFilter(IDEA),a Viable Power Quality Solution,for Wind Energy Conversion Systems.IAS2004,3:2036-2043.
[49]吕华林,宋仲康.基于DSP的异步电机矢量控制系统.仪表技术.2010,7:35-39.
[50]徐科军,陶维青等.DSP及其电气与自动化工程应用.北京:北京航空航天大学出版社,2010:1-399.