基于DSP的异步电机矢量控制系统的研究与设计
摘要
论文研究设计了异步电机的双闭环矢量控制系统。以电机控制专用芯片TMS320X2407为核心构成控制系统电路，进行电流的完全解耦，产生SVPWM波形，实现了交流异步电机速度的闭环控制。论文的主要工作和新见解如下：
1．深入研究了转子磁场定向矢量控制系统的数学模型，设计了转速、磁通及转矩的闭环调节器：对SVPWM的工作原理和控制算法进行了研究，并分析比较了它的两种控制方式。
2．系统采用的SVPWM算法通过对空间磁链矢量幅值和相位的控制来调节电机转速，减少了逆变器输出电流的谐波，降低了脉动转矩，提高了电压的利用率。
3．利用TMS320X2407强大的实时运算能力和内部集成的专用硬件模块，大大优化了SVPWM的实现算法，提高了生成SVPWM波形的质量。
4．针对转子磁链受电机参数影响误差较大的缺点，采用改进的电压模型和电流模型相结合的方法，提高了磁链观测器运算精度以及对电机参数的鲁棒性。
5．设计构造了实验室原理样机检验实验系统，验证了系统设计方案的有效性和可行性。最后出了系统进一步的改进方向。
A closed-loop vector-control system of AC motors is presented in the paper. By the use of the digital signal processor(DSP) TMS320LF2407 developed for motor control purpose, it can realize uncoupling of stator's current and the algorithm of SVPWM, then it achieves the speed closed-loop control of AC motors. The main contents and innovations of this paper are as follows:
1. Analysis of the mathematics model of the field oriented vector-control system, design of the closed-loop PI controller of speed, torque and flux; Studies on the control principle and algorithm of SVPWM, and analysis of the two control methods of SVPWM.
2. The algorithm of SVPWM that is adopted by the system implements motor speed -regulation by control of magnitude and phase of motor flux. It can generate less harmonics in the output current of power inverter and less losses of AC motor, reduce pulsant component in output torque and raise availability of DC supply voltage.
3. By means of high-speed calculation and abundant function module of TMS320LF2407, the algorithm and the effect of SVPWM has been greatly optimized.
4. Aim for the higher precision and reliability of rotor flux, the improved combinatorial model has been adopted.
5. Design of the software and hardware of the control system, lots of experiments that have been performed prove the rationality and feasibility of the control system.
1．深入研究了转子磁场定向矢量控制系统的数学模型，设计了转速、磁通及转矩的闭环调节器：对SVPWM的工作原理和控制算法进行了研究，并分析比较了它的两种控制方式。
2．系统采用的SVPWM算法通过对空间磁链矢量幅值和相位的控制来调节电机转速，减少了逆变器输出电流的谐波，降低了脉动转矩，提高了电压的利用率。
3．利用TMS320X2407强大的实时运算能力和内部集成的专用硬件模块，大大优化了SVPWM的实现算法，提高了生成SVPWM波形的质量。
4．针对转子磁链受电机参数影响误差较大的缺点，采用改进的电压模型和电流模型相结合的方法，提高了磁链观测器运算精度以及对电机参数的鲁棒性。
5．设计构造了实验室原理样机检验实验系统，验证了系统设计方案的有效性和可行性。最后出了系统进一步的改进方向。
A closed-loop vector-control system of AC motors is presented in the paper. By the use of the digital signal processor(DSP) TMS320LF2407 developed for motor control purpose, it can realize uncoupling of stator's current and the algorithm of SVPWM, then it achieves the speed closed-loop control of AC motors. The main contents and innovations of this paper are as follows:
1. Analysis of the mathematics model of the field oriented vector-control system, design of the closed-loop PI controller of speed, torque and flux; Studies on the control principle and algorithm of SVPWM, and analysis of the two control methods of SVPWM.
2. The algorithm of SVPWM that is adopted by the system implements motor speed -regulation by control of magnitude and phase of motor flux. It can generate less harmonics in the output current of power inverter and less losses of AC motor, reduce pulsant component in output torque and raise availability of DC supply voltage.
3. By means of high-speed calculation and abundant function module of TMS320LF2407, the algorithm and the effect of SVPWM has been greatly optimized.
4. Aim for the higher precision and reliability of rotor flux, the improved combinatorial model has been adopted.
5. Design of the software and hardware of the control system, lots of experiments that have been performed prove the rationality and feasibility of the control system.
引文
[1] 陈伯时 陈敏逊，交流调速系统，北京：机械工业出版社，1998年4月
[2] 李永东，交流电机数字控制系统，北京：机械工业出版社，2002年5月
[3] 周继华 李宏，现代电力电子工程，西安：西北工业大学出版社，1997年8月
[4] 李华德，交流调速控制系统，北京：电子工业出版社，2003年3月
[5] 高景德 李发海，交流电机及其系统的分析，北京：清华大学出版社，1993年8月
[6] 刘和平 严利平 张学锋 卓清锋，TMS320LF240X DSP结构、原理及应用，北京：北京航天航空大学出版社，2002年4日
[7] Texas Instruments, "TMS320LF2407, TMS320LF2406, TMS320LF2402 DSP Controllers", 2002
[8] 李序葆 赵永健，电力电子器件及其应用，北京：机械工业出版社，2000年8月
[9] 胡寿松，自动控制原理(第3版)，北京：国防工业出版社，1994年5月
[10] 白同云 吕晓德，电磁兼容设计，北京邮电大学出版社，2001年
[11] 满永奎 韩安荣 吴成东，通用变频器及其应用，北京：机械工业出版社，1994年11月
[12] 尔桂花 窦曰轩，运动控制系统，北京：清华大学出版社，2002年10月
[13] Abdellfattah Ba-Razzouk, Member, IEEE, Ahmed Cheriti, Member, IEEE, and Pierre Sicard, Member, IEEE, "Implementation of a DSP Based Real-Time Estimator of Induction Motors Rotor Time Constant", IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,VOL. 17,NO.4,JULY 2002
[14] Texas Instruments, "Code composer User's Guide", 1999
[15] 高攸纲，电磁兼容总论，北京：北京邮电大学出版社，2001年
[16] 徐晓峰 连级三，IGBT逆变器吸收电路的研究，电力电子技术，1998(3)
[17] Texas Instruments, "TMS320LF/LC240XA DSP Controllers Reference Guide", 2001
[18] 陈伯时，电力拖动自动控制系统(第2版)，北京：机械工业出版社，1992年5月
[19] Texas Instruments, "implementation of a speed Field Orientation Control of Three Phase AC induction Motor using TMS320F240", 1998
[20] 吴雄，绝缘栅双极晶体管(IGBT)及其应用，电子与自动化，1994(2)
[21] BROECK H W. Analysis and Realization of a pulsewidth modulator based on voltage space vectors[J]. IEEE Trans on IA, 1998,24(1)
[22] 王晓秋，EXB841的缺点及其改进措施，电力电子技术，1994(3)
[23] 熊健 康勇，电压空间矢量与常规SPWM的比较研究，电力电子技术
[24] Texas Instruments," Implementation of a speed field Orientation control of three
Phase AC induction Motor using TMS320F240", 1998
[25] HU Jun, WU Bin,New intergration algorithms for estimating motor flux over a wide speed range[J], IEEE Trans on PE, 1998,13(5)
[26] 周箴 陈宏 万淑芸 王离九，兵工自动化，1998(3)
[27] 杨贵杰 孙力 崔乃政 陆永平，空间矢量脉宽调制方法的研究，中国电机工程学报，2001(5)
[28] 吴守箴 臧英杰 电气传动的脉宽调制控制技术(第二版) 机械工业出版社2002年12月
[29] Jianming yao, "Single Phase Induction Motor Adjustable Speed Control Using DSP and Microcontroller", Course Project for ECE734 Fall Semester 2000 at UW-Madison
[30] 富士公司，用刁IGBT的富士混合IC驱动器使用手册
[31] 李发海 王岩，电机与拖动基础(第二版) 北京：清华大学出版社 1994年6月
[32] 伍家驹 王牛保，IGBT过流保护的应用研究，电气传动 1998(1)
[33] 贾好来，EXB841对IGBT的过流保护研究，太原理工大学学报，1999(6)
[34] Jennifer Stephan, Marc Bodson, Member, IEEE, and John Chiasson, Member, IEEE, "Real-Time Estimation of the Parameters and Fluxes of Induction Motors", IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,VOL.30,NO.3,JULY 1994
[35] Texas Instruments, "TMS320C1X/C2X/C2XX/C5X Assembly Language Tools", 1995
[36] Sang-Hoon Kim, student Member, IEEE, and Seung-Ki Sul, Member, IEEE, "Maximum Torque Control of an Induction Machine in the Field Weakening Region ", IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 17, NO.4, JULY/AUGUST 1995
[37] Mika Salo, Jaakko Ollila, "Software implementation of a rotor flux oriented vector controlled AC driver without an external modulator", Department of Electrical Engineering, Power Electronics, Tampere University of Technology
[38] Texas Instruments, "Dead-Time Generation on the TMS320C24X", 1997
[39] 夏超英，“交直流传动系统的自适应控制”，北京：机械工业出版社，1999年2月
[40] 阳宪惠，“现场总线技术及其应用”，北京：清华大学出版社 1999年6月
[41] Texas Instruments, "Implementation of a speed field Orientation control of 3 Phase PMSM Motor using TMS320F240", 1999
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