目前廣泛研究應(yīng)用的異步電機調(diào)速技術(shù)有恒壓頻比控制方式、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。本論文中所討論的是異步電機矢量控制調(diào)速法，相對于恒壓頻比控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，它有優(yōu)秀的動態(tài)性能和低速性能，還有其調(diào)速范圍寬的優(yōu)點。在給出異步電動機的矢量控制原理的同時，一并給出了矢量變換實現(xiàn)的步驟，解釋了三相異步電動機數(shù)學模型的解耦方法。在論述了三相異步電功機的磁場定向原理之后，又介紹了轉(zhuǎn)子磁鏈計算方法并設(shè)計了轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器.詳細分析了轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和磁通調(diào)節(jié)器的工作原理，并根據(jù)各個調(diào)節(jié)器的原理對各個調(diào)節(jié)器進行了相應(yīng)的設(shè)計.以DSP為控制核心，設(shè)計了異步電機矢量控制系統(tǒng)的硬件電路.關(guān)鍵詞：異步電機矢量控制DSP處理器1概述1。1系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)要求異步電機矢量控制系統(tǒng)設(shè)計是基于三相異步電機的交流調(diào)速技術(shù)的研究⑴⑵⑶，本設(shè)計的主要任務(wù)有：（1）研究矢量控制系統(tǒng)的原理[4]。（2）研究矢量控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法.（3）分析矢量控制系統(tǒng)特點及軟硬件接口。（4）設(shè)計矢量控制系統(tǒng)硬件電路（5）設(shè)計矢量控制系統(tǒng)的軟件流程。（6）對矢量控制的數(shù)學模型進行仿真分析⑸。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀矢量控制理論是由美國和德國的科學家在二十世紀七十年分別提出的理論[5][6],經(jīng)過半個世紀的補充和完善，使得矢量控制技術(shù)在工農(nóng)業(yè)各種生產(chǎn)應(yīng)用中逐漸突出[7]⑻。交流電機矢量控制技術(shù)就是建立電機可靠的數(shù)學模型，把定子電流矢量分解為轉(zhuǎn)矩電流矢量和勵磁電流矢量，分別控制其方向和大小，使其合成變頻器的可控有效信號9。此技術(shù)是建立在直流調(diào)速系統(tǒng)深入研究基礎(chǔ)上的仿直流調(diào)速系統(tǒng)，它實現(xiàn)了交流電機的直流化控制，進而極大地提高了交流調(diào)速系統(tǒng)的高效性、穩(wěn)定性和易操作性.異步電機矢量控制系統(tǒng)的基本思想是通過對變頻器參數(shù)的控制信號的分析控制，實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制，使得異步電機調(diào)速系統(tǒng)獲得和直流調(diào)速系統(tǒng)相似的控制方法及控制效果。具體原理如下：首先將電流的坐標變換，將定子上的三相對稱電流、、通過坐標變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標系d—q坐標系下兩相直流電流（同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，始終保持d-q坐標系中d軸與轉(zhuǎn)子磁場方向一致），即通過數(shù)學變換將三相交流電機的電子電流分解為兩個分量：產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢的勵磁分量和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩分量，然后以控制電流電機的方式分別對磁場和轉(zhuǎn)矩進行單獨控制，再經(jīng)過變換方式把控制的結(jié)果轉(zhuǎn)換成隨時間變化的瞬間變量,所以系統(tǒng)控制頻率特性好、控制精度高、轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)速度快?？偠灾?，矢量控制技術(shù)的發(fā)展及完善極大地提高了工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)水平，并減少了對環(huán)境的破壞，降低了對能源的損耗。1。3本設(shè)計的完成的主要工作在設(shè)計中主要研究了按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的異步電機矢量控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的硬件設(shè)計［10］、軟件設(shè)計、仿真分析［11：［12：及控制方法做了詳細的論述和驗證。在本設(shè)計中可以分為理論研究、硬件設(shè)計、軟件流程設(shè)計、系統(tǒng)等幾個部分。采用空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)［13］，使得系統(tǒng)的控制效果突出于傳統(tǒng)的控制方法。本文所完成主要工作包括：介紹了交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展和控制方法的完善以及本系統(tǒng)研究的應(yīng)用背景和意義。對電機的矢量控制的基本原理做了比較詳細的介紹，另外就矢量控制系統(tǒng)的發(fā)展和控制思想進行了比較細致的論述。對系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計進行詳細解釋。設(shè)計采用TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320F2818作為控制核心并進行了硬件控制電路設(shè)計加，另外還設(shè)計了相應(yīng)的以智能控制模塊為核心的逆變耦合電路、檢測電路、整流濾波電路以及保護電路。詳細論述了本設(shè)計的采用的矢量控制系統(tǒng)軟件，對應(yīng)硬件電路以及控制算法，編寫了整個系統(tǒng)的軟件流程圖。建立了系統(tǒng)在Simulink平臺上仿真模型，對系統(tǒng)的參數(shù)進行了設(shè)置，最后得出了系統(tǒng)的仿真控制模型效果圖，驗證了系統(tǒng)設(shè)計的正確性及可行性.對整個矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點和缺點進行了分析和總結(jié)，并對以后的研究方向進行了展望。2異步電機調(diào)速的基本理論2。1異步電機的三相數(shù)學模型因為在研究異步電機的數(shù)學模型時研究的是理想模型，所以需要對模型條件1）忽略空間內(nèi)的諧波，設(shè)三相繞組為對稱繞組，在空間中互相相差電角度,所產(chǎn)生磁動勢沿氣隙按正弦規(guī)律分布；2）忽略磁路的飽和影響，假設(shè)各繞組互感以及自感都是恒定的；3）忽略鐵心中的損耗；4）不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻阻值和耗散功率的影響.無論異步電機轉(zhuǎn)子是繞線型還是籠型的，都可以等效成三相繞線轉(zhuǎn)子，并折算到定子側(cè)，折算后的定子和轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)等.異步電機三相繞組可以是Y聯(lián)結(jié)，也可以是△聯(lián)結(jié)，以下均以Y聯(lián)結(jié)進行討論.若三相繞組為△聯(lián)結(jié)，可先用A—Y變換,等效為Y聯(lián)結(jié)，然后按Y聯(lián)結(jié)進行分析和設(shè)計.三相異步電機的物理結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，定子三相繞組軸線、、在空間中是固定的，轉(zhuǎn)子繞組軸線、、以角速度隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如以軸作為參考坐標軸，轉(zhuǎn)子軸和定子軸間的電角度為空間角位移變量.規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動機慣例和右手螺旋定則。圖2-1三相異步電機的物理模型2。1.1異步電機三相動態(tài)數(shù)學模型的數(shù)學表達式異步電機動態(tài)數(shù)學模型由電壓方程、磁鏈方程、運動方程和轉(zhuǎn)矩方程組成，其中磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程是代數(shù)方程,電壓方程和運動方程是微分方程。1.磁鏈方程異步電機每個繞組的磁鏈是它本身的自感磁鏈和其他繞組對它的互感磁鏈之和，因此，六個繞組可用下式表示。=（2-1）或?qū)懗桑?-1a）式中，，，，，一一定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時值；一-各相繞組的全磁鏈。L為電感矩陣,其中對角元素是各相繞組的自感，其余各項都是相應(yīng)兩相繞組間的互感。定子各相的漏磁通所對應(yīng)電感就是定子漏感，各相轉(zhuǎn)子的漏磁通相對應(yīng)轉(zhuǎn)子上的漏感，由于各相繞組是對稱的，所以各相的漏感值均相等。相對于定子互感的是定子一相的繞組交鏈的磁通最大互感值，而相對應(yīng)于轉(zhuǎn)子互感的是轉(zhuǎn)子一相繞組的交鏈中的最大的互感磁通，由于折算后的定子和轉(zhuǎn)子的繞組匝數(shù)相等，故=。上述各量都已折算到定子側(cè)，為了簡單起見，表示這算量的上角標“’”均省略，以下同此。對于每一相的繞組來說，它所交鏈的磁通是漏感磁通與互感磁通之和，因此，定子各相的自感為(2—2)而轉(zhuǎn)子各相的自感為(2-3)繞組之間互感分為兩類：①定子三相相互之間和轉(zhuǎn)子三相相互之間的位置都相對固定的，所以互感值是常量；②定子任意一相與轉(zhuǎn)子任意一相之間相對位置都是變化著的，所以互感值是角位移。的函數(shù)。先討論第一種情況，三相繞組的軸線在空間中彼此的相位相差是，如果假設(shè)氣隙磁通是正弦分布的，那么互感的值就應(yīng)該是，于是就有(2-4)關(guān)于第二種情況，也就是定、轉(zhuǎn)子繞組間的互感由于繞組的相對位置變化而變化時(見圖2-1)，可分別表示為(2—5)在定子和轉(zhuǎn)子的兩相繞組的軸線重合時，兩者的互感值最大，就是最大互感。將式(2—4)、式(2-5)代入式(2—1)，即得到完整的磁鏈方程,用矩陣表示為(2—6)式中(2-7)(2-8)（2-9）和互為轉(zhuǎn)置矩陣，而且都和轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)，它們的元素均為變參數(shù)，這是系統(tǒng)非線性的一個根源。2.1.2電壓方程定子的三相繞組的電壓平衡方程式為（2-10）相對應(yīng)，轉(zhuǎn)子的三相繞組折算到定子一側(cè)之后電壓方程式為（2—11）式中為定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時值；為定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻。將電壓方程寫成矩陣形式（2-12）或?qū)懗桑?—13）如果把磁鏈方程式代入到電壓方程式，那么得展開之后的電壓方程式為（2-14）式中一一由于電流變化而引起的脈變的電動勢；-一由于定子和轉(zhuǎn)子的相對位置變化而產(chǎn)生的與轉(zhuǎn)速之間成正比關(guān)系的電動勢，即旋轉(zhuǎn)電動勢.2.1。3轉(zhuǎn)矩方程根據(jù)電機能量轉(zhuǎn)換的原理，電感為線性電感時，磁場儲能以及磁共能為（2-15）電磁轉(zhuǎn)矩等于機械角位移的變化時，磁共能變化率為（將電流變化不計，約束為一個常值)，而且機械角位移為，于是(2—16)將式(2—14)代入式(2-15)，由于考慮到了電感分塊矩陣的關(guān)系式，得(2-17)又考慮到，代入式(2-17)得(2-18)將式(2—9)代入式(2-18)并展開后，得(2—19)2.1.4運動方程根據(jù)對運動控制系統(tǒng)的理論研究，運動方程式為(2-20)式中一一異步電機的轉(zhuǎn)動慣量；—-負載轉(zhuǎn)矩(包括摩擦阻轉(zhuǎn)矩)。轉(zhuǎn)角方程為(2—21)上述的異步電機動態(tài)數(shù)學模型是在線性磁路、磁動勢在空間按正弦分布的假定條件下得出的，對定、轉(zhuǎn)子電壓和電流未作任何假定，因此，該動態(tài)模型完全可以用來分析含有電壓、電流諧波的三相異步電機調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)過程。2。2坐標變換2。2。1坐標變換的基本思路圖2—2給出了兩極直流電動機的物理模型，圖中F為勵磁繞組，A為電樞繞組，C為補償繞組。F和C都在定子上，只有A在轉(zhuǎn)子上。把F的軸向稱作直軸或者軸(directaxis)，主磁通的方向就是沿著軸的；A和C的軸線則稱為交軸或者軸(quadratureaxis)。如果可以把交流電機物理模型（圖2-1）等效的變換成類似直流電機的模型，分析和控制的過程就可以大大地簡化。而坐標變換正是按照這種思路進行的.在這里,不同坐標系之中的電動機模型可以等效看待的原則是:繞組在不同的坐標系之中產(chǎn)生的合成磁動勢是相等的。在交流電機的對稱三相靜止繞組A、B、C中，在電路中同三相平衡正弦交流電電流時，它們產(chǎn)生的合成磁動勢就是旋轉(zhuǎn)磁動勢，在空間是正弦分布，并以同步轉(zhuǎn)速順著A—B-C的相序在旋轉(zhuǎn)，如圖2—3所示。圖2—3三相坐標系、兩相坐標系的物理模型圖2—3中繪出的兩相繞組，通以平衡兩相交流電，電流為和，也能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁動勢。如果三相繞組和兩相繞組產(chǎn)生的磁動勢大小和轉(zhuǎn)速都相等時，就可以認為兩相繞組和三相繞組等效，這就是3/2變換.圖2—4中除兩相繞組外，還給出了匝數(shù)相等的兩個相互正交的繞組，分別通直流電流和，使其產(chǎn)生的合成磁動勢的位置相對于繞組的位置來說是固定不變的.如果人為地使鐵心（包含繞組）以同步轉(zhuǎn)速去旋轉(zhuǎn)，則磁動勢也將隨著鐵心旋轉(zhuǎn)，就可以成為旋轉(zhuǎn)磁動勢。如果這個旋轉(zhuǎn)磁動勢的大小和轉(zhuǎn)速都與固定交流繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動勢相等，那么這套旋轉(zhuǎn)的直流繞組就可以視為和前面兩套固定的交流繞組都是等效的.圖2—4靜止兩相正交坐標系和旋轉(zhuǎn)正交坐標系的物理模型2。2。2三相一兩相變換（3/2變換）圖2—5是交流電機的坐標系的等效變換圖。圖中A,B,C三個坐標軸分別代表電機分解后的參量的三相坐標系，而則表示電機參量后分解的靜止的兩相坐標系。而在每一個坐標軸的磁動勢的分量都可以通過在這個坐標軸上的電流和電機在這個坐標軸上的匝數(shù)之間的乘積來表示，其空間矢量均位于相關(guān)的坐標軸上.圖2—5兩相正交坐標系和三相坐標系的磁動勢矢量按照磁動勢等效原則，三相合成磁動勢與兩相合成磁動勢相等，故兩套繞組磁動勢在軸上的投影都相應(yīng)相等，因此寫成矩陣形式得（公式2—22）按照變換前后總功率不變，可以證明匝數(shù)比為（2-23）代入式（2—22），得（2—24）令表示從三相坐標系變換到兩相坐標系的變換矩陣，則（2-25）利用的約束條件，將（2-24）擴展為（2—26）第三行的元素取，使其相應(yīng)的變換矩陣為正交矩陣，其優(yōu)點在于逆矩陣等于矩陣的轉(zhuǎn)置。由式（2-26）求得逆變換（2-27）再出去第三列，即得兩相正交坐標系變換到三相正交坐標系（3/2變換）的變換矩陣（2—28）考慮到，代入式（1—23）并整理后得（2—29）相應(yīng)的逆變換（2—30）從原理上分析，上面的變換公式是有普遍性額,同樣能應(yīng)用在電壓或者其他的參量的坐標變換中.將三相坐標的模型變換為兩相坐標的模型，這是簡化電機模型復雜度的第一步，為滿足不同的參考坐標系下的各參量的分量分析，需要找到不同的參考運動坐標系下的變換方程，接下來推演靜止坐標系變換到運動坐標系的公式.2.2.3靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交變換（2r/2s變換）將靜止兩相的正交坐標系到旋轉(zhuǎn)正交坐標系之間的變換，稱為靜止兩相一旋轉(zhuǎn)正交變換（簡稱2s/2r變換），其中，S表示靜止，表示旋轉(zhuǎn)，變換的前提還是產(chǎn)生的磁動勢等價.圖2-6給出了和坐標系中的各個磁動勢矢量，繞組每項有效匝數(shù)均為。磁動勢矢量是位于相關(guān)坐標軸上的。兩相交流電流以及兩個直流電流會以角速度旋轉(zhuǎn)的產(chǎn)生等效的的合成磁動勢.圖2-6旋轉(zhuǎn)正交坐標系以及兩相靜止正交坐標系中的磁動勢矢量由圖2—6可見，和之間存在的關(guān)系。（2—31）寫成矩陣的形式，得（2-32）因此兩相靜止正交坐標系到旋轉(zhuǎn)兩相正交坐標系的變換矩陣為（2-33）那么兩相旋轉(zhuǎn)的正交坐標系到兩相靜止正交坐標系的變換矩陣為（2—34）即（2—35）電壓及磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換矩陣和電流旋轉(zhuǎn)變換矩陣相同。2.3異步電機按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制的基本思想是：通過坐標變換，在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)的正交坐標系中，得出等效的直流電機的模型.模仿直流電機的控制方法去控制電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈,然后把轉(zhuǎn)子磁鏈的定向坐標系里得到的控制量通

過反變換得到三相坐標系里的對應(yīng)量，用以實現(xiàn)控制.因為變換的矢量，所以這種變換稱為矢量變換，其相應(yīng)控制系統(tǒng)稱為矢量控制系統(tǒng)。在三相坐標系上，定子交流電，通過3/2變換可以等效為靜止兩相正交坐標系上的交流電流和，再進行與轉(zhuǎn)子磁鏈同步的旋轉(zhuǎn)變換，就可以等效為旋轉(zhuǎn)同步正交坐標系中的直流電流和。這樣用和作為輸入的電動機模型就是直流電機等效模型。如圖2-7圖2—7異步電機矢量變換及等效的直流電機模型如果采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向則僅實現(xiàn)了電子電流兩個分量的解耦，而電流微分方程里依然存在交叉耦合和非線性.若采用電流閉環(huán)控制，那么可以有效地抑制，實際電流能快速跟隨給定值。如圖2-8.圖2-8矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖采用電流閉環(huán)控制之后，轉(zhuǎn)子磁鏈為穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，此時轉(zhuǎn)子磁鏈可以采用閉環(huán)控制也可以使用開環(huán)控制;而轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)存在積分環(huán)節(jié)，是不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，需要加轉(zhuǎn)速外環(huán)控制，使其穩(wěn)定。本文米用的方法為:將檢測到的三相電流（實際只需兩相電流）實施3/2變換，再施以旋轉(zhuǎn)變換得到坐標系下的電流和；使用PI調(diào)節(jié)軟件構(gòu)成電流閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器輸出為給定定子電壓和,經(jīng)反旋轉(zhuǎn)變換，得兩相靜止坐標系的給定定子電壓值和。再經(jīng)過SVPWM控制的逆變器輸出三相電壓，如圖2—9。圖2—9三相電流閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.3.1轉(zhuǎn)子磁鏈計算2.3.1轉(zhuǎn)子磁鏈計算按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)控制的關(guān)鍵是的準確定向，即需要獲得轉(zhuǎn)子磁鏈矢量的空間位置.此外，在構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁鏈的反饋及轉(zhuǎn)矩控制的時候，轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值也是不可缺少的信息。對轉(zhuǎn)子磁鏈進行直接檢測比較困難，現(xiàn)實中大多采用按模型計算的方法解決。在計算模型中，由于主要測量的信號的不同，分為電流模型和電壓模型兩種。電流模型的計算有實際測量的三相定子電流進行3/2變換得到兩相靜止正交坐標系上的電流和，然后利用坐標系內(nèi)的數(shù)學模型計算轉(zhuǎn)子磁鏈在兩坐標軸上的分量。（2-36）利用直角坐標到極坐標的變換，得出轉(zhuǎn)子磁鏈矢量幅值和空間位置，由于矢量變換中采用的的正弦和余弦函數(shù)，所以有（2-37）電壓模型的計算是根據(jù)電壓方程內(nèi)感應(yīng)電動勢等于磁鏈變化率的關(guān)系，取電動勢的積分即得磁鏈。這種模型稱為電壓模型。其表達式為（2—38）在本系統(tǒng)中，采用的是混合型的轉(zhuǎn)子磁鏈模型。由電壓模型和電流模型組合而成。其工作方式為：低速運行，系統(tǒng)采用電低流模型來計算轉(zhuǎn)子磁鏈；高速運行，系統(tǒng)采用電壓模型計算轉(zhuǎn)子的磁鏈。而界定高低速運行的臨界線為電機額定轉(zhuǎn)速的10%。低于額定轉(zhuǎn)速的10%認定為低速運行，高于10%認定為高速運行。3基于DSP芯片TMS320F2812的矢量控制系統(tǒng)設(shè)計在系統(tǒng)的設(shè)計中，為減少強電系統(tǒng)引起的強磁和噪音對系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)的硬件功能劃分為弱電和強電兩部分。中間通過光電耦合及不同的接口單元對不同的控制策略和功率容量進行了分劃和組合.系統(tǒng)的硬件部分模塊化.圖3-1系統(tǒng)原理總圖系統(tǒng)的強電主電路采用的是交一直交的電壓型變頻電路。系統(tǒng)主電路的工作流程為：首先將從電玩引出的三相電流經(jīng)過不可控整流電路整流得到直流電，然后經(jīng)濾波電容組濾波，得到平滑的直流電。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的三相交流電。弱電部分：以TMS320LF2812DSP芯片為主體的核心控制電流，光電耦合隔離電路，光電旋轉(zhuǎn)編碼器測速電路，濾波采樣電路，外設(shè)、保護模塊電路.系統(tǒng)還有開關(guān)電源電路等輔助電路，另外，鍵盤控制及上位機通信電路與上述強電和弱電部分儀器構(gòu)成異步電機矢量控制系統(tǒng).如圖3—1所示，本設(shè)計所采用的系統(tǒng)是一個有電壓、電流和速度反饋環(huán)構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng),DSP控制器將各個采樣電路采樣到的各項電壓、電流數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換，并運用矢量控制算法等一系列操作，最終DSP產(chǎn)生的PWM信號送給光電耦合隔離驅(qū)動電路后，進而控制智能逆變電路的功率器件的斷開與開通，使整流得到的直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電源帶動交流電機的運轉(zhuǎn).此外，開關(guān)電源電路負責對光電耦合隔離模塊、DSP芯片等低壓電源的電力供應(yīng).DSP系統(tǒng)的關(guān)斷復位等操作由鍵盤部分負責.上位機和DSP控制器的通訊使系統(tǒng)及時作出規(guī)定動作。3.1DSP芯片TMS320F2812現(xiàn)代實用的DSP芯片采用指令存貯和程序存貯分開的哈佛結(jié)構(gòu)或者改進的哈佛結(jié)構(gòu)，以達到地址總線和數(shù)據(jù)總線的分離［成［16］。哈佛結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是允許CPU同時訪問程序指令和數(shù)據(jù)，使指令存取和數(shù)據(jù)存取可以同時進行，而這極大地提高了CPU的工作效率。而本文使用的芯片是有美國TI公司設(shè)計制造的的32位定點型基于C2000平臺的DSP芯片TMS320F2812.TMS320F2812是TI公司在2010年推出的新一代的數(shù)字電機控制(DMC)用32位定點型的DSP芯片，其采用增強型的哈佛結(jié)構(gòu),22位的程序地址和32位的數(shù)據(jù)地址[17].具有數(shù)字控制和高速信號處理所需要的體系結(jié)構(gòu)特點，而且,其具有專門為控制電機而提供的單片解決方案必須的外圍設(shè)備。該芯片的特點有：支持JTAG接口，集成了多種有利于工程人員使用的外設(shè)。為有效防止人為因素的干擾，內(nèi)置了密碼保護機制。使用高性能的靜態(tài)CMOS,I/O供電電壓和Flash的編程電壓均是3。3V,內(nèi)核供電電壓將為1.8V或者1。9V,減小了控制器的功耗。150MI/S執(zhí)行速度使得指令周期減小的6。67ns，從而極大地提高了控制器的實時控制性能。芯片有56個可獨立編程的輸入輸出引腳(GPIO)，完全滿足系統(tǒng)對電機調(diào)速控制的要求.擁有豐富的接口，及較大的自身存儲空間，可以滿足大數(shù)據(jù)量的運算和存儲.對市場上的TMS320LF2407指令系統(tǒng)完全兼容。有兩個事件管理器(EVA和EVB)，使功率變換器和電機提供了很大的便利。芯片帶有PWM控制模塊.內(nèi)嵌基于自動鎖相環(huán)技術(shù)的程序監(jiān)視器和時鐘發(fā)生器.內(nèi)置了多個定時器,為軟件編譯提供了很大的便利.多樣化的封裝模式和配置標準，滿足不同用戶的需求。高性能32位CPU使用哈佛總線結(jié)構(gòu),具有統(tǒng)一的存儲模式，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，可以直接將高級語言轉(zhuǎn)換為匯編語言代碼。能與TI公司以前的芯片源代碼良好兼容.芯片使用的溫度范圍更廣，S/Q：;A：3.2主電路設(shè)計主電路使用交-直-交的電壓型電路結(jié)構(gòu)，包括由IPM智能功率模塊構(gòu)成的逆變電路、由大電容組成的濾波電路和整流二極管組成的整流電路。3。2。1智能功率模塊設(shè)計該模塊將直流電變?yōu)榻涣麟?，這個過程成為逆變.逆變電路工作時不斷將發(fā)生電流從一個之路轉(zhuǎn)移到另一個支路，這個過程成為換流。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、負載換流、電網(wǎng)換流和強迫換流。本系統(tǒng)采用的是全控整流器件進行換流，即器件換流[18].利用一定規(guī)律的PWM波形控制IGBT器件導通或關(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.在本設(shè)計中，未采用傳統(tǒng)的全控型開關(guān)器件進行主電路的逆變電路設(shè)計。為了實現(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。本設(shè)計采用的IPM模塊型號為PM30CSJ060,這是采用了第五代IGBT技術(shù)和先進亞微米電源芯片的設(shè)計技術(shù)，極大地提升了其動、靜態(tài)性能。技術(shù)參數(shù):功率2.2KW，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)系統(tǒng)的原理框圖，強電和弱電信號的接口處需要驅(qū)動電路和光電耦合電路。根據(jù)設(shè)計的實際情況，采用HPCL4504高速光電耦合芯片隔離，用以實現(xiàn)精確的光電信號轉(zhuǎn)換。圖3—2光電耦合隔離電路如上圖所示，一路PWM的控制信號連接到光電耦合隔離模塊中的發(fā)光二極管上，用阻值110的電阻在中間限流，其產(chǎn)生的光信號將使模塊的另半邊進入工作。輸出信號通過RC濾波和去耦合電路發(fā)出IGBT觸發(fā)信號使智能功率模塊工作。上圖為單路信號光電耦合隔離電路，系統(tǒng)共需要六路這樣的隔離電路。3.2.2整流濾波電路的設(shè)計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?。由于系統(tǒng)采用電路二極管這種不可控整流器件，得到的直流電有很強的脈動，所以需要在整流電路后面加上濾波電路。如圖3—3所示.系統(tǒng)交流電機參數(shù)：額定電壓380V額定電流2.8A磁極對數(shù)2額定功率1100W額定轉(zhuǎn)矩7Nm圖3-3整流濾波電路選取整流二極管時應(yīng)該使電機在最大負載下正常工作，綜合考慮二極管耐壓和電網(wǎng)電壓波動等因素，選取電壓波動系數(shù)1.1，安全系數(shù)2,額定電壓940V;二極管額定電流取11.6A?？紤]到負載的情況,選擇額定電流8A、額定電壓800V的KBJ808整流二極管。為有效地消除電流脈動，設(shè)計中采用多級濾波，考慮到價格和實際需求，系統(tǒng)采用二級濾波.如上圖所示。R1和R2為壓敏電阻器，當電壓或電阻過低時成高阻狀態(tài)，使電流減少甚至沒有電流通過。濾波電容全部采用470pF耐壓型電解電容，電阻R3和R4的大小分別為10和2.2.3。3控制電路設(shè)計控制電路的核心是DSP芯片，系統(tǒng)通過對電機三相定子電壓、電機轉(zhuǎn)速檢測和直流母線電流的檢測，達到對電機轉(zhuǎn)速的平滑控制。系統(tǒng)運行時，先把檢測到的電壓和電流信號轉(zhuǎn)換成0?20mA電流信號或0?3V電壓信號，通過A/D轉(zhuǎn)換輸入到DSP的GPIO口中;信號檢測部分，系統(tǒng)使用芯片的CAP模塊接收、處理速度信號；芯片的PDPINTA引腳連接IPM模塊中的會使DSP產(chǎn)生故障的信號，以便處理?？刂菩酒墓╇婋娫从蒚I公司的專用電源轉(zhuǎn)換芯片TPS767D301附加必要的電器元件構(gòu)成直流電壓轉(zhuǎn)換電路組成.控制芯片還有上電復位功能;TMS320F2812的時鐘信號可由外部晶振提供,通過芯片自帶鎖相環(huán)模塊，將時鐘信號乘以4倍頻后輸入到CPU?？刂葡到y(tǒng)的復位電路使用微控制芯片TPS3307-18實現(xiàn)，具有手動復位以及上電復位功能。3。4檢測電路設(shè)計檢測電路設(shè)計部分分為電壓檢測、轉(zhuǎn)速檢測和電流檢測。電壓檢測電路檢測的主要是母線電壓，用于系統(tǒng)的過壓、欠壓保護；轉(zhuǎn)速檢測電路利用光電旋轉(zhuǎn)編碼器進行脈沖計數(shù)，通過M法測速公式計算出電機的瞬時轉(zhuǎn)速，信號送入系統(tǒng)控制器；電流檢測電路主要是把三相的定子電流進行A/D轉(zhuǎn)換，并輸入到控制芯片，實現(xiàn)電流環(huán)的閉環(huán)控制。該部分是實現(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。3。4.1電壓檢測電路電壓檢測主要檢測系統(tǒng)逆變部分直流母線的電壓。由于智能功率控制芯片內(nèi)置了保護電路，故檢測到的信號通過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保護外設(shè)中。電壓檢測傳感器使用LEM公司的LV25-P電壓傳感器。該芯片測量精度良好，抗干擾能力強，溫度漂移低。技術(shù)參數(shù)：額定有效輸入電流0~20A,工作溫度，非線性失真＜0.1%，精度大于0。5%F.S，響應(yīng)時間。具體檢測電路如下圖所示，其中R8=56，VCC=+15V。圖3-4電壓采樣電路3。4。2轉(zhuǎn)速檢測電路在設(shè)計中速度檢測通過增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器來實現(xiàn)，進而實現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。通過光電旋轉(zhuǎn)編碼器和電機轉(zhuǎn)子的信息，經(jīng)過不同的測速原理計算電機的瞬時轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)中采用的是測頻法（M法），速度計算公式為，其中為電機的每分鐘轉(zhuǎn)速，N為編碼器N線，為測速頻率，M為計數(shù)器脈沖數(shù)。具體的連接方法是將光電旋轉(zhuǎn)編碼器的A、B兩路正交信號輸出和控制芯片TMS320F2812內(nèi)置的事件管理器QEP模塊輸入引腳QEP1、QEP2相連，公用通用定時器TxCNT進行計數(shù)。3。4.3電流檢測電路該部分主要用于實現(xiàn)系統(tǒng)電流的閉環(huán)控制，即將檢測到的定子三相電流信號進行A/D轉(zhuǎn)換，輸入到DSP芯片的A/D接口，進而實現(xiàn)電流閉環(huán)控制。由于系統(tǒng)采用三相完全對稱的異步電機,所以只需用兩個霍爾元件分別檢測電流?；谙到y(tǒng)對電流信號的穩(wěn)定性和精度要求，采用IR公司HVIC相電流檢測芯片IR2277.該芯片只需要少量無源器件即可實現(xiàn)檢測、偏置和確定時間常數(shù)等基本功能。它檢測到的電流信號通過D/A轉(zhuǎn)換能直接輸入到DSP芯片內(nèi)，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的PEM控制信號。具體電路如下圖，鑒于完全對稱的電路，檢測方法相同。圖3-5電流采樣點路3.5保護電路由于逆變器工作時會產(chǎn)生短路電流和浪涌電壓等不良因素，所以需要保護電路來確保安全。鑒于智能功率模塊有相應(yīng)的保護電路，所以不需要再對IGBT進行保護。但是考慮到電機調(diào)速過程中電壓和電流的波動，加入如下圖的保護電路。圖3—6保護電路如圖所示，當DSP判定檢測部分電路信號有過電壓、過電流和啟動故障時，LED指示燈會被點亮，指示排除故障；同時，系統(tǒng)PDPNIT中端口接到故障信號,系統(tǒng)執(zhí)行中斷程序，停止PWM輸出信號以停止電機運行。4系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，其主體分為兩個模塊：主程序和PWM中斷服務(wù)。軟件實現(xiàn)的主要任務(wù)有：（1）完成與上位機間的通訊.（2）電壓和電流的采樣。（3）坐標變換。（4）轉(zhuǎn)速計算和調(diào)節(jié).（5）光電旋轉(zhuǎn)編碼器（速度）采樣.（6）SVPWM波形控制。（7）故障報警和處理.（8）實現(xiàn)矢量控制的目標。設(shè)計中對于上位機的使用比較簡單，系統(tǒng)沒有關(guān)于上位機的過多功能要求，故上位機的控制程序只需利用網(wǎng)絡(luò)通用串口通信程序就能實現(xiàn)。對于鍵盤控制程序，主要功能就是進行參數(shù)顯示及修正，啟動或者關(guān)斷系統(tǒng)運行，設(shè)計要求簡單。4。1主程序設(shè)計主程序流程圖如下圖所示，當系統(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)行保護和故障處理程序。如果系統(tǒng)運行正常就進入矢量控制部分，最后將參數(shù)顯示以觀察控制的效果。圖4-1主程序流程圖4。2初始化程序設(shè)計對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)的初始化是對系統(tǒng)用到的各部分進行相應(yīng)設(shè)置；變量初始化是指對在SVPWM中斷中多用到的變量進行初始化;系統(tǒng)初始化主要對系統(tǒng)內(nèi)置時鐘、主定時器和中斷看門狗程序進行初始化.整個系統(tǒng)運行中，這部分只在開始時運行一次。圖4—2初始化程序流程圖4。3定子電流采樣程序設(shè)計具體程序流程圖如下圖4-3定子電流采樣程序流程圖4。4速度采樣程序設(shè)計由于系統(tǒng)的速度采樣是依靠光電編碼器實現(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和DSP芯片內(nèi)置事件管理器QEP模塊的兩個輸入引腳QEP1、QEP相連，共用一個通用定時器計數(shù)。下圖為M法測速采樣信號處理圖。圖4-4速度采樣處理流程圖圖中speed為計數(shù)器變量,SPEED表示計數(shù)值，TxCNT為通用定時器，Kspdwie速度系數(shù)，為計算出的速度值。4。5SVPWM中斷程序在軟件設(shè)計中，最重要的就是SVPWM中斷模塊。其主要作用是實現(xiàn)矢量控制系統(tǒng)算法.具體算法為：假定PWM的脈沖信號和ADC的掃描周期同步，事件管理器A定時器下溢成為中斷源,中斷標志位置1。當中斷運行時，首先讀取采樣電流值，調(diào)用坐標變換函數(shù)變換后讀取速度的采樣值并進行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)。具體如下圖所示。圖4-5SVPWM中斷程序設(shè)計流程圖5Simulink仿真及結(jié)果分析針對建立的異步電機矢量系統(tǒng)進行了仿真分析.電機的主要參數(shù)為：額定功率：11KW,額定電流：2。8A,額定電壓:380V，額定轉(zhuǎn)矩：7Nm，額定轉(zhuǎn)速:1520，極對數(shù)：2，轉(zhuǎn)子電感:，定子電感:，定子電阻：0。068，轉(zhuǎn)子電阻:0。248，定子轉(zhuǎn)子互感：。得到系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩仿真，其仿真波形如圖5—1、圖5-2所示。圖5-1轉(zhuǎn)速0—200r/s的仿真波形圖5-2仿真轉(zhuǎn)矩波形6結(jié)論本設(shè)計首先分析了異步電機調(diào)速的發(fā)展歷程，然后對于異步電機變頻調(diào)速的發(fā)展方向進行了分析，論述了交流調(diào)速技術(shù)近年來的發(fā)展方向以及成果。闡述了選擇異步電機矢量控制作為研究課題的意義.本文對異步電機矢量控制的原理進行了詳細的闡述，論述了矢量控制實現(xiàn)的具體理論依據(jù)，并對異步電機進行了數(shù)學模型的構(gòu)建、對坐標變換理論（包括3-2變換2—3變換及旋轉(zhuǎn)和反旋轉(zhuǎn)變換等）進行了細致的解釋.給出了異步電機矢量控制的具體算法一一按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)。對轉(zhuǎn)子磁鏈的計算有了進一步的詳述。硬件部分，對系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，并將系統(tǒng)按功能分為了幾個功能模塊，對每個模塊進行了設(shè)計。并對各個模塊的功能進行了闡述。軟件部分，按照硬件部分的設(shè)計思想，根據(jù)軟硬件結(jié)合的概念，分模塊設(shè)計了程序流程圖。最后對設(shè)計結(jié)果進行了仿真，以確定設(shè)