基于DSP的异步电机矢量控制系统的研究与设计

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3.0 李琳琳 2024-10-14 9 4 2.42MB 51 页 15积分

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基于 DSP 的异步电机矢量控制系统的研究与设计-上海大学工程硕士毕业论文

基于 DSP 的异步电机矢量控制系统的研究与设计

摘要

数字信号处理器的出现、精确的异步电机模型和各种先进的控制策略的提出促进了电机控制

的发展。本文主要研究了一种基于 DSP 的异步电机矢量控制系统。

矢量控制，也叫磁场定向控制，是一种先进的控制策略，基本思想是:将异步电机的模

型通过坐标变换，使之成为直流电机模型，将定子电流分解为按转子磁场定向的两个直流分

量，分别进行独立控制，达到直流电机的控制效果。

本文研究的是以 TMS320F2812 -DSP 为控制核心的电压源型矢量控制变频调速系统。本文

分析了矢量控制和的电压空间矢量脉宽调制原理与实现方法。论文中分析了异步电机在三相

静止坐标系、两相静止与旋转坐标系下的电机基本数学模型和控制基本方程，在进行相应的

坐标变换以后，得到了基于转子磁定向的同步旋转坐标系下的控制方程式;分析了电压空间

矢量脉宽调制的基本原理、控制算法以及 DSP 的实现方法，最后得到异步电机的矢量控制系

统图。

在系统图的基础上完成模块化的硬件实现。以 TMS320F2812 为控制核心，采用智能功率

模块 IPM 作为功率主回路，通过电流和转速检测电路构成闭环控制系统。用 TMS320F2812 汇

编语言编制了矢量控制系统程序。在该系统中利用高性能的电机控制专用芯片 TMS320F2812

的强大运算能力和快速实时处理能力，使复杂的控制算法更加容易实现，实现异步电动机高

性能控制。该矢量控制系统的研究为今后开发更高性能的变频调速系统奠定了良好的基础。

关键词:变频调速，转子磁链定向控制，数字信号处理器(DSP)，空间矢量脉宽调制(SVPWM)

基于 DSP 的异步电机矢量控制系统的研究与设计-上海大学工程硕士毕业论文

The Vector Control System of AC Motor Based on DSP

Abstract

The appearance of DSP and the mentions of accurate asynchronous motor's model and all

kinds of advanced controlling strategy accelerate the development of the motor control. This paper

mainly introduces a vector control system of AC motor based on DSP

AS one of the advanced control strategies, the field oriented control (FOC) is like this: By

transforming the model of AC motor to DC motor, the stator current is decomposed into two DC

parts which are orientated according to the rotor magnetic field and controlled independently. In

this way, it controls the asynchronous motor like synchronous motor.

In this dissertation the research focuses on a vector control variable-frequency speed control

system based on TMS320F2812. The principle and realization method of vector control and

SVPWM (space vector pulse width modulation) have been analyzed. For vector control the analysis

of induction motor mathematic models and control equations under three-phase static coordinate

system, two-phase static coordinate system and circular coordinate system is presented in the

dissertation, and then the control equation under synchronous circular coordinate system based on

rotor field orientation is acquired. The principle, control algorithm and realization method by DSP

of SVPWM are also given, and then designed the vector control system of induction motor.

The system adopted TMS320F2812 as control core, intelligent power modulation (IPM) to

constitute the main power loop to form a two loop-locked control system by detecting currents and

rotor speed. The software including main program and part subprogram is realized by assemble

language. The DSP chip (TMS320F2812) has great capability of data computation and real-time

processing which make complicated control algorithm achieved easily and the control of induction

motor more efficient. The research of the system does help to the development of the more

advanced motor control system.

KEY WORDS: Variable-frequency Speed Control

，

Field Oriented Control Based on Rotor

Magnetic Flux

，

Digital Signal Processors (DSP)Space Vector Pulse Width Modulation

(SOPWM)

基于 DSP 的异步电机矢量控制系统的研究与设计-上海大学工程硕士毕业论文
目录
摘要...........................................................................1
Abstract.......................................................................2
第一章  绪论...................................................................5
1 课题研究背景............................................................5
2 国内外相关技术发展水平、现状............................................6
3 本论文的研究内容及技术要求..............................................8
第 2 章矢量控制理论.............................................................9
1 异步电机数学模型和坐标变换..............................................9
1.1 坐标变换.........................................................10
1.2 异步电机数学模型.................................................11
2 矢量控制原理..........................................................12
2.1 矢量控制的基本思想及实现.........................................12
2.2 转子磁场定向矢量控制基本方程.....................................14
3 电压空间矢量法........................................................16
3. 1 电压空间矢量脉宽调制的基本原理.................................16
第三章 矢量控制系统硬件设计及实现.............................................21
1 系统总体方案..........................................................21
2 控制系统方案..........................................................22
3 主控芯片 TMS320F2812 简介..............................................23
4 SVPWM 波形产生.........................................................26
4.1 波形发生的寄存器.................................................26
4.2 波形产生的工作原理...............................................27
4.3 系统的 SVPWM 波形..................................................27
5 主回路部分............................................................28
6 检测电路的设计.........................................................30
6.1 缺相检测电路.....................................................30
6.2 电流检测电路.....................................................30
6.3 电机转速检测电路.................................................31
第四章 SVPWM 矢量控制系统的软件实现............................................32
1 系统控制软件的任务及设计方案..........................................33
2 异步电动机的标么值模型................................................34
3 系统主程序设计........................................................34
4 PWM 中断程序设计......................................................35

基于 DSP 的异步电机矢量控制系统的研究与设计-上海大学工程硕士毕业论文
4. 4. 1 电流采样程序模块...............................................36
4. 4. 2 电机转速计算模块...............................................37
4. 4. 3 转子磁链位置计算模块...........................................38
4. 4. 4 SVPWM 生成模块.................................................39
4. 5 看门狗软件设计........................................................40
4. 6 小结..................................................................41
第五章 系统调试及结果.........................................................42
5.1 电机性能参数...........................................................42
5.2 实验结果...............................................................42
5. 3 分析和改进............................................................45
第六章 全文总结...............................................................46
6. 1 本论文工作总结........................................................46
6.2 课题展望...............................................................47
致谢..........................................................................48
参考文献......................................................................49

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第一章绪论

1.1 课题研究背景

能源问题始终是全球经济高速发展的过程中一个令人关注的主题。从最近国际原油市场

的油价起伏，到中国这样经济高速发展的发展中国家，国家的能源战略政策的重要调整，能

源已经成为国际政治经济外交交往中的一个不可缺少的主题。能源的紧张不仅制约了相当多

发展中国家的经济增长，也困扰着许多发达国家。有资料表明，中国能源利用率比发达国家

低得多。90 年代中国高耗能产品的耗能量一般比发达国家高出 12%-55%左右。如果进行单位

GNP 能耗(吨标准煤/千美元)的国家比较(90 年代中期)，中国分别是日本、德国、美国的 10.6

倍、8.3 倍和 4.6 倍。由此可见，提高能源的有效利用率在我国已经显得非常迫切。作为能源

消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。我国电机的总装机容量已达 4 亿千瓦，

年耗电量达 6000 亿千瓦时，约占工业耗电量的 80%。我国各类在用电机中，80%以上为 0.

55~220kW 以下的中小型异步电动机，并且在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达

国家50 年代水平。因此，在电机系统节能方而将有很大的发展空间，所以异步电机的变频调

速系统在我国将有非常巨大的市场需求。

直流电机由于励磁磁场和电枢磁场完全解耦，这样就可以独立控制，因此直流调速系统

会有良好的调速性能，调速平滑和易于控制，在电机控制领域一直占据主导地位。交流电机

就不同，其电流、电压、磁通和电磁转矩各量处于相当复杂的耦合状态之中，所以一般的调

速方式都不能达到和直流电机的一样的控制效果。但是，随着电力电子器件、现代控制理论、

微型计算机技术的迅速发展，交流调速有代替直流调速的趋势。现在从数百瓦的伺服系统到

数万千瓦的大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速到高精度、快响应、大范围的调

速，从单机传动到多机协作运行，交流传动调速在控制性能方而完全可以和直流调速传动相

当，在很多场合交流传动已经取代直流传动。

1.2 国内外相关技术发展水平、现状

直流电机存在结构复杂、使用机械换向器和电刷，使它具有难以克服的固有缺点，如造

价高、维护难、寿命短、存在换向火花和电磁干扰，电机的最高转速、单机容量和最高电压都

受到一定的限制。所以交流电机得以进入更多的领域并得到迅猛发展。交流变频调速以其优

异的调速和起、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，被国内外公认为最有前途的调

速方式，成为当今节电、改善工艺流程以及提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种

主要手段。随着电力电子技术、微电子学、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电力传动

领域正发生着交流调速代替直流调速和计算机数字控制技术代替模拟控制技术的革命。

（1）电力电子技术的发展

基于 DSP 的异步电机矢量控制系统的研究与设计-上海大学工程硕士毕业论文

电机控制的基本手段就是如何控制 PWM 波形使得功率控制器件输出的电压和电流波形能

满足电机高性能运行的要求。可控型功率控制器件的不断发展为电机控制系统的完善提供了

硬件保证，尤其是新的可关断器件，如门极可关断器件(GTO)、大功率品体管 CGTW、金属氧化

物半导体场效应品体管(MOSFLi)，绝缘栅双极型品体管(IGBT)、绝缘栅可换向品闸管(IGCT)

等的实用化，使得高频、高压、大功率 PWM 控制技术得以实现。

在低压交流电机的传动控制中，应用最多的功率器件有 GTO， GTR、IGBT 以及最近几年

出现的智能功率模块工 PM(Intelligent Power Module)。后两种集合 GTR的低饱和电压特性

和 MOSFFT 的高频开关特性于一体，是目前变频调速系统中广泛应用的主流功率器件。

智能功率模块(IPM)是向第四代器件功率集成电路（PIC）的过渡产品，是微电子和电力

电子技术结合的产物。它不但能提供功率输出，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊

断等功能。

（2）微处理器和数字信号处理器的技术应用

在电机控制系统中应用的控制器主要有单片机和数字信号处理器(DSP)。单片机片内

集成较多 I/O 接口，但是运算速度较慢：DSP 是面向高速信号处理的，运算速度比单片机要

提高一个数量级，但是成本价格较高。为了满足需要，单片机和数字信号处理器正朝着提高

集成度、增加位数、提高数据处理能力、增强扩展功能、降低成本的方向发展。电机驱动微处理

器的发展分为三个阶段。

第一阶段：只具有单一数据处理功能的微处理器。代表 Intel 公司的 8085 和 8086

芯片等。此时，微处理器处理速度慢，硬件配置不全，由它们组成的控制系统数字化程度有

限，控制精度不高。

第二阶段：单片机阶段。代表是 Intel 的 8048 单片机，随后的 MCS51 系列和 MCS96 系列

单片机。由单片机实现高性能全数字控制是比较困难的，主要原因是单片机的处理速度满足

不了系统对电流控制的快速性要求。目前采用 16 位单片机控制的电机调速系统多采用数字和

模拟混合控制方式，即位置环、速度环的控制及其旋转坐标变换等由单片机实现，电流环的

控制一般由模拟电路实现。

第三阶段：数字信号处理器 DSP (Digital Signal Processor)。代表是 Motolora 公司

的 5600 系列、AD 公司的 ADSP2100 系列、和 TI 司的 TMS320X2000 系列。其中 TI 公司的

TMS320F2407 和 TMS320F2812 是专门而向电机控制的 DSP 芯片，视为电机控制领域的首选

DSP 芯片。DSP 的最大特点就是运算速度快，能满足电流环的实时控制要求。当采用 DSP 构成

全数字电机控制系统时，其控制功能可以由软件实现，这样有利于提高系统的可靠性，降低

系统本，并且可以采用先进的控制算法，获得更好的控制性能。

（3）功率环节PWM 技术的发展

PWM 控制技术是利用功率开关器件的通断把直流电压变换成电压脉冲序列，并通过控制

电压脉冲宽度或周期以达到变频和变压的目的。PWM 技术是电机驱动控制的核心技术之一。

VVVF 控制技术发展早期采用脉幅调制(PAM)。这种方法的特点是变频器在改变输出频率

的同时，也改变电压的振幅值。随着全控型功率开关器件 GTR，OSFFT、IGBT等的发展，才产

生了 PWM 技术。这种方法的特点是变频器在改变输出频率的同时，也改变输出电压的脉冲占

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基于DSP的异步电机矢量控制系统的研究与设计-上海大学工程硕士毕业论文基于DSP的异步电机矢量控制系统的研究与设计摘要数字信号处理器的出现、精确的异步电机模型和各种先进的控制策略的提出促进了电机控制的发展。本文主要研究了一种基于DSP的异步电机矢量控制系统。矢量控制，也叫磁场定向控制，是一种先进的控制策略，基本思想是:将异步电机的模型通过坐标变换，使之成为直流电机模型，将定子电流分解为按转子磁场定向的两个直流分量，分别进行独立控制，达到直流电机的控制效果。本文研究的是以TMS320F2812-DSP为控制核心的电压源型矢量控制变频调速系统。本文分析了矢量控制和的电压空间矢量脉宽调制原理与实现方...

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