基于dsp的异步电机无速度传感器的矢量毕业设计(编辑修改稿)

基于dsp的异步电机无速度传感器的矢量毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

......................... 55 翻译部分 ........................................................................................................................................... 56 中文译文 ................................................................................................................................... 56 英文原文 ................................................................................................................................... 62 致 谢 ............................................................................................................................................... 69 中国矿业大学 20xx 届本科毕业设计论文 第 1 页 1 绪论 引言 现代社会，电机作为主要的动力设备广泛的用于工农业生产、国防、科技以及社会生活的方方面面。 而很多场合都需要对电机进行调速，如 车辆，、电梯、机床及造纸机械等，而风机、水泵等为了减少损耗，节约电能也需要调速。 从 20 世纪 20 年代起就开始使用直流调速系统，直流电机由于其励磁电路和电驱电路互相独立，可以分别控制励磁电流和电驱电流，从而控制励磁磁链和转矩。 其优点是调速范围宽、静差小、稳定性好、易于实现速度调节和转矩控制，具有良好的动态性能等。 但由于直流电动机采用机械接触式换向器，结构复杂、制造费时、价格高、易于磨损、维护麻烦，并且难向高转速、高电压、大容量发展，这就限制了直流电动机的应用。 交流电机则因其结构简单、坚固耐用、运行可靠、成本低 、易维护、可适应于大容量调速和工作于恶劣环境等优点，因此人们一直期望将交流电机应用到高性能调速系统中去，随着电力电子技术和控制技术的发展，交流调速性能完全可以和直流调速媲美 【 1】【 2】。 1885 年，世界上第一台交流电机问世，交流电机出现后，特别是鼠笼型异步电机，由于结构简单、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、制造方便、价格低廉、容量没有限制，维护方便，对环境要求不高等优点被广泛使用。 但是交流电机调速比较困难，早期的应用主要是调压调速，电磁转差离合器调速，绕线式异步电机转子串电阻调速， 30年代提出了绕线式异步 电机串级调速的方法，这些方法都是在电机旋转磁场的同步转速恒定的情况下调解转差率，效率都很低。 另一类调速方法是调解电机旋转磁场的同步速度，只是一种高效的调速方法，即通过变频来实现。 交流调速方案虽然早已有多种发明并得到实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。 直到 1968 年， Darmstader 工科大学的 Hasse 博士，发表了第一篇关于矢量控制的论文；1971 年，联邦德国学者、西门子公司的 将这种一般化的概念形成系统理论，并以磁场定向控制为名称的专利的形式发表。 磁场定向控制理论（即通 常说的矢量控制）的出现，使得交流调速技术 【 3】【 4】 发生了一次质的飞跃。 基于异步电机模型多变量、强耦合、非线性的本质特点，矢量控制原理引入了坐标变换，在讲原本复杂的异步电机模型等效为 MT模型的基础上，再进一步简化为类似如直流电机的模型。 由于坐标变换后的电机模型考虑了瞬态的情况，不仅可以较准确地控制电机的稳态性能，而且也能保证实现良好的动态性能，为交流变频调速系统的高性能化奠定了强有力的理论基础，一直被认为天经地义的交流拖动的分工格局被逐渐打破，高性能交流调速系统应用的比重逐年上升。 电力电子器件 和微处理器的发展 在现代电机控制系统中，无论是直流电机控制还是交流调速系统，都需要可控的电源，在 20世纪 50年代，可控电源都是旋转变流机组，控制器件都是电磁器件，整个控制设备庞大而笨重。 50年代末出现了静止的电力电子变流装置以后，逐步解决了变流装置的减少设备、缩小体积、降低成本、提高效率、消除噪声等问题，使电机控制系统获得了飞跃发展，从此“电子”进入了强电领域，电力电子器件成为弱电控制强电的纽带，电力电子变流器成为电机控制系统的核心。 矢量控制技术的提出，提高了交流调速系统的静、动态性能，但是要实 中国矿业大学 20xx 届本科毕业设计论文 第 2 页 现矢量控制， 如用复杂的模拟电子电路来实现，其设计、制造和调试都很麻烦，有些计算功能根本无法实现。 采用微处理器控制以后，用软件实现矢量控制算法，使硬件电路规范化，既降低成本，又提高了可靠性。 由此可见，电力电子器件和微处理器的应用是现代交流调速系统发展的两项必备的物质基础，电力电子器件和微处理器的迅速发展是推动交流调速系统不断更新的动力。 50 年代末，第 1 个普通晶闸管 (SCR)在美国通用电气公司的实验室诞生，标志着现代电力电子技术的开端。 近 20 年来，电力电子器件的发展非常迅猛，从只能触发导通不能控制关断的半控型器件 (如晶闸 管 )，到可以控制导通和关断的全控型器件。 从电流控制到电压控制(场控 )。 从低频开关到高频开关。 从单片元件到模块化、集成化。 从小功率 ( 10Kw)到大功率 ( 1 Mw)，新一代的器件带来新一代的变流器，又推动了新一代电机控制系统的产生，成为现代电机控制技术发展的先锋 【 5】。 晶闸管是初期可控变流装置采用的主要器件，由于它只能触发导通不能控制关断，所以是半控器件，用于可控整流很适合，若用于可控的逆变器，就需要强迫换流电路，使装置复杂化。 因此 70 年代以后，人们陆续研制出各种全控器件用于交流调速系统，常用的全控器 件有 PMOSFET, BJT, GTO 和 IGBT 等。 其中 BJT 和 GTO 是电流控制型，而 PMOSFET 和 IGBT 是电压控制型，即场控器件。 PMOSFET 的优点是驱动功率小、开关时间短、安全工作区宽，几乎没有二次击穿效应，可靠性较高。 其缺点是导通压降大，只适用于高频小功率的应用场合。 BJT 的很多特征和PMOSFET 相反，其主要缺点是开关期间可能发生局部过热的二次击穿，使器件损坏，其开关频率低于 5kHz，因此噪声较大。 GTO 主要用于数千 kVA 的大容量变流器，如电气机车、大型轧钢机、矿井卷扬机等，近年来 ，国产的 GTO 已经做到 2500V, 20xxA 的水平，而三菱公司己推出 6000V, 6000A 的水冷 GTO 器件，但配置恰当的驱动电路和缓冲电路是 GTO 应用中的两大难点。 80年代出现的 IGBT 融合了 MOSFET 和 BJT 的优点，开关频率高、 MOS 门极驱动、导通压降小、安全工作区宽， IGBT 构成的变频器噪音低，因此在中小容量应用已经逐渐取代 BJT。 提高电压和降低通态压降是发展 IGBT 的主要矛盾，目前，新一代 IGBT 的电压己经提高到 ，而导通压降为。 在大功率电力电子器件中，正在研制场控化的 GTO，即 MCT，目前研制样品虽已达到 1000V 、 100A 的水平，但还处于研究开发阶段。 另一种方案则是提高 IGBT 的电压、电流等级，目前也取得了一些发展。 由于各种开关器件的工作原理不同，它们所能承受的开关功率和开关频率也不一样，一般来说，开关频率越高的器件，允许的开关功率就越小， MOSFET 的允许功率最小而频率最高，IGBT 和 BJT 次之， GTO 再次之， SCR 的功率最大而频率最低。 随着超大规模集成 电路制造技术的提高，电力电子技术领域的新趋势是发展功率集成电路 (PIC )，将电力电子器件和驱动电路、保护电路、一部分检测电路、甚至和微机的接口电路等集成在一个芯片内，使整个器件的可靠性大为提高，而且设备体积小、功能多、成本低，用户省去设计驱动电路和保护电路的麻烦，使用起来大为方便。 目前 PIC 只能达到低压小功率的水平，如智能功率模块 (IPM ),作为 PIC 的过渡产品，在交流变频调速器中已大量使用。 本文实验部分就是采用三菱公司的IPM (PMI5RSH120)，该模块耐压为 1200V,额定工作电流为 15A,开 关频率为 20kHz，可用于 的三相变频功率输出。 其内部集成了驱动和保护电路，使硬件电路设计和开发变得简单可靠。 在现代交流调速系统中，由模拟电子电路构成的模拟控制已不能适应复杂的控制策略和 中国矿业大学 20xx 届本科毕业设计论文 第 3 页 大量数据计算的需要，由微处理器为核心的数字控制已经成为交流调速控制器的主要形式。 微处理器构成的数字控制优越性表现为 : 1)控制器的硬件电路标准化程度高、成本低、可靠性高。 2)控制软件可以根据需要替换、修改或移植，灵活性大，稳定性好。 3)信息存储、诊断和检控的能力不断提高，随着 CPU 运算速度的存储容量 的提高，能够实现各种新型的复杂控制策略。 早期用于电机控制的微处理器是各种类型的单片机，如 Intel 公司的 51 系列和 1%系列单片机，都得到了广泛应用，特别是 80C 196MC 具有片内波形发生器 (WFG)，可产生 3对独立的 PWM 信号，适合于交流感应电机控制，在一般的变频器中很多采用这种单片机。 这类单片机具有丰富的硬件和软件资源，也可以用于实时控制，但是当需要大量数据计算处理或浮点运算，对快速性要求较高时，则能力不足。 为了进一步提高运算速度，特别是对矢量控制这种具有复杂的控制方案和数据计算的场合， 80 年代初出现 了数字信号处理器 (DSP )，目前最常用的则是德州仪器公司 (TI)的 TMS320 系列 DSP o 1982 年，德州仪器公司推出了第 1个 TMS320 系列产品 TMS320xx，该产品被“电子产品”杂志授予“年度产品”的荣誉，如今 TMS320 已发展到拥有定点、浮点及多处理器等各种型号的系列产品，是世界市场上占有量最大的 DSP，已广泛用于数字信号处理、自动控制等领域。 90年代 TI公司又推出一种专门用于数字电机控制 (DMC)的 DSP产品 :TMS320F/C24x系列。 39。 24x属于 16 位定点 DSP 基于 39。 C20xx 平台，以 39。 C2xLP 为运算内核，它将高性能的 CPU 和众多外设接口集成在一个芯片内。 39。 24x 的体系结构设计是基于一种改进的哈佛结构，程序存储空间、数据存储空间和输入 /输出端口是并行分布设计的，其指令执行采用 4级流水线操作，大多数指令都是单周期指令 (50ns )。 特别是 CPU 内部具有 1 个硬件乘法器，使得乘法运算也只需 1个指令周期即可完成，大大提高了运算速度，可用于对快速性和实时性要求很高的控制。 39。 24x 内部具有一个“事件管理器”，包括定时器、比较单元以及 PWM 产生电路，可以根据需要产生 6路互补的、带死区控制的 PWM 信号。 39。 24x 还具有 8 路片内 10 位 A/D 转换，可以直接对电流或电压检测信号进行 A/D 转换，当然 39。 24x 还具有串行通讯、中断控制等功能，所有这些功能使得 39。 24x 特别适合于交流调速控制。 本文实验部分就是采用 F243 作为控制器运算核心。 无速度传感器矢量控制的研究现状 以转子磁链定向的矢量控制系统已经广泛应用在高性能的工业应用场合，转速的闭环控制环节一般是必不可少的。 因此很多情况下，人们是利用同轴安装的速度传感器测速度。 由于速度传感器的安装给系统带来了一些缺陷： （ 1） 增加了系统的成本，精度越高的码盘价格也越 贵。 （ 2） 码盘在电机轴上的安装，安装不当将影响测速精度，降低系统的可靠性。 （ 3） 在高温、高湿、多尘的恶劣环境下无法工作，而且码盘工作精度易受环境条件的影响。 因此，无速度传感器技术 【 6】【 7】 的研究显得更为迫切，成为研究的热点。 近年乃研究较多的是无速度传感器矢量控制技术，无速度传感器的矢量控制技术是在常规带速度传感器的矢量控制的基础上发展起来的，除电机转速信息的获取途径、方法不同之外，仍沿用磁场定 中国矿业大学 20xx 届本科毕业设计论文 第 4 页 向控制技术。 因此，无速度传感器矢量控制技术的核心是如何准确地获取电机的转速信息。 无速度传感器矢量控制的一般方 法是：从电机定子边较易测量的量中（如定子电压，定子电流）计算出与速度有关的量，然后得到转子速度、转矩和磁链并将其应用到速度闭环控制系统中，目前研究较多的是以下几种方法：。