异步电机矢量控制系统设计

异步电机矢量控制系统设计存档日期：存档编号：本科生毕业设计（论文）论文题目：姓名：刘成成学院：电气工程及自动化学院专业：自动化班级、学号：08电5108285008指导教师：甘良志江苏师范大学教务处印制异步电机矢量控制系统设计摘要目前广泛研究应用的异步电机调速技术有恒压频比控制方式、矢量控制、直接转矩控制等。

本论文中所讨论的是异步电机矢量控制调速法，相对于恒压频比控制和直接转矩控制，它有优秀的动态性能和低速性能，还有其调速范围宽的优点。

在给出异步电动机的矢量控制原理的同时，一并给出了矢量变换实现的步骤，解释了三相异步电动机数学模型的解耦方法。

在论述了三相异步电功机的磁场定向原理之后，又介绍了转子磁链计算方法并设计了转子磁链观测器。

详细分析了转矩调节器，转速调节器和磁通调节器的工作原理，并根据各个调节器的原理对各个调节器进行了相应的设计。

以DSP为控制核心，设计了异步电机矢量控制系统的硬件电路，并编制了软件程序。

运用了MATLAB的工具软件SIMULINK对磁通闭环的控制矢量系统进行了仿真，并给出了仿真结果。

关键词：异步电机矢量控制 DSP处理器AbstractAt present, the asynchronous motor velocity modulation, vector control and direct torque check etc. Are in detailed studies. This paper discusses the modulation method of asynchronous and wide velocity modulation scope.This paper points out the process of implementing vector transformation and explains how to work in pairs in the mathematical models of asynchronous motors in turns while elaborating the vector control principle in asynchronous motor. It introduces the computational method of rotor flux linkage and designed the visualizer for rotor flux linkage.This paper analyzes the working principles of magnetic flux regulator, torque regulator and RPM control and has designed all of them. Taking DSP as the control core, it has also designed the hardware of the vector controlling system in the asynchronous motor and has written the software program.It has applied the SIMULINK tool software in MATLAB to carry on the simulation to the controlling system of the magnetic closed loop vector and give the simulation result and the analysis of the result.Key words:Asynchronous Motor Vector Control Digital Signal Processors目录摘要................................................... Abstract (I)1 概述 01.1 系统设计的主要任务要求 01.2 国内外研究现状 01.3 本设计的完成的主要工作 (1)2 异步电机调速的基本理论 (2)2.1异步电机的三相数学模型 (2)2.1.1 异步电机三相动态数学模型的数学表达式 (3)2.1.2 电压方程 (6)2.1.3 转矩方程 (7)2.1.4 运动方程 (8)2.2 坐标变换 (9)2.2.1 坐标变换的基本思路 (9)2.2.2 三相-两相变换（3/2变换） (10)2.2.3 静止两相-旋转正交变换（2r/2s变换） (13)2.3异步电机按转子磁链定向的矢量控制系统 (15)2.3.1 转子磁链计算 (17)3 基于DSP芯片TMS320F2812的矢量控制系统设计 (19)3.1 DSP芯片TMS320F2812 (20)3.2 主电路设计 (21)3.2.1 智能功率模块设计 (21)3.2.2 整流滤波电路的设计 (22)3.3 控制电路设计 (23)3.4 检测电路设计 (24)3.4.1 电压检测电路 (24)3.4.2 转速检测电路 (25)3.4.3 电流检测电路 (25)3.5 保护电路 (26)4 系统软件设计 (27)4.1主程序设计 (27)4.2 初始化程序设计 (28)4.3 定子电流采样程序设计 (29)4.4速度采样程序设计 (30)4.5 SVPWM中断程序 (31)5 Simulink仿真及结果分析 (33)致谢 (36)[参考文献] (37)1 概述1.1 系统设计的主要任务要求异步电机矢量控制系统设计是基于三相异步电机的交流调速技术的研究[1][2][3]，本设计的主要任务有：（1）研究矢量控制系统的原理[4]。

（2）研究矢量控制系统的实现方法。

（3）分析矢量控制系统特点及软硬件接口。

（4）设计矢量控制系统硬件电路（5）设计矢量控制系统的软件流程。

（6）对矢量控制的数学模型进行仿真分析[5]。

1.2 国内外研究现状矢量控制理论是由美国和德国的科学家在二十世纪七十年分别提出的理论[5][6]，经过半个世纪的补充和完善，使得矢量控制技术在工农业各种生产应用中逐渐突出[7][8]。

交流电机矢量控制技术就是建立电机可靠的数学模型，把定子电流矢量分解为转矩电流矢量和励磁电流矢量，分别控制其方向和大小，使其合成变频器的可控有效信号[9]。

此技术是建立在直流调速系统深入研究基础上的仿直流调速系统，它实现了交流电机的直流化控制，进而极大地提高了交流调速系统的高效性、稳定性和易操作性。

异步电机矢量控制系统的基本思想是通过对变频器参数的控制信号的分析控制，实现对电磁转矩的有效控制，使得异步电机调速系统获得和直流调速系统相似的控制方法及控制效果。

具体原理如下：首先将电流的坐标变换，将定子上的三相对称电流A i、B i、C i通过坐标变换到同步旋转坐标系d-q坐标系下两相直流电流（同步旋转坐标系下，始终保持d-q坐标系中d轴与转子磁场方向一致），即通过数学变换将三相交流电机的电子电流分解为两个分量：产生旋转磁动势的励磁分量M i和产生电磁转矩分量r i，然后以控制电流电机的方式分别对磁场和转矩进行单独控制，再经过变换方式把控制的结果转换成随时间变化的瞬间变量，所以系统控制频率特性好、控制精度高、转矩动态响应速度快。

总而言之，矢量控制技术的发展及完善极大地提高了工农业的生产水平，并减少了对环境的破坏，降低了对能源的损耗。

1.3 本设计的完成的主要工作在设计中主要研究了按转子磁链定向的异步电机矢量控制系统，并对系统的硬件设计[10]、软件设计、仿真分析[11][12]及控制方法做了详细的论述和验证。

在本设计中可以分为理论研究、硬件设计、软件流程设计、系统等几个部分。

采用空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）技术[13]，使得系统的控制效果突出于传统的控制方法。

本文所完成主要工作包括：（1）介绍了交流调速系统的发展和控制方法的完善以及本系统研究的应用背景和意义。

（2）对电机的矢量控制的基本原理做了比较详细的介绍，另外就矢量控制系统的发展和控制思想进行了比较细致的论述。

（3）对系统硬件电路的设计进行详细解释。

设计采用TI公司生产的DSP芯片TMS320F2818作为控制核心并进行了硬件控制电路设计[14]，另外还设计了相应的以智能控制模块为核心的逆变耦合电路、检测电路、整流滤波电路以及保护电路。

（4）详细论述了本设计的采用的矢量控制系统软件，对应硬件电路以及控制算法，编写了整个系统的软件流程图。

（5）建立了系统在Simulink平台上仿真模型，对系统的参数进行了设置，最后得出了系统的仿真控制模型效果图，验证了系统设计的正确性及可行性。

（6）对整个矢量控制系统的优点和缺点进行了分析和总结，并对以后的研究方向进行了展望。

2 异步电机调速的基本理论2.1 异步电机的三相数学模型因为在研究异步电机的数学模型时研究的是理想模型，所以需要对模型条件进行假设[15]：1）忽略空间内的谐波，设三相绕组为对称绕组，在空间中互相相差32π电角度，所产生磁动势沿气隙按正弦规律分布；2）忽略磁路的饱和影响，假设各绕组互感以及自感都是恒定的；3）忽略铁心中的损耗；4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻阻值和耗散功率的影响。

无论异步电机转子是绕线型还是笼型的，都可以等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数等。

异步电机三相绕组可以是Y 联结，也可以是△联结，以下均以Y 联结进行讨论。

若三相绕组为△联结，可先用△-Y 变换，等效为Y 联结，然后按Y 联结进行分析和设计。

三相异步电机的物理结构模型如图1所示，定子三相绕组轴线A 、B 、C 在空间中是固定的，转子绕组轴线a 、b 、c 以角速度ω随转子旋转。

如以A 轴作为参考坐标轴，转子a 轴和定子A 轴间的电角度θ为空间角位移变量。

规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。

图2-1 三相异步电机的物理模型2.1.1 异步电机三相动态数学模型的数学表达式异步电机动态数学模型由电压方程、磁链方程、运动方程和转矩方程组成，其中磁链方程和转矩方程是代数方程，电压方程和运动方程是微分方程。

1.磁链方程异步电机每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，因此，六个绕组可用下式表示。

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡ψψψψψψc b a C B A =⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡LLLLLL L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L LL bc cbcacCcBcA bc bb ba bC bB bA ac abaaaCaBaA Cc Cb Ca CC CB CA Bc BbBaBCBBBA AcAbAaACABAA⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡i i i i i i c b a C B A（2-1）或写成Li ψ= （2-1a ）式中i A ，i B ，i C ，i a ，i b ，i c ——定子和转子相电流的瞬时值；ψψψψψψcbaCBA,,,,,——各相绕组的全磁链。