异步电机矢量控制系统设计
摘
目前广泛研究应异步电机调速技术恒压频控制方式矢量控制直接转矩控制等文中讨异步电机矢量控制调速法相恒压频控制直接转矩控制优秀动态性低速性调速范围宽优点
出异步电动机矢量控制原理时出矢量变换实现步骤解释三相异步电动机数学模型解耦方法述三相异步电功机磁场定原理介绍转子磁链计算方法设计转子磁链观测器详细分析转矩调节器转速调节器磁通调节器工作原理根调节器原理调节器进行相应设计DSP控制核心设计异步电机矢量控制系统硬件电路
关键词： 异步电机 矢量控制 DSP处理器
1 概述
11 系统设计务求
异步电机矢量控制系统设计基三相异步电机交流调速技术研究[1][2][3]设计务：（1）研究矢量控制系统原理[4]（2）研究矢量控制系统实现方法（3）分析矢量控制系统特点软硬件接口（4）设计矢量控制系统硬件电路（5）设计矢量控制系统软件流程（6）矢量控制数学模型进行仿真分析[5]
12 国外研究现状
矢量控制理美国德国科学家二十世纪七十年分提出理[5][6]半世纪补充完善矢量控制技术工农业种生产应中逐渐突出[7][8]
交流电机矢量控制技术建立电机数学模型定子电流矢量分解转矩电流矢量励磁电流矢量分控制方合成变频器控效信号[9]技术建立直流调速系统深入研究基础仿直流调速系统实现交流电机直流化控制进极提高交流调速系统高效性稳定性易操作性异步电机矢量控制系统基思想通变频器参数控制信号分析控制实现电磁转矩效控制异步电机调速系统获直流调速系统相似控制方法控制效果具体原理：首先电流坐标变换定子三相称电流通坐标变换步旋转坐标系dq坐标系两相直流电流（步旋转坐标系始终保持dq坐标系中d轴转子磁场方致）通数学变换三相交流电机电子电流分解两分量：产生旋转磁动势励磁分量产生电磁转矩分量然控制电流电机方式分磁场转矩进行单独控制变换方式控制结果转换成时间变化瞬间变量系统控制频率特性控制精度高转矩动态响应速度快
总言矢量控制技术发展完善极提高工农业生产水减少环境破坏降低源损耗
13 设计完成工作
设计中研究转子磁链定异步电机矢量控制系统系统硬件设计[10]软件设计仿真分析[11][12]控制方法做详细述验证设计中分理研究硬件设计软件流程设计系统等部分采空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）技术[13]系统控制效果突出传统控制方法
文完成工作包括：
（1） 介绍交流调速系统发展控制方法完善系统研究应背景意义
（2） 电机矢量控制基原理做较详细介绍外矢量控制系统发展控制思想进行较细致述
（3） 系统硬件电路设计进行详细解释设计采TI公司生产DSP芯片TMS320F2818作控制核心进行硬件控制电路设计[14]外设计相应智控制模块核心逆变耦合电路检测电路整流滤波电路保护电路
（4） 详细述设计采矢量控制系统软件应硬件电路控制算法编写整系统软件流程图
（5） 建立系统Simulink台仿真模型系统参数进行设置出系统仿真控制模型效果图验证系统设计正确性行性
（6） 整矢量控制系统优点缺点进行分析总结研究方进行展
2 异步电机调速基理
21 异步电机三相数学模型
研究异步电机数学模型时研究理想模型需模型条件进行假设[15]：
1） 忽略空间谐波设三相绕组称绕组空间中互相相差电角度产生磁动势气隙正弦规律分布
2） 忽略磁路饱影响假设绕组互感感恒定
3） 忽略铁心中损耗
4） 考虑频率变化温度变化绕组电阻阻值耗散功率影响
异步电机转子绕线型笼型等效成三相绕线转子折算定子侧折算定子转子绕组匝数等异步电机三相绕组Y联结△联结均Y联结进行讨三相绕组△联结先△Y变换等效Y联结然Y联结进行分析设计
三相异步电机物理结构模型图1示定子三相绕组轴线空间中固定转子绕组轴线角速度转子旋转轴作参考坐标轴转子轴定子轴间电角度空间角位移变量规定绕组电压电流磁链正方符合电动机惯例右手螺旋定
图21 三相异步电机物理模型
211 异步电机三相动态数学模型数学表达式
异步电机动态数学模型电压方程磁链方程运动方程转矩方程组成中磁链方程转矩方程代数方程电压方程运动方程微分方程
1 磁链方程
异步电机绕组磁链身感磁链绕组互感磁链六绕组式表示
（21）
写成
（21a）
式中——定子转子相电流瞬时值
——相绕组全磁链 L电感矩阵中角元素相绕组感余项相应两相绕组间互感定子相漏磁通应电感定子漏感相转子漏磁通相应转子漏感相绕组称相漏感值均相等相定子互感定子相绕组交链磁通互感值相应转子互感转子相绕组交链中互感磁通折算定子转子绕组匝数相等述量已折算定子侧简单起见表示算量角标＇均省略
相绕组说交链磁通漏感磁通互感磁通定子相感
（22）
转子相感
（23）
绕组间互感分两类：①定子三相相互间转子三相相互间位置相固定互感值常量②定子意相转子意相间相位置变化着互感值角位移θ函数
先讨第种情况三相绕组轴线空间中彼相位相差果假设气隙磁通正弦分布互感值应该
（24）
关第二种情况定转子绕组间互感绕组相位置变化变化时（见图21）分表示
（25）
定子转子两相绕组轴线重合时两者互感值互感
式（24）式（25）代入式（21）完整磁链方程矩阵表示
（26）
式中
（27）
（28）
（29）
互转置矩阵转子位置关元素均变参数系统非线性根源
212 电压方程
定子三相绕组电压衡方程式
（210）
相应转子三相绕组折算定子侧电压方程式
（211）
式中定子转子相电压瞬时值
定子转子绕组电阻
电压方程写成矩阵形式
（212）
写成
（213）
果磁链方程式代入电压方程式展开电压方程式
（214）
式中——电流变化引起脉变电动势
——定子转子相位置变化产生转速间成正关系电动势旋转电动势
213 转矩方程
根电机量转换原理电感线性电感时磁场储磁
（215）
电磁转矩等机械角位移变化时磁变化率（电流变化计约束常值）机械角位移
（216）
式（214）代入式（215）考虑电感分块矩阵关系式
（217）
考虑代入式（217）
（218）
式（29）代入式（218）展开
(219)
214运动方程
根运动控制系统理研究运动方程式
（220）
式中 ——异步电机转动惯量
——负载转矩（包括摩擦阻转矩）
转角方程
（221）
述异步电机动态数学模型线性磁路磁动势空间正弦分布假定条件出定转子电压电流未作假定该动态模型完全分析含电压电流谐波三相异步电机调速系统动态程
22 坐标变换
221 坐标变换基思路
图22出两极直流电动机物理模型图中F励磁绕组A电枢绕组C补偿绕组FC定子A转子F轴称作直轴者轴（direct axis）磁通方着轴AC轴线称交轴者轴（quadrature axis）
果交流电机物理模型（图21）等效变换成类似直流电机模型分析控制程简化坐标变换正种思路进行里坐标系中电动机模型等效原：绕组坐标系中产生合成磁动势相等
交流电机称三相静止绕组ABC中电路中三相衡正弦交流电电流时产生合成磁动势旋转磁动势空间正弦分布步转速着ABC相序旋转图23示
图23 三相坐标系两相坐标系物理模型
图23中绘出两相绕组通衡两相交流电电流产生旋转磁动势果三相绕组两相绕组产生磁动势转速相等时认两相绕组三相绕组等效32变换
图24中两相绕组外出匝数相等两相互正交绕组分通直流电流产生合成磁动势位置相绕组位置说固定变果铁心（包含绕组）步转速旋转磁动势着铁心旋转成旋转磁动势果旋转磁动势转速固定交流绕组产生旋转磁动势相等套旋转直流绕组视前面两套固定交流绕组等效
图24 静止两相正交坐标系旋转正交坐标系物理模型
222 三相两相变换（32变换）
图25交流电机坐标系等效变换图图中ABC三坐标轴分代表电机分解参量三相坐标系表示电机参量分解静止两相坐标系坐标轴磁动势分量通坐标轴电流电机坐标轴匝数间积表示空间矢量均位相关坐标轴
图25 两相正交坐标系三相坐标系磁动势矢量
磁动势等效原三相合成磁动势两相合成磁动势相等两套绕组磁动势轴投影相应相等
写成矩阵形式
（公式222）
变换前总功率变证明匝数
（223）
代入式（222）
（224）
令表示三相坐标系变换两相坐标系变换矩阵
（225）
利约束条件（224）扩展
（226）
第三行元素取相应变换矩阵正交矩阵优点逆矩阵等矩阵转置式（226）求逆变换
（227）
出第三列两相正交坐标系变换三相正交坐标系（32变换）变换矩阵
（228）
考虑代入式（123）整理
（229）
相应逆变换
（230）
原理分析面变换公式普遍性额样应电压者参量坐标变换中．三相坐标模型变换两相坐标模型简化电机模型复杂度第步满足参考坐标系参量分量分析需找参考运动坐标系变换方程接推演静止坐标系变换运动坐标系公式
223 静止两相旋转正交变换（2r2s变换）
静止两相正交坐标系旋转正交坐标系间变换称静止两相旋转正交变换（简称2s2r变换）中S表示静止表示旋转变换前提产生磁动势等价
图26出坐标系中磁动势矢量绕组项效匝数均磁动势矢量位相关坐标轴两相交流电流两直流电流会角速度旋转产生等效合成磁动势
图26 旋转正交坐标系两相静止正交坐标系中磁动势矢量
图26见间存关系
（231）
写成矩阵形式
（232）
两相静止正交坐标系旋转两相正交坐标系变换矩阵
（233）
两相旋转正交坐标系两相静止正交坐标系变换矩阵
（234）
（235）
电压磁链旋转变换矩阵电流旋转变换矩阵相
23 异步电机转子磁链定矢量控制系统
转子磁链定矢量控制基思想：通坐标变换转子磁链定步旋转正交坐标系中出等效直流电机模型模仿直流电机控制方法控制电磁转矩磁链然转子磁链定坐标系里控制量通反变换三相坐标系里应量实现控制变换矢量种变换称矢量变换相应控制系统称矢量控制系统
三相坐标系定子交流电通32变换等效静止两相正交坐标系交流电流进行转子磁链步旋转变换等效旋转步正交坐标系中直流电流样作输入电动机模型直流电机等效模型图27
图27 异步电机矢量变换等效直流电机模型
果采转子磁链定仅实现电子电流两分量解耦电流微分方程里然存交叉耦合非线性采电流闭环控制效抑制实际电流快速定值图28
图28 矢量控制系统结构原理图
采电流闭环控制转子磁链稳定惯性环节时转子磁链采闭环控制开环控制转速环节存积分环节稳定结构需加转速外环控制稳定
文采方法：检测三相电流（实际需两相电流）实施32变换施旋转变换坐标系电流PI调节软件构成电流闭环控制电流调节器输出定定子电压反旋转变换两相静止坐标系定定子电压值SVPWM控制逆变器输出三相电压图29
图29 三相电流闭环控制矢量控制系统结构图
231 转子磁链计算
转子磁链定矢量控制系统控制关键准确定需获转子磁链矢量空间位置外构成转子磁链反馈转矩控制时候转子磁链幅值缺少信息转子磁链进行直接检测较困难现实中采模型计算方法解决计算模型中测量信号分电流模型电压模型两种
电流模型计算实际测量三相定子电流进行32变换两相静止正交坐标系电流然利坐标系数学模型计算转子磁链两坐标轴分量
（236）
利直角坐标极坐标变换出转子磁链矢量幅值空间位置矢量变换中采正弦余弦函数
（237）
电压模型计算根电压方程感应电动势等磁链变化率关系取电动势积分磁链种模型称电压模型
表达式
（238）
系统中采混合型转子磁链模型电压模型电流模型组合成工作方式：低速运行系统采电低流模型计算转子磁链高速运行系统采电压模型计算转子磁链界定高低速运行界线电机额定转速10低额定转速10认定低速运行高10认定高速运行
3 基DSP芯片TMS320F2812矢量控制系统设计
系统设计中减少强电系统引起强磁噪音系统影响系统硬件功划分弱电强电两部分中间通光电耦合接口单元控制策略功率容量进行分划组合系统硬件部分模块化
图31 系统原理总图
系统强电电路采交直交电压型变频电路系统电路工作流程：首先电玩引出三相电流控整流电路整流直流电然滤波电容组滤波滑直流电输入IPM智功率模块组成逆变单元系统求输送异步电机三相交流电
弱电部分：TMS320LF2812DSP芯片体核心控制电流光电耦合隔离电路光电旋转编码器测速电路滤波采样电路外设保护模块电路
系统开关电源电路等辅助电路外键盘控制位机通信电路述强电弱电部分仪器构成异步电机矢量控制系统
图31示设计采系统电压电流速度反馈环构成闭环控制系统DSP控制器采样电路采样项电压电流数进行AD转换运矢量控制算法等系列操作终DSP产生PWM信号送光电耦合隔离驱动电路进控制智逆变电路功率器件断开开通整流直流电转换三相交流电源带动交流电机运转外开关电源电路负责光电耦合隔离模块DSP芯片等低压电源电力供应DSP系统关断复位等操作键盘部分负责位机DSP控制器通讯系统时作出规定动作
31 DSP芯片TMS320F2812
现代实DSP芯片采指令存贮程序存贮分开哈佛结构者改进哈佛结构达址总线数总线分离[15][16]哈佛结构优点允许CPU时访问程序指令数指令存取数存取时进行极提高CPU工作效率文芯片美国TI公司设计制造32位定点型基C2000台DSP芯片TMS320F2812
TMS320F2812TI公司2010年推出新代数字电机控制（DMC）32位定点型DSP芯片采增强型哈佛结构22位程序址32位数址[17]具数字控制高速信号处理需体系结构特点具专门控制电机提供单片解决方案必须外围设备该芯片特点：
（1） 支持JTAG接口集成种利工程员外设
（2） 效防止素干扰置密码保护机制
（3） 高性静态CMOSIO供电电压Flash编程电压均33V核供电电压18V者19V减控制器功耗150MIS执行速度指令周期减667ns极提高控制器实时控制性
（4） 芯片56独立编程输入输出引脚（GPIO）完全满足系统电机调速控制求
（5） 拥丰富接口较身存储空间满足数量运算存储
（6） 市场TMS320LF2407指令系统完全兼容
（7） 两事件理器（EVAEVB）功率变换器电机提供便利
（8） 芯片带PWM控制模块
（9） 嵌基动锁相环技术程序监视器时钟发生器
（10） 置定时器软件编译提供便利
（11） 样化封装模式配置标准满足户需求
（12） 高性32位CPU哈佛总线结构具统存储模式快速中断中断处理适应CC++汇编语言C语言编译器支持C++编译规范直接高级语言转换汇编语言代码TI公司前芯片源代码良兼容
（13） 芯片温度范围更广SQ：A
32 电路设计
电路交直交电压型电路结构包括IPM智功率模块构成逆变电路电容组成滤波电路整流二极组成整流电路
321 智功率模块设计
该模块直流电变交流电程成逆变逆变电路工作时断发生电流路转移支路程成换流根性质工作原理换流分四种方式：器件换流负载换流电网换流强迫换流系统采全控整流器件进行换流器件换流[18]利定规律PWM波形控制IGBT器件导通关断直流功率转变系统需求交流功率逆变电路称功率电路
设计中未采传统全控型开关器件进行电路逆变电路设计实现智功率模块采三菱公司现代化智功率模块（IPM）作控制核心逆变电路
设计采IPM模块型号PM30CSJ060采第五代IGBT技术先进亚微米电源芯片设计技术极提升动静态性技术参数：功率22KW额定电流30A额定电压600V开关频率20KHZ供电电源电压15V根系统原理框图强电弱电信号接口处需驱动电路光电耦合电路根设计实际情况采HPCL4504高速光电耦合芯片隔离实现精确光电信号转换
图32 光电耦合隔离电路
图示路PWM控制信号连接光电耦合隔离模块中发光二极阻值110电阻中间限流产生光信号模块半边进入工作输出信号通RC滤波耦合电路发出IGBT触发信号智功率模块工作图单路信号光电耦合隔离电路系统需六路样隔离电路
322 整流滤波电路设计
整流电路作工频交流电通整流器件转变直流电系统采电路二极种控整流器件直流电强脉动需整流电路面加滤波电路图33示
系统交流电机参数：
(1) 额定电压 380V
(2) 额定电流 28A
(3) 磁极数 2
(4) 额定功率1100W
(5) 额定转矩 7Nm
图33 整流滤波电路
选取整流二极时应该电机负载正常工作综合考虑二极耐压电网电压波动等素选取电压波动系数11安全系数2额定电压940V二极额定电流取116A考虑负载情况选择额定电流8A额定电压800VKBJ808整流二极
效消电流脉动设计中采级滤波考虑价格实际需求系统采二级滤波图示R1R2压敏电阻器电压电阻低时成高阻状态电流减少甚没电流通滤波电容全部采470pF耐压型电解电容电阻R3R4分1022
33 控制电路设计
控制电路核心DSP芯片系统通电机三相定子电压电机转速检测直流母线电流检测达电机转速滑控制
系统运行时先检测电压电流信号转换成0~20mA电流信号0~3V电压信号通AD转换输入DSPGPIO口中信号检测部分系统芯片CAP模块接收处理速度信号芯片PDPINTA引脚连接IPM模块中会DSP产生障信号便处理
控制芯片供电电源TI公司专电源转换芯片TPS767D301附加必电器元件构成直流电压转换电路组成控制芯片电复位功TMS320F2812时钟信号外部晶振提供通芯片带锁相环模块时钟信号4倍频输入CPU控制系统复位电路微控制芯片TPS330718实现具手动复位电复位功
34 检测电路设计
检测电路设计部分分电压检测转速检测电流检测电压检测电路检测母线电压系统压欠压保护转速检测电路利光电旋转编码器进行脉计数通M法测速公式计算出电机瞬时转速信号送入系统控制器电流检测电路三相定子电流进行AD转换输入控制芯片实现电流环闭环控制该部分实现系统双闭环控制关键直接影响系统性精度
341电压检测电路
电压检测检测系统逆变部分直流母线电压智功率控制芯片置保护电路检测信号通DA转换数偏移处理直接输入PM30CSJ060引脚DSP保护外设中
电压检测传感器LEM公司LV25P电压传感器该芯片测量精度良抗干扰力强温度漂移低技术参数：额定效输入电流0~20A工作温度非线性失真<01精度05FS响应时间
具体检测电路图示中R856VCC +15V
图34 电压采样电路
342 转速检测电路
设计中速度检测通增量式光电旋转编码器实现进实现速度闭环控制通光电旋转编码器电机转子信息测速原理计算电机瞬时转速系统中采测频法（M法）速度计算公式中电机分钟转速N编码器N线测速频率M计数器脉数具体连接方法光电旋转编码器AB两路正交信号输出控制芯片TMS320F2812置事件理器QEP模块输入引脚QEP1QEP2相连公通定时器TxCNT进行计数
343电流检测电路
该部分实现系统电流闭环控制检测定子三相电流信号进行AD转换输入DSP芯片AD接口进实现电流闭环控制系统采三相完全称异步电机需两霍尔元件分检测电流
基系统电流信号稳定性精度求采IR公司HVIC相电流检测芯片IR2277该芯片需少量源器件实现检测偏置确定时间常数等基功检测电流信号通DA转换直接输入DSP芯片转化相应PEM控制信号具体电路图鉴完全称电路检测方法相
图35 电流采样点路
35 保护电路
逆变器工作时会产生短路电流浪涌电压等良素需保护电路确保安全鉴智功率模块相应保护电路需IGBT进行保护考虑电机调速程中电压电流波动加入图保护电路
图36 保护电路
图示DSP判定检测部分电路信号电压电流启动障时LED指示灯会点亮指示排障时系统PDPNIT中端口接障信号系统执行中断程序停止PWM输出信号停止电机运行
4 系统软件设计
系统软件设计采模块化设计体分两模块：程序PWM中断服务软件实现务：
（1） 完成位机间通讯
（2） 电压电流采样
（3） 坐标变换
（4） 转速计算调节
（5） 光电旋转编码器（速度）采样
（6） SVPWM波形控制
（7） 障报警处理
（8） 实现矢量控制目标
设计中位机较简单系统没关位机功求位机控制程序需利网络通串口通信程序实现键盘控制程序功进行参数显示修正启动者关断系统运行设计求简单
41程序设计
程序流程图图示系统出席障系统停止PWM锁定相应障位置显示出然执行保护障处理程序果系统运行正常进入矢量控制部分参数显示观察控制效果
图41 程序流程图
42 初始化程序设计
中断初始化完成相应寄存器位设置中断矢量初始化片外设初始化系统部分进行相应设置变量初始化指SVPWM中断中变量进行初始化系统初始化系统置时钟定时器中断门狗程序进行初始化整系统运行中部分开始时运行次
图42 初始化程序流程图
43 定子电流采样程序设计
具体程序流程图
图43 定子电流采样程序流程图
44速度采样程序设计
系统速度采样光电编码器实现根文述：光电旋转编码器输出两路正交信号DSP芯片置事件理器QEP模块两输入引脚QEP1QEP相连通定时器计数图M法测速采样信号处理图
图44 速度采样处理流程图
图中speed计数器变量SPEED表示计数值TxCNT通定时器Kspdwie速度系数计算出速度值
45 SVPWM中断程序
软件设计中重SVPWM中断模块作实现矢量控制系统算法具体算法：假定PWM脉信号ADC扫描周期步事件理器A定时器溢成中断源中断标志位置1中断运行时首先读取采样电流值调坐标变换函数变换读取速度采样值进行PI调节根电流求转子磁链位置空间角度终通反变换相应PWM波形控制功率开关具体图示
图45 SVPWM中断程序设计流程图
5 Simulink仿真结果分析
针建立异步电机矢量系统进行仿真分析电机参数：
额定功率：11KW额定电流：28A额定电压：380V额定转矩：7Nm额定转速：1520极数：2转子电感：定子电感：定子电阻：0068转子电阻：0248定子转子互感：
系统转速转矩仿真仿真波形图51图52示
图51 转速0200rs仿真波形
图52 仿真转矩波形
6 结
设计首先分析异步电机调速发展历程然异步电机变频调速发展方进行分析述交流调速技术年发展方成果阐述选择异步电机矢量控制作研究课题意义
文异步电机矢量控制原理进行详细阐述述矢量控制实现具体理异步电机进行数学模型构建坐标变换理（包括32变换23变换旋转反旋转变换等）进行细致解释出异步电机矢量控制具体算法——转子磁链定矢量控制系统转子磁链计算进步详述硬件部分系统总体结构进行设计系统功分功模块模块进行设计模块功进行阐述软件部分硬件部分设计思想根软硬件结合概念分模块设计程序流程图设计结果进行仿真确定设计正确性
关设计实方没没完善SVPWM调速技术仅仅鉴前研究成果未进行细致深入研究硬件电路设计完善解决问题雏形已时间力限制软件部分未出纤细程序设计次设计中存缺陷希位老师予批评指正
致 谢
里首先感谢父母养育教导成广阔未二十年头里关爱世界美记忆感谢指导老师XX老师感谢XX老师谆谆教诲XX老师严谨教学态度渊博知识完成毕业设计坚实基础正式电气学子需薪火相传精神感谢学四年里教导老师没指导没辽阔未
感谢母校四年里认识诸朋友窗情生难忘感谢母校XX校训生指导感谢宿舍兄弟四年顾感谢XX电XX班学陪走学
毕业设计完成际感谢家朋友关心老师学次表达衷心感谢感谢繁忙中审阅文位老师感谢参加参加答辩位老师
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摘
目前广泛研究应异步电机调速技术恒压频控制方式矢量控制直接转矩控制等文中讨异步电机矢量控制调速法相恒压频控制直接转矩控制优秀动态性低速性调速范围宽优点
出异步电动机矢量控制原理时出矢量变换实现步骤解释三相异步电动机数学模型解耦方法述三相异步电功机磁场定原理介绍转子磁链计算方法设计转子磁链观测器详细分析转矩调节器转速调节器磁通调节器工作原理根调节器原理调节器进行相应设计DSP控制核心设计异步电机矢量控制系统硬件电路
关键词： 异步电机 矢量控制 DSP处理器
1 概述
11 系统设计务求
异步电机矢量控制系统设计基三相异步电机交流调速技术研究[1][2][3]设计务：（1）研究矢量控制系统原理[4]（2）研究矢量控制系统实现方法（3）分析矢量控制系统特点软硬件接口（4）设计矢量控制系统硬件电路（5）设计矢量控制系统软件流程（6）矢量控制数学模型进行仿真分析[5]
12 国外研究现状
矢量控制理美国德国科学家二十世纪七十年分提出理[5][6]半世纪补充完善矢量控制技术工农业种生产应中逐渐突出[7][8]
交流电机矢量控制技术建立电机数学模型定子电流矢量分解转矩电流矢量励磁电流矢量分控制方合成变频器控效信号[9]技术建立直流调速系统深入研究基础仿直流调速系统实现交流电机直流化控制进极提高交流调速系统高效性稳定性易操作性异步电机矢量控制系统基思想通变频器参数控制信号分析控制实现电磁转矩效控制异步电机调速系统获直流调速系统相似控制方法控制效果具体原理：首先电流坐标变换定子三相称电流通坐标变换步旋转坐标系dq坐标系两相直流电流（步旋转坐标系始终保持dq坐标系中d轴转子磁场方致）通数学变换三相交流电机电子电流分解两分量：产生旋转磁动势励磁分量产生电磁转矩分量然控制电流电机方式分磁场转矩进行单独控制变换方式控制结果转换成时间变化瞬间变量系统控制频率特性控制精度高转矩动态响应速度快
总言矢量控制技术发展完善极提高工农业生产水减少环境破坏降低源损耗
13 设计完成工作
设计中研究转子磁链定异步电机矢量控制系统系统硬件设计[10]软件设计仿真分析[11][12]控制方法做详细述验证设计中分理研究硬件设计软件流程设计系统等部分采空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）技术[13]系统控制效果突出传统控制方法
文完成工作包括：
（1） 介绍交流调速系统发展控制方法完善系统研究应背景意义
（2） 电机矢量控制基原理做较详细介绍外矢量控制系统发展控制思想进行较细致述
（3） 系统硬件电路设计进行详细解释设计采TI公司生产DSP芯片TMS320F2818作控制核心进行硬件控制电路设计[14]外设计相应智控制模块核心逆变耦合电路检测电路整流滤波电路保护电路
（4） 详细述设计采矢量控制系统软件应硬件电路控制算法编写整系统软件流程图
（5） 建立系统Simulink台仿真模型系统参数进行设置出系统仿真控制模型效果图验证系统设计正确性行性
（6） 整矢量控制系统优点缺点进行分析总结研究方进行展
2 异步电机调速基理
21 异步电机三相数学模型
研究异步电机数学模型时研究理想模型需模型条件进行假设[15]：
1） 忽略空间谐波设三相绕组称绕组空间中互相相差电角度产生磁动势气隙正弦规律分布
2） 忽略磁路饱影响假设绕组互感感恒定
3） 忽略铁心中损耗
4） 考虑频率变化温度变化绕组电阻阻值耗散功率影响
异步电机转子绕线型笼型等效成三相绕线转子折算定子侧折算定子转子绕组匝数等异步电机三相绕组Y联结△联结均Y联结进行讨三相绕组△联结先△Y变换等效Y联结然Y联结进行分析设计
三相异步电机物理结构模型图1示定子三相绕组轴线空间中固定转子绕组轴线角速度转子旋转轴作参考坐标轴转子轴定子轴间电角度空间角位移变量规定绕组电压电流磁链正方符合电动机惯例右手螺旋定
图21 三相异步电机物理模型
211 异步电机三相动态数学模型数学表达式
异步电机动态数学模型电压方程磁链方程运动方程转矩方程组成中磁链方程转矩方程代数方程电压方程运动方程微分方程
1 磁链方程
异步电机绕组磁链身感磁链绕组互感磁链六绕组式表示
（21）
写成
（21a）
式中——定子转子相电流瞬时值
——相绕组全磁链 L电感矩阵中角元素相绕组感余项相应两相绕组间互感定子相漏磁通应电感定子漏感相转子漏磁通相应转子漏感相绕组称相漏感值均相等相定子互感定子相绕组交链磁通互感值相应转子互感转子相绕组交链中互感磁通折算定子转子绕组匝数相等述量已折算定子侧简单起见表示算量角标＇均省略
相绕组说交链磁通漏感磁通互感磁通定子相感
（22）
转子相感
（23）
绕组间互感分两类：①定子三相相互间转子三相相互间位置相固定互感值常量②定子意相转子意相间相位置变化着互感值角位移θ函数
先讨第种情况三相绕组轴线空间中彼相位相差果假设气隙磁通正弦分布互感值应该
（24）
关第二种情况定转子绕组间互感绕组相位置变化变化时（见图21）分表示
（25）
定子转子两相绕组轴线重合时两者互感值互感
式（24）式（25）代入式（21）完整磁链方程矩阵表示
（26）
式中
（27）
（28）
（29）
互转置矩阵转子位置关元素均变参数系统非线性根源
212 电压方程
定子三相绕组电压衡方程式
（210）
相应转子三相绕组折算定子侧电压方程式
（211）
式中定子转子相电压瞬时值
定子转子绕组电阻
电压方程写成矩阵形式
（212）
写成
（213）
果磁链方程式代入电压方程式展开电压方程式
（214）
式中——电流变化引起脉变电动势
——定子转子相位置变化产生转速间成正关系电动势旋转电动势
213 转矩方程
根电机量转换原理电感线性电感时磁场储磁
（215）
电磁转矩等机械角位移变化时磁变化率（电流变化计约束常值）机械角位移
（216）
式（214）代入式（215）考虑电感分块矩阵关系式
（217）
考虑代入式（217）
（218）
式（29）代入式（218）展开
(219)
214运动方程
根运动控制系统理研究运动方程式
（220）
式中 ——异步电机转动惯量
——负载转矩（包括摩擦阻转矩）
转角方程
（221）
述异步电机动态数学模型线性磁路磁动势空间正弦分布假定条件出定转子电压电流未作假定该动态模型完全分析含电压电流谐波三相异步电机调速系统动态程
22 坐标变换
221 坐标变换基思路
图22出两极直流电动机物理模型图中F励磁绕组A电枢绕组C补偿绕组FC定子A转子F轴称作直轴者轴（direct axis）磁通方着轴AC轴线称交轴者轴（quadrature axis）
果交流电机物理模型（图21）等效变换成类似直流电机模型分析控制程简化坐标变换正种思路进行里坐标系中电动机模型等效原：绕组坐标系中产生合成磁动势相等
交流电机称三相静止绕组ABC中电路中三相衡正弦交流电电流时产生合成磁动势旋转磁动势空间正弦分布步转速着ABC相序旋转图23示
图23 三相坐标系两相坐标系物理模型
图23中绘出两相绕组通衡两相交流电电流产生旋转磁动势果三相绕组两相绕组产生磁动势转速相等时认两相绕组三相绕组等效32变换
图24中两相绕组外出匝数相等两相互正交绕组分通直流电流产生合成磁动势位置相绕组位置说固定变果铁心（包含绕组）步转速旋转磁动势着铁心旋转成旋转磁动势果旋转磁动势转速固定交流绕组产生旋转磁动势相等套旋转直流绕组视前面两套固定交流绕组等效
图24 静止两相正交坐标系旋转正交坐标系物理模型
222 三相两相变换（32变换）
图25交流电机坐标系等效变换图图中ABC三坐标轴分代表电机分解参量三相坐标系表示电机参量分解静止两相坐标系坐标轴磁动势分量通坐标轴电流电机坐标轴匝数间积表示空间矢量均位相关坐标轴
图25 两相正交坐标系三相坐标系磁动势矢量
磁动势等效原三相合成磁动势两相合成磁动势相等两套绕组磁动势轴投影相应相等
写成矩阵形式
（公式222）
变换前总功率变证明匝数
（223）
代入式（222）
（224）
令表示三相坐标系变换两相坐标系变换矩阵
（225）
利约束条件（224）扩展
（226）
第三行元素取相应变换矩阵正交矩阵优点逆矩阵等矩阵转置式（226）求逆变换
（227）
出第三列两相正交坐标系变换三相正交坐标系（32变换）变换矩阵
（228）
考虑代入式（123）整理
（229）
相应逆变换
（230）
原理分析面变换公式普遍性额样应电压者参量坐标变换中．三相坐标模型变换两相坐标模型简化电机模型复杂度第步满足参考坐标系参量分量分析需找参考运动坐标系变换方程接推演静止坐标系变换运动坐标系公式
223 静止两相旋转正交变换（2r2s变换）
静止两相正交坐标系旋转正交坐标系间变换称静止两相旋转正交变换（简称2s2r变换）中S表示静止表示旋转变换前提产生磁动势等价
图26出坐标系中磁动势矢量绕组项效匝数均磁动势矢量位相关坐标轴两相交流电流两直流电流会角速度旋转产生等效合成磁动势
图26 旋转正交坐标系两相静止正交坐标系中磁动势矢量
图26见间存关系
（231）
写成矩阵形式
（232）
两相静止正交坐标系旋转两相正交坐标系变换矩阵
（233）
两相旋转正交坐标系两相静止正交坐标系变换矩阵
（234）
（235）
电压磁链旋转变换矩阵电流旋转变换矩阵相
23 异步电机转子磁链定矢量控制系统
转子磁链定矢量控制基思想：通坐标变换转子磁链定步旋转正交坐标系中出等效直流电机模型模仿直流电机控制方法控制电磁转矩磁链然转子磁链定坐标系里控制量通反变换三相坐标系里应量实现控制变换矢量种变换称矢量变换相应控制系统称矢量控制系统
三相坐标系定子交流电通32变换等效静止两相正交坐标系交流电流进行转子磁链步旋转变换等效旋转步正交坐标系中直流电流样作输入电动机模型直流电机等效模型图27
图27 异步电机矢量变换等效直流电机模型
果采转子磁链定仅实现电子电流两分量解耦电流微分方程里然存交叉耦合非线性采电流闭环控制效抑制实际电流快速定值图28
图28 矢量控制系统结构原理图
采电流闭环控制转子磁链稳定惯性环节时转子磁链采闭环控制开环控制转速环节存积分环节稳定结构需加转速外环控制稳定
文采方法：检测三相电流（实际需两相电流）实施32变换施旋转变换坐标系电流PI调节软件构成电流闭环控制电流调节器输出定定子电压反旋转变换两相静止坐标系定定子电压值SVPWM控制逆变器输出三相电压图29
图29 三相电流闭环控制矢量控制系统结构图
231 转子磁链计算
转子磁链定矢量控制系统控制关键准确定需获转子磁链矢量空间位置外构成转子磁链反馈转矩控制时候转子磁链幅值缺少信息转子磁链进行直接检测较困难现实中采模型计算方法解决计算模型中测量信号分电流模型电压模型两种
电流模型计算实际测量三相定子电流进行32变换两相静止正交坐标系电流然利坐标系数学模型计算转子磁链两坐标轴分量
（236）
利直角坐标极坐标变换出转子磁链矢量幅值空间位置矢量变换中采正弦余弦函数
（237）
电压模型计算根电压方程感应电动势等磁链变化率关系取电动势积分磁链种模型称电压模型
表达式
（238）
系统中采混合型转子磁链模型电压模型电流模型组合成工作方式：低速运行系统采电低流模型计算转子磁链高速运行系统采电压模型计算转子磁链界定高低速运行界线电机额定转速10低额定转速10认定低速运行高10认定高速运行
3 基DSP芯片TMS320F2812矢量控制系统设计
系统设计中减少强电系统引起强磁噪音系统影响系统硬件功划分弱电强电两部分中间通光电耦合接口单元控制策略功率容量进行分划组合系统硬件部分模块化
图31 系统原理总图
系统强电电路采交直交电压型变频电路系统电路工作流程：首先电玩引出三相电流控整流电路整流直流电然滤波电容组滤波滑直流电输入IPM智功率模块组成逆变单元系统求输送异步电机三相交流电
弱电部分：TMS320LF2812DSP芯片体核心控制电流光电耦合隔离电路光电旋转编码器测速电路滤波采样电路外设保护模块电路
系统开关电源电路等辅助电路外键盘控制位机通信电路述强电弱电部分仪器构成异步电机矢量控制系统
图31示设计采系统电压电流速度反馈环构成闭环控制系统DSP控制器采样电路采样项电压电流数进行AD转换运矢量控制算法等系列操作终DSP产生PWM信号送光电耦合隔离驱动电路进控制智逆变电路功率器件断开开通整流直流电转换三相交流电源带动交流电机运转外开关电源电路负责光电耦合隔离模块DSP芯片等低压电源电力供应DSP系统关断复位等操作键盘部分负责位机DSP控制器通讯系统时作出规定动作
31 DSP芯片TMS320F2812
现代实DSP芯片采指令存贮程序存贮分开哈佛结构者改进哈佛结构达址总线数总线分离[15][16]哈佛结构优点允许CPU时访问程序指令数指令存取数存取时进行极提高CPU工作效率文芯片美国TI公司设计制造32位定点型基C2000台DSP芯片TMS320F2812
TMS320F2812TI公司2010年推出新代数字电机控制（DMC）32位定点型DSP芯片采增强型哈佛结构22位程序址32位数址[17]具数字控制高速信号处理需体系结构特点具专门控制电机提供单片解决方案必须外围设备该芯片特点：
（1） 支持JTAG接口集成种利工程员外设
（2） 效防止素干扰置密码保护机制
（3） 高性静态CMOSIO供电电压Flash编程电压均33V核供电电压18V者19V减控制器功耗150MIS执行速度指令周期减667ns极提高控制器实时控制性
（4） 芯片56独立编程输入输出引脚（GPIO）完全满足系统电机调速控制求
（5） 拥丰富接口较身存储空间满足数量运算存储
（6） 市场TMS320LF2407指令系统完全兼容
（7） 两事件理器（EVAEVB）功率变换器电机提供便利
（8） 芯片带PWM控制模块
（9） 嵌基动锁相环技术程序监视器时钟发生器
（10） 置定时器软件编译提供便利
（11） 样化封装模式配置标准满足户需求
（12） 高性32位CPU哈佛总线结构具统存储模式快速中断中断处理适应CC++汇编语言C语言编译器支持C++编译规范直接高级语言转换汇编语言代码TI公司前芯片源代码良兼容
（13） 芯片温度范围更广SQ：A
32 电路设计
电路交直交电压型电路结构包括IPM智功率模块构成逆变电路电容组成滤波电路整流二极组成整流电路
321 智功率模块设计
该模块直流电变交流电程成逆变逆变电路工作时断发生电流路转移支路程成换流根性质工作原理换流分四种方式：器件换流负载换流电网换流强迫换流系统采全控整流器件进行换流器件换流[18]利定规律PWM波形控制IGBT器件导通关断直流功率转变系统需求交流功率逆变电路称功率电路
设计中未采传统全控型开关器件进行电路逆变电路设计实现智功率模块采三菱公司现代化智功率模块（IPM）作控制核心逆变电路
设计采IPM模块型号PM30CSJ060采第五代IGBT技术先进亚微米电源芯片设计技术极提升动静态性技术参数：功率22KW额定电流30A额定电压600V开关频率20KHZ供电电源电压15V根系统原理框图强电弱电信号接口处需驱动电路光电耦合电路根设计实际情况采HPCL4504高速光电耦合芯片隔离实现精确光电信号转换
图32 光电耦合隔离电路
图示路PWM控制信号连接光电耦合隔离模块中发光二极阻值110电阻中间限流产生光信号模块半边进入工作输出信号通RC滤波耦合电路发出IGBT触发信号智功率模块工作图单路信号光电耦合隔离电路系统需六路样隔离电路
322 整流滤波电路设计
整流电路作工频交流电通整流器件转变直流电系统采电路二极种控整流器件直流电强脉动需整流电路面加滤波电路图33示
系统交流电机参数：
(1) 额定电压 380V
(2) 额定电流 28A
(3) 磁极数 2
(4) 额定功率1100W
(5) 额定转矩 7Nm
图33 整流滤波电路
选取整流二极时应该电机负载正常工作综合考虑二极耐压电网电压波动等素选取电压波动系数11安全系数2额定电压940V二极额定电流取116A考虑负载情况选择额定电流8A额定电压800VKBJ808整流二极
效消电流脉动设计中采级滤波考虑价格实际需求系统采二级滤波图示R1R2压敏电阻器电压电阻低时成高阻状态电流减少甚没电流通滤波电容全部采470pF耐压型电解电容电阻R3R4分1022
33 控制电路设计
控制电路核心DSP芯片系统通电机三相定子电压电机转速检测直流母线电流检测达电机转速滑控制
系统运行时先检测电压电流信号转换成0~20mA电流信号0~3V电压信号通AD转换输入DSPGPIO口中信号检测部分系统芯片CAP模块接收处理速度信号芯片PDPINTA引脚连接IPM模块中会DSP产生障信号便处理
控制芯片供电电源TI公司专电源转换芯片TPS767D301附加必电器元件构成直流电压转换电路组成控制芯片电复位功TMS320F2812时钟信号外部晶振提供通芯片带锁相环模块时钟信号4倍频输入CPU控制系统复位电路微控制芯片TPS330718实现具手动复位电复位功
34 检测电路设计
检测电路设计部分分电压检测转速检测电流检测电压检测电路检测母线电压系统压欠压保护转速检测电路利光电旋转编码器进行脉计数通M法测速公式计算出电机瞬时转速信号送入系统控制器电流检测电路三相定子电流进行AD转换输入控制芯片实现电流环闭环控制该部分实现系统双闭环控制关键直接影响系统性精度
341电压检测电路
电压检测检测系统逆变部分直流母线电压智功率控制芯片置保护电路检测信号通DA转换数偏移处理直接输入PM30CSJ060引脚DSP保护外设中
电压检测传感器LEM公司LV25P电压传感器该芯片测量精度良抗干扰力强温度漂移低技术参数：额定效输入电流0~20A工作温度非线性失真<01精度05FS响应时间
具体检测电路图示中R856VCC +15V
图34 电压采样电路
342 转速检测电路
设计中速度检测通增量式光电旋转编码器实现进实现速度闭环控制通光电旋转编码器电机转子信息测速原理计算电机瞬时转速系统中采测频法（M法）速度计算公式中电机分钟转速N编码器N线测速频率M计数器脉数具体连接方法光电旋转编码器AB两路正交信号输出控制芯片TMS320F2812置事件理器QEP模块输入引脚QEP1QEP2相连公通定时器TxCNT进行计数
343电流检测电路
该部分实现系统电流闭环控制检测定子三相电流信号进行AD转换输入DSP芯片AD接口进实现电流闭环控制系统采三相完全称异步电机需两霍尔元件分检测电流
基系统电流信号稳定性精度求采IR公司HVIC相电流检测芯片IR2277该芯片需少量源器件实现检测偏置确定时间常数等基功检测电流信号通DA转换直接输入DSP芯片转化相应PEM控制信号具体电路图鉴完全称电路检测方法相
图35 电流采样点路
35 保护电路
逆变器工作时会产生短路电流浪涌电压等良素需保护电路确保安全鉴智功率模块相应保护电路需IGBT进行保护考虑电机调速程中电压电流波动加入图保护电路
图36 保护电路
图示DSP判定检测部分电路信号电压电流启动障时LED指示灯会点亮指示排障时系统PDPNIT中端口接障信号系统执行中断程序停止PWM输出信号停止电机运行
4 系统软件设计
系统软件设计采模块化设计体分两模块：程序PWM中断服务软件实现务：
（1） 完成位机间通讯
（2） 电压电流采样
（3） 坐标变换
（4） 转速计算调节
（5） 光电旋转编码器（速度）采样
（6） SVPWM波形控制
（7） 障报警处理
（8） 实现矢量控制目标
设计中位机较简单系统没关位机功求位机控制程序需利网络通串口通信程序实现键盘控制程序功进行参数显示修正启动者关断系统运行设计求简单
41程序设计
程序流程图图示系统出席障系统停止PWM锁定相应障位置显示出然执行保护障处理程序果系统运行正常进入矢量控制部分参数显示观察控制效果
图41 程序流程图
42 初始化程序设计
中断初始化完成相应寄存器位设置中断矢量初始化片外设初始化系统部分进行相应设置变量初始化指SVPWM中断中变量进行初始化系统初始化系统置时钟定时器中断门狗程序进行初始化整系统运行中部分开始时运行次
图42 初始化程序流程图
43 定子电流采样程序设计
具体程序流程图
图43 定子电流采样程序流程图
44速度采样程序设计
系统速度采样光电编码器实现根文述：光电旋转编码器输出两路正交信号DSP芯片置事件理器QEP模块两输入引脚QEP1QEP相连通定时器计数图M法测速采样信号处理图
图44 速度采样处理流程图
图中speed计数器变量SPEED表示计数值TxCNT通定时器Kspdwie速度系数计算出速度值
45 SVPWM中断程序
软件设计中重SVPWM中断模块作实现矢量控制系统算法具体算法：假定PWM脉信号ADC扫描周期步事件理器A定时器溢成中断源中断标志位置1中断运行时首先读取采样电流值调坐标变换函数变换读取速度采样值进行PI调节根电流求转子磁链位置空间角度终通反变换相应PWM波形控制功率开关具体图示
图45 SVPWM中断程序设计流程图
5 Simulink仿真结果分析
针建立异步电机矢量系统进行仿真分析电机参数：
额定功率：11KW额定电流：28A额定电压：380V额定转矩：7Nm额定转速：1520极数：2转子电感：定子电感：定子电阻：0068转子电阻：0248定子转子互感：
系统转速转矩仿真仿真波形图51图52示
图51 转速0200rs仿真波形
图52 仿真转矩波形
6 结
设计首先分析异步电机调速发展历程然异步电机变频调速发展方进行分析述交流调速技术年发展方成果阐述选择异步电机矢量控制作研究课题意义
文异步电机矢量控制原理进行详细阐述述矢量控制实现具体理异步电机进行数学模型构建坐标变换理（包括32变换23变换旋转反旋转变换等）进行细致解释出异步电机矢量控制具体算法——转子磁链定矢量控制系统转子磁链计算进步详述硬件部分系统总体结构进行设计系统功分功模块模块进行设计模块功进行阐述软件部分硬件部分设计思想根软硬件结合概念分模块设计程序流程图设计结果进行仿真确定设计正确性
关设计实方没没完善SVPWM调速技术仅仅鉴前研究成果未进行细致深入研究硬件电路设计完善解决问题雏形已时间力限制软件部分未出纤细程序设计次设计中存缺陷希位老师予批评指正
致 谢
里首先感谢父母养育教导成广阔未二十年头里关爱世界美记忆感谢指导老师XX老师感谢XX老师谆谆教诲XX老师严谨教学态度渊博知识完成毕业设计坚实基础正式电气学子需薪火相传精神感谢学四年里教导老师没指导没辽阔未
感谢母校四年里认识诸朋友窗情生难忘感谢母校XX校训生指导感谢宿舍兄弟四年顾感谢XX电XX班学陪走学
毕业设计完成际感谢家朋友关心老师学次表达衷心感谢感谢繁忙中审阅文位老师感谢参加参加答辩位老师
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