基于磁场定向控制的交流变频调速实验平台研究

论文摘要

从20世纪70年代磁场定向矢量控制技术萌芽到90年代技术的成熟,再到21世纪基于磁场定向矢量控制技术产品的蓬勃发展,磁场定向矢量控制变频调速技术的广泛运用将交流电机的变频控制带入了一个全新的发展模式。虽然继矢量控制之后又发展了诸如直接转矩控制、神经网络控制以及模糊控制等新技术,但截至目前为止磁场定向矢量控制无疑还是市场的主流,并将长期占据交流电机变频调速领域的一席之地。本文所研究的基于磁场定向控制的交流变频调速实验平台,主要是为了适应高校高水平实验教学改革的发展方向。本课题是在详细分析实验室原有硬件平台的基础上,针对其原有的几个缺点进行了相应的改进,并在优化设计后的硬件平台上进行了磁场定向闭环控制算法的设计。原系统中以MOSFET功率开关管组成的逆变电路,体积大,电路设计复杂,不利于集成设计。本文以PS21564智能功率模块取代分立的MOSFET作为逆变电路的主开关器件,简化了硬件电路的设计,提高了系统的可靠性;为了使PS21564开关信号与PWM输出波形电平匹配,对驱动隔离电路进行了局部改进;为了更好更快的保护IPM器件,本文重新设计了DSP与IPM的故障保护电路,增加了故障发生时的硬件级中断;最后为了满足磁场定向控制变频调速系统的实时性要求,本文采用了基于PCI总线的以DSP2812为核心的运动控制卡设计。针对很多教学实验平台控制算法不透明,学生无法进行二次开发的窘境,本文基于Visual C++环境开发了系统的全套软件,设计了人机交互控制的界面系统。该界面系统主要具备以下功能:自由选择电机控制算法;自由搭配调制方式;手动切换电机启动和停止;动态调整电机运行频率,改变电机转速;六个绘图窗口清晰可见。界面友好,一目了然。从根本上解决了以往变频调速系统只能从宏观上观察电机运行,而不能从微观上把握电机运行动态参数的缺点。本文采用C语言编写了磁场定向闭环控制算法,并在文中详细阐述了闭环控制各环节的程序设计思想。最后,在经过全新设计的软硬件实验平台上,分别进行了三相异步电机的空载启动实验、带载运行实验、负载突变实验和动态调速实验,从实验的结果可以看出,本文所设计的交流变频调速系统具有良好的动态和静态性能,达到了实验的预期,圆满的完成了毕设的任务。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 磁场定向矢量控制技术发展概述
• 1.2.1 标量控制
• 1.2.2 磁场定向矢量控制
• 1.2.3 直接转矩控制
• 1.3 磁场定向矢量控制技术的现状及发展趋势
• 1.3.1 磁场定向矢量控制技术的发展史
• 1.3.2 磁场定向矢量控制技术的发展趋势
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 磁场定向控制技术的基本原理
• 2.1 引言
• 2.2 三相异步电机的数学模型
• 2.2.1 三相静止坐标系下的数学模型
• 2.2.2 坐标变换
• 2.2.3 两相坐标系下的数学模型
• 2.2.4 转子磁链观测器
• 2.3 逆变器开关状态及电压空间矢量
• 2.3.1 电压空间矢量控制方式
• 2.3.2 扇区作用时间的计算
• 2.3.3 判断参考电压矢量Uref所在的扇区
• 2.4 磁场定向控制系统的基本结构
• 2.4.1 矢量控制系统基本原理
• 2.4.2 直接转子磁场定向控制系统
• 2.5 本章小结
• 第3章 磁场定向控制系统主电路设计
• 3.1 引言
• 3.2 硬件系统总体方案设计
• 3.3 主电路的设计
• 3.3.1 智能功率模块PS21564 功能介绍
• 3.3.2 IPM 功率逆变电路设计原理
• 3.3.3 IPM 的短路保护电路及故障反馈电路
• 3.3.4 IPM 驱动电路与DSP 的连接电路
• 3.4 控制系统及其辅助电路的设计
• 3.4.1 运动控制卡主控芯片介绍
• 3.4.2 检测电路的设计原理与硬件电路分析
• 3.4.3 保护电路的设计及DSP 实现原理
• 3.5 本章小结
• 第4章 磁场定向控制系统软件设计
• 4.1 引言
• 4.2 磁场定向控制系统主程序设计思想
• 4.3 直接转子磁场定向控制策略研究
• 4.3.1 异步电机转速检测
• 4.3.2 转速PI 调节程序设计
• 4.3.3 异步电机电流转换数字定标
• 4.3.4 电流环PI 控制程序设计
• 4.3.5 两相旋转坐标系下转子磁链观测器离散模型
• 4.3.6 SVPWM 控制算法设计
• 4.4 直接转子磁场定向运动控制程序设计
• 4.4.1 TMS320F2812 定点数字模型表示方法
• 4.4.2 DSP 事件管理器介绍
• 4.4.3 DSP 程序设计
• 4.5 直接转子磁场定向控制对象研究
• 4.6 本章小结
• 第5章 实验结果及分析
• 5.1 引言
• 5.2 磁场定向闭环控制算法的Simulink 仿真分析
• 5.3 磁场定向闭环控制算法实验波形
• 5.3.1 电机空载启动实验
• 5.3.2 电机带载运行实验
• 5.3.3 电机负载突变实验
• 5.3.4 动态调速实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢