交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1、XXX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文電機(jī)交流調(diào)速軟件設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名:學(xué)生學(xué)號(hào):院（系:年級(jí)專業(yè) :指導(dǎo)教師 :教授助理指導(dǎo)教師 :副教授 二一一年六月Xxx 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文摘要 摘要本文主要介紹基于意法公司 STM32 處理器的三相交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的 軟件設(shè)計(jì)。詳細(xì)闡述異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)和電壓空間矢量 PWM（SVPWM 調(diào)制 技術(shù)原理及軟件實(shí)現(xiàn)。使用 IAR 公司的 EWARM 開發(fā)環(huán)境進(jìn)行 C 語言程序開發(fā) ,同 時(shí)嵌入 co-sii 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) ,以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。然后通過 MATLAB/Simulink 軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果表明 ,所設(shè)計(jì)的三相交流異步電

2、動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小 ,輸出電流波形好 ,系統(tǒng)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞三相異步電動(dòng)機(jī) ,矢量控制 ,SVPWM,STM32, cos -ii 實(shí)時(shí)操作系 統(tǒng) ,MATLAB 仿真本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文ABSTRACT目錄1 緒論2 矢量控制的基本原理3 電壓空間矢量 PWM(SVPWM 的基本原理4 STM32 簡介5 co-isi 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)簡介6 基于 STM32 的 co-sii 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植7 MATLAB/Simulink 仿真軟件簡介8 調(diào)速系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)9 調(diào)速系統(tǒng)仿真模型及仿真1 緒論當(dāng)前 ,三相交流異步電動(dòng)機(jī)已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域 ,其調(diào)速系統(tǒng)顯然 成為應(yīng)用

3、的關(guān)鍵 ,而調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有很多種方式。 20世紀(jì) 70年代德國學(xué)者 Blaschke等人提出了矢量控制方法。這種控制方法就是采用矢量變換使交流異步電 機(jī)定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間實(shí)現(xiàn)解耦 ,交流異步電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩分別 進(jìn)行獨(dú)立控制 ,從而使交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有了直流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。 因此,近幾年來得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。矢量控制采用脈寬調(diào)制 (PWM 技術(shù)控制輸出電壓 ,PWM 技術(shù)主要有正弦 PWM(SPWM 、消除指定次數(shù)諧波的 PWM(SHEPWM 、電流滯環(huán)跟蹤 PWM(CHBPWM 、電壓空間矢量 PWM(SVPWM 等控制技術(shù)。其中經(jīng)典的 SPWM 控制主要著眼于使

4、變壓變頻器的輸出電壓盡量接近正弦波 ,并未顧及輸出電流的波 形。而電流滯環(huán)跟蹤控制則直接控制輸出電流 ,使之在正弦波附近變化 ,這就比只要 求正弦電壓前進(jìn)了一步。然而交流電動(dòng)機(jī)需要輸入三相正弦電流的最終目標(biāo)是在電 動(dòng)機(jī)空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場 ,從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩 ,這正是電壓空間矢量 PWM(SVPWM 控制技術(shù)的控制目標(biāo)。如此 ,SVPWM 控制技術(shù)具有系統(tǒng)逆變器直流 端母線電壓利用率高、開關(guān)損耗小、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小等優(yōu)越性能 ,應(yīng)用更為廣 泛。本文詳細(xì)闡述異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)和電壓空間矢量 PWM(SVPWM 調(diào)制技 術(shù)原理及基于意法公司 STM32 處理器的軟件實(shí)現(xiàn) ,同時(shí)嵌入 co

5、-sii 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) , 以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性 ,然后通過 MATLAB/Simulink 軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)及仿真 結(jié)果表明 ,該設(shè)計(jì)的三相交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小 ,輸出電流波形好 , 系統(tǒng)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。2 矢量控制的基本原理2.1矢量控制的基本思路通過坐標(biāo)變換 ,使異步電動(dòng)機(jī)等效成直流電動(dòng)機(jī) ,模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制策略 ,得 到直流電動(dòng)機(jī)的控制量 ,然后經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換 ,就能夠控制異步電動(dòng)機(jī)。即通 過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫作矢量控制系統(tǒng) (VC 系統(tǒng)。基結(jié)構(gòu)框圖如圖 2-1。2.2坐標(biāo)變換2.2.1坐標(biāo)變換引出由于異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型復(fù)雜 ,即是一個(gè)多變

6、量 (多輸入輸出 ,并且電壓 (電流、磁通、轉(zhuǎn)速、頻率之間相互影響的高階、強(qiáng)耦合、非線性系統(tǒng),因此 ,要分析和求解這樣的數(shù)學(xué)模型所列的方程顯然是十分困難的。在實(shí)際應(yīng)用中必須設(shè)法予以 簡化 ,而簡化的基本方法就是坐標(biāo)變換。2.2.2坐標(biāo)變換的基本思路坐標(biāo)變換的基本思路是能把異步電動(dòng)機(jī)的物理模型等效的變換為類似直流電動(dòng) 機(jī)的模式 ,所依據(jù)的原則是 :在不同的坐標(biāo)下所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢完全一樣。首先看看直流電動(dòng)機(jī)的物理模型 ,如圖 2-1中所示。圖中 F 為勵(lì)磁繞組,A 為電 樞繞組,其中 F 在定子上,A 在轉(zhuǎn)子上。這里把 F 的軸線稱作 d 軸,主磁通 的方向 就是沿著 d 軸的方向 ;A 的軸線則稱

7、為 q 軸,由于換向器電刷的作用 ,電刷兩側(cè)每條支 路中導(dǎo)線的電流方向總是相同的 ,因此,電樞磁動(dòng)勢的軸線始終被電刷限定在 q 軸位 置上,其效果好象一個(gè)在 q 軸上靜止的繞組一樣 ,即電樞繞組。由此可描述直流電動(dòng) 機(jī)的物理模型是建立在兩個(gè)相互垂直的坐標(biāo)系上的 ,其中 d 軸勵(lì)磁繞組 A 的勵(lì)磁電 流 a i 決定主磁通 ,而 q 軸電樞繞組 F 的電樞電流 f i 在主磁通 下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 , 與主磁通 無關(guān)。在交流電動(dòng)機(jī)三相對(duì)稱的靜止繞組 A 、B 、C 中,通以三相平衡的正弦電流 A i ,B i ,C i 時(shí),所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢是旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢 F ,它在空間呈正弦分布 ,以同步轉(zhuǎn)速 1

8、順著 A-B-C 的相序旋轉(zhuǎn)。其物理模型如圖 2-2(a 所示。依據(jù)坐標(biāo)變換的原則 ,要建立與直流電動(dòng)機(jī)的物理模型等效的物理模型 ,可由下 面的方法進(jìn)行坐標(biāo)變換 :一是將三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標(biāo)系 (3/2變換 ,二 是將兩相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 (3s/2r 變換,如圖 2-2。如此得到與直流電動(dòng)機(jī)的物理模型的等效的坐標(biāo)系。2.2.3坐標(biāo)變換之三相 - 二相變換 (3/2 變換3/2變換即三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換 ,根據(jù)文獻(xiàn) 8知,(式 2-1 則三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換矩陣2/3C 為,(式 2-2由(式 2-2 可得到兩相靜止坐標(biāo)系到三相靜

9、止坐標(biāo)系的變換 (2/3變換,即2/3C 的逆矩陣 3/2C 為,（式 2-32.2.4坐標(biāo)變換之二相 - 二相變換 （2s/2r 變換2s/2r 變換即二相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換 , 、軸為靜止的 ,d,q 軸是以轉(zhuǎn)速 1旋轉(zhuǎn)的, 軸與 d 軸的夾角為 ?,根據(jù)文獻(xiàn)8知,（式 2-4 ? ? ?-=?C B A 232302121132 i i i i i? ? ? ? =? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? -=? ? ? ?q d s 2/r 2q d cos sin sin cos i i C i i i i ?則兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到二相靜止坐標(biāo)系的變換的變換陣為 ,（式

10、2-5由（式 2-4兩邊左乘以變換陣的逆矩陣 ,可得 （式 2-6則二相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換的變換陣為 ,（式 2-72.3異步電動(dòng)機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)上的數(shù)學(xué)模型2.3.1磁鏈方程在 dq 坐標(biāo)系的磁鏈方程為 ,（式 2-8其中, dq 坐標(biāo)系定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感dq 坐標(biāo)系定子等效兩相繞組的自感dq 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感 ;sd 、sq 、rd 、rq 分別表示 d 、q 軸上定子磁鏈 ,d 、q 軸上轉(zhuǎn)子磁 鏈;? ? ? ? ? ? -=?cos sin sin cos s 2/r 2C?rq rd sq sd=?cos sin sin cos r 2/s

11、2Cr m r m m s m s rq rd sq sd 00000000i i i i L L L L L L L L q d cos sin sin cos i i i i ? ? r m r l L L L +=ms m23L L =s m s l L L L +=sd i 、sq i 、rd i 、rq i 分別表示 d 、q 軸方向定子繞組電流 ,d 、 q 軸方向轉(zhuǎn)子 繞組電流 ;2.3.2電壓方程在 dq 坐標(biāo)系的電壓方程為 ,（式 2-9其中,s R 為轉(zhuǎn)子內(nèi)電阻 ,r R 為定子內(nèi)電阻 ; 1 為同步角轉(zhuǎn)速 , 其等于定子頻率 ; s 為 轉(zhuǎn)差, -=1s , 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

12、; sd u 、sq u 、rd u 、rq u 分別表示 d 、q 軸方向定子 繞組電壓 ,d 、q 軸方向轉(zhuǎn)子繞組電壓。2.3.3轉(zhuǎn)矩與運(yùn)動(dòng)方程在 dq 坐標(biāo)系的電轉(zhuǎn)矩方程為（式 2-10 運(yùn)動(dòng)方程為 ,（式 2-112.3.4異步電動(dòng)機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)上的狀態(tài)方程 由于鼠籠型轉(zhuǎn)子內(nèi)部是短路的 ,故有 rd u = rq u = 0 ,由代數(shù)變換可知 ,其狀 態(tài)方程 ,即 s r i -狀態(tài)方程 ,? +-+-+- +=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? rq rd sq sd r r r s m m s r s r r m 1m m m 1s s s 1m 1m s

13、 1s s rq rd sq sd i i i i p L R L p L L L p L R L p L p L L p L R L L p L L p L R u u u u (rq sd rd sq m p e i i i- i= Lt n Tn J T T d d p L e +=（式 2-12 （式 2-13（式 2-14（式 2-15（式 2-16其中, 電機(jī)漏磁系數(shù) ;轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)。2.4按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制2.4.1按轉(zhuǎn)子定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系現(xiàn)令 d 軸沿著轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶糠较?,并稱之為 M 軸,而 q 軸再逆時(shí)針轉(zhuǎn) 90°,即垂 直于轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶?,稱之為 T

14、 軸。即有r rm rd =, 0=rt rq式 2-17 (2.4.2按轉(zhuǎn)子定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的狀態(tài)方程轉(zhuǎn)矩方程為 (式 2-18L p rq sd rd sq r m 2p (d d T J n i i JL L n t -= sdr m rq 1rd r rd (1d d i T L T t +-+- = sq r m rd 1rq r rq (1d d i T L -T- -t + = s sd sq 1sd 2r s 2m r 2r s rq r s m rd r r s m sd d d L u i i L L L R L R L L L T L L L t i-+=s sq s+d

15、+ +1sq 2r s 2m r 2r s rd r s m rd r r s m sqd d L u i i L L L R L R L L L T L L L t i-+-=r r r R L T+ =rs 2m 1L L L -= r st r mp e i L L n T =轉(zhuǎn)差方程為 (式 2-19d 、q 解耦方程 (式 2-192.4.3 按轉(zhuǎn)子磁鏈模型 (計(jì)算 ?按轉(zhuǎn)子磁鏈模型如下圖圖 2-3,2.4.4按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制矢量控制的結(jié)構(gòu)框圖如下圖 2-4,r r st m s 1 T i L =-sm r m r 1i p T L +=3 電壓空間矢量 PWM(SVPWM

16、 的基本原理4 STM32 簡介4.1 基于 CORTEX-M3 內(nèi)核的 STM32CORTEX-M3 是 ARM 公司最新推出的基于 ARM v7 體系架構(gòu)的處理器核 ,具有 高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn) ,專門為嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)。 ARM v7 架構(gòu)采用了 Thumb.2 技術(shù)。保持了對(duì)現(xiàn)存 ARM 解決方案完整的代碼兼容性 ,比單純 ARM 代碼 少使用 3l%的內(nèi)存 ,減少了系統(tǒng)開銷 ,同時(shí)能夠比 Thumb技術(shù)高出 38%的性能。在中 斷處理方面 ,CORTEX-M3 集成了嵌套向量中斷控制器 NVIC 。NVIC 可以配置 1 240 個(gè)帶有 256個(gè)優(yōu)先級(jí)、 8 級(jí)搶占優(yōu)先權(quán)的

17、物理中斷。同時(shí) ,搶占(Pre-eruption、尾 鏈(Tail-chaining、遲到技術(shù) (Late-arriving 的使用 ,大大縮短了異常事件的響應(yīng)事件。 CORTEX-M3 異常處理過程中由硬件自動(dòng)保存和恢復(fù)處理器狀態(tài) ,進(jìn)一步縮短了中 斷響應(yīng)時(shí)間 ,降低了軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。STM32是意法公司基于 CORTEX-M3 內(nèi)核的一款高性能單片機(jī) ,在具有與其它 單片機(jī)相同功能的同時(shí) ,在電機(jī)控制方面尤為突出 ,可產(chǎn)生高精度的可控 6路 PWM 波 ,其可設(shè)置死區(qū)時(shí)間與故障輸出保護(hù) ,并且設(shè)有正交編碼器速度反饋接口 ,實(shí)現(xiàn)高精 度速度檢測。并且意法公司針對(duì)交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)還專門設(shè)計(jì)了應(yīng)

18、用程序庫,方便使用者二次開發(fā)。 ARM 是目前嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的 R I S C微處理器結(jié)構(gòu) ,它以 低成本、低功耗、高性能等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。C o r t e x -M3 內(nèi)核是 A R M 新型 V 7 架構(gòu)系列的微控制器版本 , 廣泛應(yīng)用于企 業(yè)、汽車系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)和無線技術(shù)領(lǐng)域 ,特別在電機(jī)數(shù)字控制領(lǐng)域的性能尤為突 出。4.2STM32 的高級(jí)定時(shí)器4.2.1高級(jí)定時(shí)器的結(jié)構(gòu)圖參考文獻(xiàn) 11,其結(jié)構(gòu)如下圖 4-1,4.2.2高精度 PWM 產(chǎn)生時(shí)鐘可為 APB 總線頻率的 2 倍,最大 72MHz,可提供 13.8ns 定時(shí)精度。有邊沿 或中心對(duì)稱模式 ,方

19、便 PWM 波的結(jié)構(gòu)調(diào)整。在更新率倍頻模式 ,中心對(duì)稱模式下無 精度損失,每個(gè) PWM周期可產(chǎn)生兩次中斷或 DMA 連續(xù)傳輸。4.2.2高精度 PWM 管理可編程的死區(qū)產(chǎn)生是其最大的特點(diǎn) ,由 8 位寄存器控制死區(qū)時(shí)間 ,在時(shí)鐘為72MHz時(shí) 13.8ns 最大精度（從 0 到 14s, 非線性。有專門的故障停機(jī)輸入控制 由關(guān)閉 6路 PWM 輸出且發(fā)出中斷請(qǐng)求來實(shí)現(xiàn) ,且異步操作 （無須時(shí)鐘同步 ,更適合實(shí) 時(shí)控制。4.3STM32 的速度檢測STM32 可直接與增量式正交編碼器相連而無需外部邏輯電路 ,其中正交編碼器 的第三個(gè)輸出口 ,可連至外部中斷口來觸發(fā)定時(shí)器的計(jì)數(shù)器復(fù)位。當(dāng)自動(dòng)重載寄

20、存 器的值配置為正交編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的計(jì)數(shù)脈沖時(shí) ,則計(jì)數(shù)器的值直接為轉(zhuǎn)子的角度 / 位置,非常方便速度檢測。4.4STM32的 ADCADC 轉(zhuǎn)換速度可達(dá) 1MHZ, 精度為達(dá) 12位,采樣時(shí)間可編程 （1.5-239.5個(gè)時(shí)鐘周 期 ,最小采樣時(shí)間達(dá) 107ns,滿足高性能異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的采樣頻率要求。有多通道 基于定時(shí)器的掃描采樣功能 ,且每個(gè) ADC 通道可被來自定時(shí)器的 6 個(gè)事件觸發(fā) ,或 由外部事件和軟件觸發(fā) ,由此可將 ADC 與定時(shí)器并聯(lián)控制 ,得到更好的調(diào)速性能。5 co-isi 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)簡介C/OS-II是著名的源代碼公開的實(shí)時(shí)內(nèi)核 ,是一個(gè)完整的 ,易移植、易固化、易

21、 裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。 C/OS-II 是用 ANSI C 編寫的,包含一小部分與微處 理器類型相關(guān)的匯編語言代碼 ,使之可供不同架構(gòu)的微處理器使用。雖然 C/OS-II 是在 PC機(jī)上開發(fā)和測試的 ,但 C/OS-II 的實(shí)際對(duì)象是嵌入式系統(tǒng) ,并且很容易移植 到不同架構(gòu)的微處理器上。至今 ,從 8位到 64位, C/OS-II 已在超過 40中不同架構(gòu) 的微處理器上運(yùn)行。6 基于 STM32 的 co-sii 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植7 MATLAB/Simulink 仿真軟件簡介8 調(diào)速系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)8.1調(diào)速系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)圖調(diào)速系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)圖如圖 8-1,磁場定向控制 (FOC 軟件的

22、流程圖如圖 8-2,8.29 調(diào)速系統(tǒng)仿真模型及仿真電流采樣d V = i , i * V , V(A i ,B i ,C i = 得到相電流 (i , i = Clarke(A i ,B i ,C i (d i ,q i = Park( PID 調(diào)節(jié)(d i ,*d i *q V = PID 調(diào)節(jié)(q i ,*d i (q V ,d V = 飽和處理(*q V ,*d V ( = 反Park (q V ,d V SVPWM( V , V結(jié)束結(jié)論參考文獻(xiàn)1 華成英 ,童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) M 北京:高等教育出版社 ,2006 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文參考文獻(xiàn)2 楊路明. C語言程序設(shè)計(jì)教程 M 北京:北京郵電大學(xué)出版社 ,20053 王曉明 . 電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制 .北京:北極航空航天大學(xué)出版社 ,2002.4 王兆安 ,黃俊. 電力電子技術(shù) .北京:機(jī)械工業(yè)出版社 ,2000.5 李華德,白晶,李志明. 交流調(diào)速控制系統(tǒng) .北京:電子工業(yè)出版社 ,2004.6 羅政球. 提高電子電路抗干擾能力經(jīng)驗(yàn)談 J. 電子制作,2006,10.7 胡漢才 . 單片機(jī)原理及其接口技術(shù) M. 北京:清華大學(xué)出版社 ,2006,3.8 陳伯時(shí) . 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) .北京:機(jī)械工業(yè)出版社 ,2004,07.9 （澳霍姆斯 （Holmes,D.G.,（美利波（Lipo,