交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)-本科論文(精)

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):院係:年級(jí)專業(yè):指導(dǎo)教師:教授助理指導(dǎo)教師：副教授年六月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(yǔ)言程序開發(fā)，同 時(shí)嵌入卩coSi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(guò) 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)

2、點(diǎn)。關(guān)鍵詞三相異步電動(dòng)機(jī)，矢量控制,SVPWM,STM32i,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(jiǎn)介5卩coiS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介6基于STM32的卩CGS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植7 MATLAB/Simulink仿真軟件簡(jiǎn)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(guó)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

3、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(lái)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

4、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(chǎng)，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)嵌入卩coSi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(guò)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)

5、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(guò)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(guò)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(guò)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)?；Y(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(jiǎn)化,而簡(jiǎn)化的基本方法就是坐標(biāo)變換。2.2.2坐標(biāo)變換的基

6、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(shì)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(shì)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

7、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(wú)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 Ai ,B i ,C i時(shí),所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)是旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F，它在空間呈正弦分布，以同步轉(zhuǎn)速 1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。223坐標(biāo)變換之三相-二相變

8、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)系到三相靜止坐標(biāo)系的變換（2/3變換，即2/3C的逆矩陣3/2C為,（式 2-3224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，a P軸為靜止的,d,q軸是以轉(zhuǎn)速 仏旋轉(zhuǎn)的,a由與d軸的夾角為？,根據(jù)文獻(xiàn)8知,（式 2-4 ? -=? ?C B AB 232302121132 a i i i i i? -=2323021211322/30? ? -=23

9、21232110322/3C ? ?=?Pa cos sin sin cos i i C i i i i ?-=?q d s 2/r 2q d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 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 e rd、rq 分別表示d、q軸上定子磁鏈,d、q軸上轉(zhuǎn)

10、子磁? -=?cos sin sin cos s 2/r 2C? ?-=? Pa q d cos sin sin cos i i i i ? ?-二？cos sin sin cos r 2/s 2C?二？ rq rd sq sdeeee r m r l L L L +=ms ir m r m m s m s rq rd sq sd OOOOOOOOi i i i L L L L L L L L 23L 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

11、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,3 3-s1s ,（為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；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 -7g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 1

12、m s 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 33333333 g sd rd sq m p e i i i-=L n T（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軸。即有r rm rd=, 0=rt rc式 2-1®

13、; 書(242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 -=w 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 LL L t i 7 3 7 3® e+申sosq s<+sq 2r s 2m r 2r s

14、rd r s m rd r r s m sq(7 3 -+i=«pr(f R IlT =rd d L u i i L L L R L R L L L T L L L t is 2m 1L L L - =c r st r m轉(zhuǎn)差方程為（式2-19d、q解耦方程（式2-19243按轉(zhuǎn)子磁鏈模型（計(jì)算？按轉(zhuǎn)子磁鏈模型如下圖圖2-3,244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 1ipwww T i L =-sm r m r 1i p T L += 書3電壓空間矢量PWM(SVPWM的基本原理 4 STM32簡(jiǎn)介 4.1 基于 C0RTEX-M3 內(nèi)核的

15、 STM32C0RTEX-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31%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1240個(gè)帶有256個(gè)優(yōu)先級(jí)、8級(jí)搶占優(yōu)先權(quán)的物理中斷。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

16、常事件的響應(yīng)事件。CORTEX-M3異常處理過(guò)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(cè)。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)用程序庫(kù)，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 0 r t e

17、 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(wú)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(wú)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

18、大精度（從0到14血,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(lái)實(shí)現(xiàn)，且異步操作（無(wú)須時(shí)鐘同步,更適合實(shí) 時(shí)控制。4.3STM32的速度檢測(cè)STM32可直接與增量式正交編碼器相連而無(wú)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(lái)觸發(fā)定時(shí)器的計(jì)數(shù)器復(fù)位。當(dāng)自動(dòng)重載寄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(cè)。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)107 ns滿足高性能異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的采樣頻率要求。

19、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(lái)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卩coiS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介，疋Q/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 裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。Q/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(yǔ)言代碼，使之可供不同架構(gòu)的微處理器使用。雖然Q/OS-II是在PC機(jī)上開發(fā)和測(cè)試的，但Q/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(guò)40中不同架構(gòu)的微處理

20、器上運(yùn)行。6基于STM32的卩CGS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植 7 MATLAB/Simulink仿真軟件簡(jiǎn)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(chǎng)定向控制（FOC軟件的流程圖如圖8-2,8.29調(diào)速系統(tǒng)仿真模型及仿真電流采樣(A i ,B i ,C i =得到相電流(a i , P i = Clarke(A i ,B i ,C i (d i ,q i = Park( d V =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 ( a V , P V =反 Park (q V

21、 ,d V SVPWM( a V , P V結(jié)束結(jié)論參考文獻(xiàn)1華成英，童詩(shī)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(yǔ)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.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.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（Lip