THRF-2 DSP矢量控制变频器调速实验系统
目 录
一、实验目的................................................................................................................................. 2 二、实验原理................................................................................................................................. 2
2.1交流异步电动机转子磁场定向控制 ............................................................................... 2 2.2交流异步电动机直接转矩控制 ....................................................................................... 7 三、基于DSP全数字控制调速系统原理 ................................................................................... 9
3.1系统软硬件构成 ............................................................................................................... 9 3.2数字PID原理介绍 ........................................................................................................ 10 四、实验设备和器件 ................................................................................................................... 11 五、实验内容与步骤 ................................................................................................................... 11
5.1实验步骤 ......................................................................................................................... 12 5.2实验内容 ......................................................................................................................... 13 六、实验报告............................................................................................................................... 16 七、预习要求............................................................................................................................... 16 八、注意事项及说明 ................................................................................................................... 16
1 天煌科技 天煌教仪
THRF-2 DSP矢量控制变频器调速实验系统
THRF-2 DSP矢量控制变频器调速实验系统
一、实验目的
1． 了解以TMS320F2812为核心构成的全数字控制交流异步电动机变频调速实验系统的硬件与软件组成。
2． 掌握交流异步电动机采用磁场定向控制（FOC）与直接转矩控制（DTC）变频调速系统的工作原理、优缺点及应用场合。
3． 掌握交流异步电动机磁场定向和直接转矩控制中实现矢量变换的方法和意义。 4． 了解交流异步电动机直接转矩控制中滞环的工作原理以及电压空间矢量的概念。 5． 研究不同控制方式下有关控制参数变化对系统稳态与动态特性的影响。 二、实验原理
2.1交流异步电动机转子磁场定向控制 2.1.1 交流异步电动机数学模型
在介绍磁场定向控制原理前，先引入异步电机的数学模型。为了分析方便，先对三相异步电机做如下理想化假定：
（1）电机定转子三相绕组完全对称；
（2）定转子表面光滑，无齿槽效应，定转子每相气隙磁动势在空间呈正弦分布； （3）磁饱和、涡流及铁心损耗忽略不计。
在图1所示的旋转坐标下，其中a、b、c为三相定子绕组，?、?为两相定子坐标，d、
q为两相转子旋转坐标，isd、isq、is?、is?分别是定子电流矢量is在d、q、?、?轴上的
分量。 b q ? isq is? is ?s d isd ? a,? is? c 图1 异步电机的坐标系 此时，电压方程式如下： Usd?Rsisd?p?sd??s?sqUsq?Rsisq?p?sq??s?sd （1） Urd?Rrisd?p?rd?(?s??)?rqUrq?Rrisq?p?rq?(?s??)?rd磁链方程如下： 2 天煌科技 天煌教仪
THRF-2 DSP矢量控制变频器调速实验系统
?sd?Lsisd?Lmird?sq?Lsisq?Lmirq （2）
?rd?Lrird?Lmisd?rq?Lrirq?Lmisq转矩表达式如下：
Lmisq?rd （3） Lr在上述公式中，Rs、Rr为电机定转子电阻；Ls、Lr、Lm分别为定转子的自感和互感；p是微分算子；Usq是定子电压在dq轴上的分量；isq是定子电流在dq轴上的分量；Usd、?sd、isd、
Tem?Pn（定子磁场减去转子磁场等于励磁分量，由励磁分量传递电?sq是定子磁链在dq轴上的分量。磁功率）
对于一般电机调速系统而言，从转矩到转速近似为一个积分环节，其积分时间常数由电机和负载的机械惯量决定，为不可控量，因此转矩控制性能的好坏直接关系到一个调速系统的动静态特性。从转矩表达式可以看出，异步电机的转矩一般和定子电流矢量、转子磁场以及交角有关。因此，要想控制转矩，必须先检测和控制磁通。在磁场定向矢量控制中，一般把d?q坐标系放在同步旋转磁场上，把静止坐标系中的各交流量转化为旋转坐标系中的直流量，并使d轴方向和转子磁场方向重合，此时转子磁通q轴分量为零（?rq?0），此时，式（1），（2）变为：
Usd?Rsisd?p?sd??s?sqUsq?Rsisq?p?sq??s?sd （4）
0?Rrisd?p?rd0?Rrisq?(?s??)?rd?sd?Lsisd?Lmird?sq?Lsisq?Lmirq （5）
?rd?Lrird?Lmisd0?Lrirq?Lmisq这里略去公式推导过程，可得以下5式： Lmp?rd??s?Lsisq （6） LrLmUsq?Rsisq??Lspisq??s(?Lsisd??rd) （7）
LrUsd?Rsisd??Lspisd??rd?Lmisd （8）
1??rpLmisq （9）
?sl??r?rd3 天煌科技 天煌教仪
THRF-2 DSP矢量控制变频器调速实验系统
Tem?Pn2?rd?sl （10） RrLm2式（6）－（10）为转子磁场定向控制方程式。漏磁系数??1?；?r为转子时间常数。
LsLr由式（8）不难发现，只需检测定子电流的d轴分量即可观测出转子磁通幅值。由式（3）可知， 当?rd恒定时，电磁转矩和电流的q轴分量或转差成正比，没有最大值限制，通过控制定子电流的q轴分量即可控制电磁转矩。所以，也称定子电流的d轴分量为励磁分量，定子电流的q轴分量为转矩分量。因此，可以通过定子电流的d轴分量控制转子磁通，q轴分量来控制转矩，从而实现了磁通和转矩的解耦控制。这种带有转子磁通反馈的矢量控制系统，也称为直接转子磁通定向矢量控制，其优点是系统达到完全的解耦控制，缺点是磁链闭环控制系统中转子磁通的检测精度受转子时间常数的影响较大，在某种程度上影响了系统的性能。
2.1.2 交流异步电动机转子磁场控制原理
图2所示的是异步电机磁场定向控制的框图，利用空间矢量分析法，采用磁场定向将定子电流进行CLARK变换和PARK变换（下文会对矢量变换进行介绍），得到在dq坐标系下的励磁反馈电流isd和转矩反馈电流isq，与给定励磁电流isdref和转矩电流isqref比较，再经过PARK逆变换输出在??坐标下的电压，用来决定空间矢量的PWM波形输出。速度反馈一方面用于与给定速度比较产生isqref，另一方面进入电流模型决定磁链的位置，并用于PARK和CLARK逆变换。通过对电机三相电流采样，经过坐标变换转换到转子的同步坐标下，再经过电流环PI调节出适当的电压矢量，经过空间矢量发生器后去控制三相逆变器。这里在进行坐标变换时需要知道转子轴的位置，即图1中的?角，根据式（8）、（9），可以通过定子电流矢量和电机转子时间常数来获得这一角度。
图2 转子磁场定向控制原理框图
2.1.3 坐标变换公式
这里取电机转子轴为d轴，q轴顺着旋转方向超前d轴90电角度。其坐标变换公式主要
4 天煌科技 天煌教仪
THRF-2 DSP矢量控制变频器调速实验系统
有CLARK变换和PARK变换。
1）CLARK变换
1?1??iα?6?2???i??33???0??2其反变换为：
1?ia???2????ib? （11） 3????ic??2?????1?ia???ib??6??1??3?2???ic????1??22）PARK变换
?0??3??iα? （12） ???2?i???3??2???id??cos??iq????sin????其反变换为：
sin???i???i?? （13） cos??????sin???id??iq? （14）
cos??????i???cos??i????sin????其中ia、ib、ic分别是三相定子电流，i?、i?分别是在???坐标下的电流分量，id、iq分别是在d?q坐标下的电流分量。
2.1.4 空间矢量算法介绍
在目前的PWM调制方法中，空间矢量调制法可以获得更高的直流电压利用率和更低的输出谐波，因而受到广泛的应用。另外，目前2000系列DSP内部都有空间矢量发生器，从而使得这一调制方法应用更为方便。由于硬件生成的是五段式调制法，相对于七段式的调制方法有更高的电压谐波，因此，下面介绍一种软件生成空间矢量调制的方法。
图3画出了几个基本的空间矢量以及扇区分布，图中所示的是两相固定坐标??，可以从旋转坐标dq经坐标变换得来，具体变换公式如下所示：
?u???cos??u????sin?????sin???ud? （15） ???cos???uq??是转子轴d与?坐标之间的电角度。
5 天煌科技 天煌教仪