（電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)論文）異步牽引電機(jī)雙微機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究.pdf

互壅望奎蘭堡主蘭垡堡塞 a b s t r a c t h i g h q u a l i t ya c d r i v i n ge l e c t r i c a ll o c o m o t i v ei sr e q u i r e dw i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n to fc h i n a sr a i l w a yi n d u s t r y w h i l ev e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g y h a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt oe l e c t r i c a ll o c o m o t i v e sa b r o a dd u e t oi t sh i g h q u a l i t yc o n t r o la n df a s tr e s p o n s e o n l yaf e wr e s e a r c h e so nv e c t o rc o n t r o la r e d i r e c t e dt oh i g h p o w e ra p p l i c a t i o ni nc h i n a t h e r e f o r e b a s e do nt h ef o r m e r r e s e a r c hi no u rl a b o r a t o r y f u r t h e rr e s e a r c h e so na p p l i c a t i o no fv e c t o rc o n t r o l t oh i g h p o w e r a s y n c h r o n o u se l e c t r i c a lm a c h i d ea r ed o n ei nt h i sa r t i c l e t h e d u a l p r o c e s s o rh a r d w a r ec o n t r o ls y s t e mi si m p r o v e da i m i n ga th i g h p o w e ra p p l i c a t i o n v a r i o u sc o n t r o ls c h e m e sa n df i e l do r i e n t i n gs t r a t e g i e sa r e c o m p a r e d e x i s t i n g s o l u t i o ni sr e f i n e d e s p e c i a l l y i nt h e f i e l d w e a k e n i n g o p e r a t i o na r e af o rs u c c e s s f u lh i g h p o w e ra p p l i c a t i o n b e c a u s eo ft h el o w s w i t c h i n gf r e q u e n c yo fg t o d i f f e r e mp w m m o d e s a r e a d o p t e da c c o r d i n g t o o p e r a t i o nr a n g e t h ep w ms t r a t e g i e s h e r ea r e f o c u s e do nt r a n s i t i o nf o mo n em o d u l a t i o nm o d et oa n o t h e r s o f t w a r ei s c a r e f u l l yd e s i g n e dt or e a l i z es m o o t h t r a n s i t i o nt a s k c o r r e c ta c q u i s i t i o no fm a c h i n ep a r a m e t e r si s i n d i s p e n s a b l ef o rh i g h q u a l i t yo p e r a t i o no fv e c t o rc o n t r o ls y s t e m o f f l i n ev v v fm e a s u r e m e n ti s c a r r i e do u tt og e tc o r r e c tv a l u e so fm a c h i n ep a r a m e t e r s f u r t h e r m o r e o n l i n e p a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n a l g o r i t h m s a r e p r o v i d e ds i m u l a t i n g a n d e x p e r i m e n t i n gr e s u l t sv e r i f i e dt h e i rf e a s i b i l i t y t h i sg i v e sab r i g h tf u t u r ef o r p r a c t i c a la p p l i c a t i o no f v e c t o rc o n t r o ls y s t e mo ne l e c t r i c a ll o c o m o t i v e k e yw o r d s e l e c t r i c a ll o c o m o t i v e a s y n c h r o n o u se l e c t r i c a lm a c h i n e f i e l d o r i e n t e dc o n t r o l f o c p u l s ew i d t hm o d u l m i o n p r m d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o d s p m i c r o c o n t r o l l e r p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n 一墨二至竺絲 第一章緒論 1 1 矢量控制技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀 矢量控制 v e c t o rc o n t r 0 1 又稱為磁場(chǎng)定向控制f f i e l d0 r i e n t e d c o m r o d 亦即把交流電機(jī)空間磁場(chǎng)矢量的方向作為坐標(biāo)軸的基準(zhǔn)方向 將電機(jī)定子電流矢量正交分解為與磁場(chǎng)方向一致的激磁電流分量和與磁 場(chǎng)方向垂直的轉(zhuǎn)矩電流分量 通過(guò)對(duì)激磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量分別 控制 使交流電機(jī)能象他勵(lì)直流電機(jī)一樣控制 1 刪3 吼這個(gè)理論1 9 6 8 年 首先由d a r m s t a d e r 工科大學(xué)的h a s s e 博士提出 由于應(yīng)用理論和硬件條 件上的限制 當(dāng)時(shí)矢量控制并沒有很快進(jìn)入實(shí)用化 隨著各國(guó)學(xué)者對(duì)矢量控制技術(shù)研究逐漸深入 再加上電子計(jì)算機(jī)技 術(shù) 大規(guī)模集成電路技術(shù)以及電力電子器件技術(shù)的發(fā)展 在8 0 年代中后 期交流電機(jī)矢量控制技術(shù)開始逐步邁入實(shí)用階段 進(jìn)入9 0 年代 數(shù)字信號(hào)處t 里器 d s p 的應(yīng)用 為矢量控制技術(shù)的實(shí) 用化開拓出嶄新局面 而i g b t 的問(wèn)世和g t o 向大功率方向的發(fā)展也使 得矢量控制技術(shù)的應(yīng)用范圍更為廣闊 以矢量控制技術(shù)為核心的交流調(diào) 速系統(tǒng)將有望在越來(lái)越多的領(lǐng)域中取代直流調(diào)速 1 11 目前 矢量控制的發(fā)展方向有以下幾個(gè)方面 1 無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)的研究 2 電機(jī)參數(shù)識(shí)別和跟蹤 3 大功率矢量控制系統(tǒng)的研究 在矢量控制技術(shù)研究方面 德國(guó) 日本和美國(guó)走在了世界的前列 日本在研究無(wú)速度傳感器方面較為先進(jìn) 美國(guó)的研究人員在電機(jī)參數(shù)識(shí) 第l 頁(yè) 一里 墾墮墮 別方面研究比較深入 并且將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 模糊控制等一些最新的控 制技術(shù)應(yīng)用到這方面 而德國(guó)在將矢量控制技術(shù)應(yīng)用于大功率系統(tǒng)方面 的實(shí)力很強(qiáng) s i e m e n s 公司已將矢量控制技術(shù)應(yīng)用于交流傳動(dòng)電力機(jī)車 等兆瓦級(jí)功率場(chǎng)合 1 5 1 1 6 l 1 我國(guó)在8 0 年代初就有有關(guān)矢量控制的文章發(fā)表 但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù) 手段和工業(yè)基礎(chǔ) 發(fā)展并不迅速 進(jìn)入9 0 年代 矢量控制技術(shù)的研究逐 漸成為電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的熱點(diǎn) 目前國(guó)內(nèi)的研究工作主要集中在無(wú)速度傳 感器和電機(jī)參數(shù)識(shí)別方面 但許多工作僅限于計(jì)算機(jī)仿真 而對(duì)矢量控 制系統(tǒng)在大功率場(chǎng)合中的應(yīng)用以及實(shí)際控制系統(tǒng)的研制方面研究較少 1 2 交流傳動(dòng)電力機(jī)車的發(fā)展和現(xiàn)狀 本世紀(jì)6 0 年代以前 電力機(jī)車普遍采用控制方式較為簡(jiǎn)單的直流調(diào) 速系統(tǒng) 但由于直流電機(jī)體積大 單位功率重量指標(biāo)差 維護(hù)和維修工 作量大 以及單機(jī)最大功率和最大運(yùn)行速度受電機(jī)換向器限制等缺點(diǎn) 制約了它在高速 大功率 高性能電力機(jī)車上的應(yīng)用 6 0 年代中期 研究人員開始將交流傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于電力機(jī)車上 進(jìn) 入7 0 年代 采用異步交流傳動(dòng)系統(tǒng)的d e 2 5 0 0 內(nèi)燃機(jī)車在德國(guó)試驗(yàn)成 功 使得交流傳動(dòng)在牽引領(lǐng)域重新煥發(fā)了前所未有的活力 8 0 年代中期 隨著電力半導(dǎo)體器件制造技術(shù)的進(jìn)步 大功率門極可關(guān)斷晶閘管 g t o 應(yīng)用于電力機(jī)車上 從而促進(jìn)了作為交流傳動(dòng)技術(shù)重要組成部分的變流 技術(shù)的發(fā)展 也使得交流傳動(dòng)電力機(jī)車更趨實(shí)用化i 1 8 進(jìn)入9 0 年代 隨著鐵路工作者對(duì)交流電機(jī)控制技術(shù)研究的深入 矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等具有高動(dòng)態(tài)控制性能的新技術(shù)開始被采用 使交流傳動(dòng)電力機(jī)車的品質(zhì)進(jìn)一步得到提升 我國(guó)過(guò)去沿用的機(jī)車電傳動(dòng)形式 都是采用傳統(tǒng)的串激式直流牽引 第2 頁(yè) 生童堡笙 電機(jī) 經(jīng)過(guò)多年研究論證 并吸收了國(guó)外發(fā)展交流調(diào)速的經(jīng)驗(yàn) 我國(guó)也 已確定發(fā)展交 直 交傳動(dòng)電力機(jī)車 1 8 i i 1 9 0 年代初 鐵道部株洲電力機(jī)車研究所和鐵道部科學(xué)研究院共同試 制了我國(guó)第一臺(tái)4 o m w 的4 軸a c 4 0 0 0 交流傳動(dòng)貨運(yùn)電力機(jī)車 它標(biāo)志 著我國(guó)電氣化鐵路進(jìn)入了交流傳動(dòng)階段 由于a c 4 0 0 0 采用的是轉(zhuǎn)差頻 率控制方法 同高技術(shù)性能電力機(jī)車還存在差距 1 3 本論文的提出及研究?jī)?nèi)容 鐵路事業(yè)的發(fā)展需要高性能的牽引動(dòng)力 國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家正逐步將矢 量控制等高性能的交流電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用于電力機(jī)車上 北方交通大學(xué) 變流科研室很早就開始研究矢量控制系統(tǒng)在大功率牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用 致力于高性能 大功率交流傳動(dòng)技術(shù)的研究 在前人的研究基礎(chǔ)上 本 文主要做了以下幾方面的工作 1 改進(jìn)了基于d s p 和單片機(jī)的雙微機(jī)矢量控制硬件系統(tǒng) 使硬件 系統(tǒng)的可靠性 可擴(kuò)展性提高 更加適合大功率矢量控制系統(tǒng) 2 對(duì)不同的磁場(chǎng)定向方式及矢量控制方案進(jìn)行深入分析 比較了它 們之間的優(yōu)缺點(diǎn) 針對(duì)大功率應(yīng)用的特點(diǎn) 進(jìn)一步完善了現(xiàn)有的矢量控 制方案 3 針對(duì)電力機(jī)車主逆變器開關(guān)頻率低的特點(diǎn) 改進(jìn)了包括異步 s p w m 同步 p w m 諧波優(yōu)化s p w m 的脈寬調(diào)制軟件設(shè)計(jì)方案 重點(diǎn) 改進(jìn)了不同調(diào)制規(guī)律之間的過(guò)渡 使得過(guò)渡過(guò)程電流沖擊大大減小 4 通過(guò)雙微機(jī)系統(tǒng)對(duì)感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行了變壓變頻條件下的堵轉(zhuǎn)一空載 實(shí)驗(yàn) 測(cè)得了電機(jī)的參數(shù) 實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子電阻的在線辯識(shí) 提高了感應(yīng)電 機(jī)的矢量控制系統(tǒng)性能 第3 頁(yè) 羔三蘭叁墨笙 董奎墮些絲壁生皇墊窒曼叁竺堡型 第二章矢量控制基本原理及感應(yīng)電機(jī)空間矢量模型 2 1 矢量控制基本原理 感應(yīng)電機(jī)是一種多輸入 多輸出 非線性 強(qiáng)耦合的系統(tǒng) 其穩(wěn)態(tài) 轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為 i k f 杰 2c o s 妒2 2 1 式中 k t 與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) 以 電機(jī)氣隙磁通 j c o s 0 2 轉(zhuǎn)子電流的有功分量 從式 2 1 中可以看出 感應(yīng)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流并無(wú)直 接關(guān)系 并且電機(jī)的三相定子電流既要產(chǎn)生電機(jī)中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)又要產(chǎn)生 電磁轉(zhuǎn)矩 定子電流的激磁分量和轉(zhuǎn)矩分量又與電機(jī)本身的設(shè)計(jì)情況以 及負(fù)載有關(guān) 很難將兩者區(qū)分開 若考慮到電機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程 情況將更 加復(fù)雜 因此感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制是比較困難的 矢量控制的意義就在 于它找到了一種方法 將定子電流瞬時(shí)值分解為互不耦合的激磁分量和 轉(zhuǎn)矩分量 并建立起電機(jī)動(dòng)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩和這兩個(gè)分量的直接聯(lián)系 使感 應(yīng)電機(jī)能象他勵(lì)直流電機(jī)一樣控制 圖2 1 為感應(yīng)電機(jī)空間矢量圖 s 口一s q 為定子靜止兩相坐標(biāo)軸系 x m y 為以任意角速度 旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)軸系 i 為x y 坐標(biāo)系上的定子 電流空間矢量 自 為x y 坐標(biāo)系上的定子電壓空間矢量 i 和i 是毫 在x y 軸上的分量 若令 即令x 1 坐標(biāo)系以電機(jī)同步角速度 旋轉(zhuǎn) 并令x 軸與感應(yīng)電機(jī)磁鏈空間矢量妒 重合 則f 為與磁場(chǎng)方 第4 頁(yè) 墨三墜墨絲型量查墮墨墨壁窒皇塑皇塑叁墨堡型 向一致的激磁電流分量 而f 為與磁場(chǎng)方向垂直的轉(zhuǎn)矩電流分量 通過(guò) 對(duì)f 和f 分別控制 使感應(yīng)電機(jī)能象他勵(lì)直流電機(jī)一樣控制 這就是矢 量控制的基本原理 按照?qǐng)D2 1 對(duì)感應(yīng)電機(jī)定子電流空間矢量進(jìn)行分解 就可使電機(jī)擁有 類似于它勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式 o 吸 o 2 2 式中 k 與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) 尹2 s gc o g 2 c 彥 吸 叫 7 圖2 1 感應(yīng)電機(jī)空間矢量圖 2 2 感應(yīng)電機(jī)空間矢量模型 矢量控制技術(shù)的基礎(chǔ)就是建立旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系下的電機(jī)空間矢量模 型 這種通過(guò)改變坐標(biāo)系來(lái)研究電機(jī)模型的理論稱為參考系理論 2 1 啦 在利用參考系理論建立感應(yīng)電機(jī)空間矢量模型時(shí) 為簡(jiǎn)單計(jì) 作以 下假設(shè) 1 具有對(duì)稱的兩極 三相繞組 轉(zhuǎn)子亦等效為對(duì)稱三相繞組形式 第5 頁(yè) 三蘭簽苧絲型差查曼型墨壁生皇墊窒璺叁墨堡型 2 氣隙光滑 均勻 忽略電機(jī)槽楔影響 3 不考慮磁路飽和 鐵心損耗和集膚效應(yīng) 2 2 1 三相 兩相靜止坐標(biāo)變換 三相 兩相靜止坐標(biāo)變換是將感應(yīng)電機(jī)定 轉(zhuǎn)子變量分別由與各自繞 組相對(duì)靜止的三相坐標(biāo)系中變換到兩相直角坐標(biāo)系中 也即將定 轉(zhuǎn)子 均為三相繞組的電機(jī)變?yōu)槎?轉(zhuǎn)子均為兩相繞組的電機(jī) 本文采用變量瞬時(shí)峰值不變?yōu)樵瓌t的三相 兩相變換方法 它使變換 后兩相繞組的相電壓 電流 峰值與交換前三相繞組的相電壓 電流 峰值相等 變換后的定子電流空間矢量i 和定予兩相繞組的相電流峰值 f i 以及變換前三相繞組的相電流峰值i i k 有如 下關(guān)系 l 2 f i i 印 i i i c 2 3 變換后的電流空間矢量t 是一個(gè)以電機(jī)定子相電流峰值為幅值的旋轉(zhuǎn)矢 量 它在定子三相坐標(biāo)軸上的投影分別等于定子三相電流瞬時(shí)值 如圖 2 2 所示 s b s d 圖2 2 定子電流空間矢量在定子三相坐標(biāo)軸上的投影 第6 貞 點(diǎn)蘭簽曼簍型苧奎墮墨墨壁壁皇墼窒堅(jiān)叁苧豎型 由此可得出變換前后的定子電壓 定子電流和定子磁鏈空間矢量關(guān)系 2 2 2j 2 4 2 7 z 2 弘s 2 5 2 妒s 2 j 訂 2 6 轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的變換關(guān)系與定予坐標(biāo)系相同 這里從略 2 2 2 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn) 如圖2 3 所示 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)是將靜止的定子兩相坐標(biāo)軸系和以角速度 緲 旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩相坐標(biāo)系分別進(jìn)行旋轉(zhuǎn) 使兩者都統(tǒng)一在以任意角速度 旋轉(zhuǎn)的x y 坐標(biāo)系上 以建立電機(jī)在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 2 圖2 3 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn) 感應(yīng)電機(jī)在任意旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系上的空間矢量模型為 1 電壓方程 第7 頁(yè) 弋5 絡(luò) 媽 薄 墨蘭叁苧絲型苧查堡曼墨壁些 墊皇塑叁苧堡型 驢眠 等坳以 嘧矚 警州叩嘶 o 2 磁鏈方程 工 k 上 0 曠 上 嗜 上 k 妒 l j l j 3 電磁轉(zhuǎn)矩方程 2 7 2 8 2 一0 9 2 10 2 1 1 c 尸礦 k 2 一1 2 r k c p 爭(zhēng) k 2 1 3 f c 尸妒 0 2 1 4 式 2 1 2 2 1 4 給出了不同磁場(chǎng)定向方式下的電磁轉(zhuǎn)矩的統(tǒng)一表達(dá)式 其中 e 為轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換常數(shù) 采用變量瞬時(shí)峰值不變法時(shí)取3 2 2 3 矢量控制方案研究 2 3 1 以v s i 為主電路的矢量控制系統(tǒng)分類 經(jīng)過(guò)多年論證 我國(guó)的交一直 交電力機(jī)車牽引主電路已確定采用電壓 型逆變器f v s i 供電的異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)方式 盡管以電壓型逆變器為主電 路的矢量控制系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方法有多種 但根據(jù)磁場(chǎng)定向方式 磁鏈 估算方法以及逆變器控制信號(hào)產(chǎn)生方法的不同 可分為三大類 如圖2 4 所示 第8 頁(yè) 一 堡三苧 叁苧塑型量查墮翌絲些堡塞墊皇鯉叁量塑型 定子磁場(chǎng)定向 廠按磁場(chǎng)定向方式分一 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向 ll 氣隙磁場(chǎng)定向 j 以v s i 為主電路的 廣間接磁場(chǎng)定向 矢量控制系統(tǒng)分類l 按磁鏈估算方法分 t 直接磁場(chǎng)定向 l l1 電流控制型 按逆變器控制信號(hào)產(chǎn)生方法分1 電壓解耦型 圖2 4以v s i 為主電路的矢量控制系統(tǒng)分類 2 3 2 各種矢量控制方案的比較 磁場(chǎng)定向方式分析比較 為 三種磁場(chǎng)定向方式在旋轉(zhuǎn)參考系下電磁轉(zhuǎn)矩和激磁電流表達(dá)式分別 定子磁場(chǎng)定向 f c r p 眵 i f c p l 艮f o 2 1 5 叫 i 掣 專 等魯?shù)?叫 等z p 舊 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向 西7 百d i 上j 廿 s q5 1 i 可酬 第9 頁(yè) 2 1 7 一笙三里叁里笙型苧奎墮型絲壁坐生墊 塑叁墨堡型 2 1 8 f 2 1 9 i 吲r2 莉 2 2 0 f 臥 c p i 妒心i f w c 肌 k 2 2 1 蹦 z 掣吒 魯魯懶擴(kuò)嘶 陋z z 一驢篝 陪2 3 一r 2 磊 口 2 習(xí) 山式 2 1 5 2 1 8 和 2 2 1 可以看出 三種磁場(chǎng)定向方式下三相鼠籠 轉(zhuǎn)矩分量f 的乘積成正比 從表面上看 三種磁場(chǎng)定向方式都可對(duì)電機(jī) 的電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)解耦控制 通過(guò)分別調(diào)節(jié)激磁電流和定子電流轉(zhuǎn)矩分量 來(lái)控制轉(zhuǎn)矩 但由式 2 1 6 2 1 9 和 2 2 2 可知 三種磁場(chǎng)定向方式下激 磁電流的表達(dá)式有很大差別 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向方式下激磁電流f 的表達(dá)式 最為簡(jiǎn)單 只與定子電流的激磁分量f 有關(guān) 當(dāng)通過(guò)改變定子電流轉(zhuǎn)矩 分量f 來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩時(shí) 激磁電流并不發(fā)生變化 而在通過(guò)改變激磁 電流來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩情況下 定子電流轉(zhuǎn)矩分量f 也不發(fā)生變化 轉(zhuǎn)子 第i 0 頁(yè) 二卜 k 一妒 f f k 0己一t p 尸 e c 第二章矢量控制摹奉原理及感應(yīng)電機(jī)空間矢量模型 磁場(chǎng)定向方式對(duì)感應(yīng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)了真正的解耦控制 使感應(yīng)電 機(jī)可象他勵(lì)直流電機(jī)一樣控制 而定子磁場(chǎng)定向和氣隙磁場(chǎng)定向方式下 的激磁電流表達(dá)式較為復(fù)雜 激磁電流不僅與定子電流的激磁分量f 有 關(guān) 還和定子電流轉(zhuǎn)矩分量f 有關(guān) 改變定子電流轉(zhuǎn)矩分量f 來(lái)調(diào)節(jié)電 機(jī)轉(zhuǎn)矩時(shí) 激磁電流會(huì)發(fā)生變化 而當(dāng)改變激磁電流來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩時(shí) 定子電流轉(zhuǎn)矩分量 也會(huì)發(fā)生變化 激磁電流和定子轉(zhuǎn)矩分量并未徹底 解耦 與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向方式相比 采用定子磁場(chǎng)定向和氣隙磁場(chǎng)定向方 式對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制則要復(fù)雜的多 因此 對(duì)三相鼠籠式感應(yīng)電 機(jī)的矢量控制多用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向方式來(lái)實(shí)現(xiàn) 定子磁場(chǎng)定向和氣隙磁場(chǎng) 定向方式主要用于雙饋型感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中 電流控制和電壓解耦控制分析比較 電流控制型矢量控制系統(tǒng) 圖2 5 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)直接定向電流控制型矢量控制系統(tǒng)原理圖 第l l 頁(yè) 第一章矢量控制基本原理及感應(yīng)電機(jī)審問(wèn)矢量模型 圖2 5 是 種典型的基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的電流控制型矢量控制系 統(tǒng) 在有關(guān)矢量控制的文獻(xiàn)中被廣泛引用 1 2 3 由于控制感應(yīng)電機(jī)所需 要的三相定子電壓信號(hào)由三相電流通過(guò)滯環(huán)控制器直接產(chǎn)生 所以這種 矢量控制系統(tǒng)稱為電流控制型矢量控制系統(tǒng) 圖2 6 為電流滯環(huán)控制器原理示意圖 對(duì)于小功率系統(tǒng) 采用這種 方法是合適的 而對(duì)于大功率系統(tǒng) 若采用g t o 做逆變器主開關(guān)器件 開關(guān)頻率只有幾百赫茲 勢(shì)必要設(shè)定較寬的滯環(huán)范圍 這將使電機(jī)定子 相電流中產(chǎn)生較大的低次諧波 引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng) 另外由于機(jī)車的速 度調(diào)節(jié)范圍較寬 電機(jī)會(huì)以大于額定轉(zhuǎn)速的速度運(yùn)行 逆變器將進(jìn)入方 波工況 采用電流閉環(huán)控制較難實(shí)現(xiàn)從p w m 到方波的平滑過(guò)渡 因此 對(duì)于大功率系統(tǒng) 采用電流控制型的矢量控制系統(tǒng)是不合適的 定值 圖2 6 電流滯環(huán)控制器原理示意圖 電壓解耦型矢量控制系統(tǒng) 矢量控制的另一種方法是利用電機(jī)的定子電壓方程 產(chǎn)生電機(jī)控制 所需要的定子電壓信號(hào) 將定子電壓方程在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)坐標(biāo)軸系的直軸和 第1 2 頁(yè) 蔓蘭j 堡重笙型苧塵鑒些絲壁窒皇盟窒堅(jiān)叁里堡型 交軸上進(jìn)行分解 得 q 魯 魯掣一塒 p 咄 q 魯?shù)?i l i i h l 叫 2 2 8 定義 爐印 魯 7 2 9 妒彤 叫魯 2 3 0 一 l s l j 了d l t m a 2 3 1 出 l 一l i m l l 2 3 2 出式 2 2 7 2 3 2 n 以看1 t i 在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的兩相感應(yīng)電機(jī)模型 中 構(gòu)成定子電壓交軸分量 的不僅有產(chǎn)生交軸電流f 的電壓 還 有定子電流直軸分量f 產(chǎn)生的耦合電壓 而定子電壓直軸分量 中 不僅含有產(chǎn)生定子電流直軸分量f 的電壓 二 也包括定子電流交軸分量 f 產(chǎn)生的耦合電壓 為了消除感應(yīng)電機(jī)交 直軸之間的耦合現(xiàn)象 矢 量控制系統(tǒng)送給電機(jī)的直軸電壓 二不僅要包含對(duì)直軸電流i 進(jìn)行控制 的電壓 還要包含定子電流交軸分量f 產(chǎn)生的耦合電壓 同樣矢 量控制系統(tǒng)送給電機(jī)的交軸電壓 不僅要包含對(duì)交軸電流f 進(jìn)行控制 的電壓二 還要包含定子電流直軸分量f 產(chǎn)生的耦合電壓 式 2 3 3 和 2 3 4 為矢量控制系統(tǒng)產(chǎn)生的交 直軸電壓的表達(dá)式 二 d 2 3 3 二 2 3 4 竺 j 壁塑型苧查墮堡絲壁鏖皇塑窒堅(jiān)叁蘭堡型 2 3 變換 及 虬 h t 8 舒 剁嗎 矢量控制系統(tǒng) p w m 生 成 一社 及 v s i 逆 變 器 b p 式 3 5 4 l 1 p 感應(yīng)電機(jī)模型 r l p 圖2 7 電壓解耦型矢量控制系統(tǒng)與感應(yīng)電機(jī)關(guān)系示意圖 因?yàn)檫@種矢量控制方法依據(jù)感應(yīng)電機(jī)的定子電壓狀態(tài)方程 對(duì)定子 電壓交 直軸分量之間的耦合作用進(jìn)行去耦 所以稱之為電壓解耦型矢 量控制 圖2 7 給出了電壓解耦型矢量控制系統(tǒng)與感應(yīng)電機(jī)之間的關(guān)系 圖中的p 為微分算子 在電壓解耦型矢量控制系統(tǒng)中 控制感應(yīng)電機(jī)的定子電壓信號(hào)在 p w m 生成單元之前就已產(chǎn)生 p w m 生成單元的作用只是將其調(diào)制成逆 變器所需的開關(guān)信號(hào) 因此p w m 生成單元和矢量控制單元可分開設(shè)計(jì) 當(dāng)主電路功率較大 逆變器工作在較低開關(guān)頻率下時(shí) 可采用一定的優(yōu) 化準(zhǔn)則對(duì)p w m 生成波形的諧波進(jìn)行優(yōu)化 從而抑制定子電流中低次諧 波含量 保證輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn) 因此這種控制方法比較適合大功率場(chǎng)合 間接磁場(chǎng)定向和直接磁場(chǎng)定向分析比較 間接磁場(chǎng)定向控制 i n d i r e c t f i e l d o r i e n t e d c o n t r 0 1 在有些文獻(xiàn)中又 被稱為轉(zhuǎn)差頻率矢量控制 s l i pf r e q u e n c y v e c t o rc o n t r 0 1 或磁場(chǎng)前饋控 制 f l u x f o r w a r dc o n t r 0 1 間接磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)中無(wú)磁鏈閉環(huán) 磁鏈 的幅值和相角由控制系統(tǒng)給定值計(jì)算出 第1 4 頁(yè) 髫一似 匕啊 耽然及蛛麟 u 糾爿 r 勁婦 一 笙 皇叁量絲 苧查曼型壟壁堂 墊窒墮叁墼堡型 直接磁場(chǎng)定向控制 d i r e c tf i e l do r i e n t e dc o n t r 0 1 又稱為磁場(chǎng)反饋 控制 f l u x f e e d b a c kc o n t r 0 1 這種矢量控制系統(tǒng)中有磁鏈閉環(huán) 必須 獲得磁鏈反饋信號(hào)方可實(shí)現(xiàn) 直接磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)中獲得磁鏈反饋信 號(hào)的方法有兩種 e e 方法是在電機(jī)中放入霍爾元件或檢測(cè)線圈直接測(cè) 量磁鏈信號(hào) 另一種方法利用檢測(cè)到的電機(jī)轉(zhuǎn)速 定子電壓和定子電流 信號(hào)建立磁鏈模型獲得磁鏈的幅值和空間角度 圖2 8 和圖2 9 給出了兩種典型的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向電壓解耦型矢量控制 系統(tǒng) 圖2 8 為間接磁場(chǎng)定向 圖2 9 為直接磁場(chǎng)定向 圖2 8 所示的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)間接定向電壓解耦型矢量控制系統(tǒng)和圖2 9 所示的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)直接定向電壓解耦型矢量控制系統(tǒng)的核心部分雖然都是 定子電壓解耦單元 但兩個(gè)系統(tǒng)之間的差別還是很大的 間接磁場(chǎng)定向 的電壓解耦矢量控制系統(tǒng)實(shí)際上是對(duì)電機(jī)模型的逆向推導(dǎo) 整個(gè)系統(tǒng)只 有轉(zhuǎn)速閉環(huán)這一個(gè)閉環(huán) 沒有電流閉環(huán) 系統(tǒng)受電機(jī)參數(shù)影響較大 無(wú) 法達(dá)到很高的控制精度 但由于控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單 容易實(shí)現(xiàn) 所 以可用于對(duì)控制性能要求不是很高的場(chǎng)合 直接磁場(chǎng)定向的電壓解耦矢 量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)則要復(fù)雜得多 包括轉(zhuǎn)速 磁鏈 電流和相角多個(gè)閉 環(huán) 由于各個(gè)閉環(huán)的調(diào)節(jié)作用使得系統(tǒng)對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性要小得多 控制性能也比間接磁場(chǎng)定向的電壓解耦矢量控制系統(tǒng)要好 本文將以圖2 9 所示的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)直接定向電壓解耦型矢量控制系統(tǒng) 為基礎(chǔ) 對(duì)其所存在的問(wèn)題進(jìn)行分析并予以解決 提出了自己的矢量控 制方案 第1 5 頁(yè) 蘭蘭已 曼墾鱉生 i 墜星些絲壁壁生墊至塑叁里塑型 圖2 8 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)問(wèn)接定向電壓解耦型矢量控制系統(tǒng)原理幽 交 j i c 輸入 圖2 9 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)直接定向電壓解耦型矢量控制系統(tǒng)原理酗 第1 6 頁(yè) 第一章矢量控制基本原理及感應(yīng)電機(jī)卒問(wèn)矢量模型 2 3 3 本文中采用的矢量控制方案及特點(diǎn) 圖2 9 所示的矢量控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在兩方面的問(wèn)題 1 沒有考慮定子電流反饋濾波對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的滯后影響 2 沒有考慮逆變器方波工況對(duì)系統(tǒng)性能的影響 本節(jié)將對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分析 并提出解決方案 解決定子電流反饋濾波對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的滯后影響 在大功率應(yīng)用場(chǎng)合 由于逆變器的開關(guān)頻率較低 電機(jī)的定子電流 圖2 1 0 加入定子電流反饋濾波的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)直接定向 電壓解耦型矢量控制系統(tǒng)原理圖 中含有較大的低次諧波成分 為降低這些低次諧波對(duì)系統(tǒng)的不良影響 應(yīng)在定子電流的反饋環(huán)節(jié)中加入低通濾波器 第1 7 頁(yè) 第二章矢量控制基本蟓理駛感應(yīng)電機(jī)空問(wèn)矢量模型 當(dāng)電機(jī)工作在穩(wěn)態(tài)時(shí) 該低通濾波器不會(huì)引起直流成分的幅值衰減 和相位滯后 但在動(dòng)態(tài)過(guò)程中 例如定子電流轉(zhuǎn)矩分量f 突變 濾波器 仍會(huì)起滯后作用 為減弱這種滯后作用對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響 需要對(duì) 圖2 1 0 所示的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)直接定向電壓解耦型矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn) 改 進(jìn)后的控制系統(tǒng)如圖2 1 l 所示 與圈2 1 0 所示的控制系統(tǒng)相比 圖2 ll 中定子電壓解耦單元的輸入用的是定子電流激磁分量給定值f 轉(zhuǎn)矩 分量給定值 和激磁電流給定值1 0 即用的是前饋解耦 而不象圖2 一 1 0 所示系統(tǒng)那樣用反饋解耦 圖2 l1 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)直接定向電壓前饋解耦型矢量控制系統(tǒng)原理圖 反饋解耦的計(jì)算公式如式 2 3 5 2 4 0 反饋解耦原理圖如圖 2 1 2 所示 系統(tǒng)按反饋解耦計(jì)算得到的定子電壓給定量心 唁經(jīng)過(guò)一系列 第1 8 頁(yè) 型二 蘭些鐾塑坐墨苧嬰墨壁蜜皇塑至塑叁墨堡型 變換后加到電機(jī)模型上 用以抵消電機(jī)模型中的耦合項(xiàng) 使得對(duì)定子電 流的轉(zhuǎn)矩分量和激磁分量的控制轉(zhuǎn)化為對(duì)兩個(gè)相互獨(dú)立的一階慣性環(huán)節(jié) 的控制 二 p d f 2 3 5 二 w p q 2 3 6 e 一一 礎(chǔ) 擊兒 2 3 7 g 印 礎(chǔ) f 國(guó) 丁石1 礦 2 3 9 詛 孝 弘a 目 4 m 圖 2 1 2 反饋解耦原理圖 前饋解耦方法用電機(jī)模型方程直接計(jì)算定子電壓給定 0 二 轉(zhuǎn)矩 電流分量和激磁電流分量由給定單元直接計(jì)算得出 電流參考給定經(jīng)過(guò) 一階慣性環(huán)節(jié)后的輸出作為解耦單元的輸入 這相當(dāng)于預(yù)先設(shè)定理想的 轉(zhuǎn)矩電流響應(yīng) 根據(jù)電機(jī)模型逆推計(jì)算出滿足給定響應(yīng)的 即能使電機(jī) 完全解耦的定子電壓給定信號(hào)甜二 二 前饋解耦計(jì)算方程如下面幾式 0 y s i 0 一 o l 2 4 1 第1 9 頁(yè) 第二章矢量控制基本原理及感應(yīng)電機(jī)空間矢量摸型 喝 墻 叵爵 詠 成o q 素 f 三 f 二 i 一 叫7 碥銣 等 2 4 2 2 4 3 r 2 4 4 其中 r 為預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間 顯然 前饋解耦方式不采用反饋電流作為解耦輸入 這就消除了電 流低通濾波器滯后對(duì)解耦的影響 而且前饋解耦對(duì)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)并不依賴 于電流調(diào)節(jié)器的輸出 這樣即使電流開環(huán)系統(tǒng)也能保證較好的動(dòng)態(tài)響 應(yīng) 但實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)有增量限幅設(shè)計(jì) 防止產(chǎn)生沖擊 若再輔之以相位 角閉環(huán)和電流閉環(huán)可在提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的同時(shí)降低電機(jī)參數(shù)變化對(duì)系 統(tǒng)性能的影響 e t 2 1 3 具有電流閉環(huán)和相位角閉環(huán)的前饋解耦矢量控制系統(tǒng) 解決逆變器方波工況對(duì)系統(tǒng)的影響 由于電力機(jī)車具有較寬的調(diào)速范圍 當(dāng)機(jī)車高速運(yùn)行時(shí) 逆變器將 進(jìn)入方波工況 在方波工況下 不管矢量控制系統(tǒng)產(chǎn)生的定予電壓信號(hào) 為何值 實(shí)際送入電機(jī)的電壓幅值都不會(huì)發(fā)生變化 圖2 1 1 所示矢量控制系統(tǒng)的速度閉環(huán)和磁鏈閉環(huán)是通過(guò)定子電壓幅 第2 0 頁(yè) 笙三里墨里絲i 苧壘墮型絲壁壁皇塑窒塑叁重堡型 值信號(hào)和定子電壓頻率信號(hào)同時(shí)作用于電機(jī)后實(shí)現(xiàn)的 但在方波工況 下 控制系統(tǒng)失去對(duì)定子電壓幅值信號(hào)的控制 僅僅通過(guò)對(duì)定子電壓頻 率信號(hào)的控制無(wú)法既保證電機(jī)轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速相等 又保證電機(jī)轉(zhuǎn)子磁 鏈與給定轉(zhuǎn)子磁鏈相等 采用圖2 1 4 所示的矢量控制系統(tǒng)可使電機(jī)在方 波工況下正常運(yùn)行 由于引入了轉(zhuǎn)子磁鏈補(bǔ)償環(huán)節(jié) 在方波工況下 轉(zhuǎn)速閉環(huán)和磁鏈閉 環(huán)均能正常工作 不管是轉(zhuǎn)速給定發(fā)生變化還是負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變 電機(jī)實(shí) 際轉(zhuǎn)速均能與轉(zhuǎn)速給定保持一致 電機(jī)中實(shí)際的轉(zhuǎn)子激磁電流與給定激 磁電流也能保持一致 空流輸入 圖2 1 4 本文提出的矢量控制方案 2 4 本章小結(jié) 本章首先對(duì)矢量控制的基本原理和感應(yīng)電機(jī)的空間矢量模型進(jìn)行了 闡述和分析 以建立各種矢量控制方案的基礎(chǔ) 接著對(duì)矢量控制的各種 磁場(chǎng)定向方法進(jìn)行了深入分析 比較了它們之間的優(yōu)缺點(diǎn) 之后比較了 第2 l 頁(yè) 第一二章矢量控制基本原理駛感應(yīng)電村l 空間矢量模型 不同的矢量控制方案 針對(duì)大功率系統(tǒng)的特點(diǎn) 以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)直接定向的 電壓解耦型矢量控制方案為基礎(chǔ) 著重研究了電機(jī)定子電流反饋濾波環(huán) 節(jié)和逆變器方波工況對(duì)系統(tǒng)性能的影響 提出了一種矢量控制方案 該 方案除采用電壓前饋解耦以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力及穩(wěn)定性外 還對(duì) 轉(zhuǎn)予磁鏈給定進(jìn)行反饋補(bǔ)償 使控制系統(tǒng)在方波工況下依然能正常工 作 第2 2 頁(yè) 壘三 叁里堡型墨墮塑塾壁生堡 第三章矢量控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì) 為實(shí)現(xiàn)本文第二章所提出的矢量控制方案并進(jìn)一步研究其可行性 需 要建立包括主電路和控制電路在內(nèi)的一整套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 本章給出了實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng)的構(gòu)成和基于數(shù)字信號(hào)處理器 d s p 和單片微控制器的雙微機(jī)控 制系統(tǒng)的軟 硬件設(shè)計(jì)方法 3 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體構(gòu)成 圖3 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖 第2 3 貞 絲蘭莖墨塹絲型墨竺塑鑒型竺堡生 圖3 一l 為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體構(gòu)成框圖 由功率變換裝置 雙微機(jī)控制系統(tǒng) 感應(yīng)電機(jī)和傳感器構(gòu)成 功率變換裝置由二極管三相整流器 中間支撐電容 兩點(diǎn)式i g b t 逆 變器構(gòu)成 雙微機(jī)控制系統(tǒng)由d s p 子系統(tǒng) 數(shù)據(jù)交換單元和單片機(jī)子系統(tǒng)構(gòu) 成 d s p 子系統(tǒng)用來(lái)完成矢量控制系統(tǒng)中復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算 數(shù)字濾波器 和閉環(huán)調(diào)節(jié)器的數(shù)字實(shí)現(xiàn) 單片機(jī)子系統(tǒng)完成s p w m 波形生成以及與外 部電路的接口 數(shù)據(jù)交換單元用來(lái)在d s p 子系統(tǒng)和單片機(jī)子系統(tǒng)之間交 換各自所需的數(shù)據(jù) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所用電機(jī)為j o 一3 i 4 型三相鼠籠式感應(yīng)電機(jī) 其參數(shù)如下 表所示 參數(shù)數(shù)值單位 額定電壓u n 3 8 0v 額定電流i n 4 8 8a 額定頻率f n 5 0h z 極對(duì)數(shù)p 2 額定轉(zhuǎn)速n n 1 4 3 0f f m i n 定子電阻r r 2 2 3q 轉(zhuǎn)子電阻r r l5 5q 定子漏感l(wèi) s 1 o 0 1 1 1 h 轉(zhuǎn)子漏感l(wèi) f l 0 0 1 1 1h 激磁電感l(wèi) m 0 1 9 8 8h 表3 1 電機(jī)參數(shù) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的電流 電壓傳感器均采用瑞士l e m 公司生產(chǎn)的模塊 電流傳感器用來(lái)檢測(cè)電機(jī)定子相電流 型號(hào)為l a 一2 5 n p 電壓傳感器用 來(lái)檢測(cè)逆變器直流側(cè)電壓 型號(hào)為l v l 0 0 電機(jī)轉(zhuǎn)速用0 m m n 公司的轉(zhuǎn) 軸式光學(xué)編碼器e 6 b c w z 檢測(cè) 每轉(zhuǎn)6 0 0 脈沖 其輸出為互差9 0 的兩 相脈沖信號(hào) 第2 4 頁(yè) 第二章矢量控 m 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中用功率為2 4 k w 的直流發(fā)電機(jī)外接可變電阻做感應(yīng)電機(jī) 的負(fù)載 3 2 雙微機(jī)矢量控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 圖3 2 為本文所采用的雙微機(jī)矢量控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 該系統(tǒng)由 d s p 子系統(tǒng) 單片機(jī)予系統(tǒng)和數(shù)據(jù)交換單元構(gòu)成 d s p 予系統(tǒng)的核心為 t e x u si n s t r u m e n t s 公司的3 2 位浮點(diǎn)d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 1 單片 機(jī)子系統(tǒng)的核心為1 n t e l 公司生產(chǎn)的專門用于電機(jī)控制的1 6 位單片微 控制器8 0 c 1 9 6 m c 為了更簡(jiǎn)明直觀地表示 圖中省略了地址鎖存器和數(shù)據(jù)緩沖器等基 本外圍電路 下面各小節(jié)將分述各子系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 0 b 三相p w m 脈沖 圖3 2 雙微機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 3 2 1d s p 子系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 d s p 子系統(tǒng)的核心為采用4 0 m h z 晶振的3 2 位浮點(diǎn)d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 3 1 t m s 3 2 0 c 3 1 的外圍電路包括 8 片c y 7 c 1 9 9 高速r a m 6 4 k 第2 5 頁(yè) 墨三至一墨量絲型墨竺塑塹堡堡堡生 x 3 2 位存儲(chǔ)空間 l 片2 7 c 5 1 2 e p r o m 6 4 k x 8 位存儲(chǔ)空間 四路 采用 1 2 位a d 采樣芯片a d l 6 7 4 的模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換通道 兩路采用1 2 位 d a 轉(zhuǎn)換芯片a d 7 8 4 5 的數(shù)字 模擬轉(zhuǎn)換通道 a d l 6 7 4 用來(lái)對(duì)l e m 電壓 電流傳感器測(cè)得的電機(jī)相電流信號(hào)采樣 由于矢量控制算法均由控制軟 件完成 各中間變量無(wú)法用示波器直接觀測(cè) 所以采用a d 7 8 4 5 將其轉(zhuǎn) 換為模擬信號(hào)輸出 便于系統(tǒng)的調(diào)試和監(jiān)控 3 2 2 單片機(jī)子系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 單片機(jī)子系統(tǒng)的核心是8 0 c 1 9 6 m c 采用1 6 m h z 晶振 其外圍電路 包括 2 片6 2 6 4 r a m 1 6 k 8 位存儲(chǔ)空間 2 片2 7 c 1 2 8 e p r o m 3 2 k 8 位存儲(chǔ)空間 l 片8 2 c 5 5 系統(tǒng)擴(kuò)展芯片 8 k 8 位存儲(chǔ)空間 本 系統(tǒng)利用8 0 c 1 9 6 m c 的波形發(fā)生器 w g 產(chǎn)生逆變器所需的各種p w m 波形 利用e p a 定時(shí) 計(jì)數(shù)器的9 0 相移工作方式測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速 用a d 0 p 0 0 口 和a d 1 p 0 1 口 采樣電機(jī)轉(zhuǎn)速給定信號(hào)c o 和由l e m 電壓 傳感器測(cè)得的逆變器中間直流電壓信號(hào)u 3 2 3 數(shù)據(jù)交換單元 數(shù)據(jù)交換單元由雙端口r a m 實(shí)現(xiàn) 雙端口r a m 是一種特殊的存儲(chǔ) 器 它具有兩組數(shù)據(jù)總線 地址總線和兩組相應(yīng)的控制總線 雙端口r a m 兩組總線上的c p u 可同時(shí)訪問(wèn)雙端口r a m 上的不同存儲(chǔ)單元 而不會(huì) 發(fā)生訪問(wèn)的沖突和競(jìng)爭(zhēng) 雙端口的特殊結(jié)構(gòu)使得d s p 子系統(tǒng)和單片機(jī)子 系統(tǒng)迅速 方便地交換數(shù)據(jù) 增強(qiáng)了雙微機(jī)系統(tǒng)的并行處理能力 第2 6 頁(yè) 第三章矢量控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì) 3 3 雙微機(jī)矢量控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn) 控制系統(tǒng)軟件由兩部分構(gòu)成 d s p 子系統(tǒng)的控制軟件和單片機(jī)子系 統(tǒng)的控制軟件 圖2 1 2 所示矢量控制系統(tǒng)的主要功能是靠d s p 子系統(tǒng)來(lái) 完成的 d s p 子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括對(duì)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速 磁鏈和電流調(diào)節(jié)器的 設(shè)計(jì) 數(shù)字濾波算法的實(shí)現(xiàn)以及電壓解耦 坐標(biāo)變換和磁鏈計(jì)算等單元 的實(shí)現(xiàn) 單片機(jī)予系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是編制完善的s p w m 波形發(fā)生程 序和速度檢測(cè)程序 此外還要完成逆變器直流側(cè)支撐電壓的檢測(cè) 速度 給定指令信號(hào)的跟蹤以及對(duì)8 2 2 5 擴(kuò)展數(shù)字量輸入輸出口的控制 d s p 子系統(tǒng)的控制軟件和單片機(jī)子系統(tǒng)的控制軟件通過(guò)雙端口r a m 交換各自所需要的數(shù)據(jù) 經(jīng)雙端口r a m 由單片機(jī)子系統(tǒng)送給d s p 子系 統(tǒng)的數(shù)據(jù)有 電機(jī)速度給定 電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速 逆變器中間直流電壓和電 機(jī)定子電壓空間矢量在定子坐標(biāo)系中的角度 經(jīng)雙端口r a m 由d s p 子 系統(tǒng)送給單片機(jī)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)有 電機(jī)定子頻率給定值和s p w m 調(diào)制深 度給定值 3 4p w m 調(diào)制方法及各種調(diào)制方法之問(wèn)的過(guò)渡 在本文所采用的矢量控制方案中 d s p 子系統(tǒng)在完成一系列矢量控 制算法后 最終輸出給p w m 調(diào)制單元的只有兩個(gè)計(jì)算結(jié)果 定子坐標(biāo) 系中的定子電壓頻率信號(hào)正和定子電壓幅值給定信號(hào) 除以逆變 器直流側(cè)支撐電壓 4 d 即可獲得調(diào)制深度信號(hào)腳 p w m 調(diào)制單元的任 務(wù)就是根據(jù)丘和碗產(chǎn)生正確的三相p w m 信號(hào) 輸出給逆變器 控制電 機(jī)按矢量控制系統(tǒng)的要求運(yùn)行 本系統(tǒng)中p w l v l 調(diào)制單元屬于單片機(jī)子系統(tǒng) 該單元是在充分利用 第2 7 頁(yè) 堡三蘭叁重堡塑墨篁塑塑塑堡堡 8 0 c 1 9 6 m c 的波形發(fā)生器 w g 的硬件資源的基礎(chǔ)上 通過(guò)軟件編程來(lái) 實(shí)現(xiàn)的 當(dāng)被調(diào)制信號(hào)頻率較低時(shí) 本系統(tǒng)采用了異步s p w m 調(diào)制方式 在 這種情況下由于載波比比較大 由異步調(diào)制方式造成的正負(fù)半周不對(duì)稱 較小 且避免了同步調(diào)制法中不同分頻段之間頻繁切換的問(wèn)題 實(shí)現(xiàn)起 來(lái)更為簡(jiǎn)單 控制效果也較好 但當(dāng)被調(diào)制信號(hào)頻率進(jìn)一步提高時(shí) 由 異步調(diào)制方式造成的正負(fù)半周不對(duì)稱將不能忽略 三相p w m 輸出的對(duì) 稱性變差 這時(shí)就應(yīng)轉(zhuǎn)入同步s p w m 調(diào)制方式 在電力機(jī)車中 主逆變器的開關(guān)器件若采用g t o 開關(guān)頻率只有數(shù) 百赫茲 當(dāng)被調(diào)制信號(hào)頻率高到一定程度時(shí) 若依舊采用同步s p w m 調(diào) 制方式 由于調(diào)制比變小 將會(huì)產(chǎn)生較大的低次諧波 這時(shí)就應(yīng)轉(zhuǎn)入優(yōu) 化p w m 調(diào)制 采用一定的優(yōu)化準(zhǔn)則對(duì)諧波進(jìn)行一定的優(yōu)化處理 優(yōu)化p w m 調(diào)制都有一個(gè)優(yōu)化準(zhǔn)則 這個(gè)優(yōu)化準(zhǔn)則通常為一個(gè)函數(shù) 關(guān)系 通過(guò)對(duì)該函數(shù)求最大值或最小值來(lái)獲得所需的開關(guān)角 目前所采 用的優(yōu)化準(zhǔn)則有低次諧波消除 效率最優(yōu) 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小以及諧波電流 畸變t h d t o t a lh a r m o n i cc u r r e md i s t o r t i o n 最小等m 1 諧波消除法可 對(duì)低次諧波進(jìn)行消除 減小低次諧波對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響 其開關(guān)角在整 個(gè)電壓范圍內(nèi)的分布有很好的連續(xù)性 有一定的規(guī)律 所以得到了廣泛 的應(yīng)用 1 本系統(tǒng)也將其用在了被調(diào)制信號(hào)頻率較高 載波比比較小 的 情況下 圖3 3 為低次諧波消除法產(chǎn)生的p w m 波形 該波形為四分之一周 期對(duì)稱波形 不含偶次諧波 對(duì)波形進(jìn)行傅立葉分解可得各次諧波幅值 如式 3 1 所示 伽一丟 1 2 蕃 1 n o s 脅 3 1 第2 8 頁(yè) 一一堡蘭墾叁簍笙型墨墮墮竺塑堂堡生 式中 a 第k 次諧波的幅值 女 1 5 7 1 1 1 3 n 四分之一周期中的開關(guān)角的個(gè)數(shù) 圖3 3 低次諧波消除法p w i v l 波形 所謂諧波消除就是令基波幅值爿 等于調(diào)制深度 而令各次諧波 a 0 通過(guò)聯(lián)立方程求得各開關(guān)角 由于在大功率場(chǎng)合受器件開 關(guān)頻率的限制 四分之一周期內(nèi)的開關(guān)角的數(shù)目不能太多 所以盡可能 消除對(duì)系統(tǒng)性能影響較大的最低幾次諧波 0 h z l 異步 l 司步 低次諧s p w 波m s p w ms p w m 消除 方波 幽3 4 本文中的s p w m 調(diào)制規(guī)律 第2 9 頁(yè) 如 曲 第三章矢量控制系統(tǒng)的軟恥件設(shè)計(jì) 由于矢量控制系統(tǒng)工作在不同的p w m 模式 而且機(jī)車運(yùn)行時(shí)不斷 加速和堿速 因此需要在不同模式間頻繁的切換 因此不同p w m 模式間 的過(guò)渡非常重要 異步調(diào)制和同步調(diào)制之間的過(guò)渡較為容易 本系統(tǒng)中 異步調(diào)制的載波頻率為2 5 0 h z 同步調(diào)制的載波比為1 5 異步和同步調(diào) 制模式切換點(diǎn)的基波頻率為1 5 h z 切換點(diǎn)同步調(diào)制的載波頻率為 2 2 5 h z 切換點(diǎn)處的同步調(diào)制和異步調(diào)制的載波頻率非常接近 所以在任 何位囂切換所引起的沖擊都非常小 r x f1t1 fl r u e i 以們i 圖3 5 感應(yīng)電機(jī)基波等效電路 對(duì)于載波比不同的低次諧波消除s p w m 模式之間的過(guò)渡 由于載波 比較低 存在次數(shù)較低的諧波 在考慮過(guò)渡過(guò)程時(shí) 不僅要保證基波的 連續(xù)性 還應(yīng)對(duì)諧波進(jìn)行分析 確定切換的時(shí)刻 以盡量減小諧波電流 對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響 這就需要利用電機(jī)的等效電路 考慮到過(guò)渡過(guò)程時(shí) 間較短 在過(guò)渡過(guò)程前后電機(jī)的工作狀態(tài)不會(huì)發(fā)生大的變化 此處采用 了電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路 圖3 5 為感應(yīng)電機(jī)基波的一相等效電路 圖中 u 為定子相電壓 e 為定子電勢(shì) 以 為激磁阻抗 置為定子電阻 x 為定子漏抗 x j 為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的轉(zhuǎn)子漏抗 r 為折 算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻 s 為基波轉(zhuǎn)差率 由圖3 5 可得到感應(yīng)電機(jī)的簡(jiǎn)化諧波等效電路如圖3 6 所示 第3 0 頁(yè) 望 叁里絲型至竺塑竺塑 絲生 k t x 七x o 1 v 一 ti 叱 i 6 i 圖3 6 感應(yīng)電機(jī)k 次諧波等效電路 按照低次諧波消除法產(chǎn)生的逆變器輸出電壓波形如圖3 3 所示 圖 中所示三相電壓均為雙極性 1 4 周期對(duì)稱 1 2 周期反對(duì)稱的周期函數(shù) 將其表示為傅立葉級(jí)數(shù)形式 如式 3 2 所示 耐 2 沙一n k c o t t 舶一幽洄t t 3 2 為基波頻率 p 矗為a b c 各相 仍 o 曇廳 吼 由于波形的1 4 周期對(duì)稱和1 2 周期反對(duì)稱的性質(zhì) 可將式 3 2 簡(jiǎn)化 為式 3 3 所示的形式 g p h o c o t 吼s i n k c o l 一 p p h 3 3 上式中 k 為奇數(shù) h a o c o t b l b o c o t 和z g 0 c o t 為逆變器輸出電壓 它們與電機(jī)的相電 壓u s a 列 u s b 鰣 和b l s 糾 有式 3 4 3 6 p f i 示關(guān)系 c o t c o t 一j 1 c o t 一j 1 c o t 3 4 c o t 2 c o t 一弘1 c o t 一弘1 耐 3 5 u o c o t c o t 坩 一i o i 甜j o 6 謝 c o t c o t 一j 1 c o t 一 3 6 jjj 第3 i 頁(yè) 里三墅叁墨絲型墨墮塑竺塑壁堡生 下面以a 盹i n u c o t 為例來(lái)分析電機(jī)的電流諧波 式 3 3 為逆變 器輸出電壓的傅立葉級(jí)數(shù)形式 其中包含了基波成分 將基波成分去除 可得到逆變器輸出電壓諧波 c o t 的傅立葉級(jí)數(shù)形式 如式 3 7 所示 品 肼 吼s i n k c o l 卜妒m 3 7 上式中 k 為奇數(shù) 電機(jī)a 相諧波電壓之和 耐 為 以 叫 一j 1 c o t 一j 1 畦 3 8 o l c o t c o t 0 i j o 叫 一i o一