XXX大学本科毕业设计(论文电机交流调速软件设计学生姓名:学生学号:院(系:年级专业:指导教师:教授助理指导教师:副教授二〇一一年六月Xxx大学本科毕业设计(论文摘要摘要本文主要介绍基于意法公司STM32处理器的三相交流异步电动机调速系统的软件设计。
详细阐述异步电动机矢量控制系统和电压空间矢量PWM(SVPWM调制技术原理及软件实现。
使用IAR公司的EWARM开发环境进行C语言程序开发,同时嵌入μcos-ii实时操作系统,以提高系统的实时性。
然后通过MATLAB/Simulink 软件进行仿真验证。
实验及仿真结果表明,所设计的三相交流异步电动机调速系统具有转矩脉动小,输出电流波形好,系统响应速度快等优点。
关键词三相异步电动机,矢量控制,SVPWM,STM32,μcos-ii实时操作系统,MATLAB仿真本科毕业设计(论文ABSTRACT目录1 绪论2 矢量控制的基本原理3 电压空间矢量PWM(SVPWM的基本原理4 STM32简介5 μcos-ii实时操作系统简介6 基于STM32的μcos-ii实时操作系统移植7 MATLAB/Simulink仿真软件简介8 调速系统软件实现9 调速系统仿真模型及仿真1 绪论当前,三相交流异步电动机已广泛应用于现代工业及相关领域,其调速系统显然成为应用的关键,而调速系统的实现有很多种方式。
20世纪70年代德国学者Blaschke等人提出了矢量控制方法。
这种控制方法就是采用矢量变换使交流异步电机定子电流励磁分量和转矩分量之间实现解耦,交流异步电动机的磁通和转矩分别进行独立控制,从而使交流异步电动机变频调速系统具有了直流调速系统的优点。
因此,近几年来得到相当广泛的应用。
矢量控制采用脉宽调制(PWM技术控制输出电压,PWM技术主要有正弦PWM(SPWM、消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM、电流滞环跟踪PWM(CHBPWM、电压空间矢量PWM(SVPWM等控制技术。
其中经典的SPWM 控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波,并未顾及输出电流的波形。
而电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流,使之在正弦波附近变化,这就比只要求正弦电压前进了一步。
然而交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目标是在电动机空间形成圆形旋转磁场,从而产生恒定的电磁转矩,这正是电压空间矢量PWM(SVPWM控制技术的控制目标。
如此,SVPWM控制技术具有系统逆变器直流端母线电压利用率高、开关损耗小、电动机转矩波动小等优越性能,应用更为广泛。
本文详细阐述异步电动机矢量控制系统和电压空间矢量PWM(SVPWM调制技术原理及基于意法公司STM32处理器的软件实现,同时嵌入μcos-ii实时操作系统,以提高系统的实时性,然后通过MATLAB/Simulink软件进行仿真验证。
实验及仿真结果表明,该设计的三相交流异步电动机调速系统具有转矩脉动小,输出电流波形好,系统响应速度快等优点。
2 矢量控制的基本原理2.1矢量控制的基本思路通过坐标变换,使异步电动机等效成直流电动机,模仿直流电动机的控制策略,得到直流电动机的控制量,然后经过相应的坐标反变换,就能够控制异步电动机。
即通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统(VC 系统。
基结构框图如图2-1。
2.2坐标变换2.2.1坐标变换引出由于异步电动机的动态数学模型复杂,即是一个多变量(多输入输出,并且电压(电流、磁通、转速、频率之间相互影响的高阶、强耦合、非线性系统,因此,要分析和求解这样的数学模型所列的方程显然是十分困难的。
在实际应用中必须设法予以简化,而简化的基本方法就是坐标变换。
2.2.2坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路是能把异步电动机的物理模型等效的变换为类似直流电动机的模式,所依据的原则是:在不同的坐标下所产生的磁动势完全一样。
首先看看直流电动机的物理模型,如图2-1中所示。
图中F 为励磁绕组,A 为电枢绕组,其中F 在定子上,A 在转子上。
这里把F 的轴线称作d 轴,主磁通Ф的方向就是沿着d 轴的方向;A 的轴线则称为q 轴,由于换向器电刷的作用,电刷两侧每条支路中导线的电流方向总是相同的,因此,电枢磁动势的轴线始终被电刷限定在q 轴位置上,其效果好象一个在q 轴上静止的绕组一样,即电枢绕组。
由此可描述直流电动机的物理模型是建立在两个相互垂直的坐标系上的,其中d 轴励磁绕组A 的励磁电流a i 决定主磁通Ф,而q 轴电枢绕组F 的电枢电流f i 在主磁通Ф下产生电磁转矩,与主磁通Ф无关。
在交流电动机三相对称的静止绕组A 、B 、C 中,通以三相平衡的正弦电流Ai ,B i ,C i 时,所产生的合成磁动势是旋转磁动势F ,它在空间呈正弦分布,以同步转速1 顺着 A-B-C 的相序旋转。
其物理模型如图2-2(a 所示。
依据坐标变换的原则,要建立与直流电动机的物理模型等效的物理模型,可由下面的方法进行坐标变换:一是将三相静止坐标系转换为两相静止坐标系(3/2变换,二是将两相静止坐标系转换为两相旋转坐标系(3s/2r 变换,如图2-2。
如此得到与直流电动机的物理模型的等效的坐标系。
2.2.3坐标变换之三相 - 二相变换(3/2变换3/2变换即三相静止坐标系到两相静止坐标系的转换,根据文献[8]知,(式2-1 则三相静止坐标系到两相静止坐标系的转换的转换矩阵2/3C 为,(式2-2由(式2-2可得到两相静止坐标系到三相静止坐标系的变换(2/3变换,即2/3C 的逆矩阵3/2C 为,(式2-32.2.4坐标变换之二相 - 二相变换(2s/2r 变换2s/2r 变换即二相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换,α、β轴为静止的, d,q 轴是以转速1ω旋转的,α轴与d 轴的夹角为ϕ,根据文献[8]知,(式2-4 ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=⎥⎦⎤⎢⎣⎡C B Aβ232302121132αi i i i i⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=2323021211322/3C ⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=2321232110322/3C ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡q d s 2/r 2q d βαcos sin sin cos i i C i i i i ϕϕϕϕ则两相旋转坐标系到二相静止坐标系的变换的变换阵为,(式2-5由(式2-4两边左乘以变换阵的逆矩阵,可得 (式2-6则二相静止坐标系到两相旋转坐标系变换的变换阵为,(式2-72.3异步电动机在两相同步旋转坐标上的数学模型2.3.1磁链方程在dq 坐标系的磁链方程为,(式2-8其中, —— dq 坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感;—— dq 坐标系定子等效两相绕组的自感;——dq 坐标系转子等效两相绕组的自感;sd ψ、sq ψ、rd ψ、rq ψ分别表示d 、q 轴上定子磁链,d 、q 轴上转子磁链;⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=ϕϕϕϕcos sin sin cos s 2/r 2C ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡βαq d cos sin sin cos i i i i ϕϕϕϕ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=ϕϕϕϕcos sin sin cos r 2/s 2C⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡rq rd sq sd r m r m m s m s rq rd sq sd 00000000i i i i L L L L L L L L ψψψψr m r l L L L +=ms m 23L L =s m s l L L L +=sd i 、sq i 、rd i 、rq i 分别表示d 、q 轴方向定子绕组电流,d 、q 轴方向转子绕组电流;2.3.2电压方程在dq 坐标系的电压方程为,(式2-9其中,s R 为转子内电阻,r R 为定子内电阻; 1ω为同步角转速,其等于定子频率; s ω为转差,ωωω-=1s ,ω为转子转速; sd u 、sq u 、rd u 、rq u 分别表示d 、q 轴方向定子绕组电压,d 、q 轴方向转子绕组电压。
2.3.3转矩与运动方程在dq 坐标系的电转矩方程为,(式2-10 运动方程为,(式2-112.3.4异步电动机在两相同步旋转坐标上的状态方程由于鼠笼型转子内部是短路的,故有rd u = rq u = 0 ,由代数变换可知,其状态方程,即s r i --ψω状态方程,⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+-+-+--+=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡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 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 uωωωωωωωω(rq sd rd sq m p e i i i i L n T -=tn J T T d d p L e ω+=(式2-12 (式2-13(式2-14(式2-15(式2-16其中, ——电机漏磁系数;——转子电磁时间常数。
2.4按转子磁链定向的矢量控制2.4.1按转子定向的旋转坐标系现令d 轴沿着转子总磁链矢量方向,并称之为M 轴,而q 轴再逆时针转90°,即垂直于转子总磁链矢量,称之为T 轴。
即有r rm rd ψψψ==, 0==rt rq ψψ (式2-172.4.2按转子定向的旋转坐标系的状态方程转矩方程为 (式2-18L p rq sd rd sq r m 2p (d d T J n i i JL L n t --=ψψωsdr m rq 1rd r rd (1d d i T L T t +-+-=ψωωψψsq r m rd 1rq r rq (1d d i T L T t +---=ψωωψψs 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 σωσωψσψσ+++-+=s sq sd 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 σωσωψσψσ+-+--=r r r R L T =rs 2m 1L L L -=σr st r mp e ψi L L n T =转差方程为 (式2-19d 、q 解耦方程 (式2-192.4.3按转子磁链模型(计算ϕ按转子磁链模型如下图图2-3,2.4.4按转子磁链定向的矢量控制矢量控制的结构框图如下图2-4,r r st m s 1ψωωωT i L ==-sm r m r 1i p T L +=ψ3 电压空间矢量PWM(SVPWM的基本原理4 STM32简介4.1基于CORTEX-M3内核的STM32CORTEX-M3是ARM公司最新推出的基于ARM v7体系架构的处理器核,具有高性能、低成本、低功耗的特点,专门为嵌入式应用领域设计。