1、电机控制模块课程设计 目录 前言 . 一、课设要求 . 1、 1 课题研究的目的 . 1、 2 任务 . 二 、 系统总体设计 2.1、 系统组成框图 . 2.2、系统主电路 . 2.3、采样调理电路 . 2.4、滤波电路设计 . 三 、控制策略与算法 3.1、 PID 算法 . 3.2、 SPWM 波程序设计 . 3.2.1、 SPWM 波概念 . 3.2.2、产生 SPWM 波算法 . 3.2.3、 SPWM 实现程序流程图 . 3.3、交流采样测量程序实现 . 3.3.1、交 /直流变换采样方式 . 3.3.2、均方根法 . 3.3.3、基于瞬时无功理论的检测方法 . 3.2.4、傅里叶
2、级数法 . . 四 、实验的 MATLAB 仿真实现 . 五 、课设总结 . 六 、 参考文献 附录一、各模块原理图与 PCB 图 附录二、源程序代码 前言 ：直流电机由于励磁磁场和电枢磁场完全解耦，可以独立控制，因此具备良好的调速性能，出力大、调速范围宽和易于控制，广泛应用于电力拖动系统中。而随着对电机控制要求的不断提高，普通的单片机越来越不能满足对电机控制的要求， DSP 技术的发展正好为先进控制理论以及复杂控制算法的实现提供了有力的支持。 电机的控制系统是由检测装置、主控制器、功率驱动器以及上位机组成，其中 DSP 控制器是电机控制系统的关键部分，负责对电机的反馈信号进行处理并输出控制信
3、号来控制电机的转动。 电气传动是以电动机的转矩和转速为控制对象，按生产机械工艺要求进行电动机转速控制的自动化系统。根据电动机的不同，工程上通常把电气传动分为直流电气传动和交流电气传动两大类。 纵观电气传动的发展过程，交流与直流两大电气传动并存于各个时期的各大工业领域内，虽然它们所处的地位和作用不同，但它们始终随着工业技术而发展的。特别是随着电力电子技术和微电子学的发展，在相互竞争中完善着自身，发生着变更。由于直流电机具有良好的线性调速特 性，简单的控制性能，因此在工业场合应用广泛。近代，随着生产技术的发展，对电气传动在起制动、正反转以及调速能力、静态特性和动态响应方面都提出了更高的要求，所以计
4、算机控制电力拖动控制系统已成为计算机应用的一个重要内容。 开展本课题研究的控制对象是闭环直流调速系统；重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件环境的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。 目前，对于控制对象的研究和讨论很多，有比较成熟的理论，但实现控制的方法和手段随着技术的发展，特别是计算机技术的发展，不断地进行技术升级。这个过程经历 了从分立元件控制，集成电路控制和单片计算机控制等过程。每一次的技术升级都是控制系统的性能有较大地提高和改进。随着新的控制芯片的出现，给技术升级提供了新的可能。 电机控制是 DSP 应用的主要领域，随着社会的发展以及对电机控制要求的日益提高，DS
5、P 将在电机控制领域中发挥越来越重要的作用。 一、课设要求 1、 1 课题研究的目的 1、 巩固电机控制课程的理论知识。 2、 学习和掌握中电力电子系统控制系统设计的基本方法，设计一个三相 400Hz 中频静止电源； 3、 养学生独立分析和解决工程问题的工作能力及实际工程设计的 基本技能； 4、 提高编写技术文件和制图的技能。 1、 2 任务 对三相 400Hz 中频静止电源的理论进行研究，设计一台样机，参数为 400Hz，电压 36V，容量为 100VA，电压稳定度 96%，失真度小于 5%，效率 80%。 二系统总体设计 2、 1 系统组成框图 检 测 调 理光 驱电 源D S P图 1
6、系统组成框图 由图 1 可知 系统主电路由 采样调理电路、控制电路、光电隔离驱动电路和保护电路组成 。 2、 2 系统主电路 负 载图 2 主电路系统组成框图 系统主电路是典型的 AC-DC-AC 逆变电路，由整流电路、中间电路、逆变电路和隔离变压器构成。整流电路将输入的三相交流电经整流；中间电路滤波后的直流电供给逆变器；逆变电路将直流电逆变为 400Hz 的三相正弦交流电。主电路系统组成框图如图 2 所示。 2、 3 采样调理电路 该检测调理电路由霍尔检测、偏置电路和滤波三部分组成。若采样电压有效值 220V,可以选择 LEM 的 LV25-P 电压传感器测量电压，转换率为 2500:100
7、0 由于进入 DSP 的信号范围为 0-3V， LT308-S7 的副边额定有效电流为 150mA，所以选择RM=20 欧姆的测量电阻。该电压传感器原边额定有效值电流为 10mA，因此原边选择 R1=22k的限流电阻；副边额定有效值电流为 25mA，选择 RM=120 欧姆的测量电阻。 偏置电路和滤波具体参数如图 3 所示： 图 3 电压检测调理电路 2、 4 滤波电路设计 常见的滤波电路有 LC,LCL 等， LC 滤波的电路如图 4 所示： LCZ图 4 LC 滤波电路 滤波电路的输入输出传递函数为： 11 11()1jn CHj jn L jn C 式中， 1 为基波角频率， n 为谐波
8、次数。令截止频率LC10 ，则： 022 21 111( ) ( ) 11 ( )H H j n LC n 0 的选择决定了幅频特性的基本特征。 0 越大，对高频的衰减能力越差， 0 越小，对高频的衰减能越强，但是 L、 C 参数值增大，会使滤波器成本增加，体积变大，因此需要合理选择 0 。由于 根据图 4 所示，设 滤波电路后端等效 负载阻抗为 Z。则在该处阻抗满足匹配条件： 000(1 )(1 )j C ZZ j L j C Z 令截止频率LC10 ，则： CLZ继而可得， 0ZL 01ZC 三 、 控制策略与算法 本系统采用 DSP2812 为主控器件，软件代码采用 C 语言编程，所有小
9、数运算均转化为Q15 格式处理以提高运算速度。 程序由主程序和 一 个中断服务程序组成，主程序主要完成 初始化和均方根值得计算 ；定时下溢中断完成信号的采集、运算和 PWM 波的输出 。 程序流程如图 5 所示： 在该实验的程序设计时，根据控制系统需要实现的功能，涉及到了 PID 控制算法的应用、SPWM 波程序设计和交流采样程序设计三个方面。 3.1、 PID 控制算法 在本系统中选用数字 PID 控制算法，数字 PID 控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，将偏差的比例 (P)、积分 (I)和微分 (D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称 PID 控制器。数字 PID
10、控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，需要采用离散化方法。 t DIp dt teTdtteTteKtu 0 )()(1)()( sTsTKsE sUsG DIp 11)( )()( 图 5 DSP 的序流程图 PID控制器各校正环节的作用如下： (1)比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号 e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。 (2)积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数 T， T越大，积分作用越弱，反之则越强。 (3)微分环节：反映偏差信号的变化趋势 (变化速率 )，并能在偏差信号变得太大之前，在系
11、统中引入一个有效的早期修正传号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。 在软件中实现 PID调节的程序如下所示： ek=_IQ15(0.8)-u; /22937,45220给定电压 1.38V的 Q15(开环 m=0.5时 )的峰峰值，用来做闭环的参考 ) if(ek=6553)ek=6553;/对输入偏差进行限幅 if(ek=29491)uk=29491; /0.9的 Q15，输出限幅 if(uk=3276)uk=3276; /0.1的 Q15 /if(uk=3276)uk=3276; m=uk; 3.2、 SPWM波程序设计 3.2.1、 SPWM概念 SPWM 技术目前已经在实际得到非常
12、普遍的应用。经过长期的发展，大致可分成电压SPWM，电流 SPWM 和磁通 SPWM。其中电压和电流 SPWM 是从电源角度出发的 SPWM，而磁通 SPWM 则是从电动机角度出发的 SPWM。 电压 SPWM 技术是通过生成的 SPWM 波信号来控制逆变器的开关管，从而实现电动机电源变频的一种技术。 3.2.2、产生 SPWM的算法 产生电压 SPWM 信号的方法有 硬件法 和软件法。其中软件法是使电路成本最低的方法，它通过实时计算来生成 SPWM 波。但是实时计算对控制器的运算速度要求非常高。 DSP 无疑是能满足这一要求的最理想的控制器。电压 SPWM 信号实时计算需要数学模型。建立数学
13、模型的 方法很多，有谐波消去法、等面积法、采样型 SPWM 法以及由它们派生出的各种方法。 对称规则采样法的数学模型非常简单，但是由于每个载波周期只采样一次，因此所形成的阶梯波与正弦波的逼近程度仍然存在较大的误差。如果既在三角波的顶点对称轴采样，又在三角波的底点对称轴位置采样，也就是每个载波周期采样两次，这样所形成的阶梯波的逼近程度会大大提高。由于这样采样所形成的阶梯波与三角波的交点并不对称，因此称其为不对称规则采样法。与规则采 样法相比每个载波周期采样两次，这样形成的阶梯波与正弦波的逼近程度会大大提高。由于采用了内存大运算速度高的 DSP，软件控制算法选用不对称规则采样法。不对称规则采样法生
14、成 SPWM 波如图 5 所示： 由于采用不对称规则的算法，要用到正弦函数、浮点数的计算，单独用汇编语言实现较为麻烦，同时为提高运行速度，故采用 C 语言与汇编混合编程实现。 当在三角波的顶点对称轴位置 t1 时刻采样时，则有 ： aTtaTtConCoff4411 当在三角波的底点位置 t2 时刻采样时，则有 bTtbTtCoffCon4422 图 6 不对称规则采样法生成 SPWM 波 将三角形相似关系式 SMCSMCUtUTbUtUTa22s in4s in4代入上面两个式子得： 22221111s i n14s i n14s i n14s i n14tMTttMTttMTttMTtCo
15、 f fConConCo f f生成 SPWM 波的脉宽为： 2121 s i ns i n212 ttMTttt Cononon 由于每个载波周期采样两次，所以 12,5,3,1222,4,2,0221NkkTtNkkTtCC 12,5,3,122222,4,2,02222211NkN kkTffttNkN kkTffttCC 12,5,3,1s i n1222,4,2,0s i n1221NkN kMTtNkN kMTtConCon式中 k 为偶数时代表顶点采样， k 为奇数时底点采样。 不对称规则采样法的数学模型尽管略微复杂一些，但由于其阶梯波更接近于正弦波，所以谐波分量的幅值更小，在实
16、际中得到更多的使用。 以上是单相 SPWM 波生成的数学模型。如果要生成三相 SPWM 波，必须使用三条正弦波和同一条三角波求交点。三条正弦相差 120 度，即： 34s in32s ins inNkuNkuNkuABC如果使用不对称规则采样法，则顶点采样时有： 1111 sin21 sin 0 , 2 , 4 , 2 2341 sin3ConBonAonktMNkt M k NNktMN 底点采样时有： 2221 sin21 sin 1 , 3 , 5 , 2 1341 sin3ConBonAonktMNkt M k NNktMN 所以，各相的脉宽为： 121212C C Co n o n
17、o nB B Bo n o n o nA A Ao n o n o nt t tt t tt t t3.2.3、 SPWM实现程序流程图 SPWM程序实现的流程图如图 7所示： 图 7 SPWM产生流程图 3.3、交流采样测量程序设计 系统中交流特征参数 U 、 I 、 P、 Q 、 cos、 f 的 采样 测量是系统设计中一个最重要的环节。交 流采样有 以下 3 种方法 : 3.3.1、交 /直流变换采样方法 这种采样方法将交流电流和电压 Uab 、 Ia 、 Ucb 、 Ic先转成直流信号再送 A/ D 转换器进行采样，通过检测电压、电流以及两者之间的相位差，再用公式计算出三相电路的有功功
18、率 P、无功功率 Q 、功率因数 cos 00a b b 1 a b c 2P = U I c o s ( a - 3 0 ) + U I c o s ( a - 3 0 ) a c bQ a b 1 c 2= U I s i n ( a - 3 0 ) + U I s i n ( a - 3 0 ) 22Pcos = P + Q 交 / 直流变换采样计算方法的优点是运算简单、对 A/ D 转换器的速度要求低、运算工作量小、对处理器的速度和性能要求也高， 电流电压测量的稳定性好；它的缺点是首先增加了交 / 直流变换环节，变换器反应速度慢（至少 4 5 周期） 且精度不高（一般大于 0. 2级）
19、，所以这种方法测量精度差、反应速度慢。其次，由于采用过零比较器，相位差测量比较容易受到干扰，且不易被滤除。另外，相位差测量要占用较多的资源，使得这种方法不适合用于多路测量。使用商化的功率模块可以避开测量相位差 ， 但成本提高了很多。因此这种方法只适用于要求不高的场合。 3.3.2、均方根法 根据电工学上对周期性信 号有效值和平均功率的基本定义 ， 并将其离散化可以得到： N22j= 111U = u ( t) d t u ( j)TN N22j= 111I = i ( t) d t i ( j)TN nT jj0j= 011P = u ( t) i( t) d t = u iTN 22Q = (UI) - P 为了提高精度 ， 在连续一个周期内取 N = 20均匀地对交流信号 Uab 、 Ia 、 Ucb 、 Ic采样16次 ， 算出有效值及对应的有功功率 P1 、 P2 和无功功率 Q1 、 Q2，再根据两表法的原理 ，计算出各种交流电的特征参数。这种测量方法的优点是精度高、速度快。测量的有效值和平均功率一次就可以计算出来。其包含了基波和各次谐波的综合参数 ， 真实地反应了被测信号
