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1、 本科生毕业论文（设计）开题报告题 目: 基于DSP的交流电机控制的研究与实现 姓 名: 李鑫 学 院: 南京农业大学工学院 专 业: 农业电气化与自动化 班 级: 电气121 学 号: 32112117 指导教师: 徐进 职称: 讲师 2016 年 03 月 05 日南京农业大学教务处制1课题背景与研究意义直流（Direct Current，DC）电机因为具有优越的调速性能，良好的控制性能，比较大的启动转矩和运行的平稳以及高效率，已经被广泛的应用于工业控制和民用领域。然而,传统的DC电机全是具有电刷和换向器的，这些是其不能缺少的部件,主要功能是用于对电流换向。但是，这会带来一系列的缺点:如机
2、械换向时会有电火花出现，损坏组成元件，从而减少电机的使用年限，以及需要定期保护维修等。这些缺点必然导致了系统的不可靠性，并使其使用场合受到了一定的限制。近几年来对电力电子装置控制技术的研究十分活跃，各种现代控制理论，如自适应控制、滑模控制和人工神经网络、以及智能控制(如专家系统、模糊控制、遗传算法、采用微分几何理论的非线性解耦1、鲁棒观察器2，在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列3设计方法等)和无速度传感器等高动态性能控制都是研究的热点，这些研究必将把交流调速技术发展到一个新的水平。交流电机控制系统广泛应用于机械、冶金、矿山、化工、石油、纺织、造纸、印染、水泥、船舶、铁路等行业，是最
3、有发展前途的一种控制方式。从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距 1015 年，就目前而言，尽管交流电机的控制系统的研发在国内还比较活跃，但是市场上的绝大部分产品还是被国外产品所占据，为此，我们需要密切关注国际变频调速技术发展的趋势，紧跟着国内市场的需求，加快国内变频调速系统的发展，努力研制出自己的产品。 为了克服以上的缺憾，我们决定研究交流电机的控制系统。由于交流电机器件组成非常简单、可以平稳的调节速度、输出转矩大、维护容易以及防止电磁干扰等许多好的特性，迄今已在很多领域中大量使用。但是用来控制交流电机基准计算方法比较复杂，响应速度快和需要处理非常多的信息等因素限制了其发展。交流
4、电机控制器的最开始采用的是模拟电路，后来就将数字电路和单片机相结合来控制。可是两者都有明显缺陷，一个应用的都是特别容易发生老化的模拟元件，而且只要温度变化一点点都会受到影响；另一个虽然解决了上一个的一些缺陷，可是系统运行时速度还是不够快，这样就不能够展现出交流电机的优良特性，在本时代工业背景下就不能够满足实时操作和控制的要求。为了解决这一矛盾，性能更强大的数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）应运而生，并取得了显著研究成效。近几年，我国在交流电机控制器方面的研究也取得了许多成果，但是在驱动和控制等技术方面仍有待继续深入，所以关于交流电机转速控制的研究与实现有
5、着长远意义4。2 国内外研究现状 交流控制理论在70年代获得了突破性的发展。德国西门子公司的等提出的“感应电动机磁场定向的控制原理”和美国和提出的“感应电机定子电压的坐标变换控制”奠定了矢量控制的基础。这种理论的出发点是考虑到交流电机的非线性、多变量、强藕合的时变系统5,通过坐标变换重建电动机模型即可等效为一台直流电动机。其后,随着现代控制理论、微处理技术电力电子技术的不断发展与应用,矢量控制的交流调速系统进入了伺服控制的高精度领域,而且实现了无速度传感器的矢量控制。然而矢量控制在实际系统存在很多问题,即转子磁链难以准确观测,系统特性受电机参数变化影响较大,以及在模拟直流电动机控制过程中所用的
6、矢量旋转6坐标变换的复杂性,使得实际控制效果难以达到理论分析的结果,虽然传动领域的专家们针对矢量控制上的缺陷做过诸如参数的实时辨识补偿以及使用状态观测器等现代控制理论进行研究,但是这些方案的引入使得系统复杂化,控制的实时性和可靠性降低了。现阶段，交流电机的有位置传感器控制技术正渐渐步入了成熟的轨道。国外发达国家研究交流电机比较早，技术应用也相对成熟。美国和日本在交流电机驱动与控制方面是在领头羊的位置，美国在军工方面应用则更加先进，日本则更加偏重在民用。截止到目前，交流电机已经被广泛的应用在数控机床，雷达，潜艇，军工随动系统等许多高科技领域。与此同时，我们也一直在提高对电机控制性能的要求，使得这
7、项技术更加完善。 2.1转矩脉动的抑制转矩脉动是系统设计需要解决的一个重要难题，齿槽效应和磁通畸变7会引起转矩脉动，那么除此之外，与控制系统息息相关的可以引起转矩脉动的因素即是电流的误差调节和电子换向问题。对于前者完全可以在电机制造方面消除其影响，典型的方法即是采用无槽电机。而对于如何抑制电子换向所引起的转矩脉动的问题，从上一世纪八十年代Jahns详细论证了交流电机一定存在转矩脉动开始，到目前为止，国内外许多学者都进行了大量的研究，并对每一种情况都提出了相应的解决办法。2.2智能控制系统智能控制是近几年比较火热的研究方向，其中模糊控制应用简单，对于系统的动态响应也具有极其良好的鲁棒性。早期智能
8、控制系统设计的最主要最核心的芯片采用的单片机，因为其不仅价格低廉，而且还可以满足基本的控制要求，但是单片机的运行能力有限，在复杂的控制系统中以及多台电机协同工作的情况下，就难以达到必须实施控制系统的要求。那么在电力半导体科技快速发展的影响下，就出现了数字信号处理器DSP。DSP是一款专门的快速响应的处理器，其输入的数字信号是由模拟信号采集、嵌位后得到，由于其采用改进的哈佛结构8，并集成了许多种便于信号处理和数字运算的硬件，它处理信号的速度比其他的芯片快得多，现在的时代是数字科技的时代，DSP已经成为很多领域的关键器件，例如TI，通信等。3 应用前景在发达国家中生产的总电能有一半以上是用于电机的
9、能量转换，这些电机传动系统当中90%左右的是交流电机。在国内,电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。并且使用中的电机绝大部分还是中小型异步电机，加之设备的陈旧，管理、控制技术跟不上，所浪费的电能甚多。能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都起着极为重要的作用。在高速增长的经济环境下，我国能源工业面临着经济增长与环境保护的双重压力。有资料表明，受资金、技术、能源价格的影响，我国能源利用效率比发达国家低很多。为此，国家十五计划中，在电机系统节能方面投入的资金高达 500 亿元左右，由此可见，在我国交流电机的控制系统将有巨大的市
10、场潜能。4 参考文献1翟红存，薛重德，魏昌洲.基于DSP 的 SPWM 变频调速系统的实现.机械与电子，2005.2王晓明，王玲.电动机的 DSP 控制. 北京航空航天大学出版社.2004.7.3Mouloud Azzedine Denai, Sid Ahmed Attia. Fuzzy and Neural Control of an Induction Motor. Int.J.Appl.Math.Comput.SCI. Vol.12, NO.2, pp.221233,2002. 4李永东.交流电机数字控制系统.北京，机械工业出版社,2002.4. 5 Haddoun, A.; Benbo
11、uzid, M.E.H.; et al.“Comparative analysis of estimation techniques of SFOC induction motor for electric vehicles”. ICEM 2008. 18th International Conference on , pp.1-6,2008.6Bodkhe, S.B.; Aware, M.V., “A variable-speed, sensorless, induction motor drive using DC link measurements”. ICIEA 2009. 4th I
12、EEE Conference on , pp.3591-3596, 2009.7Jamoussi, K.; Chadli, M.; et al.“Robust fuzzy sliding mode observer for sensorless field oriented control of induction motor”. SSD.09. 6th International Multi-Conference on, pp.1-7,2009.8王文森，李永东.无速度传感器异步电机矢量控制系统低速性能改进M.清华大学工学硕士学位论文，2001.6.4研究的目标设计一个基于DSP芯片的交流电
13、机的控制系统。主要是完成矢量控制的交流电机控制的部分，实现软件硬件的全面设计与实现。5研究的内容 在CCSV5.5平台上编程调试，通过显示板改变交轴电压的占空比，再经坐标变换得到EVA所需的三个比较点，用于产生控制逆变器工作状态的六路PWM波，由此实现了对交流电机的全数字化控制。该系统包括开关单元，驱动电路，检测电路等。将程序烧入系统主控芯片后，可以通过显示板控制电机的转速，然后采集驱动电路中各路PWM波形，并对波形进行详细分析，分析结果显示该系统满足实时控制，转矩波动小以及平稳运行等要求。6拟解决的关键问题 1、硬件电路的设计 2、软件程序的编程 3、波形输出 4、成果测试与校对 5、设计成
14、果展现7研究方法 （1）通过对设计所需的几项数据因素中入手，学习DSP2812芯片的工作原理。 （2）根据实际效果选择控制方式：矢量控制、PWM控制、智能控制等。 （3）了解当今国内外相关技术的发展与进程，从而从中吸取经验与教训。 （4）对于最终的输出结果进行多次的运行，已达到最佳的设计结果。8技术路线发展历程分析比对咨询考量采用矢量控制电机控制系统设计与实现交流电机多次运行达到最佳效果DSP芯片9实验方案（1） 硬件系统的整体架构设计：开关单元，驱动电路，检测电路。（2） 软件调试：CCSV5.5平台上编程调试，调整坐标变换，实现智能控制。（3） 通过反复的运行系统，达到最佳的设计目标。10
15、可行性分析1、 如今，交流电机的控制已经引起了国内广泛重视，有大量人力物力支持研究。2、 国外对于该项目的研究相当成熟，可以借鉴国外的实际工程，结合中国实际研究。3、 CCSV5.5已经是相对成熟的电力程序软件。4、DSP也是较为专业的控制芯片，具有较高的稳定性与研究价值。11特色或创新之处（1）随着技术的变革与节能减排思想的推广，交流电机控制问题在近年颇为重视，我国对此也研究尚浅，所以此次研究是一项有广大前景的领域，有着重要的研究价值。（2）运用DSP芯片进行系统设计的思想，属于该项研究较为前沿的设计理念，将引领未来该项技术的革命与发展。12研究计划及预期进展2015年11、12阅读资料，进
16、行相关学习，对课题有初步了解2016年1月-3月完成开题报告、文献综述及外文翻译，开始学习DSP与CCSV5.52016年4月进行硬件设计与软件编程，完成设计2016年5月中旬前完善设计项目，撰写论文2016年5月下旬总结项目，做PPT，汇报13已具备的条件 （1）电脑中已顺利安装CCSV5.5软件，可供学习操作 （2）网络及图书馆资源方便查找文献、期刊等资料供学习；（3）拥有指导老师和有实践经验的同学提供帮助。13尚缺少的条件 （1）对于CCSV5.5软件了解较少，而且相关书籍也较少。 （2）对次交流电机控制理论了解太少，很难深入学习领会其中奥秘。（3）对于DSP掌控有一定难度，只能在理想理论上研究。14解决途径（1）在网上购买相应的书籍，深入学习CCSV5.5软件 （2）借鉴文献，在知道大致理论基础上，进行设计研究 （3）在理想理论层面进行研究，然后再一点点将理论引向实际实践。本科生毕业论文（设计）开题报告评定表指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日备注教务处制表