异步电机无速度传感器交流调速系统调试

描述

本文介绍了一种应用MATLAB及CCS调试异步电机无速传感器交流调速系统的方法。应用MATLAB强大的语言分析能力和绘图功能，以及DSP结合高速运行的优点，在自建的无传感器矢量控制系统平台上进行了调速试验。实验结果表明，采用Matlab可避免传统计算机模拟的复杂编程过程，减少工作量，有助于提高系统的综合效率， 并能保持系统良好的动静调速控制性能。

1. 引言

Matlab 它是一种强大的分析、计算和可视化工具，特别适用于控制系统的分析和模拟，但由于其依赖性 计算机及其平台CPU，因而由于CPU 系统功耗的原因使MATLAB 与高速信相比，程序的执行速度更快 数字的输入/输出非常慢，远远不能满足实时信号处理的要求DSP 就软件的编程能力而言，与单片机 及计算机的CPU 类似的编程设计方法，但是DSP 比单片机快很多，也比单片机快很多CPU 的功耗及 设计的复杂性要低得多，但其分析和可视化能力远低于Matlab，开发过程比较复杂。不过，目前有一种新 技术，可以DSP 和Matlab 两者紧密结合，充分利用两者的特长，有效促进控制系统的实现。

伺服驱动装置是印刷机无轴传动3控制系统的重要组成部分。大多数国内产品使用带速度传感器 专用变频器调速，控制精度低4，国外产品价格非常昂贵。因此，本文基于自己开发了一套PI 调节器无速度传感器矢量控制系统，并在自建实验平台上进行调速实验，运用 了Matlab 与DSP 实验结果表明，采用混合编程的调试方法Matlab 可以生成调试和直接目标代码的方法 避免传统计算机模拟的复杂编程过程，减少工作量，提高系统的综合效率， 并且能保持系统良好 动静调速控制性能很好地满足了印刷机无轴传动控制系统的要求。

2. 介绍了无速度传感器矢量控制系统

由于采用高性能矢量控制方法，缺乏速度传感器，如何准确获取速度信息，保持伺服系统 满足实时控制要求的高控制精度已成为本课题研究的重要方向。我们在这里采用PI 自适应控 制方法 ［9］ ，在同步轴系中使用q 轴电流误差信号估计电机速度 ［9-10］ ，如图1所示 所示。 角速给定值ω*与计算角速度反馈值ω 误差送入速度调节器，速度调节器的输出是电磁扭矩的给定 值te*，由iq1 = LrTe/PmLmФd2 可计算电流q 轴分量给定值iq1*，当q 当轴电流未达到设定值时，可以通过 Rs 产生的q 轴电压和ω1σLs 产生的d 调整轴电压。因此，iq1*与定子电流q 轴分量的实际值iq1 的误差 信号送入PI 调节器的输出 uq定子电流为1q 轴分量误差导致定子电压q 调节轴分量。

图1 结构框图的算法原理

速度计算模块以不含真实速度的转子磁链方程和坐标变换方程为参考模型 转速的PI 自适应律是一种可调模型，以定子电流转矩重量作为比较输出，利用比例积分自适应律进行速度估算 计，经过PI 调整后，输出为待求电机转速。该方法计算量小，结构简单，易于实现。

3. Matlab 与DSP 混合编程的调试方法

在传统的发展过程中，总是先用MATLAB 进行仿真。当模拟结果满意时，将算法修改为C/C 语 言， 再在硬件的DSP 在目标板上实现。发现偏差，需要重复使用Matlab 修正算法，然后在DSP 上编写修 正算法程序。这样的过程反复进行，在DSP 开发工具，Matlab 工作空间之间来回切换很多次， 当系统复杂时，需要逐步验证每个中间结果和最终结果。

如果能够把Matlab 和DSP 集成开发 环境CCS 及目标DSP 连接，使用Matlab 调试分析能力DSP 代码，那么操作TI DSP 的存储器 或者寄存器可以像操作一样操作Matlab 变量一样简单。工具包Matlab Link for CCS Development Tools 的 使用这个工具箱可以轻松解决上述问题Matlab 对CCS 操作，即整 个目标DSP 对于Matlab 像透明一样，所有的操作都只使用Matlab 实现命令和对象，简单、方便、 快 捷。以下是调试上述无速度传感器矢量控制系统的例子Matlab-DSP 控制系统中集成开发环境 应用。 在Matlab 输入命令窗口Simulink， 打开Simulink 建立异步电机矢量控制变频调速系统 统一模型12，如图2所示 结构简单明了，全部模块化，易于扩展，可根据实际需要改变每个模块 块的参数。

图2 结构框图的算法原理

接下来，设置模拟参数和Real-Time Workshop 编译仿真模型的选项。并利用Matlab Link for CCS Development Tools 建立与目标DSP 的连接。利用CCSLink 工具 ，数据可以从CCS 中传送到 Matlab 工作空间中，也可以把Matlab 数据传输到中间CCS 而且通过RTDX(实时数据交换技术 手术)，可以在Matlab 实时操作DSP 建立硬件之间的连接，在它们之间实时传输数据，而不是在它们之间DSP 上 停止操作程序，在程序运行在程序运行期间为我们提供观察DSP 实时运行状态的窗口大大简化 调试工作。Matlab、CCSlink、CCS 和硬件目标DSP 的关系如图3 所示。

图3 CCSlink 把Matlab 和CCS 及目标DSP 连接在一起

我们可以在Matlab 修改参数或变量，并将修改值传递给正在运行的参数或变量 DSP，可实时调整 通过观察探针点数据，并通过观察探针点数据来调试程序。最后把 CCSlink 和Embedded Target for C2000 DSP Platform. 通过调试，可以直接结合Simulink 模型生成DSP2812 可执行代码，加载 到DSP 在目标板中，我们可以在同一个目标板中Matlab 设计、模拟、调试、测试系统算法，并 最终在DSP2812 运行在目标板上。

4. 系统调试

如图4所示 所示，变频器系统DSP 用作运算控制单元IPM 模块用作功率电 用霍尔电流传感器检测电机三相电的两相电流。DSP 控制器对检测到的电流信号进行相应的检测 的运算处理之后，将PI 控制算法生成的三对SVPWM 脉冲信号，作用于IPM 通过改变驱动异步电机 异步电机的变频调速是输出脉冲信号的频率。

图4 系统整体结构框图

电机参数如下：Rs=10Ω;Rr=5.6Ω;Ls =0.3119H;Lr=0.3119H;Lm = 0.297H;P = 4;J=0.001kg.m2

通过DSP 与CCS 连接，可在Matlab 对目标的环境DSP 访问存储数据，然后使用Matlab 对其数据进行强大的分析和可视化工具访问，可以编译、链接、加载和运行项目，设置断点和 最后，将满意调试结果生成的目标代码直接加载到实验台上。转速输入设置为一阶跃函数，电机带 动态响应曲线如下图所示。

图5 实验结果

由图5 可见，d-q 在动态过程中，轴电压电流和磁通角响应曲线稳定Matlab 电机转矩和实际环境10DSP 11-13在实验平台下的扭矩曲线基本相同，系统响应快，超调量小，只有0.6S 即可 达到稳定。转速的阶跃响应如图5所示(d)如电机启动时系统有一定的波动，但在PI 自适应控 在制器的作用下，只需0.5S 系统可以达到稳定状态，证明速度观测器下的速度可以更好地跟踪实际情况 在稳态下，实际速度等于模拟速度值。

5. 结论

本文提出的Matlab 下的DSP 实验证明，在这种环境下，集成设计方法是可行的DSP 目标 板的操作，包括访问DSP 存储器和寄存器也可以使用Matlab 强大的工具是对的DSP 存储器中的数据 系统结构简单，调试工作量小，易于实现分析和可视化处理。同时，具有一定的自适应能力PI 速度 计算方法可以准确估计电机转速，实验结果验证了系统设计方案的正确性和可行性。

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