THRF-2型 实验指导书
目录
一、实验目的 (2)
二、实验原理 (2)
2.1交流异步电动机转子磁场定向控制 (2)
2.2交流异步电动机直接转矩控制 (7)
三、基于DSP全数字控制调速系统原理 (9)
3.1系统软硬件构成 (9)
3.2数字PID原理介绍 (10)
四、实验设备和器件 (11)
五、实验内容与步骤 (11)
5.1实验步骤 (12)
5.2实验内容 (13)
六、实验报告 (16)
七、预习要求 (16)
八、注意事项及说明 (16)
THRF-2 DSP矢量控制变频器调速实验系统
一、实验目的
1．了解以TMS320F2812为核心构成的全数字控制交流异步电动机变频调速实验系统的硬件与软件组成。
2．掌握交流异步电动机采用磁场定向控制（FOC）与直接转矩控制（DTC）变频调速系统的工作原理、优缺点及应用场合。
3．掌握交流异步电动机磁场定向和直接转矩控制中实现矢量变换的方法和意义。
4．了解交流异步电动机直接转矩控制中滞环的工作原理以及电压空间矢量的概念。
5．研究不同控制方式下有关控制参数变化对系统稳态与动态特性的影响。
二、实验原理
2.1交流异步电动机转子磁场定向控制
2.1.1交流异步电动机数学模型
在介绍磁场定向控制原理前，先引入异步电机的数学模型。为了分析方便，先对三相异步电机做如下理想化假定：
（1）电机定转子三相绕组完全对称；
（2）定转子表面光滑，无齿槽效应，定转子每相气隙磁动势在空间呈正弦分布；
（3）磁饱和、涡流及铁心损耗忽略不计。
d、q、α、β轴上的
sd s sd m rd sq s sq m rq
rd r rd m sd rq r rq m sq
L i L i L i L i L i L i L i L i ψψψψ=+=+=+=+ （2）
转矩表达式如下：
m
em n
sq rd r
L T P i L ψ= （3） 在上述公式中，s R 、r R 为电机定转子电阻；s L 、r L 、m L 分别为定转子的自感和互感；p 是微分算子；sd U 、sq U 是定子电压在dq 轴上的分量；sd i 、
sq i 是定子电流在dq 轴上的分量；sd ψ、sq ψ是定子磁链在dq 轴上的分量。（定子磁场减去转子磁场等于励磁分量，由励磁分量传递电磁功率）
对于一般电机调速系统而言，从转矩到转速近似为一个积分环节，其积分时间常数由电机和负载的机械惯量决定，为不可控量，因此转矩控制性能的好坏直接关系到一个调速系统的动静态特性。从转矩表达式可以看出，异步电机的转矩一般和定子电流矢量、转子磁场以及交角有关。因此，要想控制转矩，必须先检测和控制磁通。在磁场定向矢量控制中，一般把d q -坐标系放在同步旋转磁场上，把静止坐标系中的各交流量转化为旋转坐标系中的直流量，并使d 轴方向和转子磁场方向重合，此时转子磁通q 轴分量为零（0rq ψ=），此时，式（1），（2）变为：
（4）
（5）
（6） ()m
sq s sq s sq s s sd rd r L U R i L pi L i L ω=+?+?+ （7）
1m
rd sd r L i p ψτ=
+ （8）
m sq
sl r rd
L i ωτψ=
（9）
2
em rd sl
r
Pn
T
R
ψω
=（10）
式（6）－（10）为转子磁场定向控制方程式。漏磁系数
2
1m
s r
L
L L
?=-；rτ为转子时间常数。由式（8）不难发现，只需检测定子电流的d轴分量即可观测出转子磁通幅值。由式（3）可知，当rd
ψ恒定时，电磁转矩和电流的q轴分量或转差成正比，没有最大值限制，通过控制定子电流的q轴分量即可控制电磁转矩。所以，也称定子电流的d轴分量为励磁分量，定子电流的q轴分量为转矩分量。因此，可以通过定子电流的d轴分量控制转子磁通，q轴分量来控制转矩，从而实现了磁通和转矩的解耦控制。这种带有转子磁通反馈的矢量控制系统，也称为直接转子磁通定向矢量控制，其优点是系统达到完全的解耦控制，缺点是磁链闭环控制系统中转子磁通的检测精度受转子时间常数的影响较大，在某种程度上影响了系统的性能。
2.1.2交流异步电动机转子磁场控制原理
图2所示的是异步电机磁场定向控制的框图，利用空间矢量分析法，采用磁场定向将定子电流进行CLARK变换和PARK变换（下文会对矢量变换进行介绍），得到在dq坐标系下的励磁反馈电流sd i和转矩反馈电流sq i，与给定励磁电流sdref
i和转矩电流sqref
i比较，再经过PARK 逆变换输出在αβ坐标下的电压，用来决定空间矢量的PWM波形输出。速度反馈一方面用于与给定速度比较产生sqref
i，另一方面进入电流模型决定磁链的位置，并用于PARK和CLARK 逆变换。通过对电机三相电流采样，经过坐标变换转换到转子的同步坐标下，再经过电流环PI 调节出适当的电压矢量，经过空间矢量发生器后去控制三相逆变器。这里在进行坐标变换时需要知道转子轴的位置，即图1中的θ角，根据式（8）、（9），可以通过定子电流矢量和电机转子时间常数来获得这一角度。
图2 转子磁场定向控制原理框图
2.1.3坐标变换公式
这里取电机转子轴为d轴，q轴顺着旋转方向超前d轴90电角度。其坐标变换公式主要
有CLARK 变换和PARK 变换。
1）CLARK 变换
α1112
20a
b c i i i i i β????-
-
??????
=?????????????? （11） 其反变换为：
α1
01212
a b c i i i i i β?
?
????????
????=-?????????????
?-?? （12） 2）PARK 变换
cos sin sin cos d q i i i i αβθ
θθθ??????
=??????-???
??? （13） 其反变换为：
cos sin sin cos d q i i i i αβθ
θθθ-??????
=?????????
???
（14）
其中a i 、b i 、c i 分别是三相定子电流，i α、i β分别是在αβ-坐标下的电流分量，d i 、q i 分别是在d q -坐标下的电流分量。
2.1.4 空间矢量算法介绍
在目前的PWM 调制方法中，空间矢量调制法可以获得更高的直流电压利用率和更低的输出谐波，因而受到广泛的应用。另外，目前2000系列DSP 内部都有空间矢量发生器，从而使得这一调制方法应用更为方便。由于硬件生成的是五段式调制法，相对于七段式的调制方法有更高的电压谐波，因此，下面介绍一种软件生成空间矢量调制的方法。
图3画出了几个基本的空间矢量以及扇区分布，图中所示的是两相固定坐标αβ，可以从旋转坐标dq 经坐标变换得来，具体变换公式如下所示：
cos sin sin cos d q u u u u αβθ
θθθ-??????
=????????????
（15） θ是转子轴d 与α坐标之间的电角度。
（17）
另外定义：
12
2
aon PWMPRD t t t --=
1bon aon t t t =+ （19） 2con bon t t t =+
DSP 内相应的寄存器设置如表2。
表2 DSP 内比较寄存器的设置
2.2交流异步电动机直接转矩控制 2.2.1 直接转矩控制原理
直接转矩控制系统的原理是利用空间矢量分析法、采用定子磁场定向将实时检测到的定子电流和通过逆变器获得的定子电压进行3/2变换，从而直接在静止αβ-坐标系下计算交流电机的转矩和磁链，再分别与给定转矩和磁链进行比较，进行Bang －Bang 控制，根据控制器输出结果和磁链位置查找最优开关表产生的PWM 信号，直接对逆变器的开关状态进行最优控制。其基本框图如图4所示。
直流母线电压
??
（20） 式中a S ，b S ，c S 为逆变器的开关状态。 2.2.3 磁链观测
dt )R i u s s s s (-=?ψ （21）
离散化后并写成α、β分量的形式得
()()()()[]()()()()[]
??
?---+----+-==s s s s s s s
s s s s s T n i R n u n n T n i R n u n n 111111ββββ
ααααψψψψ （22） 式中s T 为采样周期，()n s αψ、()n s βψ为两相磁链。 磁链的幅值为
s ψ= （23）
磁链的相位为
(/)s s arctg αβθψψ= 2.2.4 转矩观测
()αββαψψs s s s n e i i p T -= 式中n p 为电机极对数 2.2.5 滞环控制策略 2.2.5.1 磁链偏差调节
用给定磁链*ψ图5所示。当ψψψ?>-*时，1φ=，，表示要减少磁链幅值；当ψψψψ??<--<*
图5 磁链调节
2.2.5.2 磁链空间位置的判断
为更好的确定磁链空间位置，选择合适的电压矢量，将圆形磁链划分为6个扇区，用m =1，2，3，4，5，6表示，具体划分方法见表3。
表3 磁链位置判断
2.2.5.3 转矩偏差调节
转矩滞环调节如图6所示，这里以磁链在第一扇区为例，当电机正转时，若1τ=表示要增大电磁转矩，可加电压矢量5(110)V 或6(010)V 进行调节；若0τ=，表示要减少电磁转矩，可加电压矢量0(000)V 或7(111)V 进行调节；若1τ=-表示要迅速减少电磁转矩，可加电压矢量2(001)V 或3(101)V 进行调节。
图6 转矩滞环调节
综合以上电磁磁链开关量φ，转矩开关量τ及磁链位置m ，可以正确选择合适的电压矢量
s V ，从而对电机的转速进行调节控制。表4给出了电机正转时的定子电压矢量开关表。若电机
反转时，只需对此开关表作相应调整即可。
表4 正向旋转时定子电压矢量开关表
三、 基于DSP 全数字控制调速系统原理
3.1系统软硬件构成
DSP 的高性能变频调速系统原理框图如图7所示。系统主电路采用交－直－交电压型变频器，功率器件采用智能功率模块IPM ，该模块包含了六个IGBT 、六个续流二极管、栅极驱动电路、逻辑控制电路以及欠压、过流、短路、过热等保护电路。模块的主电路共有5个端子，即直流电压输入端“＋”、“－”，三相交流电压输出端U 、V 、W 。控制部分包括PWM 信号输入，过流、欠压、过压等故障信号以及驱动电源等，其中DSP 生成的PWM 信号需通过光耦合器隔离后输入。
本系统由DSP 、信号检测电路、驱动隔离和保护电路等构成，DSP 采用美国TI （Texas Instruments ）公司TMS320LF2812 芯片是TMS320C2000平台下的一种32位高性能定点DSP 芯片。TMS320LF2812芯片提供了一种低成本、低功耗、高性能的处理能力，对电机运行的数字化控制非常有用。几种先进外设被集成到该芯片内，以形成真正的单芯片控制器，该芯片具有处理性能好（高达150MIPS ）、外设集成度高、程序存贮器大、A/D 转换速度快等特点。
高速CPU 允许数字控制设计者能够实时处理算法，从而解决了只能通过查表获得近似值的弊端，可以对非常复杂的控制算法进行实时运算。
作为系统管理器，DSP 必须具备强大的片内I/O 和其他外设功能，该系列芯片内的事件管
理器可以为所有电机类型用户提供高速、高效和全变速的先进控制技术。在该事件管理器中，包括特殊的PWM 产生功能，特殊的附加功能包括可编程的死区功能和空间矢量PWM ，后者具有三个独立的向上/下计数器，每一个都有属于它自己的比较寄存器，可以支持产生非对称的和对称的PWM 波形，六路捕获输入中的四路可以直接连至光电编码盘的正交编码脉冲，从而为
图8 PID 调节器控制框图
由于本实验装置中采用了PID 控制环节，下面介绍两种数字PID 算法： （1）位置式PID
1
()()()[()()]K
p i d i u KT K e KT K e iT K e KT e KT T ==++--∑
（2）增量式PID 控制实现
()(()())()[()2()(2)]p i d u KT K e KT e KT T K e KT K e KT e KT T e KT T =--++--+-
其中()u KT 为调节器第K 个周期的输出信号；()e KT 为调节器的误差信号；p K 为比例系数；i K 为积分系数，/i p i K K τ=；i τ为积分时间常数；d p d K K τ=；d τ为微分时间常数。
下面介绍一下PID 调节器参数对控制性能的影响。 比例控制p K 对系统性能的影响
1）对动态特性的影响：比例控制p K 加大，使系统的动作灵敏，速度加快；p K 偏大，振荡次数加多，调节时间加长；当p K 太大时，系统会趋于不稳定。若p K 太小，又会使系统的动作缓慢。
2）对稳态特性的影响：加大比例控制p K ，在系统稳定的情况下，可以减少稳态误差，提高控制精度，但加大p K 只减小误差，却不能完全消除稳态误差。
积分控制i τ对控制性能的影响
1）对动态特性的影响：积分控制i τ通常使系统的稳定性下降，i τ太小，系统将不稳定，振荡次数较多；i τ太大，对系统性能的影响减少。只有当i τ合适时，过渡特性才比较理想。
2）对稳态特性的影响：积分控制i τ能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。但若i τ太大，积分作用就会太弱，以至不能减小稳态误差。
微分控制d τ对控制性能的影响
微分控制不能单独使用，经常与比例控制或积分控制联合作用，构成PD 控制或PID 控制。微分控制的作用，实质上是跟偏差的变化速率有关，通过微分控制能够预测偏差，产生超前的校正作用，可以较好地改善动态特性，如超调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减少，提高控制精度等。但当d τ偏大时，超调量较大，调节时间较长。当d τ偏小时，同样超调量和调节时间都较大。只有d τ取得合适，才能得到比较满意地控制效果。
把三者的控制作用综合起来考虑，不同控制规律地组合，对于相同地控制对象，会有不同地控制效果。一般来说，对于控制精度要求较高地系统，大多采用PI 或PID 控制。 四、 实验设备和器件
1． T HRF-2型 DSP 矢量控制变频调速实验箱一台 2． 电机导轨、交流电机DJ16-2各一台
3． 电脑一台（安装CCS3.1、THRF-2上位机软件） 4． R S232串口通讯线一根 5． 连接导线若干
6． T HREM-1 DSP 实时在线仿真器（选配） 五、 实验内容与步骤
用户可以根据自己的需要选择运行或仿真模式，具体见使用说明书。“运行”侧与“仿真”模式的实验内容相同，但“运行”模式不需连接仿真器，系统运行已烧录的程序，因此不具备
CCS3.1开发环境。“仿真”模式时，DSP程序通过仿真器下载后，一定要点击“运行”，再关闭CCS软件或者点选CCS软件中“Debug”下的“Disconnect”后方可进行实验。
5.1 实验步骤
5.1.1硬件连接：用配套的强电线将电机接线座上的A与Z、B与X、C与Y分别短接，再将A、B、C对应连接到THRF-2上的U、V、W，用串口线连接电脑COM1口和THRF-2实验箱核心板上DP9针插座，将交流电机DJ16-2的编码器输出接到THRF-2实验箱速度反馈七芯航空插座上。
5.1.2不同模式下的操作步骤
1）在运行模式下，DSP开发板的JP6插针的短路帽插在“F”一端；
（1）启动操作：开控制电源开关后，观察实验箱上“电压保护”指示灯和“开机保护”指示灯的状态：
①若“开机保护”指示灯亮，“电压保护”指示灯不亮，按下DSP控制板“复位”键S1，通过上位机或键盘转动电机放电，当开机保护指示灯熄灭，电压保护指示灯亮，执行实验下一步（2）。
②若“开机保护”指示灯和“电压保护”指示灯都亮，先按下“欠压复位”键，然后操作同①。
③若“开机保护”指示灯不亮，“电压保护”指示灯亮，执行实验下一步（2）。
（2）确认以上操作完成以后，打开高压开关，“开机保护”指示灯亮，按下“欠压复位”键，“电压保护”指示灯灭。
2）在仿真模式下，DSP开发板的JP6插针的短路帽插在“H”一端；
（1）通过仿真器下载程序
①正确连接DSP仿真器，打开实验箱的“控制电源”开关；
②打开CCS3.1软件，点“Project\Open”打开“…\acmotor\acmotor.pjt”工程项目（注意程序不能放在中文路径下）；
③在CCS开发软件的左端可以看到工程软件所包含的LIB文件、OBJ文件、头文件及源文件，仔细阅读源文件及头文件，了解DSP控制程序实现交流异步电机控制的原理。（用户可以修改或增加自己的算法）
④点击菜单栏上的“Debug”，选择“Connect”，当CCS3.1软件提示连接正常后，点“”编译、下载程序，点击“”全速运行。
⑤关闭CCS软件或者点选CCS软件中“Debug”下的“Disconnect”后方可进行试验。
（2）启动操作：观察实验箱上“电压保护”指示灯和“开机保护”指示灯的状态：
①若“开机保护”指示灯亮，“电压保护”指示灯不亮，按下DSP控制板“复位”键S1，通过上位机或键盘转动电机放电，当“开机保护”指示灯熄灭，“电压保护”指示灯亮，执行实验下一步（3）。
②若“开机保护”指示灯和“电压保护”指示灯都亮，先按下“欠压复位”键，然后操作
同①。
③若“开机保护”指示灯不亮，“电压保护”指示灯亮，执行实验下一步（3）。
（3）确认以上操作完成以后，打开高压开关，“开机保护”指示灯亮，按下“欠压复位”键，“电压保护”灯灭。
5.1.3正确安装提供的RF-2上位机软件后，在开始菜单程序中出现RF-2，单击
图标。可以打开上位机软件，如图9所示
图9 实验主界面
上述软件界面为矢量控制变频调速实验的主界面。具体使用请参考上位机使用说明。
5.2 实验内容
5.2.1交流异步电动机磁场定向控制（FOC）变频调速系统的研究
步骤：
按下DSP控制板“复位”键S1，在图9的实验主界面中，先点击“复位”，再选择“磁场定向控制（FOC）”选项。
在该界面中，可以设置速度调节器的P、I、D参数和电流调节器的P、I、D参数，每个参数有三个值，最小值，默认值和最大值。实验时，可以键入介于最大和最小值之间的任意值。参数设置好后，单击“发送”按钮，参数值就通过串口传输给下位机相应变量。此时单击“电机启动”按钮出现图10界面：
图10 磁场定向控制启动界面
此时，可点击“电机加速”，“电机减速”或拖动滑动条或点击“”或“，实现电机加
减速控制；点击“正（反）转”实现正反转切换（建议正反转速度在1000转内）；点击曲线一、曲线二的下拉菜单，选择需要观察的曲线，此时，软件窗口中显示相应的波形。
实验内容：
在默认的PID参数下和自定义参数下分别：
（1）观测并记录电机定子电流ia（A相电流）和电流ib（B相电流）；
（2）观测并记录电机转速n_ref（转速给定）与n（转速反馈）的波形，包括突加、突减
及正反转切换；
?,β?波形，并合成磁链圆。
（3）观测并记录在不同的给定速度下，观测并记录
α
做完磁场定向控制变频调速实验后，点击“电机减速”或拖动滑动条，等电机在较低速度
运行时点击“电机停止”按钮→“复位”按钮，系统恢复初始状态，此时即可重新设置参数做
磁场定向控制变频调速实验，也可选择“直接转矩控制（DTC）”做直接转矩控制（DTC）变频
调速实验。
5.2.2异步电动机直接转矩控制（DTC）变频调速系统的研究
步骤：
按下DSP控制板“复位”S1键，在图9的实验主界面中，先点击“复位”，再选择“直接
转矩控制（DTC）”选项，弹开图11所示窗口：
图11 直接转矩控制参数设置
在该界面中，可以设置速度调节器的P、I、D参数和转矩滞环容量和磁通滞环容量，每个参数有三个值，最小值，默认值和最大值。实验时，可以键入介于最大和最小值之间的任意值。参数设置好后，单击“发送”按钮，参数值就通过串口传输给下位机相应变量。此时单击“电机启动”按钮出现图12界面：
图12 直接转矩启动界面
此时，可点击“电机加速”，“电机减速”或拖动滑动条，实现电机加减速控制；点击“正（反）转”实现正反转切换（建议正反转速度在1000转内）；点击曲线一、曲线二的下拉菜单，选择需要观察的曲线，此时，软件窗口显示相应的波形。
实验内容：
在默认的PID参数下和自定义参数下分别：
（1）观测并记录电机定子电流ia（A相电流）和电流ib（B相电流）；
（2）观测并记录电机转速n_ref（转速给定）与n（转速反馈）的波形，包括突加、突减
及正反转切换；
?,β?波形，并合成磁链圆。
（3）观测并记录在不同的给定速度下，观测并记录
α
做完直接转矩控制变频调速实验后，点击“电机减速”或拖动滑动条，等电机在较低速度运行时点击“电机停止”按钮→“复位”按钮，系统恢复初始状态，此时即可重新设置参数做直接转矩控制（DTC）实验，也可选择“磁场定向控制”做磁场定向控制变频调速实验。
5.2.3 停止操作
实验完成后，先关高压电源开关，等到开机保护灯灭，电压保护灯亮，放电完成后，再关控制电源开关。
六、实验报告
1．在默认参数下分别画出磁场定向变频调速系统及直接转矩控制变频调速系统的下述波形：
①观测并记录电机定子电流ia（A相电流）和电流ib（B相电流）；
②观测并记录电机转速n_ref（转速给定）与n（转速反馈）的波形，包括突加、突减及正反转切换；
?,β?波形，并合成磁链圆；
③观测并记录在不同的给定速度下，观测并记录
α
2．观测不同PID参数下的速度波形n_ref（转速给定）与n（转速反馈）；
3．分析并简述交流异步电动机转子磁场定向和直接转矩控制的原理，比较它们的优缺点；
4．实验的收获、体会与改进意见。
七、预习要求
1．掌握交流异步电动机转子磁场定向和直接转矩控制的原理。
2．了解坐标变换的意义和变换公式。
3．了解电压空间矢量调制的原理。
4．掌握整个控制系统的功能。
5．学习数字PID控制的原理。
八、注意事项及说明
1．使用前请仔细阅读使用说明书、实验指导书。
2．如果在实验过程中出现过流保护等故障，首先按DSP控制板上的“复位”键S1，再单击上位机软件“复位”，最后按“保护解锁”。
3．在实验过程中有可能参数设置不合理而会出现电机运行不正常，出现这种情况先点击上位机“电机停止”按钮、再按DSP“复位键”S1。
4．在软件使用过程中可能因操作不合理而导致下位机工作不稳定或波形数据不正常，此时应停止电机，点击“复位”按钮使电机回到系统默认状态再重新开始实验。