一种基于VME总线的三相异步电动机矢量控制系统，属于交流电机控制系统领域。系统主电路采用三电平整流和三电平逆变电压型电路，整流、逆变环节均采用PowerPC+DSP数字控制结构，其中PowerPC实现整流、逆变算法，DSP实现全控型功率开关器件触发脉冲输出，PowerPC与DSP通过VME总线进行通信。硬件系统采用性能优良的异步电动机矢量控制方法以及在线辨识和蚁群优化等算法，大大提高了系统调速性能。该系统对节约能源，提高经济效益具有重大的现实意义。该系统整流直流电压稳定；交流侧输入电流、电压相位基本相同，输入功率因数趋于1。本发明专利技术具有调速系统在转速控制上响应快、超调小、稳态精度高、鲁棒性强，电流电压谐波小，脉动转矩低，磁链稳定的特点。
A vector control system of three phase asynchronous motor based on VME bus
The utility model relates to a three-phase asynchronous motor vector control system based on VME bus, belonging to the AC motor control system field. The main circuit of the system adopts three level rectifier and three level inverter voltage type circuit, rectifier, inverter adopts PowerPC+DSP digital control structure, the realization of PowerPC rectifier, inverter algorithm, DSP to achieve full controlled power switch trigger pulse output, PowerPC and DSP with VME bus. The hardware system adopts the vector control method of asynchronous motor with excellent performance, and on-line identification and ant colony optimization algorithm, which greatly improves the speed regulation performance of the system. The system is of great practical significance for energy saving and economic benefits improvement. The DC voltage of the system is stable. The input current and voltage phase of the AC side are basically the same, and the input power factor tends to 1. The invention has the characteristics of fast response, small overshoot, stable state precision, high robustness, low harmonic current and voltage, low ripple torque and stable magnetic flux linkage in speed control.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属交流电机控制系统领域，特别是提供了一种基于VME总线的 PowerPC+DSP的三相异步电动机矢量控制平台，通用性强，具有抗干扰能力；主CPU完成基 本控制功能，并完成信号的采集与处理；辅CPU完成电机控制，输出12路PWM脉冲，满足三 电平整流及逆变的需求。主、辅CPU之间利用VME总线实现信息交换，背板总线为国际通用 的工业标准VME总线，系统具有一定的开放性，以方便用户的扩展。
技术介绍
现代交流调速技术是20世纪后期人类社会的重大进步之一，其发展速度之快，应 用覆盖面之广是前所未有的，它使得电机这一古老的机电能量装置得到新的发展和广泛的 应用，极大地提高了工农业的生产效率，改善了人们的生活质量。长期以来，由于科学技术发展水平有限，鉴于直流电动机与交流电动机相比具有 优越的调速性能，所以高性能的调速系统一般采用直流电动机。但是，直流电动机本身结 构上存在机械换向器和电刷等器件，这给直流调速系统的容量和应用场合带来了一系列的 限制。20世纪60年代以后，由于生产发展的需要和节省电能的要求，促使世界各国重视交 流调速技术的研究和开发。尤其是自从20世纪70年代矢量控制技术发展以来，使得交流 调速系统在动、静态性能上能够与直流调速系统相媲美，矢量控制的控制思想给高性能的 交流调速技术奠定了理论基础。但是，受限于电力电子器件的发展，当时PWM逆变器刚刚出 现，GTR和GTO尚处于开发初期，矢量控制系统采用的逆变器均由晶闸管构成。这种逆变器 不仅体积大、质量重，而且无法适应急剧的加速和负荷冲击，大大限制了矢量控制器的应用 范围。随着电力电子器件的发展、新型电路变换器的不断出现以及微处理器的功能日趋 强大，使得交流调速技术正向高频化、数字化和智能化的方向发展，几乎所有新的控制理 论、控制方法都可以在交流调速装置上尝试和应用，这使得矢量控制技术得以在调速领域 中发挥其出色的控制性能。但控制理论的不断完善也伴随着控制算法越来越复杂，这就对 计算机的处理能力要求越来越高。为了使一些复杂的、有用的控制算法在工业中得到充分 应用，提高工控机的处理能力和运行效率，应用辅助CPU系统分担部分主CPU的运算任务， 组成并行处理器系统并行处理，从而提高系统的实时性和可靠性，将是一可行的途径。同时，先进的控制系统主要用于处理复杂生产过程，伴随的是控制算法的复杂化， 进而对系统的硬件提出了更高的要求，特别是在实时性要求较高的场合，更需要有强大数 据处理能力的系统保证。本专利技术所设计的三相异步电动机矢量控制系统，采用两块CPU参 与运算，一块用于辨识与优化控制器参数，另一块作矢量控制CPU。通过对并行处理技术和多处理系统设计原理等理论的研究，提出了处理器之间基 于VME总线方式通信的并行多处理系统的设计方案。系统的设计主要包括辅助处理系统的 硬件和逻辑设计。综上所述，对于要求宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行的三相异步电动机矢量控制系统的控制来说，要求所设计的控制系统应该具有开放性，可扩展性， 可靠性，较多的可调参数，较大的使用适应性，不太复杂的安装和维修，同时应该不受复杂 工业过程环境、工况等恶劣因素的影响，可以确保在复杂环境下完成对三相异步电动机矢 量控制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种三相异步电动机矢量控制系统，提高电动机矢量控制 精度。其具有系统开放性好，可靠性高，容错能力强，抗干扰能力强，安装简单，适应性强，在 负载变化的复杂环境下可以正常连续工作，同时配合DSP在发PWM脉冲方面的优越性，引入 比较成熟的电动机矢量控制方法以及先进的控制理论，设计了 DSP作为辅助CPU，PowerPC 作为主CPU的数字控制系统，保证了系统运行的稳定性和实时性。本专利技术提供的三相异步电动机矢量控制系统采用Power PC+DSP并行处理结构，系 统设计分为主处理系统和DSP辅助处理系统两部分。主处理系统采用通用的硬件平台，选 购的是Motorola公司的PowerPC8245单板计算机，主处理系统主要是进行软件设计开发； DSP辅助处理器系统完全自主设计，核心DSP芯片采用TMS320F2812 ；主辅处理器之间通过 VME总线构建并行处理器框架。主处理器具有标准VME总线，在具有标准的VME框架下能正常工作，并支持多处理 器。主处理器PowerPC8245同时具有功耗低，速度快，并且可以直接在主板上扣10子板，完 成模拟量、数字量的输入输出。DSP辅助处理器借助处理器上的VME接口实现主辅处理器的 并行协调工作。由主处理器PowerPC完成电机电流、电压、转速、转矩等信号的采集与处理， 然后完成矢量控制算法，得出三电平SVPWM参考矢量所在的扇区号、小区域号、三个基本矢 量各自时间长度等，再把这些数据传送给辅助处理器DSP，辅助处理器通过定时查表，可以 得出各输出脉冲电平信号，再由辅助处理器事件管理器发送出去，完成电动机控制，输出12 路PWM脉冲，满足三电平整流及逆变的需求。本专利技术的硬件设计主要是DSP辅助CPU板的设计，包括FPGA逻辑设计，DSP外围扩 展电路设计，电源模块设计，VME接口电路设计以及IGBT驱动电路设计。主辅CPU之间的通 信是通过VME总线进行，辅助CPU板内部采用XC3S400实现VME slave接口，并在内部生成 DPRAM，与DSP芯片进行数据交换，增加了系统的灵活性和可靠性。该系统同时具有8KX32 位的总线扩展，便于扩展外部接口。上述系统中使用的DSP为TMS320F2812，TMS320F2812是美国TI公司最新研制的 一款主要针对电机和运动控制及电力电子电路的芯片。它具有较高的性价比，灵活的指令 系统和操作性能，高速的运算能力和改进的并行结构，并且符合IEEE 1149的标准的JTAG 标准测试接口。尤其是其CZBxTM内核CPU，最高频率可达150 MHz，并把最适合电机和运动 控制应用的外围设备内嵌到其中，包括两个事件管理模块(EVA和EVB)，16通道12位A/D 转换器(ADC)。其中事件管理模块可以产生PWM的输出，并具有一个正交编码脉冲(QEP)电 路。它们分别用于获取功率器件的开关控制和捕获旋转电机的位置和速度信息。TMS320F2812采用改进的哈佛结构，一是允许程序存储在高速缓存(Cache)中，提 高指令的读取速度；二是允许数据存储在程序存储器中，并被算数指令直接使用，增强芯片 的灵活性；此外，DSP中的双口 RAM(SARAM)，包括一个随机端口和一个时序端口，以及独立的读写总线提高了数据存取速度。DSP广泛采用流水线技术(Pipeline)，增强了处理器的 处理能力，M812流水线的深度可达8级，也就是说，在一个指令周期可并行处理8条指令； 同时它最大支持96个外部中断。上述VME总线采用VME标准的电气层和逻辑层的定义，引针的排列充分考虑了信 号线的整合和电源供给。只使用Pl连接器，支持16位数据线，M位地址线的双高度板。VME 总线所有传输均采用异步控制方式，地址和数据均以非多路复用的并行方式传输。优异的 中断处理机构，具有高速的实时响应能力，高可靠，抗震动冲击能力。上述的辅处理器中的FPGA芯片为Xilinx公司的)(C本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于ＶＭＥ总线的三相异步电动机矢量控制系统，其特征在于：包括基于ＶＭＥ总线的框架、ＶＭＥ总线的单板ＰｏｗｅｒＰＣ装置、基于ＰＭＣ总线的数据采集子板、ＶＭＥ总线的ＤＳＰ脉冲输出装置；数据采集子板与传感器装置相连接，ＤＳＰ脉冲输出装置与主电路功率开关管相连；采用ＶＭＥ标准框架装置，保障多ＣＰＵ之间的高速信息可靠传递；采用ＰｏｗｅｒＰＣ板内部的ＰＭＣ总线与数据采集子板相连，提高数据采集实时性；采用数据采集子板装置，将各传感器探测装置输出的模拟电压信号转换为数字信号；采用ＤＳＰ板装置，输出脉冲电平信号，满足三电平整流及逆变的需求，完成电动机控制。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赖春山，彭开香，曹桂水，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：11
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