16运动控制系统实验指导书

1实验一异步电机矢量变换控制原理实验一、实验目的：1.了解异步电机转子磁场定向控制的原理结构框图及硬件构成2.了解异步电机转子磁场位置检测电流模型法3.了解异步电动机转子磁场定向控制原理中实现矢量变换的方法及意义二、实验设备序号名称备注1运动控制实验箱天煌教仪2三相220V异步电动机附1024增量式编码器3PC机安装运动控制软件平台4存储示波器选用三、实验线路及原理1.运动控制系统的硬件配置图1－1运动控制系统硬件构成2图1－1为本系统的硬件配置框图。THKDSP－1为运动控制实验箱，箱内装有DSP主控板（B1），功率驱动板（B2）及控制电源和功率模块板（B3）。图1－2为DSP主控板的组成框图。它包括DSP芯片；RAM芯片IC1、IC2；E2PROM存储器芯片IC3；用于RS232串行通信的接口芯片IC4以及MC－BUSI/O连接器J1、J2。图1－2DSP主控板组成框图图1－3为功率驱动板框图。它包括电动机两相电流Ia，Ib（Iu、Iv）检测；直流母线电压Vdc检测电路；保护电路；PWM信号驱动电路。图1－3功率驱动板电路结构框图电源功率模块板包括﹢5V，±15V,+15V三组电源和由六个IGBT构成的逆变电路。32.异步电动机转子磁场定向控制的原理图1－4转子磁场定向控制原理框图电机的相电流ia，ib检测之后，经过3/2变换（Park变换）和旋转变换后得到旋转变换坐标上的二个分量isd，isq,这两个分量分别与磁通参考值isdref和转矩参考值isqref比较之后送入电流和磁通调节器PI。电流调节器的输出即为在旋转坐标上的电压分量参考值Udref和Uqref；此二分量经旋转逆变换和3/2变换（Park变换）之后得到定子三相电压的参考值Uaref，Ubref，Ucref。根据Uaref，Ubref，Ucref产生三相逆变器的PWM驱动信号。转子磁通的位置角θ则由电机的模型和电机速度反馈信号计算而得。四、实验内容1．熟悉运动控制的系统硬件构成2．异步电机转子磁场定向控制（FOC）得输入信号测量，ia、ib和转子磁场位置角计算3．电流信号的3/2变换（Park变换）及旋转变换44．isd，isq波形观察，并与isdref，isqref作比较五、预习要求1．仔细阅读FOC控制原理的有关章节2．3/2变换（Park变换）与旋转变换的计算公式3．画出异步电机的电流模型框图及有关θ计算公式4．画出电压、电流和转子磁通的空间向量及旋转坐标的d-q轴，静止坐标a-b-c、和α-β。六、思考题1．异步电机转子轴的位置角是否与转子磁场的d轴完全一致？能否用转子轴位置来替代FOC中的θ角？2．如何根据Uaref，Ubref，Ucref来产生三相逆变桥所需要的PWM信号？3．异步电机的FOC控制中转子磁场的位置角计算中哪些参数最易受到温度的影响？七、实验方法1.熟悉运动控制软件开发平台的系统结构图和基本单元。2.连接实验线路，检查无误后给控制电路通电（通电时先加控制电路电源，后加高压电源；断电时也应先断高压电源，后断控制电路电源），运行“MotionStudio”上位机软件，检查通讯是否成功（在软件状态栏中显示）；如不成功请检查串口线和端口设置。3.平台基本参数的设定。其设定顺序为：1)在上位机软件中通过依次选取下列选项：“NewProject”→“Induction”→“Position”→“Acpm750”→“IM_Position_ACPM750”，建立新的运动控制应用。2)FOC控制只需要电流环和速度环，在“Configuration”配置中将5“MotionControlLoops”对话框中的“Position/Usercontrol”选中“no”选项以去除位置环。关于各个对话框功能的说明见点击软件上“Help”按钮打开的帮助文档。3)点击“Motor”按钮打开电机定义对话框，电机定义方法是：在“Database”中选择“User”，在“Motor”项中输入并保存你所用电机的各种参数。各参数说明见点击“Help”后的帮助文档。4)点击“Amplifier”按钮打开对话框，在“Board”项中选择“ACPM750v3.3”，点击“VDCDetection”打开直流母线电压检测对话框，点击“Start”进行直流母线电压检测，并把检测结果保存。点击“TestPhaseconnection”打开一个对话框进行电机相位连接测试，该测试主要是对A相、B相电流采样进行验证。上述几个操作对话框的具体说明见相应的帮助。5)点击“Sensors”打开位置传感器对话框，点击“Testconnections”打开编码器连接测试对话框，在这里你可以通过手动旋转电机轴来检查编码器连接的对错；点击“Detectnumberoflines”打开编码器相位连接测试，同时对编码器的线数进行估计。具体说明见对话框相应的帮助。6)点击“Controllers”打开控制器调节对话框，本实验采用了电流控制器和速度控制器，所以应分别对这两个控制器进行调节。在本实验中可先对电流调节器以默认参数，速度调节器的Dump_S（阻尼系数）、IPSatS（积分饱和度）和PB_S（带宽）的值分别设定为1、5、50。7)点击“Motion”按钮打开运动控制顺序对话框，点击按钮或“Code”下的TML语言程序打开控制设置。在设置中选择速度模式，并在“Time”、“Reference”编辑框中分别设定为1s，和1400rpm。同时选中其他不必要的点按“Delete”键删除。68)各种参数设置完成后，按按钮进行程序下载并运行。“MotionStudio”是DSP电机控制方面的一个功能十分强大的软件，可以进行各种运动控制4.速度阶跃给定下的电机运行试验5.平台记录仪功能与运行变量的记录和显示1)电流速度闭环情况下记录ia、ib、ic波形2)电流速度闭环情况下记录isd、isq波形3)θ（THETA）八、实验报告1)画出FOC的原理框图2)画出ia、ib、ic启动时电流波形3)直流电机理想启动过程中的电枢电流和转速波形，并与所记录的速度阶跃给定下的isd、isq波形作比较。4)根据所记录的ia、ib和θ（THETA）值，进行Park变换和旋转变换，计算出id、iq并与“loggerdata”中的数据id、iq进行比较，是否一致。注意本应用软件中所用的2/3变换为Park变换，即：cbaiiiii2323021211327实验二异步电机运动控制系统电流调节器参数设计一、实验目的1.了解运动控制系统电流控制器的系统结构框图和硬件组成2.了解DSP实现数字式电流调节器3.掌握电流调节器参数调节对系统性能的影响二、实验设备序号名称备注1运动控制实验箱天煌教仪2三相220V异步电动机附1024线增量编码器3PC机安装上位机软件4数字示波器选用三、实验线路和原理1、异步电动机电流调节器线路原理在电流调节器的线路中需要两路16位的数字PI调节器去调整D轴和Q轴的电流的值。图2-1异步电机电流调节器框图8由上图可以看出，所测量的两相电流Ia、Ib先经3/2变化和旋转变换后转化为旋转坐标上的两个分量Id、Iq。图中的电流调节器为PI离散调节器，Id、Iq在电流调节器中和I*d、I*q参考比较，计算得到的参考电压U*d和U*q，U*d和U*q根据所提供的位置信息（Δθ）经逆变换后转换为提供给逆变器的相电压参考（U*a、U*b和U*c）。根据这些参考电压，由DSP生成的PWM信号，经功率驱动级放大后输出调制波形电压。2、电流调节器参数调节在本实验中电流回路通过一个离散的PI调节器进行调节，其PI调节的传递函数为：CTszKiKpzR_1)(1式中Kp为电流调节器比例系数，Ki为积分系数，Ts_C为电流环取样时间。Kp、Ki的系数通过调整电流环回路电流动态响应曲线来获取（如图2-2所示），通常是由闭环回路所希望的动态性能来完成的。图2-2电流控制回路结构图在MotionChip芯片内部PI调节器的执行如图2-3所示：图2-3MotionChip电流调节器执行原理9由图可以看出，调节器需要外部输入下列参数：I_ref：参考电流，由下列三种方式产生：参考发生器（电流／转矩模式）、速度调节器输出（配置了速度环）或位置／外部变量调节器输出（在位置模式且没有速度调节器），本实验直接由参考发生器产生，即Ib。I_fbk：电流反馈，即Ia。调节器在外部信号输入到参考信号输出之间还需要一系列参数，这些参数将由“MotionStudio”软件提供。这些参数包括：比例部分（KPI，SFTKPI）、积分部分（KII、SFTKII）和饱和系数SATI（SATIQ：Q轴电流调节器；SATID：D轴电流调节器）。因此必须考虑输入的值（电流采样比例系数）和输出的值（电压采样比例系数）之间所需要的一些参数值（KPI，SFTKPI等等）以及调节器系数调整结果（Kp和Ki）。下面是上述一些系数的计算关系，关系式中电流调节器的参数分别用Kp_crt和Ki_crt表示：上式中Kif为电流采样比例系数，通过电流传感器获取其数值，具体计算公式为：SFTCRTVAVCGaKif232767*5.2]/[[bits/A]。CGa为电流传感器的增益系数，系统中选用了LEM公司的HY5－P型的霍尔电流传感器，CGa为0.8。SFTCRT为电流偏移量系数，通常设为默认值0；由于DSP芯片不能输入负的电压值，电机相电流信号是一个正弦信号，时正时负，所以在硬件电路中将正弦信号的电位提高为2.5V。对于大于2.5V的电流信号，DSP将其判断为正的电流信号，对于小于2.5V的电流信号则判KifKufrealCKpcrtKp___KifKufrealCKicrtKi___{10断为负的电流信号。Kuf为电压采样比例系数，通过直流电压传感器进行采样，计算关系式为：]/[65536*][5]/[VbitsVVVUgvKuf。上式中Ugv＝5/VdcMaxMeasurement[V/V]。VdcMaxMeasurement为母线电压检测最大值，在“Amplifier”中设定。Kp_C_real、Ki_C_real通过在“MotionStudio”中调整“Dump_C(阻尼系数)”、“PB_C(带宽)”的值来改变。四、实验内容1、熟悉运动控制电流调节器的硬件构成2、电流调节器PI调节器参数对系统性能的影响3、isd，isq波形观察，并与isdref，isqref作比较五、预习要求1、仔细阅读运动控制电流调节器的有关原理2、电流调节器PI调节对系统性能的影响，工程中常用的闭环频率特性带宽和阻尼系数设计方法3、Ia、Ib转换为Id、Iq的计算公式六、思考题1、理想电流调节器的Id、Iq动态响应波形是怎样的？一般响应时间为多少？2、在电流调节器参数整定时，如果电流的动态响应出现严重的超调，应改变哪一个参数？3、在电流调节器参数整定时，如果电流响应时间太慢，应如何调整参数？4、比较电流环与速度环的带宽大小。七、实验方法111、熟悉运动控制软件开发平台的系统结构图和基本单元。2、连接实验线路，给控制电路供电（通电时先加控制电路电源，后加高压电源；断电时也应先断高压电源，后断控制电路电源），运行“MotionStudio”上位机软件，检查与硬件通讯是否成功（在软件状态栏中显示），如不成功请检查串口线和端口设置。3、平台基本参数的设定。其设定顺序为：1)在上位机软件中通过依次选取下列选项：“NewProject”→“Induction”→“Position”→“Acpm750”→“IM_Position_ACPM750”，建立新的运动控制应用。2)在“Configuration”配置中将“MotionControlLoops”对话框中的“Currentcontrol”和“Speedcontrol”选中。同时将“ExtendedsetofParameters”栏中选取“Yes”选项以打开电流调节器的调整。将速