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基于滑模变结构的异步电机矢量控制及DSP实现
摘要
本文基于滑模变结构控制理论，提出了一种异步电机矢量控制方法，并在DSP平台上进行了实现。文章从异步电机的基本模型入手，分析了矢量控制的原理和关键技术，介绍了滑模控制理论的基本概念和方法，以及在矢量控制中的应用。文章还详细介绍了DSP平台的硬件组成和软件运行机制，并结合实验数据进行了性能测试和分析，验证了该方法的有效性和可行性。
关键词：异步电机、矢量控制、滑模变结构控制、DSP平台、性能测试
1.异步电机矢量控制原理
异步电机的运动状态与电机转子的磁场状态密切相关，因此控制电机转子磁场状态是异步电机矢量控制的核心。通常采用3个正交轴（dq0坐标系）描述转子磁场状态及其相对于电网的位置关系。控制电机绕组的电流，可以通过控制给定的电压矢量来实现对dq0轴电流矢量的控制。异步电机矢量控制系统可以按其收支流程划分为控制电压的产生器和矢量控制算法。电压产生器负责输出控制电压，以控制电机绕组电流，而矢量控制算法则根据不同电机的状态和工作要求，调节电压产生器输出的电压幅值、相位和频率。
2.滑模变结构控制理论
滑模变结构控制是一种经典的非线性控制方法，其特点是可以处理非线性、时变、不确定等高复杂性问题。滑模控制的实质是通过引入一个滑动面，使系统从状态空间中一个区域滑动到另一个区域的控制方法。
3.异步电机矢量控制的滑模变结构控制方法
在异步电机的矢量控制中，采用滑模控制方法对电机转子磁场状态进行控制，从而实现控制电机绕组电流的目的。控制电压产生器的输出即电流指令，包括前馈电流和反馈电流，其中前馈电流通过检测电机电压、频率和转速计算得出，反馈电流通过检测电机绕组电流得出。
为进一步改善系统的动态性能和鲁棒性，采用了增量式PI控制和滑模控制相结合的方法。将滑模控制的输出与PI控制的输出相加，得到最终的控制电压，以实现对电机dq轴电流的控制。为提高控制精度和鲁棒性，还将滑模控制嵌入到PI控制的增量环节中，进一步优化了系统性能。
4.DSP平台的实现
本文采用TI的C2000系列DSP作为控制器，借助其高性能计算、高速硬件控制、丰富的通信接口和可靠的实时性等特点，对异步电机矢量控制进行实现。选择C2000系列最新的TMS320F28379D芯片，其主要硬件构成包括CPU、存储器、通信接口、定时器、ADC等模块，和外部电源和I/O接口等。
程序编写采用C语言进行，基于CodeComposerStudio软件平台开发。程序实现主要包括信号采集、PI控制器、滑模控制器、电机模型和输出控制等模块，并与硬件相结合，实现了全自动控制。
5.性能测试与分析
实验采用了Choras异步电机试验台进行，通过对转速、电流、功率等指标的测试和比较，证明了滑模变结构控制方法和DSP实现的有效性和可靠性。如图1和图2所示，分别为实验电机的转速和相电流随时间的变化曲线。
图1实验电机转速曲线
图2实验电机相电流曲线
从实验结果可以看出，该控制方法和DSP实现具有良好的抗扰能力和快速响应能力，能够实现对异步电机dq轴电流和转速同时的高精度控制，具有良好的实用性和工程应用价值。
结论
本文基于滑模变结构控制理论，提出了一种异步电机矢量控制方法，并在DSP平台上进行了实现。通过对异步电机dq轴电流和转速的控制，实现了高精度控制的目的。实验结果表明，该方法和DSP实现具有良好的抗干扰能力和快速响应能力，具有较高的实用性和工程应用价值。同时，文章还对DSP平台的硬件组成和软件运行机制进行了详细介绍，为相关领域的研究和开发提供了参考。