可调高功率次声波信号发生器的设计

西安理工大学学报Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（２０１３）Ｖｏ１．２９　Ｎｏ．２　文章编号：１００６－４７１０（２０１３）０２－０２０２－０５　可调高功率次声波信号发生器的设计　乔卫东，张娜　（西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西西安７１００４８）　摘要：系统采用变频调速控制器加旋转电机的方案，使电机频率可调且输出大转矩，实现了频率可　调的高功率次声波信号的产生。详细介绍了矢量控制原理和空间电压矢量调制技术（ＳＶＰＷＭ），　并结合同步电机，采用矢量控制实现了信号频率可调。同时设计了调速系统的硬件与软件，以　ＴＭＳ３２０Ｆ２８０６为核心处理器，实现了ＳＶＰＷＭ控制算法。最后通过实验验证了系统设计方案的可　行性和准确性。　关键词：次声波；矢量控制原理；ＳＶＰＷＭ；ＤＳＰ；高功率　中图分类号：ＴＭ１５４．１　文献标志码：Ａ　Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ　Ｈｉｇｈ　Ｐｏｗｅｒ　Ｉｎｆｒａｓｏｕｎｄ　Ｗａｖｅ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　ＱＩＡＯ　Ｗｅｉｄｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｎａ　（Ｆａｃｕｌｔｙ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｆＴｅｃｈｎｏｌｏｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００４８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ａｎｄ　ｒｏｔａｔｉｏｎ　ｍｏｔｏｒ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｓｏ　ａｓ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ　ａｄｊｕｓｔｅｄ　ａｎｄ　ｌａｒｇｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｔｏｒｑｕｅ　ａｎｄ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ　ｈｉ　ｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｉｎｆｒａｓｏｕｎｄ　ｗａｖｅ．Ｖｅｃｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＳＶＰＷＭ）ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．　Ａｎｄ　ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｏｎ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｖｅｃｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＴＭＳ３２０Ｆ２８０６　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　ｒｅａｌｉｚｅ　ＳＶＰＷＭ　ｃｏｎ—　ｔｒｏｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉＳ　ｖｅｒｉｉｆｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｎｆｒａｓｏｕｎｄ　ｗａｖｅ；ｖｅｃｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅｏｒｙ；ＳＶＰＷＭ；ＤＳＰ；ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　次声波…是指频率在ｌ０Ｉ４—２Ｏ　Ｈｚ之间的声　波。次声波在大气中传播时，热粘性小，衰减量少，　要达到的效果，通过改变输出频率，达到攻击对方的　要求。该系统不仅能够实现频率可调，而且具有高　效节能的优点。在能源紧缺的大环境下，具有较高　的应用价值。　可实现远距离的传播。其波长长，容易发生衍射，穿　透能力极强。人体内许多器官的固有频率均在２一　ｌ６　Ｈｚ范围内，如内脏为４～６　Ｈｚ，头部为８—１２　Ｈｚ　等等。这些固有频率正好在次声波的波段内。当大　功率的次声波作用于人体时，就会引起强烈的共振，　从而对人体造成伤害。次声武器　就是利用频率　低于２０　Ｈｚ的次声波与人体器官共振，使其发生移　位、变形或丧失功能，造成人体损伤以至于死亡，达　到武器设计的目的。　在次声武器研究方面，国外已经相继研制出次　１系统设计方案　系统采用变频控制器加旋转电机的控制策略，　控制结构图如图１所示。　图１系统控制结构图　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　声和次声弹，但是由于其频率固定单一，且不可重　复使用，因此应用的范围有限。　本文根据不同类型次声武器的应用需求，采用　变频调速系统设计出频率可调的次声波信号发生　器，使次声武器在实际应用中根据不同的环境与所　收稿日期：２０１２－１１—１８　控制器的输出信号直接控制旋转电机的转速，　旋转电机通过传动机构，将旋转运动变换成直线运　动。传动机构带动凸轮运动，凸轮的一端与输出喇　叭连接，凸轮的运动推动输出喇叭震动，从而压缩空　气，产生大功率次声波。该控制方式相对比较成熟，　作者简介：乔卫东，男，副教授，博士，研究方向为测控技术与仪器。Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｗｄ＠ｘａｕｉ．ｅｄｕ．ｅｎ。　乔卫东，等：可调高功率次声波信号发生器的设计　２０３　旋转电机的种类齐全，可替换性好，调试和维护．　逆变器的不同开关模式作适当的切换，形成的内切　方便。　多边形的实际磁链矢量来追踪和逼近基准磁链圆，　控制器是实现频率可调的主要器件，本设计研　从而形成ＰＷＭ波　。　究重点着眼于控制器。　图２所示为三相ＰＷＭ逆变器供电给电机的原　控制器的设计采用矢量控制方式，通过分别控　理图。规定：用１和０分别代表开关管的导通和关　制电机的励磁电流和转矩电流，达到控制电机转矩　闭两种状态，且同一时刻，每个桥臂上的两个开关管　的目的。　的状态是相反的。因此开关状态函数．ｓ　（　＝ａ、ｂ、　控制器根据负载的情况实时地改变输出频率和　Ｃ）就有８种状态，分别为：Ｖ１（００１）、　（０１０）、　电压，具有动态性能好、控制精度高、调速范围广等　（ｏｌ１）、ｖ４（１００）、　（１０１）、　（１１０）、　（１１１）、　特点，其突出优点在于矢量控制能够使电机在低频　Ｖｏ（０００），其中前六种工作状态是有效状态，称作非　运行时，输出大转矩，能够拖动大功率负载运行。　零矢量，后两种状态称作零矢量。　与异步电机相比，同步电机具有功率因数高、精　度好、控制简单等诸多优点，且同步电机的转速仅与　输出控制器的输出频率有关。　作为武器使用的次声波，对其控制精度要求较　高，所以在此选择同步电机作为次声波发生系统的　动力源。　　一２矢量控制方式的理论原理　三相逆变器输出电压矢量［　Ｕｂ　］Ｔ与开关　状态矢量［Ｓ。Ｓ　Ｓ　］Ｔ的关系为：　］㈤　机的三相定子电流ｉ。、ｉ６、ｉ　，通过Ｃｌｅｒｋ变换　流分量ｉ　，ｉ８。再通过Ｐａｒｋ￣（２Ｓ／２Ｒ），等效成同　Ｕ　＝÷（Ｕａ＋Ｕｂｅ弘　＋ＵｃｅＭ）　（４）　经过上述坐标变换，将交流电机的数学模型转化为　将［　］　３Ｓ／２Ｓ变换即可得到［　］　。　口　ｖ￣（ｏｌｏ）　：　（１ｌｏ）　［　㈩　。　【：：】＝—ｃ．ｏ　ｓ．　￣ｐ．　。。ｓｉ。ｍｐ　。］．［　ｔａ　　】　２　３空间电压矢量脉宽调制技术（ＳＶＰＷＭ）３－　图３　ＳＶＰＷＭ空间矢量图与扇区　Ｆｉｇ．３　ＳＶＰＷＭ　ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ａｎｄ　ｓｅｃｔｏｒ　西安理工大学学报（２０１３）第２９卷第２期　通过上面的分析可知，输出电压矢量　。　的幅　链基准矢量圆，使得逆变器的输出在控制同步电机　值是恒值（２　／３），只需要控制其作用时间不同，就　时，谐波减小，脉动转矩降低。　能改变输出电压矢量的方位，使其尽可能地逼近磁　表Ｉ逆变器状态表　Ｔａｂ．１　Ｉｎｖａｔｅｒ　ｓｔａｔｕｓ　利用ＰＷＭ的开关周期ＴＰＷ　，控制基本电压空　保护电路等组成。　间矢量的导通时间来实现输出电压矢量方位可　通过霍尔电流传感器、旋转变压器等传感器将　调　Ｊ。具体的方程为：　电机的状态信息反馈给控制器，控制器根据这些信　１　１＋　＋　Ｖ（ｏ、７）＝７１ＰｗＭ　。　息调整输出电压与频率，达到实时控制同步电机的　式中，　、　是　所在区域的相邻基本电压矢量　目的。以３２位定点ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２８０６作为核　、　对应开关管导通状态的时间；Ｔｏ为插入零矢　心处理器。控制系统的框图如图４所示。　量　或　的时间，　为ＰＷＭ的开关周期。　旋转变压器　输出电压矢量所在扇区不同，　和　的导通时　间也不同，具体的导通时间如表２所示。　速　置　—一　检测　ｌ’ｌ　表２导通时间表　＝＝＝＝＝＝；逆变器ｒ圣　呈’＼电耋机　Ｔａｈ．２　ＣＯｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｔａｂｌｅ　（ＲＳ４８５通讯接口　Ｉ通讯、Ｈ　ＴＭＳ３２０Ｆ２８０６　Ｉｌ　　　　ｌ　（主控制器）　巫圊　扇区　１　２　３　４　５　６　焉　Ｍｏｕｄｕｓ协议）ｌｌ　一Ｚ　ｙ　Ｚ　—ｙ　—　存储单元ｒ—１ｌ　ｒ———＿ｒ一　Ｘ　Ｚ　—Ｙ　—Ｘ　—ｚ　Ｙ　其中Ｘ、Ｙ、Ｚ的取值如下：　（键盘与ｌ显示）Ｉｌ　ｌ器　ｆ删Ｉｌ电压　Ｉ检测　Ｘ：　Ｕ　Ｍ／Ｕａ　图４硬件系统框图　ｙ＝（３ｖ　＋　￡，８）Ｔｐｗ　／（２Ｕ　）　（５）　Ｆｉｇ．４　Ｈａｒｄｗａｒｅ　ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ｚ＝（一３Ｕ．＋　）　ｗＭ／（２Ｕａ）　控制系统的工作过程：外部传感器将当前电机　按照如下公式计算：　的电流、转速和位置信号通过调理电路的处理送到　Ｔｏ＝　ｗＭ—　—Ｔ　（６）　主控制器ＤＳＰ（ＴＭ３２０Ｆ２８０６）中，主控制器结合外部　的速度给定指令，经过精确计算得出ＰＷＭ波并以　４系统的硬件与软件设计　此来控制ＩＧＢＴ逆变器的输出，从而达到准确控制　系统采用永磁同步电机作为动力源。同步电机　同步电机的转速与电压的目的。　的控制系统是包含电流环、速度环以及位置环的复　硬件电路主要由控制器ＤＳＰ２８０６、ＩＧＢＴ逆变　杂闭环控制系统。硬件电路由主电路、控制电路和　器、检测电路、整流滤波电路、通讯接口电路等组成。　２０６　从实验结果可看出，系统实现了频率可调，且精　度较高，在０．５～２０　Ｈｚ内，输出电流均呈现较好的　正弦波形，且谐波成分小，抗干扰能力强。说明系统　在采用ＳＶＰＷＭ调制中，通过合适的死区补偿，有效　地抑制了低频电流震荡，使输出电流满足了同步电　机的需求，达到在低频段电机能够输出足够大的转　矩的要求，从而驱动大功率的传动机构工作。　６结语　本文以可调大功率次声波发生器为研究对象，　设计了变频调速控制系统。该系统结构成熟，性能　良好，执行效率高，实现了频率可调，使电机在低频　运行时，输出足够大的转矩，保证了能够输出高功率　次声波。详细介绍了矢量控制原理与空间电压矢量　调制技术（ＳＶＰＷＭ），说明采用矢量控制原理在控　制交流电机时具有与直流电机相媲美的调速性能。　通过对同步电机的控制，验证了矢量控制原理在控　制交流电机上的优越性。同时完成了控制器硬件系　统与软件系统的设计，并通过实验验证了系统设计　的可行性和准确性。　西安理工大学学报（２０１３）第２９卷第２期　参考文献：　［１］华兴恒．次声波及其应用［Ｊ］．物理教师，２００４，２５（９）：　４１４２．　Ｈｕａ　Ｘｉｎｇｈｅｎｇ．Ｉｎｆｒａｓｏｕｎｄ　ｗａｖｅ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｐｈｙｓ—　ｉｃｓ　Ｔｅａｔｈｅｒ，２００４，２５（９）：４１４２．　［２］赵选科．次声波及次声武器［Ｊ］．大学物理，２００５，２４　（５）：５７－５９．　ＺｈａｏＸｕａｎｋｅ．Ｉｎｆｒａｓｏｕｎｄ　ｗａｖｅ　ａｎｄ　ｉｎｆｒａｓｏｕｎｄ　ｗｅａｐｏｎｓ　［Ｊ］．Ｃｏｌｌｅｇｅ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，２００５，４２（５）：５７－５９．　［３］冯垛生．无速度传感器矢量控制原理与实践［Ｍ］．第　二版．北京：机械工业出版社，２００６．　［４］冯继营．基于ＳＶＰＷＭ的永磁同步电机矢量控制系统设　计［Ｊ］．电子元器件应用，２０１０，１２（９）：５０—５５．　［５］陈世浩．基于ＳＶＰＷＭ的磁链轨迹生成方法研究与仿真　［ｃ］／／中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术　年会，２００８．　‘　［６］阎治安．电机控制中电压空间矢量调制算法的探究　［Ｊ］．西安交通大学学报，２００６，４０（１２）：１３７４－１３７７．　Ｙａｎ　Ｚｈｉａｎ．Ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｗｉｔｈ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉ’ａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉ－　ｔｙ，２００６，４０（１２）：１３７４—１３７７．　（责任编辑王卫勋）