基于DSP的交流電機VVVF控制器的設計說明

1、本科畢業(yè)設計(論文)題目：基于DSP的交流電機VVVF控制器的設計院 （系）：電子信息工程學院專 業(yè)： 自動化 基于DSP的交流電機VVVF控制器的設計摘要隨著半導體業(yè)的快速發(fā)展，新的電力電子器件和微處理器的推出以與交流電機控制理論的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術取得了巨大的技術進步。其中以功率逆變器驅(qū)動的可調(diào)速交流電機的使用能很方便的實現(xiàn)對電機的工作頻率、電壓與電流大小的調(diào)節(jié)。同時，它能提高電機的工作效率，改善電機的工作性能以與減小工作時產(chǎn)生的噪音,控制軟硬件實現(xiàn)簡單，性能價格比合理等優(yōu)點，在實際中得到了廣泛應用。本文介紹了基于DSP的異步電機交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)。變壓變頻控制原理, 闡述了

2、正弦脈寬調(diào)制（SPWM）的基本原理，給出了DSP實現(xiàn)SPWM的方法。本文給出了變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方案該變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路包括主電路和功率電路等。控制系統(tǒng)的軟件部分，以TMS320LF2407A DSP為核心設計了感應電機變壓變頻控制系統(tǒng),給出了硬件結構與軟件流程圖.經(jīng)實踐證明，基于DSP芯片的VVVF控制變頻調(diào)速系統(tǒng)性能優(yōu)良，運行穩(wěn)定，抗干擾能力強，電機運行噪音小，不失為一套具有先進型、新穎性、實用性的控制系統(tǒng)。關鍵詞:變頻調(diào)速，數(shù)字信號處理器(DSP)，智能功率模塊(IPM),SPWMBased on DSP ac motor VVVF the controller designAbst

3、ractWith the rapid development of semiconductor industry, new power electronic devices and microprocessor launch and the development of ac motor control theory, variable frequency adjustinf technique made great progress of technology. Among them with power inverter driving adjustable speed ac motor

4、use can easily achieve the working frequency of motor voltage and current size, the regulation. At the same time, it can improve the workefficiency, improve motor performance and reduce its work work makes noise, control hardware and software implementation is simple and reasonable cost performance

5、advantages in practice, and can be widely used. This paper introduces the induction motor based on DSP ac inverter speed regulation system research and implementation. Variable pressure frequency conversion control principle, this paper expounds the sine pulse-width modulation (SPWM) are given the b

6、asic principle, method of realizing SPWM DSP. This paper gives the variable frequency speed regulation system control scheme of the variable frequency speed regulation system hardware circuit including main circuit and power circuit, etc. Control system of software components to TMS320LF2407A DSP co

7、re design the induction motor with variable pressure, frequency conversion control system is presented.the hardware structure and software flow chart. Is proved bypractice, based on DSP control variable frequency speed regulation system of VVVF excellent performance, stable operation, strong anti-ja

8、mming capability, motor operating noise is small, can yet be regarded as a set of novelty, practicability reinvests, with the control system. Keywords: frequency conversion, digital signal processor (DSP), Intelligent Power Module (IPM), SPWM1 概述1.1交流電機調(diào)速的發(fā)展與現(xiàn)狀電動機作為主要的動力設備廣泛的應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科技與社會生活等各個方面

9、，其耗電約占總發(fā)電量的6070，當之無愧的成為用電量最多的電氣設備。電動機按照供電電源的不同，分為直流電動機和交流電動機。由這兩種電動機作為動力源的傳動系統(tǒng)，先后于19世紀晚期誕生。直流電動機在額定轉(zhuǎn)速以下運行時，只要保持勵磁電流恒定，通過調(diào)節(jié)電樞電壓的方法便可以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上時，只要保持電樞電壓恒定，就可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流實現(xiàn)恒功率調(diào)速。這相對于交流電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和控制而言無疑是非常簡單易行的。因此在20世紀上半葉，高性能的轉(zhuǎn)速可調(diào)傳動系統(tǒng)幾乎完全被直流電動機所壟斷；而與此同時約占電氣傳動總容量80以上的交流電動機卻只能在定轉(zhuǎn)速傳動系統(tǒng)中才可以得到應用。在此期間，雖然交流調(diào)

10、速技術也有了一定的發(fā)展，但是其控制性能卻始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。這種情況直到20世紀中葉，隨著電力電子技術的發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路和計算機控制技術的出現(xiàn)，逐漸催生了高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)之后，這一分工格局才被打破。同時由于直流電動本身結構上存在換向器和電刷這一致命弱點，從而為直流調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)和應用帶來了一系列限制：（1）機械式換向器表面線速度與換向電壓、電流均存在一個允許極限值，限制了電機的轉(zhuǎn)速和功率，不能滿足工業(yè)生產(chǎn)中某些特定場合下的工作要求；（2）為了使機械式的換向器能夠可靠工作，需要增大電樞和換向器的直徑，這將增大電動機的轉(zhuǎn)動慣量，從而不利于其應用于要求具有快速響應特性的生產(chǎn)中

11、；（3）機械式換向器必須經(jīng)常檢查和維修，電刷需要定期更換，既影響了生產(chǎn)效率，又增加了維護成本；（4）在易燃、易爆的生產(chǎn)場合，以與多粉塵、多腐蝕性氣體的生產(chǎn)場合，均不能或不宜使用直流電機。交流電動機尤其是鼠籠式異步電動機具有，結構簡單，堅固耐用，制造方便，價格低廉，運行可靠，不需要經(jīng)常維修（即便維修也非常簡單），對環(huán)境要求不高等優(yōu)點；進一步推動了交流電氣傳動時代的來臨。到目前為止，人們已經(jīng)提出了種類繁多的交流異步電動機調(diào)速方法，常見的主要有：變壓調(diào)速，轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速，轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速，繞線轉(zhuǎn)子電動機串級調(diào)速和雙饋電機調(diào)速，變極對數(shù)調(diào)速和變頻調(diào)速。到目前為止，隨著一些新的交流電機變頻調(diào)速理論的誕

12、生和現(xiàn)代電力電子技術，以與高速數(shù)字信號處理器等相關技術的發(fā)展，在國外它已經(jīng)逐步主導了電氣傳動領域，并且已經(jīng)開始向更高性能、更大容量以與智能化的方向發(fā)展。在國，變頻調(diào)速技術經(jīng)過十多年的應用和推廣，已經(jīng)有了一定的發(fā)展。變頻器己逐步應用到了國民經(jīng)濟的各個行業(yè)，促進了節(jié)能改造，在相當程度上提高了我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的電氣傳動水平。但是就總體而言，推進的力度還不夠，變頻器應有的潛能還遠沒有充分發(fā)揮出來。有資料顯示，1997年全國現(xiàn)有設備需要進行調(diào)速改造的變頻器市場大約有1500億元人民幣。但是到2004年為止，實施改造的卻不足30%，與國家“電機系統(tǒng)節(jié)能計劃”投資500億元進行發(fā)展的要求相距甚遠。同時據(jù)國家

13、權威部門統(tǒng)計，目前我國電動機的總裝機容量己逾3億千瓦，年耗電量約占全國總發(fā)電量的65%。這其中，0.55220kw的中小型異步電動機又約占全部電機設備的80。但是由于變頻節(jié)能技術的滯后，我國70%的電機拖動系統(tǒng)卻只相當于國外20世紀50年代的技術水平，電能浪費十分嚴重。雖然目前，國對變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究已經(jīng)非?；钴S，但是在產(chǎn)業(yè)化方面的發(fā)展還不是很順利，市場大部分還被國外公司或合資公司所占據(jù)，本土企業(yè)一般只在變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)等低端產(chǎn)品方面有所發(fā)展。1.2變頻調(diào)速相關技術的發(fā)展1.2.1電力電子技術變頻技術是建立在電力電子技術基礎之上的。在中、低壓交流電機傳動控制系統(tǒng)中，應用最多的功率器件有GTO、

14、GTR、IGBT以與智能模塊IPM。后面兩種功率器件，集GTR的低飽和電壓特性和MOSFET的高頻開關特性于一體，是目前通用變頻器中應用最為廣泛的主流功率器件。其中IGBT的集射極電壓Vce（sat）可以小于3V,頻率可以達到20KHZ。其含的并聯(lián)于集電極與發(fā)射極之間的超高速二極管Trr響應時間可達150ns。1992年前后，IGBT開始在通用變頻器中得到廣泛應用，并逐步向損耗更低,開關速度更快、電壓更高,容量更大的方向發(fā)展。目前，采用溝槽技術和FS技術（FZ晶片）等方法大幅度降低了集電極與發(fā)射極之間的飽和電壓Vce（sat)的第五代IGBT也已問世。這一代IGBT的應用使變頻器的性能有了很大

15、的提高。IPM的投入應用比IGBT約晚二年，由于IPM包含了IGBT芯片與外圍的驅(qū)動和保護電路.甚至有的還把隔離光耦也集成于一體，極簡化了變頻器的開發(fā)，一經(jīng)投入市場便引起了廣泛的關注。目前，額定耐壓值為1200V的大封裝IPM模塊額定電流已經(jīng)可以達到800A，額定耐壓值為600V的超小型封裝IPM模塊額定電流也已經(jīng)達到了150A。因此在中、小容量通用變頻器領域，IPM模塊已有逐步取代IGBT的趨勢。IPM模塊與IGBT相比較而言，主要有以下優(yōu)點：（l）IPM模塊部往往集成了最新的高速型IGBT芯片，并且驅(qū)動電路也緊靠IGBT，驅(qū)動延時??；所以它的開關速度更快，驅(qū)動電流更小，控制驅(qū)動電路也更為簡

16、單。（2）IPM部采用的IGBT導通壓降低，開關速度快；所以它具有更低的功耗。（3）IPM部集成了過電流保護和驅(qū)動電源欠壓保護，能對功率芯片給予足夠的保護；所以使用更加安全，故障率更低。（4）IPM部采用了優(yōu)化的門極驅(qū)動電路，布局合理，無外部驅(qū)動線；所以抗干擾能力更強。（5）IPM的售價已經(jīng)逐漸接近IGBT，并考慮到外圍電路的開發(fā)費用；所以它的綜合開發(fā)成本相對較低，具有很好的經(jīng)濟性。因此IPM除了在工業(yè)變頻器中逐步被大量采用之外，經(jīng)濟型的IPM在近年來也開始在一些民用品，如家用空調(diào)變頻器、冰箱變頻器、洗衣機變頻器中逐漸得到了應用。與此同時，IPM智能模塊也在不斷向更高的水平發(fā)展。例如，日本三菱

17、公司近年來開發(fā)出的第三代小型DIP-IPM模塊，不需要外接光耦就可以直接與MCU控制引腳相連，而且通過部自舉電路可以實現(xiàn)驅(qū)動電路單電源供電，從而在實現(xiàn)系統(tǒng)小型化，專用化，高性能，低成本方面又推進了一步。1.2.2變頻控制理論從20世紀60年代至今，變頻調(diào)速控制理論主要經(jīng)歷了三個階段。每一個階段在技術上都會有一個突破性的進展，并推出一類更加先進的控制原理。因為其中每一類調(diào)速控制理論都有很大的應用市場，所以時至今日，逐漸形成了三類控制原理并存的局面。第一個階段產(chǎn)生的變頻調(diào)速理論是調(diào)壓調(diào)頻控制。該理論產(chǎn)生于20世紀70年代，既可以用于實現(xiàn)轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速，也可以用于實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速。這種控制方式的優(yōu)

18、點是控制結構簡單、成本較低，缺點是系統(tǒng)性能不高。在低速時，需要在恒壓頻比控制的基礎之上增加低頻段的電壓補償機制，以提高電機的低速控制性能。此外它還有控制曲線會隨著負載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應慢，利用率不高等缺點。所以這一類控制方式一般比較適合應用在風機和水泵等設備的調(diào)速場合。第二個階段產(chǎn)生的變頻調(diào)速理論是矢量控制。它是基于1971年德國學者F.Blasschke等人首先提出“感應電機磁場定向控制原理”，以與之后的矢量系“坐標變換”原理，經(jīng)過不斷改進和完善逐步發(fā)展而來的。這種控制方式，將交流電動機模仿直流電動機的控制方式來加以控制。具體方法是，通過坐標變換，將交流電動機的數(shù)學模型進行解耦處理；從而

19、如同像直流調(diào)速系統(tǒng)一樣，實現(xiàn)了對交流電動機的磁通和轉(zhuǎn)矩分別獨立控制，形成了一類高性能的交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)。并且隨著電力電子技術和數(shù)字信號處理器的發(fā)展，矢量控制理論已經(jīng)逐步在高性能交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了較為廣泛的應用。近年來，圍繞著矢量變換控制的缺陷，如系統(tǒng)結構復雜、非線性和對電機參數(shù)變化敏感等問題，國、外學者進行了大量的理論研究和應用探索。第三個階段產(chǎn)生的變頻調(diào)速理論是直接轉(zhuǎn)矩控制。這種控制理論于1977年，首先由美國學者A.B.Plunkett在IEEE雜志上首先提出，并且于1985年由德國魯爾大學Depenbrock教授首先取得了實際應用的成功，接著在1987年又將其推廣到了弱磁調(diào)速圍。

20、與矢量控制方式不同的是，直接轉(zhuǎn)矩控制具有魯棒性強、轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應速度快、控制結構簡單等優(yōu)點；它在很大程度上解決了矢量控制中結構復雜、計算量大、對參數(shù)變化敏感的問題。直接轉(zhuǎn)矩控制用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系下計算與控制交流電動機的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場定向，借助于離散的Bang-Bang控制產(chǎn)生PWM控制信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。它省掉了復雜的矢量變換運算與電機數(shù)學模型的簡化處理過程，控制結構簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確。采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式的交流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應迅速，并且不存在超調(diào)，是一種具有較高動態(tài)響應的交流調(diào)速技術。然而由于直接轉(zhuǎn)矩

21、控制無法象矢量控制那樣，在確定的開關頻率條件下，采用消除諧波的PWM控制方法；所以存在變頻器輸出電壓、電流的諧波較大，變頻器輸出電壓偏低，變頻器效率略低，在一樣電力電子元器件條件下，變頻器輸出容量略小，以與低速控制性能較差等缺點。因而這種控制系統(tǒng)還處于實驗室樣機研究階段，沒有真正實現(xiàn)產(chǎn)品化。近年來，基于矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制算法的無速度傳感器控制已逐步成為國外學術界與變頻器制造廠的研究熱點。但是國在這一領域的理論與實用化研究方面都還與國外先進水平有相當?shù)牟罹?。目前國產(chǎn)變頻器大多還處在V/F控制水平，無速度傳感器控制的產(chǎn)品遠未滿足實際應用要求。1.3變頻器的分類與選擇變頻器除了可以按照上文所述的

22、三種控制方式進行分類之外，一般還具有三種分類方法。它們依次是，按主回路變換環(huán)節(jié)分類，按電壓調(diào)制方式分類和按直流環(huán)節(jié)的儲能方式分類。1.3.1按變換環(huán)節(jié)分類按主回路變換環(huán)節(jié)分類，可以將變頻器分為交-交變頻器和交-直-交變頻器前者把頻率固定的交流電源，直接變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源。其優(yōu)點是沒有中間環(huán)節(jié)，變頻效率較高；但是主回路元件數(shù)量較多，變頻圍較窄，一般為電網(wǎng)頻率的1/2以下，所以其主要適用于低速大容量的拖動系統(tǒng)系統(tǒng)中。后者需要先把固定頻率的交流電整流成直流電，然后再把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電。因為直流電在逆變成交流電方面相對比較容易控制，所以這種類型的變頻器在變頻調(diào)速圍、制造成

23、本，以與在改善變頻后電機機械特性等方面有較大的優(yōu)勢。但是因為中間存在兩個能量變換過程，效率略低，所以比較適合中小容量的變頻調(diào)速系統(tǒng)。本課題設計的通用變頻器便屬于這一類型。1.3.2按電壓調(diào)制方式分類按電壓調(diào)制方式分類，可以將變頻器分為PAM調(diào)制變頻器和PWM調(diào)制變頻器前者通過改變直流側的電壓幅值來調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓的大小。由于調(diào)速性能和工程實現(xiàn)方法的限制，這種調(diào)制方式的中小型變頻器幾乎已經(jīng)退出了市場。后者通過利用全控型電力電子器件的導通和關斷，將直流電壓變成一定波形的電壓脈沖序列，實現(xiàn)變頻器輸出電壓的調(diào)節(jié)。PWM方式能夠與時、準確地實現(xiàn)變壓變頻要求，可以抑制逆變輸出電壓、電流的諧波分量，降低電

24、機轉(zhuǎn)矩脈動基于DSP的通用變頻器設計目前實際工程中主要采用正弦PWM調(diào)制方式，其中又以電壓空間矢量SVPWM方式最為引人矚目，并且業(yè)已廣泛應用于變頻器產(chǎn)品之中。1.3.3按儲能方式分類按直流環(huán)節(jié)的儲能方式分類，可以將變頻器分為電流源型變頻器和電壓源型變頻器。前者在主電路中采用大電感濾波和儲能，直流電流波形比較平直，電源阻抗很大，對負載而言近似為一個恒流源。直流電壓可以迅速改變，對負載電流反映遲緩，較易實現(xiàn)回饋制動和四象限運行；適用于單臺電機，并且要求能夠快速加減速運行的場所。后者在主電路中采用大電容進行濾波和儲能，直流電壓波形比較平直，對負載而言是一個阻為零的恒壓源。其被控量為電壓，動態(tài)響應較

25、慢，實現(xiàn)回饋制動和四象限運行較難，制動時對于小容量的變頻器需要在直流環(huán)節(jié)并聯(lián)電阻進行能耗制動；適用于多臺電機同步運行，且不要求快速加減速的場所。本課題設計的變頻器便屬于這一類型。1.4研究背景與研究容1.4.1研究背景隨著電力電子技術、微電子技術以與控制技術的不斷發(fā)展，諸多新型異步電機控制技術不斷被提出，給電機控制帶來了很多發(fā)展的契機。同時也出現(xiàn)一些要求高性能、低能耗、低成本以與技術指標要求苛刻的特殊應用系統(tǒng)。本課題運用矢量控制并結合空間電壓矢量調(diào)制技術，開發(fā)了以TI公司的電機控制專用DSP芯片TMS320LF2407A為心構成通用的、具有良好人機界面的流頻調(diào)速系統(tǒng)。1.4.2研究容本文研究的

26、主要容:一、硬件部分1、以IPM為功率器件構成逆變電路，以二極管構成三相橋式不可控全波整流電路，組成典型交一直一交電壓源型變頻系統(tǒng)主電路。2、以TMS320F24O7A為中央處理器，設計控制電路，它可以分為主控模塊、電流檢測模塊、轉(zhuǎn)速檢測模塊、通信模塊、顯示模塊、故障處理模塊等。二、軟件部分1、用C語言編制程序?qū)崿F(xiàn)AD轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)速檢測、數(shù)據(jù)顯示以與故障中斷處理等功能。2、用C語言實現(xiàn)變壓變頻控制、轉(zhuǎn)速的PI控制，并用電壓空間矢量法生成PWM波實現(xiàn)對異步電機的變頻調(diào)速。3、用C語言實現(xiàn)DSP與PC機的通信，從而有較好的人機界面。小結本章討論了電力電子技術，微控制器以與控制理論等方面的發(fā)展對交流調(diào)速

27、發(fā)展的影響，闡述了本文研究的背景以與主要研究工作。2異步電機的變頻調(diào)速原理2.1交流調(diào)速的基本類型交流異步電機調(diào)速系統(tǒng)種類繁多，常見的有：(l)降電壓調(diào)速；(2)電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；(3)繞線轉(zhuǎn)子異步電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；(4)繞線轉(zhuǎn)子異步電機串級調(diào)速；(5)變極對數(shù)調(diào)速；(6)變頻調(diào)速等。按照交流異步電動機的基本原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率Pm可分為兩部分:一部分PS= (l一S)Pm是拖動負載的有效功率，另一部分是轉(zhuǎn)差功率Ps=sPm，與轉(zhuǎn)差率s成正比。從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗還是得到回收，顯然是評價調(diào)速系統(tǒng)效率高低的一種標志。因此可以根據(jù)對轉(zhuǎn)差功率sP的處理方式將其

28、調(diào)速系統(tǒng)分為三類:（1）轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)在這種調(diào)速系統(tǒng)中，全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能而消耗掉。上文所述的變壓調(diào)速，轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速和轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速便屬于這一類。這種調(diào)速系統(tǒng)因為是以增加轉(zhuǎn)差功率消耗為代價來換取轉(zhuǎn)速的降低的，所以系統(tǒng)效率最低。但是由于其結構簡單，所以在要求不高的小容量場合還有一定地應用。（2）轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)在這種調(diào)速系統(tǒng)中，小部分的轉(zhuǎn)差功率以熱能的形式消耗掉，而大部分的轉(zhuǎn)差功率則通過變流裝置回饋給電網(wǎng)。當電機轉(zhuǎn)速越低時，相應的回饋功率將越多。上文中繞線轉(zhuǎn)子電動機串級調(diào)速和雙饋電機調(diào)速屬于此類調(diào)速系統(tǒng)。這一類調(diào)速系統(tǒng)效率有所提高，但系統(tǒng)復雜程度也相應的提高了。（3）轉(zhuǎn)

29、差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)在這種調(diào)速系統(tǒng)中，無論轉(zhuǎn)速的高低轉(zhuǎn)差功率的消耗都基本保持不變，系統(tǒng)效率很高。上文所述的變極對數(shù)調(diào)速和變頻調(diào)速屬于此類調(diào)速系統(tǒng)。對于變極對數(shù)調(diào)速，因為電動機的極對數(shù)有限，并且總是以整數(shù)形式變化，所以其調(diào)速圍有限、平滑性差，應用的場所有限。只有變頻調(diào)速可以構成高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，進而取代直流調(diào)速。因此變頻調(diào)速己經(jīng)逐漸成為了異步電動機最主要的調(diào)速方式，在很多領域都逐步得到了廣泛的應用。2.2脈寬調(diào)制技術2.2.1 脈寬調(diào)制PWM（Pulse Width Modulation）脈寬調(diào)制是利用相當于基波分量的信號波對三角載波進行調(diào)制，達到調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度的一種方法。這里所謂相當于基

30、波分量的信號波并不一定指正弦波，在PWM優(yōu)化模式控制中可以是預畸變的信號波，而三角載波也只是為了形象說明調(diào)制原理而借用或用模擬電路產(chǎn)生PWM脈沖時所必須采用的波形。不同信號波調(diào)制后生成的PWM脈寬對變頻效果，比如輸出基波電壓幅值、基波轉(zhuǎn)矩、諧波電流損耗、功率半導體開關器件損耗等的影響差異很大。2.2.2 PWM逆變器工作原理交-直-交變頻裝置如圖2-1所示，圖中整流器是不可控的，它的輸出電壓經(jīng)電容濾波后形成恒定幅值的直流電壓，加在逆變器的輸入端?？刂颇孀兤髦械墓β书_關器件通斷，其輸出端即獲得一系列寬度不等的矩形脈沖波形，而決定開關器件動作順序和時間分配規(guī)律的控制方法即稱為脈寬調(diào)制方法。通過改變

31、矩形脈沖的寬度可以控制逆變器輸出交流基波電壓的幅值，通過改變調(diào)制周期可以控制其輸出頻率，從而在逆變器上可同時進行輸出電壓幅值與頻率的控制，滿足變頻調(diào)速對電壓與頻率協(xié)調(diào)控制的要求，這就是PWM逆變器的工作原理。圖2-1交直交變頻裝置原理圖2.3變頻調(diào)速的基礎知識2.3. 1變頻調(diào)速的基本原理根據(jù)電機學原理可得，交流異步電機轉(zhuǎn)速是由供電電源頻率和電機的極對數(shù)決定的，從而轉(zhuǎn)速n可以表示為： （2-1）式中：fs為電機定子供電電源頻率，p'為電機磁極對數(shù)，' s =2fs為定子供電角頻率，為轉(zhuǎn)差率，為同步轉(zhuǎn)速。由（2-1）式可知，影響電機轉(zhuǎn)速的因素主要有：電機的磁極對數(shù)p'，轉(zhuǎn)

32、差率s和供電電源的頻率fs。變頻調(diào)速是通過改變定子電壓的供電頻率fs來改變異步電動機的同步轉(zhuǎn)速ns，從而達到調(diào)速的目的，如果有輸出頻率可平滑調(diào)節(jié)的變頻電源，則電機的轉(zhuǎn)速就可以平滑地調(diào)節(jié)。在調(diào)速過程中，若磁通下降，異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩就會減小，在額定轉(zhuǎn)速以下時將失去調(diào)速系統(tǒng)的恒轉(zhuǎn)矩機械特性，并可能造成電機的堵轉(zhuǎn)；若磁通上升，則又會造成電機的磁路飽和，勵磁電流迅速上升，從而導致電機鐵損加大，電機鐵芯嚴重過熱，其輸出效率下降，甚至有燒毀電機的可能。由此可見，為了獲得較優(yōu)良機械特性的變頻調(diào)速系統(tǒng)，在調(diào)速時需保持磁通恒定，目前常用的恒磁通變頻調(diào)速系統(tǒng)，主要有恒壓頻比控制法和轉(zhuǎn)差頻率控制法。本章主要介紹恒壓

33、頻比控制法。2.3.2變壓變頻（VVVF）控制原理本系統(tǒng)采用了VVVF的變頻控制方法，本控制系統(tǒng)充分利用了DSP提供的各種功能，設計了結構簡單的交流電動機VVVF控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于驅(qū)動IGBT逆變器。對U/F曲線的選擇、SPWM的控制策略，母線電壓波動時PWM輸出波形的補償做更多的了解，具體的控制結構框圖如下圖所示。圖2-2 VVVF控制結構框圖交流異步電機的定子繞組的感應電動勢的有效值Es的計算為： （2-2）式中：Ns為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)，Ks為基波繞組系數(shù)，m為每極氣隙磁通。將（2-2）式經(jīng)過適當變換可得： （2-3） 異步電機繞組端電源電壓Us與感應電動勢Es的關系為：Us =Es

34、 +Is r +jIsx （2-4）該式表示電機繞組端的電源電壓Us，一部分產(chǎn)生感應電動勢Es，另一部分則消耗在阻抗（線圈電阻r和漏電感x）上。其中定子電流Is又分為兩部分：少數(shù)部分用于建立主磁場磁通m，大部分用于產(chǎn)生電磁力帶動機械負載。為了得到較好的變頻調(diào)速效果，解決好機械特性下降的問題，由式（2-3）可知，只要保證Es/fs=4.44NsKsm=常數(shù)，采用這種控制方法，在基頻以下調(diào)速時可以保證m =常數(shù)，從而保證了電機的輸出轉(zhuǎn)矩為常值，不失為一種較理想的控制方法。雖然在實際操作中Es的大小無法進行直接控制，但是由于在阻抗上產(chǎn)生的壓降相對于加在繞組端的電源電壓Us很小，可以近似地得到UsEs

35、，即用加在繞組端的電源電壓Us近似地代替Es，使得調(diào)節(jié)電壓Us跟隨著頻率fs變化，以此達到保持磁通恒定不變之目的（Es/fs=Us/fs）。這就是保持電機輸出轉(zhuǎn)矩恒定不變的恒壓頻比控制方法，也即是所謂的VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)。 恒壓頻比控制方法成立的前提條件是：忽略了定子阻抗上的壓降，使得UsEs。當供電電源的頻率fs下降的較低（UsEs不再成立）時，如果仍然用恒壓頻比控制，將會造成磁通量m減小，因而導致電動機的臨界轉(zhuǎn)矩下降，也使得調(diào)速的機械特性下降。針對此問題通常采用的是U/f轉(zhuǎn)矩補償法，即：針對頻率fs下降時，電源電壓Us成比例的

36、下降，引起Us下降過低，而采用適當提高電壓Us，以保持磁通量m恒定，從而使電機的轉(zhuǎn)矩回升。當供電電源的頻率增加到額定頻率fsN以上時，但是電源電壓Us不能繼續(xù)上升，只能維持在額定值UsN處，這就使得磁通量m將隨著頻率fs（或轉(zhuǎn)速）的升高而成反比例的下降，即相當于直流電機的弱磁升速的狀態(tài)。磁通量的下降會使電機轉(zhuǎn)矩下降，直接造成電機的機械特性變軟，為此，一般都是在額定頻率fsN以下（也即低于電機的額定轉(zhuǎn)速）用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，在額定頻率以上（也即高于電機的額定轉(zhuǎn)速）用恒功率調(diào)速。具體U/f曲線的選擇參見圖2-3所示。圖2-3通用變頻器的U/f曲線1、基頻以下調(diào)速一恒壓頻比控制在進行電機調(diào)速時，通常要考慮

37、的一個重要因素是希望保持電機中每極磁通量為額定值，并保持不變。因為如果磁通太弱，沒有充分利用電機鐵心，這是一種浪費;如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會使繞組因過熱而損壞電機。對于直流電機，勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應進行適當補償，保持磁通恒定是很容易做到的。而在異步電動機中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子磁動勢合成的，故要達到磁通恒定的目的就困難得多。、由 (2-2) 式可知，要保持m恒定，當頻率f1從額定值f1n向下調(diào)時，必須同時降低Eg，使得 （2.5）然而，繞組中的感應電動勢是難于直接控制，當電動勢的值較高時，可以忽略定子壓降，而認為定子相電壓U1Eg，于是有 （2

38、.6）這就是所謂恒壓頻比控制方式。2、基頻以上調(diào)速一弱磁升速在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從f1n向上增大，但由于電機絕緣上的原因，電壓UI一般不能超過額定電壓U1N，最多只能保持UI=U1N，而由式2一3可知，要使電機轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速，必須使電機磁通低于額定磁通，這相當于直流電機的弱磁升速2.4正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術2.4.1電壓SPWM調(diào)制電壓SPWM脈沖寬度調(diào)制技術，顧名思義就是指利用全控型電力電子器件的導通和關斷把直流電壓變成電壓正弦波的輸出，實現(xiàn)變壓、變頻控制并且可以較好的消除諧波。SPWM(正弦脈寬調(diào)制波)是將正弦波變成寬度漸變的脈沖波，其中的脈沖波的寬度變化規(guī)律完全符合正弦的變

39、化規(guī)律。正弦脈寬調(diào)制方法也叫三角波調(diào)制法，產(chǎn)生原理是采用一組等腰三角形波信號（載波）與正弦波信號（調(diào)制波）通過比較器進行比較，其交點時刻作為開關管的導通和關閉時刻，當調(diào)制波（正弦波）大于載波（三角波）時，逆變橋的開關管導通，反之，則關斷，逆變器就產(chǎn)生一組等幅不等寬的脈沖序列。正弦波的頻率和幅值是可控的，只要改變正弦波的頻率，就可以改變輸出脈沖的頻率，從而改變電機的轉(zhuǎn)速；改變正弦波的幅值，它與三角波的交點發(fā)生改變，使輸出的逆變脈沖序列的寬度發(fā)生變化，從而改變輸出脈沖的電壓，其SPWM生成的原理如圖2-3所示。圖2-3 SPWM波的生成方法2.4.2 SPWM技術的發(fā)展近幾年，人們對SPWM逆變器

40、的控制模式研究有很多，提出了許多比較實用的SPWM技術。1、指定諧波消除法在指定諧波消除法中，逆變器的輸出電壓仍是一組等幅不等寬的脈沖波，而且是半個周期對稱的。但它們并非是由三角載波與正弦調(diào)制波的交點形成，而是從消除某些指定次數(shù)的諧波出發(fā)，通過計算來確定各個脈沖的開關時刻。2、移相式SPWM技術在許多大功率、特大功率應用場合，如高壓直流輸電（HVDC），靜止無功補償（SVC），大功率交流電機調(diào)速等場合。由于特大功率可關斷器件的開關頻率上限很低，而開關頻率較低的SPWM技術將產(chǎn)生大量低頻諧波，為此人們提出了一種新的SPWM技術，即將多重化技術和SPWM技術結合起來，形成移相式SPWM技術，其基本

41、思想是：在多重化為Lx的組合裝置中使用共同的調(diào)制波，并將各裝置中的三角載波（頻率為fC）相位相互錯開2/(LxfC)角度，利用SPWM技術中的波形生成方式和多重化技術中的波形疊加結構產(chǎn)生移相式SPWM波形。雖然每臺變流器載波頻率很低，但整個組合變流器輸出等效于開關頻率很高或者說載波頻率很高的SPWM變流器。由于移相式SPWM多重化是以自然采樣SPWM技術為基礎的多重化結構，可以直接引用許多改進的SPWM方法。它保持了原技術中優(yōu)異的控制性能，使傳統(tǒng)多重化結構的單調(diào)控制方式得到極擴充。在多重化電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)應用中，各單元發(fā)出的基波同幅、同相，可以共用整流裝置，疊加后的波形中完全抵消了低次諧波，

42、極改善了電機的工作條件。54 / 543 TMS320LF2407A與調(diào)試環(huán)境簡介3.1 DSP概述3.1.1通用DSP特點DSP（Digital Signal Processing）也稱數(shù)字信號處理技術，它是利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O備，以數(shù)字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。DSP是一種具有特殊結構的微處理器，其部集成高速乘法器，具有多組部總線，能夠進行快速乘法和加法運算，適用于高速數(shù)字信號處理的高速、高位單片機，它具有獨特的軟硬件結構，體積小、功耗低、使用方便、處理實時迅速、處理數(shù)據(jù)量大、精度高、性價比高等顯著優(yōu)點，主要應用在實時快速

43、實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理的各種算法。目前中國市場上TI公司DSP芯片占有率在50以上，也是我們比較熟悉DSP芯片之一，其硬件結構的主要特點是：1、哈佛結構哈佛結構不同于.諾伊曼結構，它是采用程序、數(shù)據(jù)總線分別獨立并具有多條總線的結構。程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址，用獨立的程序總線、數(shù)據(jù)總線或者多條總線分別進行訪問。2、流水線操作計算機在執(zhí)行一條指令的時候，總要經(jīng)過取指、譯碼、訪問操作數(shù)、執(zhí)行等幾個步驟，需要若干個機器周期才能完成。DSP的流水線結構是指它的這幾個階段在執(zhí)行過程中是重疊的。第一條指令取指后譯碼時，第二條指令取指；第一條指令訪問數(shù)據(jù)時，第二條指令譯碼

44、，第三條指令取指；即在任意給定的周期，可能有14條不同的指令是激活的，每一條都處于不同的階段。3、專用的硬件乘法器在DSP備有硬件連線邏輯的高速“與或”運算器（乘法器和累加器），取兩個操作數(shù)到乘法器中進行乘法運算，并將乘積加到累加器中，這些操作都可以在單個周期完成。4、特殊的指令在DSP的指令系統(tǒng)中，有許多指令是多功能指令，即一條指令可以完成幾種不同的操作，或者說一條指令具有幾條指令的功能。5、快速的指令周期哈佛結構、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成電路的優(yōu)化設計，可使DSP芯片的指令周期達到200ns以下，TMS320系列處理器的指令周期已經(jīng)從第一代的200ns降到現(xiàn)

45、在20ns以下。DSP以運算速度快為特征，而單片機以數(shù)字控制功能強為特點。對電動機的數(shù)字控制既要求控制器有強大的I/O控制功能，又要求控制器有高速的信號處理能力以實現(xiàn)實時控制。將DSP的高速運算速度與單片機的高控制能力相結合，開發(fā)出了電動機控制的專用集成芯片C24x系列DSP。這種DSP還集成了電動機控制所必需的可增加死區(qū)且靈活多變的多路PWM信號發(fā)生器、高速高精度的ADC、以與用于電動機速度和位置反饋的編碼器接口電路。3.1.2 DSP芯片的應用DSP芯片自20世紀70年代末誕生以來，得到了飛速的發(fā)展。DSP芯片的高速發(fā)展，一方面得益于集成電路技術的發(fā)展；另一方面得益于巨大的市場。在近20年

46、時間里，DSP芯片已經(jīng)在信號處理、雷達、通信等許多領域得到了廣泛的應用。目前，DSP芯片的價格越來越低，性能價格比日益提高，具有巨大的應用潛力。DSP芯片的應用主要有：（1）信號處理如數(shù)字濾波、快速傅立葉變換、模式匹配、波形產(chǎn)生等。（2）通信調(diào)制解調(diào)器、糾錯編碼等。（3）語音語音編碼、語音合成等。（4）圖形/圖像二維三維圖形處理、圖像壓縮等。（5）儀器/儀表雷達處理、導航等。（6）自動控制聲控、機器人控制等。3.2 TMS320LF2407A簡介3.2.1 TMS320LF2407A芯片介紹本文以TI公司最新推出的電機控制專用TMS320LF2407A DSP芯片為控制核心進行研究。TMS32

47、0LF2407A DSP屬于TI公司TMS320C2000系列定點DSP中的C24xx產(chǎn)品系列，其中“LF”代表片F(xiàn)lash EPROM(3.3V)，“LC”代表低電壓CMOS(3.3V)。TMS320LF2407A DSP專門為電機控制與運動控制數(shù)字化優(yōu)化實現(xiàn)而設計，特別適合于三相異步電動機的高性能控制。它集C2xx核增強型TMS320設計結構與適用于電機控制的低功耗、高性能、優(yōu)化外圍電路于一體，CPU部采用增強型哈佛結構，四級流水線作業(yè)，幾乎每條指令可在33ns完成，性價比高，構成控制系統(tǒng)的體積大大減小。3.2.2 TMS320LF2407A DSP特點1、采用高性能靜態(tài)CMOS制造技術，

48、該DSP具有功耗低和速度快的特點：33ns單指令周期(30MHz)，最短為25ns（40MHz）；運算速度為30MIPS，最快運算速度可達40MIPS；工作電壓在3.3V，有4種低功耗工作方式，四級指令執(zhí)行流水線。由于2407DSP工作在低功耗模式下，有利于電池供電的應用場合，其高速度非常適合電動機的實時控制。2、采用了基于TMS320C24x DSP CPU的核，保證了與TMS320C24x系列DSP12代碼的兼容性，與F240/C240的指令集和模式均兼容。3、片集成了32K字×16bit的Flash EEPROM程序存儲器，2.5K字×16bit的數(shù)據(jù)/程序RAM，包

49、括2K字的單口SARAM(Single-Access RAM)和544字的雙口DARAM(Dual-Access RAM)。因而該芯片可用于產(chǎn)品的開發(fā)，F(xiàn)lash的可編程密碼保護功能能夠使用戶的知識產(chǎn)權得到很好的維護。4、提供外擴展64K字程序存儲器、64K字數(shù)據(jù)存儲器、64K字I/O的能力。5、兩個專用電機控制的事件管理器(EV)，每一個都包含：2個16位的通用定時器，8個16位脈寬調(diào)制(PWM)輸出通道，1個能夠快速封鎖輸出通道的外部引腳PDPINTx(其狀態(tài)可由COMCONx寄存器獲得)，可防止上下橋臂直通的可編程死區(qū)控制功能，3個捕獲單元，1個增量式光電位置編碼器接口。6、可編程看門狗

50、（WDT）定時器，保證程序運行的安全性。7、16通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，具有可編程自動排序功能，4個啟動A/D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)源，最快A/D轉(zhuǎn)換時間為375ns。8、控制器局域網(wǎng)CAN（Controller Area Network）2.0B模塊。9、串口接口SPI和SCI模塊。10、基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器(PLL)。11、41個通用I/O引腳。12、32位累加器和32位中央算術邏輯單元(CALU)，16位×16位并行乘法器，可實現(xiàn)單指令周期的乘法運算，5個外部中斷。13、1149.1-1990 IEEE標準JTAG仿真接口。14、很寬的工作溫度圍，普通級：4085；特殊級：40125。T

51、MS320LF2407系統(tǒng)組成包括：40MHz，40MIPS的低電壓3.3V的CPU、片存儲器、事件管理器模塊、片集成外圍設備。其體系結構框圖如圖3-1所示。3.2.3 TMS320LF2407A事件管理器作為電機專用芯片，TMS320LF2407A最大的特色是置了功能強大的事件管理器（Event Manager），該模塊提供了一套用于運動控制和電機控制應用的功能和特性。每個TMS320LF2407A芯片都具有兩個事件管理器模塊EVA和EVB。每個事件管理器模塊包括以下功能模塊：兩個通用定時器（GP timer）；三個全比較單元（Full compare units）；8個16位的脈寬調(diào)制（P

52、WM）通道；可編程的PWM死區(qū)控制單元；三個捕獲單元（Capture units）；正交編碼器脈沖電路（QEP circuit）；通道A/D轉(zhuǎn)換器。圖3-1 TMS320LF2407A體系結構框圖4系統(tǒng)的硬件設計與其實現(xiàn)4.1系統(tǒng)硬件結構總體設計本系統(tǒng)采用交一直一交電壓型變頻電路，分為主電源電路和控制電路兩大塊。主電源電路主要由整流電路、濾波電路與智能功率模塊IPM構成的逆變電路組成;控制電路以TI的DSP芯片TMS320LF2407A為核心，包括電流檢測模塊、轉(zhuǎn)速檢測模塊、保護模塊、通信模塊和顯示模塊。構成功能齊全的全數(shù)字變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)硬件結構框圖如4一1所示4一1系統(tǒng)的硬件框

53、圖從圖4一1可以看出，本系統(tǒng)是一個有轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)參數(shù)由上位機通過RS一232接口傳給下位機，DSP負責各相電流采樣、轉(zhuǎn)速采樣，并計算電機的轉(zhuǎn)速和位置，最后運用控制算法，得到SPWM控制信號經(jīng)過光耦隔離電路后，驅(qū)動逆變器功率開關器件。同時，DSP還通過LED顯示當前電機轉(zhuǎn)速，而且監(jiān)控變頻調(diào)速系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過流、過壓、過熱等故障時，DSP將封鎖PWM輸出信號，使電機停機，并通過指示燈顯示。4.2主電源電路的設計與實現(xiàn)整流電路由不可控的二極管三相整流橋組成，逆變采用PWM方式，用智能功率模塊IPM作為功率開關器件，其主電源電路結構圖如4一2所示 圖4-2主電源電路圖從圖

54、4-2可以看出，380V的電壓經(jīng)過六個二極管(D1-D6)的全波整流，變?yōu)橹绷?。電解電容Cl和C2為整流濾波電容，同時為逆變器負載和直流電源之間的無功功率提供緩沖。主電源電路工作時，因為智能功率模塊IPM的開關頻率很高，開關動作時會在直流環(huán)節(jié)產(chǎn)生電流突變，由于主電路分布雜感電感的存在，在IPM模塊里的IGBT的集電極和發(fā)射極以與直流母線上會出現(xiàn)高頻的尖峰電壓毛刺，不但會影響逆變橋的工作，有時還會損壞IGBT，因此需要在逆變橋上加上一個吸收緩沖電路。圖(4一2)中電容C3和電阻R3，就是一個典型的吸收緩沖電路，其中C3為CBB電容，R3為無感電阻。另外，有R1和R2的分壓電路，經(jīng)過隔離、調(diào)整電路

55、送給控制芯片，作為主電源電路過壓和欠壓保護信號。一、IPM模塊日本三菱MITSUBISHI公司的智能功率模塊很具有代表性，而且性能優(yōu)良,價格適中，因此本系統(tǒng)采用三菱公司的IPM模塊，本系統(tǒng)采用耐壓12O0V，額定電流為10A的IPM模塊PMIORSH120。PM10RSH12O里面封裝了七只IGBT，該模塊需要四組獨立的電源供電，下橋臂三路驅(qū)動共用同一組電源外，其余上橋臂三路驅(qū)動需要三組獨立的電源供電。六路驅(qū)動電路共采用四組相互獨立的+15V電源，其中上橋臂三路各采用一組獨立電源，下橋臂三路驅(qū)動電路共用一組電源，其管腳具體功能如下。表4-1塊管腳功能表端子符號含義(1)Vupc上橋臂U相驅(qū)動電

56、源輸入端Vupi:+端，Vupc:一端(4)Vupi(2)UFO上橋臂U相故障保護輸出端，低有效(3)Up上橋臂U相驅(qū)動信號輸入端，低有效(5)Vvpc上橋臂V相驅(qū)動電源輸入端Vvpi:+端，Vvpc:一端(8)Vupi(6)VFO上橋臂V相故障保護輸出端，低有效(7)Vp上橋臂V相驅(qū)動信號輸入端，低有效(9)Vwpc上橋臂U相驅(qū)動電源輸入端Vwpi:+端，Vwpc:一端(12)Vwpi(10)WFO上橋W相故障保護輸出端，低有效(11)Wp上橋臂W相驅(qū)動信號輸入端，低有效(13)Vnc下橋臂共用驅(qū)動電源輸入端(14)VniVnc:+端，Vni:一端(15) Br制動驅(qū)動信號輸入端，低有效(16)Un下橋臂U相驅(qū)動信號輸入端，低有效(17)Vn下橋臂V相驅(qū)動信號輸入端，低有效效(18)Wn下橋臂W相驅(qū)動信號輸入端，低有效(19)FO下橋臂共用故障輸出端端(20) P主電源(直流)輸入端P:+端，N:一端(22)N(21)B空(23)U變頻器三相輸出端，連接電機三端(24)V(25)W智能功率模塊IPM具有性能優(yōu)良的置保護電路，可以避免因系統(tǒng)失靈或過應力而使功率器件損壞。IPM模塊置保護功能有:控制電源欠壓鎖定、過熱保護、過流保護、短路保護。如果IPM模塊其中有一路保護電路動作，IGBT的柵極驅(qū)動單元就會關斷電流并輸出一個故障信號(FO)。