变频器SVPWM控制系统设计及仿真毕业设计

毕业设计(论文)课 题 名 称 变频器 SVPWM 控制系统设计及仿真 学 生 姓 名 汤斌 学 号 1341202078 系、年级专业 电气工程系、13 级自动化 指 导 教 师 林立 职 称 教授 2017 年 5 月 18 日I摘要随着电力电子器件和微处理器芯片的发展，使得数字化变频调速技术成为当代电机控制技术的趋势。传统的 SPWM 控制算法未顾及输出电流波形，不易于数字化。所以需要更进一步的控制算法，来使电机产生恒定转矩，于是便产生电压空间矢量 PWM(Space Vector Pulse Width Modulation，简称 SVPWM)控制算法。变频器 SVPWM 控制系统就是利用该算法的来对异步电机实行控制的，它的输出谐波小，也使得直流侧的电压利用率提升了 15%。本课题变频器的控制芯片是 TMS320F2812DSP，采用 SVPWM 调制技术，产生 PWM 波形，并对 6 个 IGBT 的通断进行控制，从而在电机空间产生圆形旋转磁场，使电机产生恒定转矩。本文最后一章还使用 MATLAB /SIMULINK 对变频器 SVPWM 进行仿真分析，仿真结果进一步验证了变频器 SVPWM 算法的可行性和正确性。关键词：变频器；SVPWM；异步电机；MATLAB/SIMULINK 仿真IIAbstractWith the development of power electronic devices and microproc essor chips, digital frequency conversion technology has become the trend of modern motor control technology. The traditional SPWM control algorithm does not take into account the output current waveform, not easy to digitize. Therefore, the need for further control algorithms, so that the motor generates a constant torque, so it will produce a voltage space vector PWM (Space Vector Pulse Width, SVPWM). Inverter SVPWM control system is the use of the algorithm to control the motor, its output harmonic is small, but also makes the DC side voltage utilization increased by 15%.The inverter control chip is TMS320F2812DSP, using SVPWM modulation technology, PWM waveform, and the 6 IGBT on-off control, resulting in a circular rotating magnetic field in motor space, makes the motor produce constant torque. In the last chapter of this paper, MATLAB /SIMULINK is used to simulate the frequency converter SVPWM, and the simulation results verify the feasibility and correctness of the SVPWM algorithm.Keywords: inverter;Space Vector Pulse Width Modulation;Asynchronous motor;simulation目录摘要 .IAbstract .II1 绪论 .11.1 课题研究背景及意义 .11.2 变频器 SVPWM 的发展现状和趋势 .31.3 课题研究要求及任务 .61.4 论文的主要内容 .72 变频器 SVPWM 控制系统结构及原理 .82.1 变频器 SVPWM 控制系统结构 .82.2 变频器 SVPWM 基本原理 .102.3 变频器 SVPWM 法则推导 .122.4 变频器 SVPWM 控制算法 .143 变频器 SVPWM 控制系统设计 .223.1 总体设计 .223.2 主电路设计.223.3 驱动电路设计 .243.4 控制电路设计 .263.5 软件设计 .284 变频器 SVPWM 控制系统建模仿真及结果分析 .294.1 系统仿真模型的建立 .294.2 系统仿真结果分析.34总结 .38参考文献 .39致谢 .40邵阳学院毕业设计（论文）11 绪论1.1 课题研究背景及意义在当今工业社会，能源的有效利用一直是科学研究的重要方向，这关乎与我们的可持续发展，因此，节能研究就显得越来越重要。随着电动机制造技术的进步，电机越来越多的被应用在工业生产、农业生产、科技研究、国防各方面，作为主要的动力设备。从世界范围来看，电机的用电量超过全球各国总用电量的一半以上，约占工业用电量的 70%，如此之高的一个比例数量，如能提高用电效率，优化电机控制算法，将具有十分重大的意义。使异步电机和变频器相结合，所组成的交流调速系统具备非常高控制性能。如果能够对电机的调速控制容易实现。那么对电机的高效性并且连续，启动、运行和停止的高频性也就容易实现。在上个世纪，由于电力电子器件的限制，电机控制技术的不成熟。对电机实施高性能控制就很难实现，即便能提高性能，从经济上来说也不划算。更无法大范围的推广此项技术，被人所接受。所以在控制要求高的地方，或是精确调速要求的地方就不会出现异步电机。后来，随着电力电子技术的发展，半导体全控型器件进一步发展，这使得对电机的调速可以实现数字化，对其控制精度也大大的提高。于是使得异步电动在工业上被慢慢应用。同时这些半导体器件的出现，也使得电机的控制系统大大简化。性能更高、更可靠、而且经济，这就在很大程度上促使了对异步电机的高性能变频调速的发展。同时，随着微电子技术的发展，微控制器芯片的推陈出新，结合功率半导体装置和数字控制技术，使变频器的控制更加稳定，所产生的波形更标准，以前不能实现的 SVPWM 电机控制方法也能实现。现在可以使用变频器 SVPWM 控制技术来对电动机进行控制，进而满足对电机在工业中的要求，节能与转矩脉动小，具有很高的控制精度。所以对变频器SVPWM 控制技术进行深入研究很有必要，它所在工业控制中所发挥着的作用是不可忽视的。我国是一个工业大国，使用电动机对生产机械进行传动是不可或缺的，一些大邵阳学院毕业设计（论文）2型的钢厂、制造业加工厂更加如此，电动机也被广泛应用在生活中，比如我们学校随处可见的电动车，电梯等等驱动传动设备，还有其他社会应用方面。正因为电动机具有重要的应用，所以我们国家对于它的发展和控制处于高度重视状态。在电气传动实际应用中，运用电动机作为动力来源，给各类生产机械提供原始动力，实现这些要求的同时，我们还需要对其控制精度，性能做出要求，使其既能实现我们的目的，又具有稳定、节能、高精确性的特点，这在以前的实现中还是具有问题的。然而，在还没有变频器的年代，使用的电机基本上都是直流电机，对其调速方法主要是调节它的电枢供电电压的恒转矩调速、改变电机的主磁通，实现无级平滑调速、改变电枢回路电阻，进行电枢回路外串电阻的有级调速。而后来不一样，变频器的出现与应用，大大简化了此前的繁杂操作，并且减小了设备体积，大幅度的减少维修次数，使得操作更加简单和安全。SVPWM 技术一出现，就被应用在变频器中。交-直-交中的最后一个逆变环节，SVPWM 算法对三相逆变器控制产生 PWM 波，进行电机调速，这种调速方式是基于电动机气隙的旋转磁场。产生旋转磁场的上一步是使电机的定子上具有三相对称电压，电压与旋转磁场的方向相互垂直，逆推 SVPWM 方法，是根据参考电压的大小，来计算所需合成的电压所在区间，利用最近的基本电压矢量对其进行平行四边形法则矢量合成，利用公式计算出基本电压矢量的作用时间，根据产生圆形电压空间矢量的原理，防止过调试，使得电压矢量不超调，还需计算出零矢量的作用时间，总的时间电压积分与参考电压积分相等，在优化逆变器的开关顺序，使遵循每个周期开关相等的原则，产生固定的开关顺序，并且尽可能的选择每次变换只改动一个开关的状态，此时所产生的 PWM 波用来驱动全控型器件，从而实现SVPWM 控制。SVPWM 控制方法具有更宽的线性调制范围，因为产生的磁链圆是逼近圆形的，可以十分明显地减少谐波成分，使得转矩脉动明显减小，具有更高的直流电压利用率。况且 SVPWM 的控制方法简单、容易实现数字化，这就使得该控制方法被广泛的应用在交流调速中。采用不同的开关顺序还可以最大限度的降低开关损耗，SVPWM 控制方法还能够解决压频比的矛盾。正是因为 SVPWM 控邵阳学院毕业设计（论文）3制算法的具有以上优点，所以本课题的应用有现实意义使得本课题的研究具有现实意义。变频器控制的优点：（1）对电机的调速当采用变频器进行控制后，能大大减少能量的损耗，尤其是风机、泵类负载，对电能的节约可提高 20% 60%，如此高的节电率是由于风机的功率与其转速的三次方成正比关系。所以，这个节能是巨大的。由于在实际生产之中，我们应用的此类负载很多，所以在这类负载应用中意义十分明显。（2）变频器调速在电动机启动、运行、停止方面具有明显的调速优势，通过编程改变其逆变器的开关状态，就可以调节输出电压，对电机实施控制。改变其逆变单元的开关管的导通顺序，就可以对输出换相。一般通过变频器启动进行，大部分是从低速开始的，所以其加速减速控制都很平稳，可以进行高频率的启动控制。使用变频器制动的时候，变频器能够使用内部电路将电能回馈电网或是内部电阻进行消耗。当对电机进行制动时，变频器将会直接给电机加压制动，无需外接制动电路进行制动。（3）能够提高工艺水平和产品质量，变频调速是可以在零电压的时候对电机进行启动，当其进行稳定运行之后，变频器是能够按照压频比不变来带动负载运行，这样可以充分减小启动电流，提高绕组的使用寿命，可以减少维修费用，同时变频器进行集成，也大大减小了控制器的体积。我国的可持续发展政策离不开环境与能源的相互协调，正因为这变频调速技术的高速发展，使得我们告别了传统的粗放型经济体质，放眼全世界，能源和环境的现状，各个国家越来越重视能源、环境和发展的三位一体，协同发展。而此时，变频器对电机调速正好与此切合，各种高性能的电机控制方法得以发挥，满足了，对节电节能，增加系统稳定性和保护电机，减少转矩的波动起到积极的作用，因此，变频器 SVPWM 控制技术具有广阔的应用发展前景。邵阳学院毕业设计（论文）41.2 变频器 SVPWM 的发展现状和趋势“我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍然落后于发达国家。随着改革开放，经济高速发展，我国引进了很多最先进的产品。国内许多合资公司已能生产当今国际上最先进的变频调速产品，并对它进行应用软件的开发，为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统 1”。在变频调速领域，我国虽然取得了很大成绩，但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对外国公司的依耐性仍较为严重。我国电气传动与变频技术的发展应用如表 1-1 所示：交流变频调速行业在中国兴起了二十几年，随着我国工业的进步，它的市场容量正逐年的在增长，最近几年的低压、中压、高压变频器市场容量超过 160 亿元，国内外总计投资的品牌有超过 140 个，这其中，外资品牌占比不超过 30%，但是它的市场份额却有 75%之多，可见我国自主的变频器品牌要发展与应用还有相当长的路要走，任重而道远。当前的交流变频调速行业已经初具规模，变成产业化，具相关从业人员分析，我国市场上的变频器预计将在以后十年之内饱和。“在低压变频器广泛应用的今天，交流变频调速传动系统已在市场中占有