毕业设计（论文）-基于DSP的交流电机变频调速器的设计.doc

本科毕业设计(论文)题目：基于dsp的交流电机变压变频调速器的设计1.毕业设计（论文）题目： 基于dsp的交流电机变压变频调速器的设计 2.题目背景和意义： 传统的直流调速系统存在诸如直流电机电刷易于磨损、维护麻烦等自身结构上的问题，但是通常的变级调速、降电压调速、串电阻调速等交流调速方案也存在着结构复杂或功耗较大的缺点，因此，交流变频调速技术应用越来越广泛，它具有控制简单和效果良好的特点，因此在工业自动化等领域有着明显的实用价值。 3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）： 利用protel软件完成整个系统硬件电路板的设计，包括硬件原理图和pcb图，利用硬件仿真软件包搭建模拟电路并进行仿真，在条件允许的情况下制作电路板、焊接元器件并进行硬件调试。在熟悉系统硬件电路板的基础上，根据控制要求画出程序流程图，然后应用c语言或汇编语言写出控制程序并进行软件调试。本课题以dsp为控制核心，针对通用变频器的功能，进行硬件设计和编制实用化程序，以实现通用变频器的基本功能、辅助功能。通过本课题的学习，可以使学生学习到dsp在控制领域的应用原理以及相关的软硬件设计方法。 4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）： 1）13 周 查阅资料，写开题报告； 2）48 周 根据设计目标制定方案，完成原理图和pcb设计或制作； 3）914 周 根据通用变频器控制要求画出程序流程图，编写控制程序； 4）1518 周 写毕业设计论文。 设计地点：校内 5.毕业设计（论文）的工作量要求 3040页 实验（时数）*或实习（天数）： 图纸（幅面和张数）*： 其他要求： 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 系（教研室）主任审批： 年 月 日说明：1本表一式二份，一份由学生装订入附件册，一份教师自留。2 带*项可根据学科特点选填。基于dsp的交流电机变压变频调速器的设计摘要近年来，交流电机变频调速及其相关技术的研究已成为现代电气传动领域的一个重要课题，并且随着新的电力电子器件和微处理器的推出以及交流电机控制理论的发展，交流变频调速技术还将会取得巨大进步。在交流变频调速领域中，脉宽调制技术作为一项关键技术，在变频调速技术的发展中得到重要应用，而恒压频比控制（）是通用变频器中应用最广泛的一种控制方式。 本文以三相交流异步电动机为被控对象，以tms320lf2407a单片机（16位定点dsp芯片）作为处理器，采用智能功率模块pm10csj060，通过spwm控制技术对交流电机实现恒压频比控制，设计了基于dsp的通用变频调速系统。全文分别介绍了课题的研究背景和意义以及国内外变频调速发展的情况，以及三相交流电动机的结构及工作原理和spwm控制技术，然后给出了系统各部分硬件电路的工作原理、参数计算以及各部分器件的选取。接着介绍了ti公司的dsp芯片tms320lf2407a的一些特点和内部资源以及spwm波形原理和控制算法，最后给出了系统的总体程序流程图。关键词: dsp；变频调速；智能功率模块；恒压频比控制；spwmvariable speed induction motor system based on dspabstractin recent years, ac motor frequency control and related technology researchhas become a modern electric drive an important subject areas, and with the new power electronic devices and the introduction of the microprocessor and the exchange of theoretical development of motor control, ac frequency converter technology will also be made tremendous progress. in exchange in the field of frequency control, pwm technology as a key technology in the vvvf technology are important in the development of applications, and the constant pressure than the frequency control （u/f = c） is the application of the most common frequency converter a wide range of control.in this paper, three-phase ac induction motor to object to tms320lf2407a scm （16 fixed-point dsp chips）as a processor, a smart power module pm10csj060, through spwm ac motor control technology to achieve constant pressure than the frequency control, design the dsp-based universal frequency control system. they described the issue as well as research background and significance of the development of domestic and international frequency control, the combination of the three-phase ac motor structure and working principle and spwm control technology, and then presented different parts of the system hardware circuit works, and calculated parameters select all parts of the device. then on this dsp chips tms320lf2407a of some of the features and internal resources and spwm wave principle and control algorithms, the system is given the overall process flow chart.keywords: dsp; variable fequency variable speed; ipm; u/f control method; spwm目录1绪论11.1交流调速的意义11.2电力电子技术11.3国内外交流调速的现状21.3.1国外现状21.3.2国内现状21.3.3变频调速系统指标32交流电机控制方法及实现方式42.1控制方案的选择42.2交流电机的调速方式42.3变频调速系统的控制方式42.4 pwm脉宽调制技术62.5 spwm原理72.6 spwm的控制模式及实现83调速系统的硬件电路123.1系统原理及组成123.2电机选用及其参数133.3系统硬件电路设计133.3.1整流电路133.3.2滤波电路143.3.3逆变电路和驱动电路163.4 dsp控制器的选择193.4.1 dsp控制器的发展与特点193.4.2 tms320lf240xa芯片特点概述203.4.3系统保护电路213.4.4电流检测213.4.5电压检测223.4.6速度检测233.4.7系统电源233.4.8电气原理总图244系统的软件设计.254.1 dsp生成spwm波形254.1.1控制寄存器设置254.1.2 dsp生成spwm波的基本设计思想254.2系统软件设计274.2.1系统初始化274.2.2系统的主程序284.2.3系统脉宽调制程序29总 结30参考文献31致 谢32毕业设计（论文）知识产权声明33毕业设计（论文）独创性声明34附录 35391 绪论1绪论1.1交流调速的意义电动机及其控制在国民经济中起着重要作用。无论是在工农业生产、运输、国防宇航、医疗卫生、商务与办公设施还是日常生活中的家用电器，都广泛地使用各种各样的电动机。电动机是电能应用的主要形式，是应用最广泛到机械能的变换装置，世界上超过60%的发电量用于驱动各种各样的以电动机的为基础的电力传动装置与系统。其中许多的机械有着调速的要求，如车辆、机床、造纸机械、纺织机械等等。另一类设备如风机、水泵等节约电能也需要调速。为了减少运行的损耗，满足生产工艺等要求为目的，需要对电动机进行调速控制。鉴于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速系统一般采用直流电动机。在过去，直流电动机调速系统占据主导地位。但是直流电动机本身在机构上存在严重的问题，它的机械接触式换向器不但结构复杂、制造复杂、生产周期长、价格昂贵；而且运行中容易产生火花以及更换机械强度不高，电刷易于磨损等，在运行中需要有经常性的维护，同时对环境的要求也比较高，不能使用于化工、矿山等周围环境中，如有粉尘、腐体和易燃、易爆气体的场合；即便应用在车辆牵引上，也感到维护检修不便，特别是由于换向问题的存在，直流电动机无法做成高速大容量的机组，目前高速直流电动机所能做到的最大容量只有400千瓦左右，低速的也只能做到几千千瓦，容量较大的直流电机往往要做成双电枢，远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。而交流电机早在十九世纪八十年代中期就己问世，由于它具有消耗原料少、制造成本低、结构牢固、运行安全可靠、环境适应性强以及易于向高压、高速度和大容量方向发展等特点，迅速得到广泛的应用。这种所谓的不变速系统是指交流电机本身不进行调速，而为了达到对整个系统的控制又不得不采用其它的措施进行调速，从而白白消耗了大量的电能。这样，如何从本质上改变交流电机调速控制特性，使之具有直流电机的调速性能，便成为近几十年来电气传动研究工作者努力研究的主要课题之一。交流调速系统具有以下几个主要优点：交流电动机的价格远低于直流电动机，而且结构简单、重量轻、制造方便、坚固耐用、可靠性和运行效率高，不易出故障，维修工作量小；使用场合没有限制，在恶劣的甚至是含有易燃易爆性气体的环境中安全运行；单机容量远大于直流电动机。正是由于交流电动机的这种西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）优势，使它在电力拖动系统中的应用范围比直流电动机要广泛得多，约占整个电力拖动总容量的80%以上，在整个电机调速中有重要的地位。而制约交流调速发展的重要原因是，交流电机是高阶、多变量、强耦合、非线性系统，与直流电机相比，转矩难于控制。交流变频调速技术是集电力电子技术、微电子技术、电机学及自动控制于一身的一项技术高度发展的产物，它是通过改变电动机定子供电频率来控制转速，从而实现交流电动机调速的一种方法。交流变频调速以其调速范围广，平滑性好，具有优良的动静态特性，显著的节能效果和广泛的适用性被公认为应用性好、效率高，是理想的电气传动方案。1.2电力电子技术变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。在低压交流电动机的传动控制中，应用最多的功率器件有gto、gtr、igbt以及智能模块ipm（intelligent power module），后面两种集gtr的低饱和电压特性和mosfet的高频开关特性于一体，是目前变频系统和通用变频器中最广泛使用的主流功率器件。igbt作为第二代的电力电子器件，它的应用使变频器的性能有了很大的提高，主要表现为：（1）发热减少，将曾占主回路发热5070%的器件发热降低了30%；（2）高载波控制，使输出电流波形有明显改善；（3）提高开关频率，实现了电机运行的静音化；（4）驱动功率减少，体积趋于更小；智能功率模块（ipm）是向第四代器件功率集成电路（pic）的过渡产品，是微电子技术和电力电子技术相结合的产物。它不但提供一定功率输出能力，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。ipm具有以下特点：（1）开关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单；（2）采用了隔离技术，散热更均匀，体积更加紧凑；（3）集成度高，它集成了驱动电路、保护电路甚至光耦，大大缩短开发时间；（4）内含电流传感器，可以高效迅速地检测出过电流和短路电流，能对功率芯片给予足够的保护，故障率大大降低；（5）保护功能丰富，如电流保护、电压保护、温度保护等一应俱全，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，既减小了体积、减轻了重量，又提高了可靠性；（6）由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化，所以浪涌电压，门极振荡，噪声引起的干扰等问题能有效得到控制；（7）很高的性能价格比，ipm的售价己逐渐接近igbt；目前ipm己经在工业变频器（中、小功率）中被大量采用，随着技术的不断改进，ipm的功率也越来越大。同时经济型的ipm在近年内也开始在一些民用品如家用空调变频器、冰箱变频器、洗衣机变频器中得到应用。ipm也在向更高的水平发展。日本三菱电机最近开发的专用智能模块astpm将不需要外接光耦，通过内部自举电路可单电源供电并采用了低电感的封装技术，在实现系统小型化、专用化、高性能、低成本方面又推进了一步。1.3国内外交流调速的现状1.3.1国外现状在大功率交-交变频调速技术方面，法国阿尔斯通己能提供单机容量达3万kw的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利abb公司提供了单机容量为6万kw的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司simoverta电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10-2600kva和simovert pgtopwm变频调速设备单机容量为100-900kva，其控制系统己实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。在小功率交流变频调速技术方面，日本富士bjt变频器最大单机容量可达700kva，igbt变频器己形成系列产品，其控制系统也己实现全数字化。同时国外交流变频调速技术高速发展有以下特点。市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等的节能场合，已取得显著的经济效益。功率器件的发展。近年来高电压、大电流的scr、gto、igbt、igct等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高低压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础：16位、32位高速微处理器以及信号处理器（dsp）和专用集成电路（asic）技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能提供了硬件手段。基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、专业化生产。1.3.2国内现状从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10-15年。在大功率交-交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。在新型电力电子器件应用方面，由于gtr、gto、igbt、ipm等全控器件的使用，使得中小功率的变流主电路大大简化，大功率scr、gto、igbt、igct等器件的并联、串联技术应用，使高电压、大电流变频器产品的生产及应用成为现实。在控制器件方面，实现了从16位单片机到32位dsp的应用。国内学者并一直致力于变频调速新型控制策略的研究，但由于半导体功率器件和dsp等器件依赖进口，使得变频器的制造成本较高，无法形成产业化，与国外的知名品牌相抗衡。国内几乎所有的产品都是普通的控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大量进口高性能的变频器。国内交流变频调速技术产业状况表现如下：a变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模；b变频器产品所用半导体功率器件的制造业还不成熟；c相关配套产业及行业落后；d产销量少，可靠性及工艺水平不高。产销量少，可靠性及工艺水平不高。1.3.3变频调速系统指标控制系统的稳定性一般从系统的稳态和动态性能指标上衡量。本设计系统需要完成的稳态性能指标为：d=10，s=0.05，系统需要完成的动态性能指标为：a=（3-5）%，上升时间=2.35。2 交流电机控制方法及实现方式 2 交流电机控制方法及实现方式2.1控制方案的选择交-交变频一般只用于低转速、大容量的调速系统，本设计选择交-直-交变频装置。系统选用不可控整流桥来提高功率因数。电流型交-直-交一般只用于要求频繁加减速的大容量电机传动，而且电压型逆变器能使直流电压波形比较平直。因此逆变器设计选用电压型逆变器，采用spwm逆变技术。2.2交流电机的调速方式根据电机学原理知识，可以得到交流电机的转速公式为： （2.1）由式（2.1）可以看出，交流电机调速方法主要有三大类：其一是在电机中旋转磁场的同步转速恒定时，调节转差率，称为变转差率调速；其二是调节供电电源频率厂，称为变频调速；三是改变电机定子绕组的极对数，称为变极调速。2.3变频调速系统的控制方式电机定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果，本质上是定子绕组的自感电动势。其三相交流异步电机每相电动势的有效值是： （2.2）气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值；与绕组结构有关的常数；定子频率；定子每相绕组串联匝数；每极气隙磁通量；由上式可见，如果定子每相电动势的有效值不变，改变定子频率时会出现下面两种情况：如果大于电机的额定频率，那么气隙磁通量就会小于额定气隙磁通西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）量。其结果是：尽管电机的铁心没有得到充分利用是一种浪费，但是在机械条件允许的情况下长期使用不会损坏电机。如果小于电机的额定频率，那么气隙磁通量就会大于额定气隙磁通量。其结果是：电机的铁心产生过饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。因此，要实现变频调速，在不损坏电机的条件下，充分利用铁心，发挥电机转矩的能力，应在变频时保持每极磁通量为额定值不变。基频以下调速：由式（2.2）可知，要保持不变，当频率从额定值向下调节时，必须同时降低，使=常数，即采用电动势与频率之比恒定的控制方式。当电动势的值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压，则得=常数。这是恒压频比的控制方式。在恒压频比的条件下改变频率时，我们能证明：机械特性基本上是平行下移的，如图2.1所示，当转矩增大到最大值后，特性曲线就折回来了。如果电动机在不同转速下都具有额定电流，则电机都能在温升允许条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化，由于在基频以下调速时磁通恒定，所以转矩也恒定。根据电机与拖动原理，在基频以下调速属于“恒转矩调速”的性质。低频时，和都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能再忽略。这时，可以人为地把电压抬高一些，以便近似地补偿定子压降。图2.1 基频以下调速时的机械特性基频以上调速：在基频以上调速时，频率可以从往上增高，但电压却不能超过额定电压，最多只能保持。由式（2.2）可知，这将迫使磁通随频率升高而降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。在基频以上变频调速时，由于电压不变，我们不难证明当频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，如2.2所示。由于频率提高而电压不变，气隙磁动势必然减弱，导致转矩减小。由于转速升高了，可以认为输出功率基本不变。所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。图2.2 基频以上调速时的机械特性把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得图2.3所示的交流电机变频调速控制特性。图2.3 交流电动机变频调速控制特性2.4 pwm脉宽调制技术所谓pwm脉宽调制技术，是用一种参考波（通常是正弦波，有时也采用梯形波或注入零序谐波的正弦波或方波等）为调制波，而以n倍于调制波频率的三角波（有时也用锯齿波）为载波进行波形比较，在调制波大于载波的部分产生一组幅值相等，而宽度正比于调制波的矩形脉冲序列用来等效调制波，用开关量取代模拟量，并通过对逆变器开关管的通断控制，把直流电变成交流电，这种技术叫作脉宽调制逆变技术。由于载波三角波(或锯齿波)的上下宽度是线性变化的，故这种调制方式也是线性的。当调制波为正弦波时，输出矩形脉冲序列的脉冲宽度按正弦规律变化，这种调制技术通常又称为正弦脉宽调制技术。要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变各个脉冲宽度即可。pwm波形可分为等幅pwm波和不等幅pwm两种。由直流电源产生的pwm波通常是等幅pwm波，由交流电源产生的pwm波通常是不等幅的。不管是等幅pwm波还是不等幅pwm波，都是基于面积等效原理进行控制的，因此其本质是相同的。pwm波形可分为等幅pwm波和不等幅pwm两种。由直流电源产生的pwm波通常是等幅pwm波，由交流电源产生的pwm波通常是不等幅的。不管是等幅pwm波还是不等幅pwm波，都是基于面积等效原理进行控制的，因此其本质是相同的。根据pwm控制的基本原理，如果给出了逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，pwm波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的pwm波形。这种方法称之为计算法。可以看出，计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。与计算法相对应的是调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接收调制的信号作为载波，同过信号波的调制得到所期望的pwm波形。通常采用等腰三角形或锯齿波作为载波，其中等腰三角形应用最多。因为等腰三角形上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右堆成，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合pwm控制的要求，在调制信号波为正弦波时，所得到的就是spwm波形。正是因为调制法有这样的优点，所以实际应用中的主要是调制法。2.5 spwm原理目前很容易实现的一种方法是：逆变器的输出波形是一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，这些波形与正弦波等效，等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等份的中点相重合。这样，有n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效，称为spwm波形。spwm波形如图2.4所示。产生正弦脉宽调制波spwm的原理是：用一组等腰三角形波与一个正弦波进行比较，如图2.5所示，其相交的时刻（即交点）来作为开关管“开”或“关”的时刻。正弦波大于三角波时，使相应的开关器件导通；当正弦波小于三角载波时，使相应的开关器件截止。西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）图2.4 与正弦波等效的等幅脉冲序列波图2.5 spwm控制的基本原理图2.6 spwm的控制模式及实现spwm的控制方法有两种，即模拟控制和数字控制。原始的spwm是由模拟控制来实现图2.6是spwm变压变频器的模拟控制电路原理框图。三相对称的参考正弦电压调制信号，由参考信号发生器提供，其频率和幅值都是可调的。三角载波信号由三角波生器提供，各相公用。它分别与每相调制信号在比较器上进行比较，给出“正”或“零”饱和输出，产生spwm脉冲序列波，作为变压变频器功率开关器件的驱动信号。spwm的模拟控制电路现在己经很少应用，但他的原理往往是其它控制方法的基础。图2.6 spwm变压变频器的模拟控制电路数字控制是spwm目前常用的控制方法，可以采用微机存储预先计算好的spwm数据表格，控制时根据指令调出，或者通过软件实时生成spwm波形，也可以采用大规模集成电路专用芯片产生spwm。下面是几种常用的方法：（1）等效面积法 正弦脉宽调制的基本原理就是按面积相等的原则构成与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，由： （2.3）当的数值较大时，于是，；上式己给出脉冲宽度的计算公式，根据己知数据和正弦数值可以依次算出每个脉冲的宽度，用于查表或实时控制，这是一种最简单的算法。（2）自然采样法移植模拟控制的方法，计算正弦调制波与三角载波的交点，从而求出相应的脉宽和脉冲间歇时间，生成spwm波形，叫做自然采样法，如图2.7所示，在图中截取了任意一段正弦调制波与三角载波的相交情况。交点a是发出脉冲的时刻，b点是结束脉冲的时刻，为三角载波的周期，为时间内在脉冲发生以前（即a点以前）的间歇时间，为ab之间的脉宽时间，为在以内b点以后的间歇时间，显然。图2.7生成spwm电波形的自然采样法若以单位量1代表三角载波的幅值，则正弦调制波的幅值就是调制度，正弦调制波可写作： （2.4） 式中是调制波频率，也就是变压变频器的输出频率。由于a、b两点对三角载波的中心线并不对称，须把脉宽时间分成， 两部分(见图2.7)。按相似直角三角形的几何关系，可知： （2.5） （2.6）整理的 ： 这是一个超越方程，其中，与载波比和调制度都有关系，求解困难，而且，分别计算更增加了困难。因此，自然采样法虽然能确切反映正弦脉宽调制的原始方法，却不适合微机实时控制。（3）规则采样法自然采样法的主要问题是，spwm波形每一个脉冲的起始和终了时刻，对三角波的中心线不对称，因而求解困难。工程上实用的方法要求算法简单，只要误差不太大，允许作一近似处理。其中应用最广泛是规则采样法。它可以分成两类不同的采样法则。图2.8(a)所示为一种规则采样法，姑且称之为规则采样1法。它是在三角载波每个周期的正峰值时找到正弦调制波上的对应点，即图中d点，求得电压值。用此电压值对三角载波进行采样，得a，b两点。就认为它们是spwm波形中脉冲的生成时刻，a、b区间就是脉宽时间。规则采样1法的计算显然要比自然采样法简单，但从图中可以看出，所得的脉冲宽度将明显地偏小，从而造成不小的控制误差。这是由于电压水平线与三角载波的高点都处于正弦调制波的同一侧造成。为此可对采样时刻作另外的选择，这就是图2.8(b)所示的规则采样2法。图中仍在三角载波的固定时刻找到正弦调制波上的采样电压值，但所取的不是三角载波的正峰值，而是负峰值。得图中e点，采样电压为。在三角载波上由水平线截得a、b点，从而确定了脉宽时间。这时，由于a、b两点坐落在正弦调制波的两侧，因此减小了脉宽生成误差，所得的spwm波形也就更准确了。由图2.8可以看出，规则采样法的实质是用阶梯波来代替正弦波，从而简化了算法，只要载波比足够大，不同的阶梯波都很逼近正弦波，所造成的误差就可以忽略不计了。在规则采样法中，三角波每个周期的采样时刻都是确定的，都在正峰值或负峰值处，不必作图就可以计算相应时刻的正弦波值。ebada 规则采样法b 规则采样法图2.8生成spwm电波形的规则采样法3 调速系统的硬件电路3 调速系统的硬件电路3.1系统原理及组成变频调速一般可分为基频以下的恒磁通变频调速和基频以上的弱磁通变频调速。由于磁通比较难以准确地控制和调节，故基频以下的恒磁通变频调速应用的较多。实现这种变频调速需要对两个量进行有效地调节，定子电压和频率。鉴于定子电压和频率之间有固定的比例关系，于是通过对一个信号的控制就可以同时对定子电压和频率两个信号的调节，来达到实现变频调速的目的。设计是先把工频的三相交流电经三相整流桥电路变成直流电，通过大电容对整流后的直流电进行滤波，使直流电压变化趋于平稳。然后用三相逆变桥对平稳的直流电进行逆变，从而转化成可调节的交流电。在整个变换过程中，通过对逆变器的开关控制，有规律地控制逆变器中主开关的通和断，可以输出任意频率的三相交流电，来实现对异步电动机的变频调速。系统采用spwm技术。主要依靠dsp控制器产生三相互差120度的3对spwm波来实现对逆变器的开关进行控制。生成spwm波形的方法很多，例如有等效面积法、自然采样法、规则采样法等。其中最常用的是中值规则采样法（前面己经介绍过该原理）。系统设计电路可分为整流电路、逆变电路、滤波电路、驱动电路、电流检测电路、电压检测电路，速度检测电路、显示电路、输入电路、保护电路等。如图3.1是系统的整体模块结构图。图3.1 系统原理图西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）3.2电机选用及其参数本系统中受控电机为实验室的三相交流异步电动机，硬件电路中所有参数的计算和选型均以此电机为基础。电机的型号为y90l4，为西安西码电机集团有限公司产品，铭牌参数如下：380，电机的接线方式为y型接法。3.3系统硬件电路设计系统电路分为主电路、控制电路两部分，主电路由整流桥、滤波电路、逆变桥、电压检测电路、电流检测电路。控制回路由控制器、光电隔离电路、驱动电路、控制电源电路、转速检测电路、系统显示电路、键盘输入电路、与pc通讯电路。图3.2系统硬件原理图3.3.1整流电路近年来，在交-直-交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合，大都采用不可控整流电路经电容滤波后提供直流电源，供后级的逆变器、斩波器等。用于整流目的电路器件称为整流器，所有整流器类别中最简单的是二极管整流器。二极管整流器不提供任何一种控制输出电流和电压数值的手段。这样不仅简化了整流电路的结构，而且为它能以非常小的谐波干扰和1的功率因数加载于电网。结合本设计控制的要求，系统采用三相整流桥模块，整流电路采用不可控二极管组成。二极管的参数选择为：通过二极管的峰值电流：流过二极管电流的有效值：二极管电流额定值：考虑到滤波电容充电电流的的影响，留出余量，选用：二极管电压额定值：设计选用mds系列三相整流桥模块，型号为：mds 30。整流桥模块由6个二极管组成的桥式电路，主要作用就是把工频三相交变电压整流成直流电压。整流桥模块电路原理图如下图3.3。图3.3 整流桥电流图3.3.2滤波电路在整流电路中输出电压是脉动的，在逆变部分产生的脉动电流和负载变化也使得直流电压产生脉动，为了将其中的交流成分尽可能的滤除掉，使之变成平滑的直流电，必须在其后加上一个低通滤波电路。在整流输出端并入大电容，整流输出直流电压含有很多偶次谐波，频率越高，电容容抗越小，分流作用越大，谐波被滤除的就越多，输出电压的平均值就越大。滤波电容除了滤除整流后的电压纹波外，同时主电源电路工作时，因为智能功率模块ipm的开关频率很高，开关动作时会在直流环节产生电流突变，由于主电路电感的存在，在ipm模块里的igbt的集电极和发射极以及直流母线上会出现高频的尖峰电压毛刺，不但会影响逆变桥的工作，有时还会损坏igbt，因此需要在逆变桥上加上一个吸收缓冲电路。即在整流电路与逆变器之间起去耦作用，以消除相互干扰。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1，因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。所以在中间直流环节与电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。当电机运行在发电状态时，电能由电机回馈给逆变器，逆变器中的电力电子开关器件无法储能，能量只能靠直流环节中作为滤波的储能元件电容器来缓冲，使它不至于影响到交流电网。这时，电机对电容器充电导致电容器的电压上升，如果超过电容的最大允许值将可能导致电容击穿性的损坏；另外，如果电网交流电压上升，超过允许值也可能导致设备的损坏。因此，需要在控制系统中加入放能回路，当直流电压超过一定的值时则打开放能通道。图中的pwm变换器主电路的直流电源是三相全波整流电源，因整流器不允许电流逆向流动，所以在电动机制动过程中，系统储存的能量不能回馈给电网，只能给滤波电容器c1和c2充电。电压过高会影响并联在母线上的所有器件的正常工作，甚至可能烧毁器件，故必须加以限制，而系统图3.4中的r1是限制过大的充电电流。图中电阻rll、r21是均压电阻。下图3.4是滤波电路图。图3.4 滤波电路原理图滤波电路则采用传统上的大电容进行滤波，理论上电容越大越好。其中电容参数计算公式如下。未加滤波电容式三相整流输出的平均电压为： （3.1）加上滤波电容后的最大电压可达到交流线电压的峰值： （3.2）假设输入电压的波动范围为360-400v，此对应400v的输入，整流后的电压为540v。又设电源功率因数为0.9，那么每一个周期，电容吸收的能量为： （3.3）式中为电机输出功率，为峰值电压。考虑到纹波的需要，最小的交流输入电压应该在360v以上，所以有： （3.4）电容器理论上讲越大越好，实际中考虑价格我们选择2个选用两个2200/ 400的电容串联，总耐压值为800，电容量为1100，如图3.2中的，。正是因为串联的大电容，直流侧电压基本无脉动，可以得到稳定无脉动的直流电压源。是当系统启动时，整流桥先对和充电，为了限制充电电流过大，需要增加 （见图3.4）。当系统稳定后，再由继电器ka屏蔽。的值为： （3.5），故电阻选用50。；3.3.3逆变电路和驱动电路逆变电路的功率开关器件选用的是以绝缘栅双极晶体管（igbt）为核心的智能功率模（ipm）。igbt是80年代出现的新一代复合型电力电子器件，它集合了mosfet和gtr的优点，适合于高速、低功耗的场合，如电机控制，开关电源等。igbt具有耐压高、电流大开关频率高、导通电阻小、控制功率小等特点。而智能功率模块（ipm）是将大功率开关器和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在同一个模块内，是电力集成电路pic的一种，目前的ipm一般采用igbt作为大功率开关器件。逆变桥的电路原理如下3.5图：图3.5 逆变桥电路原理图ipm的主要特性：a. 采用低饱和压降，高开关速度，内设低损耗电流传感器的igbt功率器件该电流传感器是射极分流式采样，电阻上流过的电流很小，且与开关流的大电流成确定比例关系，从而可代替一般要外接的电流互感器，如霍电流传感器等检测元件。同时饱合压降和开关速度之间的关系达到最优具有足够的安全工作区，能很好地满足由控制ic给出的保护范围。b. 采用单电源逻辑电压输入优化的栅极驱动，实行rtc(实时逻辑栅区)控制式。以严密的时序逻辑监控保护，可防止过电流、短路、过热及欠电压等故障发生。带rc信号干扰抑制和电源干扰抑制。c. ipm内置各种保护功能。只要有一个保护电路起作用，igbt的门极驱动路 即关闭，同时产生一个故障信号，可送至dsp进行相应处理。逆变桥参数的计算如下：正反相峰值电压， 考虑到22.5倍的安全系数，取耐压值为1200。通态峰值电流考虑两倍的过载倍数以及1.52.0安全系数。设计中对于逆变器最终选用三菱公司最新推出的dip-ipmps22053。dip-ipmps22053在ipm基础上开发的，结合dip-ipm本身低成本、小型化、高可靠性、易使用、并且集功率变换、驱动、以及保护电路于一体的器件。它内部既有6个igbt组成的逆变桥，也集成各个igbt的驱动电路，并且还具有欠压，过流，过热、短路等自动保护的功能。由于ps22053内部集成驱动电路，故设计时无须再考虑igbt的驱动。ipmps22053的故障输出信号需要选用光电藕合器配件。光电藕合器配件选择用日本夏普的通用性低速耦合器件pc817。它具有光电藕合器的体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性能强，无触点且输入与输出在电气上完全隔离等特点。光电藕合器一般可用于隔离电路、负载接口等电路中。考虑到与ipm器件的搭配性，选择器件pc817来实现ipm的故障信号输入dsp。另外当功率管ipm开关工作时，原则上是绝对不能使上下两臂同时导通的。即使在高速开关状态下稍有交迭也会潜在威胁功率管和周边电路，特别是在大电流状态下。防止这一现象的办法是一只ipm打开的时候必须确保它的对管已经完全关闭。在此加入了一段小小的延时，被称之为“死区”。“开通”ipm延时时间取决于光耦的寄生延时数据。其中重要的是参考光耦的最大和最小延时时间，根据ipm的配件说明来选取hcpl4504，来满足系统的要求。hcpl4504是ipm专用的美国安捷伦高速光耦。下图3.6是dip-ipm智能功率模块ps22053与hcpl4504、pc817之间接线图。ipm功率器件的电源与驱动电路的设计注意事项：a. 驱动电源（1）驱动电源必须采用四组隔离电源。上桥臂每相各用一组电源，下桥臂二相共用一组。四组驱动电源的隔离度应达到1200。（2）驱动电源应在13.516.5之间，ipm能够正常工作。若电源电压高于16.5，则igbt因驱动电源过高，保护性能得不到充分的保证，高于20时igbt管的栅极会损坏，因此绝对不能加这么高的电压。若电源电压低于13.5，igbt驱图3.6 ipm器件与hcpl4504，pc817之间的接线图动电源电压不足，这时控制信号为无效操作。典型的工作值一般取为15。b. 控制信号输入由dsp产生的六路pwm信号需要经光耦隔离后再输入ipm。光耦的型号为hcpl4504，它是专用ipm电器隔离。控制信号输入端需连接上拉电阻以防止由的作用而产生误动作。3.4 dsp控制器的选择3.4.1 dsp控制器的发展与特点随着1946年第一台电子计算机的诞生，一场数字化的技术革命悄然地引发。如果说当计算机的出现纯粹是为了解决日益复杂的计算问题，那么现在计算机已无处不在。自动控与计算机几乎是同步地发展着。自动控制系统的核心问题是如何寻找和实现最佳的控制。在a/d，d/a以及i/o技术出现并成熟之后，最佳控制律的实现问题就变为了最佳控制的运算（代数、微分、积分等运算）问题，从而计算机作为自动控制系统的核心部分就是自之事。dsp（digital signal processor）实际上也是一种单片机，它同样是将中央处理单元、制单元和外围设备集成到一块芯片上。dsp最早是针对数字信号处理，特别是语音、图像信号的各种处理而开发的。由于这类信号处理的算法复杂，要求dsp必须具有强大快速的运能力。因此dsp有别于普通的单片机，它作为一种高速专用微处理器，运算功能强大，能现高速输入和高速率传输数据。它专门处理以运算为主且不允许延迟的实时信号，可高速行快速傅里叶变换运算。它包含灵活可变的i/o接口和片内i/o管理、高速并行数据处理、算法的优化指令集。数字信号处理器的精度高，可靠性好，其先进的品质与性能可为电机控提供高效可靠的平台。数字信号处理器保持了微处理器自成系统的特点，又具有优于通用微处理器对数字信号处理的运算能力。随着80年代dsp（数字信号处理）芯片出现和发展，数字信号处理技术的得到了巨大的提高，许多新系统、新算法应运而生，其应用领域不断拓展。和早期的dsp芯片相比，现在的dsp芯片