2017毕业论文-基于DSP的通用变频器硬件设计.doc

北华大学毕业设计（论文）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(U/F=C)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；SPWMAbstractIn recent years, AC Motor Frequency Control and related technology research has 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 TIs 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.Key Words：Digital Signal Processor；VariableFrequency Speed Regulating；IPM；constant U/F；SPWM 1 目录摘要1Abstract2引言11 绪论21.1 本课题的研究背景和研究意义21.2 交流变频调速技术发展概况及其运用21.2.1 电力电子技术的发展31.2.2 控制策略和控制理论的不断发展31.2.3 全数字化高性能微处理器运用于电机控制41.2.4 目前变频技术的发展趋势、展望51.3 本论文的研究内容62 异步电机变频调速的基本理论72.1 三相交流电机的结构和工作原理72.2 交流电机的调速方式112.3 变频调速系统的U/f控制方式122.4 正弦脉宽调制(SPWM)控制理论152.4.1 单极性SPWM控制技术162.4.2 双极性SPWM控制技术182.4.3 SPWM的调制方式203 通用变频器的硬件电路设计233.1 通用变频器的总体设计233.2 主电路的设计243.2.1 整流电路253.2.2 滤波电路263.2.3 电源指示273.2.4 逆变电路273.2.5 以IPM为功率器件的驱动电路313.3 系统保护电路的设计333.3.1 过压、欠压保护电路343.3.2 限流启动电路363.3.3 IPM故障保护电路373.3.4 泵升控制电路383.4 控制电路的设计393.4.1 DSP(TMS320LF2407A)的最小系统电路393.4.2 频率信号输入电路443.4.3 光耦隔离电路454 通用变频调速系统的软件设计464.1 TMS320LF240xA芯片特点概述464.2 TMS320LF2407A的事件管理器(EV)474.3 SPWM波形生成原理与控制算法504.4 DSP生成SPWM波形54结论61附录A基于DSP的通用变频器硬件设计原理图62参 考 文 献63致谢65北华大学毕业设计（论文）引言电机变频调速是电力电子技术应用的最大领域之一，具有极大的吸引力，同时也具有较强的挑战性。它的市场异常庞大，据报道，世界上大约有100亿以上各种电机在工作，近年来，我国空调一年的产量已经超过1000万台，仅此一项市场已非常庞大；另外，其应用面极其广泛，例如机床、电动工具、电力机车、机器人、家用电器、计算机的驱动器、汽车、船舶、轧钢、造纸和纺织行业等等。而交流异步电机由于结构简单，使用与维护方便，运行可靠、价格低廉，并具有比较满意的运行特性和比较高的效率，在传动领域具有重要的地位。交流变频调速技术的优越性主要体现在两个方面：一是节电显著；二是卓越的调速性能。通过利用全控型电力电子器件的导通和关断，将直流电压变成一定波形的电压脉冲序列，实现变频器输出电压的调节。PWM方式能够及时、准确地实现变压变频要求，可以抑制逆变输出电压、电流的谐波分量，降低电机转矩脉动。目前实际工程中主要采用正弦PWM调制方式，就是所谓的SPWM技术。TMS320LF2407A是德州仪器公司专门为电机控制开发的一款定点式数字信号处理芯片，运用SPWM技术和DSP技术就可以完成了交一直一交电压源型通用变频器的硬件设计和系统搭建。1 绪论1.1 本课题的研究背景和研究意义随着世界经济的不断发展，科学技术不断提高，环保和能源问题日趋成为人们争论的主题。充分有效地利用能源已成为紧迫的问题，为了寻求高效可用的能源，各个国家都投入了大量人力财力，进行不懈的努力。就目前而言，电能是全世界消耗最多的能源之一，同时也是浪费最多的能源之一，为解决能源问题必须先从电能着手，其中起代表性的就是电机的控制。电机是一种将电能转换成机械能的设备，它的用途非常广泛，在现代社会生活中随处可见电机的身影，在发达国家中生产的总电能有一半以上是用于电机的能量转换，这些电机传动系统当中90%左右的是交流异步电机。在国内，电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。并且使用中的电机绝大部分还是中小型异步电机，加之设备的陈旧、管理、控制技术跟不上，所浪费的电能甚多。能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都起着极为重要的作用。在高速增民的经济环境下，我国能源工业而临着经济增长与环境保护的双重压力。有资料表明，受资金、技术、能源价格的影响，我国能源利用效率比发达国家低很多。为此，国家十五计划中，在电机系统节能方而投入的资金高达500亿元左右，由此可见，在我国异步电机的变频调速系统将有巨大的市场潜能。在电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术迅速发展的今天，电气传动技术正面临着一场历史性的革命。经过了十多年的发展，近代交流传动逐渐成为电气传动的主流。在交流电机调速系统中，效率最高、性能最佳的是变频调速系统，因此，对变频调速的研究是当前电气传动研究中最为活跃、最有实际应用价值的工作。变频器产业的潜力非常巨大，值得强调的是，这里的“变频器产业”应该是变频器技术产业，或者是inverter technology产业。正如IT产业不仅限于PC一样，变频器技术产业包括所有与变频器技术相关的产业，如电力电子器件的生产、驱动保护集成电路的生产、电气传动与系统控制技术、工业应用等。1.2 交流变频调速技术发展概况及其运用近年来，交流调速在国内外发展十分迅速，打破了过去直流拖动在调速领域中的统治地位，交流调速拖动已进入了与直流拖动相媲美、相竞争、相抗衡的时代，并有取而代之的趋势，这是现代电力拖动发展的主要特征。其主要原因有：电力电子技术的不断更新、控制策略和电机控制理论的不断完善、以及全数字化高性能高速度的微处理器不断发展等。1.2.1 电力电子技术的发展由于交流电机的诸多优点和运用广泛，其调速系统早就得到人们的关注，早期的交流电机调速方法，如用绕线式异步电机转子串电阻调速、鼠笼式异步电机变极调速、在定子绕组串电抗器调速等都存在效率低，不经济等缺点。交流变频调速的优越性旱在20世纪20年代就已被人们所认识，但受到元器件的限制，当时只能用闸流管构成逆变器，由于投资大，效率低，体积大而未能推广。20世纪50年代中期，晶闸管的研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代。晶闸管具有体积小、重量轻、响应快、管压低等优点，从而使得交流电机调速技术有了飞跃发展，出现了交流异步电机调压调速、串级调速等调速系统。到20世纪70年代出现了变频调速技术，变频调速具有效率高、精度高和范围宽等特点，是目前运用最广泛且最具有发展前途的调速方式。交流电机变频调速系统的种类也很多，从早期提出的电压源型变频调速开始，相继发展了电流源型，脉宽调制等各种变频调速控制系统。目前变频调速的主要方案有：同步电机自控式变频调速，正弦脉宽调制(Sine Pulse Width Modulation)变频调速，矢量控制(Field Oriented Control)变频调速，直接转矩控制(Direct Torque Control)及无速度传感器控制等。这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。随着电力电子技术的发展，特别是可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR、绝缘门极晶体管IGBT，MOS晶闸管及MTC等具有自关断能力全控功率元件的发展，且控制单元也从分离元件发展到大规模数字集成电路及采用微处理器控制，从而使变频装置的快速性、可靠性及经济性不断提高，变频调速系统的性能也得到不断完善。1.2.2 控制策略和控制理论的不断发展由直流电机的结构可知，直流电机的电枢磁势和电机的励磁是相互正交的，可以对电枢的电流和磁通分别进行控制，从而能够得到较理想的直流电机的转速调节性能和转矩调节控制性能。由于直流电机本身的结构复杂，还存在着换向器或电刷等器件，使得直流电机的容量受到一定的限制，维护也不方便。为此，交流异步电机以其独有的结构简单、耐用、运行稳定可靠、转动惯量小、制造成本低、维护少且方便、能够运用于恶劣环境等诸多优点，被广泛运用到工农业生产中。但是，交流异步电机的数学模型是一个非线性、强耦合、多变量的，不能像直流电机那样对磁通和转矩分别进行控制调节，在一定程度上抑制了交流异步电机的运用范围。在交流电机变频调速中应用最为广泛的是PWM控制，可以说PWM控制是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM控制方式来完成的。目前已经提出并得到实际应用的PWM控制方案就不止十几种，关于PWM控制技术的文章在很多著名的电力电子国际会议上，如PESC，IECON，EPE年会上已形成专题，尤其是微处理器应用于PWM技术并使之数字化以后，花样更是不断翻新。从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最小，到消除噪音等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。到目前为止，还有新的方案不断提出，进一步证明这项技术的研究方兴未艾。其中，高性能交流调速系统有：U/F恒定、速度开环控制的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环控制系统，这些虽然基本上解决了异步电机平滑调速的问题，然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述控制系统还是比直流调速系统略逊一筹。主要原因在于，其系统控制的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出稳态值控制，完全不考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方而的性能尚不能令人满意。考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。通过坐标变换重建异步电机的数学模型，可以使得异步电机等效于直流电机，从而象控制直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制，即矢量控制，又称为磁场定向控制。与矢量抓子制不同的是，直接转矩控制摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，而是简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并与给定值比较得出差值，实现磁链和转矩的直接控制。尽管矢量控制与直接转矩控制使交流调速系统的性能有了较大的提高，但是还有许多领域有待研究，比如：磁通的准确估计和观测、无速度传感器的控制方法、电机参数的在线辨识、极低转速包括零速下的电机控制、电压重构与死区补偿策略、多电平逆变器的高性能控制策略等更新更优的控制理论和控制策略。1.2.3 全数字化高性能微处理器运用于电机控制随着计算机技术和电力电子器件制造技术的发展以及新型电路变换器的不断出现，现代控制理论向交流调速领域的不断渗透，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，交流电机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展，为了满足现代人们对数字化信息的依赖，为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，为了提高交流调速系统自身的性能，必须实现交流调速系统的全数字化控制。单片机在交流调速系统中已经得到了广泛地应用。例如由Intel公司1983年开发生产的MCS-96系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速、高精度的工业控制。其高档型：8X196KB，8X196KC，8X196MC等在通用开环交流调速系统中的应用较多。但是由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂，这就需要高性能、高速度的新一代微处理器，于是出现了数字信号处理器DSP(Digital Signal Processing)。因此，DSP芯片在全数字化的高性能交流调速系统中找到大展身手的舞台。DSP芯片生产商主要有：Motorola公司、ADI公司和TI公司，本课题采用的是TI公司专为电机控制而研发的TMS320F240芯片。在交流调速的全数字化的过程当中，各种总线也扮演了相当重要的角色。STD总线、工业PC总线、现场总线以及CAN总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。数字化控制或称微机控制，其优点是使硬件设计简化，柔性的控制算法使控制灵活、可靠，更易实现复杂的控制算法，便于故障诊断和监视。控制系统的软件化对CPU芯片提出了更高的要求，为了实现高性能的交流调速，要进行矢量的坐标变换，磁通矢量的在线计算和自适应参数变化而修正磁通模型，以及内部的加速度、速度、位置的重叠，外环控制的在线实时调节等，都需要存储多种数据和快速实时处理大量信息。可以顶见，随着计算机芯片容量的增加和运算速度的加快，交流调速系统的性能将得到很大的提高。1.2.4 目前变频技术的发展趋势、展望近几年来对电力电子装置控制技术的研究十分活跃，各种现代控制理论，如自适应控制、滑模控制和人工神经网络、以及智能控制(如专家系统、模糊控制、遗传算法、采用微分几何理论的非线性解祸、鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优控制技术和尼奈奎斯特阵列设计方法等)和无速度传感器等高动态性能控制都是研究的热点，这些研究必将把交流调速技术发展到一个新的水平。交流变频调速控制系统广泛应用于机械、冶金、矿山、化工、石油、纺织、造纸、印染、船舶、铁路等行业，是最有发展前途的一种调速控制方式。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1015年，就目前而言，尽管变频调速系统的研发在国内还比较活跃，但是市场上的绝大部分产品还是被国外产品所占据，为此，我们需要密切关注国际变频调速技术发展的趋势，紧跟着国内市场的需求，加快国内变频调速系统的发展，努力研制出自己的产品。1.3 本论文的研究内容本文在掌握交流电机变频调速基本原理的基础上，采用电机控制专用DSP芯片TMS320LF2407A，运用变频调速的U/f控制方式和SPWM控制算法，提出了基于DSP的通用变频器的总体设计方案，并详细阐述了其中关键技术的研究和设计。U/f控制方式的变频调速系统是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路比较简单，电机选择通用标准异步电动机，因此其通用性比较强，性能/价格比比较高。具体研究工作包括： 交流电机变频调速原理的研究； 变频调速系统硬件电路的研究和设计，包括主电路、系统保护电路和控制电路等； 变频调速系统控制软件的研究和设计。2 异步电机变频调速的基本理论2.1 三相交流电机的结构和工作原理1. 三相交流电机的结构三相交流电机的主要部件如图2.1所示。它由定子(包括机座)、转子、端盖等组成，其中定子和转子是能量传递的主要部分。现分别介绍如下：图2.1 三相交流电机的主要部件(1)定子定子是电动机的不动部分、它主要由铁心、定子绕组和机座组成。定子铁心是电动机磁路的一部分，为了减少铁损，定子铁心由表面绝缘的硅钢冲片叠压而成。硅钢片内圆周表面冲有槽孔，用以嵌置定子绕组，定子绕组是定子中的电路部分，中、小型电动机一般采用漆包线绕制，其三相对称绕组共有六个出线端，每相绕组的首端和末端分别用D1，D2，D3和D4，D5，D6标记，可以根据电源电压和电动机的额定电压把三相绕组接成星形或三角形，参见图2.2：图2.2 三相交流异步电动机接线柱的联接(2)转子转子是电动机的旋转部分，由转轴、转子铁心、转子绕组和风扇等组成。转子铁心是一个圆柱体，也由硅钢片叠压而成，其外圆周表面冲有槽孔，以便嵌置转子绕组。转子绕组根据其构造分为两种形式：鼠笼式和线绕式。(a)鼠笼式鼠笼式转子是在转子铁心的槽内压进铜条，铜条的两端分别焊接在两个铜环上，因其形状如同鼠笼，故得名。现在中、小型电动机更多地采用铸铝转子，即把熔化的铝浇铸在转子铁心槽内，两端的圆环及风扇也一并铸成。用铸铝转子可节省铜材，简化了制造工艺，降低了电机的成本。(b)线绕式其转子铁心与鼠笼式相同，不同的是在转子的槽内嵌置对称的三相绕组。三相绕组接成星形，末端接在一起，首端分别接在转轴上三个彼此绝缘的铜制滑环上。滑环对轴也是绝缘的，滑环通过电刷将转子绕组的三个首端引到机座上的接线盒里，以便在转子电路中串入附加电阻，用来改善电动机的起动和调速性能。绕线式电动机结构比较复杂，成本比鼠笼式电动机高、但它有较好的性能，一般只在有特殊需要的场合使用。2.三相交流电机的工作原理交流电动机是利用载流导体在磁场中产生电磁力的原理制成的。因此，我们首先讨论在交流电动机定子绕组中通以三相交流电所产生的旋转磁场。假设将定子绕组联接成星形，并接在三相电源上，绕组中便通入三相对称电流： (2.1) (2.2) (2.3)其波形如图2.3所示：图2.3 三相电流波形三相电流共同产生的合成磁场将随着电流的交变而在空间不断地旋转，即形成所谓的旋转磁场，如图2.4所示：图2.4 三相电流产生的旋转磁场旋转磁场切割转子导体，便在其中感应出电动势和电流，如图2.5所示。电动势的方向可由右手定则确定。转子导体电流与旋转磁场相互作用便产生电磁力F施加于导体上。电磁力F的方向可由左手定则确定。由电磁力产生电磁转矩，从而使电动机转子转动起来。转子转动的方向与磁场旋转的方向相同，而磁场旋转的方向与通入绕组的三相电流的相序有关。如果将联接三相电源的三相绕组端子中的任意两相对调，就可改变转子的旋转方向。图2.5 转子转动原理图旋转磁场的转速n0称为同步转速，其大小取决于电流频率f1和磁场的极对数。当定子每相绕组只有一个线圈时，绕组的始端之间相差120以空间角，如图2.4所示，则产生的旋转磁场具有一对极，即=1。当电流交变一次时，磁场在空间旋转一周，旋转磁场的(每分钟)转速n0=60f1。若每相绕组有两个线圈串联，绕组的始端相差60度空间角，则产生两对极，即=2。电流交变一次时，磁场在空间旋转半周，即(每分钟)转速n=60f1/p以此类推，可得 (2.4)式中n0的单位为r/min。在我国，工频f1=50Hz，电动机常见极对数14。由工作原理可知，转子的转速必然小于旋转磁场的转速n0(即所谓“异步”)。二者相差的程度用转差率来表示： (2.5)一般交流电动机在额定负载时的转差率约为1%9%。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： (2.6)由式(2.6)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n0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f1，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。(1)变极调速：变极调速一般是通过改变定子绕组的接线方式来改变电动机的定子绕组极对数，从而达到调速的目的。它既不是恒转矩调速方式，也不是恒功率调速方式。优点：a) 具有较硬的机械特性，稳定性良好。b) 无转差损耗，效率高。c) 接线简单、控制方便，易维修、价格低。缺点：有级调速，级差较大，不能获得平滑调速，且由于受到电动机结构和制造工艺的限制，通常只能实现3种极对数的有级调速，调速范围相当有限。本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。(2)变转差率调速：变转差率调速实现方法众多，例如调压调速、转子串电阻调速、串极调速和滑差离合器调速等方法。交流电动机的输出功率PZ的表达式为： (2.7)其中电磁转矩 电机旋转磁场的速度 s旋转磁场的同步速度 s 转差率式(2.7)中sPM称为交流电动机的转差功率，这一部分功率主要消耗在转子阻抗上。因此，当增大时，电动机的损耗也将会增大。由此可以看出，调节电机转差率调速是一种耗能的调速方法，是低效率的调速方式。(3)变频调速：变频调速是通过改变电动机定子电源的频率，来实现调速的方法，即调节s来调速。转矩恒定时，基本不变，交流电动机的输出功率Pz=M=Ms(1-s)与输入电磁功率成比例变化，损耗基本没有增加，是一种高效的调速方法。优点：1) 效率高，调速过程中没有附加损耗。2) 应用范围广，可用于笼型交流电动机。3) 调速范围大，特性硬，精度高。4) 对于低负载运行时间较多或起停运行较频繁的场合，可以达到节电和保护电动机的目的。缺点：技术复杂，造价高，维护检修困难。从上述比较可以看出，与变极调速和变转差率调速相比，变频调速可在宽广的范围内实现无级调速，并可获得很好的起动和运行特性，是一种效率比较高的调速方法。2.3 变频调速系统的U/f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。其三相交流异步电动机每相电动势的有效值是： (2.8)式中：E1气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值； K1与绕组结构有关的常数； f1 定子频率； N1定子每相绕组串联匝数； M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E1不变，改变定子频率时会出现下面两种情况：如果f1大于电机的额定频率f1N，那么气隙磁通量中M就会小于额定气隙磁通量中MN。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f1小于电机的额定频率f1N，那么气隙磁通量中M就会大于额定气隙磁通量中MN。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MN为额定值不变。(1)基频以下调速由式(2.8)可知，要保持M不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低E1，使E1/f1=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E1f1，则得E1/f1=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2.6所示，当转矩T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T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，U1和E1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U1抬高一些，以便近似地补偿定子压降。图2.6 基频以下调速时的机械特性(2)基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从f1N往上增高，但电压U1却不能超过额定电压U1N，最多只能保持U1=U1N。由式(2.8)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f1N以上变频调速时，由于电压U1=U1N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，如图2.7所示。由于频率提图2.7 基频以上调速时的机械特性高而电压不变，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。把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得图2.8所示的交流电动机变频调速控制特性。图2.8 交流电动机变频调速控制特性2.4 正弦脉宽调制(SPWM)控制理论我们期望变频器输出的电压波形是纯粹的正弦波形，但就目前的技术，还不能制造功率大、体积小、输出波形如同正弦波发生器那样标准的可变频变压的逆变器。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分的中点相重合。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2.9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2.10所示，其相交的时刻(即交点)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。图2.9与正弦波等效的等幅脉冲序列波图2.10 SPWM控制的基本原理图2.4.1 单极性SPWM控制技术采用单极性控制时在正弦波的半个周期内每相只有一个开关器件开通或关断，例如A相的V1反复通断，如图2.11所示。这时的调制情况是：当正弦调制波电压高于三角载波电压时，相应比较器的输出电压为正电平，反之则为零电平。只要正弦调制波的最大值低于三角载波的幅值，由图2.11(A)的调制结果必然形成图2.11(B)所示的等幅不等宽而且两侧窄中间宽的SPWM脉宽调制波形。负半周用同样的方法调制后再倒相而成。图2.11 单极性脉宽调制波的形成(A)调制波和载波 (B)单极性SPWM波形单极性调制的工作特点：每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断的工作，另一个完全截止；而在另半个周期内，两个器件的工作情况正好相反。流经负载Z的便是正、负交替的交变电流，如图2.12所示。图2.12 单极性调制工作特点2.4.2 双极性SPWM控制技术双极性调制技术与单极性相同，只是功率开关器件通断情况不一样。图2.13绘出了三相双极式的正弦脉宽调制波形。当A相调制波uAut时，V1导通，V2关断，使负载上的相电压为UA=+U/2(假设交流电机定子绕组为星型联接，其中性点0与整流器输出端滤波电容器的中点0相连，那么当逆变器任一相导通时在电机绕组上所获得的相电压为U/2，见图2.13(b)；当uAut时，V1关断而V2导通，则UA=U/2。)所以A相电压UA是以+U/2和-U/2为幅值作正、负跳变的脉冲波形。同理，图2.13(c)的UB是由V3和V4交替导通得到的，图2.13(d)的UC是由V5和V6交替导通得到的。由UA和UB相减，可得逆变器输出线电压波形UAB图2.13(e)。UAB的脉冲幅值为+U和U。尽管相电压是双极性的，但是合成后的线电压脉冲系列与单极性相电压合成的结果一样都是单极性的。图2.13 双极性SPWM逆变器三相输出波形综上所述，双极性调制的工作特点：逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，而流过负载Z的电流是按线电压规律变化的交变电流，如图2.14所示：图2.14双极性调制工作特点2.4.3 SPWM的调制方式SPWM波毕竟不是真正的正弦波，它仍然含有高次谐波的成分，因此尽量采取措施减少它。图2.15是通过电动机绕组的SPWM电流波形。显然，它仅仅是通过电动机绕组滤波后的近似正弦波。图中给出了载波在不同频率时的SPWM电流波形，可见载波频率越高，谐波波幅越小，SPWM波形越好。因此希望提高载波频率来减小谐波。另外，高的载波频率使变频器和电机的噪声进入超声范围，超出人的听觉范围之外，产生“静音”的效果。但是，提高载波的频率要受逆变开关管的最高开关频率限制，而且也形成对周围电路的干扰源。图2.15 SPWM电流波形SPWM的调制方式有三种：同步调制、异步调制和分段同步调制。在一个调制信号周期内所包含的三角载波的个数称为载波频率比。在变频过程中，即调制信号周期变化过程中，载波个数不变的调制称为同步调制，载波个数相应变化的调制称为异步调制。(1)同步调制在改变正弦信号周期的同时成比例地改变载波周期，使载波周期与信号频率的比值保持不变。对于三相系统，为了保证三相之间对称，互差120相位角，通常取载波频率为3的整数倍。而且，为了双极性调制时每相波形正负波形对称，上述倍数必须是奇数，这样在信号波180处，载波的正负半周恰好分布在180处的左右两侧。由于波形的左右对称，这就不会出现偶次谐波问题。但是这种调制，在信号频率较低时，载波的数量显得稀疏，电流波形脉动大，谐波分量剧增，电动机的谐波损耗及脉动转矩也相应增大。而且，此时载波的边频带靠近信号波，容易干扰基波频域。为了克服这个缺点，必须在低频时提高载波比，这就是异步调制方式。(2)异步调制异步调制方式是指在整个变频范围内，载波比都是变化的。一般在改变调制频率时保持三角载波频率不变，因此提高了低频时的载波比，在低频工作时，逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数可以随着输出频率的降低而增加，相应的减小了负载电机的转矩与噪声，改善了低频时的工作特性。但是由于载波比随着输出频率的降低而连续变化时，逆变器输出电压的波形其相位也会发生变化，很难保持三相输出的对称关系，因此会引起电动机的工作不稳定。(3)分段同步调制为了克服同步调制和异步调制的缺点，可以将他们结合起来，组成分段同步调制方式。分段同步调制是指在一定的频率范围内，采用同步调制，保持输出波形对称的优点，当频率降低较多时，使载波比分段有级的增加，这样就利用了异步调制的优点。具体实现方法是把逆变器整个变频范围划分为若干个频段，在每个频段内都维持载波比恒定，对于不同频段取不同的载波比，频率较低载波比取大点，一般有经验参数可取。3 通用变频器的硬件电路设计3.1 通用变频器的总体设计本文设计的系统以TI公司的TMS320LF2407A为控制核心，由主电路、系统保护电路和控制电路组成，其总体设计图如图3.1所示。图3.1 基于DSP的通用变频调速系统总体设计图其中主电路部分由整流电路、滤波电路、逆变电路(IPM)和IPM驱动电路与吸收电路组成。其工作原理是把单相交流电压通过不可控整流模块变为直流电压，整流后的脉动电压再经过大电容C1，C2平滑后成为稳定的直流电压。IPM逆变电路对该直流电压进行斩波，形成电压和频率均可调的三相交流电，提供给电机。系统保护电路包括过压、欠压保护、限流启动、IPM故障保护与泵升控制等。过压、欠压保护是利用电阻分压采集母线电压，与规定值相比较；限流启动是由于开启主回路时，大电容充电瞬间引起的电流过大，这样可能会损坏整流桥，因此在主回路上串联限流电阻R1，当电容电压达到规定值时，启动继电器把R1短路，主回路进入正常工作状态；IPM故障保护是IPM内部集成的各种保护功能，包括过电流保护功能、短路保护功能、控制电源欠电压保护和管壳及管芯温度过热保护。把上述各种故障信号进行综合处理后形成总的故障信号送入DSP(TMS320LF2407A)的PDPINTA故障中断入口，进而封锁DSP的PWM波输出。控制电路包括DSP最小系统电路、频率输入电路、光耦隔离电路等。最小系统由DSP本身和外扩的数据SRAM、程序SRAM、复位电路、晶振、译码电路、电源转换电路和仿真接口JTAG电路组成，仿真接口JTAG电路是为了实现在线仿真，同时在调试过程装载数据代码和程序代码；频率输入电路可以设置系统要输出的SPWM波的频率；光耦隔离电路是为了把DSP输出的弱电信号和主电路的强电信号进行可靠隔离。3.2 主电路的设计主电路原理图如图3.2所示，由整流电路、滤波电路、逆变电路(IPM)和IPM的吸收电路组成。主电路采用典型的交直交电压源型通用变频器结构，输入功率级采用单相桥式不可控整流电路RB1，整流输出经中间环节大电容(由C1到C4电容组成)滤波，获得平滑的直流电压。逆变部分通过功率器件IGBT的导通和关断，输出交变的图3.2 主电路原理图脉冲电压序列。由于功率器件开关频率过高，会产生电压尖脉冲，因此需要吸收电路来消除该尖峰。图中C5为C型吸收电路，R6到R11和C6到C11组成RC型吸收电路。发光二极管DS1用来显示滤波电容两端的电量。下面详细介绍各个部分电路及元件参数。(被控电动机参数为：联接，额定功率为PN=60W，额定电压UN=220V，额定电流IN=0.28A，额定频率fN=50Hz，额定转速nN=1400r/min。)3.2.1 整流电路整流电路由4个整流二极管组成单相不可控整流桥，它们将电源的单相交流全波整流成直流。整流电路因变频器输出功率大小不同而异。小功率的，输入电源多用220V，整流电路为单相全波整流桥；大功率的，一般用三相380V电源，整流电路为三相桥式全波整流电路。本设计采用的是单相整流桥。整流二极管的计算，通过二极管的峰值电流：IM=IN=A (3.1)流过二极管电流的有效值： (3.2)二极管电流定额：In=(23)Id=1.121.68A (3.3)考虑滤波电容的充电电流影响，要有更大的电流裕量，选用In=10A。整流二极管的电压定额：Un=Um= = (3.4)选用Un=1000V。根据上面计算的电压和电流以及市场价格和供货情况，实际选用的单相整流桥为10A，1000V。3.2.2 滤波电路在整流电路中输出电压是脉动的，另外，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。这里采用常用的电容滤波电路，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，还在整流电路与逆变器之间起去祸作用，以消除相互干扰，这就给作为感性负载的电动机提供必要的无功功率。因而，中间直流电路电容器的电容量必须较大，起到储能作用，所以中间直流电路的电容器又称储能电容器。在没有加入滤波电容时，单相整流桥输出平均直流电压为： (3.5)加上滤波电容后，Un的最高电压可达交流线电压的峰值： (3.6) 假设输入电压的波动范围为200V240V，当输入电压对应240V的输入，整流后的电压为324V。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： (3.7)式中为电机输出功率，Upk为峰值电压，Umin为最小交流输入电压。考虑到纹波的需要，最小的交流输入电压应该在200V以上，所以有： (3.8)滤波电容理论上讲越大越好，实际中考虑价格我们选择4个450伏330F的电解电容，分别两个并联后再2个串联，最后等效为一个耐压900伏330F的电容。并联在电容两端的为均衡电阻，由于电容的各个参数不是完全相同，此均衡电阻使串联的电容分压相同，同时在电源关断时，给电容提供一个放电回路，此电阻阻值选用47k。3.2.3 电源指示发光二极管DS1除了表示电源是否接通以外，还有一个十分重要的功能，即在主电路切断电源后，显示滤波电容上的电荷是否已经释放完毕。由于滤波电容的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，如果滤波电容没有快速放电的回路，其放电时间往往长达数分钟。又由于滤波电容上的电压较高，如电荷不放完，将对人身安全构成威胁。3.2.4 逆变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块(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、