三相异步电动机调速设计【自动化毕业论文开题报告外文翻译说明书】.zip
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毕 业 设 计（论 文）任 务 书1本毕业设计（论文）课题应达到的目的： 通过毕业设计，使学生受到自动化工程师所必备的综合训练，在不同程度上提高各种设计及应用能力，具体包括以下几方面： 1. 调查研究、中外文献检索与阅读的能力。 2. 综合运用专业理论、知识分析解决实际问题的能力。 3. 定性与定量相结合的独立研究与论证的能力。 4. 设计方案的制定、仪器设备的选用、安装、调试及实验数据的测试、采集与分析处理的能力。 5. 设计、计算与绘图的能力，包括使用计算机的能力。 6. 逻辑思维与形象思维相结合的文字及口头表达的能力。 7. 撰写设计说明书或论文的能力。 2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）： 1.本次毕业设计要求设计出三相异步电动机变频调速系统，包括整个系统的工作原理、变频器参数的计算过程，并采用Matlab中的Simulink软件对整个调速系统进行仿真研究，对计算得到的变频器参数进行校正，验证设计结果的正确性。 2按时完成开题报告书。 3按时完成毕业设计外文参考资料。 4能够圆满完成指导老师布置的课题任务，设计方案合理，能够体现一定的创新性。 5按时参加答辩，在答辩前各项规定的资料要齐全。 毕 业 设 计（论 文）任 务 书3对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括图表、实物等硬件要求： 1.按期完成一篇符合金陵科技学院论文规范的毕业设计说明书（毕业论文），能详细说明设计步骤和思路； 2.能有结构完整，合理可靠的技术方案； 3.能有相应的电气部分硬件电路设计说明； 4.有相应的图纸和技术参数说明。 5.有相应的软件程序流程图，并给出调试成功后的结论。 4主要参考文献： 1朱鹏程,康勇.异步电机直接转矩控制系统研究J电力电子技术，2003，37(1)：44-46 2李景灿,韩力,李辉.高效率三相异步电动机研究与应用情况综述J.中小型电机.2002,29(2):39-42 3杨万青，刘建忠等实用异步电动机设计、安装与维修M北京：机械工业出版社，1996 4秦和.中小型电机产品概况及展望J，中小型电机2000(3)：110 5付丰礼.中小型三相异步电动机的国际发展趋势和研究方向J电机技术2005(2)：3-8 6 洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模和仿真M.北京:机械工业出版社,2010 7 李永东.交流电机数字控制系统M.北京:机械工业出版社,2002. 8 高景德,王祥衍,李发海.交流电机及其系统的分析M.北京:清华大学出版社,1998. 9 汤蕴缪,张奕黄,范瑜.交流电机动态分析M.北京:机械工业出版社,2004 10 唐介.电机与拖动M.北京:高等教育出版社,2007.12 11 王正茂,闫治安,苏少平等.电机学M.西安:西安交通大学出版社,2000,9 12 周京华,陈亚爱.电机与拖动基础及MATLAB 仿真M.北京:机械工业出版社,2011.5 13 潘晓晟,郝世勇.MATLAB 电机仿真精华50 例M.北京:电子工业出版社,2007.7 14 马宏宇.三相PWM 逆变器的主电路设计J.内蒙古石油化工,2013,1:93-94 15 杨兴瑶.电动机调速的原理及系统M.北京：水利电力出版社,2007.1 16 邓建国.考虑主磁路瞬态饱和时异步电机的仿真模型J.防爆电机,2003,2:4-7 毕 业 设 计（论 文）任 务 书5本毕业设计（论文）课题工作进度计划：2015.11.2-2015.11.5在毕业设计管理系统里选题 2015.11.6-2015.11.10在毕业设计管理系统里选题 2015.11.11-2015.12.11指导教师下发任务书，收集相关资料 2015.12.14-2016.1.6提交开题报告、外文参考资料及译文、论文大纲 2016.1.7-2016.4.13进行毕业设计（论文），填写学生中期检查表，提交论文草稿等 2016.4.14-2016.5.8按照要求按时完成论文或设计说明书等材料,提交论文定稿 2016.5.9-2016.5.13评阅教师评阅学生毕业设计；学生查看毕业设计答辩安排 2016.5.14.-2016.5.15参加毕业设计答辩 所在专业审查意见：通过负责人： 2015 年 12 月21 日 毕 业 设 计（论文） 开 题 报 告 1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写不少于1000字左右的文献综述： 1、文献综述本课题研究的题目是三相异步电动机调速设计。变频调速三相异步电动机已有近20年的研制开发、设计和生产史。尤其近些年来,随着变频器研制开发技术的不断创新、迅速发展和完善,性价比趋于合理,变频调速技术被广泛采用。又因为变频调速笼型异步电动机其结构简单可靠、维修工作量小、节能、调速性能好等优点,较直流机调速更优越,广泛用于驱动各种石油、化工、起重运输、机械加工、造纸、纺织和冶金等行业的机械设备。 截止到2000年,变频器供电的电动机占欧洲交流机市场的30% , 预计到2020 年将提高到50% ,国内发展更为迅速。在冶金行业中,凡是需要调速的机械设备, 90%以上采用变频调速装置(变频器与电动机及控制的组合) ,采用直流机调速的很少。其次是起重机械、风机水泵及其它行业,品种较齐全。国内外分普通型和防爆型高低压变频调速三相异步电动机。(1) 现状评述：异步电机调速系统的种类很多，但是效率很高、性能最好、应用最广的是变频调速，它可以构成高动态性能的交流调速系统来取代直流调速系统，是交流调速的主要发展方向。目前变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且已扩展到了工业生产的所有领域，以及空调器、洗衣机、电冰箱等家电中。与其它交流电机调速方式对比，变频调速的优点：平滑软启动，降低启动冲击电流，减少变压器占有量，确保电机安全；在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度；无级调速，调速精度大大提高；电机正反向无需通过接触器切换；非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制；变频器总体来说用在启动频繁的马达上，节能效果明显。(2) 发展趋势：最早的调速系统为直流调速，它的供电系统早期是水银整流器。 但随着生产力的提高，对传动系统要求也随之提高，直流调速器就出现了许多弊端，在很多方面也都存在限制。所以结构更简单、运行更可靠、更便于维护、价格更低廉的交流调速器随之诞生，但是异步电动机当时调速性并不乐观，难以满足生产发展的要求。 直到上世纪80年代，电力电子的发展变成了用晶闸管整流供电和现代控制论的迅猛发展是交流调速器取代直流调速成为必然。 进入90年代，通用变频器以优异的控制性能，在调速领域独树一帜，并在工业领域及家电产品中得到迅速推广。此外，变频技术和变频制造从一般意义的拖动技术中分离出来，成为世界各国在工业自动化和机电一体化领域中争抢先站的阵地，各发达国家更是在该技术领域注入极大地人力物力，使之目前已进入高新技术行业。在进入21世纪的今天，电力电子器件的基片已从硅变换为碳化硅，使电力电子新元件具有了耐高压、低损耗、耐高温的优点。2、参考文献1李先彬.电力系统自动化,中国电力出版社,2005.2邱关源.电路,等教育出版社,2005.3张保会.电力系统继电保护,中国电力出版社,2010. 4王廷才.变频调速系统设计与应用,机械工业出版社,2012. 5周志敏.变频调速系统设计与维护,中国电力出版社,2007. 6周志敏.变频调速系统工程设计与调试,人民邮电出版社,2009. 7张占彪.试论变频调速异步电动机在设计中的注意要点,2014.8电气应用2011年总索引.电气应用,2012.9崔坚.西门子S7可编程控制器STEP7编程指南,机械工业出版社,2007.10Low-voltage distribution design specifications S. China plans Press.2006. 11刘雪波.变频调速电机节能应用分析,科协论坛.2010. 12蒋国贵.对于交流电动机变频调速的研究分析,2011.13徐甫荣.电气传动自动化,2003.14唐介.电机与拖动,北京,高等教育出版社,2007.15赵学军.单片机嵌入式系统应用,2002.毕 业 设 计（论文） 开 题 报 告 2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 3、研究/设计的目标1、本课题要解决的问题（1）异步电机的等效电路的设计（2）变频器主电路各部分设计，确定主电路各部分参数（3）完成过、欠压保护电路设计及过电流保护设计（4）变频器工作流程图设计与绘制。4、设计方案（研究/设计方法、理论分析和原理图等）本文设计的交直交变频器由以下几部分组成，如图所示：（ 供电电源：电源部分因变频器输出功率的大小不同而异，小功率的多用单相220V，中大功率的采用三相380V电源。因为本设计中采用中等容量的电动机，所以采用三相380V电源。整流电路：整流部分将交流电变为脉动的直流电，必须加以滤波。在本设计中采用三相不可控整流。它可以使电网的功率因数接近1。滤波电路：因在本设计中采用电压型变频器，所以采用电容滤波，中间的电容除了起滤波作用外，还在整流电路与逆变电路间起到去耦作用，消除干扰。逆变电路：逆变部分将直流电逆变成我们需要的交流电。在设计中采用三相桥逆变，开关器件选用全控型开关管IGBT。电流电压检测：一般在中间直流端采集信号，作为过压，欠压，过流保护信号。控制电路：采用8051单片机和SPWM波生成芯片SA4828，控制电路的主要功能是接受各种设定信息和指令，根据这些指令和设定信息形成驱动逆变器工作的信号。这些信号经过光电隔离后去驱动开关管的关断。）方案：（1）通过分析分别画出异步电机的定、转子图。为了方便定量分析定、转子之间的各种数量关系，可将定、转子放在同一电路中。由于定子、转子回路的频率、绕组、匝数不同，故必须进行折算。根据电机学原理，在特定条件下，可得到电动机的T型等效电路。由电机学知识可知：电机转速n与电源频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机同步转速，进而达到异步电机调速的目的。（2）V/f比恒定控制是异步电机变频调速中最基本的控制方式。在改变频率进行调速时，必须采取措施保持磁通恒定为额定值。由电机理论，计算定子的感应电势有效值，并计算电机的电磁转矩。通过计算可知：变频调速时必须使气隙磁通不变，满足以上要求从而确定变频调速的控制方式。（3）主电路一般由整流电路、直流电路和逆变电路三部分组成。通过对输出功率的计算来完成整流电路的设计；为保证逆变电路和控制电源能够得到较高质量的电流或电压，必须对整流电路的输出进行平滑，来减少电压或电流的波动，从而完成中间直流电路及逆变电路部分的设计。（4）通过计算分析得到三极管的截止、导通状态，完成过、欠压保护部分的设计，并对其进行调试，调试方法为：如果电路未起到保护作用，或不够灵敏，应检查或通过电位器来调整反相器输入电平的高低。变频器过电流保护的主要功能是当电流超过某一额定值时，变频器通过自关断电力电子器件切断输出电流或调整电动机的运行状态，减少变频器的输出电流。变频器为实现过电流保护，需从硬件和软件两个方面来采取措施，这时需要及时调整保护电路和驱动电路的各部分异常。才能完成过电流保护设计。（5）通过对以上各部分电路的分析，利用相关软件可绘制出变频器工作流程图，达到完善程序设计的目的。毕 业 设 计（论文） 开 题 报 告 指导教师意见：1对“文献综述”的评语：张胜同学针对三相异步电动机调速设计进行研究，该生查阅文献资料能力较强，能较为全面收集关于三相异步电动机调速设计的资料。对毕业论文的各个环节非常重视，开题报告格式符合学校的有关毕业生论文的写作要求，报告说明充分，思路清晰。 2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：论文题目选择合理，符合本专业要求，和专业学习相符，有研究价值，工作量适中。预计该论文应该能够达到预期水平。 3.是否同意开题： 同意 不同意 指导教师： 2016 年 03 月 30 日所在专业审查意见：同意 负责人： 2016 年 03 月 30 日第一部分 绪论1 前言电动机的应用前景和发展历程电动机的分类三相异步电机的理论及意义第二部分 总体设计 1 系统设计框图及原理分析2 系统模型各个模块的总体介绍第三部分 硬件设计1 硬件选择单片机、传感器、三相异步电机的型号选择及介绍。 2 各模块之间的电路连接主要介绍检测电路、三相异步电机的控制、单片机接口电路设计等。 3 系统电气控制pcb原理第四部分 软件设计 1 系统控制流程图 2 keil编程软件和protues仿真软件介绍 3 单片机系统程序4 系统总控制程序、初始化程序、时钟跟踪模块程序等第六部分 系统调试与分析1通过硬件电路设计，软件编程，系统调试研究控制电路性能了解搭建一个单片机控制的三相异步电机系统进行总的调试2查看整个系统统一工作时的各项数据与现象第七部分 总结与展望根据自身所学知识，结合毕业设计的综合实践，深入对提高三相异步电动机调速系统的了解，提高自己对于系统设计的能力。参考文献电机与拖动，单片机原理及应用，单片机C语言程序设计，模拟电子技术基础，数字电路技术基础，电路理论等方面的资料。目 录摘 要IAbstractII1绪 论11.1交流变频技术的发展以及现状11.1.2电力电子技术的发展11.1.2微处理器技术的发展与应用11.2三相异步电机调速方案的选择22三相异步电机概述及其数学模型42.1三相异步电机介绍42.1.1三相异步电机的工作原理42.2三相异步电机的数学模型52.3三相异步电机V/F控制原理73异步电机变频变压控制系统调速硬件设计83.1TMS320F28035芯片介绍83.2驱动板主电路设计83.2.1整流电路83.2.2逆变电路93.3 IPM保护电路以及报警电路设计103.4电源电路设计114异步电机变频变压调速系统软件设计134.1系统主程序设计134.2 PWM程序设计144.3故障中断服务程序设计164.4软件抗干扰程序设计175实验装置与结果196结论23参考文献24附 录25II基于DSP的三相异步电机调速系统设计摘 要随着电力电子器件和微控制器的发展，各种先进的电机控制技术得到了极大的促进，交流调速性能大大提高，三相异步电机作为交流电机中应用最为广泛的一种，将较为成熟的控制方案和控制算法应用在三相交流异步电机调速系统中对于工业生产具有极为重要的意义。本文基于以上思路设计了基于DSP的三相异步电机的调速系统。利用TI公司的TMS320F28035控制芯片作为控制核心，并设计了驱动电路模块和供电电源模块。控制策略选择了v/f控制思路，利用DSP构成控制系统，通过TI公司的编译软件CCS进行C语言编程实现了以上变频调速控制策略。关键词：DSP；电机控制；电力电子器件；调速系统 1Three-phase asynchronous motor speed control system design based on DSPAbstractWith the rapid development of power electronics and micro controller, all kinds of advanced motor control technology has been greatly promote, ac speed regulation performance is greatly improved, three-phase asynchronous motor as one of the most widely used in ac motor, the application of the control scheme and algorithm of a mature in the three-phase ac asynchronous motor speed control system has very important significance for industrial production.In this paper, based on the above ideas design of three-phase asynchronous motor speed regulation system based on DSP.Using TMS320F28035 control chip of TI company as control core, and design the drive circuit module and power supply module.Control strategy choice the way of v/f control, using a DSP control system, through the compiled software CCS of TI company C language programming to achieve the above frequency control of motor speed control strategy.Key words: DSP; Motor control; Power electronic devices; Speed control system11绪 论1.1交流变频技术的发展以及现状交流变频技术在最近几十年发展突飞猛进，打破了过去直流拖动技术在领域中的主导地位，交流拖动技术已经进入了可以与直流拖动技术相互媲美的时代，在工业控制中交流电机的比重渐渐有超越直流电机的趋势，这种现象是现代电力拖动发展的重要特征，其主要原因得益于：控制理论和控制策略的不断发展，电力电子器件的不断出新，以及运算速度越来越快、功耗越来越低的微处理器不断发展。1.1.2电力电子技术的发展现代交流变频技术的发展离不开电力电子器件，电力电子技术是一门复杂的交叉学科，主要涉及对电能进行调制，变换以及控制传输，电力电子技术是现代电子学的重要组成部分之一。电力电子技术包括功率半导体技术IC技术以及控制技术和电力电子器件。其中电力电子器件是最为基础也是最核心的部分之一，其发展大致可以分为以下几个部分：晶闸管; 大功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管（GTO）; 绝缘栅双极晶体管(IGBT): 智能功率模块(IPM)。近几年来智能功率模块发展迅猛，作为一种先进的功率开关器件，他不仅具有GTR的高电流、耐高压低保和电压等优点，还兼具MOSFET的高输入阻抗高开关频率易驱动的优点。具有下面几个优点： 1. 高集成度，IPM集成了驱动电路，保护电路，甚至光耦，解决了由于系统电力电子器件繁多的、搭建费时费力的缺点。进而简化内部电路设计的繁琐过程，极大的提高了开发效率；2. 驱动电流小，控制驱动更加简单；3. 采用了先进的隔离技术，似的IPM模块结构经凑，散热均匀；4. 保护功能强大，工业生产中所需要的过电压保护、欠电流保护等相应的保护功能一应俱全，在实际控制信号处理过程中兼具故障诊断、自我保护等多种智能保护功能，在减小了体积、减轻了重量的同时控制的可靠性又能得到保障;5. 能有效控制传统电力电子搭建时的抗感能能力差、噪声严重、存在门级震荡等繁琐的问题；随着现代电力电子技术的飞速发展，IPM的功率问题也会随着技术的成熟而变的不在是困惑，从最初的中小功率渐渐往大功率方面发展，IPM的广泛使用必定会带来一个全新的世界，引领新的变革。1.1.2微处理器技术的发展与应用随着EDA（电子设计自动化）技术的发展，极大的促进了微型计算机技术的前进，而微计算机技术的发展更是为现代交流调速技术提供了重要的技术手段和技术保障。电机控制系统中常用的微控制器有单片机和DSP。单片机是对8/16位微控制器的另一种叫法。传统的8/16位单片机，久经岁月的考验，依然在工业控制应用中大放异彩。然而，面对现多功能，低功耗，高数据处理能力等工业控制需要，数字信号处理器（DSP）应运而生，美国德州仪器的TMS320F28035DSP芯片是一款面向实时控制优化的高性能32位浮点数字信号处理器，采用DSP构成的全数字数字电机调速系统，其控制功能可以由TI公司研发的软件CCS编程实现，这样在采用先进复杂先进的控制算法同时可以大大提高系统的的可靠新缩短了开发周期，工程师有大量的时间完成其他方面的设计，获得更好的控制性能。1.2三相异步电机调速方案的选择随着电力电子技术以及相关控制技术的发展，交流电机控制技术经历了好几个阶段，控制技术也渐渐的成熟起来，按照控制技术随时间的发展来划分可以有如下几种:开环的变压变频(VVVF)控制、转差频率控制、矢量变换控制、直接转矩控制、空间矢量调制控制。开环的变压变频控制是通过分析电动机的简化电机数学模型，在构建好异步电机的稳态方程的基础上，维持住异步交流电机的气隙磁通幅值恒定不变，尽管这种控制方法优势明显，相对于其他的控制方法实现起来容易。但是由于这种控制技术，电机的静态性能往往不能满足绝大部分的应用场合，在实际的电机控制中我们往往需要电机能实现动态过程的转矩控制。V/F控制，也就是电机的变频调压技术，顾名思义，也就是在保持电动机定子的磁通量不变的基础上改变电机的感应电动势和频率，但两者的比值是一定的。这样的控制方式与开环的变频变压技术相比较有了明显的提高，但是缺点也是比较明显的，这种控制方式真正的控制规律依然是从电机的简化稳态等效电路分析，推算出相应的稳态转矩公式，与实际的控制存在较大的误差，所以依然无法满足实际动态性能。矢量控制(Vecto Transformation Control)也可以称作磁场定向控制(Field - Oriented Control)，这种控制思路是以电机的数学模型变换到我们熟悉的正交的旋转坐标系系统为目的，通过矢量变换的手段，并且对其中的各个物理量进行解耦，最终达到控制的目的。在上个世纪80年代的中期，提出了一个全新的交流电机的控制理论，直接转矩控制（Direct Torque Control），这种控制方式的提出主要是为了实现高性能的动态控制，方法是在定子坐标系中计算电子转矩和刺痛的大小和位置角，最后跟踪磁通幅度值和转矩来实现最后的动态控制。交流电机的控制需要考虑很多因素，如何减少谐波的干扰，提高气隙磁场的稳定性能等等，空间矢量调制控制(Space Vector Modulation)的提出正是是为了解决这些问题，同时对一些功率控制器开关模式的优化，降低其中的损耗，在分析定子磁场运动规律基础上，结合具体的生产需要，合成恰当的电压空间矢量，产生我们需要的电压空间矢量是这种控制方法的思路。通过分析以上的控制策略可发现，不管是经典的控制理论还是近代的控制技术的提出，并不都是想象出来的，它们都有一个共同的出发点和研究基点，也就是电机的数学模型。32三相异步电机概述及其数学模型2.1三相异步电机介绍异步电机是交流电机的一种。由于异步电机在性能方面存在一些不可避免的缺点，所以异步电机主要做电动机使用。通常，根据供电电源的区别，将异步电机大致分为三相、两相和单相这几类。三相异步电机优点明显，机械结构简单、价格便宜、维护方便，所以三相异步电机在交流电机中的比重非常大；单相异步电机容量下，性能较差，广泛应用于实验室和家用的一些电器设备中；而两相异步电机由于它的特殊性一般用作控制电机。旋转电机基本原理大致相同，都是利用电磁感应，电与磁的相互转化想和相互作用，只不过在不同的电机中，其具有的产生的方式和形态不同而已，因而它们的工作原理和工作特性也就随之不一样。三相交流电在通过三相绕组的时候会产生空间旋转的磁场，三相异步电机（three-phase asynchronous motor）正是这种方式。2.1.1三相异步电机的工作原理实际上，在了解三相异步电机的工作原理之前，对异步电机的基本结构知识的了解是必不可少的。下面介绍三相异步电机的具体结构。三相异步电机的主要部件有点子和转子两大部分。（1） 定子三相异步电机的定子主要由以下几个部分组成:表2.1定子组成表定子铁心由彼此绝缘的硅钢片堆叠而成，内壁有许多均匀分布的凹槽，用于嵌放定子绕组。定子绕组由绝缘导线制成的三相对称绕组，嵌放在定子贴心槽内。机座由铸铁或者铸钢制成。定子贴心装在机座内。三相绕组的六个出线端引到机座外侧的界线盒内部的接线端端盖由铸铁或者铸钢制成，固定在机座两端，用以支持转子和防护外物的侵入。（2） 转子 三相异步电机的转子由转子铁心、转子绕组、转轴、和风扇四部分组成：表2.2转子结构表转子铁心一般由硅钢片叠成圆筒形，铁心外表面开有许多均匀分布的槽，槽内嵌放转子绕组。转子绕组 转子绕组有两种形式： 鼠笼型-鼠笼式异步电机 绕线式-绕线式异步电机转轴由钢片制成。转子铁心固定在转轴上，通过转轴可以拖动生产机械。风扇一般安装在转轴上，用于电机的冷却。在简单介绍了三相异步电机的机械结构之后，下面开始缝隙三相异步电机的工作原理，如图2.1所示是两级三相异步电动机的转动原理示意图。其中N-S是一对磁极,在两个磁极中间装有一个能够转动的圆柱形铁芯,在铁芯的外圆槽内嵌放有封闭的导条。设磁场一同步转速n1顺时针方向旋转,图2.1三相异步电机转动原理图将转子的转速用n来表示，同步转速也即是磁场转速用n1来表示，从定义就可以清楚的知道n总是小于n1。否则，由于两者之间没有形成相对运动，运动的物体切割磁感线时才会产生感应电动势和电流，所以两者之间也就不会产生感应电动势和电流，电磁转矩就不会形成，异步电机的名字也是由此得来。通常，我们用转差率s这个专业定义的名词来表达着两者之间的关系。 （2-1）2.2三相异步电机的数学模型在研究直流电机时，因为励磁绕组形成直流电机的磁通，可以预先建立一个关于直流电机但是不参与系统的动态过程，其动态数学模型比较简单，电枢电压和转速是两个不同的并且相互独立的输入变量。在实际的建模数学研究过程中,，可以把上述的这么一个动态过程描述成一个单输入单输出的三阶线性系统，对于这种系统的研究相对比较成熟，在经典线性控制理论的基础上并实际结合它的发展进行工程设计和分析。但是异步电动机的数学模型比较复杂。高阶性、非线性、强耦合的特点使得在分析异步电机时变得极为棘手。在三相异步电机的研究时，之前线性控制理论中的一些方法不在适用。因此，在数学模型上，交流电机和直流电机有着本质区别：（1)异步电机变压变频调速，通过改变电压和或者频率都可以改变异步电机的转速，但是往往不能简单的调整电压值和频率，两者之间的关系也是一个研究点，协调性是我们不可忽视的一方面，只有这样才能最终达到良好的控制效果，电压和频率是一对输入变量，两者之间相互独立。而在输出变量中，转速和磁通同样也是一对独立输出变量。三相异步电机是三相供电，为了得到良好的动态性能，不仅仅需要对转速进行控制，还需要配合磁通这个变量。只有这样它在动态过程中才会保持稳定，从而获得较大的转矩。通过以上的介绍，可以得出异步电动机不仅仅是一个多输入多输出系统，而且具有强耦合性的特点;(2)在异步电动机中，从交流异步电机的数学模型分析。无论是转矩公式还是感应电动势公式都是两个不同的变量的乘积项，转速与电流的乘积之后得到转矩，转速与磁通乘积之后得到感应电动势，它们都是同时发生变化的，因此其数学模型也是非线性的;(3)研究交流异步电机时，通常用一个高阶系统来等效异步电机的数学模型，因为三相异步电机的定子和转子每个都可以等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时都具有自己的电磁惯性，考虑到一些其他的复杂因素，诸如运动系统的机电惯性等，所以可以得知三相异步电机是一个高阶的系统。异步电机的数学模型比较复杂，我们一般研究三相异步电机的原始数学模型，需要用到下面四组方程来对异步电机进行描述：（1） 电压方程 三相定子绕组的电压方程： （2-2）三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程： （2-3）用矩阵来表示以上电压方程，简化形式，并已微分算子p代替微分符号d/dt： （2-4）（二）磁链方程每个绕组的自感磁链和互感磁链之和构成了每个绕组的磁链，六个绕组的磁链可以表示为： （2-5）（三）运动方程对于恒转矩负载，机电系统的运动方程为： （2-6）通过分析以上方程，不难发现三相异步电机的数学模型具有非线性强耦合的特点，表现在电子和转子之间的耦合以及三相绕组之间的交叉耦合。互感矩阵的非线性是因为定子和转子之间存在相对位移，致使定子和转子之间的夹角在不断变化。从上面的矩阵公式可以看得出来，异步电机的数学模型非常的复杂，想要用原始的数学模型对异步电机进行控制设计显得不太实际。工业控制时设计的系统需要有一定的可靠性，必须要将异步电机这么一个非线性强耦合的复杂系统简化为一个线性的解耦系统，这样才符合实际工业控制设计的需要。直流电机的数学模型由于是直流供电，数学模型相对比较简单，为了方便异步电机调速系统的研究，如果能够将交流电机的物理模型通过等效的变换的方法，简化成类似的直流电机的模型，就可以大大简化分析最终达到控制。2.3三相异步电机V/F控制原理 在 V/Hz 控制中， 通过可调电压和频率的振幅来控制感应电机的速度， 使用这种方法， 气隙磁通被始终保持在温度状态的所需值。 有时这个系统配置被称为标量控制， 这是因为它只关注于稳定状态动态。V/f比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式，因为是开环控制，所以精度不是很高，适用的场合也比较局限，通常是一些对于调速要求不高负载波动小的场合。由于V/f控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电机，所以这种控制方法通用性强、经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。73异步电机变频变压控制系统调速硬件设计 3.1TMS320F28035芯片介绍为了适应数字信号处理技术的发展需要，近年来出现了许多高性能的数字信号处理器（DSP）。伴随着超大规模集成电路技术水平和工艺的飞速进步，DSP芯片的处理速度越来越快，功能越来越丰富，应用领域越来越广泛。TMS320F28035是德州仪器公司（TI）研发的的TMS320C2000系列DSP芯片之一。该系列芯片是TI公司面向工业控制领域推出的数字信号处理器，它不但继承了数字信号器超强运算能力，又像单片机一样，集丰富的外设和控制模块于一身，该系列芯片应用广泛，诸如多轴运动控制、电机驱动、机器人控制、数字电源、光纤通信等应用领域。具体说来，TMS320F28035具有以下特点：1) 60MHz(16.67ns周期时间)的主频，128K片上FLASH存储、20KB RAM；2) 1616和3232介质访问控制（MAC）运算，1616双MAC，哈佛（Harvard）总线构架、小端序模式；3) 可编程控制率加速器（CLA），32位浮点算数加速器；4) 3.3V单电源供电、内核可自供电、集成型加电复位和欠压复位；5) 片内两个10M晶振振荡器，支持动态锁相环路（PLL），具有丢失时钟检测电路；6) 多路复用通用输出(GPIO)引脚；7) 三个32位CPU定时器、5七组增强型脉宽调制器（ePWM）、具有独立的16位定时器、高分辨率PWM(HRPWM)、增强型捕捉（eCAP）、高分辨率输入捕获（HRCAP）、16路12bit ADC、2组独立采样保持器（可做同步采样）、片载温度传感器、ADC最快转换时间217ns、三路比较器；3.2驱动板主电路设计3.2.1整流电路因为逆变电路和控制电路所需要的都是直流电，所以整流电路的只要任务是将电网的交流电转化为直流电，最后在提供给所需要的逆变电路和一些控制电路。根据所用整流元器件的不同，整流电路也有多种形式。为了保证逆变电路和控制电路有较好的直流电压源，减少逆变电路的输出电压波动，本系统加入了滤波电路。在交直流变换电路中由于元件的换向会产生纹波电压和电流，整流电路的设计不仅仅可以吸收这些文波电压电流，还可以对整流器的输出电压进行电压滤波。图3.1整流电路3.2.2逆变电路逆变电路的设计是本系统的核心部分之一。从上文的介绍知道，三相异步电机的供电电源是三相交流电，电网输出的虽然是三相电，但是由于它的频率和电压值都是固定的无法起到控制的作用，所以逆变电路的作用是先将电网输出的交流电转化为直流电，然后逆变电路可以在控制电路的控制下将整流的直流电通过电力电子器件的作用逆变成交流电输出给异步电机。输出的交流电的频率和电压都是可控的最终达到控制的目的，本文采用IR公司的IPM模块作为逆变部分的功率器件。IPM作为新生的电力电子器件，在中小功率的场合大放异彩，应用广泛。本次逆变电路选择的IPM模块是IR公司的IRAM136集成芯片，改IPM模块内部包含了逆变最主要的电力电子器件6个MOSFET管，6个续流二极管。还有一些用于过电压，欠电压，过温保护所需要的基本电子器件。它的具体内部原理图如下图3.2所示。该集成IPM模块包含20个端子，EN/FLT是该IPM的使能引脚，应为设计的特殊性是低电平有效，HIN1LIN3一个6个引脚是PWM控制信号的输入端，DSP产生6路PWM控制信号经过光耦隔离就可以输入至这6个引脚。ITRIP引脚是IPM欠电压过电压过温的保护引脚，当有上述现象出现的时候，由于IPM内部硬件设计的功劳会自动切断PWM输入信号，同时ITRIP引脚会置高，给数字信号处理器一个脉冲。可以通过软件的设计，在软件上与硬件电路上共同协作关闭整个电路确保生产的安全性。除了上述引脚外，其余的引脚分别是驱动直流电源的输入端V+和V-，还有控制电源的的输入15V直流电源和GND。图3.2 IRAM136-6102内部电路原理图在了解了IRAM136内部具体原理之后设计了如下图3.3的电路原理图。图3.3 IPM外接电路图3.3 IPM保护电路以及报警电路设计IPM引脚16 ITRIP输入大于0.5V，则关闭内部MOS进行保护；由于IPM为10A的额定电流，所以设计2个100毫欧功率电阻并联；当流过10A电流时，100.5=0.5V，输入ITRIP引脚，硬件关闭IPM内部MOS，触发Pin18 EN/FLT输出低电平报警。处理ITRIP引脚，IPM内部过温保护、15V过电压欠电压也能触发Pin18报警。具体电路设计如下图3.4图3.4 IPM报警电路3.4电源电路设计（一）3.3V供电随着EDA技术的不断发展，现代的集成电路不断向小尺寸，低功耗的方向发展，TI公司生产制造的数字信号处理器的工作电压需要3.3V，电压过高会造成DSP的损坏，这在一些工业控制环节中是不允许出现的。本系统采用阿尔法公司的AS1117芯片作为5V转3.3V供电电源，5V电源可以由电脑提供，下图是AS117芯片的典型电路设计方案，可以看到AS1117一共有5个引脚，VIN是输入端，有两个输出端还有一个接地端，本系统加入了滤波电容，在输入端和输出端都与GND之间加入了滤波电容。电路设计如下3.5图。图3.5 5V转3.3V电路(二）15V电源设计15V电源主要是给IPM供电，本系统采用78M15芯片将外部24V直流供电转为15V供电给IPM模块，采用78M15的典型电路设计，具体电路如下3.4图。图3.4 15V供电电源（3） 基准电源设计基准源采用 REF3233 或者 REF3033， 输出 3.3V 分压为 1.8V， 经过运放 U102B 输 出提供 1.8V 基准电源， 供三相电流的运放进行 1.65V 抬升作用。具体电路如下图3.5所示。图3.5基准电源原理图124异步电机变频变压调速系统软件设计4.1系统主程序设计主程序其实很简单，只是完成一些系统时钟初始化的基本配置、各个模块的初始化配置以及中断系统设计等基础工作。具体模块包括I/O模块、ADC模块、时间管理模块还有一些变量的初始化。主流程图如下4.1图4.1系统主程序流程图下面是主程序的部分代码：void main(void) InitSysCtrl(); DINT; InitPieCtrl(); IER = 0x0000; IFR = 0x0000; InitPieVectTable(); Mark.All =0;Gpio_IPM_Init();SetIPM(0); InitEPwm1Gpio(); InitEPwm2Gpio(); InitEPwm3Gpio(); Motor_Cap_Init();Timer0_Init(); SCI_Init(); mainTaskInit();DMC_VF();SpeedRef = _IQ(0.15);SetIPM(1);PieCtrlRegs.PIECTRL.bit.ENPIE = 1; EINT; ERTM; while(1) mainTask(); 4.2 PWM程序设计PWM程序部分主要是用于控制IPM功率放大器件IRAM136-1061A2中的6个MOSFET的通断从而实现直流电变交流电，下图4.2显示了DSP引脚与功率放大器件IPM模块IRAM136-1061A2芯片的物理连接。PWM除了要给IPM的6个输入引脚提供输入信号，还需要在PWM中断服务函数中来实现电流电压采集，输出频率的变化，是整个控制系统变频变压调速系统的控制核心,主控板与IPM芯片的硬件连接如下表。表4.2 PWM输出与IRAM136芯片引脚对应表DSP信号驱动板信号功能说明P201位置P203位置PWM1A-PWM3BH123 L123PWM控制引脚31-3621-26PWM7AQ306母线泄放、下管控制3828PWM7BQ300上管控制（预留功能）无30ENFLT/EN使能IPM3020TZFLT/ENIPM报警3727系统部分EPWM程序如下：void InitEPwm1Example() EALLOW; EPwm1Regs.TBPRD = PWM_FRE; EPwm1Regs.TBPHS.half.TBPHS = 0x0000; EPwm1Regs.TBCTR = 0x0000; EPwm1Regs.TBCTL.bit.CTRMODE = TB_COUNT_UPDOWN; EPwm1Regs.TBCTL.bit.PHSEN = TB_DISABLE; EPwm1Regs.TBCTL.bit.HSPCLKDIV = TB_DIV1; EPwm1Regs.TBCTL.bit.CLKDIV = TB_DIV1; EPwm1Regs.CMPCTL.bit.SHDWAMODE = CC_SHADOW; EPwm1Regs.CMPCTL.bit.SHDWBMODE=CC_SHADOW; EPwm1Regs.CMPCTL.bit.LOADAMODE=CC_CTR_ZERO; EPwm1Regs.CMPCTL.bit.LOADBMODE = CC_CTR_ZERO; EPwm1Regs.CMPA.half.CMPA = PWM_ZKB; EPwm1Regs.CMPB =PWM_ZKB;EPwm1Regs.DBCTL.bit.OUT_MODE =3; EPwm1Regs.DBCTL.bit.POLSEL =0; EPwm1Regs.DBCTL.bit.IN_MODE =2; EPwm1Regs.DBRED =0; EPwm1Regs.DBFED =0; EDIS; 引脚输出的波形图如下图4.2。图4.2 PWM1A输出波形图按键之后频率变化引脚输出波形如下图4.3。图4.3 PWM1A按键后显示波形图4.3故障中断服务程序设计故障中断服务程序的设计是必不可少的，当系统出现过电流、过电压、过温等情况时，需要首先从软件上立即停止PWM的输出，本系统的设计是将IPM的电流保护引脚ITRIP与数字信号处理器相应的引脚相连，当DSP接受到IPM的电流保护引脚输出的故障信号时，系统产生中断，CPU在响应中断的过程中读取故障寄存器的读取工作，并同时停止输出PWM信号，断开主回路达到保护控制电路安全的作用，具体程序设计流程图如下4.2所示。图4.2故障中断服务程序流程图4.4软件抗干扰程序设计为了防止系统程序出现卡死状态，本系统设计了看门狗程序，从软件上保障了系统的稳定性，使得系统可以可靠的进行。看门狗其实是一个定时器电路，本系统使用的DSP具有专门的看门狗模块，看门狗定时器外设用于监视软件和硬件的运行，一旦CPU发生错乱时可以及时完成系统的复位功能。如果系统程序进入了死循环，看门狗定时器会产生一个定时器溢出，产生一个系统复位，从而保障了系统的可靠性完整性。部分代码如下：void WatchDogInit() ServiceDog(); EALLOW; PieVectTable.WAKEINT = &WatchDog_isr; EDIS; EALLOW; SysCtrlRegs.SCSR = BIT1; EDIS; PieCtrlRegs.PIEIER1.bit.INTx8 = 1; IER |= M_INT1; ServiceDog(); EALLOW; SysCtrlRegs.WDCR = 0x0028; SysCtrlRegs.WDCR |=0x06; EDIS; interrupt void WatchDog_isr(void)printf(rnWD Timer is %d ms,Timer.MoniWDCoutner);PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP1;if(Timer.MoniWDCoutner 500)c_int00();Timer.MoniWDCoutner = 0;315实验装置与结果（一） 实验装置按照前文中所描述，对本系统的驱动模块进行了原理图的绘制，期间查找了大量的资料和文献，并完成了原理图中的元器件的PCB库的封装设计，绘制了驱动板的PCB图，对相应的元器件进行焊接，测试。驱动模块设计最终成品图如下5.1。DSP的开发板设计图如下5.2，包括与驱动模块的硬件连接，JTAG调试仿真接口，串口下载接口，数码管显示模块。独立的电源供电模块。控制模块与驱动模块的连接图如下5.3。本次设计的最终实现的功能是通过控制板的按键来对三相异步电机进行调速，调速分为4个等级。波形图变化如下图所示，实际操作时效果明显。图5.1驱动板图片图5.2 DSP开发板图片图5.3 系统连接图图5.4 第一次按键后epwm波形图图5.5 第二次按键后epwm波形图图5.6 第三次按键后epwm波形图图5.7 第四次按键后epwm波形图6结论电力电子器件的发展，交流逆变技术的发展微控制器技术的进步共同推进了交流电机的调速技术的发展，通过本次的毕业设计，查阅了大量的异步电机的原理知识、逆变技术，设计了异步电机变频变压调速系统，本次毕业设计的主要完成的工作：1、 从三相异步电机的数学模型出发，结合异步电机的工作原理，并查阅了大量的关于变频变压调速技术、PWM调制技术相关的外文文献，设计了整个三相异步电机调速系统的整体框架，方便了下面硬件部分设计和软件部分的设计和编写。2、 将德州仪器的信号处理器TMS320F28035位控制核心设计了整套控制系统，完成了硬件系统的主电路和驱动电路以及保护电路进行了设计，并绘制了PCB图完成了焊接，最后以C语言为编译基础完成了整套系统的软件程序编写和调试。参考文献l 胡崇岳.现代交流调速技术M.北京:机械工业出版社，2005.2 陈伯时，陈敏逊.交流调速系统M.北京:机械工业出版社，1999.3 李海发，王岩.电机与拖动基础M，北京:清华大学出版社，1994.4 马小亮.大功率交交变频调速及矢量控制技术M.北京:机械工业出版社，2004.5 符曦.感应电动机的矢量控制及应用M.北京:机械工业出版社，1986.6 许大中.交流电机调速理论M.杭州:浙江大学出版社，1991.7 王兆安，黄俊.电力电子技术M.北京:机械工业出版社，2001.8 张立，赵永健.现代电力电子技术M.北京:科学出版社，1995.9 林渭勋.现代电力电子电路M.杭州:浙江大学出版社，2002.10 终纯厚.交流电动机晶闸管调速系统M.北京:机械工业出版社，1988.11 周志敏，周纪海，纪爱华.IGBT和IPM及其应用电路M.重庆:人明邮电出版社，2006.12 王晓明，王玲.电动机的DSP控制一TI公司DSP应用M.北京:北京航空航天大学出版社，2004.13 刘和平.DSP原理及电机控制应用基于TMS320LF240x系列M.北京:北京航空航天大学出版社，2006.14 陈国呈.PWM变频调速及软开关电力变换技术M.北京:机械工业出版社，2001.15 王廷才.变频调速系统设计与应用M,北京:机械工业出版社,2012.附 录IPM驱动模块电设计路原理图： 系统主程序如下：#include DSP28x_Project.h #include Motor_head_all.h#include CWQ_ACI.hinterrupt void MainISR(void);#pragma CODE_SECTION(MainISR,ramfuncs);#pragma CODE_SE
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