（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的矢量变频调速系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在国民经经济建设中，电气传动的应用极为重要。为满足运行、生产、工 艺上的性能要求和节约电能的需要，许多生产机械都需要进行调速。2 0 世纪8 0 年代以前，要求调速的设备多用直流电动机调速，但由于直流电动机结构复杂， 制造费时以及需要经常性维护等缺点，使得人们一直努力寻找能替代直流电动 机调速的交流电动机调速。随着电力电子技术、p w m 调制技术、计算机控制技 术、交流电动机的控制技术的发展，交流调速系统由于其坚固耐用、运行可靠 等众多优点，正在逐步取代以前直流调速系统，在传动领域占据主导地位。 交流异步电机的控制系统相比直流电机在成本上有较大的优势，作为异步 电机的一种控制方式，矢量控制技术有着控制精度高，动态特性好等方面的优 点，因此，交流矢量控制系统近年来发展较快，已成为高性能交流变频调速系 统的首选方案。交流电机的矢量控制技术是在异步电动机的数学模型基础上 通过对励磁分量和电流分量进行解耦，从而分别对磁通和力矩进行控制，使异 步电动机接近直流电动机特性。 近年来，高性能处理器的快速发展，特别是数字信号处理器( d s p ) 的广泛应 用，使矢量控制技术逐渐进入到实用化阶段。本文提出了一种基于d s p 数字信 号处理器的双闭环矢量控制系统实现方案，采用t it m s 3 2 0 f 2 8 0 8 处理器作为 控制核心，以i g b t 功率模块作为逆变单元，设计了系统结构及软硬件设计方案。 理论分析和仿真研究表明，该系统有着成本低，控制精度高和动态特性良好的 优点。 关键词：数字信号处理器，空间矢量脉宽调制，矢量控制，逆变器 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i cd r i v e sa r ev e r yi m p o r t a n ta p p l i c a t i o ni nt h ee c o n o m i cc o n s t r u c t i o n ， l o t so f p r o d u c t i o nm e c h a n i c sn e e dr e g u l a t es p e e df o r t h en e e do fr u n n i n g ，p r o d u c i n g ， t r a n s p o r t i n ga n ds a v i n ge n e r g y b e f o r et h ee i g h t i e so ft h et w e n t i e t hc e n t u r y , m a n y d e v i c e sm o s t l yu s ed cm o t o rs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m b u tb e c a u s eo fd cm o t o r s c o m p l i c a t e ds t r u c t u r e ，m a n u f a c t u r ec o n s u m i n gt i m e ，c o n s t a n tm a i n t e n a n c ea n d o n ， p e o p l et r yt or e p l a c et h ed c m o t o rs p e e dr e g u l a t i o nw i t ha cm o t o rs p e e dr e g u l a t i o n b yt h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s ，p w mt e c h n o l o g y , c o m p u t e rc o n t r o la n d a cm o t o rc o n t r o l ，a cs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mi sr e p l a c i n ga cs p e e dr e g u l a t i o n s y s t e mb yi t sm a n yf a u l t ss u c ha ss o l i d i t y , s a f e t ya n ds o0 1 1 c o m p a r e d t od cm o t o rc o n t r o ls y s t e m ，a ca s y n c h r o n o u sm o t o rc o n t r o ls y s t e m h a sg r e a t e ra d v a n t a g ei nt e r m so fi t sc o s t ，a sam e a n so fa s y n c h r o n o u sm o t o rc o n t r o l s y s t e m ，v e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yh a sh i 曲c o n t r o la c c u r a c y , g o o dd y n a m i cc a p a b i l i t y a n do t h e ra d v a n t a g e s t h e r e f o r e ，t h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p i n gr a p i d l yi n r e c e n ty e a r s i th a sb e c o m et h eb e s tc h o i c ei nt h eh i g h p e r f o r m a n c ea cv a r i a b l e f r e q u e n c ys p e e dc o n t r o ls y s t e m v e c t o rc o n t r o lo fa c m o t o rt e c h n o l o g yi sb a s e do n t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fi n d u c t i o nm o t o r s ，w h i c hc o n t r o l st h ef l u xa n dt o r q u e s e p a r a t e l yb yd e c o u p l i n go fe x c i t a t i o nc o m p o n e n t sa n dc u r r e n tc o m p o n e n t s ，m a k i n g t h ep e r f o r m a n c eo fa s y n c h r o n o u sm o t o rs i m i l a rt od cm o t o r i nr e c e n ty e a r s ，t h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fh i g h p e r f o r m a n c ep r o c e s s o r s ， e s p e c i a l l yt h ew i d e l ya p p l i c a t i o no fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，i tg r a d u a l l y p r o m o t e st h ev e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yi n t op r a c t i c a lu s e i nt h i sp a p e r , ad o u b l e l o o p v e c t o rc o n t r o ls y s t e ms o l u t i o nb a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ri so f f e r e d ，u s i n gt h e t it m $ 3 2 0 f 2 8 0 8p r o c e s s o ra sac o n t r o lc o r ea n di g b ti n v e r t e rp o w e ra sm o d u l e u n i t ，d e s i g n i n gas y s t e mh a r d w a r es o l u t i o na n das o f t w a r es o l u t i o n t h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ns t u d i e sh a v es h o w nt h a tt h es y s t e mh a sg o o da d v a n t a g e si ni t s l o wc o s t ，h i g hp r e c i s i o na n dd y n a m i cc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：d s p ，s v p w m ，v e c t o rc o n t r o l ，i n v e r t e r l l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：眵日期：岬移，扫 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：必师签名：趣日期： 武汉理 大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 交流调速技术的发展概况 长时期以来直流电动机调速系统在调速传动领域中占有主导地位。它不仅 形成了较完善的控制理论、简单的系统结构，而且有着控制方便且调速精度、 调速范围、启制动性能、动态过渡过程等均很理想的优点，因而在2 0 世纪7 0 年代以前一直被认为是工业中调速传动的主要设备。但它在工业应用中还有不 少缺点，如：由于其复杂的电刷结构，使用环境限制的非常严格，需要经常检修 和维护，与同容量的交流电机比较，直流电机结构复杂、体积大、重量大价格高。 相比之下，由于交流电机有着体积小、结构简单、坚固耐用、可用于恶劣环境 中等优点，所以交流调速技术一直受到人们的密切关注。 交流电动机大多数调速方案的基本原理很早以前就已经确立了。仅是出于 电力变换技术和控制手段的制约，没有真正的发展起来。6 0 年代中期，普通晶 闸管、小功率晶体管的实用化，使交流电动机变频调速也进入实用化。采用晶 闸管的同步电动机自控式变频调速系统、采用电压型或电流型晶闸管变频器的 笼型异步电动机调速系统等先后实现了实用化，使变频调速开始成为交流调速 的主流。此后的2 0 多年中，电力电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展， 变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。这种进步，突出表现在变频 装置的大容量化、主开关器件的自关断化、开关模式的p w m 化及控制方式的全 数字化等方面。在经过大约3 0 年的发展后，交流调速电气传动已经上升为电气 调速传动的主流。在电气调速传动领域内，由直流电动机占统治地位的局面己 经受到了猛烈的冲击。可以相信，在不久的将来交流调速电气传动将会取代直 流调速电气传动。 目前，从数百瓦级的家用电器到数千瓦级乃至数万瓦级的调速传动装置， 可以说无所不包的都可以用交流调速传动方式来实现。交流调速传动的应用范 围己经从最初的只能用于风机、泵类的调速过渡到要求具有高精度、快响应等 高性能指标的调速控制。从性价比的角度看，交流调速装置己经优于直流调速 装置。现在人们所说的交流调速传动，主要是指采用电力电子变换器对交流电 动机的变频调速传动。除变频以外的另些简单的调速方案，例如变极调速、 定子调压调速、转子串电阻调速、电磁转差离合器调速等，虽然仍在特定场合 有一定的应用，但由于它们在节能、效率等方面均存在许多问题，使用受到限 武汉理工大学硕士学位论文 制，终将会被变频调速所取代。由于交流调速系统不断显示出本身的优越性和 巨大的社会效益，所以使得变频器一交流电动机调速系统具有越来越旺盛的生 命力。 1 2 变频器的研究意义 目前，我国电动机总装机容量已达4 5 亿千瓦，近6 0 。但我国电机驱动系 统的能源利用率非常低，年耗电量占全国用电总量的基本上要低于国外平均水 平2 0 左右，7 0 的电机只相当于国际2 0 世纪5 0 年代水平，节能潜力巨大。相 对于国际上先进的变频调速技术，我国变频器生产技术的落后表现在多个方面。 首先在变频技术研究方面投入的入力物力不集中，没有形成市场竞争力，这是 落后的根本。其次配套产业以及工艺加工设备的落后，难以适应变频器生产的 发展。国产变频器无论在产品性能上还是在外观设计上都落后于国外，只相当 于国外2 0 世纪8 0 年代的水平。在变频器领域，国内企业还很年轻，要走的路 还很长。近年来国内变频器行业发展的特点为：国内变频技术的理论不比国外差 多少，但在变频器的开发和生产上，由于中国的工业基础较薄弱，制造技术不 及发达国家，功率开关器件的质量难以与发达国家抗衡。与国外大公司相比， 国产企业进入电气传动领域的时间短，无拳头产品，无成套电气设备。国内变 频器整机技术落后，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优势与规模。有部分变频器生产厂家实际上还是 处于手工生产阶段。国产变频器8 0 的功夫在于仿制，基本缺少创新内容。除 了低价，并无明显特点。变频器作为一种新兴的高技术产品，从一开始国外品 牌就占据了绝大部分市场，就在国外变频器产品占据我国变频器市场的同时， 国内变频器的研制和生产也在夹缝中艰难向前发展，但许多都是拷贝或者是仿 制国外产品，缺乏自主知识产权的优秀产品，因此，研究和开发具有自主知识 产权的高性能变频器成为摆在我们面前的重大课题【l 】。 1 3 变频器的种类 变频器是一种能提供频率及电压同时变化的电力电子电源装置，可分为间 接变频器和直接变频器两大类。间接变频器先将工频交流电源整流成电压大小 可控的直流，再经过逆变器变换成可变频率交流，由此也称交一直一交变频器； 直接变频器则将工频交流一次性变换成可变频率交流，故可称交一交变频器。 2 武汉理工大学硕士学位论文 目前以间接变频器应用较为广泛。本文所述变频器也属于这一类2 1 。 1 4 本文的主要研究内容 本文主要内容分为六章。第2 章主要介绍变频调速的基本理论；第3 章是 系统的硬件设计及其实现：第4 章介绍了系统软件的设计和实现：第5 章是矢 量控制系统的仿真研究。本文所设计的变频调速系统主要有以下几个方面： ( 1 ) 采用了近几年来比较成熟且高效的s v p w m 算法，与s p w m 算法相比， 采用该算法可以提高直流电压利用率，削弱输出电流的低次谐波： ( 2 ) 变频调速控制方案采用矢量控制技术，并结合m a t l a b p o w e r s y s t e m 仿真， 全面、系统的对矢量控制技术予以介绍，仿真结果证明了采用矢量控制技术可 以增强调速精度和系统稳态、动态性能； ( 3 ) 硬件的设计上采用了高性能的电机控制专用d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 ，使 用它的原因在于矢量控制中需要进行大量的坐标变换运算，利用传统的低性能 单片机无法实现。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章变频调速的基本理论 2 1 变频调速的基本思想 根据异步电机的转速公式： 行= n o o 叫= 警( 1 一曲 ( 2 - 1 ) 式中：一同步转速 正一定子频率 刀。一磁极对数 s 一异步电动机的转差率：j = ( - n ) n o 根据异步电机的转速公式，当极对数n 不变时，电机转子转速n 与定子电 源频率成正比，因此连续的改变供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电动 机的转速，这种调速方法称为变频调速。 2 2 变频调速的四种控制方式 2 2 。1 恒定控制 v f 恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式。它在控制电动机 的电源频率变化的同时控制变频器的输出电压，并使二者之比f ) 为恒定，从 而使电动机的磁通基本保持恒定。在异步电机调速时，保持电机主磁通恒定是 一个非常重要的因素 u l = t l r , + y i , x t f + j k 。人 【2 - 7 、 式中，u 一定子电压，厶一定子电流，一定子电阻，石一电源频率， 五，一定子漏电抗，恐一主磁通与定子电动势系数的乘积 我们忽略上式中的右边第一项和第二项，即定子电流在电阻上的压降和定 子漏电抗压降，就可以保持u l f l = 常数，以达到维持磁通恒定的目的。因此这 种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。但在基频以上，因为定 子额定电压不能随着频率的增加而增加，因此需要弱磁运行，这个阶段属于恒 4 武汉理工大学硕士学位论文 功率调速方式。 如果我们不忽略这两项又会是什么情况呢? 由式2 1 可知，当电机在额定运 行情况下，电机定子电阻和漏阻抗的压降较小，u 和e ( 各是定子感应电动势) 可以看成近似相等，所以保持配彳= 常数即可。由于v f 比恒定调速是从基频向 下调速，所以当频率较低时， u 和五都变小，定子漏阻抗压降( 主要是定子电 阻压降) 不能再忽略。这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿电阻压 降的影响，使主磁通基本保持不变。带定子压降补偿的压频比控制特性示于 图2 1 中的b 线，无补偿的控制特性则为a 线。 图2 - 1 压频比特性图 v f 比恒定控制存在的主要问题是低速性能差。其原因一方面是低速时定子 的电压和电势近似相等条件己不能满足，所以仍按v 厚比恒定控制就不能保持 电机磁通恒定，而电机磁通的减小势必会造成电机的电磁转矩减小。另一方面 原因是低速时逆变器桥臂上、下开关元件的导通时间相对较短，电压下降，而 且它们的互锁时间也造成了电压降低，从而引起转矩脉动，在一定条件下这将 会引起转速、电流的振荡，严重时会导致变频器不能运行。 从以上的分析可以看出，v f 比恒定控制常用于速度精度要求不十分严格或 负载变动较小的场合。由于恒定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【2 引。 2 2 2 转差频率控制 转差频率控制的基本思想是采用转子速度闭环控制i 速度调节器通常采用 p i 控制。它的输入为速度设定信号和检测的电机实际速度之间的误差信号。速 武汉理工大学硕士学位论文 度调节器的输出为转差频率设定信号。变频器的设定频率即电动机的定子电源 频率，为转差频率设定值与实际转子转速的和。当电动机带动负载运行时，定 子频率设定将会自动补偿由于负载所产生的转差，保持电动机的速度为设定速 度。速度调节器的限幅值决定了系统的最大转差频率。 2 2 3 矢量控制 前面介绍的控制模式，在磁通近似恒定的前提下，以开环方式进行频 率控制，稳态运行时依靠转速差产生电磁转矩与负载转矩自然平衡，因此，存 在一个与负载转矩相关的转速偏差，动态加速时依靠实际转速提升的滞后，产 生过量的转速差，使电磁转矩自然提升到加速所需要的水平，因此，存在一个 与负载转矩和频率提升速度相关的动态延迟，这个延迟使得动态过渡过程中的 速度偏差比稳态时大得多。对于一般的，多数的应用，这种偏差和延迟是可以 接受的，不会造成问题。有的应用对稳态转速精度有要求，而减小和消除稳态 转速偏差的基本方法是在给定频率之外，额外提供一个与转速差对应的频率输 出，这通过速度闭环控制或者补偿措施就可以实现，如前面讲过的转差频率控 制。有的应用不仅对稳态转速精度有要求，而且对于过渡过程的动态转速精度 也有要求。本质上说，依靠偏差进行控制的自动控制原理是不可能完全消除动 态偏差的，但可以将偏差减小到应用允许的程度。有效的减小动态转速偏差的 实质，是要使加速度按照需要准确地变化，而按照电力拖动运动方程，这意味 着快速而且准确地控制电磁转矩。在电机内，电磁转矩首先是受到磁通制约的， 有效的控制电磁转矩的前提是有效地控制磁通。直流电动机磁场由定子励磁绕 组和电枢绕组分别激励，因此，其磁通和转矩能够分别独立地进行控制，这使 得直流电动机对转矩有良好的控制能力，而交流电动机励磁电流和转矩电流合 成了定子电流矢量，简单地直接控制定子电流不能实现对转矩的有效控制。将 定子电流含有的励磁和转矩两个矢量分离，分别进行控制，然后合成并转化成 为对变频器参数的控制信号，模仿直流调速系统的控制特点实现对于电磁转矩 的有效控制，这就是矢量控制的基本思路】。 2 2 4 直接转矩控制 直接转矩控制将逆变器和交流电机作为一个整体进行控制，逆变器的所有 开关状态的变化都以交流电机的电磁过程为基础，将交流电机的转矩控制和磁 6 武汉理工大学硕士学位论文 链控制有机地统一。它改估计转子磁链为估计定子磁链，由于定子磁链的估计 只牵涉到定子电阻，因此对电机参数的依赖性大大减弱了。因此，直接转矩控 制具有转矩响应快，控制结构简单等优点，是一种具有高静动态性能的交流电 机调速的新方法。但是直接转矩控制系统自身的特点也带来一些难以避免的缺 点： ( 1 ) 由于“b a n g b a n g 控制器输出电压的开关频率的不确定性带来的转矩 脉动和电机噪音； ( 2 ) 由于经典的定子磁链计算器是基于纯积分运算或l p f 运算，在同步转速 很低的时候，将很难准确的得到定子磁链的真值，这就是直接转矩控制低速性 能比较差的直接原因； ( 3 ) 由于没有独立的电流环，使得系统不便于电流保护和电流饱和控制。 2 3 矢量控制理论的研究 2 3 1 矢量控制理论 交流电机调速系统的矢量变换技术是2 0 世纪7 0 年代开始迅速发展起来的 一种新型控制思想。它通过将定子电流分解成相互独立的励磁电流和转矩电流， 从而使交流电动机在很大程度上类似于直流电机，大大简化了控制的难度，并 获得了较好的控制效果。使得这种控制方法成为交流电机获得理想性能的重要 方法。 图2 2 等效的异步电机绕组和直流电机绕组物理模型 异步电机矢量控制的思想就是通过坐标变换，把定子三相交流电变换成直 流励磁电流咖和转矩电流打，在调速过程中保持励磁电流“不变，即磁通不变， 7 武汉理 ：大学硕士学位论文 此时与直流电机调速原理相同，控制转矩电流f r ，就可以控制电磁转矩疋。 由三相异步电机原理可知，定子三相绕组空间上互差1 2 0 ，且输入时间上 互差1 2 0 。的三相正弦交流电时，在空间上会建立旋转磁动势f ，以同步角速度 码旋转，如图2 - 2 ( a ) 所示。事实上，产生旋转磁场不一定非要三相绕组。除单相 外，二相、三相、四相等任意多相对称绕组，通以多相平衡电流，都能产生旋 转磁动势。如图2 2 ( b ) 绘出了两相静止绕组口和夕，它们空间上互差9 0 ，通以 时间上互差9 0 。的两相平衡交流电流，也产生旋转磁动势。若两个相互垂直的绕 组m ，t ，在t 绕组中通以直流电流打，在m 组中通以直流电流哳，并将此m t 坐标以同样的角速度甜，旋转起来，则m ，t 两相旋转绕组合成磁动势f 也是一个 旋转磁场，如图2 - 2 ( c ) 所示，细则相当于直流电动机的励磁电流分量，由它来产 生直流电机的磁场，而与磁场函一相互垂直的分量打则相当于直流电机的电枢电 流即转矩电流分量。调节功即可调节磁场的强弱，调节打即可在磁场恒定的情 况下调节转矩的大小唧j 。 2 3 2s v p w m 控制技术 目前比较好的方法是电压空间矢量脉宽调锖i j ( s v p w m ) 技术，它从电机的角 度出发，以三相对称正弦波电源供电时交流电机产生理想的磁链圆为基准，通 过选择逆变器的不同开关模式，使电机的实际磁链轨迹尽可能能逼近理想磁链。 s v p w m 控制技术正是基于这样的目标将逆变器和电机看成一个整体，在建立了 空间电压矢量概念和逆变器功率器件的开关状态组合后，通过直接控制逆变器 的开关状态，就可以产生p w m 电压波形。此外，通过改变空间电压矢量的作用 方向和作用时间，可以达到使电机定子磁通空间矢量的幅值近似恒定、顶点沿 准圆形轨迹移动、平均速度可调的目的，从而实现了近似恒磁通变压变频控制。 s v p w m 方法不仅算法简单，而且改善了逆变器电压和电流的谐波特性、减小了 转矩脉动、降低了噪声、提高了电压利用率【_ 7 1 。 在理想的电源供电时，设某时刻加到电机三相绕组上的三相对称电压分别 为： 虬= 2 压t j u ts i n ( c a t ) = 厕s i n ( r o t 一2 ，r 3 ) ( 2 - 3 ) 以= 痂s i n ( c o t + 2 z t 3 ) 8 武汉理工大学硕士学位论文 式2 3 中：u l 为线电压，6 0 为电源角频率 为了将逆变器的输出电压用空间电压矢量表示，故引入p a r k 矢量变换： u = 层( 虬鸠耐虬) ( 2 4 ) 式2 - 4 中：u a 、u b 、u c 分别是逆变器的输出相电压，也即是电机a , b ，c 三 相定子绕组的相电压。 将式2 3 代入式2 _ 4 ，整理后得： u = u p 埘 ( 2 5 ) = ue o s ( 国t ) u g = u t s i n ( c o t ) 式中：u d 是空间电压矢量u 在d 轴上的投影 u q 是空间电压矢量u 在q 轴上的投影 由式2 5 可以看出，当用理想电压源供电时，加到电机绕组上的瞬时空间电 压矢量会以一定大小的角速度旋转，其轨迹在复平面上表示是一个圆心在原点、 半径为队的圆周，如图3 2 所示。 jl q 厂 穴叫。 彳( i ) t 。 。 l i jl q 厂 、 砂a k 。馘a 图2 3 电压矢量轨迹图2 - 4 磁通矢量轨迹 在二维坐标系下电机定子电压矢量方程为： u = 尺f + 却防 ( 2 6 ) 如果忽略定子电阻压降的影响，则定子磁通矢量为： 缈= 2 肋= i u t e j n 口d t = u i c o p ，( 叫吲彪= u 2 万石p - ，( 叫呵2 ) ( 2 7 ) 9 武汉理工大学硕士学位论文 可见磁通矢量是一个比电压矢量落后可x 2 的旋转矢量，磁通矢量的轨迹也 为圆，其圆周的半径为： ，- = u t c o = u l 2 x f t ( 2 - 8 ) 分析式2 8 ，不难看出当电压频率比u l f 1 为常数时，磁通轨迹圆的半径r 相应的也为常数。这样随着的变化，磁通矢量由的顶点的运动轨迹就形成了 一个以r 为半径的圆形，即得到了一个理想的磁通圆，如图2 - 4 所示。在s v p w m 算法中，就是以此理想磁通圆为基准圆的。 在用电压型逆变器供电时，定子磁通矢量顶点将会以何种轨迹运动呢? 现分 析如下： o 图2 5 三相电压型p w m 逆变器的原理图 如图2 5 所示，三相电压型逆变器由六个功率开关器件q l 、q 2 、q 3 、q 4 、 q 5 、q 6 组成，对应的控制信号分别为：s 。，s b ，s 。，& ，瓯，足。因为1 8 0 0 导 电型逆变器正常工作时其上桥臂和下桥臂的开关状态互补，故可以用三个上桥 臂的功率器件的开关状态来描述逆变器的工作状态，记功率器件开通状态为 “1 ，关断状态为“0 ，则上桥臂q l 、q 3 、q 5 的开关状态有八种组合，可分别 用一个3 位二进制代码表示，它们分别是：( 0 0 0 ) 、0 0 0 ) 、( 0 1 0 ) 、( 1 1 0 ) 、( 0 0 1 ) 、( 1 0 1 ) 、 ( 0 1 1 ) 、( 1 l1 ) 这8 个组合中，第一位数字表示q l 的状态，第二位数字表示q 3 的状 态，第三位数字表示q 5 的状态。为了分析方便，我们用开关状态矢量【s 。、s b 、 s 。1 来表示这8 种组合。图2 5 是三相电压型逆变器的主电路。v d 。是逆变器直 流侧电压。根据1 8 0 导电型逆变器的特点，无论开关状态矢量 s a ，s b ，s 。】是哪 一种，负载电机的定子绕组都是两相并联后再和另一相串联接到直流电流源上， 所以开关状态矢量与相电压矢量 u 。，u b ，u 。】之间存在以下的关系： l n 武汉理工大学硕士学位论文 荔 = 三 三三享 菱 ( 2 9 ， 珊 将式2 9 三相逆变器的输入相电压代入式2 - 4 的空间电压矢量中，整理得逆变器 的8 种输出电压矢量u ( o o o ) 、u ( 1 0 0 ) 、u ( o i o ) 、u ( i1 0 ) 、u ( 0 0 1 ) 、u ( 1 0 1 ) 、u ( 0 11 ) 、 u o l t ) 为方便起见，我们将电压的下标转化为十进制数字表示，则8 种电压矢量 可以表示为：u o 、u 7 、u l 、u 2 、u 3 、u 4 、u 5 、u 6 ，其中u l 、u 2 、u 3 、u 4 、u 5 、 u 6 这6 种电压矢量为工作电压矢量，另外还有两个特殊的电压矢量u o 、u 7 。它 们的大小为0 ，因而称之为零电压矢量。零电压矢量对应于逆变器上桥臂的三个 开关器件q i 、q 3 、q 5 或下桥臂的三个开关器件q 2 、q 4 、q 6 同时处于导通或关 断状态。由于此时电机的三相绕组处于短路状态，所以电机的线电压为零，即 逆变器的输出电压为零。 u 3 ( 0 1 1 u 邺qt 删。， d u 4 ( 1 0 0 ) 1 ) 图2 - 6 空间电压矢量示意图 图2 7 磁通轨迹 图2 - 6 标明了逆变器三相输出电压的8 种空间电压矢量在复平面上的离散位置。 它们的数学表达式如表2 1 所示。我们知道巾= fu d t ，那么对于离散的电压矢量 则有： k = u 出 ( 2 - 1 1 ) i = o l l o o 么 u i i 10j 叱 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1空间电压矢量及其数学表达式 相序逻辑组合 电压矢量 矢量数学表达式 s as bs c u o o0o 0 u 1 100 虿疋记么c x p ( + ，o ) u 2 010 厨砚c x p ( 一歹j 2 万) u 3 11o 历礼e x p ( 一；1 石) u 4 001 历矾e x p ( + 弓万) u 5 lo1 历玑e x p ( + 万) u 6 011 厩e x p ( + j n ) u 111l 0 所以定子磁通矢量巾的顶点的运动方向对应于相应的工作电压矢量u 的作 用方向。在忽略定子电阻压降的影响时，巾顶点的运动轨迹平行于相应的u ，巾 的运动速率为电压矢量的幅值。因此如果我们使图3 5 所示的逆变器输出的电压 矢量按照u l u 3 一u 2 一u 4 一u 5 一u l 的次序依次作用，且每一个电压矢量作用的 时间一样长，则可使定子磁通矢量顶点的运动轨迹( 以下简称为磁通轨迹) 为一个 正六边形，旋转方向为顺时针方向，如图2 7 所示。 2 3 3s v p w m 技术的算法与实现 按平行四边形法则，利用这八个基本向量可以合成任意角度和模长的等效 合成矢量。如图2 8 ，依平行四边形法则得： 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 有如下矢量表达式： 利用正弦定理可得： q 0 蜴蜴 图2 8 第三扇区矢量 五“+ 互氓= z u 0 ( 2 1 2 ) 五= 历1 i cs i n ( x 3 一o ) l u 廊 五= 压l l is i n ( 9 ) 瓦= 一石一瓦 ( 2 1 3 ) 0 0 7 1 3 由上式2 1 3 ，t l 、t 2 如果不足时，插入零矢量补足。 假定向量u 陀f 在d ，q 轴的坐标投影是u d ，u q ，p w m 的周期是t s ，可以得到： 卜击那一旭) k = 殛 同样可以计算出u r c f 在其它扇区内空间矢量作用的时间： 1 3 ( 2 1 4 ) 武汉理工大学硕士学位论文 五2 最【s i 畸k 帆一( 扛】 互= 惫 s i n ( 竽鹕一( 孚鹕】 。1 5 瓦= 五一石一互 其中k = 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ( 1 ) 首先确定矢量u 代f 所在的扇区，由2 s 3 s 坐标变换可得： u d = u 1 = 三( 风一) 虬= 互1 ( 一缸一) 1 ) 如果u 户0 ，则a = i ，否则a = 0 2 ) 如果u b 0 ，则b = i ，否则b = 0 3 ) 如果u c 0 ，则c = 1 ，否则c = o 再根据号n = a + 2 b + 4 c 确定扇区号。 隧觐冼 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 对不同扇区的石、五，按表2 - 2 取值。若出现互+ 互 z ，则r l = 互z ( 五+ 互) ， 乃= 正z ( 五+ 互) 扇区号 ii ii v t l zyzxxy t 2y xxzyz ( 3 ) 确定矢量的切换点乙。、乙：、乙，由 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 驴r + 1 子互 ( 2 1 8 ) 瓦= 五十三正 。1 。7 则在不同的扇区内，对乙l 、乙2 、乙，进行赋值，如表2 3 所示： 表2 - 3 乙。、乙：、乙，的赋值表 扇区号ii i1 i i v t 锄l磊五 乃正死 t c i l l 2五t ct bt b 乃t c t c i i l 3乃乃t c正t b五 2 3 4s v p w m 技术的总结 s v p w m 方法是一种与s p w m 法完全不同的新颖的脉冲宽度调制方法。自 1 9 8 8 年由h o l t z 和s t a d f e l d 提出这一调制方法后，经过人们多年来全面、深入的 研究，结果表明，s v p w m 法与传统的s p w m 法相比，它具有以下几个特点： ( 1 ) 思想先进 s v p w m 法不是局限于如何使逆变器生成按正弦规律变化的电压，而是着眼 于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场。它以三相对称正弦波电压供电时交流 电动机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关状态所产生的实际磁通去尽 可能的逼近基准磁通圆，并通过调节空间磁通矢量的幅值和相位来达到调节电 机转速的目的。因而使用这种方法可使电机具有良好的稳态和动态指标。 ( 2 ) 控制简单 s v p w m 法以逆变器的开关工作状态为控制对象，同时综合考虑电机定子的 三相电压，具有三相电压p w m 波自动生成的特点。因而大大简化了控制的复杂 性，使得用完全硬件电路来构成s v p w m 逆变器成为可能。正是由于s v p w m 武汉理工大学硕士学位论文 法的算法简单，所以只要确定了频率值、电压幅值及磁通圆的等分份数，则可 以很容易的算出t 卜t 2 、t 3 然后再将它们存储在e p r o m 中。由于计算量不大， 所以比较s p w m 法的计算量，它大大节省了占用e p r o m 的空间。为了实现对 三相波形的形成时间进行控制，我们只要设计几种地址计数器来直接从e p r o m 中读取时间值和三相控制字，再设计与之相应的定时器就可以实时产生需要的 p w m 脉冲，从而达到了很好的实时性。此外，s v p w m 逆变器占用硬件资源少， 所以在s v p w m 法下开关频率可以实现高频化。 ( 3 ) 直流电压利用率高 直流母线电压利用率定义为： u ， n = 二墼 式中：一一逆变器输出线电压基波分量最大值 一逆变器直流侧电压 它是评价开关模式优劣的一个重要指标。 如果采用s v p w m 法可得到逆变器的直流电压利用率为： ( 2 1 9 ) n ：坠：髦：1( 2 - 2 0 ) 2 而如果采用s p w m 法去控制逆变器的开关状态，其直流电压利用率为： n ：绎：鱼：o 8 6 6 ( 2 - 2 1 ) 2 7 可见s v p w m 法的直流电压利用率比s p w m 法高1 0 左右。 ( 4 ) 输出电流谐波成分减小 由于当异步电机由变频器供电运行时，在定、转子电流中除了基波成分外， 还有大量的谐波成分，因此在电机运行中，除了由基波电流引起的定转子铜损 和定子铁损等基本损耗外，还增加了由谐波电流引起的附加损耗( 也称为谐波损 耗) 。谐波损耗的增加将使电机的效率降低、转矩下降，甚至会使电机运行性能 不稳定。因而如何降低电流中的谐波成分是变频调速的一个大问题。如果使用 普通的s p w m 调制方法，当调制深度d 1 ( d = 调制波最大值载波最大值) 时，输 出电压和电流的谐波成份都将使电机的运行损耗增加，运行性能下降，甚至出 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 现转矩脉动。而s v p w m 不仅在l d 1 5 时仍能保证输出线电压为正弦波，电 流和转矩的脉动非常小，而且当d 1 0 掣( 3 式( 3 1 0 ) q 丁，系数1 0 是电阻瓦特数的裕度系数，以防止温升过高，f 为开关频率。 3 2 3 驱动电路的设计 驱动电路采用p c 9 2 9 ，p c 9 2 9 是日本夏普公司生产的用于驱动i g b t 模块 的光耦隔离式驱动芯片，内部结构原理如图3 - 4 所示。这类驱动芯片内部集成有 光耦接口，检测电路，短路保护电路。当输入驱动信号为低电平时光耦导通， 接口电路把该信号整形后由功放级的n p n 晶体管放大后输出，驱动i g b t , 当输 入驱动信号为高电平时光耦截止，接口电路输出为高电平，功放级的p n p 晶体 管导通，i g b t 栅极间承受反向电压并关断。这类芯片可驱动6 0 0 v 或1 2 0 0 v 的 i g b t 模块，如图3 - 4 是p c 9 2 9 的内部结构原理图。这类驱动芯片的主要特点为： ( 1 ) 内置的i g b t 短路保护电路； ( 2 ) 内置高速光耦隔离； ( 3 ) 内置直接驱动电路的i g b t 驱动； ( 4 ) 高隔离电压； 武汉理工大学硕士学位论文 f 喇嘲咄均r l i | y 嗣白 图3 _ 4p c 9 2 9 内部结构原理图 p c 9 2 9 构成的i g b t 的驱动电路如图3 5 所示，t 1 5 和t 9 构成对称电路， 以提高负载能力，电阻r 1 0 3 、稳压管z 9 、二极管d 1 8 检测i g b t 是否过流，当 过流时i g b tm 作于退饱和状态，c e 两端电压升高，d 1 8 由导通转到截止，9 脚电平升高，检测出i g b t 的栅极和集电极同时为高电压，p c 9 2 9 判断i g b t 过 流，驱动芯片栅压关闭，同时p c 9 2 9 的8 脚电平拉低，使得o c 由高电平变成 低电平，o c 信号送到t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 处理器，使t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 封锁六路脉冲 p w m 输出。 啪瑾 图3 5i g b t 模块驱动电路图 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 4 主电路的散热设计 散热器设计的任务是根据传热学的基本原理，为器件设计一个热阻尽可能 低的热流通路，使器件发出的热量能通过它尽快地发散出去，从而保证器件在 运行时，其内部的结温保持在允许的结温之内。考虑变频器的体积和重量，以 及系统运行的可靠性，为系统设计一个良好的散热环境非常重要。温度过高， 会使得电子器件的性能变坏，使之在平时正常的工作环境中完成的工作不能如 所设计的一样完成。而且在这样不正常的工作环境下还可能损坏设备，造成安 全事故，因此当工作环境的温度超出了设备的正常工作温度范围时，应该对该 工作的设备进行保护。在工作的过程当中产生高温的原因有以下几个： ( 1 ) 器件长时间超负荷运行； ( 2 ) 器件所散发出的热量不能及时的发散出去； ( 3 ) 周围环境有产生大量热量的设备致使空间温度过高； 对于系统的热设计，应该强调在系统设计的初始阶段，根据负载选择好功 率器件以及相应的散热片，确定风冷还是水冷，确定好正确的风路或者水路， 保证散热器所带走的热量不影响其他电子芯片、电路的正常工作。在保证这些 初期工作都正确的情况下，还要考虑各种意外的发生，随时监视着可能产生高 温的器件的温度，或者直接监视变频器组装箱里面空间的温度。由于温度是一 个缓慢变化的变量，对这样变量的测量可以设定比较长的采样周期，并相应的 在软件中设定三个温度区域，正常工作区域，报警区域，停止工作区域。在外 部电路的实际中，电压，电流，温度这些信号经过滤波后一方面被d s p 中内置 的a d 采样电路采样，其所得到的数据既提高了系统的控制性能，又提高了系 统的安全性，在软件中设置采样参数的警报阀值，在一定的范围内不予响应， 到达一定的范围就给出警报，但还继续工作；再超出警报的范围或者警报在持续 了一段时间后还依然存在，就关断s v p w m 驱动信号，从而保护功率器件。 3 3 控制电路的设计和实现 在交流调速系统的设计中，控制电路则是系统的核心部分。而设计优良的 驱动及吸收保护电路以及电源是系统正常可靠工作的重要保障。下面将主要讨 论一下这四个方面的设计考虑。控制电路使用d s pt m s 3 2 0 f 2 8 0 8 作为主控制器。 f 2 8 0 8 是t i 公司专门为电机控制应用而设计的，片上集成了高性能的d s p 处理 器和丰富的外围设备。在使用f 2 8 0 8 作为控制器对交流调速系统进行控制的时 2 4 武汉理工大学硕士学位论文 候能降低硬件的复杂程度，提高整个系统的可靠性。 t m s 3 2 0 c 2 8 x 系列是t i 公司最新推出的d s p 芯片，是目前国际市场上最先 进的