（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的空间矢量变频器的研制(1).pdf

论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 基于d s p 的空间矢量变频器的研制 控制理论与控制工程 涂雪芹 ( 签名) 金鱼茸 黄向东( 签名) 耋毖 摘要 恒压频比控制( v f ) 是变频器中应用最广泛的一种控制方式，采用这种控制方式 研制的变频器系统结构简单，成本低廉，适用于风机、水泵等对调速系统动态性能要求 不高的场合。目前这种变频器的经济性和通用性深受市场的青睐。鉴于此，本文利用 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 作为控制芯片，采用恒压频比的控制方式和空问矢量调制策略研制 了一台变频器的样机，并对一些关键的问题给予理论分析并提出实现的方法。本文主要 内容如下： 1 阐述了电压正弦脉宽调制( s p w m ) 技术和空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术， 对二者的特点进行比较，并将空间矢量脉宽调制技术用于实际变频器系统中。 2 详细分析死区产生的机理和空间矢量p w m 中死区效应对输出电压的影响，并 结合空间矢量图，讨论了输出电压矢量位置与三相电流方向的关系。在此基础上，提出 了一种新型的死区补偿策略，将三相电流分成六个区域，并在每个区域只对其中一相输 出电压进行补偿。该方法通过判断输出电压矢量的角度来获取三相电流的方向，避免了 电流检测中多个零点的现象。 3 以二极管构成三相桥式不可控全波整流电路，并以i p m 作为功率器件构成逆变 电路组成的交直交电压源型变频系统主电路；同时以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为中央处理器， 设计控制电路，它包括主控模块、电流电压采样模块、转子位置采集模块、显示模块和 键盘输入模块；并在c c s 环境下，利用c 语言和汇编语言混合编写程序。 4 研制出一台样机，并对所研制的样机进行试验。实验结果证明，系统中电机电 流的谐波失真较小，直流母线电压利用率比常规的正弦波脉宽调制( s p w m ) 有了较大 的提高，功率器件的开关损耗较小。本系统具有控制简单、外围电路较少、性能价格比 高等优点，适合于风机、水泵用变频器的性能要求。 关键词：变频器；数字信号处理器( d s p ) ；空间矢量；死区；智能功率模块( i p m ) 研究类型：应用研究 s u b j e e t ：r e s e a r c ho ni n v e r t e ro fs p a c ev e c t o rb a s e do nd s p s p e c i a l t y ：c o n t r o lt h e o r y a n dc o n t r o le n g i n e e r i n g n a m e ：t u x u e q i n i n s t r u c t o r ：h u a n gx i a n g d o n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) t h ec o n s t a n tr a t i oo f v o l t a g et of r e q u e n c yc o n t r o l ，w h i c ha l s oc a l l e dc o n s t a n tv fc o n t r o l ， i so n eo ft h em o s tp o p u l a rc o n t r o l si ni n v e r t e ra p p l i c a t i o n w i t hi t s s i m p l es t r u c t u r ea n dl o w c o s t ，c o n s t a n tv fc o n t r o li sa p p l i e dt os o m el o wd y n a m i cp e r f o r m a n c ea p p l i c a t i o n ss u c ha s f a n ，w a t e rp u m pa n ds of o r t h a tp r e s e n t ，t h e r ei sab i gm a r k e tf o rt h i si n v e r t e rd u et oi t s e c o n o m ya n dp o p u l a r i t y i n t h i s p a p e r , as p e c i m e no ft h e i n v e r t e r s y s t e ma d o p t e d a t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s pc h i pa si t sc o n t r o l l e rb yu s i n gc o n s t a n tv fc o n t r o la n ds p a c ev e c t o r p w mt e c h n i q u ei sd e s i g n e d s o m ek e yp r o b l e m sa r ea n a l y z e di nt h e o r ya n dm e t h o d so ft h e m a l ep u tf o r w a r d t h em a i nc o n t e n ti nt h i sp a p e ri sa sf o l l o w i n g 1 a f t e re l a b o r a t i n gs p w ma n ds v p w mt e c h n o l o g y ，t h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa r ec o m p a r e d i no r d e rt of i n dw h i c hs u i t st h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n f i n a l l y ，s v p w mt e c h n o l o g yw i l lb e a d o p t e d 2 t h ep a p e re x p a t i a t e so i lt h er e a s o no fd e a d - t i m ei nt h e o r y , a n a l y z e st h ei n f l u e n c eo f d e a d t i m ei ns v p w mo no u t p u tv o l t a g ea n dd i s c u s s e st h er e l a t i o nb e t w e e nt h eo m p u tv o l t a g e v e c t o rp o s i t i o na n dt h et h r e e - p h a s ec u r r e n td i r e c t i o nb yu s i n gs p a c ev e c t o rg r a p h an e w m e t h o d ，w h i c hd i v i d e st h et h r e e p h a s ec u r r e n ti n t os i xr e g i o n sa n dc o m p e n s a t e so n l yo r e p h a s eo u t p u tv o l t a g ei ne v e r yr e g i o n ，t oc o m p e n s a t et h ed e a d - t i m ei sp u tf o r w a r d j u d g i n gt h e a n g l eo f o u t p u tv o l t a g ev e c t o rt oa c q u i r et h ed i r e c t i o no f t h r e e p h a s ec u r r e n t ，t h i sm e t h o dc a n a v o i da na p p e a r a n c eo f m a n yz e r o sw h e nc u r r e n ti sd e t e c t e d 3 t h r e e - p h a s eb r i d g ei n c o n t r o l l a b l ef u l l - w a v er e c t i f i e rc i r c u i ta n dt h ei n v e r t e rc i r c u i t c o n s t i t u t et l l em a i nc i r c u i to fa c d c a cv o l t a g es o u r c ei n v e r t e rs y s t e m i nt h i ss y s t e m ，t h e r e c t i f i e rp a r ti sc o m p o s e do fd i o d e sa n dt h ei n v e r t e rp a r ti sm a d eu po fi p m t h ec o n t r o lp a r t ， w h i c ht a k e sat m s 3 2 0 l f 2 4 0 7c h i pa st h ec e n t r a lp r o c e s s o r , i n c l u d e sc e n t r a lc o n t r o l l i n g m o d u l e ，c u r r e n ta n dv o l t a g es a m p l i n gm o d u l e ，r o t o rl o c a t i o nc o l l e c t i n gm o d u l e ，d i s p l a y m o d u l ea n dk e y b o a r dm o d u l e e a c hs u b r o u t i n ei s w r i t t e nw i t hcl a n g u a g ea n da s s e m b l y l a n g u a g ei nc c s e n v i r o n m e n t 善 4 f i n a l l yas p e c i m e no ft h ei n v e r t e rs y s t e mi sd e s i g n e d a f t e rh a v i n gap e r f o r m a n c e e x a m i n a t i o n ，t h er e s u l tp r o v e st h a tt h eh a r m o n i cd i s t o r t i o no fm o t o rc u r r e n ti ss m a l l ，t h eu s a g e f a c t o ro fd i r e c t c u r r e n tv o l t a g ei sh i g h e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a ls p w mt e c h n o l o g ya n dt h e p o w e rs w i t c hl o s t ss l i g h t l y t h i ss y s t e mh a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l ec o n t r o l ，l i t t l ep e r i p h e r a l ， h i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wp r i c e ，w h i c hw i l lm e e tt h ed e m a n d so f t h ei n v e r t e ru s i n gi nf a na n d w a t e rp u m p k e y w o r d s ：i n v e r t e r d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) s p a c ev e c t o r d e a d - t i m e i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 妻料技太孥 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：黼并日期：枷7 ；” 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：椿匈菁 指导教师签名：号、狐 ? e o7 年多月吵日 ， 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着电力电子技术、微电子技术以及控制技术的不断发展，各种实用的变频器产品 也不断诞生，变频器作为一个产业正在不断蓬勃发展。 十多年前，变频器才作为产品在我国销售，但其发展迅速，应用范围广泛，销售额 逐年增加，目前我国已成为变频器应用大国，应用水准与发达国家相差无几，在工业自 动化技术应用方面取得可喜的成绩，并给我国的工业自动化事业带来了深刻的变革，产 生了巨大的社会和经济效益，其中有的技术己接近或达到世界先进水平。但是，与发达 国家的水平相比，我国在变频器技术的普及应用方面尚有很大差距。据统计，目前我国 的交流电动机使用变频调速运行的仅有1 0 左右，而工业发达国家己达6 0 7 0 ； 日本在风机、水泵上采用变频器调速已达到1 0 ，而我国还不足o 1 ；在日本，7 0 的空调己采用变频调速，而我国才刚刚起步。欧美及日本等变频技术先进的国家均称已 进入交流变频调速时代”】。 变频器传动已成为实现工业自动化的主要手段之一，在各种生产机械中，如风机、 水泵、生产线、机床、纺织机械、塑料机械、造纸机械、石化设备、工程机械、矿山机 械、钢铁机械等有着广泛的应用，可以提高其自动化水平，提高机械性能，提高生产效 率，提高产品质量和节能等。目前，国内外著名的变频器品牌有瑞士的a b b ，德国的 西门子，日本的富士、三菱，国产的有华为电气推出的t d 2 0 0 0 系列。这些产品中，国 外产品在性能和可靠性上都具有一定的优势，特别是在中压和高压变频器的产品上几乎 处于垄断地位；而国内的大部分产品与其相比不仅性能上略逊一筹，而且在可靠性上差 距较大，但价格上具有很大的优势。目前在变频器的市场占有率上仍然以通用型v f 控 制的变频器为主。变频器的应用领域在不断扩大，同时其性能也在不断提高，各种功能 不断丰富。 变频器在各行各业中的各种设备上迅速普及应用，已成为当今节电、改造传统工业、 改善工艺流程、提高生产过程自动化水平、提高产品质量以及推动技术进步的主要手段 之一，是国民经济和生活中普遍需要的新技术。 1 2 变频器的发展过程 变频器技术的发展，其中主要以电力电子器件发展、变频器控制方式的发展以及微 处理器的发展为基础。 西安科技大学硕士学位论文 1 2 1 电力电子器件的发展 电力电子器件作为现代化交流调速装置的支柱，其发展直接决定和影响交流调速的 发展。 2 0 世纪8 0 年代中期以前，变频装置功率回路主要采用第一代电力电子器件，以晶 闸管元件为主，这种装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置 相比。8 0 年代中期以后采用第二代电力电子器件g t r 、g t o 、v d m o s i g b t 等制造的 变频装置在性能和价格比上可以与直流调速装置相媲美。随着向大电流、高电压、高频 化、集成化、模块化方向继续发展，第三代电力电子器件是2 0 世纪9 0 年代制造变频装 置的主流产品，中小功率的变频调速装置( 1 1 0 0 0 k w ) 主要采用i g b t ，大功率的变 频调速装置( 1 0 0 0 1 0 0 0 0 k w ) 采用g t o 器件。2 0 世纪9 0 年代末至，电力电子器件的 发展进入了第四代，如高压i g b t 、i g c t 、i e g t 、s g - c t 、智能功率模块i p m 掣”。 目前，在交流电机的传动控制中应用最多的功率开关器件是i g b t 和智能功率模块 i p m ，它们集g t r 的低饱和电压特性和m o s f e t 的高频开关特性于一体。i g b t 集电 极发射极电压u 。小于3 v ，开关频率可达到2 0 k h z ，内含的集电极一发射极问超高速二 极管的t f r 可达1 5 0 n s ，1 9 9 2 年前后在变频器中得到应用，并持续向开关损耗更低、开关 速度更快、耐压更高、容量更大的方向发展，目前已达到单只耐压4 k v 、电流1 2 0 0 a 的 水平。第四代i g b t 采用沟道型栅极技术、非穿通技术等方法，大幅度降低了集电极- 发射极间的饱和电压，使变频装置的性能有了很大的提高，具体表现在以下几个方面【2 j ： ( 1 ) 由于i g b t 的发热减少，将曾占主回路发热5 0 - - - 7 0 的器件发热降低了3 0 以上。 ( 2 ) 由于i g b t 开关速度快，可采用高频载波控制，载波频率达到1 0 2 0 k h z ，超 过了人耳的感受范围，即可实现电机的静音化运行，并使输出电流波形有明显改善。 ( 3 ) 由于i g b t 的驱动功率减少，装置体积明显缩小。 智能功率模块( 1 p m ) 内包含了i g b t 芯片及外围的驱动电路和保护电路，有的还 集成了霍尔传感器和光电祸合器。日本三菱电机公司最近开发的专用智能功率模块 ( a s i p m ) 就不需要外接光电耦合器，通过内部自举电路可单电源供电，并采用了低电感 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。日立公司 开发的变频器专用集成功率模块( i s p m ) ，将整流电路、逆变电路、逻辑控制、驱动和 保护、电源回路全部集成在一个模块内，从而使变频器整体的元器件数量比原来减少了 4 0 以上。因此智能功率模块( i p m ) 是一种高度集成型功率开关器件。目前，模块的 最大额定电流可达6 0 0 a ，小型变频装置中基本上采用i p m 作为主电路，采用i p m 后的 变频器综合性能大大提高，其性价比已超过i g b t ，有很好的经济性。除此之外，其优 点有： l 绪论 ( 1 ) 开关速度快，驱动电流小，控制、驱动电路简单。 ( 2 ) 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，能够对功率芯片 予以足够的保护，使故障率大大降低。 ( 3 ) 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、 门极震荡、噪声引起的干扰等问题得到了有效控制，可靠性很高。 目前，智能功率模块( i p m ) 应用非常广泛，除了用于一般的变频器外，经济型的 i p m 开始在一些家用电器，如变频空调、变频冰箱、变频洗衣机等电器中得到广泛应用。 从电力电子器件的发展历程，我们可以看出电力电子器件正在向高耐压、大电流、 小的正向内阻、智能化的电压控制型器件发展。 1 2 2 脉宽调制( p w m ) 技术的发展 脉宽调制技术( p w m ) 是指利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变 成一定形状的电压脉冲序列，实现变压变频控制并消除谐波的技术，是变频器的核心技 术之一，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种p w m 控制方式完成的1 4 j 。 1 9 6 4 年，德国的a s e h o n u n g 等人率先提出了脉宽调制变频的思想，他们把通信系 统中的调制技术推广应用于变频调速中。自2 0 世纪7 0 年代初，对p w m 调速技术的研 究引起了人们的高度重视。到2 0 世纪8 0 年代初，日本学者提出了磁通轨迹控制方法， 该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电动机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹 为目的，一次生成二相调制波形，是w v f 技术成为变频调速技术的核心，此后，人们 着力于p w m 模式的优化问题，并得出诸多的优化模式，进一步活跃了变频调速技术的 发展。4 0 多年来，p w m 控制技术经历了一个不断创新和不断完善的发展过程。 p w m 技术已经广泛应用到变频器中，利用微处理器实现p w m 技术数字化后，p w m 技术不断优化和翻新，从追求电压波形正弦到电流波形正弦，再到磁通波形正弦；从效 率最优，转矩脉动最小，再到消除谐波噪声等。变频器采用p w m 技术不仅能够及时、 准确地实现变压变频控制要求，而且更重要的意义是抑制变频器输出电压或电流中的谐 波分量，从而降低或消除了变频调速时电机的转矩脉动，提高了电机的工作效率，扩大 了调速系统的调速范围。 目前，实际工程中主要采用的p w m 技术是正弦p w m ( s p w m ) ，主要分为电压正 弦p w m 、电流正弦p w m 和磁通正弦p w m 等三种基本类型。电压正弦p w m 着眼于 使变频器输出的电动机定子绕组电流为三相对称正弦电流而得名，它的生成有许多方 法，例如自然采样法、规则采样法、正弦波等面积法等。正弦波等面积法是将一个正弦 波等分为l 个区段，区段数l 一定是6 的整数倍，因为三相正弦波各相相位互差1 2 0 。， 要从一相正弦波方便地得到其他两相，必须把一个周期分成6 的整数倍，并且l 越大， 输出波形越接近于正弦波。 西安科技大学硕士学位论文 自然采样法采用正弦波作为调制波，以等腰三角波作为载波，在载波三角波与调制 正弦波的自然交点控制功率开关器件的通断，从而获得幅值相等、面积按正弦规律变化 的矩形脉冲信号。自然采样法虽能准确反映正弦脉宽调制的原始方法，但其开关时刻求 取困难，不适合微机实时控制。而规则采样法是利用载波三角形的正峰值点、负峰值点 所对应的正弦函数值来代替三角波与正弦波自然交点处正弦函数值这一规则求取脉冲 宽度来生成s p w m 波的方法。规则采样法的效果接近自然采样法，用计算机实现又比 较方便，运算量小，实时性好，是人们常用的一种s p w m 方法。 电流正弦p w m 技术本质上是电流闭环控制，实现的方法很多，主要有p i 控制、滞 环控制及无差拍预测控制等几种，都具有控制简单，动态响应快和电压利用率高的特点。 目i i 实现电流控制的常用方法是a b p l u n k e r 提出的电流滞环s p w m ，即把正弦电流参 考波形和电流的实际波形通过滞环比较器进行比较，其结果决定逆变器桥臂上下开关器 件的导通和关断，这种方法的主要优点是控制简单、响应快、瞬时电流可以被限制，功 率开关器件得到自动保护；缺点是相对的电流谐波较大。 与电压正弦p w m 不同，磁通正弦p w m 技术是从电机的角度出发的，目的在于使 交流电机产生圆形磁场。它是以三相对称正弦波电源供电时交流电机产生的理想磁链圆 为基准，通过选择逆变器的不同开关模式，使电机的实际磁链尽可能逼近理想磁链圆， 从而生产s p w m 波。这种控制方法是将逆变器和交流电机视为一个整体，它的数学模 型是建立在电机统一理论和电机坐标轴系变换理论基础上的，物理意义直观，数学模型 简单，便于微机实时控制，并具有转矩脉动小、噪声低、电压利用率高的优点，因此在 变频器中得到了越来越广泛的应用。 1 2 3 微处理器的发展 早期交流调速控制器完全由模拟电子器件构成，调节器参数调整困难，受外界环境 的影响很大，因而对控制对象的适应能力差，难于适应各种新型控制策略和控制方法。 另外，由于模拟器件的集成度不高，这就使得整个控制系统的硬件结构变得非常复杂， 从而影响控制装置的可靠性。 随着微机控制技术的迅速发展，交流调速控制领域出现了以微处理器为核心的微机 控制系统。开始采用微机控制时，总要选用c p u 、r o m 、r a m 、定时器、i o 、a d 、 d a 等芯片，组成最小微机系统。为了适应这种需求，一些公司开始在一块芯片上直接 集成这些器件，构成单片机。 单片机自问世以来就得到了飞速发展，以i n t e l 公司为例，早期推出的m c s - 4 8 系列 单片机功能简单，寻址范围有限，性能较差，这种单片机很快就被稍后推出的m c s 5 1 系列单片机所取代。m c s 5 1 系列单片机功能较强，寻址范围达到6 4 k ，有多级中断处 理系统，片内带有串行i o 口，1 6 位定时，计数器，这些性能基本能够满足一般控制系 4 1 绪论 统的需要，故这类单片机仍是目前应用最为广泛的一种单片机。虽然m c s - 5 1 单片机目 前应用最为广泛，但在一些比较复杂的控制系统中，由于受计算速度和计算精度的影响， 它不得不让位于1 6 位单片机p j 。 m c s 9 6 系列1 6 位单片机具有丰富的硬件资源和软件资源，其c p u 中不采用常规 的累加器结构，改用寄存器一寄存器结构，c p u 操作直接面向2 5 6 字节寄存器，消除了 在一般c p u 结构中存在的累加器瓶颈效应。这其中特别是8 x c l 9 6 m x 系列微处理器采 用规则采样法产生波形，其载波调制频率由输入到重装寄存器r e l o a d 中的数值决定， 三相脉宽调制由软件编程计算并分别送到内部的三相s p w m 发生器的比较输出寄存器 进行控制。因为8 x c l 9 6 m x 是把c p u 与p w m 波发生器等功能集成在一起，硬件电路 大大简化，进一步提高了系统的抗干扰能力和可靠性。它除具有1 6 位c p u 的通用功能 和s p w m 波形直接输出能力外，芯片内部还有独特的外部传输服务器p t s 、事件处理 阵列e p a 等，这些功能使其容易用编码器、速度传感器等反馈检测元件构成速度环和 纯数字电流环，省去了一些硬件处理电路，提高了响应速度。虽然m c s - 9 6 系列处理器 的性能优越，但如果要处理复杂的控制系统，比如处理实时性高和运算精度高的系统， 还是有些不足之处。 8 0 年代初期出现的d s p 数字信号处理器采取了一系列措施 6 1 ，包括集成了硬件乘 法器，提高了系统频率，支持浮点运算等等，这样就增强了微处理器的数据处理能力， 提高了运算精度；同时还在片内集成了大量的外围接1 2 1 ，因而在调速控制系统中得到广 泛应用。d s p 通常采用哈佛结构，将程序存储空间与数据存储空间分开，并且各自拥有 自己的数据总线和地址总线；采用流水线技术，使得指令处理的平均速度大大提高；内 部增设专门的硬件乘法器，并将硬件乘法器与累加器以流水线方式连接，从而可以高速 连续进行乘法和累加运算。d s p 在提高速度的同时，片内集成了越来越多的外围接口， 从而大大提高了其功能，有些公司还设计专用的d s p 应用于各种不同的控制场合，比 如t i 公司的新成员t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 就是专门用于电机控制的，在与现存的2 4 x d s p 控 制器芯片代码兼容的同时，2 4 0 x 芯片具有处理性能更好、外设集成度更高、程序存储器 更大和a d 转换速度更快等特点，是电机控制的升级产品。本课题即选用t i 公司的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p 芯片作为控制器构成变频器系统的主要控制器件 7 1 。 1 3 课题研究的意义 利用变频器与交流异步电机结合进行交流变频调速具有很大的优越性，如容易实现 对电机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，能够连续高频度地起停运 行等。在早期，由于电力电子器件和控制技术的限制，在经济上是不可行的，无法为人 们广泛接受，特别是在控制精度要求比较高的场合在很长的一段时间内，根本看不到交 流异步电机的踪影。但是随着电力电子技术的发展，各种功率半导体器件的不断出现， 西安科技大学硕士学位论文 简化了变频器系统的电路，特别是近几年来发展的复合功率半导体器件和智能性功率半 导体器件推出，使交流异步电机变频调速系统的结构更加简单，性能更加优良、可靠， 价格逐渐降低，使交流异步电机调速在经济上的障碍已不复存在，大大地推动了交流异 步电机变频调速的发展。目前每一台电机配备一台变频器的看法已逐渐被人们所认同。 同时，随着微电子技术和微控制器的推出，使数字控制技术与功率半导体装置两方面的 先进技术结合起来，不仅提高了变频器的可靠性，也使以前无法实现的多种先进的控制 方法和控制策略得以实现，提高了交流变频调速的控制精度。 利用变频器对异步电机进行变频调速是电力电子技术最大的应用场合之一，过去由 于经济上的原因，人们常常着眼于大的工业用电机的变频调速，但是中小型电机具有着 极大的市场，同时，由于近些年来电力电子技术、微电子技术的发展，价格水平已有了 较大幅度的下降，逐渐推动了中小功率的变频器装置的广泛应用。以中国市场为例，1 9 9 7 年中小功率变频器产品的销售额超过了1 0 亿元人民币，其中日本、西德、台湾等变频 器产品占据了市场的大部分份额。 随着人们生活水平的提高和对能源绿色利用的逐步重视，家用电器、纺织和轻工机 械中应用的电机数量逐渐增大，这一类电动机虽然功率比较小，价格很低，但是数量特 别巨大，据报道我国仅仅空调一项，在2 0 0 0 年已达1 0 0 0 万台。其它如冰箱、吸尘器、 给排风机、水泵、电动工具等，如果每一台中小功率电机均配备上一台变频器，不仅能 够提高产品的性能，降低噪声，同时对于能源节约也是非常可观。但是由前面的所述可 知，国内变频器的市场占有率很低，对国外依赖性比较大，因此自主研制性能可靠、控 制精度高的变频器产品是提高我国生产自动化水平的必要手段之一。 1 4 课题研究的主要内容 ( 1 ) 对交流调速控制专用处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片进行研究并掌握其工作原理， 熟练掌握基于d s p 的空间矢量变频器的设计方法。 ( 2 ) 深入领会电压空间矢量p w m 方法，并将一种新颖的死区补偿方法用于实际变 频器系统中。 ( 3 ) 以二极管构成三相桥式不可控全波整流电路，并以口m 作为功率器件构成逆 变电路，组成交直交电压源型变频系统主电路。 ( 4 ) 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为中央处理器，设计控制电路，它包括主控模块、电流电压 采样模块、显示模块和键盘输入模块：并在c c s 环境下，利用c 语言和汇编语言混合 编写各种程序。 ( 5 ) 研制出一台样机，并对所研制的样机进行试验，从而验证其正确性和实用性。 6 2 变频器的控制原理及策略 2 变频器的控制原理及策略 2 1 变频器装置 变频器装置就是把频率和电压固定的交流电变为频率和电压可调的交流电装置。按 变换频率的方法，变频器可分为交交变频器和交直交变频器。 2 1 1 交交变频装置 交交变频装置输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆电路，如 图2 1 所示，让两组变流电路按一定频率交替工作，从而可以给负载输出该频率的交流 电。当正组p 工作在整流状态、反组n 工作在逆变状态时，异步定子绕组得到的是正电 压；当反组n 工作在整流状态，正组p 工作在逆变状态时，定子绕组上得到的是负电压。 改变两组变频电路的切换频率，就可以改变输出频率；改变变流电路工作时的控制角n ， 就可以改变交流输出电压的幅值 4 1 。 图2 1 单相交交变频电路原理图 如果一个周期内控制角a 是固定不变的，则输出电压波形为矩形波，矩形波有大量 谐波的分量。如果在半个周期内让正组变流电路p 的控制角q 按正弦规律从9 0 。逐渐 减少到0 。，然后再逐渐增大到9 0 。，那么正组整流电路在每个控制间隔内的平均输出 电压就按正弦规律从零逐渐增至最大，再逐渐减少到零；在另外半个周期内，对负组变 流器n 进行同样的控制，就可以得到接近正弦波的输出电压。 交交变频装置由于采用相控方式，功率因数较低，而且受到电网频率和变流电路 脉波数的限制，输出频率较低。因此交交变频器主要用于5 0 0 k w 或1 0 0 0 k w 以上，转 速在6 0 0 r r a i n 以下的大功率、低转速的交流调速装置中。 2 1 2 交直交变频装置 交- 直交变频装置是先将工频交流电通过整流器变为直流电，并进行滤波后，再通 过逆变器将直流电变换成频率和电压可控的交流电。图2 2 绘制了其主要构成环节。 7 西安科技大学硕士学位论文 恒压恒频 a c 变压变频 a c 图2 2 交直一交变频装置 按照不同的控制方式，又可分为三种类型： ( 1 ) 可控整流器调压、用逆变器调频的交直交变频装置，如图2 3 所示。在这种 装置中，调压和调频在两个环节上分别进行，两者要在控制电路上协调配合，其结构简 单，控制方便。早期的变频器均采用这种结构，由于输入环节采用晶闸管可控整流器， 当电压调得较低时，电网侧功率因数较低。而输出环节多用由晶闸管组成的三相六拍逆 变器，每周换相六次，输出的谐波较大【3 l 。 调压调频 图2 3 可控整流器调压、六拍逆变器调频 ( 2 ) 不可控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频的交直交变频装置，如图 2 4 所示。这类装置中的整流环节采用二极管不可控整流器，只整流不调压，再单独设 置斩波器，用脉宽调压。这样虽然多了一个环节，但调压时输入功率因数基本不变，克 服了上述( 1 ) 中所述的降低电网侧功率因数的这一缺点。输出逆变环节未变，输出谐 波仍较大。 调压 调频 图2 4 不可控整流、斩波器调压、六拍逆变器调频 ( 3 ) 不可控整流器整流、脉宽调带i j ( p w m ) 逆变器同时调压调频的交直交变频装置， 如图2 5 所示。在这类装置中采用不可控整流，则输入功率因数不变；用p w m 逆变器， 则输出电流的谐波较小。p w m 逆变器一般采用全控型器件，逆变器输出谐波减少的程 度取决于功率器件的开关频率，目前通常采用的功率器件是i g b t ，它的开关频率均可 2 变频器的控制原理及策略 达1 0 k h z 以上，输出电流谐波小。现在的智能功率模块i p m 开关频率可达到2 0 k 甚至 更高，大大的提高了系统的性能。本课题设计的变频器系统就采用i p m 作为逆变器。 不可控整流 调压调频 图2 5 不控整流、p w m 逆变器调压调频 2 2 变频器控制原理 众所周知，异步电机定子磁场的旋转速度被称为异步电机的同步转速，而当转予的 转速达到异步电机的同步转速时其转子绕组将不再切割定子旋转磁场，那么转子绕组中 将不再产生感应电流，因此异步电机的转速总是小于其同步转速【1 1 】。 由电机学可知： 拧：6 0 f( 2 1 ) 雄= lj 式q b f 为电机定子供电频率，p 为电机极对数，? s 表示异步电机的同步转速。 s ：竺型 ( 2 2 ) 怫 式中疗表示异步电机的轴转速，s 是转差率。 聆；6 0 f ( 1 - s ) ( 2 3 ) 疗= 一 l z j ， z = s f ( 2 4 ) 式中工为转差频率。 z = + z ( 2 5 ) 式( 2 1 ) ( 2 5 ) 是异步电机的转速和频率的基本关系式，当异步电机空载、不产生 转矩时，可认为转差率j 基本为零；而当异步电机满负载、产生额定转矩时，转差率s 一般在l 1 0 的范围内。从式( 2 3 ) 可知，调节参数工s 和p 中的任意一个，都 可以改变异步电机转速以达到对其调速控制的目的。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 2 1 基频以下恒压频比控制方式 由电机学可知【1 1 】，气隙磁通在定子绕组中感应电动势有效值为 e = 4 4 4 f n k 谚, 写成= c 丸 ( 2 6 ) ，j 式中，为定子每相绕组串联匝数，k 为基波绕组系数，庐。为电机气隙中每极合 成磁通，c = 4 4 4 n k 。 为了保证毋。为一常数( 毋沪妒埘) ，当频率厂从额定值( 基频) 向下调节时，必须 同时降低e ，即使 钐= c ( 2 7 ) ，j 式( 2 7 ) 表示了感应电动势有效值e 与厂之比为常数的控制方式。如果采用这种控 制方式，则，由基频降至低频的变速过程中都能保持矿。为常数，可以获得恒转矩的控 制效果，这是一种较为理想的控制方式。然而由于感应电动势e 难以检测和控制，实际 可以检测和控制的是定子电压，因此，基频以下调速都采用变压变频控制方式。 稳态情况下异步电机定子相电压与相感应电动势的关系为 u = e + i z = _ ，2 万儿。i m + ( r i + j 2 ，r 厄，) ( 2 8 ) 式中，为定子相电流，i 。为励磁电流，k 为定子绕组每相漏感，厶为定、转子 日j 的互感，r 为定子每相绕组电阻。 当定子频率厂较高时，感应电动势的有效值e 也较大，这时可以忽略定子绕组的阻 抗压降，为此实际应用中可以用【，代替e 即有 彩2 = c q 9 其中控制特性如图2 6 ( a ) 所示。 由于恒压频比控制方式成立的条件是忽略了定子阻抗的压降。但是在，较低时，由 式( 2 8 ) 可知，此时定子阻抗压降不能忽略，应根据负载电流大小把定子相电压有效值 【，适当地抬高，以补偿定子阻抗压降的影响。补偿后的u 厂= c 的控制特性如图2 6 ( b ) 所示。 2 2 2 基频以上恒功率控制方式 基频以上调速时，即当电机的转速超过额定转速时，定子供电频率大于基频，如 果仍维持u f = c 是不允许的，因为异步电机不允许过压，但允许一定的超速，此种情 1 0 2 变频器的控制原理及策略 况下，应保持电压为额定电压，由式( 2 9 ) 可知，这将迫使磁通毋。与频率厂成反比 降低，相当于直流电机的弱磁升速。 把基频以上和基频以上结合起来如图2 6 所示。 2 3 变频器控制策略 【，矿。 巩 图2 6 异步电机调速时的控制特性 区 1 9 6 4 年，德国的a s c h o n u n g 等人率先提出了脉宽调制变频的思想，他们把通信系 统中的调制技术推广应用于变频调速中，为现代交流调速技术的发展和实用化开辟了新 的道路。4 0 多年来，p w m 控制技术作为变频技术的核心技术之一，经历了一个不断创 新和完善的发展过程。从最初采用模拟电路完成三角载波和参考正弦波比较，产生正弦 脉宽调制s p w m 信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优 化的实时在线的p w m 信号输出，p w m 在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们 研究的热点。 p w m 控制技术大致可以分为三类川，正弦p w m ( 包括电压、电流或磁通正弦 s v p w m 为目标的各种p w m 方案) 、优化p w m 以及随机p w m 。正弦p w m 已为人们 所熟知，其旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重p w m 技术，在大 功率变频器中有其独特的优势。而优化p w m 所追求的则是实现电流谐波畸变率( t h d ) 最小、电压利用率最高、效率最优及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。随机p w m 方法的原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声( 在线性频率坐标系 中，各频率能量分布是均匀的) ，尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征 的有色噪音强度大大削弱。下面对比较常用的s p w m 和s v p w m 进行介绍。 2 3 1 电压正弦脉宽调制( s p w m ) s p w m 法是从电源的角度出发，着眼于如何生成一个可以调压调频的三相正弦波电 源。s p w m 波形的生成有许多方法，例如等效面积法、自然采样法、规则采样法等。自 然采样s p w m 法采用正弦波作为调制波，以等腰三角波作为载波，利用比较法以正弦 西安科技大学硕士学位论文 波和三角波瞬时值相等的时刻即两个波形交点作为跳变时刻，获得经调制的幅值相等、 面积按正弦规律变化的矩形脉冲信号。规则采样法的基本思想是，将三角载波周期的中 点( 三角波的负峰值或正峰值) 时刻对正弦波采样形成阶梯波来代替正弦波【3 】。 ( 1 ) 自然采样法 由s p w m 的工作原理可知，三角载波在一个周期内与正弦波相交两次，相应的逆 变器开关导通与关断各一次1 1o j 。要准确地生成这样的s p w i v l 波形，就应尽量地计算出 功率器件导通和关断时刻。功率器件导通的区问就是脉冲宽度，其关断区间就是脉冲的 间隙时间，这些区间的大小在不同的正弦波频率下是不一样的，并随调制度而异。但对 于微型计算机来说，时间可以由软件实现。自然采样法如图2 7 所示。 聊n t k mv 、 7 ! x i 上x 2 ： t lt t ，：i t 1 + a l - - - t 1 1 7 ： t c 图2 7 s p w m 自然生成法 图中显示了任意一段正弦调制波和三角载波的几个周期的相交情况；其中t c 为三 角载波周期，正弦波函数表达式为m s i n m t ，交点a 是器件开通的时刻，交点b 是器件 关断的时刻，在三角载波的一个周期t c 内，a 和b 之间的时间t l 是逆变器功率开关器件 导通工作的区间，称为脉冲时间，而其余的时间均为器件的关断工作区间，称为间隙时 间，它在脉冲前后各有一段，分别用t 2 和t 3 来表示。由于a ，b 两点对三角载波中心线 的不对称性，可以把脉冲时间t 1 分成x l ，x 2 两部分分别进