（测试计量技术及仪器专业论文）基于dsp的交流变频调速系统的研究.pdf

查塞至垫兰璧堡圭至窒兰兰堡篁苎 基于d s p 的交流变频调速系统的研究 摘要 随着半导体业的快速发展，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 交流变频调速技术取得了巨大的技术进步。本文介绍了基于d s p 的异步电机交流变频调速系统的研 究和实现。 本课题以t i 公司最新推出的电机控制专用微处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型数字信号处理器( d s p ) 为系统的控制核心。以p m 2 5 r s b l 2 0 型智能功率模块( i p m ) 为逆变器开关器件。运用正弦脉宽调 制( s p w m ) 和空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术，进行数字化脉宽调制( p w m ) 变频调速 系统的研究。 本文介绍了交流变频调速的发展概况，分析了其基本原理，阐述了正弦脉宽调制( s p w m ) 和 空间电压矢量( s v p w m ) 的基本原理，给出了d s p 实现s p w m 和s v p w m 的方法。本文给出了变 频调速系统的控制方案，并建立其数学模型，在m a t l a b s i m u l l n k 软件平台上，用其模块痒来 构建异步电机、s p w m 和s v i w m 变频调逮系统的仿真模型，利用脉宽调制的算法和试验参数进行 仿真试验，根据试验结果优化参数及模型。 该变频调速系统的硬件电路包括主电路和功率电路等。控制系统的软件部分给出了基于 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的s p w m 和s v p w m 控制系统软件流程，用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 汇编语言编制程序 实现正弦脉宽调制、电压空问矢量脉宽调制从而达到对异步电机变频调速的目的。 关键词：变频调速；数字信号处理器；正弦脉宽调制：空问电压矢量脉宽调制：建模仿真 r e s e a r c ho n a cv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i n gs y s t e mb a s e do nd s p a l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n t o fs e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y , w i t ht h ea p p e a r a n c eo ft h en f wp o w e r c l e f o na p p a r a t u sa n dm i c r o p r o c u s s o ra n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o lt h e o r yo nt h ea l t e r n a t i n g c u r r e n t ( a c ) m o t o r , t h e t e c h n o l o g y o f v a r i a b l e - f r e q u a n c ys p e e dr e g u l a t i n gs y s t e m b a s e d o n d s e t h er e s e a r c ho nt h ed i g i t a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) m o t o rs p e e dv a r i a t i o ns y s t e mi sp r o p o s e d i nt h i sp a p e r , w h i c hu s e sd i g i t a ls i g n a lp t o c c s s o r ( d s p 、t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a s p e c i a lf o rd i g i t a lm o t o rc o n t r o l o ft ic o r p o r a t i o na st h ec o n t r o lc e n t a ra n du 5 e si n t e h i g e n tp o w e rm o d u l e ( 1 p m ) p m 2 5 r s b l 2 0a s a p p a r a t u so ft h ei n v e r t e r w e l la st h es i n ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s p w m ) a n dt h es p a c ev e c t o rp u b c w i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) t h ec o n t r o la l g o r i t h m t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a s et h e o r ya n dc o r r e l a t i v ei n f o r m a t i o no fa cv a r i a b l ef r e q u e n c y s p e e d - a d j u s t i n g , t h eb a s i ct h e o r yo fs i n ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s p w m ) a n ds p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u i n t i o n ( s v p w m ) i se x p a t i a t e da n da c h i e v i n gm e a n so ft h es p w m a n dt h es v p w m u s i n gd s pi s g i v e n i tp r e s e n t sc o n t r o ls t r a t e g i e so fv fs p e e d - a d j u s t i n gs y s t e ma n db u i l d sm a t h e m a t i c sm o d e l so fa l l c o n t r o lm o d u l e s 瑚磕t h em a t l a b s i m u l i n ks i n m l a t o nm o d e l so f u s y a c h - o n o a sm o t o r , s p w m 矗n d s v p w mv fs y s t e me t c , w i t hi t sm o d u l el i b r a r ya 口e s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ep w mc o n t r o la l g o r i t h m a n de x p e r i m e n tp a r a m e t e r s t h es i m u l a t i o nm o d e l sa l et e s t e da n dc o r r e c t e di nt i m eu n t i lt h em o d e l sa i t o p t i m i z e d t h eh a r d w a r ec i r c u i t 碰t h e 搿c o n t r o l l i n gs y s t e mi sd e s i g n e di n c l u d i n gt h em a i nc i r c u i ta n dt h e p o w e rc i r c u i t ，e r e t h e s o f t w a r ef l o wo ft h es p w ma n dt h es v p w m c o n t r o l l i n gs y s t e mb a s e do i l t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pa ma l s op r e s e n t e d ，t h es o f t w a r ei m p l e m e n t ss i n ep l l kv v i d t hm o d u l a t i o n 。s p a c e v e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o nu s i n ga s s e m b l yl a n g u a g eo f t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa n da c h i e v e st h ep u r p o s eo f v a r i a b l e - f r e q u e n c ya d j u s f i n g - s p e e d f o ra s y n c h r o n o u sm o t o r k e y w o r d s ：v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dv a r i a t i o n ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ：s i n ep u l w i d t hm o d u l a t i o n ： s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ；m o d e l i n ga n d s i m u l a t i o n i 】 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰 写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 明并表示谢意 作者签名 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位 论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用 于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容 编入有关数据库递行检索有权蒋学位论文的标题和摘要j 【编出版保密的学位论文 在解密后适用本规定 学位论文作者签名： 日期 。唧3 i 言薯签名：菇狗瓠0 嗍：了带j 矿 奎窒互垫兰些堡至圣尘兰堡丝兰 创新点摘要 1 本课题将专用于电机数字化控制的微处理器t m s 3 2 0 蝴a 型d s p 与内部具有过流、过热， 欠压、短路等保护功能的智能功率模块( i p m ) 相结合，对异步电机变频调速控制系统进行设计与 开发。 2 采用不对称规则采样法生i 燕三楣s p w m 波。其开环调速d s p 控制翟序采用异步控制方式， 可实现变频功能、死区功能、窄脉冲删除功能，计算中的余弦值采用倒查正弦表方法，减少数据所 占存储器空间。程序中全部计算采用定点计算，以提高计算速度。 1 i i 大庆石油学院预十研究生学伊论文 引言 随着世界经济的不断发展，科学技术的不断提高，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，为了寻求商效可用的能源，各个国 家都投入了大量人力财力，进行不懈的努力。就目前呵言，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i i q 。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9 0 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6 0 0 0 亿千瓦时，约占工业耗电量的8 0 ， 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。在高速增长的经济环境下，我国能源工业面 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。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。 目前，国外对变频调速的研究主要集中在日本、欧洲以及美国，其中中、小容量以 日本富士、三垦产品为主；大容量变频器则以德国s i e m e n s 、法国c e g e l e c 公司产 品为主。在器件的选择上，大容量仍以可关断晶体管( g t o ) ，电流控制的大功率晶体 管( g t r ) 为主；中、小容量以电压控制的绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 为主；为追 求高可靠性、缩短研制周期，数字信号处理器( d s p ) 和智能功率模块( i p m ) 的应用 将更为普及。研究最多的仍是按磁场定向的矢量控制，技术上已经很成熟，且己经产品 化，无速度传感器的矢量控制，在运行过程中能够进行参数自检测的通用变频器也有产 品出现。而一些新的理论算法( 如直接转矩控制d 1 r c ) 多处于理论研究阶段，产品并不 多见。 国内与国外相比，则有相当大的差距。在大功率交一交，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。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组启动及运行，大容量风机、压缩机和轧 机转动等方面有很大需求。在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的 恒压频比( v f ) 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。目前国内变频器市场的绝大部分为国外产品占领，国内生产中、大 容量的仍停留在g t r 技术上，小容量的仅有少部分i g b t 产品，质量上也不十分令人 满意。且已实现的矢量控制方式，仍多以8 0 3 1 或8 0 9 8 为处理器，以数字化键盘操作的 产品也不多见，方式较传统、性能较差。对国外已经成熟的矢量控制技术，在国内仍处 于理论消化阶段，真j f 产品化的并不多见。 在石油行业，电费支出占石油丌采成本的3 0 还要多，这使我国石油部门从2 0 世 纪8 0 年代就开始在原油开采，集输、供暖等方面进行变频改造，目前已作为成熟技术 推广应用。实践证明，在油田设备上应用变频调速技术不仅节能效果明显，而且降低了 工人的劳动强度，减少了工作量，综合效盏显著。 我国的油田不像中东的油田那样有很强的自喷能力，多为低渗透的低能、低产油用， 大部分油田要靠注水压油入井，再用抽油机把油从地层中提升上来，以水换油或者以电 换油是我国油田的现状。因而，电费在我国的石油开采成本中占了相当大的比例，所以， 石油行业十分重视节约电能【s , 6 1 。目前，我国抽油机的保有量在2 0 万台以上，电动机装 机总容量在3 5 0 0 m w ，每年耗电量逾百亿千瓦时。抽油机的运行效率特别低，在我国平 均效率为2 5 9 6 ，而国外平均水平为3 0 0 5 ，年节能潜力可达几十亿千瓦时。可见， 石油行业也是推广“电机系统节能”的重点行业。 目前抽油机使用的基本是通用变频器，是在对抽油机技术特点和开采工艺不很了解 的前提下设计的变频器。不适应抽油机的负载特性，故障率高，成套系统差，可靠性差， 影响了变频调速技术在油田的推广。所以应针列抽油机载荷的特殊性和野外工作特点加 大研发力度，按照严格的工业标准设计、制造抽油机专用变频器，把制动电路或者回馈 电路集成到专用变频器中，增强整机的可靠性。英国的l n v e r t e k 变频器内含制动单元、 无线滤波器、线路电抗器和防雷击装置，是专门为抽油机等室外二r = 作设备设计的变频器， 这样就避免了变频器和制动单元分离设计产生的匹配性问题，提高了整机的可靠性：宙 于价格昂贵，并没有被大多数油田所采用。 随着半导体业的快速发展，特别是数字信号处理器的出现，以及精确的异步电机模 型和各种先进的控制策略的提出，交流变频调速技术取得了巨大的技术进步。从经济因 素考虑，本课题所设计的变频调速系统以t i 公司推出的电机专用处理器 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 为控制核心，其内部集成的电机控制的功能模块使得外围电路的 设计大大减少；以智能功率模块( i p m ) 为主功率器件，其内置的各种保护电路提高了 系统的可靠性；采用正弦脉宽调制( s p w m ) 电压空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术 实现对异步电机的控制，提高了能量的利用效率。 大庆石油学院硕七研究生学位论文 第1 章概述 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，电气传动技术芷 面临着一场历史性的革命。经过了二十多年的发展，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i i i v c n c r 慨h 】1 0 l o g y 产业。正如r r 产业不仅限于p c 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 1 交流变频调速相关技术发展概况 经过数十年的发展，目前交流调速电气传动已经成为电气调速传动的主流。交流电 机与直流电机相比，特别是鼠笼式异步电动机具有结构简单、坚固耐用、容易维修、转 动惯量小、制造成本低、适用于恶劣工作环境、易于向高电压、高速大容量发展等一系 列优点【7 用。但是交流电机本身是一个非线性、强耦合的多变量系统，电磁转矩很难直 接通过外加信号来准确控制。而随着电力电子技术的不断出新、现代交流电机控制策略 和电机控制理论的不断完善，特别是全数字化、高性能，高速度的微处理器及大规模集 成电路的不断发展，交流电机调速取得了突破性的进展，电气传动交流化的时代随之到 来。 。 1 1 1 电力电子技术的发展 电力电子器件是现代交流调速装置的基础，其发展直接影响着交流调速的发展p j 。 2 0 世纪5 0 年代出现半控型器件硅晶闸管s c r ，6 0 年代出现全控型器件门级可关断晶 闸管g t o ，7 0 年代出现巨型晶体管g t r ( 也称b j t ) 和功率场效应晶体管m o s f e t ， 8 0 年代相继出现绝缘栅双极型晶体管i g b t 和绝缘栅双极型门控晶闸管i g c t ，9 0 年代 出现智能功率模块1 p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) i l o l 。 g t o 是高电压大电流全控型功率器件，容量大，但关断能耗大；g t r 是电流驱动 器件，通态压降低，容量没有g t o 大，但功耗大，调制频率不高，噪声大，现趋于淘 汰中；m o s f e t 是电压型驱动器件，开关频率高，驱动功率小，安全工作区广，但耐 压不高；而i g b t 集g t r 和m o s f e t 的优点于一体，是目前变频调速系统和通用变频 器中使用最广泛的主流功率器件之一。 i p m 是微电子技术和电力电子技术相结合的产物。由高速低耗的i g b t 和优化的门 极驱动及保护电路构成，是一种更为经济实用的集成型功率器件。i p m 采用i g b t 作为 功率开关，含有电流传感器、驱动电路、过载、短路、欠电压等保护电路，实现了信号 处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能。目前，在模块额定电流1 0 6 0 0 a 范围内， 3 第1 章 匿述 使用i p m 具有以下优点：开关速度快、驱动电流小、功耗低、抗干扰能力强，控制驱 动简单；内含电流传感器，可以高效迅速的检测出过电流和短路电流，当发生严重过载 或直接短路时，i g b t 将被软关断，同时送出一个故障信号，从而对功率器件给予足够 的保护，大大降低故障率；由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线上的优化设计， 所以浪涌电压、门极振荡、噪声引起的于扰等问题能得到有效控制：保护功能较为丰富， 如电流保护、电压保护、温度保护等一一应俱全；由于集成度的提高使变频器的体积有条 件向小型化发展；简易化的功率驱动电路使得设计者们可以有更多的时间专注于控制算 法研究。利用i p m 的控制功能与微处理器相结合，可方便地构成智能功率控制系统。 由于采j j | l 了隔离技术，使得器件散热均匀、体积紧凑，不但提高了可靠性，而且使系统 的开发时间、开发费用都大大减少。i p m 以其可靠性高，用户使用方便等优点赢得越来 越大的市场，尤其适合卷4 作驱动电机的变频器，是一神较为理想的电力电子器件。本文 的设计中选用智能功率模块i p m 作为功率开关器件，简化了控制f 赵路，提高了控制系 统的可靠性。 1 1 2p w m 技术及其发展 交流电机调速性能的不断提高在很大程度上是由于p w m 技术的不断进步。随着电 压型逆变器在高性能电力电子装置( 如交流传动、不问断电源和有源滤波器) 中的应用 越来越广泛，p w m 控制技术作为这些系统的核心技术，引起了人们的高度重视，并得 到深入的研究。所谓p w m 技术就是利用半导体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，以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波的门技术。目前已 成为逆变的最主要控靠4 方式，直是变频技术的核心技术之一。p w m 技术用于变频器 的控制可以明显改善变频器的输出波形，降低电机的谐波损耗，并减小转矩脉动，同时 还简化了逆变器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应性能。 目前工程上，采用高速功率器件的电压型p w m 变频器的主导控制技术有1 1 1 】：基于 正弦波对三角波脉宽凋制的s p w m 控制、基于消除指定次数谐波的h e p w m 控制、基 于电流滞环跟踪的c h p w m 控制和电压空问矢量s v p w m 控制。这四种p w m 技术中， 前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标，第三种是以输出电流接近正弦波为控制目 标，第四种是以被控电机的旋转磁场接近倒形为控制目标1 1 “。 ( 1 ) s p w m 技术 s p w m 法是从电源的角度出发，着眼于如何牛成一个可以调瓜调频的三相诈弦波 电源。s p w m 波形的，卜成有许多方法，例如等效面积法、自然采样法，规则采样法等 等。三相s p w m 控制方案由于其原理简单，通用性强，拧制和调节性能好。是日的国 内外的电机控制中应用培广的一种，该方法使得流入电动机的电流谐波较少，电机振动 小，其控制变频脏缩机的效粜较好，相应的硬件和软件技术比较成熟似它仍然仔符： 直流电压利用率低，许被青鞋大、转鲁 t 脉动较大等缺点。 ( 2 ) h e p w m 技术 4 大庆石油学院顶十研究生学位论文 消除指定次数谐波的h e f w m 控制是通过脉冲平均法把逆变器输出的方波电压转 换成等效的正弦波以消除某些特定谐波，这样就可以实现某些特定的优化目标，如谐波 最小，效率最优等；但是其中求解最优开关角的方程为非线性的，且为超越函数，因此 必须采用计算机编写最优的搜索程序，另外，要提高直流电压的利用率，还必须采取相 应的优化措施，这又增加了系统的开发复杂度。 ( 3 ) c h p w m 技术 电流滞环跟踪的c h p w m 技术的基本思想是将一个正弦波定子电流给定信号和定 子电流实测信号相比较，若实际电流大于给定值，则通过逆变器丌关器件的动作使之减 少；反之，则使之增加。电流轨迹追踪p w m 变频器由通常的p w m 电压源型变频器和 电流控制环组成。c h p w m 控制方法的优点是控制简单、电流响应快、鲁棒性强；而其 缺点是开关频率不固定，电流纹波大，低调制比时造成开关频率高，对功率器件不利， 而且三相滞环需要相互独立控制，这在三相交流电机控制中显然增加了控制复杂度。此 外，在直流电压不够高、反电动势太大( 高速调速中) 或电流太小时，电流控制效果不 理想。 ( 4 ) s v p w m 技术 电压空间矢量s v p w m 控制从电动机角度出发，以三相对称正弦波电压供电时交 流电动机的理想磁链圆为基准，用逆变器不同的工作模式所产生的实际磁链矢量来追踪 基准磁链圆，由追踪的结果决定变频器的开关模式形成p w m 波，这种方法就叫做“磁 链轨逊跟踪控制”。由于磁链的轨迹是靠电压空问矢量相加得到的，因此又叫做“电压 空间矢量控制”1 1 4 - s 。空间矢量法是目前国际上比较先进的变频工作模式，由于其供给 电动机的是理想磁链圆，因此电动机工作更平稳，噪音更低，同时也提高了电动机的工 作效率，提高了电源电压的利用效率。 1 1 3 微处理器与数字控制技术 随着计算机技术和电力电子器件制造技术的发展以及颏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。 随着各类高性能的微处理器和微控制器的出现，数字控制技术代替传统的模拟控制 已经成为必然的发展趋势【1 9 1 。目前，电气传动控制中常用的微处理器有：单片机( m c u ) 、 数字信号处理器( d s p ) 、精简指令集计算机( r i s c ) 和包含微处理器的高级专用集成 电路( a s i c ) 等，其中又以电机控制专用型d s p 最受交流调速学术界和工程界的喜爱。 数字控制具有如下特点： ( 1 ) 精度高 在数字控制系统中，以微处理器作为整个系统的控制核心，将复杂的控制电路用软 5 第1 帚概述 件实现。 ( 2 ) 稳定性好 由于控制信号为数字量，不会随时问发生漂移，也很少受温度和环境的条件而发生 变化。 ( 3 ) 可靠性高 数字控制采用大规模集成电路，系统中所用的元件大大减少，相应的故障率大大降 低。 ( 4 ) 灵活性好 系统中硬件向集成化、标准化方向发展，可以在尽可能少的硬件支持下，由软件去 完成复杂的控制功能。适当的修改软件即可改变系统功能或提高其性能。 ( 5 ) 存储能力强 数字系统存储容量大，可以在存储器中存放大量的数据或表格，利用查表法简化计 算，提高运算速度。 ( 6 ) 逻辑运算能力强 容易实现自诊断、故障记录等功能，使变频装置可靠性、实用性大大提高。 d s p 是种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速 地实现各种数字信号处理算法。与一般的r i s c 微处理器相比，d s p 器件具有较高的集 成度，专用的d s p 具有更快的c p u ，更大容量的存储器，内置波特率发生器和f i f o 缓冲器，提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了a d 和采样，保持电路， 可提供p w m 输出。d s p 器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许 同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使d s p 器件具有 高速的数据运算能力。一般情况下，d s p 器件比1 6 位单片机单指令执行时问要快8 1 0 倍，完成一次乘法运算快1 6 3 0 倍。d s p 器件还提供了高度专业化的指令集，提高了 开可快速傅立时变换和滤波器的运算速度。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 系列的d s p 芯片是1 1 公司推出的c 2 0 0 0 系列d s p 中的一个子系 列，是t i 公司针对数字电机控制而设计的。它将赢性能的d s p 内核和丰富的微控制器 外设功能集于单片i c 中。从而成为传统的多微处理器单元( m c u ) 和昂贵的多片设计 的理想替代产品。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 执行速度可达4 0 m i p s ，几乎所有的指令都可在2 5 n s 的单周期内完成，这使得t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 可实现更强大的控制功能，本系统采用 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为控制系统的核心处理芯片。 1 1 4 异步电机控制方式 在各种类犁的异步电机交流调速系统中，变频凋速的性能最好，阋速范围大，静态 稳定性好，运 r 效率高。目酊典型的变频调速控制类掣主要有p u 种：恒胍频比( v f ) 拧； ；_ j ，转蓐钢率控制，矢量控制( f o c ) ，商接转姐控制( d t c ) 。 ( 1 ) v f 外环控制 大庆石油学院硕十研究生学忙论文 早期的变频系统都是采用开环恒压比( u ，f 常数) 的控制方式，v ，f 控制是转速开 环控制，该控制方案结构简单，通过调节逆变输出电压实现电机速度调节，根据电机参 数，设定u f 曲线；负载可以是通用标准异步电机，所以通用性强，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，普遍应用在风机、泵类的调速系统中。但 是由于这种控制方法是开环控制，调速精度和动态响应特性不理想，低速时因定子电阻 和逆变器死区效应的存在而性能下降、稳定性变差。 ( 2 ) 转差频率控制 异步电动机转差频率控制是一种转速闭环控制例。利用异步电动机的转矩与转差频 率成正比的关系来控制电机的转矩，就可以达到与直流恒磁通调速系统相似的性能。它 的优点在于频率控制环节的输入频率信号是由转差信号和实测转速信号相加后得到的， 在转速变化过程中，实际频率随着实际转速同步上升或下降，因此加、减速更平滑，容 易稳定。其缺点是由于转差频率控制规律是从异步电动机稳态等效电路和稳态转矩公式 推得的，所以存在动态时磁通的变化不能得到控制、电流相位没有得至控制等差距，使 其不能达到与直流恒磁通调速系统同样的性能1 2 l 2 2 1 。 ( 3 ) 矢量控制( f o c ) 本世纪7 0 年代西德fb l a s c h k c 等人首先提出矢量控制理论，由此开创了交流电动 机等效直流电动机控制的先河p i 。矢量控制理论的主要思想是将异步电动机模拟成直流 电动机，通过坐标变换的方法分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，实现正交 或解耦控制，从而获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。因为这种方法采用了坐 标变换，所以对控制器的运算速度、处理能力等性能要求较高。近年来，围绕着矢量变 换控制的缺陷，如系统结构复杂、非线性和电机参数变化影响系统性能等等问题，国内、 外学者进行了大量的研究。 ( 4 ) 直接转矩控制( d t c ) 1 9 8 5 年德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授首先提出直接转矩控制理论( d t c ) 。直接 转矩控制和矢量控制不同，d t c 摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单的通 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，并根据与 给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。这种方法的优点在于：直接在定子 坐标系上分析交流电动机的数学模型、控制电动机的转矩和磁链，省掉了矢量旋转变换 等复杂的变换和计算，很大程度上减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的 问题i 。但是由于直接转矩控制系统是直接进行转矩的砰砰控制，避开了旋转坐标变 换，控制定子磁链而不是转子磁链，不可避免地产生转矩脉动，降低调速性能，因此只 能用在对调速要求不商的场合。同时，直接转矩系统的控制也较复杂，造价较高。 1 1 5 计算机仿真技术 计算机仿真技术作为研究交流调速系统的辅助开发工具，随着交流调速系统结构的 复杂程度的不断增加。越来越多的显示出了它的重要性和优越性。仿真既可以对已有交 7 第l 帚溉建 流调速系统的运行特性进行分析，又可以研究新型调速方案的町行性，探讨结构的合理 性和参数对系统动、静态特性的影响，从而实现优化设汁，缩短了开发周期，减少了开 发费用1 2 ”。本课题利用m a t h w o r k s 公司的m a t l a b 7 0 s i m u l i n k 仿真软件，建立了 s p w m 和s v p w m 变频调速系统的仿真模型，仿真实验表明，电压空问矢量控制异步 电动机具有良好的起动、稳态和动态抗干扰性能。 综上所述，变频调速系统的研究与许多技术的发展密切相关，涉及到电机理论、电 力电子技术、数字信号处理技术、控制理论、计算机仿真技术、印刷板殴计与制作技术 和通信网络技术等众多学科领域。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 变频调速技术的不断进步为各种实用型、高性能的变频器蓬勃发展奠定了基础。随 着工业生产自动化程度的不断提高，交频调速装置的需求越来越大。目前国内外著名的 变频器品牌有德国的西门子，日本的富士、三菱，国内安圣电气新近推出的t d 3 0 0 0 系 列。在目前变频器的市场占有率上，通用型v 、f 交流调速装置仍占居主导地位。随 着应用领域的不断扩大，对其性能和功能都提出了更高的要求。现在通用型交流调速装 置的大部分产品的丌关频率都在l o k h z 左右或更高，并且都对死区进行了补偿。 在大功率交一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k w 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 a b b 公司提供了单机容量6 万k w 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s i m o v e r t a 电流型晶闸管变频调速设备单机容量为l o - 2 6 0 0 k v a 和 s i m o v e r tpg t o p w m 变频调速设备单机容量为1 0 0 9 0 0 k v a ，其控制系统己实现全数字 化，用于电力机车、风机、水泵传动。在小功率交流调速技术方面，日本富士b j t 变频 器最大单机容量可达7 0 0 k v a ”i 。i g b t 变频器己形成系列产品，其控制系统也已实现 全数字化。 总体看来，我国电气传动技术水平较国际先进水平还有一定的距离。在大功率交一 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。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组启动及运 行、大容量风机、压缩机、和轧机转动等方面有很大需求。在中小功率变频技术方面， 国内几乎所有的产品都是普通的恒压频比( v f ) 控制，控制芯片采用的大都是单片机， 难以实现先进的算法，只有小部分的产品采用数字信号处理器( d s p ) 来控制。 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i ”i 、滑模控制1 2 8 i 和人工神经网络1 ”以及智能拄制( 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猫、鲁棒观察器等) 和尢速度传感器等高动态性 能拄制部是研究的热点，这些研究必将把交流调速技术发展到。个新的水平。交流变频 渊述挖制系统广泛应用于机械、冶金、f i re h 、化j ：、fj 油、纺纵、造纸、印染、水泥、 太庆石油学院硕十研究十学位论文 船舶、铁路等行业，是最有发展前途的一种调速控制方式。目前，尽管变频调速系统的 研发在国内比较活跃，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 课题的研究目标和主要内容 1 3 1 研究目标 本论文的题目是基于d s p 的交流变频调速系统的研究。本系统以1 1 公司的 1 m s 3 2 0 u 2 4 0 7 a 为控制核心，结合电机控制理论、电力电子技术及计算机软硬件等技 术，进行数字化p w m 交流变频调速系统的研究与设计。 1 3 。2 主要内容 本课题要研究的系统以1 1 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 为控制核心使用智能 功率模块( i p m ) ，并在此基础上采用s p w m 及s v p w m 变频技术，对电机进行数字化 交流变频调速系统的研究与设计。本课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 学习t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 芯片的硬件结构、汇编语言程序设计方法，熟 悉d s p 的集成开发环境c c s 及其应用。 ( 2 ) 研究正弦脉宽调制s p w m 技术和电压空间矢量脉宽调制s v p w m 技术工作原 理，对生成调制波的d s p 控制算法进行软件设计，用汇编语言或c 语言编制程序生成 s p w m 波和s v p w m 波实现异步电机的变频调速。 ( 3 ) 通过分析原理，建立生成s p w m 调制波的数学模型和电压空间矢量s v p w m 算法的数学模型，并在m a t l a b 的s i m u l i n k 工具环境中仿真实现。 ( 4 ) 设计变频调速系统的硬件电路。 9 2 1o s p 概述 第2 章t m s 3 20 l f 2 4 0 7 a 与调试环境简介 2 ，1 ，l 通用d s p 特点 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 也称数字信号处理技术，它是利用计算机或专用处 理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理， 以得到符合人们需要的信号形式【3 1 j 。 d s p 是一种具有特殊结构的微处理器，其内部集成高速乘法器。具有多组内部总线， 能够进行快速乘法和加法运算，适用于高速数字信号处理的高速、高位单片机，它具有 独特的软硬件结构，体积小、功耗低、使用方便、处理实时迅速、处理数据量大、精度 高、性价比高等显著优点，主要应用在实时快速实现各种数字信号处理的各种算法。 目前中国市场上t i 公司d s p 芯片占有率在5 0 以上，也是我们比较熟悉d s p 芯 片之一，其硬件结构的主要特点是： 1 、哈佛结构 哈佛结构不同于冯，诺伊曼结构，它是采用程序、数据总线分别独立并具有多条总线 的结构。程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址。用 独立的程序总线、数据总线或者多条总线分别进行访问。 2 、流水线操作 计算机在执行一条指令的时候，总要经过取指、译码、访问操作数、执行等几个步 骤，需要若干个机器周期才能完成。d s p 的流水线结构是指它的这几个阶段在执行过程 中是重叠的。第一条指令取指后译码时，第二条指令取指；第一条指令访问数据时，第 二条指令译码，第三条指令取指；即在任意给定的周期内。可能有1 4 条不同的指 令是激活的，每一条都处于不同的阶段。 3 、专用的硬件乘法器 在d s p 各有硬件连线逻辑的高速“与或”运算器( 乘法器和累加器) ，取两个操作 数到乘法器中进行乘法运算，并将乘积加到累加器中，这些操作都可以在单个周期内完 成。 4 、特殊的指令 在d s p 的指令系统中，有许多指令是多功能指令，即一条指令可以完成几种不同 的操作，或者说一条指令具有几条指令的功能。 5 、快速的指令周期 哈佛结构、流水线操作、专川的艟件乘洼器、特殊的d s p 指令再加 集成电路的 优化设计，可使d s p 芯片的指令周苋边剑2 0 0 n s 以f ，t m s 3 2 0 系列处理器的指令周朗 已经从第一代的2 0 0 n s 降刮现在2 0 n s 以卜。 大庆石油学院硕十研究生学位论文 d s p 以运算速度快为特征，而单片机以数字控制功能强为特点。对电动机的数字控 制既要求控制器有强大的i o 控制功能，又要求控制器有高速的信号处理能力以实现实 时控制。将d s p 的高速运算速度与单片机的高控制能力相结合，开发出了电动机控制 的专用集成芯片c 2 4 x 系列d s p 3 2 1 。这种d s p 还集成了电动机控制所必需的可增加死区 且灵活多变的多路p w m 信号发生器、高速高精度的a d c 、以及用于电动机速度和位置 反馈的编码器接口电路。 2 1 2d s p 芯片的应用 d s p 芯片自2 0 世纪7 0 年代末诞生以来，得到了飞速的发展。d s p 芯片的高速发展， 一方面得益于集成电路技术的发展；另方面得益于巨大的市场。在近2 0 年时间里， d s p 芯片已经在信号处理、雷达、通信等许多领域得到了广泛的应用。目前，d s p 芯片 的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。d s p 芯片的应用主要有： ( 1 ) 信号处理如数字滤波、快速傅立叶变换、模式匹配、波形产生等。 ( 2 ) 通信调制解调器、纠镨编码等。 ( 3 ) 语音语音编码、语音合成等。 ( 4 ) 图形图像二维三维图形处理、图像压缩等。 ( 5 ) 仪器，仪表雷达处理、导航等。 ( 6 ) 自动控制声控、机器人控制等。 2 ，2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 简介 2 2 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片介绍 本文以1 1 公司最新推出的电机控制专用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 芯片为控制核心进 行研究。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 属于1 1 公司t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列定点d s p 中的c 2 4 x x 产品系列，其中“l f ”代表片内f l a s he p r o m ( 3 3 v ) ，“l c ”代表低电压c m o s 0 3 v ) 。 t m s 3 2 0 l f 2 , 1 0 7 a d s p 专门为电机控制与运动控制数字化优化实现而设计，特别适合于 三相异步电动机的高性能控制。它集c 2 x x 内核增强型t m s 3 2 0 设计结构及适用于电机 控制的低功耗、高性能、优化外围电路于一体，c p u 内部采用增强型哈佛结构，四级流 水线作业，几乎每条指令可在3 3 n s 完成，性价比高，构成控制系统的体积大大减d , t ”i 。 2 2 2t m s 3 2 0 l