（控制科学与工程专业论文）单相感应电机节能调速控制系统设计与研究.pdf

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 武汉理工大学或其他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：三查兰三垄日期： 学位论文使用授权书 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 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：弓专礁讳导师( 签名丐葛嘲日期 ( 注：此页内容装订在论文扉页) 摘要 单相感应电机被广泛的应用于各种商业和工业应用，随着单相电机应用的 增多，人们逐渐认识到对于单相电机及相关装置的有效调速控制，对节能降耗 具有重要意义。在工业缝纫机电力驱动应用中，缝纫工厂大量单相感应电机的 频繁启停和辅助空载运行，会造成供电系统电流冲击和功率因数过低。本文针 对工业缝纫机电力驱动应用，研究和设计一种带有软启动功能的单相感应电机 自动调速数字控制系统。其目的是通过软启动有效降低电机启停过程中的冲击 电流，减小对于机械设备的冲击磨损；同时，根据缝纫操作运行需要来调节电 机转速，电机空载时将电机转速降低到一个较低的范围，能实现电机节能。本 文设计一种单相电机调速控制系统，控制芯片为d s p i c 3 0 f 3 0 1 0 ，采用恒压频比 的变频调速方式，实现对单相感应电机的软启动和运行调速控制。 本文首先对于单相感应电机分类与控制技术的发展做了简短的介绍，然后 对于单相感应电机进行了数学建模，得到了单相感应电机的电压方程，磁链方 程，转矩方程。对于单相感应电机存在的三种逆变拓扑结构也进行了相应的分 析，选择两相三桥臂结构作为逆变拓扑。根据数学建模，分析了常用的单相感 应电机的三种不同调制方法的利与弊，选择改进的s p w m 方法作为调制方法， 电压利用率能提高至7 0 7 。并对于当下单相感应电机调速控制的主要研究方向 一矢量控制进行了建模仿真，使用m a t l a b s i m u l i n k 得到了单相感应电机电压矢 量控制的电压、电流、转速及转矩波形，并将得到的波形与实际波形相比较。 设计了基于d s p i c 3 0 f 3 0 1 0 芯片的硬件控制电路，并采用c 语言完成了单相 感应电机的控制程序，包括主程序、软启动程序以及各中断程序的设计文中 对于硬件电路和软件各部分都进行了详细的介绍与分析最后根据实际要求， 采用改进的s p w m 控制方法，速度闭环的控制方式应用在样机上，并得到p w m 驱动波形，定子电流电压波形。文章最后对于单相感应电机的调速节能控制系 统进行了总结与展望。 关键词：单相感应电机，两相三桥臂逆变器，s p w m 控制，m a t l a b s i m u l i n k 仿真 r a b s t r a c t s i n g l ep h a s ei n d u c t i o nm o t o r ( s p i m ) i sw i d e l yu s e di nv a r i o u sk i n d so fc o m m e r c i a l a n di n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s a st h ei n c r e a s i n ga p p l i c a t i o n so ft h es p i m ，p e o p l ec o m et o r e a l i z et h ee f f e c t i v es p e e dc o n t r o lo fs p i ma n dt h ea s s o c i a t e dd e v i c e sa r eo fg r e a ti m - p o r t a n c e t ot h ee n e r g ys a v i n ga n dc o n s u m p t i o nr e d u c i n g t h i ss y s t e mi sd e s i g n e df o rt h ed r i v eo ft h ei n d u s t r i a ls e w i n gm a c h i n ea p p l i c a t i o n i ns e w i n gf a c t o r y , f r e q u e n ts t a r t s t o pp r o c e s so fm u l t i p l es p i m sw i l lc a u s eh i g h i m p a c tc u r r e n t t h i sp a p e rd e s i g n e das p e e dc o n t r o ld i g i t a ls y s t e mw i t hs o f t - s t a r t f u n c t i o nw h i c hc a nr e d u c et h ei m p a c tc u r r e n ta n de q u i p m e n ta b r a s i o nd u r i n gs t a r t - s t o p p r o c e s s m e a n w h i l e ，t h i ss y s t e mc a n 砌u s tt h es p e e do f m o t o r 嬲n e e d e d ，a n dl i m i tt h e s p e e dt oar a t h e rl o wl e v e rd u r i n gl i g h tl o a d i n go rn ol o a dc o n d i t i o n , w h i c hw i l l a c h i e v ee n e r g ys a v i n g t l l i sd i s s e r t a t i o nf i r s t l yg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h es i n g l ep h a s ei n d u c t i o n m o t o r ( s p i m ) a b o u tc l a s s i f i c a t i o na n dc o n t r o lt e c h n i q u e s am a t h e m a t i c a lm o d e li s a l s ob u i l tt oe s t a b l i s ht h ev o l t a g ee q u a t i o n , m a g n e t i cl i n k a g ee q u a t i o na n dt o r q u e e q u a t i o no ft h es p i m t w o p h a s et h r e e - b r i d g es t r u c t u r ew a ss e l e c t e db a s e do nt h e a n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no ft h r e ek i n d so fi n v e r t e rt o p o l o g y t h r e ed i f f e r e n tc o n t r o l t e c h n i q u e sh a v e b e e nj u d g e da c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c a lm o d e l 1 1 1 ef e a s i b i l i t yo f t h ec o n t r o lt e c h n i q u e sw e r ed e m o n s t r a t e db ym o d e l i n ga n ds t i m u l a t i o nt h r o u g h m a t l a b s i m u l i n k ，a n dt h er e s u l t sa g r e e dw i mt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s f o rt h e s e w i n ga p p l i c a t i o n s ，an o v e ls p w mc o n t r o lt e c h n i q u ew i t hr e l a t i v e l yh i g hv o l t a g e u t i l i z a t i o nw a ss e l e c t e d ah a r d w a r ec o n t r o lc i r c u i tb a s e do nd s p i c 3 0 f 3 0 1 0c h i pw a sd e s i g n e d ，a n dt h e c o n t r o lp r o g r a m ( i n c l u d i n gt h em a i np r o g r a m ，s o f t - s t a r tp r o g r a ma n dv a r i o u s i n t e r r u p t i o np r o g r a m ) w a s w r i t t e nb yc l a n g u a g e t h eh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r e p a r t sw e r eb o t he l a b o r a t e di nt h i sp a p e r f i n a l l ya c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c er e q u i r e m e n t , t h en o v e ls p w mc o n t r o lt e c h n i q u ew a sa p p l i e do nam o d e lm a c h i n e ，t h ep w m d r i v i n gw a v e f o r ma n dt h es t a t o rc u r r e n ta n dv o l t a g ew a v e f o r mw e r eb o lo b t a i n e d a t t h ee n do ft h i sp a p e r ，ac o n c l u s i o na n do u t l o o kw e r eg i v e nf o rt h es p e e dc o n t r o lo f s i n g l ep h a s e i n d u c t i o nm o t o r k e yw o r d s ：s p i m ，t w o - p h a s et h r e e - b r i d g ei n v e r t e r , s p w mc o n t r o l ，m a t l a b s i m u l i n k s i m u l a t i o n 目录 摘要 a b s t r a c t 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 2 电力传动技术的发展。 1 2 1 电力电子技术的发展 1 2 2 微处理器技术 一 1 2 3 单相感应电机调速控制 1 3 单相感应电机调速控制 1 3 1 单相感应电机的调速方法。 1 3 2 感应电机矢量控制 1 4 论文主要工作 第2 章单相感应电机调速原理 2 1 单相异步电机分类及结构特点 2 2 单相异步电机磁场理论。 2 3 单相异步电机数学建模1 3 2 3 单相异步电机调速原理及方法1 7 2 4 单相异步电机节能原理。1 9 2 5 本章小结2 0 第3 章调速节能控制系统硬件设计2 1 3 1 单相异步电机节能控制系统总体设计2 1 3 2 整流与滤波_ 2 2 3 3 逆变器2 3 3 3 。l 逆变器拓扑结构的选择2 3 3 3 2 逆变器控制方式的比较2 5 3 3 3 逆变器开关管的选择2 7 3 3 4 驱动电路的设计2 9 3 4 控制电路31 3 4 1d s p i c 3 0 f 3 0 1 0 芯片简介31 i 3 4 2 控制电路部分整体设计3 2 3 4 3 电机控制脉宽调制模块3 3 3 4 4 正交编码接口3 4 3 5 检测与保护电路的设计3 5 3 5 1 桥臂电流检测。3 5 3 5 2 相电流检测3 6 3 5 3 母线电流检测3 7 3 5 4 母线电压检测3 8 3 5 5 保护电路的设计。3 8 3 5 6 转速检测3 9 3 6 辅助电源3 9 3 7 本章小结4 0 第4 章调速系统的软件设计4 l 4 1 开发环境及编译软件4 l 4 1 1m p l a bi d e 一4 1 4 1 2 编译软件c 3 0 4 2 4 2 程序框图4 2 4 2 1 主程序框图4 2 4 2 2 软启动程序框图4 6 4 2 3a d 中断程序框图4 7 4 2 4t i m e r l 中断程序流程图4 8 4 2 5p w m 中断程序框图4 9 4 3 p i d 算法5 0 4 4 本章小结5 2 第5 章仿真及实验结果5 3 5 1 彷真结果5 3 5 1 1s i m u l i n k 简介5 3 5 1 2电机矢量控制仿真框图5 3 5 1 3 仿真波形。5 4 5 2实验波形5 5 5 2 1p w m 驱动波形5 5 i v 5 2 2 两相绕组电压波形5 6 5 2 2 两相绕组电流波形5 6 5 2 3 软起动电流波形5 8 5 3 本章小结5 8 第6 章总结与展望：5 9 6 1 总结5 9 6 2 展望5 9 致谢6 1 参考文献6 2 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文6 4 v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 随着科学及生产力的发展，人类对于生活各方面的需求也越来越高，电力 拖动装置极大地减少了人类的体力消耗，人类可以花更多的精力于各类学科， 电力拖动系统也得到了大范围的发展。家用电器中的取暖制冷设备，交通运输， 计算机外围设备，医疗器械，工业上的起重机床等设备都依靠着电力拖动装置 电力拖动装置与人类生活息息相关。在未来，机器人的应用必然会渗透到人类 生活的方方面面，这也倚靠这电力拖动装置更为深刻的进步。据不完全统计， 光微特电机一项全世界2 0 1 0 年的产量约为1 0 0 亿台，并且每年以5 - _ 7 的比例 持续增长，而我国微特电机的产量要占到世界产量的6 0 t 电机的控制技术的 好坏关系着人类的生活。 众所周知，感应电机拥有结构简单，陈本低廉，维修方便，稳定可靠等一 系列优点，但由于调速精度不高等缺点使得其在电力传动的应用上不如直流电 机广泛。对于交流传动系统的研究主要集中在三相感应电机上，电压空间矢量 控制等调速技术相对较为成熟，已成为教科书上的经典，对于单相感应电机的 研究相对要少很多。传统的单相感应电机主要为带电容分相的两相电机，其主 副两相绕组可以对称也可以不对称，最简单的启动方法为通过电容分相，两相 绕组产生圆形旋转磁场，使电机启动。若直接对带电容的单相感应电机使用变 频调速技术，低频时，副绕组上电容会使得电机的输入阻抗变大，两相绕组上 的电流不再相等，产生的旋转磁场也不再为圆形，而是椭圆形，脉动转矩增大 影响电机性能1 2 。此外，使用单相感应电机的风机，泵，压缩机等电力拖动装置， 一般都采用恒速系统，不采用调速系统。需要调速时，则通过闸门，挡板等来 调节流量，造成了大量电能的损耗。在提倡节能减排的今天，有效的电机调速 控制对于节能也有重要的意义。 在大型缝纫工厂中，感应电动机消耗的电能占到了整个工厂电能消耗的 7 9 1 t 3 1 。多台单相感应电机在频繁的启停过程中会产生较大的冲击电流。对不 具有启动控制的电机，当处于频繁启停工作状态时，开关的过程中存在电流冲 击。电流冲击会使得电机内瞬间电流过大，造成放热量很大，大大的超过了正 武汉理工大学硕士学位论文 常工作的发热量，容易使绝缘烧毁造成短路。对于不带调速控制的电机，当长 期轻载运行时，无功功率增大，功率因数降低无功功率的产生，占用了电力 系统发供电设备提供有功功率的能力，或增加了发送无功功率的设施，同时也 增加了电力系统输电过程中的有功功率损耗，造成能量的大量损耗。当采用离 合器方式时，缝纫过程因为各辅助工作而中断，电机处于空载运行状态，导致 供电系统功率因数降低。针对缝纫应用的这些问题，设计一种带有软启动功能 并能控制电机转速的自动调速数字控制系统。能通过软启动有效降低电机启停 过程中的冲击电流，减小对于机械设备的冲击磨损；同时，采用根据运行需要 来调节电机转速，电机空载时将电机转速降低到一个较低的范围，能实现电机 节能。 1 2 电力传动技术的发展 。 1 2 1 电力电子技术的发展 二十世纪五十年代，美国通用公司发明第一只晶闸管，标志电力电子这门 学科的开始。晶闸管作为第一个固态开关器件，相比于当时其他的开关器件， 具有电压电流额定值高，开关速度快，重量轻、体积小、易于控制、可靠性高 的特点。由于晶闸管是半控元件，首先被用于整流电路，实现交直变换随后 晶闸管的开关功能又被运用到逆变电路上，实现交直交变换和直交直变换 但由于晶闸管的一些缺点，比如需要强行换向电路，以及工作频率不够等，随 后出现了更多的耐高压和大电流的半导体电力电子开关器件。 到了二十世纪七十年代开始，随着对于开关管耐压值，开关速率，驱动的 体积大小提出了更高的要求，出现了各种全控型器件。如门极可关断晶闸管g t o ( g a t et u m o f f t h y r i s t o r ) ，这是一种具有自关断能力的晶闸管还有电力双极型晶 体管b j t ( b i p o l a rj u n c t i o nt r a n s i s t o r ) 及电力场效应晶体管管p m o s f e t ( p o w e r - m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ) ，这些都是全控型开关 管，通过对于门极的控制，能够使其关断和开通，这些器件开关速度远高于晶 闸管，可用于对于开关频率要求较高的电路，加大了开关频率，使电路性能得 到提升，同时驱动也更为简单，因此得到了广泛的应用【4 】【5 1 。 二十世纪八十年代开始，出现了绝缘门极双极型晶体管i g b t ( i n s u l a t e dg a t e b i p o l a rt r a n s i s t o r ) 。这种采用m o s f e t 和b j t 管复合制成的开关管具有驱动功 2 武汉理1 二大学硕十学何论文 率小，开关速度快，通态压降小，载流能力大等优点，直到现在都是电力电子 技术的主导器件。八十年代后期，逐渐出现了智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l e ) ，它由i g b t 管，驱动电路及保护电路集成得到，具有体积小，功率高， 驱动容易，能自保护等特点 6 】【7 】。在实际使用的过程中，常常会考虑到成本、体 积等一系列问题，会选择使用m o s f e t ，其主要优点如下： ( 1 ) m o s f e t 有正温度系数，温度升高时其通态电阻变同时增大，具有限 流的作用。 ( 2 ) 由于m o s f e t 的正温度系数，m o s f e t 能够并联使用，并联的m o s f e t 能够均流。 ( 3 ) m o s f e t 的开关速度快，是开关频率最高的开关器件之一，现有的技 术可以达到1 0 0 m h z 。 ( 4 ) m o s f e t 管体积小，价格较低，是很多研发项目的首选。 因为以上的优点，m o s f e t 近年来使用越来越普遍，家用电器，工业用缝 纫机等中都能看到它的身影。随着电力电子技术及半导体技术的发展，m o s f e t 的应用也会越来越多。 1 2 2 微处理器技术 微处理器的历史可以从1 9 7 1 年i n t e l 公司发明第一个微处理器4 0 0 4 算起， 它是4 位微处理器，含有2 3 0 0 个晶体管。随后又推出8 位微处理器8 0 0 8 ，但未 得到大量应用。在1 9 7 4 年，i n t e l 公司推出第二代微处理器8 0 8 0 ，被广泛的运用 于各类电子电路中，实现各种逻辑功能。随着半导体技术的发展，微处理器的 运算速度也越来越快，至此以后1 6 位，3 2 位，直到如今“位的处理器被广泛 的运用在我们的生活中，不断改变着人类的生活方式【引。 单片机作为微处理器的一个重要分支，最大特点是将c p u ，存储器，时钟， 定时器，输入输出口集成到一块集成芯片上，实现复杂功能，可以说一块单片 机就是一台计算机，将单片器嵌入至各电路，将本需要用电路实现的功能通过 软件来实现。随着数字信号电路的发展，处理模拟信号的单片机已经不能满足 信号处理的要求。数字信号处理，微电子学及计算机学的发展，逐渐出现了数 字信号处理芯片。数字信号处理器是一类能够对实时数据及图像经行处理的芯 片，相较于其他的单片机，d s p 芯片主要特点在于： ( 1 ) 采用哈佛结构，主要特点是有独立的数据存储及程序存储区域，也有 3 武汉理工大学硕+ 学位论文 各自独立的数据总线及程序总线，提高了对于数据和程序寻址的速度，大大提 高了芯片的数字信号处理能力。 ( 2 ) 拥有利用硬件实现的乘法器，能在一个指令周期内实现乘法操作，运 算速度得到了提高。 ( 3 ) 拥有专用的d s p 指令，定义了一些常用的数字计算指令，极大地减少 了数字芯片在计算时的复杂性。 因为数字信号处理芯片的特点，被广泛的运用于语音图像处理，仪器仪表， 自动控制，医疗，家用电器等当中。其中m i c r o c h i p 公司出片的电机控制专用 d s p i c 3 0 f 系列增强型闪存1 6 位数字信号处理芯片，具有丰富的内部资源，具有 专用的m c p w m ( m o t o rc o n t r o lp w m 电机控制p w m ) 模块，适宜于直流和交流 电机控制。d s p i c 3 0 f 电机控制系列芯片拥有可以高速计算的数字信号处理功能 及较大的数据吞吐能力，指令执行速度最大可以达到3 0 m i p s ，同时配备有自编 程闪存，工作温度范围也较大拶j ，被广泛的用于电机控制和电源管理系统中。 1 2 3 单相感应电机调速控制 电气传动技术是指利用电机将电能转化为机械能，拖动生活生产中的机械装 置，车辆交通等电气传动技术以电机为对象，通过控制技术，微电子技术以 及电力变换技术，达到控制电机的目的电机主要分为直流电机和交流电机， 传动系统也主要分为直流传动系统及交流传动系统。 由于直流电机具有启动和制动能力良好，运行效率高，调速简单，调速性能 好精度高等一系列特点，在早期被大范围运用于工业上，如汽车的油泵喷嘴， 机器人的关节驱动以及机床进给伺服驱动等但是直流电机的一些缺点限制了 其发展，传统的有刷直流电机由于换向刷的存在，使其在长期运行中容易磨损， 需要经常维修及更换换向刷；在换向时，容易产生火花，电机故障率较高；同 时换向刷的存在使得直流电机的容量远不如交流电机容量大传统的无刷直流 电机由于需要位置传感器来进行转子位置检测，使得成本相对较高，结构也相 对较为复杂，降低了其可靠性及经济性，而无位置传感器的无刷直流电机启动 问题依旧是学术界在不停探索的问题【l o 】。 随着电力电子技术，控制技术的发展，交流传动技术慢慢走入人们的视野。 现代交流传动系统性能逐渐能与直流传动系统相比肩，除了没有换向刷问题之 外，交流传动系统的优点还在于电机结构简单，成本低廉，可靠性较高，容量 4 武汉理丁大学硕士学位论文 大等，被广泛的使用在各类大中型传动系统中。采用变频调速时，交流传动系 统转差率不变，与直流传动系统类似。采用软启动变频技术的交流电机，还能 够克服交流电机在启停过程中瞬时电流过大的缺点。在交流传动变频调速的历 史上，首先出现的是恒压频比转速开环控制方法，这种控制方法适用于对转速 精度要求不高的场合，能达到普通调速要求。后来人们又出现了恒压频比转速 闭环的调速方式，这种方式闭环稳态性能相对较好，但不适于转速要求变化很 快的场合，容易表现出较大的瞬时电流【1 1 1 ，交流传动系统由于控制精度不够高等 缺点，也存在着一定的局限。为了进一步的提高交流传动的性能，人们提出了 进一步的控制策略其中比较出名的是电压矢量控制及直接转矩控制等控制方 法。 对于单相感应电机的调速控制的探索工作一直没有停止，国内外已经做了很 多工作，台湾的c m y o u n g 和c c l i u 对于单相感应电机的逆变器驱动拓扑 做了大量的仿真研究【1 2 1 ，伊朗德黑兰大学的s v a e z z a d e h 和s h r e i c yh a r o o n i 对单相感应电机的矢量控制进行了详细仿真【1 3 1 ，印度的v s f a t i n g , s v j a d h a v , r t u g a l e 对于对称和不对称单相感应电机的直接转矩控制提出了一些新的看 法【1 4 1 。 对于单相感应电机调速的研究主要是从驱动拓扑结构，交流传动控制方法两 个方面。 ( 1 ) 对于单相感应电机的控制硬件电路的拓扑结构的探讨，主要集中于逆 变部分是采用半桥逆变，全桥逆变，还是两相三桥臂的逆变结构，主要参考标准 包括电压利用率，产生的谐波，控制的可行性，成本等方便。 ( 2 ) 对于交流传统控制，尤其是对于单相感应电机的控制方法，在对于调 速精度要求不高的场合，普遍采用s p w m 的方法，实现起来较为简单，并且适 合于模拟电子来实现，开环的s p w m 控制现在被广泛的运用。但对于调速精度 要求高，调速性能更好的要求下，逐渐出现了矢量控制方法和直接转矩控制， 其控制较为复杂，对于坐标的换算需要大量的计算量，适合于数字控制电路中。 但单相感应电机调速是- l - j 多技术综合的工作，要想实现高精度和高性能的 单相感应电机调速，在驱动和控制上依旧有很多工作需要做。 5 武汉理t 大学硕士学位论文 1 3 单相感应电机调速控制 1 3 1 单相感应电机的调速方法 现在对于交流感应电机的调速研究主要在于三相电机上，其调速技术相对 较成熟，三相感应电压矢量控制已被广泛应用。单相感应电机是很少被提及的 一大类，它被广泛地用于各类家用电器，水泵，工业缝纫机等上单相感应电 机一般有主副两个绕组，也可以被说成是两相电机，但一般都使用单相交流电， 故叫做单相感应电机。常见的单相感应电机的主副两个绕组在空间上相差9 0 0 的 电角度，一般启动方式是通过串联在副绕组上的电容分相，通过选择合适大小 的电容，使主副绕组上的电流相位差约为9 0 0 ，形成类圆形旋转磁场，使电机运 转，这个电容又叫启动电容。电机启动后，运行时可以依然带电容运行，这类 电机又叫电容运转单相感应电机，实验的目标电机就是此类电机。电容运转单 相感应电机有良好的性能，效率较高，但其缺点在于启动转矩较小，只适合空 载和轻载，并且长期运行当电机有调速要求时，低频段由于电容的存在使得 输入阻抗较大，两相电流的大小不再相等，相位差也不再是9 0 0 ，只能形成椭圆 形旋转磁场，影响电机的运行状态 要实现交流感应电机调速主要有这几种方法：( 1 ) 变极调速；( 2 ) 转子串 电阻调速；( 3 ) 调压调速；( 4 ) 串极调速( 5 )电磁转差离合器调速；( 6 ) 变 频调速等几种方法【7 】。其中变频调速是应用最为广泛的一种方法，即通过变频 的方式连续改变通过电源的频率与幅值，使电机达到无级调速的目的。在变频 调速过程中，常须基本考虑的一个重要因素就是希望保持电动机中每极磁通量 为额定值不变，如果磁通太弱，就没有充分利用电机铁芯，是一种浪费；如果 过分增大磁通，又会使铁芯饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会烧毁电 机 7 】。变频调速方式能够保证恒压频比，即充分利用磁通。采用无级恒压频比 调速时，转差率不随转速而变化，调速范围宽，速度变化平滑，低速时效率也 会很高。 对于单相感应电机控制系统，采用间接变频，即交直交变频方式，前端采 用不可控全桥整流电路，减少控制对象，将调压变频都通过逆变器部分实现。 逆变部分采用脉冲宽度调制( p w m p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制方法来获得 目的电压电流波形。常用的p w m 控制方法包括【”】： ( 1 ) 正弦波脉宽调制( s p w m ，s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制方 6 武汉理工大学硕士学位论文 法； ( 2 ) 电流跟踪式p w m 控制方法； ( 3 ) 磁链跟踪式p w m 控制方法： s p w m 控制主要着眼于通过按照正弦函数改变脉冲的宽度，即占空比，使 得输出的电压为正弦形状，其电流波形则会受到负载的影响，选择较好的滤波 手段时，也会为正弦形状。电流跟踪式p w m 控制方法是带有电流滞环比较的控 制方法，通过与理想电流正弦波形进行比较来改变占空比获得正弦形状的电流 波形。无论是s p w m 控制方法还是电流跟踪式p w m 控制方法，都是控制电压 或者电流，但感应电机的性能与是否产生圆形旋转磁场相关。磁链跟踪式p w m 控制方法则是通过与产生圆形旋转磁场比较来控制p w m 占空比，更为直接的控 制产生的磁场，磁链的轨迹是根据电压空间矢量的计算而得到的，所以磁链跟 踪式p w m 方法，又名电压空间矢量控制【1 6 l 。 1 3 2 感应电机矢量控制 随着对于交流传动的要求越来越高，人们对于感应电机提出了更加有效的 控制手段。其中最出名的为矢量控制，最早是在1 9 7 1 年由德国的e b l a s c h k e 等 提出的“感应电动机磁场定向的控制原理”，美国的e c c u s t m a n 和a a c l a r k 申 请的专利“感应电动机定子电压的坐标变换控制”，经过不断的实践和改进，形成 了现已得到普遍应用的矢量控制变频调速系绀1 7 】。 矢量控制方法主要是通过三相两相静止坐标变换及两相两相旋转坐标变 换，将三相坐标中的交流电流变换为两相的电流励磁分量和转矩分量，像控制 直流电机一样来控制交流电机，从而达到像直流电机一样的性能【l 引。直流电动 机在运行时，励磁绕组是不动的，通入励磁电流后，励磁绕组产生的磁场也是 静止不动的：电枢绕组是转动的，由于换向刷的存在，使得电枢电流流入电枢 绕组后，电枢绕组产生的电枢磁场也是静止不动的。因此，用一个静止的绕组 来等效电枢绕组，这个等效后的电枢绕组和励磁绕组的轴线是相互垂直的。如 果忽略电枢绕组对于主磁通的影响，就可认为励磁绕组与主磁通有关。如果励 磁电流时恒定的，则可以认为调节电枢电流就可调节电磁转矩。 矢量控制将电机和逆变器看成一个整体，直接控制磁链，电机的性能将会 更好。同时通过适当的开关顺序，可以使得开关的次数减少，降低开关损耗。 矢量控制的数学计算相对较为复杂，需要进行坐标变换，使用数字信号处理器 7 武汉理t 大学硕士学位论文 能够达到矢量控制计算的要求。 1 4 论文主要工作 本论文在详细地分析了单相感应电机原理的基础上，对单相感应电机进行 数学建模，分析其电压方程、磁链方程及转矩方程，并对单相感应电机矢量控 制的进行了仿真。在此基础上设计了调速驱动硬件及调速程序。主要工作如下： ( 1 ) 对于单相感应电机进行原理分析，得到单相感应电机的数学模型，分 析出其电压方程、磁链方程及转矩方程，作为控制的基础； ( 2 ) 选择单相感应电机的控制策略，包括控制拓扑结构及调制方法，并对 常用的几种拓扑结构及控制方法进行了分析及比较； ( 3 ) 设计基于d s p i c 3 0 f 3 0 1 0 芯片设计单相异步电机控制电路，以m o s f e t 作为逆变核心设计了功率主电路部分，采用霍尔传感器采集电流，电阻分压采 集电压和光电编码器采集转速。 ( 4 ) 采用c 语言设计了单相异步电机调速的主程序，各中断程序，软启动 程序。 ( 5 ) 建立了单相感应电机矢量变频调速的m a t l a b s i m u l i n k 仿真模型， 验证了调速控制策略的可行性，并与实际s p w m 调制方法得到的波形比较，验 证了改进的s p w m 调试方法的性能也较好。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章单相感应电机调速原理 为了更好地分析单相感应电机的调速方法及运行状态，对于单相感应电机 的整体结构及原理需要有清晰的了解。本章从单相感应电机的磁场理论到数学 模型都进行分析，从本质上了解单相感应电机。为下一章对单相感应电机的控 制方法进行分析，选择合适的拓扑结构和控制策略打下基础。并对节能原理进 行了分析。 。 2 1 单相异步电机分类及结构特点 一 单相感应电机种类繁多，不同种类的电机之间结构差距较大，适用场合也 不一样。在家用和工业上常用的单相感应电机有两类。一类是罩极电机，另一 类是分相式异步电机。这两类中又分为了五种电机【1 9 1 ，具体分类见图2 1 图2 1 单项感应电机分类 ( 1 ) 罩极式单相感应电机 罩极式单相感应电机主要分为凸极式和隐极式两种，主要区别在于凸极式 罩极电动机的定子是由凸出的磁极铁芯构成，而隐极式是由圆柱形定子铁心构 成。凸极式罩极电机通过在磁极上装有短路铜环，即罩极绕组，使得装有短路 铜环和没有装短路铜环的定子的磁通不同，通电时产生旋转磁场。隐极式罩极 电机是通过漆包线绕在定子槽中，成为罩极绕组，一般罩极绕组和主绕组的空 间位置差为4 5 0 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 罩极式电机罩极式电机结构简单，成本低廉，运行可靠，启动时无需电容， 但是由于启动性能和运行性能不是很好，只适合于制作小容量电机，如一般的 家用风扇等启动转矩较小的应用上。 ( 2 ) 分相式单相感应电机电机 分相式单相感应电机的功率比罩极电机功率相对要大一些，启动力矩比罩 极电动机的启动力矩也要大一些，所以能应用在对电机的容量要求要高一些的 场合。分相式单相电动机也分为定子，机壳，转子三部分，罩极式电机与分相 式电机主要的不同在于定子部分。分相式单相感应电机的定子是由高磁导率的 硅钢片冲压而成，它的内部均匀分布着嵌线的定子槽，定子槽需要注意的是， 在绕线前要放入绝缘材料分相式单相感应电机的定子绕组分为主绕组和副主 绕组，两者相差电角度为9 0 * 。如果有一对磁极，则主绕组和副绕组在空间上相 差9 0 0 ；如果有两对磁极，主绕组和副绕组在空间上相差为4 5 0 ，保证其电角度 相差9 0 * ( 电角度萨磁极对数矿机械角度q ) 。 分相式单相感应电机主要分为电容分相式单相感应电机，电感分相式单相 感应电机和电阻分相单相感应电机由于单相感应电机的结构特点，需要使两 相绕组上的电流有相位差，才能产生旋转磁场，使电机启动。这三者的区别在 于分别通过电容，电感和电阻来进行分相，使电机启动。其中电容分相式单相 感应电机最为常见，应用最广电容分相式单相感应电机启动后可以采用带电 容运行，如一般的小风扇或者水泵；也可以采用离心开关，当电机启动后，通 过离心开关将辅助绕组甩开，电机中只有主绕组在工作。在工业用缝纫机上一 般采用的是分相式电容运转电机。最后实验的样机为带电容运转单相感应电机， 但控制时将电容卸下，通过逆变器产生相位差为9 0 0 的电流，实现电机启动和运 转。 2 2 单相异步电机磁场理论 假设在单相感应电机相差d 的电角度的主绕组( m a i nw i n d i n g s ) 和辅助绕 组( a u x i l i a r y w i n d i n g s ) 中( 主绕组和副绕组对称，匝数相同) ，分别通入相位 差为仅的正弦电流，其示意图如图2 2 所示。 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 图2 - 2两相绕组位置及电流示意图 可以得到，主绕组上的脉振磁通势f m y ，辅助绕组上的脉振磁通势f a y ： = 昙川= 昙压c o st o t 以 ( 2 - 1 ) = 昙彬= 昙压c 。s ( a ，t 一口) 以 ( 2 - 2 ) 其中i 为电流的瞬时值，i 为电流有效值，c o t 为时间电角度，n y 为匝数。 由于磁通势波形依横坐标和纵坐标都对称，将脉振磁通势展成傅式级数，可 以得到脉振磁通势的基波磁通势和谐波磁通势。f m , l 主绕组脉振磁通势的基波磁 通势，f a y l 辅助绕组脉振磁通势的基波磁通势，有 名- = 姜主皿c o s 舭。蹦 协3 ， 毛一4 万! 二, f i z z , c o s 渤芒一口) c 。s 。一脚 ( 2 - 4 ) 根据三角公式 2c o s1 2c o s 夕= c o s 一) + c o s ( 口+ 夕) ( 2 5 ) 可以得到主绕组的基波磁通势和副绕组的基波磁动势分别为 毛。= 粤珥c o s 。卅芒) + 鲁川c o s ( x + m t ) = 名t + 岛l 勺= 粤以c o s ( x - c o t - + 口) + 粤以c 。s ( x + t o t - 一口) = f a y l + 名l 其中 ， 名。为主绕组上的正序磁势 儿 ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 武汉理工大学硕士学位论文 名，为主绕组上的负序磁势 c ，。为辅助绕组上的正序磁势 名。为辅助绕组上的负序磁势 可以看出，一个脉振磁通势波可以分为两个波长与脉振波一致，但方向相 反的旋转波，旋转波的幅值为脉振波幅值的一半【2 0 】。 将两个绕组产生的基波磁动势相加，可得： 名t + 乙- = 名- + 岛+ 磊- + 磊t ( 2 8 ) = 警以c o s ( x - t o t ) + 粤