（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的感应电机变频调速系统的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 为了方便不同场合下的参数预置和修改，本文设计了与p c 机和键盘 通讯两套通讯系统，增加了系统运行的可视性。 对一台功率为3 k w 的感应电机，在全数字交流电机实验平台上进行 了实验研究。对定子线电流波形进行了谐波分析，并与同容量的一台三 菱公司的变频器进行了对比分析。同时进行了1 0 5 0 h z 内的启动、调速、 突加减负载等实验。结果结果表明，系统各性能基本满足要求，具有工 程使用价值。 关键词：数字信号处理器，交流调速系统，脉宽调制，空间矢量s v p w m i i 一奎曼垄三盔兰堡主堑窒圭堂垡笙塞 t h es t d u yo fv a r i a b l e f r e q u e n c ev a r i a b l e s p e e ds y s t e mo fi n d u c t i o nm o t o r b a s e do nd s p a b s t r a c t r e c e n t l y , t h er e s e a r c ho fv a r i a b l ef r e q u e n c ya d j u s t a b l es p e e dt e c h n o l o g y o fa cm o t o r si sa ni m p o r t a n ti s s u ei ne l e c t r i c a ld r i v ef i e l d t h e p u l s ew i d t h m o d u l a t i o nw h i c hi sa k e yt e c h n o l o g yh a sg r e a tc o n t r i b u t i o nt ot h e d e v e l o p m e n to fv a r i a b l ef r e q u e n c yv a r i a b l e s p e e dt e c h n o l o g y a n dt h e h i g h s p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) c a r ld e a lw i t ht h ec o m p l i c a t e d c o n t r o la l g o r i t h m ，a n ds u i tf o rt h ev e l o c i t ym o d u l a t i o ns y s t e mt h a tc r e a t et h e h i g hp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , w es t u d i e dt h es o f t w a r ed e s i g nm e t h o do ft h e s p e e dc o n t r o ls y s t e mb a s eo nt h ed s pw h i c hi sp r o d u c e db yt h et ic o m p a n y i nt h i sp a p e r , w es t u d i e dt h et h e o r yo fv a r i a b l ef r e q u e n c yv a r i a b l es p e e d ， t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co fa cm a c h i n ew h e nu n v a r i e du f , a n dt w o p u l s e w i d t hm o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e sw h i c ha r es i n ew a v ep w m a n ds p a c ev o l t a g e v e c t o rp w m - l e a r n e dt h eh a r d w a r es t r u c t u r eo fl f 2 4 0 7 aa n dh o w t op r o g r a m b a s eo nt h et w ot h e o r i e s ，d e s i g n e da n dw r i t e dt h ep r o g r a mw r i t e dt h ec o d e st o g e n e r a t et h ep w mw a v e si nt h et w od i f f e r e n tm o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e s ，a n d t h ep r o g r a md e s i g no fo t h e rm o d u l e sh a d c o m p l e t e dt h es o f t w a r ed e s i g no f i l l 查堕堡三查兰堡主竺塞生兰垡堡塞 v a r i a b l e 矗e q u e n c yv a r i a b l es p e e ds y s t e mo fi n d u c t i o nm o t o r t h es o f t w a r es y s t e mi n c l u d e st h em a i n p r o g r a m ，t h es u b p r o g r a mo f p w m a n do t h e rm o d u l e s t h ep w m s u b p r o g r a mi n c l u d e ss p w ma n ds v p w m p r o g r a m s t h eo t h e rs u b p r o g r a m sc o m p r i s et h ea d ca n ds c ip r o g r a ma n ds o o n i th a sal o to f v e l o c i t ym o d u l a t i o na b i l i t i e s ，f o re x a m p l e ：t h es t a r ta n ds t o p t h ea cm o t o r ，t h et i m eo fs p e e d u p ，t h et i m eo fs p e e d d o w n ，t h e l o w 疗e q u e n c yv o l t a g ec o m p e n s a t i o n ，e t c i nt h ep a p e gw ei n t r o d u c e dt h ed e s i g n o f h a r d w a r ea n dt h ew a y so f w e a k e n i n gi n t e r f e r e n c eb r i e f l y i nt h ep u r p o s eo fs e w i n ga n d c h a n g i n gt h ep a r a m e t e r se a s i l yi nd i f f e r e n t s i t u a t i o n ，w ed e s i g n e dt w oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m si nt h ep a p e rw h i c ha r ea r e p ca n dk e y b o a r d w eh a v ed o n et h ee x p e r i m e n t so nt h en u m e r a lc o n t r o l s y s t e mu s i n gt h e s o f t w a r e a n ds t u d i e dt h ef f to fs t a r o rl i n ec u r r e n t w a v e s ，h a dc o m p a r e dt o t h et r a n s d u c e ro fm i t s u b i s h lw h i c hh a st h es a m ep o w e r t h ee x p e r i m e n t r e s u l t sp r o v e dt h a tt h es t u d yi nt h i sp a p e rh a sp r a c t i c a lu s e k e y w o r d s ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) ，s p a c ev o l t a g ev e c t o rp w m i v 声明 x9 7 9 3 8 1 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：垂童到 日期： ! i ! 妄! 12 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 导师签名： 垄量孰! 日期：161 旦2 i 兰垒墨日期：! ! ：兰：12 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 变频调速系统技术发展概述 5 0 年代以来，交流调速随着工业自动化程度不断提高而不断发展完善。交流传动 与直流传动相比具有价格便宜、维护简单、体积小、可靠性高的优点。同时，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、维修少、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，因此，绝大多数恒速传动的场合多采用交流传动的方案。随着全球工业 自动化先进程度的不断提高，调速传动装置应用日益广泛，诸如计算机外围设备的传 动、机床和电动工具、机器人和自动装置的传动、纺织厂和造纸厂的传动，电动汽车 和电气火车传动、船舶传动、水泥窑和轧钢机传动等等。长期以来交流电机调速性能 差一直使其应用前景处于困境。原因在于，一方面缺乏体积小而容量大的变频调压电 源，问题的关键在于电力半导体器件的制造水平；另一方面，交流电机自身为一个多 变量、强藕合、非线性、时变参数系统，电磁转矩很难直接通过外加信号来准确控制。 然而，随着电力电子半导体器件及微电子器件，特别是微型计算机及大规模集成电路 的发展，再加上现代控制理论向电气传动领域的渗透，使得这一领域发生了一场重要 的技术变革。 变频调速技术通过转矩、转速控制，在节能降耗与提高加工过程质量方面起了重 要作用，在过去的几十年里变频调速技术发展非常快，从主回路拓扑结构、功率开关 器件及驱动到数字信号处理器、控制策略均获得了长足的进步，控制对象从异步电机 到无刷直流、正弦同步电机、磁阻同步电机到伺服同步电机，变频调速技术的控制性 能不断提升，在工业自动控制领域起着越来越重要的作用，并己渗透到国民经济的各 个角落【2 1 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 1 变频调速系统功率器件的发展 电力半导体器件，是现代电力电子设备的心脏和灵魂，也是克服交流调速性能差 的关键。5 0 年代末1 3 1 - 1 7 1 ，晶闸管( t h y ) 的出现拉开了电力电子时代的序幕而门极可 关断晶闸管( g 1 l o ) 、双极型大功率晶体管( b j t ) 、功率m o s 场效应管( m 0 s f e t ) 、 绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 、静态感应晶闸管( s h i t ) 、m o s 控制的晶闸管附( m c t ) 等类型器件的陆续推出，在提高器件自身电压、电流及其它电气特性的同时，也极大 的推动了电气传动的发展。电气传动的第一次变革始于1 9 5 7 年，美国通用电气公司 发明了s c r 。这种器件体积小，价格低、坚固耐用、性能良好。它的出现不仅使以 s c r 整流器为电源的直流传动方式得到发展和普及，同时也推动了交流电机用的各 种变速装置的实质性进展。特别是近二十年来，由于电力电子器件的不断发展使变频 调速装置向高压、大容量、小型化方向前进。同时，由于微电子技术和l s i ( 大规模 集成电路) 技术的飞速发展，使变频调速系统的控制电路由原来的全模拟电路实现被 全数字电路所取代。控制核一t l , 芯片发展经历了由8 位通用单片机、1 6 位通用单片机、 1 6 位专用单片机、通用d s p ，到高性能专用d s p 的过程。 1 1 2 变频调速系统控制理论的发展 三相异步电机的速度公式： 盯：6 0 f ( 1 一s 、 p 由式( 1 - 1 ) 可知，要控制三相交流电机的转速，可以通过改变上式中的几个变量 来实现，即电机极对数p 、转差率s 和定予供电频率f 。交流调速的方法也由此分为： 变极调速、变滑差调速、变频调速。前两种控制方法对节能高效的现代调速系统不合 适。而通过改变电机定子供电频率f 来实现改变电机同步转速的交流调速方法，可使 三相交流电机在宽广的范围内实现平滑的无级调速，获得良好的启动性能和运行性 能。由于它又是一种高效的调速方式，因此变频调速是交流调速的理想调速方案。 变频调速系统的控制方式1 8 j _ 包括v f 、矢量控制( v c ) 、直接转矩控制( d t c ) 等。v f 控制主要应用在低成本、性能要求较低的场合：而矢量控制的引入，则丌始了 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 变频调速系统在高性能场合的应用。近年来随着半导体技术的发展及数字控制的普 及，矢量控制的应用已经从高性能领域扩展至通用驱动及专用驱动场合，乃至家用电 器。交流驱动器已在工业机器人、自动化出版设备、加工工具、传输设备、电梯、压 缩机、轧钢、风机泵类、电动汽车、起重设备及其它领域中得到广泛应用。随着半导 体技术的飞速发展，数字信号处理器的处理能力愈加强大，处理速度不断提升，变频 调速系统完全有能力处理复杂的任务，实现复杂的观测、控制算法，传动性能也因此 达到前所未有的高度。值得提的是，无速度传感器矢量控制已成为近年来驱动控制 研究的热点，并在控制性能上获得长足的进步。随着具有强大处理能力的数字信号处 理器的推出，实现该控制方式所需要的高鲁棒性、自适应的参数估计以及非线性状态 观测成为可能，新的无速度传感控制方案不断推出。s i e m e n s 、y a s k a w a 、t o s h i b ag e 、 r o c k w e l l 、m i s t u b i s h i 、f u j i 等知名公司纷纷推出自己的s v c 控制产品，控制特性也 在不断提高。s v c 目前已在印刷、印染、纺机、钢铁生产线、起重、电动汽车等领 域中广泛应用，在高性能交流驱动中占有愈来愈重要的地位，并已成为通用变频器中 的事实驱动设计标准。与s v c 相比，有速度传感器矢量控制( f v c ) 方式下，系统 的稳速精度、动态响应都有一定的提高，并逐步替代伺服驱动( s r v ) 的部分低端应 用场合( 如飞剪等) 。s r v 控制系统中同样采用了矢量控制方式，但考虑到加速能力、 控制精度、动态响应等指标，系统设计时重点考虑了过载能力、码盘反馈精度及响应、 环路( 位置环、速度环及电流环) 设计优化。 1 i 3 数字控制技术的发展现状 当今微电子技术的惊人发展，以微处理器为核心的数字控制已成为现代电气传 动控制的主要形式。相对于传统的模拟控制系统而言，数字控制系统的优点有【1 1 】： ( 1 ) 精心设计的微机控制系统能显著地降低控制器硬件成本： ( 2 ) 改善系统可靠性，经验表明，正确设计微机控制系统的可靠性大大优于电 机控制系统中的其它原器件； ( 3 ) 数字电路不存在温漂问题，不存在参数变化的影响： ( 4 ) 可以设计统的硬件电路，以适合不同的电机控制系统。软件设计具有很 大的灵活性，可以有不同的版本，还可以加快产品的更新换代： 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 5 ) 可以完成复杂的功能，指令、反馈、校正、运算、判断、监控、报警、数 据处理、故障自诊断、状态估计、触发控制、p w m 脉冲产生、坐标变换等。 对于单台生产设备的电气传动，一般只要构成微处理器电力电子变换器 电机系统就可以了。如果控制和管理的任务比较复杂，可采用多微机系统，这时，在 各台微机之间必须建立数据通信通道。目前，电气传动控制中常用的微处理器有：单 片机( s c p ) 、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。 d s p 是一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c 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 执行时间要快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f f t 快速傅立叶变换和滤波器的运算速度。在众多的d s p 芯片 中，最成功的应为美国德洲仪器公司的t m $ 3 2 0 系列产品。t i 公司自从1 9 8 2 年推出 第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 后，推出了从t m s 3 2 0 c i x 到t m s 3 2 0 c s x 多代d s p 芯 片。t l 公司在几年前还提出了“d s p 解决方案”( d s p s ) 的理念，并将公司的战略 重心转向了d s p 。t 1 的系列d s p 产品是世界上最有影响的d s p 芯片，t i 公司的d s p 市场份额占5 0 左右。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 系列的d s p 芯片是t i 公司最近推出的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。它将高性能的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。l f 2 4 0 7 a 执行速度可达3 0 m i p s ，几乎所有的指令都可 在n s 级的单周期内完成，这使得l f 2 4 0 7 a 可实现更强大的控制功能，其具体内部结 构和功能将在本文中介绍。总之，正是有了高性能的d s p ，才有可能突破传统微处理 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 器计算速度慢、外围电路设计复杂等缺点，将空间矢量p w m 技术融合于先进的电机 矢量控制算法中去，并为将来高速、超高速电机全数字化、高性能控制的实现，提供 有利的保障。 1 2 研究内容 本文深入研究了交流调速系统中常用的两种脉宽调制技术一一正弦脉宽调制 ( s p w m ) 和电压空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 以及它们的原理和控制算法：对它 们进行了谐波分析，比较了直流电压利用率；阐述了它们之间的区别和联系；分析和 研究了感应电机在v f 控制方式下调速的机械特性等等。 对于t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，本文在深入研究其硬件结构、原理和软件编程 方法，及p w m 的功能模块事件管理器( e v ) ，以及其它外设功能模块的结构和 原理的基础上，完成了感应电机变频调速系统的软件设计，包括主程序、s p w m 和 s v p w m 这两种脉宽调制p w m 波的实现程序、a d c 转化子程序、通讯程序等等： 着重介绍了通讯模块的两种设计方案，包括基于v b 6 0 实现p c 机与d s p 的串行通 讯程序和利用智能芯片h d 7 2 7 9 a 的键盘通讯程序；根据感应电机变频调速系统实际 运行时的需要，实现了电机的启动，停车，加减速时间设置，低频定子电压补偿等功 能。 对一台3 k w 的感应电机在全数字化实验平台上完成了部分性能实验，包括空载运 行、突加减负载、调速性能等实验，并将所得的结果与三菱公司产的变频器同实验内 容的结果进行了比较分析。结果表明，本文的研究结果基本满足相应性能的要求，具 有工程使用价值。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 引言 第二章t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ( 以下称l f 2 4 0 7 a ) 是属于t i 公司t m s 3 2 0 系列的d s p 芯片， 它将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，为控制系统应用提供了一个理想的解 决方案“。它的两个事件管理器e v a 和e v b 为电机控制p w m 波的实现提供了方便。 它包括两个1 6 位通用定时器；8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道。他们能够实现： 三相反向器控制；p w m 对称和非对称波形；当外部引脚p d p i n t x 出现低电平时快速 关闭p i 聊v l 通道：可编程的p w m 死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3 个捕 获单元；片内光电编码接口电路；1 6 通道a d 转换器。 下面主要介绍实现p w m 波形输出的事件管理器模块( e v ) 。 2 2 事件管理器模块( e v ) l f 2 4 0 7 a 器件有两个事件管理模块e v a 和e v b ，每个事件管理器模块包括通用 定时器( g p ) 、比较单元、捕获单元以及正交编码脉冲电路。e v a 和e v b 的定时器， 比较单元以及捕获单元的功能都相同，只是定时器和单元的名称不同。表2 1 列出了 两个模块的特征，功能以及信号的名称，并着重讲述了e v a 模块。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 - 1e v a 和e v b 模块及其信号名称 t a b 2 1s i n g l e a l l e so f e v aa n de v b 事件管理器e v a 模块信号e v b 模块信号 g p 定时器 t i m e r lt 1 p w m 厂r 1 c m pt 3 p w m t 1 c m pt i m e r 3 t i m e t 2t 2 p w m 仃2 c m pt 4 p w m t 2 c m p t i l t i e r 4 比较单元 c o m p a r e l p w m l ，2 c o m p a r e 4 p w m 7 8 c o m p a r e 2 p w m 3 4 c o m p a r e 5 p w m 9 1 0 c o m p a r e 3 p w m 5 6 c o m p a r e 6 p w m l1 1 2 捕获单元 c a p t u r e l c a p l c a p t u r e 4 c a p 4 c a p t u r e 2 c a p 2 c a p t u r e 5 c a p 5 c a p t u r e 3 c a p 3 c a p t u r e 6 c a p 6 正交编码脉 q e p lq e p lq e p 3q e p 3 冲电路q e pq e p 2q e p 2q e p 4q e p 4 外部输入计数方向 t d i r a 计数方向 t d i r b 外部时钟 t c l k r n a 外部时钟 t c l k i n b 2 2 1 事件管理器结构框图 事件管理器e v a 的结构框图如图2 一l 所示。从图中可以看出e v a 模块使用 c a p i q e p l ，c a p 2 q e p 2 和c a p 3 这三个引脚作为捕获或正交编码器脉冲的输入口。 事件管理器模块中的通用定时器可以编程为在外部或内部c p u 时钟的基础上运 行。引脚t c l k i n a 提供了外部时钟输入，引脚t d i r a 用于通用定时器处于定向增 减计数方式时规定计数方向。 事件管理器模块中的所有输入都由内部c p u 同步，一次跳变脉冲宽度必须保持 到两个c p u 时钟的上升沿后才被事件管理器模块所识别。也就是说，如果c p u 时钟 已经被选作c l k o u t 输出的信号源，则跳变必须保持c l k o u t 输出的两个下降沿。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 , 2 2 功率驱动保护 图2 - 1 事件管理器a 结构框图 f i g 2 - 1e v a s t r u c t u r ed i a g r a m 当引脚p d p i n t a b ( 功率驱动保护中断1 被拉低时，会产生一个外部中断。这个中 断是为功率转换器和电机驱动等系统的安全操作提供的。如果p d p i n t a j b 未被屏蔽， 当p d p i n t a b 引脚被拉低以后，所有的e v 输出引脚将被硬件置为高阻态。必须注 意的是，为了使输出脚保持在高阻状态，应该使引脚保持至少4 个c p u 时钟周期的 低电平。引脚p d p i n t a b 可以用来为监控程序提供电机驱动的异常信息，如过电压、 过电流和温升过高，本系统所有的故障信号都是通过它来监控的。 2 2 3 事件管理器中断 ( 1 ) 中断组 事件管理器中断事件分为3 组：事件管理器中断组a 、b 和c 。每一个组都有 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 各自不同的中断标志、中断使能寄存器和一些外设事件中断请求。每个e v 中断组都 有一个中断标志寄存器和相应的中断屏蔽寄存器。如果e v a i m r x ( x = a 、b 和c ) 相应位为0 ，则e v a i m r x 中的标志位被屏蔽( 即不产生中断信号) 。 当外设中断信号被c p u 接受时，p i e 控制器将相应的外设中断向量装入到外设中 断向量寄存器( p i v r ) 中。外设中断向量寄存器( p i v r ) 中的值可以区分该组哪一 个挂起的中断具有最高优先级。外设中断向量寄存器中的值可以从中断服务子程序 ( i s r ) 中读出。 ( 2 ) 中断产生 当事件管理器模块产生一个中断事件，则其中一个事件管理器中断标志寄存器 的相应标志位被置1 。如果标志位局部未被屏蔽( e v a i m r x 中的相应位置1 ) ，外设 中断扩展控制器( p i e ) 就产生了一个外设中断请求。 ( 3 ) 中断向量 当在中断请求被c p u 接受时，已置位的中断标志中具有最高优先级的中断标志 响应的那个中断向量被装载到累加器中。在中断服务程序( i s r ) 中读取中断向量， 中断标志位必须在中断服务程序中用软件直接向中断标志寄存器中的相应位置1 来 清除。如果中断标志位未被清除，则以后该中断就不再产生中断请求。 2 2 4 脉宽调制电路p w m 每个事件管理器模块可同时产生多达8 路的p w m 波形输出。由3 个可带死区控 制的比较单元产生独立的3 对( 即6 个输出) ，以及由g p 定时器比较产生的2 个独 立的p w m 输出。 对于每个e v 模块，与比较单元相关的p w m 电路使带有可编程死区和输出极性 控制的6 路p w m 输出的产生成为可能。e v a 模块的p w m 电路结构框图如图2 2 所 示。它包括以下的功能单元： 非对称对称波形发生器 可编程的死区单元( d b u ) 输出逻辑 空间矢量p w m 状态机 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 在电机控制的应用中，p w m 电路极大地减少了产生p w m 波形的c p u 开销 和减少用户的工作量。 c ( 3 m c l 3 n a 1 1 * 1 3 图2 - 2p 州输出电路 f i g 2 - 2p w mo u t p u tc i r c u i t j p 辟a 仉 p e m 6 l f 2 4 0 7 a 的p w m 发生电路产生6 路具有可编程死区和可变输出极性的p w m 信 号p w m l p w m 6 ，当t l 计数值与全比较单元的比较值相同时，产生的状态匹配信 号进入波形发生单元。在该系统中，我们使用对称p w m 波发生器，由其产生的p w m 信号进入死区发生单元，死区的宽度可软件调节。输出逻辑控制单元控制p w m 信号 的极性，可设置p w m 为强制高电平、强制低电平、激活高电平、激活低电平等4 种 状态。 对于p w m 信号的产生采用两种方案：一是根据控制规则直接由d s p 输出六路 p w m 波。具体实施中，根据计算出转子磁场的电气位置角0 ，再用l f 2 4 0 7 a 的a d 转化器采样i u 、i 利用软件进行3 2 静止变换和旋转变换，计算出、i q ，然后根 据、0 的值用电流控制算法，在控制规则库里查到最优控制，最后输出6 路p w m 波给i p m 。二是采用空间矢量调制控制方式或者数字式三角比较方式，即在一个采样 周期内要输出多个空间电压矢量，并且各矢量作用时间由软件来控制，是可变的。 对于死区的设置我们采用软件方法，先介绍一下产生死区的有关部分： 【1 ) 通用定时器1 ，在p w m 信号实时调制中用来产生周期的一定载波。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 全比较单元1 、2 、3 ，用于控制p w m 的占空比。 ( 3 ) 全比较动作控制寄存器( a c t r ) ，用于控制p w m 输出引脚极性。 ( 4 ) 死区单元，包括3 个4 位减计数器一个输入时钟定标器，一个1 6 位的死区控制 寄存器( d b t c o n a b ) 其结构图如图2 - 3 所示： 图2 - 3 死区控制寄存器结构图 f i g 2 - 3d b t c o n s t r u c t u r a ld i a g r a m 死区单元的工作原理是：它根据全比较单元输出的p w m 信号作为输入，根据其 跳边沿来使能装载减计数器，减计数器的计数值由d b t c o n a b 的第8 1 1 位提供， 时钟由c p u 输入时钟通过d b t c o n a d b 的第2 - 4 位决定的预定标因子分频后作为计 数器时钟，在计数器减计数到0 前，比较器输出为低电平封锁与门。由此可以产生 p w m 信号死区。p w m 。( 1 、3 、5 ) 信号的输出根据d t p h 。来决定，a c t r 控制高 有效时输出d t p h 。，低有效时输出d t p h x 。p w m 。( 2 、4 、6 ) 信号的输出根据d t p h 。 来决定，a c t r 控制高有效时输出d t p h 。，低有效时输出d t p h x 。d s p 的死区根 据a c t r 的高低有效性而改变，高有效时不允许上下管的控制信号同为高电平，低 太原理工大学硕士研究生学位论文 有效时，不允许同为低电平。因此d s p 死区时间对高、低电平开通均有效。软件产 生死区只需将d b t c o n a b 的第8 1 l 位载入一定的周期值，即可实现。 2 3 其它模块 l f 2 4 0 7 a 除了重要的p w m 波输出功能的事件管理器( e v ) 模块外，还有数字输 入输出( i o ) 模块、模数转换模块( a d c ) 、串行外设模块( s p i ) 、串行通信模块 以及c a n 控制器模块等等，在这里就不再一一叙述了。 1 2 太瘵理工大学硕士研究生学位论文 3 1 引言 第三章p w m 变频调速的基本原理和控制算法 p w m 控制技术广泛应用于电气传动及能量变换控制系统中，所谓p w m 控制技 术就是利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压变成电压脉冲列，通过控制电压 脉冲的宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的种控制技术。逆变电路是p w m 控制技术最为重要的应用场合。 交流调速系统中的功率变换目前应用最广的是电压型逆变器，正弦p w m ( s p w m ) 和电压空间矢量p w m ( s v p w m ) 是应用最多的两种控制技术。本章将 介绍这两种控制技术的原理及其算法，而且分析了两种技术的直流电压利用率，谐波 计算，以及它们的区别和联系。 本章中介绍的两种p w m 波实现方案，调速的原理都是保持磁通恒定的变压变频 ( v v v f ) 控制，异步电动机是调速的控制对象，它在变压变频调速时的机械特性是 软件编写所必须掌握的理论基础。下面首先介绍一下在变压变频调速时的机械特性。 3 2 异步电机在变压变频调速时的机械特性 3 2 1 变压变频调速的基本控制方式 变压变频调速时应保持电机中每极磁通量4 h 为额定值不变。交流异步电机中 磁通理h 由定子和转子磁势合成产生。在电机学中我们知道 e g = 4 4 4 f l n 。七n ；函。 ( 3 1 ) 式中e ，一气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值( v ) _ - 定子频率( h z ) s 一定子每相绕组串联匝数； 氐，基波绕组系数； 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 破一每极气隙磁通量( 、) 由式( 3 1 ) 可知，只要控制好岛和正，便可达到控制磁通的目的n 在这里介绍基频以下时的情况，当频率，l 从额定值，l n 向下调节时，必须同时降 低eg ，使 冬：常值 | ( 3 2 ) 当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压u s eg ，可得 擘：常值 _ ，1 ( 3 3 ) 但是，在低频时酞和如都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能 忽略。这时，需要人为地把电压u 。抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压 降补偿的恒压频比控制特性如图3 1 中的a 线，无补偿的控制特性则为b 线。 图3 - 1 恒压频比控制特性 a 一带补偿b 一无补偿 f i g 3 - 1c h a r a c t e r i s t i cw h e nu n v a r i e du f a - w i t hc o m p e n s a t i n gb - w i t h o u tc o m p e n s a t i n g 在实际应用中，由于负载大小不同，需要补偿的定子压降值也不一样，在控制软 件中，须备有不同斜率的补偿特性，具体功能的实现在后续章节中介绍。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 2 2 异步电动机电压一频率协调控制时的机械特性 异步电动机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式： t 2将：2争23npu：rrs ( 3 4 ) 当定子电压u s 和电源角频率q 恒定时，可以改写成如下形式 w ( 割2 面可 当s 很小时，可忽略上式分母中含s 各项，则 2 等o c s ( 3 5 ) ( 3 6 ) 即当s 很小时，转矩近似与s 成正比，机械特性t e = ，( s ) 是一段直线，如图3 - 2 所示： n , s n o0 s m i 。 ： 图3 - 2 恒压恒频时异步电动机的机械特性 f i g 3 - 2 m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co fm o t o rw h e nu n v a r i e du f 当s 接近于1 时，可忽略式( 3 4 ) 分母中的刖，则 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 哥o c ， 即s 接近于1 时转矩近似与s 成反比，这时，t e = ，( s ) 是对称于原点- - f 瑟9 2 s ) 的要求，电压u s 和频率t t 0 1 可以有多种配合。下面只介绍恒压频比控制( u s ，细) 肝：60coi(3-8) 2 石 a n ：s ：旦嘲 ( 3 - 9 ) = s = _ 一s 彩i () 2 f f n p 菊 l o ) 由此可见，当u s c o l 为恒值时，对于同一转矩t e ，s 叻是基本不变的，因而a n 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 图3 - 3 恒压频比控制时变频调速的机械特性 f i g 3 3m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co f v v v fs y s t e mw h e nu n v a r i e du ，f 如图3 3 所示，当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。而且 频率越低时最大转矩值越小。 。3 r i 2 p ( l u 口。s j 2 t 。一 鲁+ 骊 ( 3 1 1 ) 可见最大转矩瓦。a x 是随着的l 降低而减小的。频率很低时，兀。太小将限制电 机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压洮，可以增强带载能力，如图 3 3 所示。 电机在恒压频比控制时变频调速的机械特性是软件实现系统调速性能的重要依 据。 3 3p w m 波生成原理与控制算法【1 3 1 3 3 1s p w m 波生成原理与控制算法 s p w m 技术目前已经在实际中得到非常普遍的应用。经过长期的发展，大致可分 成电压s p w m 、电流s p w m 和磁通s p w m ( 也称电压空间矢量p w m ) 。其中电压和 电流s p w m 是从电源角度出发的s p w m ，而电压空间矢量p w m 则是从电动机角度 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 出发的s p w m 。 电压s p w m 技术主要是电压s p w m 信号生成技术。通过生成的s p w m 信号来控 制逆变器的开关管，从而实现电动机电源的变频。 电压s p w m 信号实时计算需要数学模型。建立数学模型的方法有很多，例如谐波 消去法、等面积法、采样型s p w m 法以及由它们派生出的各种方法。下面我们重点 介绍采样型s p w m 法，而采样型s w p m 又有多种实现方案：自然采样法、对称规则 采样法、不对称规则采样法。 3 3 1 1 自然采样法 自然采样法是通过精确计算( 采样) 正弦波和三角载波的交点，由交点决定逆变 器开关模式的一种正弦脉宽调制方式。由傅立叶分析可知，只要采用适当的采样频率， 自然采样法得到的调制输出谐波中，特别是低次谐波含量很小，变频器也将有较好的 运行性能。利用正弦波和等腰三角形的交点时刻来决定开关管的开关模式，利用这一 原理生成s p w m 波的方法就称为自然采样法。下面来推导自然采样法的数学模型。 f ， 瑶，4 jl u ms i n ( o ) t ) 十 玑i 么 i厶l j 。p 7 _ 一 f 、 f 。 n 飞 j a t if 2 0 知： t o j t l f 。、f 。2 。 【 图3 - 4s p w m 的自然采样法 f i g 3 - 4n a t u r a ls a m p l i n go fs p w m 图3 4 是正弦波u 。s i nc o t 和三角波与所生成的s p w m 波之间的对应关系图。图 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 中u s 是三角载波峰值，t c 是三角载波周期，正弦波与三角波的两个腰各产生一个交 点，因此在一个载波周期t c 内有两个交点，需要采样两次，t l 和t 2 分别是这两次采 样时刻，它们决定了s p w m 波上的“开”、“关”时间分别是k 、t o n l 和锄。由图3 - 4 可得： r 町。= 一口 根据三角形相似关系，则有 口 丁， 4 b r ， 4 u s i n t u 。 u ms i n t2 u ， 将解得的a 、b 带入式( 3 1 2 ) ，可以得到 锄= 手( 1 一心n 州 = 鲁( 1 + m s i n 引 = 等( 1 + m s i n 毗) = 等( 1 一m s i n 蚓 ( 3 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) ( 3 1 4 ) 式中m = u m u s ，即正弦波峰值与三角波之比，m 称为调制度。m 的取值范围为 o 1 ；m 的值越大，输出的s p w m 电压越高。是正弦波的角频率，改变就可以改 变电动机的转速。 生成的s p w m 波的脉宽为 铲岷：= ； 1 + 争n c o t 。+ s i 叫】 1 9 ( 3 1 5 ) 口 6 6 + 一 l 一。l 丁l 丁 = = 一一 鲫 矿 何 太原理工大学硕士研究生学位论文 式( 3 - 1 5 ) 是一个超越方程，其中的t l 、t 2 是一个未知量，求解起来要花费较多 的时间，因此自然采样法的数学模型不适合用于实时控制。 33 1 2 对称规则采样法 对称规则采样法是以每一个三角