（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp空间矢量pwm变频调速系统的研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ao ft li n c l h i st h e s i sd e v e l o p sa g e n e r a la c v a r i a b l e s p e e ds y s t e m ，a n d t h e nc a r r i e so u tt h er e s e a r c ho n s p a c e v e c t o rp u l s e w i d t h m o d u l a t i o na c s p e e da d j u s t i n gs y s t e ma n dd o u b l e f e ds p e e d v a r i e t y f o r a s y n c h r o n o u s m o t o r ： t h i s p a p e rs u m m a r i z e st h ea c t u a l i t ya n dd e v e l o p m e n t o f p o w e r e l e c t r o n i c sa n d p o w e r d r i v ec o m p o n e n t ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) a n da c s p e e da d j u s t i n g t e c h n o l o g y t h i sp a p e ra n a l y z e sa n dg e n e r a l i z e st h ec h a r a c t e r i s t i co f s i n ep u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( s p w m ) a n ds p a c e v e c t o rp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) ，a n df i n d s t h a tt h es v p w mh a sa na d v a n t a g eo f d i g i t a lm o t o r c o n t r 0 1 t h i s p a p e rd e v e l o p s a s v p w mv a r i a b l ef r e q u e n c yt e c h n o l o g yo fa c v a r i a b l e - s p e e ds y s t e m ，a n dd e t e c t s p e r f e c ts i g n a l ，a n d s a t i s f i e sad e m a n do fs y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e rm a k e s r e s e a r c h e so nd o u b l ef e ds p e e d v a r i e t yw i t hd s p a n d d e s i g n sas y s t e m f r a m e s i m u l t a n e o u s l y ，t h i sp a p e ra d v a n c e s an e wm e t h o do fr o t o rp h a s e d e t e c t i n g a n d c a r r i e so u tt h em u l t i s i ms i m u l a t e dr e s e a r c h a sf o rh a r d w a r e ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai st h ec o n t r o lu n i t b a s e do ne v mb o a r do f t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，t h i sp a p e rd e s i g n si n t e r f a c eo fi n p u ta n do u t p u ts i g n a l ，a c d c a c s t r u c t u r em a i nc i r c u i t ，i r 2 1 1 0d r i v i n gc i r c u i t ，d e t e c t i n ga n dp r o t e c t i n gc i r c u i t t h e c i r c u i t sa r ev a l i d a t e di np r a c t i c e a sf o rs o f t w a r e ，t h i sp a p e ra d o p t sas i m p l em e t h o do fd e t e r m i n a t i o no ft h es e c t o r o fu o u t ，a n di n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o no fs 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 ( s v p w m ) u s i n ga s s e m b l yl a n g u a g e ，a c h i e v e st h ed e m a n do fv a r i a b l e f r e q u e n c ya d j u s t i n g - s p e e d f o ri n d u c t i o nm o t o l k e yw o r d s ：v a r i a b l e f r e q u e n c yt e c h n o l o g y ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) ， v o l t a g e s p a c e - v e c t o r ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r i i 湖北工业大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1电力电子器件的发展和现状 随着电力电子、计算机技术的迅速发展，交流调速取代直流调速已成为发展 趋势。变频调速以其优异的调速和启、制动性能被国内外公认为是最有发展前途 的调速方式。变频技术是交流调速的核心技术，电力电子和计算机技术又是变频 技术的核心，而电力电子器件是电力电子技术的基础。电力电子技术是近几年迅 速发展的一种高新技术，广泛应用于机电一体化、电机传动、航空航天等领域， 现已成为各国竟相发展的一种高新技术。专家预言，在2 1 世纪高度发展的自动控 制领域内，计。算机技术与电力电子技术是两项最重要的技术“”。 从1 9 5 8 年美国通用电气( g e ) 公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开 始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器 件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。到了7 0 年代，晶闸管开始 的由低压小电流产品向高压大电流的系列产品转移，同时，非对称晶闸管、逆导 晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等晶闸管派生器件相继问世，广泛应用于各种 变流装罱。由于它们具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、响应快等优点，其 研制及应用得到了飞速发展。但是普通晶闸管不能自关断，属于半控型器件，因 而被称作第一代电力电子器件。 一 在实际需要的推动下，随着理论研究和工艺水平的不断提高，电力电子器件 在容量和类型等方面得到了很大发展，先后出现了g t r 、g t o 、功率m o f e t 等自 关断、全控型器件，被称为第二代电力电子器件。g t r 是一种双极型大功率高反 压晶体管，目前其额定值己达1 8 0 0 v 8 0 0 a 2 k h z 、1 4 0 0 v 6 0 0 a 5 k h z 。它既具备晶体 管的固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关 损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的 电路中应用广泛。g t r 的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击 穿而损坏。在开关电源和u p s 内，g t r 正逐步被功率m o s f e t 和i g b t 所代替。 而在当前各种自关断器件中，g t o 容量最大、工作频率最低( 约1 - 2 k h z ) 目前已达 9 k v 2 5 k 8 0 0 h z 的水平。g t o 是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反 向驱动电流；g t o 通态压降大、d v d t 及d i d t 耐量低，需要庞大的吸收电路。目前， 湖北工业大学硕士学位论文 g t o 虽然在低于2 0 0 0 v 的某些领域内已被g t r 和i g b t 等所替代。但它在大功率 电力牵引中有明显优势；今后，它也必将在高压领域占有一席之地。功率m o s f e t 是一种电压控制的单极型晶体管，它是通过栅极电压来控制漏极电流的，因而它 的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小；仅由多数载流子导电，无少子存 储效应，高频特性好，工作频率高达1 0 0 k h z 以上，在所有电力电子器件中频率最 高，因而最适合应用于开苯电源、高频感应加热等高频场合：没有二次击穿问题， 安全工作区广，耐破坏性强。功率m o s f e t 的缺点是电流容量小、耐压低、通态 压降犬，不适宜运用于大功率装置。 第三代电力电子器件主要有绝缘栅双极型晶体管i g b t 和m o s 可控晶闸管 m c t 。i g b t 是由美国g e 公司和r c a 公司于1 9 8 3 年首先研制的，1 g b t 可视为双极 型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。通过施加正向门极电压形成沟道、 提供晶体管基极电流使i g b t 导通：反之，若提供反向门极电压则可消除沟道，使 i g b t 因流过反向门极电流而关断。i g b t 集g t r 通态压降小、线流密度大、耐压高 和功率m o s f e t 驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一 身，因此备受人们青睐。随着沟槽式结构的绝缘栅晶体管的问世，又使i g b t 器件 的耐压能力得到很大的提高。目前，其研制水平已达4 5 0 0 w 1 0 0 0 a 。比较而言，i g b t 的开关速度低于功率m o s f e t ，却明显高于g t r ：i g b t 的通态压降同g t r 相近， 但比功率m 0 s f e t 低；i g b t 的电流、电压等级与g t r 接近，而比功率m o s f e t 高， 基于以上特点1 g b t 广泛用于中等功率容量的u p s 、开关电源及交流电机控制用 p w m 逆变器中，i g b t 已逐步替代g t r 成为核心元件。另外，i r 公司已设计出开关 频率高达1 5 0 k h z 的w a r p 系y t j 4 0 0 6 0 0 vi g b t ，其开关特性与功率m o s f e t 接近， 而导通损耗却比功率m o s f e t 低很多。该系y t j l g b t 确- 望在高频1 5 0 k h z 整流器中取 代功率m o s f e t ，并大大降低开关损耗。i g b t 的发展方向是提高耐压能力和开关 频率、降低损耗以及开发具有集成保护功能的智能产品。m c t 最早由美国g e 公司 研制，是由m o s f e t 与晶闸管复合而成的新型器件。每个m c t - 器件由成千上万的 m c t 元组成，而每个元又是由一个p n p n 晶闸管、一个控* l j m c t 导通的m o s f e t 和一个控制m c t 关断的m o s f e t 组成。m c t 工作于超掣住状态，是一个真正的 p n p n 器件，这正是其通态电阻远低于其它场效应器件的最主要原因。m c t 既具备 功率m o s f e t 输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特性，又兼有晶闸管高电 压、大电流、低压降的优点。随着性能价格比的不断优化，m c t 将逐渐走入应用 领域并有可能取代高压g t o ，与i g b t 在中功率领域展开竞争“。 2 湖北工业大学硕士学位论文 现阶段随着电力电子器件技术与微电子技术相结合，电力电子器件产品逐步 向模块化、集成化方向发展，主要有高压功率集成电路( h v i c ) 、智能功率集成电 路( s p i c ) 和智能功率模块( i p m ) ，它们集功率模块与驱动、保护、控制电路与一体， 其目的是使尺寸紧凑、实现电力电子系统的小型化，缩短设计周期，并减小互连 导线的寄生参数等，因此他们具有可靠性高、使用方便，故深受用户喜爱。另外 随着新型半导体材料，如砷化镓、碳化硅、人造金刚石等的运用将有助于开发新 一代高结温、高频率、高动态参数的器件。从性能看，电力电子发展方向将是提 高容量和工作频率、降低通态压降、减小驱动功率、改善动态参数和多功能化。 总之随着电力电子器件的发展将会日新月异，电力电子技术的未来将充满生机b 1 。 1 2p w m 控制技术的发展 p w m 控制技术一直是变频技术的核心技术之一，1 9 6 4 年a s c h o n u n g 和 h s t e i l l m l e r 首先把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用 开辟了新的局面。 脉宽调制( p w m ) 技术的发展和应用优化了变频装置的性能，变频调速系统采 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 制逆变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。脉宽调青i ( p w m ) 技术种类很多，并且正在不断发展之中。基本上可分为四类，即等宽p w m 法、正 弦p w m 法( s v w m ) 、磁链追踪型p w m 法及电流跟踪型p w m 法。p w m 技术的应 用克服了相控原理的所有弊端，使交流电动机定子得到了接近正弦波形的电压和 电流，提高了电机的功率因数和输出功率。现代p w m 生成电路大多采用具有高速 输出口h s o 的单片机( 如8 0 c 1 9 6 k c ) 及数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) ( 如t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 舢，通过软件编程生成p w m 。近年来，新型全数字 化专用p w m 生成芯片h e f 4 7 5 2 、s l e 4 5 2 0 、s a 8 6 6 、m a 8 1 8 等达到实用化，也 取得了很好实际应用效果。 1 3 现代电机变频控制技术的发展 早期通用变频器如东芝t o s v e r t - 1 3 0 系列、f u j i f v r g 5 p 5 系列、s a n k e n 湖北工业大学硕士学位论文 s v f 系列等大多数为开环恒压频比( v f = 常数) 的控制方式其优点是控制结构 简单、成本较低，缺点是系统性能不高，比较适合应用在风机、水泵调速场合。 具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化：转矩响应慢，电势转矩利用率 不高，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等。对 变频器u f 控制系统的改造主要经历了三个阶段。 第一阶段： 1 八十年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量( 或称磁通轨迹 法) 。该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转 磁场轨迹为目的，这种方法被称为电压空间矢量控制。典型机种如1 9 8 9 年前后进 入中国市场的f u j i ( 富士) f r n 5 0 0 0 g 5 p 5 、s a n 州( 三垦) m f 系列等。 2 引人频率补偿控制，以消除速度控制的稳态误差。 3 基于电机的稳态模型，用直流电流信号重建相电流，如西门子m i c r o m a s t e r 系列，由此估算出磁链幅值，并通过反馈控制来消除低速时定子电阻对性能的影 响。 4 将输出电压、电流进行闭环控制，以提高动态负载下的电压控制精度和稳 定度，同时也在一定程度上求得电流波形的改善。这种控制方法的另一个好处是 对再生引起的过电压、过电流抑制较为明显，从而可以实现快速的加减速。之后， 1 9 9 1 年由富士电机推出大家熟知的f v r 与f r n g 7 p 7 系列的设计中，不同程度 融入了2 、3 、4 项技术，因此很具有代表性。三菱日立、东芝也都有类似的产品。 然而，在上述四种方法中，由于未引入转矩的调节，系统性能没有得到根本性的 改善“”。 第二阶段： 七十年代初由西德f b l a s s c h k e 等人首先提出矢量控制，也称磁场定向控制。它 以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，由此开创了交流电 动机等效直流电动机控制的先河。它使人们看到交流电动机尽管控制复杂，但同 样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。 矢量控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使 之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。但是，由于转 子磁链难以准确观测，阱及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到 理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足。此外，它必须直接或间接 4 湖北工业大学硕士学位论文 地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定予电流解耦控制，在这种矢量控制系 统中需要配备转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。仅管如 此，矢量控制技术仍然在努力融入通用型变频器中，1 9 9 2 年开始，德国西门子开 发了6 s e 7 0 通用型系列，通过f c 、v c 、s c 可以分别实现频率控制、矢量控制、 伺服控制。1 9 9 4 年将该系列扩展至3 1 5 k w 以上。目前，6 s e 7 0 系列除了2 0 0 k w 以下价格较高，在2 0 0 k w 以上有很高的性价比“2 1 “”。 第三阶段： 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 i r e c t t o r q u ec o n t r o l 简称d t c ) 。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、 磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制“”。 转矩控制的优越性在于：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速 信息；控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；所引入的定子磁 链观测器能很容易估箨出同步速度信息，因而能方便地实现无速度传感器化。这 种控制方法被应用于通用变频器的设计之中，是很自然的事，这种控制被称为无 速度传感器直接转矩控制。然而。这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机 参数的自动识别( i d e n t i f i c a t i o n 如同你的i d ) ，通过i d 运行自动确立电机实际的 定子阻抗互感、饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型 估算出电动机的实际转矩、定子磁链和转子速度，并由磁链和转矩的b a n d - b a n d 控制产生p w m 信号对逆变器的开关状态进行控制。这种系统可以实现很快的转矩 响应速度和很高的速度、转矩控制精度“。 1 9 9 5 年a b b 公司首先推出的a c s 6 0 0 直接转矩控制系列，己达到( 1 1 1 ) p k 湖北工业大学硕士学位论文 若_ t 。且一k 一万1 c 。时，k 。r 位于扇区； 当然这还不是最简练的表达，下面进行进一步的简化 定义： r ，= k k z = 圪一万1 k ，= 一k 一。疆1 k 再定义，若k 。 o ，则x = i ，否则x = o ； 若v r 2 o ，则y = i ，否则y = 0 ； 若k 3 o ，则z = i ，否则z = o ； 其组合共有八种，但由于判断扇区的公式可以知道x ，y ，z 不会同时为1 或 同时为0 ，所以实际组合是六种，x ，y ，z 组合取不同的值对应着不同的扇区， 并且是一一对应的，因此完全可以由x ，y ，z 的组合判断所在的扇区，为区别六 种状态m 1 令：s = x + 2 y + 4 z 则s 可为1 至6 六个整数值，正好与六个扇区一一对应如表4 1 表4 - 1s 与扇区对应关系 4 3 4 空间矢量作用时间计算 由参考电压矢量的合成及分解( 见图4 - 5 ) 可知： t p w m u o u t = t 1 u x + t 2 u x 6 0 + t o ( 0 0 0 0 0 r o x l 0( 4 3 ) 【t lt 2 = t p w m u xu 6 0 】4 u o u t( 4 - 4 ) 编程的基本思路就是先将6 个扇区对应6 个矩阵【u xu x + 6 0 4 ( x = 1 ，2 ，3 ，4 ， 5 ，6 ) 计算出来，存储在数据存储区，然后根据期望矢量所在扇区，选择所对应 的矩阵计算t 1 ，t 2 。 湖北工业大学硕士学位论文 4 3 5 控制系统框图和程序流程图 图4 - 6 为交流感应电机开环控制系统框图，图4 1 7 为系统程序流程图，其中国 4 7 a 为主程序流程图，图4 7 b 为中断程序流程图。在主程序中我们主要完成以下 任务： 1 输入期望的频率( 或者是角速度) ； 2 根据压频比值获得u o u t 的幅值； 3 设置定时器和比较寄存器； 4 更新显示，看门狗复位，执行死循环： 图4 - 6 交流感应电机开环控制系统框图 中断程序中完成的任务： 1 通过对角速度的积分获得u o u t 相位角o ； 2 判断0 所在象限和奄表得到s i n e 和c o s o ，计算u o u t 的d q 轴分量； 3 ，根据u d 和u 。判断u o u t 所在扇区； 4 分解u o u t ，获取t 1 ，t 2 & t o 所对应的比较值； 5 决定开关模式，重新装载比较寄存器的值； 4 1 湖北_ t - 业大学硕士学位论文 开始 系统初始化 初始化i o 端 口，g p 定时器 p w m 中断控制 初始化变最，标 志位复位 使能中断，清除 未用中断，使能 g p 定时器 后台任务：更新 殴定f ，v ，f 曲 线，更新显示 复位看门狗 p w m 中断 0 对速度积分得到 u o u t 的相角0 i 判断u o u t 所在象限 i 上 计算s i no 和c o s0 r 算u o u t 的交直轴分量 士 决定u 。输出所在扇区 0 计算t 1 ，t 2 & t o 所对应 的比较寄存器值 判断切换顺序并装载 比较寄存器 使能中断劳返回 图4 - 7 a 主程序流程图 图4 7 b 中断程序流程图 4 2 湖北工业大学硕士学位论文 第5 章实验结果 根据恒压频比变频调速原理，采用s v p w m 算法编制了汇编语言程序。并在 d s p 的p w m 输出口测得了控制波形，见图5 1 到图5 1 4 。由于研制交流直流调 速综合实验台项目任务较重，时间较紧，为完成整个项目研发任务，本课题在 研发过程中被停止，中途转入到交流直流调速综合实验台项目，主要参与设 计和调试了三相正弦波脉宽调制( s p w m ) 变频调速系统实验和双闭环控制的p w m 直流脉宽调速系统等实验，其中本课题设计的主电路、驱动等电路均在以上实验 中所使用，项目的产品已经出售，考虑到经济能力和时间的不允许再重新制作主 电路和驱动电路。因此设计的控制波形未能加载到主电路上调试，所测得的波形 均是在控制电路加r c 滤波获得的波形。 r c 滤波参数：r = 1 0 k ，c = 0 0 6 9 u f ； 测试仪器：美国泰克示波器t d s l 0 1 2 。 5 1 实验波形及分析 图5 1 到图5 - 5 是在控制端两相之间加滤波测得波形，可以近似的看成是线电 压波形，图5 1 到图5 5 分别为1 2 h z ，2 0 h z ，3 0 h z ，4 0 h z ，5 0 h z 线电压的波形， 波形的纵坐标都是每格5 0 0 m v ，我们可以看出随着频率的平滑上升，线电压的峰 峰值也逐渐上升，基本达到了在5 0 h z 以下的恒压频比变频调速。 图5 - 6 上下桥臂驱动波形，放大的波形我们可以看出在上下桥臂切换时，存在 明显的死区，该系统设计的死区为3 2 u s ，死区的大小可以通过修改死区控制寄存 器d b t c o n x 的值进行调节。 图5 7 到图51 0 分别6 0 h z 、7 0 h z 、8 0 h z 、9 0 h z 线电压波形，图5 1 1 到图5 1 4 分别6 0 h z 、7 0 h z 、8 0 h z 、9 0 h z 相电压波形，无论是从相电压还是线电压我们都 可以看出6 0 9 0 h z 电压幅值基本保持不变，实现恒功率调速。 总之，从以下实验波形我们可以看出，设计的算法和编制的程序基本达到了 控制系统所要求的恒压频比性能。 4 3 湖北工业大学硕士学位论文 图5 - 11 2 h z 线电压波形 图5 03 0 h z 线电压波形 图5 - 55 0 h z 线电压波形 图5 - 22 0 h z 线电压波形 图5 - 34 0 h z 线电压波形 图5 - 6 上下桥臂死区波形 湖北工业大学硕士学位论文 图5 76 0 h z 线电压波形 图5 87 0 h z 线电压波形 图5 - 98 0 h z 线电压波形 圈5 1 09 0 h z 线电压波形 国5 1 16 0 n z 相电压波形 图5 1 27 1 i - i z 相电压波形 湖北工业大学硕士学位论文 图5 1 38 0 h z 相电压波形图5 1 49 0 h z 相电压波形 湖北工业大学硕士学位论文 - _ _ _ _ - _ - _ _ _ - 一ii _ _ - _ _ - _ _ _ _ - l _ - - l _ _ _ i _ - - - - _ - - _ _ _ l _ _ _ - _ i _ l _ _ - - l - _ _ - - - _ _ - _ - - 一 第6 章d s p 用于双馈调速的探讨 所谓双馈调速，就是将电能分别馈入绕线式异步电动机的定子绕组和转子绕 组，其中定予绕组的电源为固定频率的工业电源，而接入转子绕组电源的频率、 电压幅值和相位则需按运行要求分别进行调节，因此双馈电机又称为交流励磁电 机。如果改变转子电源电压的幅值和相位，就可以调节异步电动机的转矩、转速 和电动机定予侧的无功功率。这种双馈调速的异步电动机不但可以在亚同步转速 区运行，而且可以在超同步转速区运行，既可以工作在电动状态，也可以工作在 发电状态，因此双馈调速也口q 超同步串级调速。对双馈调速的研究是我导师刘群 教授近年来科研的重点，而将双馈调速用于大中型泵站电机提速排渍工业实验 也是湖北省教育厅“重大”科技攻关项目。由导师牵头的科研组在去年1 0 月顺利完 成了对1 7 0 千瓦泵站电机的超，f 氐同步调速的1 ：业实验，这是国内外泵站调速史上 的一个首创。由于本人的能力和精力有限不可能作很深入的研究，只是做一些d s p 用于双馈调速的探讨。因此本章内容是从总结双馈调速用于泵类负载超低同步调 速的特点入手，提出了一种电机转子感应电势检测的解决方案，进雨给出了基于 d s p 控制的双馈调速系统框图和一些相关算法。 6 1 双馈调速的特点 根据导师的指导和上一届师兄研究的结果，可以知道双馈电机用于泵类负载 超低同步调速有以下一些特点： 1 励磁频率低。转子感应电势的频率f z = s f l ，其中s 是转差率，f l 为电网频 率，一般s 都比较小，使转子感应电势的频率较低，而双馈电机是从转子侧励磁的， 变频器的输出频率即为转子感应电势的频率，因此采用双馈调速的系统其励磁频 率都比较低“”。 2 转子侧的功率“可逆”。当双馈调速系统在同步转速以下运行时，这时的功 率关系为：p 1 = p 。+ p ；，其中，p ，为电磁功率，即从电网上取得的功率；p m 为转轴机 械功率；p ；为转差功率，p s = s p - 。由于这时的s 0 ，p i 0 ，故p ； o ，转予侧功率经过 励磁电源回馈给电网；当双馈调速系统在超同步状态下运行时，这时的功率关系 4 7 湖北工业大学硕士学位论文 为：= p 1 + p s 。由于这时的s o ，故p ， o ，转子励磁相序与电机定子侧的相序相同；当双馈调速运行在超同步状态 时，由于s 0 ，说明定子同 步旋转磁场比转子旋转的快，电机处于低同步运行状态；当( o l 蛐，c o s 0 说明转子 转速比定子旋转磁场转的快，电机处于超同步运行状态；当l = 蛾，c o s = 0 ，说明电 机处于同步运行状态。随着电机运转状态的改变，转子感应电势的大小，相序及频 率均在改变，而且转子感应电势的波形不易取出，所以直接检测转子感应电势难度 较大，常常采用间接检测的方法”“”。 根据电机学知识我们可知： 。：盟( 6 - 1 ) p s 。竺竺( 6 2 ) 门1 ，2 一s f , ( 6 - 3j 其中f 2 为转予感应电势频率，f 1 为定子电势频率即电网频率5 0 h z ，s 为转差率， n t 为电机同步转速，n 为电机转速，p 为磁极对数，显然对于一个确定的电机，n t ， n ，均为常数，要检测f 2 只需要检测电机转速n ，根据公式( 6 2 ) 计算出转差率s ， 再根据公式( 6 3 ) 就可以计算出转子的感应电势的频率f 2 。 转速的测量采用增量式旋转脉冲编码器e 6 8 2 c w z 6 c ，它由发光二极管( 光 源) 、光电接收器和编码盘组成，全封闭式结构。将它与电机轴相连接，电机每旋 转一圈，编码器输出3 6 0 个“a 、b 两列转速脉冲”和一个“零位脉冲”信号。因此， 使用编码器能将电机的角速度检测进一步转化为脉冲计数。 在d s p 的每个事件管理模块中都有一个正交编码脉冲电路，当该电路使能后， 可以在编码和计数引脚q e p l 和q e p 2 ( 对于e v a 模块) 或q e p 3 和q e p 4 ( 对于 e v b 模块) 输入正交编码脉冲。即将旋转编码器输出的a 、b 脉冲连接到编码器 的q e p l 和q e p 2 引脚，d s p 的编码脉冲电路自动的利用每个a 、b 信号脉冲的4 个沿( 2 个上升沿和2 个下降沿) 对输入信号进行4 倍频，这样提高了分辨率。利 湖北工业大学硕士学位论文 用计数器t 2 c n t 对输入的4 倍频编码脉冲进行增或减计数，通过定时计数的方式 就可以求得电机的转速，从而计算出转子感应电势的频率。 6 2 2 相位检测及仿真研究 根据电机定、转予相绕组轴线重合时转子感应电势e ：相位与定子感应电势e ， ( e 1 。u 1 ) 相同的原理。在安装编码器的时候使编码器在定、转子相绕组轴线重 合时发出“零位脉冲”信号，即编码器“零位脉冲”输出时定、转子感应电势相同。根 据此原理设计了转子相位过零时刻捕捉电路，其原理框图见图6 - 1 ，它将电机定子 的a 相同步电压信号经“过零比较器”转换为方波信号作为d 触发器的时钟c p 输 入，将编码器输出的零位脉冲作为d 触发器的信号输入。这样，只有当过零比较 器输出的上升沿和“零位脉冲”的上升沿同时输入到d 触发器时，q 才有输出。也 就是说，当q 有输出时，定、转子感应电势的相位都为零，将q 输出信号连接到 d s p 的捕获引脚c a p 3 上，通过捕获中断启动励变电源，即此时a 、b 、c 初相分 别设为0 * c 、1 2 0 6 c 、2 4 0 6 c ，这样就可以实现励变电源和转子感应电势的相位同步， 再根据频率信号f 2 ，控制励变器输出就可以实现励变电源对转子感应电势的跟踪。 图6 1 转子感应电势检测原理框图 我们针对转子过零捕捉电路进行了m u l t i s i m 仿真。电机为八极电机，定子电 压频率f l = 5 0 h z ，同步转速n 1 = 7 5 0 转分，转子转速n = 7 2 0 转分，转差s - - 0 0 4 ，转 子感应电势的频率为f 2 = s f l = 2 h z 。图6 - 2 是仿真波形；其中图6 2 a 是定子a 相瓦 湖北工业大学硕士学位论文 步信号及过零比较后的方波信号波形；图6 2 b 是转子感应电势和编码器发出的“零 位脉冲”；图6 w 2 c 是捕捉到的输出波形。从仿真波形可以看出当过零捕捉电路有信 号输出时，刚好是编码器发出“零位脉冲”的时刻，此时定、转子感应电势相位均为 零，实现了对转子零相位的捕捉。 ”# 籍c , - ： 墨 一 乱篡 m = 如 ：。! ：鉴 图6 2 a 同步电压信号和过零比较后的波形 图6 2 b 转子感应电势和零位脉冲波形 莲 蕊 瑟栏簧 。尊、 il s ：o“产 一”| “一，“ 曩：l = 二錾 5 。 n 。3 图6 2 c 捕捉电路输出波形 - h j ， 。 p 一 一 | | l 二 一 。 # 一 一焉一| 。卜一洲”。唆 湖北工业大学硕士学位论文 6 3 双馈调速系统设计 6 3 1 系统控制框图 根据双馈调速的特点及其文献【4 7 】，设计双馈调速的系统控制框图，如图6 - 3 ， 从框图我们可以看出系统通过m - t 轴分解和矢量控制，电机定子有功和无功分别 得到了独立的控制，系统可分为以下6 个部分”“5 ” 工频电网 图6 3 双馈调速系统控制框图 1 功率控制环，定子侧有功功率p 1 和无功功率q 。与期望的有功功率p ，+ 和无 功功率q - 。相比较，再通过p l 调节器形成有功电流和无功电流的期望值k ，i m 2 ； 2 电流控制环，将转子有功电流i n 和无功电流i m 2 与期望的有功电流i t 2 和 无功电流i m 2 + 相比较再经过p i 调节器得到期望的有功电压v t 2 和无功电压v m 2 ； 3 气隙磁通观测部分，通过对定子电流、电压及转子角速度的检测估算出气 隙磁通的位置，从而建立m t 坐标轴： 4 定子有功和无功的检测部分，通过对定子电压和电流的检测从而计算出定 子的有功功率和无功功率： 5 转子电流检测，转子电流通过克拉克变换( 3 2 变换) 和派克反变换( 旋转 变换) 得到转子有功电流k 和无功电流i m 2 ； 6 变频器控制，转子有功电压和乖功电压经过派克变换后得到转子d q 轴分 湖北工业大学硕士学位论文 量v r ，v q + 通过这两个分量就可以实现对逆变器的s v p w m 变频控制。 6 3 2 系统部分软件设计 1 旋转变换 旋转变换在系统中两次用到，也是矢量控制系中常用到的变换，它将固定 a b 轴变换到同步旋转的m t 轴，旋转变换的方程为： 圈i s m l = 孟c 西。婶s 妒帐q 旋转变换程序为 l d p 拌4 ；指向b 0 块的0 页 1 i s m 。d ：i s m 存储到t r e g ，d 3 格式 m p y c o s _ t h e t a _ r f ； s p m1 ； l t p i s b _ c m d ； m p y s i n _ t h e t a _ r f ； m p y s c o s _ t h e t a _ r f ； s a c h i s m _ c m d ； l t p i s ac m d ； m p y s i n _ t h e r a _ r f i a p a c ： s a c hi s tc m d ； s p m ： r e t ： 2 数字p i 算法 在控制系统中的有功分量，无功分量的调节以及转子有功电流和无功电流的 调节均用到p i 调节器，即比例积分调节器，在d s p 对电机控制时，使用数字p i 调节器，也就是说用软件取代硬件实现p i 调节。离散化处理后数字p l 调节器的算 法： ， 湖北工业大学硕士学位论文 式中 “t t 一第k - 1 次采样时刻的输出值： e t 一，一第k 1 采样时刻输入的偏差值： k l ，k 2 为系数； 实际中控制器的输出量还要受一些物理量的极限限制，比如额定电流、最大 占空比的摄大值和最小值等，因此对输出量还需要检验是否超出极限范围。为了 消除积分饱和带来的不利影响，应采用防饱和p i 调节器，程序流程图如图6 4 图6 - 4p i 调节器程序流程图 从系统框图和各环节要完成的功能，我们可以看出双馈调速控制系统是一个 较为复杂控制系统，然而t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片作为一种专为电机控制设计的专用 芯片，它不仅具有高速的数字信号处理能力和强大的f o 控制功能，能够在较短的 时间内完成p i d 算法、克拉克算法、派克算法、以及s v p w m ( 或s p w m ) 调制 算法，而且内部集成了a d 转换、事件管理模块、正交编码电路等电机控制特有 的功能模块，使控制系统结构进步简化和紧凑。因此应用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片 能够较好实现对双馈调速系统的控制。 - 湖北工业大学硕士学位论文 结语 本课题应用电机专用数字控制芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，采用s v p w m 控制算 法，针对教学实验用电机，主要做了以下工作： 1 分析和总结电力电子器件，p w m 控制技术，变频调速技术的现状与发展。 2 根据正弦脉宽调制和空间矢量脉宽调制的原理对它们的特点以及两者的区 别与联系进行了归纳。 3 对d s p 控制的变频系统硬件电路进行了设计：其中包括主电路，驱动电路， 控制电路及扩展电路，电流检测及保护电路和挂箱面板框图等。 4 软件的设计：采用恒压频比原理和s v p w m 控制算法编制了汇编语言程序， 并在p w m 输出口经过滤波后测得了1 2 h z 一9 0 h z 较宽频率范围的控制波形。 5 对d s p 用于双馈调速进行了探讨，提出了一种解决电机转子感应电势检测 的方法，并采用m u l t i s i m 仿真得到了波形，给出了基于d s p 的双馈调速控制系 统框图。 出于本人能力有限，而对d s p 的学习也主要靠个人的摸索，走了不少弯路， 其中在做课题期间又参与了大中型泵站电机提速排渍工业实验和交直流调 速综合实验台两项科研项目，占用了较多时间，因此本设计还有很多工作需要 进一步研究和完善。 1 虽然得到了控制波形，但还需要带主电路和电机负载进行调试和实验验证。 2 提出了一种转子感应电势检测解决方案，设计了电路框图，还需要进一步 进行电路调试验证。 3 给出双馈调速系统控制框图及部分算法，但是还需要很多更深入的研究和 设计开发。 总之，随着工业和电机控制系统要求的不断提高，一些以前很难实现高级算 法，如电机的矢量控制、直接转矩控制、系统最优控制，自适应控制正在不断进 行开发和研制，而德州仪器公司推出的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x a 这一系列的电机专用控制 芯片，正好满足了这一市场的需求，因此无论在今后工作还是学习中，都会对电 机的d s p 控制进行更深入的研究和开发。 由于本人水平有限，文中错误与不足之处再所难免，恳请各位专家、教授、 老师批评指正。 湖北工业大学硕士学位论文 致谢 论文是在导师刘群教授的精心指导下完成的，在研究生学习过程中，导师给 予我各方面的关怀、指导和支持。在学习上，导师严谨治学作风，诲人不倦的教 学态度给予学生留下了深刻的印象；在论文的选题、开题阶段，导师基本上每天 都会亲自到实验室为我们答疑解惑，常常组织我们分析问题，讨论问题，让我们 发挥团队的力量，从多方面考虑问题，解决问题，一起攻坚科研难题，这不仅开 拓了我们的视野，而且这将对我以后的工作、学习、生活都会有着极其重要的影 响；在论文的设计与调试阶段，导师丰富的调试经验和谆谆教诲使我们能够顺利 完成科研任务，少走了很多弯路；在论文的发表及完稿阶段，导师细心的修改和 审阅，提出了很多宝贵的经验；在生活上导师也是给予了我悉心的关怀，而且为 我们提供了舒适的工作条件，使得我们能够j i l 哽n 的完成论文，在此向导师刘群教 授表示最崇高的敬意。 在学习和课题进行的过程中，也福到了课题组廖冬初教授和张杰老师的大力 支持，教会了我不少东西，对自己的研究启发很大，在此表达诚挚的谢意。同时， 我也得到了李德华、张治国、李瑾等同学的帮助，让我在毕业设计中少走了弯路， 在此一并感谢。 最后，感谢我的家人、朋友在生活和学习中对我的鼓励与支持，深深地祝福 他们。 叶小风 2 0 0 5 年4 月 湖北工业大学硕士学位论文 参考文献 【1 】周志敏电力电子器件与现代电力技术大众用电， 2 0 0 4 ( 8 ) 2 1 2 2 【2 j 蔡宣三电力电子器件的模块化与集成化今日电子，2 1 3 0 4 ( 9 ) - 3 9 4 2 f 3 】杨青电力电子技术及变频调速的最新发展动态机电一体化2 0 0 4 ，l o ( 4 ) 9 1 1 【4 】蒋超，陈海民电力电子器件发展概况及应用现状世界电子元器件，2 0 0 4 ( 4 ) ，7 4 7 6 f 5 】赵朝会，王永田，王新威，邢俊敏现代交流调述技术的发展与现状中州大学学 报，2 0 0 4 ，1 ( 2 ) 1 2 2 1 2 5 【6