（电机与电器专业论文）基于dsp的pwm变频调速系统的设计.pdf

制程序。 本文最后给出了试验结果，开环运行试验结果表明，该 系统可以在0 - 5 0 h z 范围内平滑调速，在1 0 h z 以上具有较强 的带负载能力，以及抗干扰能力。 关键词：数字信号处理器，交流调速系统，智能功率模块， 脉宽调制，空间矢量p w m i i d e s i g no np w m 、渔r i a b l e f r e q u e n c y t 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 b s t r a c t t h e h i g h - s p e e dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ( d s p ) c a n c o m p l e t et h ec o m p l i c a t e dt h ea l g o r i t h mo fc o n t r o l ，a n ds u i tf o r t 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 曲p e r f o r m a n c e i nt h i s p a p e r , w es t u d i e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n m e t h o do ft h es p e e dc o n t r o l s y s t e mb a s eo nt h ed s pw h i c hi s p r o d u c e db y t h et i c o m p a n y t h es y s t e mi s c o m p o s e do f t h ep o w e rc i r c u i t ，p r o t e c t i n g c i r c u i t ，c o n t r o l c i r c u i t ，s a m p l i n g c i r c u i t t h e p o w e r c i r c u i t i n c l u d e sr t c t i f i c a t i o n ，f i l t e r i n g ，i n v e r s i o n ( i p m ) ，d r i v e o ft h e “、 ；t h e ；p r o t e c t i n g c i r c u i ti n c l u d e st h e o v e r v o l t a g e a n d u n d e r v o l t a g 一? p r o t e c t ，c u r r e n tl i m i t i n gp r o t e c t ，w r o n gp r o t e c t i o n o fi p m ，o v e 、r c u r r e n tp r o t e c te t c t h ec o n t r o lc i r c u i ti n c l u d e st h e n l s i m p l i s ts y s t e m ，t h e s c i ，s p ic i r c u i t ，t h ed e b u gi n p u t c i r c u i t ，p w mp u l s ep r o d u c e dc i r c u i t , t h ea d ，d ac i r c u i t t h e s a m p l i n g c i r c u i ti n c l u e d e st h ec u r r e n t s a m p l i n g ，v o l t a g e s a m p l i n g a n dt h es p e e d s a m p l i n gc i r c u i t o ns o f t w a r e p a r t ，t h o u g h t t h a ts v p w mi sb e t t e rt h e n s p w m0 1 1t h eh i g hv o l t a g eu s i n gr a t e ，a n di ti sm o r ef i tt ob e u s e do nt h en u m e r a lc o n t r o ls y s t e m i nt h i sp a p e rw e g i v eo u ta m o t o rc o n t r o l p r o g r a m m e b a s eo nt h e t h e o r y o fo p e n - l o o p s v p w m a t l a s t ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l tp r o v e st h ec o n t r o ls y s t e mc a n b eu s e df r o m0t o5 0h z ，a n di th a s s t r o n gl o a dp e r f o r m a n c e w h e nt h ef r e q u e n c yi sa b o v e10h z 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 r m 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 e v e c t o rp w m 太原理i 大学顶+ 研究生学位埝文 第一章绪论 1 1 变频调速系统的发展 氏期以来，由于直流电机的电枢磁势与电机的励磁正交，进而电 橛电流和磁通可以分别控制，因而直流电机转速的调节性能和转矩的 控制性能比较理想。但是，直流电机结构中存在着换向器、电刷等器 件，使其在电机容量、转动惯量、以及维护等方面受到了限制，不能 向大型化发展，更不可能在快速性、可靠性、免维护及节能等方面进 一步提更高的要求。交流鼠笼型异步电动机由于结构简堆、坚固俐用、 惯量小、运行可靠、很少维护、原材料消耗小、制造成本低、可以用 于恶劣环境等优点，因而得到了广泛的应用。但是，由于异步电动机 是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象，磁通和转矩耦合在一起， 不像直流电机那样，磁通和转矩可以分别控制，所以一直没有获得高 性能交流调速系统，只是到了七十年代，交流调速才有了突破性发展。 1 9 7 1 年，e c 。c u s t m a n 和a a c l a r k 申请了美国专利“感应电机定子电 压的坐标交换控制”，同年，德国西门子公司的e b l a s h k e 和w f 1 0 t o r 提出了“感应电机磁场定向的控制原理”，即用矢量变换的方法研究交 流电机动态控制过程，实现了以转子磁通定向为基础的磁通和转矩的 解耦控制，使交流传动系统的动态特性有了显著的改善，开创了交流 传动的新纪元。随后又提出了许多改进的方法，如转差矢量控制、标 量解耦控制等【1 翻。其中，转子磁通的大小及位置能否精确的测量是矢 量变换解耦的关键，一般可用直接法或间接法获得磁通，较常用的是 阃按法，但是其较多地用到了随温度而变的转子电阻及随工况发生变 太啜理工大学硕士研究生学位论文 化的电感参数控制精度及系统的动静态特性受参数变化的影响许 多文献已报告了有关这类参数的实时辨识( 或补偿) 问题，但各种 b 偿方案的引入使系统更为复杂，可靠性降低，并且系统本身也需要大 量复杂的计算，如：坐标变换，相位变换等【3 - 7 1 。 1 9 8 5 年德国m d e p e n b r o c k 教授提出了一种新的方法直接 转矩控制法，该控制方法跳出了交流传动技术研究的传统思维框框， 不去考虑如何通过解耦，将定子电流分解为励磁电流分量和转矩电流 分量，而是取消坐标变换，简单的通过检测到的定子电流和电压，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 得的差值，实现磁链和转矩的直接控制，从而使得直接转矩控制异步 电机调速系统线路简单，并可望得到很好的动态性能。可以说交流电 机调速理论从恒压频比控制法到矢量控制法是一个飞跃，直接转矩控 制理论的诞生使调速技术进入了一个新的发展阶段 8 。9 1 。 在交流传动中为达到高精度转速闭环控制，速度传感器是必不可 少的，但又经常遇到传感器发生故障或在某些情况下速度传感器很难 安装等问题，因此，常希望能够取消速度传感器，但又不能降低性能。 很多学者也开展了无速度传感器交流调速系统的研究，但大都侧重于 在矢量控制中的应用，主要是对滑差的求取【1 0 】。德国学者u w eb a a d e r 等人在1 9 8 9 年把无速度传感器引入了转矩控制系统中。也有学者用 卡尔曼滤波器【圯1 和模型参考自适应等方法估算异步电机转速，并在 矢量控制中应用。 随着各种控制策略的不断提出，逆变器高频开关特性要求也越来 越高，同时也迫切需要高速的处理器来实现复杂的控制规律。因此具 有高频开关特性的电力电子器件盼及高速的处理器成为高性能调速系 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 统的两大物质基础。 1 2 电力电子器件、微处理器发展概况 在现代电机控制系统中，无论是直流电机控制还是交流调速系统， 都需要可控的电源。在2 0 世纪5 0 年代，可控电源都是旋转变流机组， 控制器件都是电磁器件，整个控制设备庞大而笨重。5 0 年代末出现了 静止的电力电子变流装置以后，逐步解决了变流装置的减少设备、缩 小体积、降低成本、提高效率、消除噪声等问题，使电机控制系统获 得了飞跃发展，从此“电子”进入了强电领域，电力电子器件成为弱 电控制强电的纽带，电力电子变流器成为电机控制系统的核心。矢量 控制技术的提出，提高了交流调速系统的静、动态性能，但是要实现 矢量控制，如用复杂的模拟电子电路来实现，其设计、制造和调试都 很麻烦，有些计算功能根本无法实现。采用微处理器控制以后，用软 件实现矢量控制算法，使硬件电路规范化，既降低成本，又提高了可 靠性。由此可见，电力电子器件和微处理器的应用是现代交流调速系 统发展的两项必备的物质基础，电力电子器件和微处理器的迅速发展 是推动交流调速系统不断更新的动力。 5 0 年代末，第1 个普通晶闸管( s c r ) 在美国通用电气公司的实验室 诞，主，标志着现代电力电子技术的开端。近2 0 年来，电力电子器件的 发展菲常迅猛，从只能触发导通不能控制关断的半控型器件( 如晶闸 管) ，到可以控制导通和关断的全控型器件；从电流控制到电压控制( 场 控) ；从低频开关到高频开关；从单片元件到模块化、集成化；从小功 率( 1 m w ) 。新一代的器件带来新一代的变流器，又 推动了新一代电机控制系统的产生，成为现代电机控制技术发展的先 3 太原瑾工大学硕士研究生学位论文 锋。 晶闸管是初期可控交流装置采用的主要器件，由于它只能触发导 通不能控制关断，所以是半控器件，用于可控整流很适合，若用于可 控的逆变器，就需要强迫换流电路，使装爱复杂化。因此7 0 年代以后， 人代陆续研制出各种全控器件用于交流调速系统，常用的全控器件有 p m o s f e t 、b j t 、g t o 和i g b t 等。其中b j t 和g t o 是电流控制型， 而p m o s f e t 和i g b t 是电压控制型，即场控器件。 卜m o s f e t 的优点是驱动功率小、开关时间短、安全工作区宽，几 乎没有二次击穿效应，可靠性较高：其缺点是导通压降大，只适用于 j 高频小功率的应用场合。b j t 的很多特征和p m o s f e t 相反，其主要 缺电是开关期间可能发生局部过热的二次击穿，使器件损坏，其开关 频率低05 k h z ，因此噪声较大。g t o 主要用于数千v a 的大容量变流 嚣，如电气机车、大型轧钢机、矿井卷扬机等。近年来，国产的g t o 已经做到2 5 0 0 v 、2 0 0 0 a 的水平，而三菱公司已推出6 0 0 0 v 、6 0 0 0 a 的 水冷g t o 器件，但配置恰当的驱动电路和缓冲电路是g t o 应用中的 两大难点。8 0 年代出现的i g b t 融合了m o s f e t 和b j t 的优点，开关 频率高、m o s 门极驱动、导通压降小、安全工作区宽。i g b t 构成的 变频器噪音低，因此在中小容量应用已经逐渐取代b j t 。提高电压和降 低通态压降是发展i g b t 的主要矛盾，目前，新一代i g b t 的电压已经 提高到3 3 4 5 k v ，而导通压降为1 5 2 2 v 。在大功率电力电子器件中， 正在研制场控化的g t o ，即m c t ，目前研制样品虽已达到1 0 0 0 v 、1 0 0 a 的水平，但还处于研究开发阶段。另一种方案则是提高i g b t 的电压、 电流等级，目前也取得了些发展。由于各种开关器件的工作原理不 同，它们所能承受的开关功率和开关频率也不一样，一般来说，开关+ 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 频率越高的器件，允许的开关功率就越小，图1 1 给出不同器件的开关 频率，和开关功率p 的大致关系。由图可见，m o s f e t 的允许功率最 小而频率最高，i g b t 和b j t 次之，g t o 再次之，s c r 的功率最大而 频率最低，向上的箭头表示允许功率在不断增加 2 1 。 图卜i 器件容量与开关频率之间的关系 f i g 1 - 1t h e c o n n e c t i o no f t h e d e v i c ec a p a b i l i t ya n d w i t c h f r e q u e n c y 随着超大规模集成电路制造技术的提高，电力电子技术领域的新 趋势是发展功率集成电路( p i c ) ，将电力电子器件和驱动电路、保护电 路、一部分检测电路、甚至和微机的接口电路等集成在一个芯片内， 使整个器件的可靠性大为提高，而且设备体积小、功能多、成本低， 用户省去设计驱动电路和保护电路的麻烦，使用起来大为方便。目前 p i c 只能达到低压小功率的水平，如智能功率模块( i p m ) ，作为p i c 的 过渡产品，在交流变频调速器中己被大量使用。本文实验部分就是采 用三菱公司的i p m ( p m 2 5 r s b l 2 0 ) ，该模块耐压为1 2 0 0 v ，额定工作电 流为2 5 a ，开关频率为2 0 k h z ，可用于2 2 k w 的三相变频功率输出。 其内部集成了驱动和保护电路，使硬件电路设计和开发变得简单可靠。 在现代交流调速系统中，由模拟电子电路构成的模拟控制己经不能 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 适应复杂的控制策略和大量数据 l 算的需要。由微处理器为核心的数 字控制已经成为交流调速控制器的主要形式。微处理器构成的数字控 制优越性表现为【1 4 】： 1 ) 控制器的硬件电路标准化程度高、成本低、可靠性高。 2 ) 控制软件可以根据需要替换、修改或移植，灵活性大，稳定性好。 3 ) 信息存储、诊断和检控的能力不断提高，随着c p u 运算速度的存储 容量的提高，能够实现各种新型的复杂控制策略。 早期用于电机控制的微处理器是各种类型的单片机，它是在一块芯 片上集成了中央处理单元( c p u ) 、只读存储器( r o m ) 、随机存储器 ( r a m ) 、输入输出接口、可编程定时器计数器等。可分为5 1 和9 6 系 列，以下分别介绍： m c s 5 1 系列，它是i n t e l 公司在m c s 一4 8 系列单片机基础上推出的 高性能8 位单片机。其主要特点： 1 ) 硬件功能：4 - 8 k b 内部r o m ，1 2 8 2 5 6 br a m ，外部寻址范围为 6 4 k b ，5 个中断源，2 个1 6 位定时器计数器，3 2 个t o 口。 2 ) 软件功能：丰富的指令集，内部位处理器，特别适用于逻辑处理和 控制。 3 ) 外部晶体振荡频率为6 - 1 2 m h z ，指令周期为l l x s 。 m c s 9 6 系列，它是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速、 高精度的工业控制，由i n t e l 公司1 9 8 3 年开发生产，其主要特点如下： 1 ) 1 6 位c p u ：改变了以往的累加器结构而采用寄存器一寄存器结构， c p u 可直接对它们进行操作，消除了累加器造成的瓶颈效应，提高 了操作速度和数据吞吐能力。 2 ) 高效指令系统：有3 2 位操作。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 1 内置1 0 位a d 转换器，8 通道或4 通道。 4 ) 脉宽调制( v w m ) 输出：可作为电机控制，驱动或d a 转换用。 5 ) 可动态配置的总线。 6 ) 2 个1 6 位的定时器计数器。 该系列可产生3 对独立的p w m 信号，适合于交流感应电机控制， 在一般的变频器中很多采用这种单片机。这类单片机具有丰富的硬件 和软件资源，也可以用于实时控制，但是当需要大量数据计算处理或 浮点运算，对快速性要求较高时，则能力不足。为了进一步提高运算 速度，特别是对矢量控制这种具有复杂的控制方案和数据计算的场合， 8 0 年代初出现了数字信号处理器( d s p ) 。 数字信号处理器( d s p ) 是一种高速专用微处理器，运算功能强大， 能实现高速输入和高速率传输数据。它专门处理以运算为主且不允许 迟延的实时信号，可高效进行快速傅里叶变换运算。其主要特点如下： 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线同时访问两块不 同的区域。 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持 6 ) 具有单周期内操作的的多个硬件地址产生器。 7 ) 可以并行执行多个操作。 8 ) 支持流水线操作，使取指令、译码和执行等操作可以重叠执行。 由于具有以上特点，数字信号处理器在交流电机数字控制领域得 到了极为广泛的应用。其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处 7 太原理工大学硕工研究生学位论文 理及控制、观测算法。 目前，d s p 芯片的主要供应商包括美国德州仪器公司( t 1 1 、a d 公 司和m o t o r o l a 公司等。其中t i 公司的d s p 芯片约占世界d s p 芯片市 场的5 0 ，下面分别给与介绍： t i 公司系列d s p ：t i 公司于1 9 8 3 年推出了t m s 3 2 0 c 1 0 芯片，现 在已发展出一系列产品：c 1 0 c 1 4 一c 2 5 一c 3 0 3 l c 5 0 c 8 0 。其特点 为：极高的指令执行速度，大多数为单周期指令，特别适合于大量的 加乘运算，指令周期可达2 0 n s 。t i 公司还于1 9 9 7 年推出了用于电机控 制的t m s 3 2 0 c 2 4 0 x 数字信号处理芯片，这一高度集成化的器件代表了 传统微处理器及通用d s p 处理器方案的重大突破，使易制造的交流电 机的直接驱动及调速控制成为可能。c 2 4 x 具有实时运算能力，并集成 了电机控制外围部件，使设计者只需外加较少的硬件设备，即可构成 最小目标控制系统，从而可以降低系统费用及产品成本。 c 2 4 0 含有操作速率为2 0 1 0 6 条指令每秒的c p u ，片内还有1 6 k 字 程序存储器( r o m ) 闪烁存储嚣：( f l a s h ) 、5 4 4 字数据存储器、双1 0 位a d 转换器：它包含同步串行外设接口( s p i ) 、异步串行通信接口( s c d ，备 有4 种掉电模式，采用基于仿真头( j t a g ) 扫描的仿真技术：它提供的 脉宽调制( p w m ) 及i o 接口可以用于驱动各种类型的电机；它包含了3 个定时器和9 个比较器，并辅以灵活的波形发生逻辑，可产生多达1 2 路p w m 输出：它还支持对称和非对称的p w m 生成能力以及空间矢量 p w m 状态装置，以实现功率开关器件的优化方案；它能以较低的功耗 延长使用寿命，它还包括死区发生单元，从而有助于保护功率器件； 此外，时间管理器集成了4 个接收输入端，其中2 个可用于光电编码 器正交脉冲的直接输入。总之，t m s 3 2 0 c 2 4 0 x d s p 芯片具有较低的价 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 位，但具有实时快速运算能力，并集成了电机控制外围部件，使得其 性能价格比较高，构成的实际系统很有推广的应用的价值。 a d 公司系列d s p 芯片：美国a d 公司在d s p 芯片市场上占有一 定的份额，与t i 公司相比，a d 公司的d s p 芯片另有自己的特点，如 系统时钟一般不经分频直接使用、串行口带由硬件压扩、可从8 位 e p r o m 引导程序、具有可编程等待状态发生器等。 a d 公司的d s p 芯片可以分为定点d s p 芯片和浮点d s p 芯片两大 类，a d s p 2 1 x x 系列为定点d s p 芯片，a d s p 2 1 x x x 系列为浮点d s p 芯 片。a d 公司的定点d s p 芯片的程序字长为2 4 位，数据字长为1 6 位。 运算速度较快，内部具有较丰富的硬件资源，一般具有2 个串行口、 一个内部定时器和3 个以上的中断源，此外还提供8 位e p r o m 程序引 导方式，并具有一套高效的指令集，如无开销循环、多功能指令等。 a t & t 公司d s p 芯片：a t & t 公司是第一家推出高性能浮点d s p 芯片的公司。a t & t 公司的d s p 芯片包括定点和浮点两大类。定点 d s p 芯片中有代表性的主要包括d s p l 6 、d s p l 6 a 、d s p l 6 c 、 d s p l 6 1 0 和d s p l 6 1 6 等。浮点d s p 芯片中有代表性的主要包括d s p 3 2 、 d s p 3 2 c 和d s p 3 2 1 0 等。 a t & t 定点d s p 芯片的程序和数据字长均为1 6 位，有两个精度为 3 6 位的累加器、一个深度为1 5 字长的高速缓存( c a c h e ) ，支持最多1 2 7 次的无开销循环。 。 以上是各个d s p 芯片的特点，由于d s p 具有独特的软硬件结构， 在美国，其应用己经发展到控制领域。d s p 高速强大的数据处理能力， 使系统采样频率的提高不再成为障碍，在高速控制中，d s p 不仅可以 进行信号检测、逻辑运算和高速数据传输，还可以在闭环控制中对控 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 制信号进行调节、滤波以及高速运算，在机器人等数据密集控制系统 设计中，有较强的优势。利用4 片t m s 3 2 c 2 x 构成的多处理器系统的 运算速度可达每秒千万次，可用于神经网络信号的处理。目前d s p 在 控制中主要应用在伺服控制中。当前磁盘驱动器盘片的旋转控制和磁 头定位控制，都是采用数字伺服与系统控制技术，是建立在复杂的数 学模型基础之上，通过大规模的矩阵运算来实现，具有强大数据处理 能力的d s p 是必不可少的关键性器件。美的集团利用t m s 3 2 0 c 2 4 x 的 数字变频信号处理技术开发的全直流数字化变频空调解决了变频设计 上的一系列技术瓶颈，由于采用数字直流电机，可在1 0 2 0 h z 的低频 下启动，实现无级调速，比普通空调节能5 0 以上。在使用寿命上， 定速空调启动电流是正常运转时的2 3 倍。而采用d s p 数字化处理技 术的全直流变频空调可实现零电流冲击启动，使压缩机在频繁启动中， 避免最大电流冲击，从而使空调寿命( 压缩机) 延长了l 3 。鉴于d s p 在 工业现场的巨大应用前景，i c a s s p l 9 9 9 年决定建立i d s p ( i n d u s t r y d s p l 分委员会，这一计划得到了i n t e l 的t o mg a r d s 和m o t o r o l ab r u c ef e t t e 的支持。d s p 特殊的低功耗特性有利于开发便携式数据监视设备，同 时可大大提高发电厂和炼油厂等远程数据监控设备的可靠性。随着d s p 引起越来越多控制界人士的注意，新的应用领域将不断出现。 1 3 国内外交流调速现状 1 3 1 国外现状： 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 i o 太原理工大学硕士研究生学位论文 机变频调速技术方面，意大利a b b 公司提供了单机容量为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 ta 电流型晶闸管变频调速设备单机容量为1 0 2 6 0 0k v a 和 s i m o v e r tpg t op w m 变频调速设备单机容量为10 0 。9 0 0k 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 流变频调速技术方面，日本富士b j t 交频器最大单机容量可达 7 0 0 k v a ，i g b t 变频器已形成系列产品，其控制系统也己实现全数字 化。 国外交流交频调速技术高速发展有以下特点。 1 ) 市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短 缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、 食品等各个行业以及风机、水泵等的节能场合，已取得显著的经济 效益。 2 ) 功率器件的发展。近年来高电压、大电流的s c r 、g t o 、i g b t 、i g c t 等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高低压、大功率 变频器产品的生产及应用成为现实。 3 ) 控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、 模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础：1 6 位、3 2 位高速微处理器以及信号处理器s p ) n 专用集成电路( a s i c ) 技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能提供了硬件手段。 4 ) 基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、专 业化生产。 太原理_ 1 = 大学硕士研究生学位论文 1 3 2 国内现状 从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距1 0 1 5 年【”】。在大功率交交、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起动及运行、大容量风 机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬方面有很大需求。在中小功率变频 技术方面，国内学者作了大量的变频理论的基础研究，早在8 0 年代， 已成功引入矢量控制的理论，针对交流电机具有多变量、强耦合、非 线性的特点，采用了线性解耦和非线性解耦的方法，探讨交流电机变 频调速的控制策略【1 6 1 。进入9 0 年代，随着高性能单片机和数字信号处 理器的使用，国内学者紧跟国外最新控制策略，针对交流感应电机特 点，采用高次谐波注入s p w m 和空间磁通矢量p w m 等方法，控制算 法采用模糊控制、神经网络理论对感应电机转子电阻、磁链和转矩进 行在线观测，在实现无速度传感器交流变频调速系统的研究上作了大 量的有益基础研究。在新型电力电子器件应用方面，由于g t r 、g t o 、 i g b t 、i p m 等全控器件的使用，使得中小功率的变流主电路大大简化， 大功率s c r 、g t o 、i g b t 、i g c t 等器件的并联、串联技术应用，使 高电压、大电流变频器产品的生产及应用成为现实。在控制器件方面， 实现了从1 6 位单片机到3 2 位d s p 的应用。国内学者并一直致力予变 频调速新型控制策略的研究，但由于半导体功率器件和d s p 等器件依 赖进口，使得交频器的制造成本较高，无法形成产业化，与国外的知 名品牌相抗衡。国内几乎所有的产品都是普通的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 高性能的变频器。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 ) 3 ) 4 ) 国内交流变频调速技术产业状况表现如下。 变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物 力，但由于力量分散，并没有形成定的技术和生产规模。 变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。 相关配套产业及行业落后。 产销量少，可靠性及工艺水平不高。 1 4 研究目标和研究内容 本文深入研究了t m s 3 2 0 f 2 4 0 电机控制专用d s p 芯片的结构、工 作原理以及以其为核心的最小系统的设计和方法。在此基础上设计并 试制了一台2 2 k w 的小功率变频装置，该装置具有开放的环境，同时可 作为异步电机闭环控制，从而为实现多种控制策提供了有力的开发试 验平台。该系统主要由主电路、系统保护电路、控制回路和采样回路 组成。主电路部分包括整流、滤波、逆变器( i p m ) 、i p m 驱动电路等； 系统保护电路包括过压欠压保护、限流启动、i p m 故障保护、过流保 护等；控制回路包括d s p 最小系统电路、与p c 机通讯接 2 1 电路、仿真 接口电路、p w m 信号发生电路、a d 、d a 转换电路等；采样电路包括 电流采样、电压采样、转速采样。 本文给出了以上各部分电路的工作原理、参数计算以及各部分器 件的选取。利用s a b e r 仿真软件有限的资源对其中部分电路的设计结 果进行了仿真验证，为迸一步样机的试制提供了依据。 在软件方面，考虑到s v p w m 相对于s p w m 具有较高的直流电压 利用率，以及更适合于数字控制系统，本文在研究s v p w m 控制原理 的基础上，编制了基于s v p w m 的开环控制程序。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 本文最后给出了试验结果，开环运行试验结果表明，该系统可以 在0 - 5 0 h z 范围内平滑调速，在1 0 h z 以上具有较强的带负载能力，以 及抗干扰能力。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章s v p w m 变频调速的基本原理和方法 2 1 引言 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i 1 7 1 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 压变频目的的一种控制技术。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。鉴于s v p w m 直流电压利用率较高，两且刚适合于数字化系统， + 叫 ： # 刮， ，l l ； ，爿 g - 卜 _ 匕 匝2 - 1 逆雯器原理图 f i g 2 - 1i n v e r t e rs c h e m a t i cd i a g r a m 本文编制了基于s v p w m 原理的开环控制程序。本章介绍了s v p w m 的基本原理，谐波分析，并将其与s p w m 做了简要的对比。如图2 1 为逆变器原理图。 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2s p w m 波的原理及特点 实现s p w m 的方法有两种，自然采样法和规则采样法，我们只讨 论后者，其出发点是使s p w m 波形的每一个脉冲都与三角载波的中心 线对齐，使得两侧的间隙时间相等。如图2 2 是电机u 相s p w m 产生 的示意图： 妇 f d ! 如 。鬲止 + i 1 图2 - 2 u 相s p w m 的产生原理 f 培2 - 2s p w m p r o d u c t i o np r i n c i p l eo f up h a s e “廿= u 。s i n( 2 - 1 ) 其中u ，为调制波幅值，三角波“。的频率为正，角频率为q ，周 期为耳，在三角波负峰值点采样调制信号“。得到d 点，过d 点做一 水平线与载波信号“。分别交于a 点和b 点，该方法就是最常用的中值 规则采样。它将曩分为三段，即图中的时间段r ：、f ：和屯对应脉冲的 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 宽度和间隙。在不同的三角载波周期内采样值不同，时间段f i 、f 2 和f ， 也不同，因而矩形脉冲宽度不同。只要求出这三个时间段，便可以得 到s p w m 的脉冲信号，控制逆变器开关器件的通断。由于三角载波的 对称性，时间f 、t ，相等。所以，在一个三角波周期内，只需实时计算 两个时间值，使得计算简化。 正弦调制波的幅值与三角波载波的幅值2 _ t g ，即u 。u 。= m ，称 为调制度。在理想情况下，肘可在o l 之间变化，以调节逆变器输出 电压的大小。在使用中考虑最小脉宽限制，m 总小于1 的。一般取m 的 最大值为0 9 5 0 9 8 。由图2 - 2 容易得到： 铲等( 1 + 肌i n 耐。) = t 3 ：三( 疋- t 2 ) = i ( ，： ( 2 2 ) ( 2 3 ) 上面两个方程式便是实时计算s p w m 波形的脉宽时间基本算式。 以下介绍两个基本概念： 1 ) 三相p w m 逆变器的直流电压利用率1 9 1 ，就是当调制度m ：1 时， 三相逆变器输出线电压的幅值与直流电源电压的比值。 2 ) 在谐波分析中，总谐波电流失真t h d ( t o t a lh a r m o n i c c l , i 删 d i s t o r t i o n ) 是个很重要的性能指标，一般t h d 的定义为： - 。h _ _ _ _ _ _ _ _ 。、 聊：盐2 1 其中。为基波电流幅值，而。为第拧次谐波电流分量幅值。 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 s p w m 性能 1 s j 如下： 1 ) 直流电压利用率只有8 6 6 2 ) 其输出电压谐波主要是频率为开关频率及开关频率倍数的谐波，而 t h d 指标随开关频率的提高而降低，而同一开关频率下，t h d 的 变化趋势是随输出频率的提高而增大。 3 ) 采用注入三次谐波可以提高直流电压利用率，最大可以达到1 1 5 。 2 3 空间电压矢量s v p w m 从电机学的原理知道，在电机调速过程中，保持电机磁通恒定对 调速性能有特殊重要的意义，因此一般的调速方法总是设法保持一种 磁通( 定子磁通、转子磁通、气隙磁通) 恒定，比如交流电机矢量控制是 保持转子磁通恒定的控制方法，直接转矩控制采用的是定子磁通定向。 电压空间矢量法s v p w m ，( 也称磁通正弦p w m ) 是从电动机的角度出 发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。它以 三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想圆形磁通轨迹为基准， 用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆，从而达 到较高的控制性能。 2 3 1 电压空间矢量 对于三相系统而言，电压空间矢量是按照电压所加电机绕组的空 间位置来定义的。图2 - 3 中a 、b 、c 分别表示在空间静止不动的电机定 子三相绕组轴线，它们在空间上互差1 2 0 度电角度，三相定子电压分 别加在定子绕组上。 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 ”让 图2 - 3 电压空间矢量 f i z 2 - 3v o l t a c es p a c ev e c t o l s 假定异步电动机星型接法，供电电压三相对称即： = 昂s i n 甜 u 。= 厨s i n c 耐一争 u 叫= 、知s m c 甜一争 陋。， 式中q 为线电压有效值。为了表示电压空间矢量v s ，在垂直于 电机轴的平面上取定子a 相绕组轴线为口实轴，超前9 0 度为虚轴， n - - 相电压合成矢量为： v s = 【，川+ u 删e 2 5 肛+ u c e 4 印 ( 2 5 ) 把式2 - 4 代入e 式可得： l g 太原理工大学硕士研究生学位论文 v s = 肛s i n 耐+ 伽s i 呱耐一争2 秭+ 廖s i n t 倒一嵋3 = 居e 聃 函6 ) 根据电机理论有： v s ：盟+ r i s d t v s 为定子电压向量，v 。定子磁通向量i s 定子电流向量。若忽略电 子电阻压降的影响，则有 、l ，s = 4 v s d t ( 2 7 ) 把式2 - 6 带入上式得： v 。= 如告 由此可知，三相平衡正弦电压产生幅值恒定、以恒转速旋转的电 压空间矢量，而这种电压空间矢量加到电机上时将产生幅值恒定、以 恒转速旋转的定子磁链空间矢量，且定子磁链矢量项点的运动轨迹形 成圆形的空间旋转磁场。 2 3 2 s v p w m 产生原理 三相电压型逆变器简化原理图如图2 - 4 ：其中同一桥臂上的上下两 个开关元件是互补动作的，即在任何一个时刻，它们总是一个断开， 一个闭合，这样一个电压型逆变器就可以由三个单刀双置开关来表示， 如图2 - 4 。三组开关有8 种开关组合，现在用三个开关变量、& 、& 来表示逆变器状态，一1 ，表示逆变器4 桥臂上管导通； 太原理工大学硕士研究生学位论文 + 图2 - 4 逆变器简化原理圆 f i g 2 - 4s i m p l i f i e di n v e r t e rs c h e m a t i cd i a g r a m c s a = 0 ，表示逆变器a 桥臂下管导通，& 、& 含义与& 类同。逆变器的 八种开关状态对应逆变器的七种不同的电压状态，如用符号v s 表示逆 变器的输出电压状态的空间矢量，v s 有2 3 个离散量，用v s ( s 。，s 。，s 。) 表 示，即v s ( o ，0 , o ) v s ( t ，l 1 ) 。为了简单，用u 表示v s ，下标k 表示 ( s a , s 。，s 。) 的二进制，因而可得表2 - i a 表2 - t 逆变器的8 种开关状态 状态v 0 v iv 2v 3v 4v sv 6 v ， 足 ooo0111l & o01 10ol1 & olo1o1o1 逆变器的八个输出电压空间矢量中有两个零矢量v o 、v 7 ，它们的 特点是三相负载被接到相同的电位上，导致的结果是负载电压为零。 其余六个为非零矢量v 1 v 6 ，它们的特点是三相负载不都接到相同的 2 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 电位上，这时负载电压将加在电机上产生旋转磁场和电磁转矩，从而 使电机旋转起来。根据逆变器的基本理论，在电压型逆变器不输出零 状态电压矢量的情况下，按照v l v 5 一v 4 _ v 6 斗、l 呻v 3 一v l 的 开关次序，逆变器将输出图2 5 所示的相电压波形，图中还表示出开关 状态和电压状态的对应关系。 u a o u 8 0 u 4 j 蜘 三， 3 。 ， “ i i r 印j r d s 2 s 3s 4s 5s 6 s 】 v f o o v ( 】0 1 )v j ( 1 0 0 )t 0 1 0 )v ( o l o )v ( 0 1 1 ) 图2 - 5 相电压波形及对应的电压矢量和区段 f i g 2 5p h a s ev o l t a g ew a v e s a n d c o r r e s p o n d i n gv o l t a g ev e c t o r s ，s e c t o r s 以上分析了逆变器的电压状态及其相电压波形。现在我们把式2 5 改变一下形式可得： 太原理工大学硕士研究生学位论文 v s = u a n 七u 蛾e 胁。七u c n e 姗。 = u 蛔+ ub o e n 叩+ u c ，e j 4 “扫一刚岫+ u 旧e j l n + u 岫e p 9 。、 = u + u8 0 e n “p + u c ，e i 4 “# ( 2 8 ) 其中v “、u 。、u c 分别是三相绕组的相电压，u 。d 、u 。、u c 。 为三个桥臂对直流中点的电压，只能取或一“d 。这样就可以用电压 空间v s 矢量来表示逆变器的三相输出电压的各种状态，如图2 - 6 所示。 在图2 - 6 中，v s 表示电压空间矢量，、l ，( f ) 表示磁通空间矢量，s 1 、 f “ t ：? 泛 。，s 7 3 7 0 0 1 0 1 v ( f 图2 - 6电压空间矢量与磁链空间矢量的关系 f i g 2 - 6r e l a t i o no f v o l t a g es p a c ev e c t o ra n df l u x l i n k a g es p a c e v e c t o r s 2 、s 3 、s 4 、s 5 、s 6 是正六边形的六条边。当磁通空间矢量v 。( f ) 在 图2 6 所示位置时，其顶点在边s 1 上，如果逆变器加到定子上的电 太原理工大学硕士研究生学位论文 压空间矢量v s ( 9 为v s ( 0 1 1 ) ，根据定子电压和定子磁通之间的积分关 系，磁通空间矢量的顶点将沿着s l 边的轨迹，朝着电压空间矢量 v s ( 0 11 ) 作用的方向运动，到达s l 和s 2 的交点j ，这时如给逆变器加 上电压空间矢量v s ( 0 0 1 ) ，则磁通空间矢量i ，。( ，) 顶点会按照与v s ( 0 0 1 ) 平行的方向，沿着边s 2 的轨迹运动，同样，如依次给出v s 0 0 0 、 v s