（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的svpwm研究及交流调速系统监控平台功能扩展及改进研究.pdf

堡壁翌圭堂堡笙兰 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sap a r ts e g m e n to ft h en a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef u n dp r o j e c tc a l l e d i t s m a i nc o n t e n ti st ob u i l dag e n e r a la cv a r i a b l e - s p e e ds y s t e mw i t hak i n da n d c o n v e n i e n to p e r a t i o ni n t e r f a c eb a s e do nt h ee v mb o a r do ft h et m s 3 2 0 f 2 4 0d s p a n dd os o m er e s e a r c ho nt h ed i f f e r e n ts w i t c hp a t t e r n so ft h es v p w ma n dp c b a s e d m o n i t o r i n gp l a t f o r mo f t h ev a r i a b l e - s p e e ds y s t e m w h e ni ti sc o n c e r n e dt ot h er e s e a r c ho ft h ed i f f e r e n ts w i s hp a r e m so ft h e s v p w m ，t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ew h o l ee x p e r i m e n ts y s t e mr e s p e c t i v e l y b a s e do ni t sh a r d w a r es t r u c t u r ea n ds o f t w a r es t r u c t u r e ，t h e n ，i td i s c u s s e s 氇e r e a l i z a t i o no ft h et w od i f f e r e n ts w i t c hp a r e m so ft h es v p w m a n d ，t h e i rm o d e l b u i l d i n gi nt h em a t l a ba sw e l la st h ec o n c l u s i o no ft h es i m u l a t i n g a tl a s t ，t h i sp a p e r m a k e sab r i e fs u m m a r yo ft h e s et w od i f f e r e n ts w i t c hp a t t e r n so ft h es v p w ma n d g i v e st h ee x p e r i m e n ts c h e m ea n d c o n c l u s i o no f t t i e m o nt h eo t h e rh a n d ，w h e ni ti sc o n c e r n e dt ot h er e s e a r c ho ft h ep c b a s e d m o n i t o r i n gp l a t f o r m ，t h i sp a p e rf i r s t l ye x p a t i a t e st h em a i nj o b so ft h e f u n c t i o n e x p a n d i n ga n di m p r o v i n go ft h em o n i t o r i n gp l a t f o r mi nt h r e ep a r t s ，t h e n ，i tg i v e st h e r e a l i z a t i o np r i n c i p l e sa n dm e t h o d so ft h e s ej o b s w h a t sm o r e ，t h ep a p e rp u tah i 醢 f o c u so nt h en e u r a ln e t w o r ku s i n gi nt h ec o n t r o lf i e l da sw e l la st h er e a l i z a t i o n p r i n c i p l e sa n dm e t h o d so ft h ep a r a m e t e ro p t i m i z i n gm o d u l eb a s e do nt h eb p n e u r a l n e t w o r k a tl a s t ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h es c h e m ea n dc o n c l u s i o no f t h ee x p e r i m e n t k e y w o r d s ：s v p w m ；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 d u c t i o nm o t o r ；n e u r a l n e t w o r k s ；p a r a m e t e r0 p t i m i z a t i o n v i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的磷究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所傲的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 羧! i ： _ | ， 本人完全了解上海大学有关保甏、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 1 1 日期_ ! 童：墨：f 7日期_ ! 童：羔! 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 妻滤电气煲动和交流电气传动在1 9 世纪先蜃诞生。纛在2 0 世纪的大部分 年代翌，鉴于巍流传动具有优越的调速性能，所以大多数高性能可调速传动均 采用赢流传动。直到本世纪7 0 年代初，席卷世界先进工业国家的石油危机才迫 使他们投入大量人力和物力去研究离效节能的交流调速系统。经过多年努力， 直到7 0 年代末，一直被认为天经遗义的交直流传动按调速分工的格局终于被打 破了。 特别是在最近的几十年时间里，随着电力毫子技术和现代控制理论的提出 和迅速发展，促进了各种类型的交流电机调速系统，如串级调速系统、变频调 速系统、无换相器电动机调速系统以及矢量控制调速系统等的飞速发展，最终 使得过去颇为困难的交流电机调速阕题变得和壹流机一样哥行，甚至可以得到 比直流电机调速更高更好的性能。而随着微电子技术的飞速发展，使得控制电 路不断的能向小型化、简单化和数字化的方囱发展。这也进一步让矢量控制及 直接转矩控制等先进的控制策酪得到不断发展和广泛疵用，最终推动着交流调 速系统不断的向更稳、更小、更廉的方向前进。 1 2 电力电子开关器件及微处理器的发展 可敬说电力电子器件和徽处理嚣豹发展为交滤调速奠定了强纛有力的物质 基础。 在电力电子开关器件方两；至今，电力电予器件的发展大致经过了网个阶 段 1 】：( 1 ) 晶闸管s c r ；( 2 ) 门极可关断晶闸管g t o 和双极型功率晶体管b j t ；( 3 ) 绝缘橱取极晶体管i g b t ； ) 功率集成电路p t c 和智能模块i p m 。其中，晶阐 管属于半控型开关器件，可以控制开通，但不能由门板控制关断。因此由酱通 菇闸管组戏的逆变器羯予交淀谰速必须瓣热强遍换耱惫黪，这就使得整个系统 变褥十分复杂。丽飘其开关速度较慢，无法满足高性能调速系统的要求。g t o 虽然是溉控制开遵又能控制关断的全控型器件，但器体贵，开关速度也较馒， 同时其损糕大，可靠性低，需要体积较大的缓冲电路和门极驱动电路。i g b t 的研制成功才真正成为高性能的全控型电力电子器件，无论在开关速度还是在 第1 页共7 2 页 上海大学硕士学位论文 可靠性方面都比前两神有了很大程度的提高，具蠢很好的综合性能，是目兹应 用最为广泛的功率开关器伟。两在近几年中才出现的功率集成电路p i c 和智能 模块i p m 更是实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能予一身， 送一步减小了器件的体积，减轻了垂爨，提离了霹靠惶【2 】。总豹来说，毫力电 子器件在交流调遮系统中的主要应用是构成各种各样的电力电子变换器，最终 起到弱电控铡强电的鳃带 乍用f 3 4 】。 而在微处理器方愆；随着微电子技术的不断发展，使褥微处理器得以不凝 的发展和进步。从8 1 6 位的单片机i 5 1 到1 6 3 2 位的数字信号处理器( d s p ) 【6 ，7 ，8 一， 位数在不断增多，执镗速度在不断加快，从黼使褥控制& 力变褥越来越强。就 拿如今在交流电气传动方面得到广泛应用的髓公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 ( d s p ) 为例。 它采髑程穿与数据总线稠分离豹哈佛结构，具有专门的硬 牛乘法器，广泛袋用 流水线操作，同时提供特殊的d s p 指令，使得t m s 3 2 0 f 2 4 0 具有摩越豹数据处 理能力。嗣时在其片内又集成了专为电枫控制曩百优佬的事件管理器( e v ) 功能 单元，能够真接输出三相脉宽调制波形，再加上其片内还集成了多个外围接口， 从而为交流调速系统的开发和设计提供了巨大的便利。本课题的实验系统所采 用的微处理器就是该款d s p 。总之，隧着微电子技术的进一步发展，微处理器 还必将继续向麓高频化、模块纯、整能恍的方向不断发展和进步。 董。3p w 醚在电力传动系统中的发展及应用 随着电力电子器 牛的发展，p w m 变换器已广泛应月于电气传动系统。努 前用于控制交流电机熬主要是变压变频器。谣茭采翔的控制技术嚣为p w m 调 制技术，p w m 控制技术作为这些系统的共用及核心技术，多年来一煮得列人 们的高度重视，并对其进褥了深入的研究。所谓p w m 技术就是利用电力电子 器 牛的开透和关龋把赢流毫疆交成一定形状的电压脉冲序列，并通过控错4 电压 脉冲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【l “。而到目前为 止已经提出并零导到应用驰p w m 控测方寰有许多魏，伍周于交流传动系绞的旗 本形式大致有啦下三耪：正弦p w m 、宅溅滞环p w m 及电压空间矢量 p w m ( s v p w m ) 。 其中，正弦p w m 调制是从交流电源的角度出发，其藿眼点是如螂生成 个可以诞压调频的三榴对称歪弦塑奄源l l l 】。正弦p w m 技术w 戳由模拟电路、 第2 页懿7 2 页 上海大学硕士学位论文 数字电路或大规模集成电路芯片来实现。采用模拟电路时，由振荡器产生正弦 渡和三角波，然后遴过比较器来确定逆变器某一桥臂豹开通和关断。这种传统 的做法使系统的元件过多，控制线路复杂，精度也难以保证。随着微处理器速 度的不凝提离，数字化p w m 发展迅速，典型豹有蠡然采样法帮舰贝8 采样法两 种【l 。自然采样法暇能确切反映正弦脉宽调制的原始方法，但对其开关时刻的 求取显得较为困难，不适合徽橇宴孵控爨，对麓强采样法是自然聚样法瓣筏单 近似，用计算机实现较为方便。 电流滞环p w m 的着眼点是输出电流按给定电流变化，在稳态时p w m 变 换器期望输出电流怒正弦波毫流，这比只考焱输出电压按正弦变化进了一步。 其簇本思戆是将三相定子电流给定信弩与检测翔的相应定子窀流信号比较，其 结果决定逆变器桥臂上下开关元件的导通稆关断【”1 。这样，实际电流波形围绕 给定电流作锯齿状变化，并将偏差限涮在一定藏隧内。电流滞环跟踪控制逆变 器的输出电压虽然仍是脉冲式的，但它已- 完全脱离了原有意义的s p w m ，是将 电流滞环控制器、电压源遵交器和电机组成一个整体的电流反馈系统，使实际 电流被限制在给定电流周围波动，控制精度离，动态响应恢且易于实现，爵广 泛应用予矢量控制系统【1 4 】。电流滞环p w m 的最大优点建控制简单，用模拟器 件很容易实现。但是，这种方法中滞环一般固定，开关频率则不固定，弱是睫 着电机电抗大小及爱电势变亿而变化，有时会岛现很窄的脉冲和缀大的尖峰电 流。 空问电压矢量p w m ( s v p w m ) 是将逆变器和电机看成一个整体，基于电压 空间矢量概念，用八种基本魄压空间矢量合成期望的电压空间矢最，建立逆变 器功率器件的开关状态和空间矢量，并依据电机的定予磁链矢囊与定子电压之 间的关系，赢接达到控制电极定予磁链矢量糕镶近似恒定、顶点沿圆形孰迹运 动且平均遽度可调的强的，从而实现对异步电机变压变频调速盼瑚。它能明显 地减少逆变器输出电流的谐波成分，减小脉动转矩，同时它对妻沆电压的刹用 率比s p w m 提高了1 5 。此外，s v p w m 控制简单，特别易于数字化实现。髓 着电力电子技术和集成电路的发展，些微机蕊片上都臼带了p w m 的专糟输 出口，给电机控制带来了极大的便利。所以近年来s v p w m 控制技术在电气传 动领域中已褥到了广泛的应藤。本文中将有章节针对s v p w m 懿不同开头模式 第3 贞共7 2 页 上海大学硕士学位论文 敏遴一步的讨论军霾研究。 1 4 自动控制技术的发展及智能控制在电气传动系统中的应用 1 4 1 自动控制技术的发展 在电气传动领域中，其自动控铡技术的发展主要经历了以下三个阶段。 1 ) 模拟量控制阶段：这是电力传动自动控制披术发展的开端，这一时期的传动 控制电路是蠢许多二极管、三极管等电子器件搭建起来静模拟控制电踌。 2 ) 数字亿阶段：本氆纪5 0 年代末，世器上第一只晶闹管阀世了；臻了6 0 年代 已生产出成套的晶闸管箍流装置，使变流技术产生了根本性的变革，开始进入 晶闸管时代，由此开启了电力传动自动控带0 系统的数字化时代。 3 ) 集成化阶段：随整微电予技术的迅速发鼹，微处理器的作用日箍显著，己逐 步成为电气传动自动控制系统全数字化控制的核心。同时由予电力电子器件蛇 发展，短短几十年，由半控型到全控型、 ； l 氐频到毫频、由苇片元j 牛到大规模 集成电路，使得传动控制电魏遴一步发展，迈进了集成化时代。 4 ) 网络化、智能化阶段：近几年来，由于计算机运算速度的飞速提高，箕高性 能使得计算机在控制领域中的应用成为计算枧应用的重要方蕊之一。随着计算 桃的不断更新，它邑逐步具有其他控制系统无法比拟的强大功能。如：离速的 运行速度，良好麴软件开发环壤，强大的人枧交互功熊，丰赛的扩展能力等。 蔼显露将多种控制系统梅成计算机网络，实现魄力传动自动控制系统的网络化、 智能化要求。 而在其它工业领域中，过去通常使用的控制系统仅仅是专用的控制电路或 功能单一的微控制芯片；丽现在随着工业和制造业的器个领域陆续向黄规模化 方向的发展，怼自动佬程度豹需求晚交得越来越广泛，辩囱按系统浆要求也变 得越来越高，菊各耪自控系统也在这种广泛的需求中缮到了快速发展。我粕熟 知的d c s 系统和p l c 系统每年鄂在大墓地装备予备种设备以及窝动化系统工 程中。由于工业和制造业对电控、仪控一体化及管控体化的需求，也由于信 息技术的发展对高集成度控制系统的需求，加上p c 机技术的日臻完善酱及使 其性价比日益提离。这些条件为种全新的自控系统解决方案叫c - b a s e d c o n t r o l 的快速发展提供了 常露利的条 孛和广阔的求场黎景，为众多翔户提供 w 除d c s 帮p l c 墩外豹另一种彝控系统解决方案。那么，什么是p c b a s e d 第4 页共7 2 页 上海大学硕上学位论文 做进一步的讨论和研究。 1 4 自动控制技术的发展及智能控制在电气传动系统中的应用 1 4 1 自动控制技术的发展 在电气传动领域中，其自动控制技术的发展主要经历了以下三个阶段。 1 ) 模拟量控制阶段：这是电力传动自动控制技术发展的开端，这一时期的传动 控制电路是由许多二极管、三极管等电子器件搭建起来的模拟控制电路。 2 ) 数字化阶段：本世纪5 0 年代末，世界上第一只晶闸管问世了；到了6 0 年代 己生产出成套的晶闸管整流装置，使变流技术产生了根本性的变革，开始进入 晶闸管时代，由此开启了电力传动自动控制系统的数字化时代。 3 ) 集成化阶段：随着微电子技术的迅速发展，微处理器的作用e t 盏显著，已逐 步成为电气传动自动控制系统全数字化控制的核心。同时由于电力电子器件的 发展，短短几十年，由半控型到全控型、由低频到高频、由单片元件到大规模 集成电路，使得传动控制电路进一步发展，迈进了集成化时代。 4 ) 网络化、智能化阶段：近几年来，由于讣算机运算速度的飞速提高，其高性 能使得计算机在控制领域中的应用成为计算机应用的重要方面之一。随着计算 机的不断更新，它已逐步具有其他控制系统无法比拟的强大功能。如：高速的 运行速度，良好的软件开发环境，强大的人机交互功能，丰富的扩展能力等。 而且可将多种控制系统构成计算机网络，实现电力传动自动控制系统的网络化、 智能化要求。 而在其它工业领域中，过去通常使用的控制系统仅仅是专用的控制电路或 功能单一的微控制芯片：而现在随着工业和制造业的各个领域陆续向着规模化 方向的发展，对自动化程度的需求也变得越来越广泛，对自控系统的要求也变 得越来越高，而各种自控系统也在这种广泛的需求中得到了快速发展。我们熟 知的d c s 系统和p l c 系统每年都在大量地装备于各种设备以及自动化系统工 程巾。由于工业和制造业对电控、仪控一体化及管控体化的需求，也由于信 息技术的发展对r 笥集成度控制系统的需求，加上p c 机技术的日臻完善普及使 其性价比日益提高。这些条件为一种全新的自控系统解决方案p c - b a s e d c o n t r 0 1 的快速发展提供了非常有利的条件和广阔的市场前景，为众多用户提供 了除d c s 和p l c 以外的另一种自控系统解决方案。那么，什么是p c b a s e d 了除d c s 和p l c 以外的另一种自控系统解决方案。那么，什么是p c b a s e d 第4 丽共7 2 页 上海大学硕士学位论文 敏遴一步的讨论军霾研究。 1 4 自动控制技术的发展及智能控制在电气传动系统中的应用 1 4 1 自动控制技术的发展 在电气传动领域中，其自动控铡技术的发展主要经历了以下三个阶段。 1 ) 模拟量控制阶段：这是电力传动自动控制披术发展的开端，这一时期的传动 控制电路是蠢许多二极管、三极管等电子器件搭建起来静模拟控制电踌。 2 ) 数字亿阶段：本氆纪5 0 年代末，世器上第一只晶闹管阀世了；臻了6 0 年代 已生产出成套的晶闸管箍流装置，使变流技术产生了根本性的变革，开始进入 晶闸管时代，由此开启了电力传动自动控带0 系统的数字化时代。 3 ) 集成化阶段：随整微电予技术的迅速发鼹，微处理器的作用日箍显著，己逐 步成为电气传动自动控制系统全数字化控制的核心。同时由予电力电子器件蛇 发展，短短几十年，由半控型到全控型、 ； l 氐频到毫频、由苇片元j 牛到大规模 集成电路，使得传动控制电魏遴一步发展，迈进了集成化时代。 4 ) 网络化、智能化阶段：近几年来，由于计算机运算速度的飞速提高，箕高性 能使得计算机在控制领域中的应用成为计算枧应用的重要方蕊之一。随着计算 桃的不断更新，它邑逐步具有其他控制系统无法比拟的强大功能。如：离速的 运行速度，良好麴软件开发环壤，强大的人枧交互功熊，丰赛的扩展能力等。 蔼显露将多种控制系统梅成计算机网络，实现魄力传动自动控制系统的网络化、 智能化要求。 而在其它工业领域中，过去通常使用的控制系统仅仅是专用的控制电路或 功能单一的微控制芯片；丽现在随着工业和制造业的器个领域陆续向黄规模化 方向的发展，怼自动佬程度豹需求晚交得越来越广泛，辩囱按系统浆要求也变 得越来越高，菊各耪自控系统也在这种广泛的需求中缮到了快速发展。我粕熟 知的d c s 系统和p l c 系统每年鄂在大墓地装备予备种设备以及窝动化系统工 程中。由于工业和制造业对电控、仪控一体化及管控体化的需求，也由于信 息技术的发展对高集成度控制系统的需求，加上p c 机技术的日臻完善酱及使 其性价比日益提离。这些条件为种全新的自控系统解决方案叫c - b a s e d c o n t r o l 的快速发展提供了 常露利的条 孛和广阔的求场黎景，为众多翔户提供 w 除d c s 帮p l c 墩外豹另一种彝控系统解决方案。那么，什么是p c b a s e d 第4 页共7 2 页 。海大学硕士学位论文 c o n t r o l 解决方案喔? 该方案与传统的控铺方案相比肖哪些不固呢? 所谓 p c - b a s e dc o n t r o l 就是基于普通p c 机配合一个稳定可靠的操作系统( 例如 m i c r o s o f t 的w i n d o w sn t ) 以及一套由不同厂家开发的基于p c 的控制软件，加 上一些必要的i o 硬件设备所组成的控制系统。与传统的控制方案相比，基于 p c 的控制系统是一种开放式控制，对大量的实时性数据肖更广泛的应用，它使 控制系统和工厂管理系统更易于连接，它能够把实时逻辑控制、连续生产过程 和擞量生产过程控制、运动控制、可视化操作、信息分桅、系统诊断等功能集 成到一个紧凑的软件包中，能究成一些p l c 难以胜任的工作。而且，对i o 硬 件设备的选用有更多的灵活性。因此，p c b a s e d c o n t r o l 正在成为众多制造业和 控制= 互程的酋选方察，同聪在电气传动领域中也越来越多鲍见到了它的“身影”。 而本文也将基于交流调速系统中所用的智能控制及控制器参数的整定优化原理 对现有监控软件进行功能上的扩展和改进，使其更加适赢于在交流调速系统中 的应用。 1 4 2 智能控制在电气传动系统中的应用 所谓智能控制系统，是指具有某些仿人智能的工程控制和信息处理系统。 其慕本特点建不依赖或不完全依赖于被控对象豹数学模黧，蔼主要裁用入弱操 作缀验、知识、推理技术以及控制系统的菜磐信息( 如控制输出、误麓等) 和 性能得出相应的控制动作1 7 】。e 妇于这一特点，智能控制在不确定性、非线性过 程袋对象的控制中毙一般控利( 如鑫适应控翎等) 具有雯好豹鲁棒熄。匿羲， 应用较多的智能控制是：模糊控制、专家控制及神经元网络控制。 而在电气传动系统中，以往所采用的大多都是p i 调节器，它具有结构简单， 稳态无静差等优点。但p 调节器的参数设计需依赖控镧对象，当对象参数不准 确或发生变化时，系统特性将偏离期望值。其另外一个不足之处还在于以不变 的参数来处理交化多端的动态过程，因此很难解决平稳性、快速性和准确性之 闯的矛盾 1 7 , 1 8 , 1 明。焉智能控制中豹神经霭络控制是一种巍型酌控懿方法，萁基 本特性是不依赖于受控对象的数学模型，通过学习和训练来充分逼近_ 米知非线 性对象的动态行为，具有很强的f l # - j 和自适应能力【2 0 0 “。而以电动机为对象 的电力传动控制系统，其模塑结构是确定豹，但对象参数往往难以精确测定， 部分参数将随着工作点的变化而变化，因此应该在按模型控制的基础上，增加 第5 页麸7 2 要 t 海大学硕士学位论文 + 定豹智能控制手段，以消除参数变优和扰动所带来的影响旧。因此可聚用单 神经元的智能控制方法，根据系统的偏差、偏差的微分和积分，调节控制的权 德，从而提高系统的鲁棒性。单神经元智能控制方法既具有神经网络自学习、 自适应功能，又暴有传统p i 调节嚣的优点，聪且运算并不是壤复荣，可用于对 实时性要求较袁艉电力传动控制系统中阎。 1 5 研究背景及本文的主要工作 1 5 1 磷究背景 本谦题是窗家自然科学基金项目在定子坐标上交流调速系统非线性智能 控制策略的研究( 批准号：5 9 8 7 7 0 1 3 ) 的部分内容，主要是阻t i 公司的 t m s 3 2 0 f 2 4 0 型d s p 为核心构成通用的、具有良好人机界蕊的交流交频调速系 统，并在此基础上进行各种新型控制策略及套种p w m 方式的研究。 1 5 2 本文的主要工作 1 在m a t l a b 中完成s v p w m 开环系统的建模，得到基于不i qs v p w m 开关模 式的系统仿真波形输出。 2 实现基于d s p 进行s v p w m 研究的实验系统。 3 在此实验系统上设计不同s v p w m 开关模式的实验方案并得出实验结果。 4 对原有上位机监控平台进行功能扩展和改进研究，便簸控平台具有离线分析 及p i 参数优化等功能。 第6 页共7 2 页 上海大学硕士学位论文 第二章实验系统的实现 2 1 实验系统的总体结构 整个实验系统南主回路帮控制溺路两大部分组成。其中，系统主溺路主要 由整滚毫路、驱动电路和逆变电路组成。整流电路把交流动力电整流成纛流电， 驱动电路根据p w m 调镧信号完成功率管的驱动，丽逆交电路则是在驱动信号 的作焉下实现壹流电孤脉浠龟雒序列的转交。蕊系统控制圈路可划分为三大部 分：1 ) t m s 3 2 0 f 2 4 0e v m 扳：2 ) 数字接口板；3 ) 模拟接猛板。其中，模拟 接口板主要完成电机物理量的采样、测遮和系统保护等功能。它由电压检测电 路、嘏流检测电路、测遮电路和故障处理电路缀成。数字接酗板主要完成参数 设定、信息显示和通僖揆梁等功能。t m s 3 2 0 f 2 4 0e v m 板是控制露路敬关键， 它可通过数字接口扳与p c 机超完成各张诗算和事件处理簿功能。图2 - l 为系 统的总体结构凿。 潮2 。l 系统总体结构框图 2 2 实验系统的硬件结构 2 。2 。l 主回路 主回路主要由熬流电路、中间滤波电路及逆变电路等部分组成。獒中，主 电路采用典型的交一直一交电聪源型通用交频器缩构，输入功率级采用三相桥 式不可控整流电路，整流输出缀中间环节大电容滤波，获得平滑的直流电压。 第7 页共7 2 夏 ：海大学硕士学位论文 逆变部分透过功率器件的导通和关新，输警交变的脉冲电压痔歹。闺2 - 2 为主 回路的结构图。 图2 。2 主回路结构图 2 2 1 1 整流电路 实验系统由整流二极管构成桥式电路将工频交流电变成直流电。 2 2 。1 。2 中翊滤波电路 由于整流电路输出的壹漉电压含有脉动成分， 珂且逆变部分产生的脉动耄 流及负载变化也使得直流电压产生脉动。所以，为了减小直流电压的脉动，电 路中用c l 和c 2 进行了滤波，其中r l 和r 2 为均压屯f 5 且，r 3 为充电限流电阻， 启动变频器后经1 2 秒，可由j 2 接触器短路，以减少变频器正常工作时在中 间直流环节一| 二的功耗。 而当系统发生故障或关机时，可出接触器j 1 实现断电，通过其常开触点将 交频器与电网隰开。焉警常闭魅煮闭合时，胃利弼电疆弛为中闯嚣路大电容赝 储存的熊量提供黪放通道。 2 2 1 。3 逆变电路 逆变部分电路的功率管采用日本富士公司的1 2 0 0 v 、5 0 a 两单元i g b t 模 块2 m b l 5 0 l 2 0 ，在模块内部已并联了续流二极管，可由三块组成变频器的三个 桥臂。 2 2 2 控制溺路 控翻回路主要由t m s 3 2 0 f 2 4 0e v m 板、数字信号接口电路及模拟信号接口 电路等帮分缀成。 2 。2 。2 1t m s 3 2 0 f 2 4 0e v m 扳 t m s 3 2 0 f 2 4 0 是美国t i 公司专为电机控制丽优化设计的低价格、高性能1 6 第8 黄共7 2 页 上海人学硕士学位论文 位定点数字信号处理器( d s p ) 。采用程序与数据总线分离的哈佛结构，具有专门 的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，具有卓越的数据处理能力。在2 0 m h z 时钟频率下，大多指令可在5 0 n s 内完成。它又在其片内集成了专为电机控制而 优化设计的辅助模块，为电机控制系统的开发和设计提供了巨大的便利。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 主要由c p u 、存储器、片内外设等部分构成，各部分的组成和特 点可见参考文献 2 3 - 2 7 1 。 而t m s 3 2 0 f 2 4 0e v m 是t i 公司推出的基于f 2 4 0d s p 的开发装置，便于 用户建立电机控制系统，完成控制性能的测评。本实验系统就是在t m s 3 2 0 f 2 4 0 e v m 的基础上进行外围电路扩展后完成各部分功能的。t m s 3 2 0 f 2 4 0e v m 的 主要组成部分有： ( 1 ) f 2 4 0 定点d s p 控制器； ( 2 ) 1 2 8 k x1 6 位的外部扩展s r a m ； ( 3 ) 四通道1 2 位数模转换器( d a c ) ； ( 4 ) r s 。2 3 2 串口； ( 5 ) x d s 5 1 0 p p 仿真口； ( 6 ) 8 位映射于i o 内存空间的d i p 拨动开关； ( 7 ) 8 个映射于i o 内存空间的l e d 。 而t m s 3 2 0 f 2 4 0e v m 板上的四个3 4 脚接口给出了所有有关的信号联接通道， 它们是： ( 1 ) p 1 口即i o 联接口提供了e v 、s p i 、s c i 的信号线以及+ 5 v 、g n d 信号： ( 2 ) p 2 口即模拟联接口提供了a d c 和d a c 的信号线以及+ 5 v 、g n d 信号； ( 3 ) p 3 口即地址数据联接口给出了与外部数据总线和地址总线的联接通 道； ( 4 ) p 4 即控制信号联接口提供了所有f 2 4 0d s p 的控制信号线以及+ 5 v 、 g n d 信号。 同时，t m s 3 2 0 f 2 4 0e v m 还通过x d s 5 1 0 p p 实现与p c 机的联接，利用丰 富的编程工具和调试软件直接在p c 机上完成控制程序的编制、调试、e e p r o m 第9 页共7 2 页 上海大学硕士学位论文 的擦写，大大地缩短了开发时闻。 2 2 2 2 数字信号接口电路 控制回路的数字信号接口板主要建立在t m s 3 2 0 f 2 4 0e v m 板的p 3 及p 4 口上，如图2 - 3 所示。主要完成速度显示及故障显示等功能。p 3 口的数据经 7 4 a c t 2 4 5 双向驱动后可为外设提供数据线，主要用于速度显示及故障显示。 p 4 口的某些控制线与p 3 的一浆地址线作为g a l 2 0 v 8 的输入信号，缀g a l 译 码届为步 设分配地址。 图2 。3 数字接口板框图 其中，缓冷纛路审7 4 a c t 2 4 5 组成。愿显示电路剡囱鼹组( 每缝鼹个) 7 段数码管组成，w 由于显示遽度及故障代码等信息。 最后，在开荧上有对应于各个故障信母的故障状态字节，可由程序来判别 文具体的故障，然后通遘显豢奄路显示对应豹赦障代码。 2 2 2 3 模拟信号接口电路 控制回路的模拟信号接口电路主要是猩t m s 3 2 0 f 2 4 0e v m 板p 1 和p 2 口 的基碹上进行扩震豹，主要完成采榉及系统保护等功能。荚结构懿图2 4 所示。 第页共7 2 页 海 学硕士学位论文 厂1 丽f 一 ，厂 i 警9 图2 - 4 模拟接口扳框图 2 2 2 3 1 信号检测 模拟接口板上的信号检测部分主要用于电机定子电流、电压及转速的测量。 ( 1 ) 定子电流测爨魄路 电路中采用霍尔元件来测量电机的定子电流，考虑到异步电动扼负载情况， 霍尔元件采用北京莱姆电子有限公闭的l a 2 5 - n p 。该器件额定电流可达2 5 安 培，溅量电阻为1 0 0 欧姆。出于实骏电机的额定电流为2 8 a ，因此系统中选取 霍尔元件l a 2 5 n p 的测董范围为0 1 2 a 。 ( 2 ) 定子电压测量电路 采用踅接测量法测量定予电压。考虑到电气隔离，选糟隔离放大器来实域 电机与控制系统的电气隔离，电路原理如图2 5 所示。 v 圈2 5 定子电压溺量电路原理 ( 3 ) 速度测量电路 由于t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 上的q e p 电路是专为电机测速丽设的，所以意接把 编码器接到q e p 输入上即可。 第1 1 页共7 2 页 书一掰 w 罄触 每： k 睡删 陟嫦阱献 上海大学硕士学位论文 2 2 。2 3 。2 效障处理毫路 为保证装鼹运行过程的安全性，在装置中设计了故障检测电路，实验系统 主要有以下几个故障信号： ( 1 ) 过热保护 实验系绕是利用高速功率开关管工作的，在运行中有显著的开关损耗，温 舞过裹瓣终损坏功率管。因此，在i g b t 模块的散热器上加了一个热继电器， 并通过光耦隔离，产生过热信号。 ( 2 ) 过流保护 i g b t 虽可承受短时间的过流，但旦超出安全区，将被永久性地损坏，所 以要设凝快速的过流保护电路。实验系统在变频器直流回路中设置一个电流霍 尔元件l a 5 0 p ，输出转换成电压信号霜接入如图2 - 6 所示的保护电路中，产生 过流保护信号。 图2 6 过流保护电路 ( 3 ) 短路保护 短路是过流的一种极端情况，分相闻短路和对地短路。实验系统的相间短 路捡溅是剩羁i g b t 褒电流过大对，本身的饱释匿降增高的特煮，由集成驱动 模块检测到并关断i g b t ，圄时送燃一个短路信号。对地短路也靠集成驱动模块 的短路检测电路来完成。 ( 4 ) 故障信号综合 一旦系统出现某一个故障信号，系统就要进行相应的保护措施。因此要对 信号进行综合，产生一个输出信号，并与t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 的功率模块保护中 断引淼p d p i n t 相连。警d s p 的p d p i n t 管瓣接收到低电平信号时，d s p 的硬 牛奄路就立即越锁p 矾r m 输出，使其变成高阻态，同时产生根应的中断。 第1 2 页共7 2 页 上海大学硕士学位论文 2 3 实验系统的软件设计 由于实验在开环形式下送行，所以系统软件主要由以下六部分组成： ( 1 ) 主程序： ( 2 ) 测速程序； ( 3 ) a d 转换中断程序： ( 4 ) 极坐标变换( 计算0 及u 。) ； ( 5 ) p d p i n t 功率模块保护中断程序； ( 6 ) p w m 中断程序。 2 。3 。1 主程序 本系统的主程序主要完成控制系统的初始化、转速显示联掰及接受系统孵 控制命令等任务。其流程图如图2 7 所示。 第1 3 贾共7 2 页 上海大学硕十学位论文 p 。w e 尹 第1 4 页共7 2 页 l 海大学硕士学位论文 图2 7 主程序流程图 其中，t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 豹初始化包括以下工作： ( 1 ) 系统及看门狗初始化，其中d s p 昀工作频率设定为2 0 m h z ； ( 2 ) 系数常数和变最初始化； ( 3 ) i o 习及系统中鼗初始纯； ( 4 ) a d 采样初始化，设定由事件管理器信号触发a d 转换； ( 5 ) 事件管理器( e v ) 初始化，其中包摄：定肘器t l 、t 2 及t 3 的设定、 全比较p w m 单元设定、死区单元设定及q e p 工作方式的设定； ( 6 ) 事件管理器单元的中断初始化。 实验系统设定比较器为p w m 工作模式，使用与定制器t l 相连的全比较单 元，设置p w m 躲工抟频率为5 k h z ；定时器觏用于设定转速采样辩阀；露正 交解码电路产生的时钟连至定时器t 3 。 辛刀始化工作结裘廷主要怒接收系统的控制揩令，即运行及停止命令等，并 且对转速显示进行动态刷新。主程序的大部分时闯处于等待状态，以便d s p 有 时间处理各种中断程序。 2 3 2 测速程序 2 3 2 。1 溅速原理篙介 转速检测可以采用数字测速和模拟测速两种方法，但模拟测速方法的精度 不商，在低速对更为严重。所以对于精度高、调速范围大的调速系统，锉往采 用数字测速。旋转编码器就是一种数字测速元件。当电机转动时，带动光电编 码器旋转，发密转速或转角信号。旋转编码器可分为绝对式和增爨式。鳃对式 编粥器在码擞上均匀地刻上表示角度的二进制数码( 格雷码) ，通过接收器将二 遴躐数码送入诗算梳。灌量式编码器在码盘上均匀地亥4 制一定数繁的光撩，当 电机旋转时，光电编粥器随之一起转动。通过光栅的作用，持续不断地开放或 封蠲光通路，在接收装置的输出端便得到频率与转速成歪比的方波脉冲席n t 2 8 1 ( 参见圈2 8 ) 。增爨式编码襁具有制造简单，价格便宜锌优点，本实验系统采 用的就是增景式编码器。而常嗣豹数字测速方法主要青三种：m 法、t 法和 m t 法。 第i 5 茭共7 2 爱 上海大学硕士学位论文 发光 装蓬 图2 - 8 增量式旋转编码器示意图 2 3 。2 2m ，r 法测速原理 出参考文献 2 9 1 可知m 法帮t 法测速备有箕优缺点，而m t 法颡速则综合 了两种方法的优点，其有较高的测速精度，能适合较大的转速范围，是目前广 泛应用的一种测速方法。本实验系统采用的就是m t 法测速方式。 m t 法测速方式既检测r 时耀内旋转编码器输出的脓冲个数m l ，也检测 同一时间间隔的离频时钟脉冲个数m 2 。参见熙2 - 9 。 = ：! ：= ： 王：三三= _ 1 几光电码盘脉冲 10 n f l 凡n n 一r | n n | 1 n n l o n n l f l f l n 凑频时钟脉冲 卜虫叫 厂测速时间 一 ， - - - - - - - - - - - 一 卜二叫 图2 。9 m t 法测速 在工作对，m t 法测速应傈 芷高频时钟脉冲计数器与旋转编硒器输出脉冲 计数器同时开启与关闭，这样可以减小误差。t 。为实行检测时间，在t c 上升沿 允许测遮，但此对两个计数器并不立即开始计数，要特到编码器输出脉冲前沿 到达时，才使磁个讨数器网瞬开始计数。 珂在t c 蚋下降沿将关闭计数，阕瑗， 此时也要等到编码器输出脉冲戆沿到达时才真正关阙两个计数器。因此，实际 裣测时闰不是常数，它隧着转述的变佬焉交亿：t o = m 2 t o 。鞠此电机的转速可 表示为： n ：旦坠：6 0 m l f or m i n( 2 1 ) z r ,z m 2 所阻，m f r 法测速保迸了m l 的糟确性，但m 2 可能存在一个脉冲误差。敢 误差表达式为： 上海夫攀五蓖士学位论文 掂翮60mjo一等=硫601v而1fozm ( 2 _ 2 ) z 肼，l ，z 膨，f 射一l 7 如果要知道转速的方向，可在光电编码器中增加一对发光和接收装置，使 发光接投装置的夹角等于光栅中心轴夹角的l 4 ，来检测两组脉冲序捌的相 位，这样即可鉴别转速的方底。 n 厂 厂 n n 厂 厂 厂 s r 厂 门 e r n 厂 厂 图2 1 0 正转时a 、b 相脉冲序列 图2 1 1 反转时a 、b 相脉冲序列 在图2 一l o 及图2 一l l 中，a 、b 为相位差9 0 。豹蘸缀脉冲序列，正转时a 楣超前b 相，反转瞄，b 楣超藏a 相。丽d s p 中芷交解璐邀路的方向检测逻 辑电路可以判别两缎脉冲序列的相位，从而判别电机是正转还是反转。 2 3 2 3 程序沆程及缀理 由以上的分析可知，工l 乍时，光电编码器豹a 、b 两楣输出脉i 孛将送入正 交解码电路。为保诞m 和t 同步计数，a 相输出脉冲同时与d s p 的捕获引脚 c a p 3 秘连。正交勰粥亳路产生的脉沸送入计数器t 3 ，为设受成增减计数摸式， 正转时为增计数，反转时为减计数，这样根据黾计数模式和诗数僮就可正确判 断转速的方向和大小。而定时器t 2 用作频率发生器，输入频率为5 m h z ，输出 频率为4 0 0 h z ，即2 5 m s ，t 2 比较寄存器设定为1 2 5 m s ，t 2 在运行时不龋产生 髑期中断信号和毙较中断信号。其中，e 的周期中叛信号传为损l 逮允诲信号。 在t 2 的周期中断中开放捕获中断允许，当a 相脉冲前沿到达并进入捕获中断的 眩候允海弱计数，并阉露读取魏对的t 2 计数馕。为避免a 楣脉冲蘑浍的再次 遴入，还要禁止捕获中断。两琵的比较中断赣号剥侔为测速结束信号。在t 2 的比较中断中开放捕获中断允许，当a 相脉冲前沿到达并进入捕获中断时关闭 b 计数，共秀次读取此辩的豇计数篷，然嚣禁止拣获中断。这样瑟次b 计数 馕之差就可作为裹频时钟脉浊计数值a 龟，嚣马斡计数傻霹l 乍为光电缡码器的 输入脉冲m l 。图2 1 2 为测速程序的流程图。 第1 7 贾共7 2 页 t 海大学硕士学位论文 图2 1 2 测速流程图 2 3 3a i ) 转换程序 由于计算生成p w m 的某些参数需要电压的检测，同时电流也是各种保护 和故障诊断的信息来源，所以实验系统进行了电压和电流的检测。同时为了保 证控制系统的实时性，系统由定时器t l 的周期中断启动a d 转换，转换结束时 产生中断信号，进入相应的中断服务子程序处理测得的物理量。而实验系统测 量的具体物理量为两个定予相电流( 因采用y 型接法，另一相定子电流可由软 件计算得出) 、直流侧电压及电位器的给定。 具体工作时，则根据t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 中a d 转换器的特点，将两路定 子电流分别与a d 的2 通道及1 l 通道相连，而直流侧电压与电位器也分别和 第1 8 页共7 2 页 e 海大学硕士学位论