（信号与信息处理专业论文）三相感应电机变频调速控制技术研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 变频调速系统在电力传动领域发挥重要作用，是工业自动化不可缺少的组成部分。随 着电力电子器件和微处理器的发展，变频调速系统的硬件基础得到了很大加强。同时，由 于各种工业控制的需要，目前对高性能的变频调速系统进行了广泛的研究，特别是通过对 p w m 技术的不断创新，可以明显的改善变频调速性能。另一方面，采用三相感应电机拖 动性价比高，以矢量控制为基础的三相感应电机变频调速系统的控制效果显著，针对d s p 数字控制系统，通过提高在线磁链估计精度和优化p i 调节器等方式可以改善控制性能，使 电机在稳定启动、低速电流、动态反应等方面有突出优势。为此，本文针对三相感应电机 变频调速控制系统展开了理论与实验研究，主要内容和成果如下： ( 1 ) 研究了以电压型变频器为基础的矢量控制系统。按照转子磁链定向的原则建立 了三相感应电机矢量控制数学模型，以电流反馈、电压前馈的方式设计了整个变频调速系 统结构。在对d s p 数据处理和p i 调节过程中，把梯形算法充分贯穿于变量运算以提高系 统精度，并采用遇限削弱p i 调节器以防止积分饱和，以“专家系统+ 性能积分准则”的模 式快速整定p i 参数，实验证明了该矢量控制系统的电流解耦好，控制性能高。 ( 2 ) 通过深入分析控制系统逆变阶段s v p w m ( 空间电压矢量脉宽调制) 的实现步骤， 提出了一种新型差值s v p w m 调制方法。该方法在每个控制周期内，直接采用三相电压差 值来计算基本电压矢量作用时间，并通过电压大小关系判定扇区，从而省去了传统实现方 法中复杂的坐标变换、三角函数、矢量分解等中间过程，简化了s v p w m 算法实现步骤。 仿真与实验证明了差值s v p w m 算法的有效性。 ( 3 ) 对三相感应电机变频调速数字控制系统进行了实验研究，重点设计了逆变电路、 自举电路，以及电流信号采集、速度检测等软硬件。通过分步调试，验证了本文所提出的 s v p w m 算法，并分析了整个变频调速控制系统的实验效果。 关键词：感应电机；变频调速；矢量控制；s v p w m , p i d ；数字信号处理器；逆变器 浙江理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e d a d j u s t i n gc o n t r o lo f t h r e e o h i n d u c t i o nm o t q r b a s ei nu c t l o nm o t o r - a b s t r a c t v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e d - a d j u s t i n gs y s t e mp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei ne l e c t r i cd r i v ef i e l d , a n db e c o m e sa l l i n d i s p e n s a b l ep o r t i o no fi n d u s t r i a la u t o m a t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c d e v i c ea n d m i c r o p r o c e s s o r , t h eh a r d w a r ep e r f o r m a n c eo fv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e d - a d j u s t i n gs y s t e mh a sa c q u i r e dh i g h e n h a n c e m e n t a tt h es a m et i m e ，h i g hp e r f o r m a n c ev a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e d a d j u s t i n gs y s t e mo b t a i n e dw i d e l y r e s e a r c hw i t hw i t ht h er e q u i r e m e n to fk i n d so fi n d u s t r i a lc o n t r o la tp r e s e n t o nt h eo n eh a n d ，t h r o u g ht h e p l u s e w i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) t e c h n o l o g i ci n n o v a t i o n ，t h es y s t e mp e r f o r m a n c ee a r lb ei m p r o v e do b v i o u s l y o nt h eo t h e rh a n d , t h r e e - p h a s ei n d u c t i o nm o t o r ( i m ) h a sh i g hp e r f o r m a n c ea n dp r i c er a t i of o rd r i v i n g , a n dt h e s y s t e mb a s e do nf i e l do r i e n t e dc o n t r o l ( f o c ) g e n e r a l l y , t h r o u g ht h ew a yo fi m p r o v i n gt h eo n l i n ef l u x e s t i m a t i o na c c r u c ya n do p t i m i z i n gp ic o n t r o l l e rc a ne n h a n c ed s pd i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ，e s p e c i a l l ya ts t a r t u p s t a b i l i y , l o ws p e e dc u r r e n t , d y n a m i cr e s p o n s ea n ds oo n t h e r e f o r t h i sp a p e rr e s e a r c h e dv a r i a b l ef r e q u e n c y s p e e d a d j u s t i n gc o n t r o lo f t h r e e p h a s ei n d u c t i o nm o t o nw h i c hc o n s i s t so f t h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h ef o cs y s t e mb a s e do nv o l t a g e - t y p ei n v e r t e r a tf i r s t , t h ep a p e re s t a b l i s h e d t h em a t h e m a t i cv o l t a g em o d eo ff o ca b o u tt h r e e p h a s ei n d u c t i o nm o t o r ，a n du s e dt h ew a yo fc u r r e n tf e e d b a c k a n dv o l t a g ef e e d f o r w a r dt od e s i g nt h ee n t i r ev a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e d a d j u s t i n gc o n t r o ls y s t e m a tt h ep r o c e s s o fd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) c h i po fd a t ap r o c e s s i n ga n dp ia d j u s t i n g , t h et r a p e z o i d a la l g o r i t h m i m p r o v e dt h es y s t e ma c c u r a c yw h i c hi n s t e a do fn o r m a lc a l c u l a t i o n ，a n dt h ec o r r e c t e dp ir e g u l a t o rt op r e v e n t t h es a t u r a t e di n t e g r a l ，t h r o u g ht h ew a yo f “e x p e r ts y s t e m & p e r f o r m a n c ei n t e g r a lc r i t e r i o n ”t of a s tt u n et h ep i p a r a m e t e r , t h ee x p e r i m e n tp r o v e nt h i sv e c t o rc o n t r o ls y s t e m sf e a s i b i l i t y ( 2 ) t h r o u g ha n a l y s i n gs v p w m ( s p a c ev e c t o rp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) w h i c hi si m p o r t a n tp a r to f v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e d a d j u s t i n gc o n t r o ls y s t e m , an o v e ld i s p e r s i o ns v p w ma l g o r i t h mi sp r o p o s e di nt h e p a p e rb a s e do nt h ec o n v e n t i o n a ls v p w ma n a l y s i s i np e rc o n t r o lp e d o d , t h ed w e l l i n gt i m eo fb a s i cv o l t a g e v e c t o rc a nb ec a l c u l a t e db yt h e3p h a s ev o l t a g ed i s p e r s i o n , a n dw i t h o u tc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n s ， t r i g o n o m e t r i cf u n c t i o n ，i n v e r s et r i g o n o m e t r i cf u n c t i o n ，v e c t o rd e c o m p o s i t i o na n ds u c hm i dp r o c e s s ，w h i c h s i m p l i f i e dt h ec o n v e n t i o n a ls v p w ma l g o r i t h m t h ep r o p o s e dm e t h o di s e f f e c t i v eb yt h es i m u l a t e da n d l l 浙江理工大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ( 3 ) t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h ee x p e r i m e n t a la b o u tt h et h r e e - p h a s ei n d u c t i o nm o t o rv a r i a b l ef r e q u e n c y s p e e d - a d j u s tn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m t h ep a p e rd e s i g n e dt h ev o l t a g e - t y p ei n v e r t e rc i r c u i t , b o o t s t r a pc i r c u i t w i t hc o n s i d e r i n gn e g a t i v et r a n s i e n t a tt h es a m et i m e ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ew a sd e s i g n e di nd e t a i la b o u tt h e c u r r e n ts i g n a lg a t h e r i n ga n ds p e e de x a m i n a t i o n t h r o u g hs t e pb ys t e pd e b u g g e d , t h ep a p e rc o n f i r m e dp r o p o s e d s v p w ma l g o r i t h m ，a n da n a l y z e dt h ee n t i r ev a r i a b l ef r e q u e n e ys p e e d a d j u s t i n gc o n t r o ls y s t e m se x p e r i m e n t e f f e c t k e y w o r d s ：i n d u c t i o nm o t o r ；, v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e d a d j u s t i n g ；v e c t o rc o n t r o l ；s v p w m ；p i d ；d s p ； i n v e r t e r i l l 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：乒施枘 日期。 7 年) 月r 日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密i z l，在 不保密电 歹弓铉、私 月! 日 年解密后使用本版权书。 指导教师签名： 名， 签年 者订， 伪0 ， 文 论 ：位期学日 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 变频调速系统是工业自动化不可缺少的基础技术。自2 0 世纪8 0 年代后期以来，随着 现代工业的迅速发展，对作为工业设备的重要驱动源之一的变频调速系统提出了越来越高 的要求，研究和发展高性能变频调速系统成为国内外同仁的共识。 感应电机低价格高性能高容量的特点具有广阔的发展前景。( 1 ) 结构简单、成本低廉、 制造工艺简单、工作可靠、维护方便、转动惯量小、高效节能、经济效益明显。( 2 ) 特大 容量的传动，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高速的传动，如高速磨头、离心机等， 都宜采用感应电机传动。三相感应电机广泛用于变频调速系统，并在伺服运用控制系统中 占相当大的比重。 交流变频调速控制产品的应用主要以机械配套为主，主要涉及机床工具、食品包装、 纺织印染、电子制造、塑料机械、印刷造纸、橡胶机械等。目前，国外品牌占据了中国交 流伺服市场8 5 左右的份额，他们主要来自欧美与日本，欧美品牌如西门子、力士乐和伦 茨在高端设备和生产线上占据了一定的份额，具有高性能和高价格的特点，其中以西门子 最为典型。其他欧美品牌还有a b 、施奈德、丹那赫、柯比、g e 、贝加莱等在其特定的领 域保持了高速增长。日本品牌有安川、发那克( f a n u c ) 、三菱电机、松下、三洋、富士等； 美国有罗克韦尔( r o c k w e l l a u t o m a t i o n ) 、达那赫f o a n a h e r ) 、帕克( p a r k e r ) 等。在国内企业中， 已经在伺服市场的发展中已经培养了一批优秀的品牌，如机床领域的华中数控、广州数控、 珠海运控等。稳定，高速、高精、多轴化与网络化成为变频调速控制产品的发展主题，一 台控制系统同时拖动多台电机进行联合传动，协调了多个传动装置，并通过工业网络时刻 监控系统的运行情况，随时方便对系统进行维护和更新，使变频调速技术得到不断的革新 和发展。 同时，交流变频调速产品不断发展的内在因素便是相关控制理论的不断研究与发现。 三相感应电机精确数学动态模型下的先进控制策略的不断提出，大大的促进了电机控制的 发展，使得控制精度高、调速范围广、动态性能好的控制系统不断出现，并且交流传动性 能可以与直流相媲美，研究感应电机变频调速有着较高的学术价值与深远的实用意义。近 年来，国内各类大专院校及研究机构都把变频调速技术作为重点研究对象，三相感应电机 变频调速技术从控制策略和电子器件上正在不断发展与创新，以逐步缩小与国外的技术差 浙江理工大学硕士学位论文 距。为此，本文选择了三相感应电机变频调速控制技术为立足点，并将对矢量控制技术和 s v p w m 算法进行相关理论研究与实验论证。 本章将首先介绍变频调速中具有代表性的恒压频控制、矢量控制、直接控制等理论发 展情况；接着，主要通过对s v p w m 算法文献分析，阐述控制系统逆变环节的p w m 技术， 并对电力电子及微处理器发展作介绍；最后，给出本文研究内容和章节安排。 1 2 变频调速理论的发展状况 1 2 1 感应电机高性能控制理论的发展进程 在变频调速控制中，常须考虑的一个重要因素是：保持电机每极磁通量瓯不变。根 据乓= 4 4 4 石m 吃，当定子电动势乓与定子频率石比值一定时，就能基本保证磁通不 变。该开环的恒v f 控制方案l 】f 4 】，其优点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬 度也较好，缺点是其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还 不尽如人意，系统性能不高。具体来讲，其控制曲线会随着负载的变化而变化，转矩响应 慢，电流利用率不高，由于定子电阻的存在，低速时，输出电压较低，转矩受定子电阻压 降的影响比较显著，使输出最大转矩减小，另外，功率因数降低，励磁流过大，成磁饱和 状态，电机会严重发热，稳定性变差。因此，这种控制方式只能够满足一般传动的平滑调 速要求，主要用于风机、水泵等传动性能要求不高的传动系统。 1 9 7 1 年，美国p c c u s t m a n 和a a c l a r k 申请了专利感应电机定子电压的坐标变换 控制。同时，德国西门子公司的f e l i x b l a s c h k e 发表了论文感应电机磁场定向的控制原 理( f o c ) ，奠定了矢量控制的基础。在8 0 年代末，采用这种磁场定向控制的感应电机 变速传动系统已经在工业中应用，经过近3 0 年的发展，这项技术从工业应用的角度来看， 已经成熟。对于它励直流电机，电机的磁场由励磁绕组产生，在励磁电流不变时，如果忽 略电枢反应造成的影响，电机的转矩和电枢电流成正比，控制电枢电流即可控制电机转矩。 而对于感应电动机，简单的控制电机的定子电流大小并不能控制电机的转矩。这是因为感 应电动机的转矩不仅与电机磁通和电流的大小有关，而且还和他们之间的相位差有关。矢 量控制是一种高性能感应电动机控制方式，它基于电动机的动态数学模型，将感应电动机 在构造上不能分离的转矩电流和励磁电流分离成相位差9 0 9 的转矩电流和励磁电流，分别 进行控制，因而具有与直流电动机相类似的控制性能【5 1 。 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 t c ) 。直接转矩 2 浙江理工大学硕士学位论文 控制【2 】是一种基于电机定子变量直接控制的非线性控制方式，并被看作与f o c 并列的控制 策略 6 1 。但与矢量控制不同的是，d t c 摒弃了解藕的思想，取消了旋转坐标变换，简单的 通过检测电机定子电压和电流，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。直接转矩控制技术，采用空间矢量 的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，借助 于离散的两点式调节( b a n g - - b a n g 控制) 产生p w m 信号，直接对逆变器的开关状态进行 最佳控制，瞬时控制电动力矩和定予磁通幅值。表1 1 是两种方案的性能与特点比较。 表l 1 矢量控制与直接转矩控制比较 矢量控制实行转速电流又闭环，具有更好的低速稳态性能，从而可以获得更宽的调速 范围，广泛应用于伺服系统，而直接转矩控制更适合用于需要快速转矩响应的大惯量运动 控制系统。矢量控制系统的核心在于类直流电机的磁链与转矩电流的解耦，而励磁电流与 转矩电流调节主要采用经典的p i d 控制器。交流感应电机的高性能闭环矢量控制系统，主 要着眼于其出色的动态响应。 当前，闭环矢量控制系统的主要模式仍基于转子磁链定向，即按转子磁链定向的矢量 控制，定向的精度直接关乎能否实现类似于直流电机励磁电流和转矩电流完全解耦的控 制，即高动态的转矩响应特性。完成这样一个过程，关键是要求取转子磁链的相位和幅值。 对于一个电机系统终端，可测物理量只有电压、电流和转子转速，因此控制方案都是环绕 这几个物理量来进行。其中包含有：坐标变换、利用电机状态方程计算磁链( c ) 或用 状态观测器观测磁链( d v c ) 、转速辩识【6 】或直接检测等环节。i v c 适用于稳态条件下通过 计算转差频率得到磁链，d v c 适用于高动态的矢量调速；速度计算以直接检测最为方便， 占用的软件资源小，采用常见的高分辨率光电脉冲编码器测量转速可获得高达1 ：1 0 0 0 的调 速比，且具有良好的低速特性。 近年来受到控制界十分重视的智能控制，由于它能摆脱对控制对象数学模型的依赖， 3 浙江理： 大学硕士学位论文 己成为众所瞩目的解决鲁棒性问题的重要方法。已经在不同场合获得实际应用的智能控制 【3 】方法有：专家系统、模糊控制、神经网络、遗传算法等等。 与变频调速理论不断纵向发展相对应的便是实际运用中的不断改进。为了消除或减小 电动机参数的时变性对高性能交流传动系统的影响，国内外学者进行了不懈的努力。感应 电机参数辨识技术 7 - 9 1 一直是高性能交流传动系统研究的热点之一。近年来随着现代电力电 子技术、现代控制理论、微电子技术、微处理器数字控制技术以及其它相关科学的进一步 发展，拟制参数变化影响的新型非线性控制策略纷纷提出，如自适应控制【1 0 】、滑模变结构 【l l 】控制、等等。在电机动态数学模型的基础上，采用解耦后的线性控制或非线性控制可以 构成高性能的控制系统，进一步要解决的问题是如何提高系统的鲁棒性，以克服参数变化 和各种扰动( 例如负载扰动) 的影响，自适应控制便成为重要的研究课题。近1 0 - - 2 0 年来， 主要采用的自适应方法有模型参考自适应控制和参数辨识自校正控制，以及各种非线性自 适应控制。滑模变结构控制也是一种自适应的非线性控制，其主要特点是，根据被调量的 偏差及其导数，有目的地使系统沿着设计好的“滑动模态 的轨迹运动，与被控对象的参数 和扰动无关，因而使系统具有很强的鲁棒性【3 】。凡是高性能的交流调速系统，无论是矢量 控制系统，还是直接转矩控制系统或其它系统，都需要转速调解和转速反馈。然而，速度 传感器的安装带来了系统成本增加、体积增大、可靠性降低及性能易受工作环境影响等缺 点。因此，无速度传感器传动控制技术是现代交流传动控制的一个重要研究方向，它也己 成为当前交流传动系统研究的另一个热点【l ，6 1 。 1 2 2p w m 技术的研究与发展 脉宽调制技术( p w m ) 是指利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变成一 定形状的电压脉冲序列，实现变压变频控制并消除谐波的技术，是当前各类工业逆变电源 中应用最为广泛的一种逆变控制技术。p w m 控制是变频调速系统的驱动核心，任何控制 算法的最终实现几乎都是以各种p w m 控制方式完成的【1 2 1 。 关于p w m 控制技术的文章在很多著名的电力电子国际会议上，如p e s c 、i e c o n 、 a p e c 年会上已形成专题。尤其是微处理器应用于p w m 技术并使之数字化以后，技术不 断更新，从最初追求电压波形的正弦度，到电流波形的正弦度，再到磁通的正弦度；从效 率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等【1 4 】。p w m 控制技术的发展经历了一个不断创新 和不断完善的过程。迄今为止，还有新的方案不断提出，进一步证明这项技术的研究方兴 未艾。 4 浙江理工大学硕士学位论文 常用的p w m 技术主要是正弦p w m ( s p w m ) 与基于空间矢量的p w m ( s v p w m ) 。 所谓的s p w m 波形，就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则 是每一区间的面积相等，它的生成有许多方法，例如自然采样法、规则采样法、专用集成 电路与微处理器生成法等。 基于正弦波等面积法的正弦三相s p w m 控制方案由于其原理简单，通用性强，控制和 调节性能好，是目前国内外的电机控制中应用最广的一种，该方法使得流入电动机的电流 谐波较少，电机振动小，相应的硬件和软件技术较成熟，但它仍然存在直流电压利用率低、 谐波含量大，转矩脉动较大等缺点【n 1 13 1 。 s v p w m 技术以其电压利用率高、控制算法简单、电流谐波小等特点在变频调速系统 中得到了越来越多的应用。经典的s p w m 控制则着眼于变频器输出的电压尽量接近正弦 波，未顾及输出电流波形，而s v p w m 视逆变器与感应电机为一体，按照跟踪圆形旋转磁 场来控制逆变器工作，最终是在电机空间形成圆形旋转磁场l l 】【1 3 1 。与经典的s p w m 相比， 其开关次数可以减少1 3 ，直流电压的利用率可提高1 5 ，能获得较好的谐波抑制效果， 且易于实现数字化控制。但传统s v p w m 方法需要进行一系列复杂的坐标变换、三角函数 计算等矢量分解过程【1 5 - 1 9 1 ，计算量大，复杂的算法对高精度实时控制产生了不可忽视的影 响。为此，许多文献对此进行了专门的研究。文献 2 0 1 的研究简化了坐标变换，但需要进 行三角函数的无理除法及绝对值计算。文献 2 1 2 4 解决了无理数、绝对值问题，对矢量作 用时间的计算公式做了简化，但实际操作时计算量也较大。文献 2 5 2 6 简化了两轴坐标的 分量计算，但引入的参数矩阵却带来了大量三角函数计算。文献 2 7 2 9 贝j j 对s v p w m 的零 矢量及与s p w m 的关系进行了研究。尽管相关简化算法不断推陈出新，但从s v p w m 算 法步骤上来说，一般从三相电压与参考电压矢量出发，推导出基本电压矢量作用时间与目 标扇区，并在该中间过程进行各种推理简化，涉及的计算量大。 1 3 变频调速控制器件的发展与性能 1 3 1 电力电子器件 功率半导体器件性能的迅速提高，使研制矢量调速系统中大动态、高效率、低谐波失 真、低电磁噪声、能够工作于较高开关频率的功率p w m 波输出成为可能。i g b t 是集中了 m o s f e t 输入阻抗高和g t r 输出阻抗低的优点而组合成的新器件，本质上仍是m o s 栅极 控制回，并使电力电子电路进入到超音频时代【1 4 l 。实验表明，i g b t 只要管芯的温度有效控 5 浙江理工大学硬士学位论文 制在额定范围内，十分耐用，无需缓冲电路。尤其是新材料的发明，如宽带隙s i c 管芯， 允许i g b t 有更高的电流密度、耐压和结温。预计在未来的1 帖1 5 年，i g b t 仍将是功率逆 变器的首选部件。当前，i g r t 模块在额定电流几百安培下，耐压可达33 45 k v ；在较低 的耐压下，额定电流超过了2 0 0 0 a 。图11 是i r 公司的i g b t ( i r g b l 5 8 6 0 k d ) ，短路电 流持续期为1 0 u s ，虽高耐压6 0 0 v ，额定电流1 6 a ，典型应用频率为1 5 k h z 。该器件输入 阻抗高，输出阻抗低，开关频率高，过载能力强，广泛应用于感应电机伺服系统。 汛蛐 幽1 1 m 公司i g b t翻1 2 富士公司口m 在集成模块方面，随着电力电子技术的发展，智能模块i p m o n t e l l i g e m p o w e r m o d u l e ) 得到了广泛应用。它是微电子技术与电力电了结合的产物，i p m 包含了i g b t 芯片及外围 的驱动和保护电路，甚至集合了光耦等器件，方便了用户设计与应用，减低了纯i g b t 电 路设计的技术门槛，使变频技术得到r 泛推广，并且降低了系统成本，增强系统稳定性1 4 , 3 “。 图12 是富士公司的i p m 智能模块，最高耐压6 0 0 v ，额定电流3 0 a ，开关频率可选2 0 k h z ， 而且还有过流、欠压、过热等保护功能。 1 3 2 微处理器及d s p 的发展 由于矢量控制涉及坐标变换和非线性的复杂运算，加上电力半导体逆变装置在容量、 速度、加载冲击能力、模块化驱动电路的开发上的高要求，其专业化模块化及高速性能是 当代专用控制芯片的研究方向。 早期鞍典型的属i n t e l 公司的1 9 6 m x 系列，具备1 6 位数据处理能力和软件支持的二组 互补三相p w m 硬口输出，有丰富的i 0 口资源，能对屯机运行现场的各种逻辑中断信号 迅速及时地处理，这归功于其独特的“嵌入式”、“外围设各”电路，独树一帜的有：( 1 ) 外设事务服务器p t s ，完成高速的中断服务。( 2 ) 可基于p t s 的事件处理器阵列e p a ，事 件的捕获l l 较中断可与事件的数据处理同步进行，相当于外扩的并行硬件结构。在现场 逻辑复杂、通用性能调速的变频器中广泛采用1 9 6 m x 单片机。但当需要大量数据处理， 浙江理工大学硕士学位论文 尤其是运算实时性要求很高时，诸如对矢量控制这种方案复杂、计算量大、计算精度要求 高的场合，需要高性能的d s p 。8 0 年代初期出现的d s p ( 数字信号处理器) 有着无可比拟 的优势，已形成t i ( 德州仪器) 、a d ( 模拟技术) 、m o t o r o l a 三大系列。而著名的变 频器生产厂家如三菱、东芝、日立、西门子则有自己的d s p 规格，这些公司变频器所用的 d s p 多为专用型，体积较小。如三菱的x c e 1 1 a 变频器控制板，d s p 封装尺寸为 1 3 m m x1 3 r a m ，某些硬件接口功能与固化程序直接嵌入多层电路板夹层，保密性更好，处 理能力更强。 目前主要运用的是9 0 年代推出的一种专门用于数字电机控制( d m c ) 的d s p ： t m s 3 2 0 f c 2 4 0 x 系列，兼有高速信号处理、数字控制功能与单片电机控制应用方案所需 的外设功能，其内核体系采用改进的哈佛流水线结构，使几乎所有的指令都可在2 5 n s 单 周期内完成，制造工艺采用亚微米c m o s ，功耗极低3 1 , 3 2 1 。有专用1 2 路p w m 波、片内光 电正交编码器接口及1 6 路1 0 位的a d 转换模块，为多种类型的电机提供了高效、高速的 先进控制技术。面向应用优化的外设单元和高性能d s p 内核的结合，为多种类型的电机提 供了高效、高速的先进控制技术。 t m s 3 2 0 f c 2 8 x 系列是t i 公司最新推出的新型高效能3 2 位混合信号处理器，其优化 的事件管理器、快速灵活的中断管理、多标准的通讯端口、高效率的c c + + 编译程序、 独特的“i q 程序库和专用的程序包为电机调速系统提供了更加灵活、高效的控制方案。 c 2 8 x 内核是世界上最高性能控制优化内核，提供计算带宽来实时处理许多复杂的控制算 法，如无传感速度控制、随机p w m 以及功率因数校正。c 2 8 x 还提供了足以与一般的 m c u 相匹敌的c 代码效率，与c 2 0 0 0 系列中的当前器件完全代码兼容。3 2 位c 2 8 x 数字 信号控制器内核将t i 在性能和c 效率方面一流的d s p 技术与微控制器的控制外设和简便 易用结合在一起。c 2 8 x 控制器架构能够处理单周期3 2 x 3 2 位m a c 或单周期双1 6 x 1 6 位 m a c ，大大超出业界任何其它定点控制优化设备。该内核加入了超快的中断管理单元， 显著降低了中断延迟1 。 以t m s 3 2 0 f 2 8 x 为例，具有高达1 5 0 m i p s 的处理能力和集成1 2 8 k 字节的闪存存储 器用于开发和现场软件升级时进行简单的再编程，5 6 个独立配置的通用多功能i o 口 ( g p l 0 ) 可任意配置，增强型e p w m 能支持业界最高分辨率，低至1 5 0 皮秒的频率调制不 仅可加强对谐波的控制，还可降低采样至输出的时延，这是避免信号下降沿丢失的重要因 素，提高到1 2 位分辨率的a d c 最低转换时间仅为8 0n s 1 2 5m s p s ，增强型通信e c a n 模 型更加快速通用。该类产品针对于工业自动化、数字电源、汽车控制以及高级传感应用， 7 浙江理工大学硕士学位论文 价格优势逐步取代t m s 3 2 0 f c 2 4 0 x 系列，是目前电机微控制器发展的重要方向。 1 4 论文主要研究内容及结构 随着电力电子器件和和微处理器发展，以及基于三相感应电机精确数学动态模型下的 先进控制策略的不断提出，大大的促进了电机控制的发展，使得控制精度高、调速范围广、 动态性能好的控制系统不断出现，并且交流传动性能可以与直流相媲美，研究感应电机变 频调速有着深远的学术价值与实用意义。三相感应电机变频调速矢量控制方案有着出色的 动态效果和低速性能，其关键之一是对转子磁链的准确估计和对励磁及电枢的正确解耦控 制，关键之二是采用先进的p w m 驱动技术。本文以三相感应电机变频调速系统的高性能 控制为研究方向，对按转子磁链定向矢量控制和s v p w m 算法进行深入研究。全文主要研 究内容按如下安排： 第一章介绍变频调速发展情况。首先阐述基于感应电机的变频调速产品优势以及目前 研究情况，说明研究变频调速意义。接着，详细介绍了变频调速理论的纵横发展情况，然 后主要对s v p w m 技术文献进行深入分析。最后，介绍电力电子技术情况和以t i 公司为 主的d s p 发展情况。 第二章阐述三相感应电机模型及磁链估计原理。基于高性能变频调速系统的需要，本 章介绍三相感应电机精确数学模型，通过坐标变换使模型简化。同时，推导定转子磁链估 计算法及互换方程也是磁链控制所需。 第三章主要研究基于电压型逆变器矢量控制系统。设计了基于d s p 的电压逆变矢量控 制结构，对所涉及的系统结构、旋转坐标系下的磁链估计、p i 调节与参数整定方案进行详 细研究。把梯形算法充分贯穿于变量运算以提高系统精度，并采用遇限削弱p i 调节器以防 止积分饱和，以“专家系统+ 性能积分准则 的模式快速整定p i 参数。 第四章主要提出新型s v p w m 算法。针对电压型逆变矢量控制，采用s v p w m 控制逆 变器。首先分析了磁场一电压旋转理论，并迸一步深入研究传统s v p w m 算法原理，对算 法的微机实现过程详细的分析，特别是对中间过程所定义的变量进行解释。接着，从传统 算法中推导新型差值s v p w m 算法，给出其物理意义和d s p 实现过程，并通过m a t l a b 仿真来证明其可行性。 第五章设计三相感应电机变频调速数字控制实验的硬软件系统。给出了调速平台和感 应电机参数，对逆变电路、自举电源、安全检测模块、a d 采集、正交编码器等电路及接 口作了专门的设计，使系统稳定。设计了软件流程，通过分步调试以节省整个实验时间， 8 浙江理工大学硕士学位论文 最后给出了实验效果图。 第六章总结全文的工作，并提出进一步的研究方向。 9 浙江理工大学硕士学位论文 第二章三相感应电机模型及磁链估计原理 三相感应电机变频调速通常采用恒压频控制，属于标量控制，忽略感应电机中的耦合 效应，通过改变电压来控制磁通，通过控制频率或转差来控制转矩。算法简单，满足一般 工业要求。而要实现三相感应电机高性能的调速或伺服，则需要把调速系统建立在感应电 机的动态数学模型和精确磁链估计上。 本章首先引入变频调速基本原理，并分析磁通与调速性能之间的关系。针对高性能变 频调速的需求，建立三相感应电机动态数学模型，并对模型坐标变换，重点给出三相感应 电机在两相坐标下的c o 陟丢状态方程，使模型系统化。最后，从电压与电流模型的角度完 成对定转子磁链估计方程的推导，其目的是为了精确控制磁链大小。 2 1 变频调速基本原理 通过改变三相感应电机电压而改变转子速度来达到调速目的，很明显，只要有输出频 率可以平滑调节的变频电源，就能平滑、无极的调节感应电机的转速。而且这类系统中无 论转速高低，所消耗的转差功率基本保持不变，因此效率最高。从策略来讲，控制方案简 单，应用广泛。本节主要介绍变频控制原理及稳态特性。 2 1 1 变频调速的基本方式 在进行感应电机调速时，为了充分利用电机的铁心，通常希望保持感应电机中每极磁 通量保持不变。直流电机中，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，即 可保持瓯不变，而感应电机磁通由定子和转子磁动势合成产生，励磁系统与电枢系统耦 合，这是感应电机精确控制难度之处。实际上，在忽略定子漏阻抗的情况下，三相感应电 机定子每相电动势的有效值是蹦3 5 】： 坟= 4 4 4 石m k 吃 ( 2 1 ) 式中e 卜气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值( v ) ； 正一定子同步频率( h z ) ； m 一定子每相绕组匝数； 广定了基波绕组系数。 变换式( 2 1 ) ，有： 1 0 浙江理工大学硕士学位论文 7 p - - , , g = 4 4 4 m k 吃 ( 2 2 ) ，l 很明显，在额定频率以下，只要保证电动势尾和频率石的比值为常数，便可使磁通保 持瓯不变。在稳态情况下，感应电机的定子相电压与相感应电动势之间的关系是【3 4 】： t j , = 一互+ ( 咫+ a )( 2 3 ) 式中定子电压、电动势、相电流为瞬时值，凡为定子相电阻，x l 为定子漏电抗。忽略定子 绕组漏电抗压降，而认为上式中定子相电压u i - = e g ，则有： 善：常数( 2 4 ) ，1 低频时，定子电压主要消耗在定子电阻上，这样会弱化定子磁链，需要适当抬高电压 来补偿定子压降；额定频率以上时，变频器电压不能无限制升高，故采用恒压升频的方式， 即弱磁控制。两种方法见图2 1 所示，基频以下磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调 速”性质；基频以上转速高时转矩降低，属于“恒功率调速 性质。 0 n l 0乙。t 图2 1 感应电机变压变频调速特性图2 2 变频调速的机械特性 2 1 2 变频调速的机械特性 在额定频率以下，感应电机采用恒转矩控制，当速度在稳态情况时，定子由恒压恒频 电源供电，机械特性方程如下： 辅以阿 式中 瓦一感应电机电磁转矩； 胁一极对数； s 一转差率； 0 9 i 一供电角频率； ( 2 5 ) 浙江理工大学硕士学位论文 砭一折合到定子侧的转子相电阻； 小，一定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感。 当转差率s 很小时，可忽略式( 2 5 ) 中含s 的项： w 见阿詈芘s ， w 文对面 b 乃 峭：黑 ( 2 8 ) 1 3 以2 一 乙= 等2 ( 2 9 ) 最大转矩随着国i 降低而减少，频率很小时，需要采用定子电压补偿来提高感应电机带 载能力。 以上分析表明，在j 全范围变化时，机械特性不容乐观。如果把定子电压酞进一步提 高，抵消转子漏抗，得到电磁转矩： 辅见嚣 lq 锋 式中西一感应电机转子全磁通在转子绕组中的感应电动势 这样转矩特性为一条直线，显然，恒历肠i 控制的稳态性能最好，可以获得和直流电 机一样的线性机械特性。这正是高性能变频调速所要求的性能。由于厨c o l - 转子全磁通， 1 2 浙江理工大学硕士学位论文 实际问题转化为保持转子全磁通不变，这是三相感应电机高性能控制首要考虑的问题，而 这种高性能控制首先必须建立在感应电机精确数学模型和磁通估计上。 2 2 三相感应电机数学模型 从变频调速基本原理可知，要实现三相感应电机的高性能控制，就必须保持转子全磁 通幅值恒定，这也是矢量控制系统所遵守的原则。为此，首先就必须建立感应电机的动态 数学模型，在精确的数学模型上对感应电机励磁和力矩进行解耦，保证转子磁通不变，得 到与直流电机相当的控制性能。 三相感应电机中，磁通乘电流产生转矩，电感与电流的乘积即为磁通，转速乘磁通得