（电力电子与电力传动专业论文）高性能小功率工业变频器开发平台的研究.pdf

上海大学顶：卜学位论文 a bs t r a c t t h e r e sah u g em a r k e to fv a r i a b l e - f r e q u e n c ys p e e d g o v e r n i n ga p p l i c a t i o n s s o d e v e l o p i n gar e s e a r c hp l a t f o r mo ff r e q u e n c yc o n v e r t e r so w n i n gag o o ds o f t w a r ea n d h a r d w a r ea r c h i t e c t u r ei sv e r ym e a n i n g f u l i tw i l lp r o v i d eaf o u n d a t i o no fd e v e l o p i n g s p e c i f i cc o n v e r t e r sf o rt h ed i f f e r e n ti n d u s t r yc o n d i t i o n s f i r s t l y ，t h ep a p e ra s s u m e st h ep r o g r a m m i n ge x p e r i e n c e ，i n t r o d u c e st h ec o n c e p t a n dm e t h o do fp r o g r a mm o d u l a r i t y t h ep r o b l e ma b o u tc o n t r o ls y s t e md i g i t i z a t i o ni s d i s c u s s e d ，s u c h a sv i r t u a l o s c i l l o s c o p e ，d i g i t a lf i l t e r i n g ，d i g i t a l p ia n di t s i m p r o v e m e n t t h ev fc o n t r o lo ft h ec o n v e r t e ri sw i d e l yu s e d a n di t st h ef o u n d a t i o no f e x p l o r i n gh i g hp e r f o r m a n c ec o n v e r t e r s t h ep a p e ra n a l y z e st h ep r i n c i p l eo fs v p w m a sw e l la sg i v i n gt h er e a l i z a t i o nm e t h o da n ds i m u l a t i o nm o d e l i th a sb e e nr e a l i z e d o nt h ep l a t f o r m i nt h ep a p e r ，t h ei n v e r t e rc i r c u i t ，d r i v i n gc i r c u i t ，m e a s u r i n gc i r c u i t a n dc o m m u n i c a t i o nc i r c u i ti sp r e s e n t e di nt u r n t h eu n c o n t r o l l e dd i o d ec o m m u t a t i o ni su s e di ng e n e r a l - p u r p o s ec o n v e r t e r s i t g e n e r a t e sa1 0 to fh a r m o n i cw a v ea n dr e a c t i v ec u r r e n t st h a tw ep a ym o r ea t t e n t i o n t o d a y t h ea c d c a cc o n v e r t e rw i t hc o n t r o l l e dr e c t i f i e ri sag o o dr e s o l u t i o ns c h e m e t h et h r e ep h a s e sr e c t i f i e rc a ns u p p r e s sh a r m o n i cc u r r e n ta n di m p r o v et h ep o w e r f a c t o rt o1 i t sak i n do f ”g r e e nc o n v e r t e r ”t h ep w mr e c t i f i e rw i t hs p a c ev e c t o r c o n t r 0 1a n dd i r e c tc u r r e n tc o n t r o li sag o o ds o l u t i o ns c h e m e t h ep a p e rp r e s e n t st h e m a t h e m a t i c a lm o d e l ，c o n t r o le q u a t i o n ，e n g i n e e r i n gp id e s i g nm e t h o d ，i n d u c t a n c ea n d c a p a c i t yc a l c u l a t i o nm e t h o d t os o l v et h ep r o b l e mt h a ti ti sh a r df o rp w mr e c t i f i e r p ic o n t r o lt oh a v eb o t hs t a b i l i t ya n dr a p i d i t y ，t h em e t h o do fv a r i a t i o np a r a m e t e rp i c o n t r 0 1i sa d a p t e d t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nv e r i f i e dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o d i nc i r c u i te x p e r i m e n t s t h ep w mr e c t i f i e rc a nw o r kw e l li nt h eu n i t y , p o s i t i v eo r n e g a t i v ep o w e rf a c t o rs t a t e a c c o r d i n gt ot h et r e n do fd i g i t i z a t i o na n dn e t w o r k i n g ，t h em a n u a lc o n t r o l l e r w i t hc h i n e s e c h a r a c t e rl c dm e n ua n dt h ec o m m u n i c a t i o nc o n n e c t i n gw i t ht h e c o n t r o l l e ra n dc o n v e r t e r sh a v ea c c o m p l i s h e d t h ep a p e rg i v e st h ep r o t o c o l ， s u m m a r i z e st h ec o m m u n i c a t i o np r o g r a mc h a r a c t e r i s t i ca n di t sa r c h i t e c t u r e ，s h o w s t h ea n t i i n t e r f e r e n c em e t h o d s t h eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ec a nd i s p l a yt h e c o n v e r t e rv a r i e sa n ds t a t ei nr e a l t i m em o d e t h ei n t e g r a ls y s t e mw o r k sw e l li n l a b o r a t o r yt e s t k e y w o r d s ：c o n v e r t e r ，p w mr e c t i f i e r ，p 1c o n t r o l l e r ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n 上海大学硕士学位论文 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研究工作。 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做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：叫日期：皿 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、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：1 丝! i 导师签名：幸! ! 盘 日期： ；：12 上海大学硕：k 学位论文 第一章绪论 1 1 变频调速技术概述 现代电力传动是电力电子与电机及其控制相结合的产物，其内容涉及电机、电 力电子技术、控制理论、现代检测技术等学科，是一项综合性、交叉性的学科研究领 域。 变频调速理论诞生于2 0 世纪2 0 年代；随着6 0 年代电力电子器件的发展，出现 了快速s c r ，变频调速的研究很快进入实用化阶段；7 0 年代石油危机发生时，采用 变频调速技术后的风机、水泵节能效果显著，得到社会的广泛认同和重视，加速了变 频调速技术的发展。进入8 0 年代以后，随着功率开关器件和微电子技术进步，变频 调速技术发展非常快，在主电路拓扑结构、驱动技术、微处理器和控制策略等方面均 获得长足进步，控制性能不断提升，控制对象包括了异步电机、无刷直流、正弦同步 电机、磁阻同步电机和伺服同步电机等。变频调速技术在工业自动化领域起着越来越 重要的作用，已渗透到我们生活的各个角落。 变频调速系统按控制方式分类，已成熟应用的控制方式有：恒压频比控制、磁场 定向控制( 矢量控制) 和直接转矩控制。 保持磁通恒定的变压变频( v v v f ) 控制是较早应用的变频控制方案，现在w v f 控制仍广泛应用在低成本、性能要求较低的场合，如风机、泵类等负载拖动。 矢量控制理论源于1 9 6 8 年，德国d a r r n s t a d e 大学的h a s s e 博士发表的关于矢量 控制的论文。1 9 7 1 年，西门子公司的fb l a s c h k e 将其发展成系统化理论，并以磁场 定向控制的名称按专利形式发表。矢量控制原理引入了坐标变换：将异步电机复杂的 静i e 坐标系下的数学模型，转化为d - q 坐标系下简单的类似于直流电机的模型。矢量 控制的引入，开始了变频调速系统在高性能场合的应用。在实际的矢量控制系统中， 按转子磁链定向会受电机参数( 如转子电阻) 变化的影响而失真，从而降低了系统的 调速性能。已有研究使用智能化调节器克服这一缺点，提高系统的鲁棒性。 1 9 8 5 年r u h ru n i v e r s i t y 的m d e p e n b r o c k 教授首次提出了直接转矩控制的理 论，随后日本学者i t a k a h a s h i 也提出类似的控制方案。矢量控制和直接转矩控制都 上海大学硕士学位论文 适用于高性能调速。矢量控制更有利于宽范围调速系统和伺服系统；直接转矩控制更 有利于需要快速转矩响应、特别在弱磁范围的大惯量运动控制系统。矢量控制系统和 直接转矩控制系统都需要检测转速，构成转速闭环控制。 无速度传感器控制方案，通过容易测量的定子电流和电压间接求得转速反馈信 号，以获得良好的控制性能，无速度传感器矢量控制是近年来研究的热点之一，已应 用于高性能通用变频器【3 】a 九十年代以后，交流变频凋速技术进入相对成熟的发展阶段，变频调速发展呈现 多元化的特点n 首先，变频调速系统的控制方案不断完善，随着微电子技术的发展，许多以前无 法实时实现的算法都可以应用到控制系统之中，如最近研究十分活跃的专家系统、模 糊控制、人- q , 经元网络控制和自适应控制等。控制理论和方法的日趋成熟，使得变 频调速制系统的性能不断提高、功能不断完善。 其次，脉宽调制技术不断的发展进步。中、小容量的p w m 变换器常用控制技术 有3 】：基于正弦波对三角波脉宽调制的s p w m 控制；基于消除指定次数谐波的 h e p w m 控制；基于电流滞环跟踪的c h p w - m 控制：电压空间矢量控制( s v p w m 控制) 或称磁链轨迹跟踪控制。技术发展特点是从输出电压接近正弦波为控制目标的， 到以输出正弦波电流为控制目标，再到以被控电机的旋转磁场接近圆形为控制目标， 效果越来越好。 控制系统的数字化，使得变频调速系统可实现复杂控制策略、智能化和网络化。 高电压、大容量变频调速系统成为国内外学者研究的热点之一。 使用高功率因数、低谐波的绿色变换器是变频传动发展的重要方向，主要有双 p w m 交直交变换器、多单元串联的中压变换器、多电平中压变换器等【6 】。受到普 遍重视还在开发的有交一交矩阵式变换器。 1 2p w m 整流技术发展简介 p w m 技术应用于整流始于2 0 世纪7 0 年代，但受制于当时的器件水平，且谐波 问题并不严重而没有受到关注，8 0 年代自关断器件日趋成熟并应用实际，推动了 p w m 整流器的研究，1 9 8 2 年b u s s e a l f r e d 、h o l t zj o a c h i m 首先提出了基于可关断器 上海大学硕士学位论文 件的三相全桥p w m 整流器拓扑及其网侧电流幅相控制策略9 1 。1 9 8 4 年a k a g i h i m f u m i 等提出了基于p w m 整流器拓扑的无功补偿器控制策略，是电压型p w m 整流器早期设计思想。2 0 世纪8 0 年代末，随着a w g r e e n 等人提出了基于坐标变 换的p w m 整流器连续、离散动态数学模型及控制策略，为p w m 整流器的研究奠定 了数学基础】。自2 0 世纪9 0 年代以来，p w m 整流器的研究更加深入，其应用研 究更加广泛。 经过多年的研究和发展，p w m 整流器技术已日趋成熟：从半控型器件桥路发展 的全控型器件桥路；其拓扑结构已从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电 路；主电路类型上，既有电压型整流器( v o l t a g es o u r c er e c t i f i e r - v s r ) ，也有电流型整 流器( c u r r e ms o u r c er e c t i f i e r - c s r ) ；功率等级从千瓦级发展到兆瓦级；p w m 开关控制 由单纯的硬开关调制发展到软开关调制。 p w m 整流除了应用于电气传动的整流环节，更广泛应用于电力领域，例如：静 止无功补偿、有源电力滤波、统一潮流控制、超导储能、高压直流输电、新型u p s 及风能、太阳能的并网发电等等。 自2 0 世纪9 0 年代以来，作为学术界关注和研究的热点，p w m 整流器的研究主 要集中在以下五个方面5 i ( 1 ) p w m 整流器的建模与分析；( 2 ) 电压型p w m 整流器的 电流控制：( 3 ) 主电路拓扑结构研究( 4 ) 系统控制策略研究：( 5 ) 电流型p w m 整流器研究。 1 3 双p w m 变频调速系统 r 1 忑旨f 、 习世e 塑摩 ( b ) 双p w m 结构变频器 图1 1 变频调速系统中，通用变频器 应用广泛，大都采用交一直一交 电压型结构，如图1 1 ( a ) 所示。 但它不具备能量回馈再生能力， 再生能量通过制动单元的制动电 阻消耗掉。其整流端采用二极管 不可控整流，输入电流含有大量 上海大学硕二匕学位论文 谐波，功率因数低。谐波一方面影响电力系统中的设备正常工作，如：缩短变压器等 输配电设备寿命、干扰检测保护装置的工作：另一方面，影响用户设备的j e 常工作， 例如：谐波会造成电机附加转矩和发热，损坏设备绝缘。 目前，主要采用交流电抗器或直流电抗器来改善系统功率因数、降低谐波含量， 采用输入输出滤波将e m i 水平降低至可接受的水平 6 】。 更为积极的方法是采用三相p w m 整流代替二极管整流，如图1 1 ( b ) 所示，构 成p w m 整流、p w m 逆变的结构变频调速系统( 双p w m 变频调速系统) 。 采用双p w m 结构，使得交一直一交变频器对供电电源及负载都有良好的特性。 该方案可以实现交流电机的四象限运行，以及网侧电流正弦单位功率因数运行，总体 上提高了变频器的能效比：可以使直流侧获得足够高且稳定的直流电压，改善了电动 机的驱动性能：通过适当的控制策略还可以减少直流侧电容容量【” 2 6 1 。其缺点主要 是系统复杂，成本较高。 1 4 变频器开发平台的研制意义和总体设想 随着国内工业飞速发展，国内生产制业在全球占有了越来越多的份额，国内广阔 的市场、多样化的需求为变频器研发、生产提供了机遇和动力8 1 。另一方面，能源和 环境问题日趋严重和紧迫，可持续发展已作为我国一项重要国策，变频调速技术顺应 了此趋势。 变频器按应用场合和技术特点分类，可分为通用变频器、高性能通用变频器、中 压( 高压) 变频器、专用变频器、客户定制变频器。国外大生产厂商的通用变频器的 性能较好，功能曰臻完善，占有很大优势。对于专用变频器和客户定制变器，国内厂 商研发和生产便利、成本低，有很大的发展空间。 工业生产的现场环境复杂多样，生产工艺各不相同，使得专用变频器除了要求具 有基本功能、性能可靠等，还常常要求具有智能化、可编程、总线通讯、耐高温、防 爆等功能要求。因而变频器研发需要一个软、硬件结构良好、具有变频器基本功能的 开发平台，并以此作为基础，快速开发各种规格要求变频器。 变频器开发平台的好处在于可减少重复劳动和研发时问、增加产品可靠性，便于 技术和经验积累，使产品开发起点高。对于高校实验室，开发平台方便了学习、研究 上海大学硕士学位论文 和实验，缩短了技术转为产品的时间过程。 从总体上规划设想，变频器开发平台将采用交一直一交、双p w m 结构，如图1 2 所示。平台的控制部分包括t m s l f 2 4 0 7 为核心的控制板、检测电路、驱动电路和手 持控制器，考虑功能扩展，预目转速检测接口、通用i o 接口。 图1 2 变频器开发平台将按软、硬件模块化的要求，首先实现良好控制性能和基本应用 功能。变频器的逆变部分和整流部分，既可联合组成变频器，应用于要求能量可回馈 的场合，也可分开，将逆变部和二极管整流器组合，并采用先进的控制策略，应用于 高性能凋速场合。 1 5 本论文主要内容及章节安排 本课题开发研究采用p w m 整流和p w m 逆变技术、交一直一交结构的变频器开 发平台。平台分为p w m 逆变器、p w m 整流器和手持控制器三部分分别进行研究开 发。手持控制器通过r s 4 8 5 总线控制一个或多个变频器。各章主要研究内容如下： 首先，在结论里，概述了变频调速和p w m 整流技术的发展情况，重点说明了本 文开发平台要采用方案及总体设想。 然后，在第二章，总结了开发平台软件的一些的编程规范和方法，如数据格式， 数字滤波、数字p i 、“虚拟示波器”等。其中，“虚拟示波器”是作者为了方便实 验调试而开发的，在后面章节的中，多次用到它获得的实验波形。本章内容总结了相 关理论和实践经验，是第三、第四和第五章都要用到的规范和方法。 上海大学硕：l 学位论文 第三章，变频器开发平台p w m 逆变器部分，对电压空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术进行分析、仿真和实验，实现变频器的v f 控制和一些应用功能。 第四章，变频器开发平台p w m 整流器部分，推导了p w m 整流器的工作原理和 控制方程，进行p i 调节器的工程化设计。与实际系统一一对应，建立了m a t l a b 仿真模型。研究解决p w m 整流器常规p i 控制时，稳定性和快速性难以兼故问题， 并将变参数p i 控制应用于p w m 整流器控制中。实验效果良好。 在第五章，手持控制器实现了良好的人机界面，文中给出了手持控制器硬件的原 理图和软件流程图。适应网络化要求，实现可靠较高的r s 4 8 5 总线，可进行一台或 多台变频器通讯。文中深入分析了通讯接口电路可靠性改进措施，给出了经验数据； 清楚的叙述了通讯时序，给出了串行中断正确工作的约束条件。 最后，第六章再次总结了本文内容，并对下一步的研究展望，提出一些参考性的 观点。 上海大学硕士学位论文 第二章开发平台软件的模块化设计 作为开发平台，要求具备可靠性、灵活性、易于扩展性，因而，模块化是设计应 遵循的原则。程序还应易于测试，本文“虚拟示波器”较好满足了这一要求。同时， 程序文档应完备、清晰，本课题采用“程序功能图”、程序注释和流程图的方法实现 了这一目标。 控制系统软件是开发平台重要组成部分。程序中一般包括数据采样、数字滤波、 数字p i 运算等环节。本章对此分别进行了分析和说明。 2 1 软件的模块化和程序功能图 本课题程序使用汇编语言，一方面因为t i 的c 2 4 x x 软件编译环境虽支持c 语言编程， 但效率比不上汇编：另一方面，c 2 4 x x 的c p u 频率不够高，在每个p w m 周期中，若计 算量较大，c p u 留给其它事件( 如通讯) 的时间较少，采用汇编可较好控制程序占用时间。 2 1 1 汇编语言的特点与程序的模块化 一、汇编语言的特点 通过程序编写实践，总结汇编与c 语言相比较，特点如下： 首先，汇编程序效率较高。c 语言编写的原代码，虽然编译程序可以优化编译， 据一些资料说，可以达到8 0 ，但不同的语句的程序不能一概而论。例如，经实践， 具体分析比较可知，基本运算( 加、减、乘) 不论单字节还是双字节运算，用c 语 言实现或用汇编语言实现效率都基本一样；c 编写相同功能的函数，经编译后得到的 代码比使用汇编编写的要多，占用c p u 时间也比较长，原因是c 语言编写的函数在 调用时，有一个保护现场的过程。 第二，汇编程序可读性比较差。汇编语言不是结构化的语言，用汇编语言实现顺 序、选择、循环三种基本程序结构，既不方便，也不易看懂程序的算法，需要详细的 注释或其它形式的辅助文档，如程序功能图，否则，经过较长时间后，程序维护会比 较困难。 上海大学碗= l 学位论文 第三、同样任务，汇编语言的工作量较大。一般来况，用c 语言和汇编语言编写 相同的功能模块，c 语言的代码工作量要小得多。但，c 语言不能单独实现所有的编 程任务，要嵌入一些汇编语句操作硬件。 第四、变量与内存管理各有优缺点。汇编编程，变量内存分配需程序员直接管理， 全局变量和局部变量，仅靠使用时加以区别对待，工作量大，效率较高，对硬件调试 方便。c 语言程序员不必时时关心内存使用和物理地址，局部变量使用比较随意。 本课题软件，采用程序功能图、规范的程序注释和流程图较好弥补了汇编语言上 述缺点。 二、程序模块化 在模块化程序设计中，模块化主要表明这样一种状况：一个模块就能完成一个独 立的功能或一组相关的功能，模块对外的接口除了成员变量和成员函数外，不能有跨 模块的全局或状态变量存在川。 总结课题汇编编程经验，模块化是一种理念，体现为一定规范、方法，主要应 处理好：程序结构、任务分解、模块接口、变量和内存管理、程序可测试性等方面。 综上得到结论：根据软硬件条件，决定采用汇编语言或c 语言；编写底层的嵌 入式软件系统，汇编语言是不可缺少，能采用c 语言的地方可尽量采用；使用汇编 语言，采用适当方法，可以写出效率更高、模块化、可维护性好的软件系统。 2 1 2 程序功能图 平台软件说明文档吸收了西门子公司程序功能图方法。在复杂程序段或函数中， 编写程序流程图。编写程序流程图要花费较多时间，不方便与程序保持同步修改，因 而主要采用程序功能图和程序注释。 程序功能图能够简洁、直观和清楚描述算法和逻辑过程，与程序功能模块相对应， 大大方便了程序的分析、调试维护。变频器开发平台包括p w m 整流程序和逆变程序。 程序包含了许多基本模块，例如s v p w m 功能模块，数字p i 功能模块等。 图2 - 1 给出了d 轴电流环p i 功能框图，图中规定，方框左边为输入量i ：、，右 边为输出量吒和静态变a 量e ( k t ) ，上边为函数所用到的p i 设定参数及输出吒的限 上海大学硕士学位论文 幅值。 限幅值p 0 3 3 系数k p i ，p 0 3i 景数k i p 0 3 2 限幅值p 0 3 4 给定盘m ) k n 5 1 k 0 3 2 = k p * ( k 0 3 2 - ( k 0 5 3 一k 0 2 3 ) ) 反馈量i d t e m p v a r y = k l + ( k 0 5 3 一k 0 2 3 ) k 0 2 3 k 0 3 1 = k 0 3 2 + t e m p v a r y 图2 1 2 - 2 “虚拟示波器”功能实现 可测试性好是开发平台软件的要求之一。为了程序测试方便，采用“虚拟示波器”， 使程序测试能够象硬件电路测试一样方便，大大增加了分析、调试的效率。 本课题中的“虚拟示波器” 图形生成的过程是：一、经由 d s pa d 得到电压、电流采样 值，控制程序计算出各环节变 量值。二、将要显示的采样值 或变量按时间顺序，先后存放 在d s p 板的r a m 中的某一区 。域。三、c c 2 0 经由d s p 板的 j t a g 口读入数据到p c 机， 图2 之 并按顺序绘制出图形。图2 2 示出了软件编辑环境c c 2 0 ，以及“虚拟示波器”显示相电压u 。，“b 波形。 2 3 程序数据格式和数字滤波 2 3 1 程序数据格式 控制程序要处理大量数据，如电压、电流、角度等，它们的数值范围、精度要求 上海大学硕：仁学位论文 都不相同。而c 2 4 x x 属于1 6 位处理器，采用定点数进行运算。故原始数据需进行调 整，方法有：一、规格化处理，即将数据标么化；二、采用合适的q 格式。 字长一定，数值范围和数值精度是一对矛盾，根据具体情况决定采用何种数据格 式，避免数据溢出，或计算误差过大。在一些计算环节，如数字p i ，精度要求较高， 可采用双字节存贮变量。 程序中常用数据格式q o ，q 1 5 ：q o 可以表达整数，q 1 5 可以表达纯小数。其优 点是：纯小数之间互做乘法仍是小数，不会发生溢出。通过前述数据调整方法，程序 中的所有数据都可以转成q 1 5 格式，用数学公式来表达就剐1 2 】。： 吻15南2 ”，其逆运算是：x = ，m a x x ) 2 。5 a i t i a x x 一 2 3 2 数字滤波 变频凋速控制系统中各种干扰源很多，a d 采样到的数据常伴有干扰信号。与模 拟电路滤波相似，数字控制系统可通过一定的算法，对采样信号进行平滑加工，提高 用信号，抑制或消除干扰、噪声。 数字滤波的方法很多，例如：限幅滤波、中值滤波、平均值滤波、加权平均值 滤波、r c 低通滤波等。 平均值滤波方法是：连续采样n 个数据然后求得平均值。即： f ( 2 专蕃置( 2 - 1 ) y ( k ) 为第k 次采样值的算术平均值；置为第i 次采样值；n 为采样系数。 滑动平均值滤波方法是【】：在r a m 中建立一个数据缓冲区，依顺序存入n 次 采样数据；每采进一个数据，就将最早采集的那个数据丢掉，而后求包括新数据在内 的n 个数据的算术平均值或加权平均值。滑动平均值滤波在计算量增加不大的情况 下，提高了采样的精度，但增加了滤波的时间延迟。 采用何种滤滤方法，要综合考虑：算法效果、算法复杂成度、采样信号特点、 滤波时间延迟等因素。 上海大学硕：匕学位论文 t m s 2 4 0 7 次可以采样1 6 个数据，本文p w m 整流程序中，一个p w m 周期( t p w m = o 2 m s ) 采样1 6 个通道，采样顺序是： t ，i a ，u ah 。，虬，u d cu 。，u 。其中，交流电压和电流变化快，要 求有较快响应，故采用4 次算术平均值滤波，时间延迟是t ，w m 。直流母线电压【么采 用4 次滑动平均值滤波，时间延迟是1 5 y p 一。图2 3 示出了通过“虚拟示波器”得 到的交流侧电压滤波前后的波形的对比，图2 3 ( a ) 采样一次数据形，图2 3 ( b ) 为采样4 次数据平均值滤波得到的数据。 图2 - 3 数字滤波前后波形的比较 2 4 数字p i 调节器 2 4 1 数字p i 调节器的实现 在连续系统中，按误差进行比例和积分控制的p i 调节器是比较成熟、应用广泛 的一种调节器，它结构简单，参数易于调整，工程中积累了有效的设计整定方法。p w m 整流器p i 参数设计过程是：一、非线性环节经过线性化处理，得到系统的连续域数 学模型。二、在连续域，求得满足性能指标的p i 控制器参数。三、按本节所述方法， 转化到离散域，编程实现。 在连续系统中，p i 调节器的数学表述是： 时域： “( f ) = 芷。p ( r ) + 一1f e ( f ) 加( 2 2 ) 上海大学硕：f ：学位论文 燃郇) = 器咆+ k i 专扣等 ( 2 - ，) 离散化为：u ( k r ) = k p p ( 女丁) + p ( ，丁) ，t 为计算一次的周期 ( 2 4 ) 此式为位置式p i 计算公式，由于u 【k t 既与t = k t 有关，又与t = 0 ，( k 一1 ) t 有关， 故计算量大，也造成了误差积累。改进的p i 计算式为： “( 。r ) = k ，【p ( 丁) 一p ( ( 一1 ) 丁) + k i p ( k t ) ( 2 5 ) u ( k t ) = “( ( 七一1 ) t ) + a u ( k t )( 2 - 6 ) 本论文中的图2 1 给出了d 轴电流环的p i 功能框图。 在实际应用中，p i 调节器的输出一般都做限幅处理，使p i 的输出在有限范围内 变化。装置上电、p i 调节器启动，输入给定值突变时，或突加负载、反馈量突变时， 短时间内，输入偏差达到很大值，p i 调节器的积分积累很大。如果没有限幅，输出 给定有可能会超出执行机构的允许范围，或引起系统调节时间过长，甚至导致系统振 荡。本课题采用增量式积分，输出限幅时，置偏差量e ( k t t ) = o ，相当于同时停止了 积分运算。 2 4 2 数字p i 调节器的改进 p w m 整流器电压环p i 调节器，其时间常数对系统动态响应影响较大。如按本论 文第四章的方法计算，可满足系统稳定性的要求，快速性的要求难以满足；如果将将 电压环的放大倍数增大，快速性增加，但系统起动的时候稳定性变差。尝试采用积分 分离法和变参数p i ，兼顾了系统稳定性和快速性的要求。 积分分离法的思路是：当被控量与给定值的偏差k ( 玎) 1 较大时，去掉积分，以 避免积分饱和效应的产生；当被控量与给定值比较接近时，即l e k ( k t ) i ) 、于设定值时， 重新引入积分，发挥积分的作用，消除静态误差，从而即保证了控制的精度又避免了 振荡的产生。 进一一步对p i 进行改进，采用变参数设计，例如，p w m 整流中，具体实现如下： 上海大学顺士学位论文 原系统中的积分环节放大系数为k p 、当l e k ( 女r ) i 1 0 ，设置k p = o ，2 郦 二、当5 e k ( k t ) i 1 0 ，设置k p 5 k p 三、i e k ( r ) l 玉5 ，设置k p = 1 0 k p 上海大学硕二l 学位论文 第三章三相s v p w m 逆变器的原理和实现 基于电压空问矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术的逆变器开发是变频器开发平台研究的基 础。s v p w m 方法是先进的、计算密集型的、在变频驱动的所有p w m 技术中，很可能是 最好的叫。本章详细推导了s v p w m 原理，计算公式，给出了其仿真模型。 硬件电路方面，本章介绍逆变器的主电路结构，主电路元件参数的计算依据，d s p 控 制电路板，然后介绍了驱动电路的设计和实验波形。 最后，介绍了v 停控制的原理，变频器实现的基本功能，并给出逆变器实验波形。 3 1 逆变器电路设计 3 1 1 主电路结构 逆变器是变频器开发平台的一部分，当采用二极管不可控整流时，可构成通用变 频器。图3 1 示出典型的通用变频器的交一直一交结构，主电路采用三相桥式不可 控整流电路，整流输出经大电容滤波，获得平滑的直流电压，经三相全控桥输出脉冲 电压序列。r 。诅n 为限流电阻，k l 为短路开关，r 4 ，v 7 构成制动单元电路。 变频器控制部分可分为d s p 控制板、手持控制器、驱动电路板、检测电路板、 开关电源几个部分。图3 2 示出了对应变频器开发平台的实物组成。电压、电流检 测用于变频器的电压、电流保护和p w m 整流器中应用，将在论文第四章介绍。手持 控制器通过r s 4 8 5 总线与变频器相连接，其软硬件设计实现在第五章详述。 3 1 _ 2 主电路元件参数计算 图3 1 中的r ；。a 为上电限流电阻，k l 为接触器，上电前k 1 断开状态，上电后1 2 秒钟后将咫。短路，故r ；。应满足( 3 4 ) 风。c l - l 2 秒。 一、 采用二极管构成三相不可控整流电路 整流二极管的主要参数包括反相重复峰值电压u 。，额定工作电流。 上海大学l 翊= l z 学位论文 图3 一l 图3 2 5 卜海大学顾：仁学位论文 反相重复峰值电压1 4 1 ：u 。= u 线电压j 1 1 a ，考虑到电网电压的正常波动， 取波动系数为1 1 ，安全系数a = 2 ，u 线电压= 3 8 0 v ，故取二极耐压1 2 0 0 v 。选取二极 管额定电流l 2 - , 2 1 0 。 二、中间滤波电路 中间滤波电路的平滑滤波电容c ，的作用有两个：一是对整流电路的输出电压滤 波，尽可能保持其输出直流电压为恒定值；二是缓冲来自异步电动机在制动过程中回 馈的能量。 考虑滤波作用时，三相整流桥输出电压的脉动周期i = 型芋= 3 3 3 m s ，负载等 效电阻为r d ，故c l 应满足嘲： 孙| c l 毛 ( 3 _ 1 ) 工程上取： c i ：土：业矿 ( 3 2 ) 3 n i dr 考虑吸收异步电动机的回馈能量时，可按能量关系来近似估算。当异步电动机突 然转为电磁制动状态时，电动机轴上的机械能和漏抗电磁储能将通过三逆变桥的 v t l 一v t 6 向电容回馈，造成电容两端电压突然上升的“泵升”现象。直流母线电压 的突然升高会危害器件和装置的绝缘。选取较大电容值，可以减小电压上升的幅度和 上升时间。为此，逆变器还应设置“泵升”过电压限制电路，如图中所示制动单元 r d ，v 7 。 若电动机轴上轴上的机械储能：；n ： ( 3 3 ) 漏感储能：睨：1 l ，2 ( 3 - 4 ) 电容的储能增加：；c l ( 。：2 一“? ) ( 3 - 5 ) 式中，如为转动惯量之和，机械角速度为f 2 i ，“1 和“2 为电压“泵升”前后的电压， 并没过压系数k = u 2 u l 。则有“f l e , = 8 m _ 平衡关系：= + 睨 一i z 海大学硕： 学位论文 ；：2 叫) 毛如啪抄 cl：_jz万x2：百+l,12k 1 )( z - u i ( 3 6 ) ( 3 7 ) 若限定电容上泵升电压升高3 0 ，k = i 3 ，母线额定电压为u 。，则： c i ：雩檗2 2 ( 3 - 8 ) 一而万 四、主电路中的i g b t 选择 三相逆变桥中的i g b t 的额定电压l k 主要由直流母线电压决定，可按( 3 9 ) 来选择。 u e ( x 1 1 5 + 1 5 0 ) x 口 ( 3 - 9 ) 为直流母线电压，1 1 5 为电压波动系数；1 5 。为三妄引起的允许的尖峰电压： 口是安全系数，一般取1 2 。对三相交流3 8 0 v 输入电压，u d 。= 5 4 0 ，代入算得u 9 2 5 v ， 取i g b t 耐压值1 2 0 0 v 。简单的估算可取i g b t 耐压为实际工作电压的2 倍。 额定电流的值i c 要根据负载最严重情况计算，如异步电动机的启动电流为额 定电流的( 12 2 ) 倍，电机允许过载5 0 一分钟，且要考虑交流电流的峰值。额定电流 的值l c 可按下式选择： 虹m n 。厄赢( 3 - 1 0 ) 其中为直流母线电压，p 为逆变电路输出的额定功率， 1 5 为允许过载 5 0 一分钟系数；1 4 为温度影响系数。i m = j 2 斑则电流可估算为： p c “2 l ( 3 - 1 1 ) 3 1 3 驱动电路 i g b t 和m o s f e t 是电压型驱动器件，其驱动电路必须满足【“1 ： 1 、信号的上升沿要足够快； j 二海大学硕：| 二学位论文 2 、防止由于噪声引起的误动作。 为了快速关断i g b t 以及防止关断期间误动作，一般都加一个负偏压。 v c c n g 图3 3 实验平台采用的驱动电路如图3 3 所示。l u 为p w m 信号输入端，低电平有效； 驱动电路采用高速光耦h c p l 4 5 0 6 进行隔离；由板载控制电源提供5 路+ 2 4 v 电源电 压v c c n 。当l u 为低电平，t 2 导通，t 3 截止，n e tg 、n e ts 间电压为+ 1 5 v ；当 l u 为高电压时，t 2 截止，t 3 导通，稳压二极管提供n e tg 、n e ts 间电压9 v 。 图3 - 4 示出驱动电路工作时，门极触发脉冲电压和管压降波形。 图3 4 输出触发脉冲和管压降 上海大学硕士学位论文 3 1 4 d s p 控制电路板 t m s 3 2 0 x 2 4 0 x 是1 1 公司1 9 9 7 年推出的低价格高性能的1 6 位定点系列d s p 。它面向 数字控制系统，尤其是数字运动控制系统，故一般也称为d s p 控制器。 选用2 4 0 x 系列的d s p 控制器作处理器，主要考虑到其高速、片内外设资源丰富、 价格适中、升级方便。l f 2 4 0 7 a 是低功耗型且片内有3 2 k 的f l a s hr o m ，指令执 行速度最高可达4 0 m p s 的处理器【1 6 i 。因此可以很容易地处理一些复杂控制算法，而 这些算法对于实现那些复杂的电动机功能来说是必要的。2 4 0 x 系列d s p 控制器提供 了较高的集成度，使目标系统的成本得到极大降低。集成外设如下： ( 1 ) 集成了1 0 路1 0 b i t 的a d 转换器。采集时间和转换时间分开，提高了采样率和输入阻 抗( 1 0 k 欧姆) ，支持自动顺序采样，不需c p u 干预，2 种操作模式：1 6s t a t e 或双8s t a t e ( 2 ) 集成了一个事件管理器。具有电机控制所需的p w m 和i o ，可以控制所有类型电机， 计时器比较器单元只需极少的c p u 时间，可编程死区发生器可省掉外部死区发生单 元，捕捉o e p 单元省掉外部速度位置传感器的逻辑电路，p d p 中断可使系统在出错 时得到保护； ( 3 ) 集成了c a n 总线。可以为控制器、传感器、激励源以及其它节点良好的通讯，特别 是在强噪声和恶劣的电磁环境中。 ( 4 ) 集成f l a s hm e m o r y 。c 2 4 xd s p 是第一颗为数字控制系统，集成f l a s h 的c p u ，而 且价格低廉，有8 k b ，1 6 k b ，和3 2 k b 可供选择。 ( 5 ) 在线可编程能力为系统升级提供快捷、方便的方式，同时也降低了系统的升级成本。 综上所述，t m s l f 2 4 0 7 是2 4 0 x 系列d s p 控制器中功能强、片上设施完备的一个型号， 具有较好性能，升级方便，价格适中，能够满足所需电机控制系统的需要。 3 2s v p w m 原理和仿真 在交流调速领域中，随着高开关频率全控功率器件的出现，脉宽调制( p w m ) 技术取 代了老式相控制技术，占据了主导地位。电压空间矢量p w m ( s v p w m ) 也称磁链跟踪 p w m 调制，与s p w m 调制相比较显著的优点，电流谐波小，转矩脉动小，电压利用率与 s p w m 相比提高了1 5 ”】。 上海大学硕士学位论文 3 2 1s v p w i v l 基本原理 一、基本的电压矢量 现以图3 - 5 逆变器为例来说明s v p w m 的原理。定义 邑= 器鬣? 需銎 图3 5 图3 - 5 电路共有8 种开关模式，各模式下“。，“。的取值列表如下： 配e乩( u d e )u ( u d c )乩( u d c ) 1o02 31 31 3 11o 1 3 1 32 3 ol01 3 2 31 3 o112 31 31 3 0 011 31 3 2 3 10 11 3 2 31 3 1 110 0o oo0oo0 逆变