运动控制系统-绕线式异步电动机双馈调速系统.doc

运动控制系统课程设计运动控制系统课程设计 题题 目 目 绕线式异步电动机双馈调速系统绕线式异步电动机双馈调速系统 专业班级 专业班级 学学 号 号 姓姓 名 名 指导教师 指导教师 成成 绩 绩 I 摘摘 要要 本文主要围绕双馈调速交直交变频器样机系统进行了相关研究 首先 根 据双馈调速系统的结构特点 将其分为网侧变换器和转子侧变换器 针对网侧 PWM 变换器的拓扑结构 原理 通过坐标变换给出了不同参考坐标系下三相电 压型 PWM 变换器的数学模型 提出采用电压定向矢量控制的策略 阐述了电网 侧变换器的双闭环控制原理和单位功率因数的实现方法 得到了内环电流控制 器和外环电压控制器的工程设计和参数的选取方法 并由此建立了基于 SVPWM 控制的 Matlab 仿真 最后 搭建了基于 TMS320F2812 数字信号处理器 DSP 为控制单元的系统样机实验平台 编写了网侧 PWM 变换器的控制程序 通过实 验验证了控制策略的正确性 关键词 关键词 交直交变换器 空间矢量控制 双馈调速 II Abstract This paper processes the related researches focusing on doubly fed speed regulation model machine system with AC DC AC converter control First of all the system is divided into nets side converter and rotor side converter by its characteristics According to the net side of PWM converter s topology structure and principle it gives mathematical model of three phase voltage source PWM converter in different reference through the coordinate transformation and the strategy of voltage directional vector control What s more a detailed explanation is provided with the double closed loop control principle and unit power factor method of realization for grid side of the converter obtained engineering design and parameter method of choosing in the inner loop current controller and the outer ring voltage controller The Matlab simulation is established based on SVPWM control Finally experimental circuit based on TMS320F2812 digital signal processor DSP to control unit system experimental platform is put up Nets side of PWM converter control procedures is programming to verify the validity of the control strategy through the experimental results Keywords AC DC AC converter Space vector pulse width modulation control Double fed speed regulation 目目 录录 摘摘 要要 I I ABSTRACT IIII 1 1 任务要求任务要求 1 1 2 2 引言引言 1 1 3 3 系统结构系统结构 3 3 3 1 控制器控制器 4 3 2 信号检测信号检测 4 3 3 转速检测电路转速检测电路 5 3 4 滤波电路滤波电路 7 3 5 变频器模块变频器模块 7 3 6 驱动保护电路驱动保护电路 8 4 4 控制系统软件设计控制系统软件设计 1010 5 5 总结总结 1212 参考资料参考资料 1313 1 1 任务要求任务要求 系统硬件结构及软件设计方法 结合典型数字化双馈调速系统的硬件结构 原理图 阐明其组成原理及其软件设计方法 2 引言引言 交流电动机调速方式有三种 1 变频调速 2 变级调速 3 转子回路串 电阻调速 异步电动机转子回路串电阻调速 是将绕线转子异步电动机的转差 功率加以利用的一种经济的调速方法 这种调速方法简单 方便 但存在着以 下缺点 1 调速是有级的 不平滑 2 在深调速时机械特性很软 转速容易出现很大的波动 降低了调速静 态精度 3 转差功率消耗在电阻发热上 效率低 由于它是通过增大转子回路的电阻值来降低电动机转速的 当拖动恒转矩 负载时 转速愈低 转差功率也愈大 电能损耗大 效率更低 为了利用转差 功率 人们提出了控制转子变量的调速方法 即在电动机转子回路串入与转子 电动势相位相反的附加电势 通过逆变器在转子回路中加入幅值和频率可调的 电源其调速范围广 但结构复杂 可以将转子电压通过不控整流的方法引出来 与一个直流电源串联 从而达到转子回路串联幅值可变的外加电源的目的 这 种连接方式即为串级调速 其结构简单 工作可靠 结构如图 2 1 所示 2 图 2 1 绕线式异步电机串级调速 3 串级调速在调速范围要求不高的情况下 变频器的容量与转子转差功率相 当 调速装置的容量可大大减小 特别是转子电压为低压时 整个调速系统的 成本比变频调速方案低很多 但其调速系统功率因数低 调速范围小及谐波抑 制等问题 使其推广应用受到限制 针对绕线异步电机在串级调速控制中存在 的问题 提出基于电压型双 PWM 整流器的双馈调速方案 采用内模解耦控制 和矢量控制技术 实现亚同步以下和超同步宽范围内的调速控制及电机转矩和 转子电流的解耦控制 以提高功率因数 降低电机定转子电流畸变 有效抑制 谐波污染 其结构如图 2 2 所示 2 2 绕线式异步电机双馈调速 3 系统结构系统结构 由于本人主要任务产阐明双馈调速系统的软硬件设计 双馈调速系统交直 交变频器控制结构框图如图 3 1 所示 主要有两个背靠背式的网侧变换器和转 子侧变换器组成 双馈电机的定子侧与电网相连 转子侧与交直交变换器相连 接 系统变换器需要的各路信号经过专用芯片电路采集处理后传输给两片高性 能数子处理器 变换器控制端信号的数据运算和输出主要由两片 DSP 芯片实现 4 3 1 双馈调速系统控制结构 3 1 控制器控制器 控制器选择高速数字信号处理器 DSP DSP 是将模拟信号变换成数字信号 后负责高速实时处理的高性能专用处理器芯片 由于内部采用改进的哈佛结构 同时集成多种便于信号处理和数字运算的硬件 其在数字信号处理速度方面非 常出色 32 位 TMS320X28xx 系列 DSP 整合了 DSP 和微处理器的最佳特性 能够在一个周期内完成 32 32 位的乘法累积运算 或者两个 16 16 乘法累 积运算 能够完成 64 位的数据处理 从而使处理器能够完成更高精度的处理 任务 3 2 信号检测信号检测 双馈系统交直交变频器需要检测网侧 转子侧的多路电压和电流信号 良 好的信号检测元件对系统的精确控制至关重要 这里就采用宇波霍尔电压 电 流传感器作为系统相关的信号检测元件 1 电压传感器 电压传感器 选用的宇波霍尔电压传感器型号为 CHV 100 采用霍尔磁补偿原理 匝数 比 10000 2000 工作电压为 15V 既可以采样交流量又可以采样直流量 采 样转换的电压范围 5V 并实现控制电路与主电路的隔离 如图 3 2 所示 5 3 2 霍尔电压传感器 由于本文没有具体的设计参数的限制 因此选用通用 CHV 100 300 测量范 围 适用于常用交流电机的测量 测量公式 0450V 1 n m V UR R 2 霍尔电流传感器 霍尔电流传感器 系统选用宇波霍尔电流传感器件型号为 CHF 25NP 测量范围 5A 100A 匝数比 1 1000 传感器工作供电电压为 15V 采样转换的电压范围 5V 其 电路如图 3 3 所示 3 3 霍尔电流传感器 3 3 转速检测电路转速检测电路 转速检测采用 ZKT6012 系列光电编码器 ZKT6012 空心旋转编码器 K6012 光电编码器 1024 码盘 1200 脉冲 IHA6012 通过单片机检测脉冲信号 处理 后数据通过 DA 转换器 发送到 ASR 转速调节器处理 这里全用 DSP 代替 电路图如 3 4 所示 6 检检检检检检 AIN0 1 AIN1 2 AIN2 3 AIN3 4 A0 5 A1 6 A2 7 VSS 8 SDA 9 SCL 10 OSC 11 EXT 12 AGND 13 VREF 14 AOUT 15 VDD 16 U3 PCF8591 GND GND VCC VCC 84 7 5 6 2 U2B VCC GND R6 10K R5 10K 100k ASR SCL SDA P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 ECI 3 P1 3 CEX0 4 P1 4 CEX1 5 P1 5 CEX2 6 P1 6 CEX3 7 P1 7 CEX4 8 RST 9 P3 0 RxD 10 P3 1 TxD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 P2 7 A15 28 PSEN 29 ALE PROG 30 EA VPP 31 P0 7 AD7 32 P0 6 AD6 33 P0 5 AD5 34 P0 4 AD4 35 P0 3 AD3 36 P0 2 AD2 37 P0 1 AD1 38 P0 0 AD0 39 VCC 40 U6 P89C51RC 12 Y1 XTAL GND VCC RST RST VCC SCL SDA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 P1 Header 9 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P20 P21 P22 P23 Speed 30pC2 30pC3 10uF C4 R8 10k Speed ASR 3 4 转速检测电路 7 3 4 滤波电路滤波电路 在双馈调速交直交系统中输入相电流含有大量开关频率附近以及开关频率 整数倍的高次谐波分量 系统中的谐波会加大无功损耗 使功率因数降低 严 重时引发串并联谐振 给系统的通信和电气设备造成不良影响 为了衰减开关 频率附近等高次谐波 设计了二阶 RC 无源低通滤波电路 根据公式截止频率 1 2 f RC 电路如图 3 5 所示 3 5 滤波电路 3 5 变频器模块变频器模块 双馈调速交直交系统网侧和转子侧一共需要 12 个 IGBT 选用英飞凌公 司生产的功率控制模块 FS75R06KE3 模块 该模块内部三相桥式电路所需要 6 个功率开关 IGBT 和 6 个续流二极管都已封装好 在正常工作温度下 25 C 下 集成模块的集电极额定电流为 75A 集射极额定电压 600V 适用于中 小功率系统 8 3 6 驱动保护电路驱动保护电路 由于 IGBT 在逆变状态时 很可能出现逆变失败情况 如果没有一套很好 的保护装置 IGBT 很容易烧毁 因此保护装置在逆变系统中占有很重要的地位 这里重点对逆变保护装置加以阐明 当逆变器工作时 应该充分考虑到器件所 能处理的电流能力 并防止过电流现象产生 出现过流的原因 1 负载阻抗太小 2 桥臂短路直通 通常保护采用硬件保护和软件保护两种手段 1 1 软件保护软件保护 软件保护是通过采样实现的 当采样的电流超过设定值时 返回一个过流 变量 并完成相应的操作 例如 if Ia I lim Ia I lim Ib I lim Ia Ib 1 I lim OC SOFT F 1 过流标志变量 软件保护的作用时间是间隔的 只有在每个采样周期才检测一次 因此还 必须要结合硬件保护电路 2 2 硬件保护硬件保护 硬件保护也采用两种方式 继电器开关保护 过流脉冲封锁保护 1 2 继电器开关保护 1 继电路开关保护电路比较简单 这里采用正泰中间交流继电器 JZ7 44 耐压值 220V 通过软件检测电流反馈信号 一旦电路中过流和短路 则 处理器通过相应驱动控制继电器断开 使整个电路失电以达到继电保护 的目的 但由于继电器开关动作时间相对较长 因此很可能在电路未能 及时断开时 IGBT 就已烧毁 因此还需采取脉冲封锁保护措施 过流脉冲封锁保护 2 9 DSP 经过程序计算输出 PWM 脉冲的电压为 3 3V 不足以驱动 IGBT 功 率开关器件 需要经过驱动电路的功率放大 驱动电路是驱动 IGBT 模块以能 让其正常工作 并同时对其进行保护的电路 驱动电路的作用对整个双馈调速 系统交直交变频器来说至关重要 目前 IGBT 的驱动电路主要有分立元件 光 耦驱动电路 专用集成驱动电路和厚膜驱动电路等形式 集成和厚膜驱动电路 集成了很多保护和检测电路 提高了整机可靠性并且使用方便 得到了广泛应 用 日本 FUJI 公司生产的 EXB840 841 是高速型 最高工作频率为 40kHz 采用具有高隔离电压的光耦耦合器进行信号隔离 具有单电源 正负偏压 过 流检测和软关断保护等主要特性 电路结构如 3 6 所示 3 6 EXB841 驱动 IGBT 模块通常只能承受 10 微秒的短路电流 所以必须有快速的短路电 流保护电路 EXB841 驱动器内部装有过电流保护电路 可输出过流保护信号 根据驱动信号和 IGBT 集电极之间的关系检测到过电流时 驱动器 5 号管脚 输出低电平信号 该信号通过光耦合器件 TLP521 得到过流控制信号 光耦合 器件起到隔离高低压电路的作用 电路如图 3 7 所示 3 7 过流保护电路 10 DSP 的与过流保护相关的软硬件资源主要包括 1 FAULT0 3 引脚 2 DISMAP 故障映射寄存器 寄存器 3 PMFCTL 故障控制 寄存 器 4 FLTACK 故障应答 寄存器 5 FAULT 中断 利用 FAULT 信号进行保护 有两种工作模式 1 通过配置 DISMAP 寄存 器通过硬件直接封锁 PWM 输出 2 配置 PMFCTL 寄存器后 进入中断服 务子程序 这两种模式是相互独立的 可以独立配置 一般情形 当电流超过保护设定值时 操作时序如下 第一步 硬件封锁 PWM 输出 一旦设置 DISMAP 寄存器 这一步自动完成 使通道处于无效电平状态 快速关断 IGBT 但是这种工作模式下 当关断 IGBT 以后电流将下降 很快就会退出 PWM 通道封锁状态 第二步 在两个 PWM 时钟周期后 FLTACK 故障应答 寄存器的 FAULTn Pin Flag 为将被置 1 向 DSP 的核提出中断请求 若 PMFCTL 故障 控制 寄存器的 FIE 位被配置 且在 INTC 寄存器中相应位也被配置 且优先 级也被设置 即可进入中断服务子程序 在中断服务子程序中即可完成更进一 步的操作 4 控制系统软件设计控制系统软件设计 1 根据网侧三相电压型 PWM 变换器的拓扑结构可知 其主电路的 6 个可控