基于DSP的交流变频调速系统的毕业论文

本科生毕业论文存档日期存档编号徐州师范大学科文学院本科生毕业论文（设计）论文题目基于DSP的交流变频调速系统的设计姓名学号专业电气工程及其自动化年级指导教师科文学院教务部印制本科生毕业论文第I页共43页I摘要随着工农业生产的发展，人们对调速技术的要求也越来越高，而异步电动机在调速方面一直处于性能不佳的状态。然而，变频技术的出现改善了交流电机的调速性能，同时无速度传感器和基于微处理器的数字调速系统也开始逐渐进入人们研究和讨论的范围。作为高新技术之一的变频技术是重要的节能和环保技术，在各种工业生产、交通运输和家用电器中应用十分广泛，变频器作为变频技术的产品，在我国工农业等各方面有着极其重要的地位。本文以三相交流异步电动机为被控对象TMS320LF240X定为处理器，通过SPWM控制技术对交流电机实现恒压频比控制，电机变频调速的理论。介绍了SPWM控制技术的原理包括单极性SPWM控制技术、双极性SPWM控制技术和SPWM的调制方式。给出了系统各部分硬件电路的工作原理、参数计算以及各部分器件的选取。系统硬件电路主要由主电路、系统保护电路和控制电路组成。主电路部分包括整流、滤波、逆变器，IPM驱动电路与吸收电路等系统保护电路包括过压、欠压保护、限流启动、IPM故障保护等控制电路包括DSP最小系统电路。最后叙述了具体使用DSP编写产生SPWM波形程序的步骤以及一些相关寄存器的设置。死区可以防止主电路桥臂短路现象的发生接着给出了SPWM波形的死区时间，这些波形说明电机可以稳定运行并实现变频调速。关键词DSP智能功率模块恒压频比控制SPWM本科生毕业论文第II页共43页IIABSTRACTALONGWITHTHEDEVELOPMENTOFAGRICULTURALPRODUCTIONANDTECHNICALREQUIREMENTSOFSPEED,ANDMOREANDMOREISALSOHIGHINSPEEDASYNCHRONOUSMOTORISTHEPOORPERFORMANCEOFTHESTATEHOWEVER,THEFREQUENCYCONVERSIONTECHNOLOGYTOIMPROVETHEPERFORMANCEOFACMOTORSPEED,SPEEDSENSORLESSANDMICROPROCESSORBASEDDIGITALCONTROLSYSTEMISALSOGRADUALLYBEGANTOENTERTHESCOPEOFSTUDYANDDISCUSSPEOPLEASONEOFTHEHIGHTECHFREQUENCYCONVERSIONTECHNOLOGYISANIMPORTANTENERGYSAVINGANDENVIRONMENTPROTECTIONTECHNOLOGY,INVARIOUSINDUSTRIALPRODUCTION,TRANSPORTATIONANDWIDELYUSEDINHOUSEHOLDAPPLIANCES,INVERTERFREQUENCYCONVERSIONTECHNOLOGYPRODUCTS,ASINALLASPECTSOFOURAGRICULTUREISVERYIMPORTANTPOSITIONTAKINGTHREEPHASEACINDUCTIONMOTORISACCUSEDOFTMS320LF240XASPROCESSOR,THROUGHTHESPWMCONTROLTECHNOLOGYTOREALIZECONSTANTPRESSUREFREQUENCYACMOTORCONTROLMOTORSPEED,THETHEORYINTRODUCESTHEPRINCIPLEOFSPWMCONTROLTECHNOLOGY,INCLUDINGSINGLEPOLARITYSPWMCONTROLTECHNOLOGY,THEDUALPOLARITYSPWMSPWMMODULATIONANDCONTROLTECHNOLOGYGIVENTHEPARTSHARDWARECIRCUITPRINCIPLE,PARAMETERCALCULATIONANDEACHPARTOFTHEDEVICETHESYSTEMHARDWARECIRCUITCONSISTSMAINLYOFMAINCIRCUIT,SYSTEMPROTECTIONCIRCUITANDCONTROLCIRCUITTHEMAINCIRCUITINCLUDESRECTIFIER,FILTERING,INVERTER,IPMDRIVECIRCUITANDABSORBINGCIRCUIT,ETCSYSTEMPROTECTIONCIRCUITINCLUDINGOVERVOLTAGE,PROTECTION,LIMITEDFLOW,FAULTPROTECTIONIPMCONTROLCIRCUITINCLUDINGDSPSMALLESTSYSTEMCIRCUITFINALLYDESCRIBESSPECIFICUSEDSPWRITEPRODUCESPWMWAVEPROCESSSTEPSANDSOMERELEVANTREGISTERSETTINGTHENGIVESSPWMWAVEOFDEADZONE,DEADZONECANPREVENTTHEMAINELECTRICCIRCUITOFROADARM,AFTERGIVESDIFFERENTFREQUENCIESWHENTHEMOTORRUNNINGVOLTAGEANDCURRENTWAVEFORM,THELINETHATTHEWAVEFORMCANSTABLEOPERATIONANDMOTORINVERTERKEYWORDSDSPINTELLIGENTPOWERMODULECONSTANTPRESSUREFREQUENCYTHANCONTROLSPWM第III页共43页III目录摘要IABSTRACTII1绪论111电机变频调速发展现况和趋势112电力电子技术的发展现况和趋势213国内外交流调速现状3131国外现状3132国内现状414本论文的研究内容42交流电机变频调速原理521三相交流电机的结构和工作原理5211三相交流电机的结构5212三相交流电机的工作原理622交流电机的调速方式823变频调速系统的FU控制方式924SPWM控制技术原理11241单极性SPWM控制技术12242双极性SPWM控制技术13243SPWM的调制方式143变频调速系统的硬件电路设计1731变频调速系统的总体设计1732主电路的设计18321整流电路19322滤波电路20324逆变电路21325以IPM为功率器件的驱动电路23326吸收电路2433系统保护电路的设计2434控制电路的设计294变频调速系统的软件设计3241DSP生成SPWM波形3242系统程序设计345全文总结37致谢38参考文献39基于DSP交流变频调速系统的设计第1页共43页11绪论11电机变频调速发展现况和趋势能源需求正极大地影响着全球经济发展。我国同样也面临着经济增长对能源需求的压力。九十年代我国高耗能产品的耗能量比发达国家高1255，能源综合利用效率仅为32。我国迫切需要提高能源利用效率。电机是能源消耗大户之一。我国电机总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，占工业耗电量的80，然而直到目前，我国各类在用电机80以上还是中小型异步电动机，可见我国在电机节能领域有非常大的潜力。电机节能技术最受瞩目的就是变频调速技术。但是，我国变频调速技术研究虽然非常活跃，然而产业化仍很不理想，外国产品几乎占据了我国变频调速技术市场的60。以下将着重介绍变频调速技术的最新发展概况。1永磁同步电动机及其控制系统的发展具有快速电流跟踪系统的变频装置、DSP信号处理器以及高性能钕铁硼永磁材料的发展，为各类永磁同步电动机及其控制系统的发展带来生机。永磁同步无龄轮电动机及控制系统，是新一代的绿色电梯驱动装置。国外该类电梯专用变频装置有十分完善的软件支持，可接受任意位置传感器的反馈信号，具有自学习功能，自动识别电动机参数，在实现磁场定向伺服时，自动进行初始定位，具有和直流电动机一样优良的线性转矩控制特性。其体积小、效率高、功率因数高、振动小、噪声低，平层精度好，在高层建筑、无机房电梯和家庭小梯中都有很大的市场。2变频调速系统中PWM技术的发展PWM控制是变频调速系统的核心1，任何控法几乎都是以各种PWM控制方式实现。九十年代以来的产品，正弦形PWM（SPWM）调制方法已逐步为以下方式取代快速电流跟踪PWM技术快速电流跟踪型PWM逆变器为电流控制型的电压源逆变器，一般采用滞环电流控制，使三相电流快速跟踪指令电流。该逆变器硬件简单，电流控制响应快，兼有电压和电流控制型逆变器的优点，普遍用于PMSM伺服系统和异步电动机矢量变换控制系统。磁链跟踪控制PWM技术这种方法把逆变器和电动机视为一体，以三相对称正弦波电压供电时交流电动机理想的圆形磁场为基准，用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢基于DSP交流变频调速系统的设计第2页共43页2量来跟踪基准磁链园，由跟踪结果决定逆变器的开关模式，形成PWM波。由于磁链的轨迹是靠空间矢量的选择来实现，因此又称电压空间矢量法。直接转矩的智能控制PWM技术常规的直接转矩PWM技术无法区别转矩、磁链的非常大的偏差和相对小的偏差，这将造成电机启动期间系统的停滞。而采用智能控制中的模糊控制，可以通过定子磁链的空间位置，由一系列偏差的正大，正小等模糊语言，根据模糊规则推出逆变器的开关模式，使系统性能改善。双PWM控制技术交一直一交电压型逆变器是目前最广泛使用的型式，但常对电网构成谐波污染。目前双PWM控制技术的研究非常活跃，即由PWM整流器和PWM逆变器组成的双PWM变频器无须任何附加电路就可使电网侧的输入电流接近正弦波，使系统的功率因数约为1，彻底消除网侧的谐波污染，并实现了四象限运行。12电力电子技术的发展现况和趋势自从1956年第一只晶闸管的问世，电力电子技术作为电子技术的一个分支建立以来，电力电子技术已取得了令人注目的发展，早期的半控型电力电子器件SCR已逐渐被全控型半导体器件所代替，并发展出了多种高电压、大电流、快速高频、驱动简单、复合化和智能化的功率半导体开关器件。例如，单极型器件有功率双极型全控器件有3GTR、达林顿管、GTO等复合器件有IGBT，MCT，MGT，SITH等近几年发展的智能型功率器件IPM，SMARTFET，TOPSWCTIH等。其中场效应晶体管作为一种电压控制型多子器件，具有快速、安全工作区大、容易驱动的特点，因此，近些年来复合型器件被广泛应用在高频开关和电机控制中，并随着生产工艺和制造技术的发展，性能不断被改进。例如MOSFET的通态内阻不断减小，新的MOSFET通态内阻不仅比PN结的正向好，甚至比肖特基二极管的正向内阻还小，己成为最佳的整流器件之一以MOSFET为基础的复合型器件IGBT、EIGT、MER固态继电器、FETKEYMOSFETSCHOTTKY等器件耐压不断增加，电流逐渐增大。如目前IGBT耐压已达到450V以上，EIGT已有4500V/1000A的产品。同时由于电压控制型器件的应用，使功率开关管的驱动电路大大简化，例如IGBT器件的门极驱动电路比双极型晶体管的基极驱动电路所用的元器件要小得多，而且，所需要的驱动功率也比双极型晶体管的基极驱动电路的要少很多，从而使将驱动电路和功率开关管集成在同一芯片或模块中成为可能，并且经过了近些年来的发展，功率电基于DSP交流变频调速系统的设计第3页共43页3子器件制造公司以推出了多种有智能特性的复合器件或模块，例如SMARTFET和护M，它们内部不仅集成了各种自保护功能，也将控制芯片集成在里面。其中SMARTFET是采用了微电子工艺集成的器件，IPM是一种智能功率模块。从电力电子器件的发展历程，我们可以看出电力电子器件正在向高耐压、大电流、小的正向内阻、智能化的电压控制型器件发展。13国内外交流调速现状131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3万的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为6万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SIMOVERTA电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10一2600KVA，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BTJ变频器最大单机容量可达7OKVA，IGBT变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。国外交流变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的全球性短缺，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SCR，GTO，IGBT，IGCT等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高电压、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，16位、32位高速微处理器以及数字信号处理器DPS和专用集成电路ASIC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。基于DSP交流变频调速系统的设计第4页共43页4132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10一15年。在大功率交一交、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大的差距。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，早在二十世纪80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，采用了线性解耦合非线性解耦合的方法，探讨交流电机变频调速的控制策略。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，采用高次谐波注入国内交流变频调速技术产业状况表现如下1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，并没有形成一定的技术和生产规模。2变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。3相关配套产业及行业落后。4产销量少，可靠性及工艺水平不高。14本论文的研究内容本文在掌握交流电机变频调速基本原理的基础上，采用电机控制专用DSP芯片TMS320LF2407A，运用变频调速的价厂控制方式和SPWM控制算法，提出了交流电机变频调速系统的总体设计方案，有速度传感器，控制电路比较简单，电机选择通用标准异步电动机，因此其通用性比较强，性能/价格比比较高。具体研究工作包括交流电机变频调速原理的研究变频调速系统硬件电路的研究和设计，包括主电路、系统保护电路和控制电路变频调速系统控制软件的研究和设计。基于DSP交流变频调速系统的设计第5页共43页52交流电机变频调速原理21三相交流电机的结构和工作原理211三相交流电机的结构定子是电动机的不动部分、它主要由铁心、定子绕组和机座组成。定子绕组是定子中的电路部分，中，小型电动机一般采用漆包线绕制卜其三相对称绕组共有六个出线端，每相绕组的首端和末端分别用D1,D2,D3和D4,D5,D6标记，可以根据电源电压和电动机的额定于电压把三相绕组接成星形或三角形，参见图21。D3D1D5D3D1D5D4D2D6D2D6D4D2D1D6D5D1D4D2D3D4D3D6D5图21三相交流异步电动机接线柱的联接转子是电动机的旋转部分，由转轴、转子铁心、转子绕组和风扇等组成。转子铁心是一个圆柱体，也由硅钢片叠压而成，其外圆周表面冲有槽孔，以便嵌置转子绕组。转子绕组根据其构造分为两种形式鼠笼式和线绕式。A鼠笼式鼠笼式转子是在转子饮心的槽内压进铜条，铜条的两端分别焊接在两个铜环基于DSP交流变频调速系统的设计第6页共43页6上，因其形状如同鼠笼，故得名。现在巾、小型电动机更多地采用铸铝转子，即把熔化的铝浇铸在转子铁心槽内，两端的圆环及风扇也一并铸成。用铸铝转子可节省铜材，简化了制造工艺，降低了电机的成本。B线绕式其转子铁心与鼠笼式相同，不同的是在转子的槽内嵌置对称的三相绕组。三相绕组接成星形，末端接在一起，首端分别接在转轴上三个彼此绝缘的铜制滑环上。滑环对轴也是绝缘的，滑环通过电刷将转子绕组的三个首端引到机座上的接线盒里，以便在转子电路中串入附加电阻，用来改善电动机的起动和调速性能。212三相交流电机的工作原理交流电动机是利用载流导体在磁场中产生电磁力的原理制成的。假设将定子绕组联接成星形，并接在三相电源上，绕组中便通入三相对称电流IUTSINIM21IVIMSINT120022IWIMSINT120023其波形如图22所示。三相电流共同产生的合成磁场将随着电流的交变而在空间不断地旋转，即形成所谓的旋转磁场，IIUIVIW018003600T图22三相电流波形旋转磁场切割转子导体，便在其中感应出电动势和电流，如图23所示。电动势的方向可由右手定则确定。转子导体电流与旋转磁场相互作用便产生电磁力F施加于导体上。电磁力F的方向可由左手定则确定。由电磁力产生电磁转矩，从基于DSP交流变频调速系统的设计第7页共43页7而使电动机转子转动起来。转子转动的方向与磁场旋转的方向相同，而磁场旋转的方向与通入绕组的三相电流的相序有关。如果将联接三相电源的三相绕组端子中的任意两相对调，就可改变转子的旋转方向。FN0F图23转子转动原理图旋转磁场的转速NO称为同步转速，其大小取决于电流频率关和磁场的极对数P,当定子每相绕组只有一个线圈时，绕组的始端之间相差1200空间角，如图23所示，则产生的旋转磁场具有一对极，即P1当电流交变一次时，磁场在空间旋转一周，旋转磁场的每分钟转速NO60F。若每相绕组有两个线圈串联，绕组的始端相差600空间角，则产生两对极，即P2。电流交变一次时，磁场在空间旋转半周，即每分钟转速21600FN以此类推，可得PFN160024式中0N的单位为MINR在我国，工频501FHZ，电动机常见极对数P14由工作原理可知，转子的转速N必然小于旋转磁场的转速0N所谓“异步”。二者相差的程度用转差率S来表示00NNNS25一般交流电动机在额定负载时的转差率约为19。N基于DSP交流变频调速系统的设计第8页共43页822交流电机的调速方式根据电机学原理知识，可以得到交流电机的转速公式为SPFSNN11601026由式26可以看出，交流电机调速方法主要有三大类其一是在电机中旋转磁场的同步转速0N恒定时，调节转差率S，称为变转差率调速其二是调节供电电源频率1F，称为变频调速三是改变电机定子绕组的极数，称为变极调速。1变极调速变极调速一般是通过改变定子绕组的接线方式来改变电动机的定子绕组极对数，从而达到调速的目的。它既不是恒转矩调速方式，也不是恒功率调速方式。优点1具有较硬的机械特性，稳定性良好。2无转差损耗，效率高。3接线简单、控制方便，易维修、价格低。缺点有级调速，级差较大，不能获得平滑调速，且由于受到电动机结构和制造工艺的限制，通常只能实现23种极对数的有级调速，调速范围相当有限。2变转差率调速变转差率调速实现方法众多，例如调压调速、转子串电阻调速、串极调速和滑差离合器调速等方法。交流电动机的输出功率ZP的表达式为MMSZSPPSMMP127其中M电磁转矩。电机旋转磁场的速度。S旋转磁场的同步速度S转差率式2一7中MSP称为交流电动机的转差功率，这一部分功率主要消耗在转子阻抗上。因此，当S增大时，电动机的损耗也将会增大。由此可以看出，调节电机转基于DSP交流变频调速系统的设计第9页共43页9差率、调速是一种耗能的调速方法，是低效率的调速方式。3变频调速变频调速是通过改变电动机定子电源的频率，来实现调速的方法即调节S来调速。在转矩恒定时、基本不变，交流电动机的输SMMPSZ1与输入电磁功率SMMP。成比例变化，损耗基本没有增加，是一种高效的调速方法。优点效率高，调速过程中无附加损耗。应用范围广，可用于笼型交流电动机。调速范围大，特性硬，精度高。对于低负载运行时间较多或起停运行较频繁的场合，缺点技术复杂，造价高，维护检修困难。从上述比较可以看出，与变极调速和变转差率调速相比，变频调速可在宽广的范围内实现无级调速，并可获得很好的起动和运行特性，是一种效率比较高的调速方法。23变频调速系统的FU控制方式电机定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果，本质上是定子绕组的自感电动势。其三相交流异步电机每相电动势的有效值是MINFKE11144428式中IE气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值IK与绕组结构有关的常数IF定子频率IN定子每相绕组串联匝数M每极气隙磁通量由上式可见，如果定子每相电动势的有效值IE不变，改变定子频率时会出现下面两种情况如果IF大于电机的额定频率厂IFN，那么气隙磁通量中、就会小于额定气隙磁通量中、。其结果是尽管电机的铁心没有得到充分利用是一种浪费，但是在机械条件允许的情况下长期使用不会损坏电机。1基频以下调速由式28可知，要保持中M不变，当频率关从额定值IF向下调节时，必同时降低IE使1FE常数，即采用电动势与频率之比恒定的控制方式。当电动势的值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压IIEU，则得1FUI常数。这是恒压频比的控基于DSP交流变频调速系统的设计第10页共43页10制方式。在恒压频比的条件下改变频率F时，我们能证明机械特性基本上是平行下移的，如图24所示，当转矩T增大到最大值后，特性曲线就折回来了。如果电动机在不同转速N下都具有额定电流，则电机都能在温升允许条件下长期运行，这时转矩T基本上随磁通变化，由于在基频以下调速时磁通恒定，所以转矩T也恒定。根据电机与拖动原理，在基频以下调速属于“恒转矩调速”的性质。低频时，IU和IE都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能再忽略。NF1NF1NF2F3F4NINF2F3F40T图24基频以下调速时的机械特性NF4F4F3F2F1NF3F2恒PF1N0T图25基频以上调速时的机械特性2基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从NF1往上增高，但电压1U却不能超过额定电压NU1,最多只能保持1UNU1、。由式28可知，这将迫使磁通随频率升高而降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。在基频关NF1以上变频调速时，由于电压1UNU1不变，我们不难证明当频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩T减小，基于DSP交流变频调速系统的设计第11页共43页11机械特性上移，如图25所示。由于频率提高而电压不变，气隙磁动势必然减弱，导致转矩T减小。由于转速N升高了，可以认为输出功率基本不变。把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得图26所示的交流电动机变频调速控制特性。M恒转矩调速U1恒功率调速U1NU1M0FNF1图26交流电动机变频调速控制特性24SPWM控制技术原理逆变器的输出波形是一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，这些波形与正弦波等效，等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作N等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合。这样，有N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效，称为SPWM波形。SPWM波形如图27所示。产生正弦脉宽调制波SPWM的原理是用一组等腰三角形波与一个正弦波进行比较，如图28所示，其相交的时刻即交点来作为开关管“开”或“关”的时刻。正弦波大于三角波时，使相应的开关器件导通当正弦波小于三角载波时，使相应的开关器件截止。U基于DSP交流变频调速系统的设计第12页共43页12A0TU0T图27与正弦波等效的等幅脉冲序列波101101图28SPWM控制的基本原理图241单极性SPWM控制技术如图29所示。这时的调制情况是当正弦调制波电压高于三角载波电压时，相应比较器的输出电压为正电平，反之则为零电平。只要正弦调制波的最大澎氏于三角载波的由图29（A的调制结果必然形成图29B所示的等幅不等宽而且两侧窄中间宽的SPWM脉宽调制波形。负半周用同样的方法调制后再倒相而成。基于DSP交流变频调速系统的设计第13页共43页13调制波载波（A）（B）A调制波和载波B单极性SPWM波形图29单极性脉宽调制波的形成V1ZV2图210单极性调制工作特点单极性调制的工作特点每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断的工作，另一个完全截止而在另半个周期内，两个器件的工作情况正好相反。流经负载Z的便是正、负交替的交变电流，如图210所示。242双极性SPWM控制技术双极性调制技术与单极性相同，只是功率开关器件通断情况不一样。绘出了三相双极式的正弦脉宽调制波形。当A相调制波AUTU时，V1导通，V2关断，使负载上的相电压为UAU/Z假设交流电机定子绕组为星型联接，其中性点0与整基于DSP交流变频调速系统的设计第14页共43页14流器输出端滤波电容器的中点0相连，那么当逆变器任一相导通时在电机绕组上所获得的相电压为U/2,当，V1关断而V2导通，则UAU/2所以A相电压AU是以U/2和U/2为幅值作正、负跳变的脉冲波形。同理，的BU是由V3和V4交替导通得到的，的CU是由V5和V6交替导通得到的。由AU和BU相减，可得逆变器输出的线电压波形ABU。ABU的脉冲幅值为U和U。尽管相电压是双极性的，但是合成后的线电压脉冲系列与单极性相电压合成的结果一样都是单极性的。综上所述，双极性调制的工作特点逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，而流过负载Z的电流是按线电压规律变化的交变电流，如图211所示。V1ZV2图211双极性调制工作特点243SPWM的调制方式SPWM波毕竟不是真正的正弦波，它仍然含有高次谐波的成分，因此尽量采取措施减少它。图247是通过电动机绕组的SPWM电流波形。显然，它仅仅是通过电动机绕组滤波后的近似正弦波。图中给出了载波在不同频率时的SPWM电流波形，可见载波频率越高，谐波波幅越小，SPWM波形越好。因此希望提高载波频率来减小谐波。另外，高的载波频率使变频器和电机的噪声进入超声范围，超出人的听觉范围之外，产生“静音”的效果。但是，提高载波的频率要受逆变开关管的最高开关频率限制，而且也形成对周围电路的干扰源。基于DSP交流变频调速系统的设计第15页共43页15IA调制频率较低时的电流波形B载波频率较高时的电流波形图212SPWM电流波形SPWM的调制方式有三种同步调制、异步调制和分段同步调制。在一个调制信号周期内所包含的三角载波的个数称为载波频率比。在变频过程中艰口调制信号周期变化过程中，载波个数不变的调制称为同步调制，载波个数才应变化的调制称为异步调制。（L同步调制在改变正弦信号周期的同时成比例地改变载波周期，使载波周期与信号频率的比值保持不变。对于三相系统，为了保证三相之间对称，互差0120相位角，通常取载波频率为3的整数倍。而且，为了双极性调制时每相波形正负波形对称，上述倍数必须是奇数，这样在信号波0180处，载波的正负半周恰好分布在0180处的左右两侧。由于波形的左右对称，这就不会出现偶次谐波问题。但是这种调制，在信号频率较低时，载波的数量显得稀疏，电流波形脉动大，谐波分量剧增，电动机的谐波损耗及脉动转矩也相应增大。而且，此时载波的边频带靠近信号波，容易干扰基波频域。为了克服这个缺点，必须在低频时提高载波比，这就是异步调制方式。2异步调制异步调制方式是指在整个变频范围内，载波比都是变化的。一般在改变调制频率时保持三角载波频率不变，因此提高了低频时的载波比，在低频工作时，逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数可以随着输出频率的降低而增加，相应的减小了负载电机的转矩与噪声，改善了低频时的工作特性。但是由于载波比随着输出频率的降低而连续变化时，逆变器输出电压的波形其相位也会发生变化，很难保持三相输出的对称关系，因此会引起电动机的工作不稳定。（2）分段同步调制基于DSP交流变频调速系统的设计第16页共43页16为了克服同步调制和异步调制的缺点，可以将他们结合起来，组成分段同步调制方式。分段同步调制是指在一定的频率范围内，采用同步调制，保持输出波形对称的优点，当频率降低较多时，使载波比分段有级的增加，这样就利用了异步调制的优点。具体实现方法是把逆变器整个变频范围划分为若干个频段，在每个频段内都维持载波比恒定，对于不同频段取不同的载波比，频率较低载波比取大点，一般有经验参数可取基于DSP交流变频调速系统的设计第17页共43页173变频调速系统的硬件电路设计31变频调速系统的总体设计本文设计的系统以TI公司的TMS320LF2407A为控制核心，其总体设计图如图311M限流起动电压检测IPM故障保护泵升控制过欠压保护驱动电路光电耦合频率输入中央处理器故障保护PWMIO接口IO接口图31基于DSP的变频调速系统总体设计图基于DSP交流变频调速系统的设计第18页共43页18其中主电路部分由整流电路、滤波电路、逆变电路和IPM驱动电路与吸收电路组成。几其工作原理是把单相交流电压通过不可控整流模块变为直流电压，整流后的脉动电压再经过大电容21,CC平滑后成为稳定的基于DSP的交流电机变频调速系统的设计直流电压。IPM逆变电路对该直流电压进行斩波，形成电压和频率均可调的三相交流电，提供给电机。系统保护电路包括过压、欠压保护、限流启动、IPM故障保护与泵升控制等。过压，欠压保护是利用电阻分压采集母线电压，与规定值相比较限流启动是由于开启主回路时，大电容充电瞬间引起的电流过大，这样可能会损坏整流桥，因此在主回路上串联限流电阻R1，当电容电压达到规定值时，启动继电器把R1短路，主回路进入正常工作状态IPM故障保护是IPM内部集成的各种保护功能，包括过电流保护功能、短路保护功能、控制电源欠电压保护和管壳及管芯温度过热保护。把上述各种故障信号进行综合处理后形成总的故障信号送入DSPTMS320LF2407A的PDPINTA故障中断入口，进而封锁DSP的PWM波输出。控制电路包括DSP最小系统电路、频率输入电路、光耦隔离电路等。最小系统由DSP本身和外扩的数据SRAM,程序SRAM、复位电路、晶振、译码电路、电源转换电路和仿真接口JTAG电路组成，仿真接口JTAG电路是为了实现在线仿真，同时在调试过程装载数据代码和程序代码频率输入电路可以设置系统要输出的SPWM波的频率光耦隔离电路是为了把DSP输出的弱电信号和主电路的强电信号进行可靠隔离。32主电路的设计主电路原理图如图32所示，由整流电路、滤波电路、逆变电路IPM和IPM的吸收电路组成。主电路采用典型的交一直一交电压源型通用变频器结构，输入功率级采用单相桥式不可控整流电路RB1，整流输出经中间环节大电容由C1到C4电容组成滤波，获得平滑的直流电压。逆变部分通过功率器件IGBT的导通和关断，输出交变的脉冲电压序列。由于功率器件开关频率过高，会产生电压尖脉冲，因此需要吸收电路来消除该尖峰。图中C5为C型吸收电路，R6到R11和C6到C11组成RC型吸收电路。发光二极管DS1用来显示滤波电容两端的电量。基于DSP交流变频调速系统的设计第19页共43页19图32主电路原理图下面详细介绍各个部分电路及元件参数被控电动机参数为联接，额定功率为NP60W,额定电压NU220V,额定电流NI028A,额定频率NF50HZ，额定转速NN1400R/MIN321整流电路整流电路由4个整流二极管组成单相不可控整流桥，它们将电源的单相交流全波整流成直流。整流电路因变频器输出功率大小不同而异。小功率的，输入电源多用220V，整流电路为单相全波整流桥大功率的，一般用三相380V电源，整流电路为三相桥式全波整流电路。本设计采用的是单相整流桥。整流二极管的计算，通过二极管的峰值电流AIN7902802222IM31流过二极管电流的有效值ATDIIMD560I213601M1800232二极管电流定额AIIDN68112132112一168A33考虑滤波电容的充电电流影响，要有更大的电流裕量，选用AIN10整流二极管的电压定额93362222023232VUUMN34选用认1000V。根据上面计算的电压和电流以及市场价格和供货情况，实际基于DSP交流变频调速系统的设计第20页共43页20选用的单相整流桥为10A,1000V322滤波电路在整流电路中输出电压是脉动的，另外，在逆变部分产生的脉动电流和负载变化也使得直流电压产生脉动，为了将其中的交流成分尽可能的滤除掉，使之变成平滑的直流电，必须在其后加上一个低通滤波电路。这里采用常用的电容滤波电路，在整流输出端并入大电容，整流输出直流电压含有很多偶次谐波，频率越高，电容容抗越小，分流作用越大，谐波被滤除的就越多，输出电压的平均值就越大。滤波电容除了滤除整流后的电压纹波外，还在整流电路与逆变器之间起去耦作用，以消除相互干扰，这就给作为感性负载的电动机提供必要的无功功率。因而，中间直流电路电容器的电容量必须较大，起到储能作用，所以中间直流电路的电容器又称储能电容器。在没有加入滤波电容时，单相整流桥输出平均直流电压为VUUND297220232335加上滤波电容后，DU的最高电压可达交流线电压的峰值VUUNDM3112202236假设输入电压的波动范围为200V240V，当输入电压对应240V的输入，整流后的电压为324V。又设电源功率因数为09，那么每一个周期，电容吸收的能量为212MIN2UUCNFPEPKMOUT37式中OUTP为电机输出功率，PKU为峰值电压，MINU为最小交流输入电压。考虑到纹波的需要，最小的交流输入电压应该在200V以上，所以有FUUNFPCPKOUTM4720031150906022222MIN238滤波电容理论上讲越大越好，实际中考虑价格我们选择4个450伏330叮的电解电容，分别两个并联后再2个串联，最后等效为一个耐压900伏330叮的电容。并联在电容两端的为均衡电阻，由于电容的各个参数不是完全相同，此均衡电阻使串联的电容分压相同，同时在电源关断时，给电容提供一个放电回路，此基于DSP交流变频调速系统的设计第21页共43页21电阻阻值选用47K。323电源指示发光二极管DS1除了表示电源是否接通以外，还有一个十分重要的功能，即在主电路切断电源后，显示滤波电容上的电荷是否已经释放完毕。由于滤波电容的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，如果滤波电容没有快速放电的回路，其放电时间往往长达数分钟。又由于滤波电容上的电压较高，如电荷不放完，将对人身安全构成威胁。324逆变电路逆变电路的功率开关器件选用的是以绝缘栅双极晶体管IGBT为核心的智能功率模块IPM。IGBT是80年代出现的新一代复合型电力电子器件，它集合了MOSFET和GTR的优点，适合于高速、低功耗的场合，如电机控制，开关电源等。IGBT具有耐压高、电流大、开关频率高、导通电阻小、控制功率小等特点。而智能功率模块仁IPM是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在同一个模块内，是电力集成电路PIC的一种。目前的IPM一般采用IGBT作为大功率开关器件。1IPM的主要特性采用低饱和压降，高开关速度，内设低损耗电流传感器的IGBT功率器件。该电流传感器是射极分流式采样，电阻上流过的电流很小，且与开关流过的大电流成确定比例关系，从而可代替一般要外接的电流互感器，如霍尔电流传感器等检测元件。同时饱合压降和开关速度之间的关系达到最优化，具有足够的安全工作区，能很好地满足由控制IC给出的保护范围。采用单电源逻辑电压输入优化的栅极驱动，实行RTC实时逻辑栅区控制模式。以严密的时序逻辑监控保护，可防止过电流、短路、过热及欠电压等故障发生。带RC信号干扰抑制和电源干扰抑制。IPM内置各种保护功能。只要有一个保护电路起作用，IGBT的门极驱动电路即关闭，同时产生一个故障信号，可送至DSP进行相应处理。三相桥臂内含续流二极管内置驱动电路、保护电路和报警输出电路。2IPM的选取IGBT正反向峰值电压为基于DSP交流变频调速系统的设计第22页共43页22AUUM3112202239IGBT电压定额为AUMUD56031121512151310式中15安全裕量12考虑大电容滤波后的电感升高系数IGBT通态峰值电流为AIN7902802222IM311IGBT电流定额为MI2151DI15X12X079142A312式中15安全裕量12考虑电机的过载倍数故可选用L0A/600V的IPM模块，型号为PM10RSH1203续流电路续流二极管的主要功能有电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量。续流二极管为无功电流返回直流电源提供“通道”。当频率下降、电动机再生制动状态时，再生电流将通过续流二极管返回直流回路。IGBTQ1Q6进行逆变的基本工作过程同一桥臂的两个逆变管，处于不停的交替导通和截止的状态。在这交替导通和截止的换相过程中，也不时地需要续流二极管提供通路。4IPM逆变器开关频率的确定在变频调速系统中，采用SPWM逆变电路可以大大降低逆变电路输出电压的谐波，使逆变电路的输出电流接近正弦波。谐波的减少取决于逆变电路功率元件的开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。尽管智能功率模块IPM的开关频率可达1020KHZ，但在确定逆变电路开关频率时，除了应使逆变电路输出接近正弦波，还要考虑器件的开关损耗，以保证变频调速系统具有较高的效率。因此，必须全面衡量后再确定采用IPM的逆变电路的开关频率。本系统开关频率选用18KHZ基于DSP交流变频调速系统的设计第23页共43页23325以IPM为功率器件的驱动电路IPM逆变驱动接口电路如图34所示仁上桥臂只以U相为例。驱动电源当控制信号栅极驱动与主电流共用一个电流路径时，由于主回路有很高的DI/DT，至使在具有寄生电感的功率回路产生感应电压，而导致可能感应到栅极把本来截止的IGBT导通。因此IPM驱动电源需要采用四组隔离电源。上桥臂每相各用一组电源，下桥臂三相共用一组。驱动电源电压在135V165V之间，IPM能够正常工作。若电源电压高于165V，则IGBT因驱动电源电压过高，保护性能得不到充分的保证，高于20V时IGBT管的栅极会损坏，因此绝对不能加如此高的电压。若电源电压低于135V,IGBT驱动电源电压不足，这时控制信号为无效操作。典型的工作电压一般取15V制作驱动电源时，应尽量降低纹波电压，还要使电源的附加噪声降到最小。可在控制电源输出端接10叮及01叮的滤波电容，保持电源平稳，修正线路阻抗。2控制信号输入控制电路电流DI与开关频率KF有关、见表31，因此控制端加一个上拉电阻。上拉电阻应尽可能小以避免高阻抗IPM拾取噪声，但又要足够可靠地控制IPM表31控制端电流与开关频率的关系单位MAN端P端DC20KHZDC20KHZ型号TYPMAXTYPMAXTYPMAXTYPMAXPM10RSH12018252332710812在PWM信号输入端必须用高速光耦进行隔离，一般取光耦的开关速度PLHT“PHLTSKV10，通常的型号有HCPL4504,TLP559,6N136，并且在光耦输出端接一个退耦电容。基于DSP交流变频调速系统的设计第24页共43页24故障信号F使用时必须注意，当TFO18MS典型值有效时，IPM会关断开关并使输入无效。在F结束后，自动复位，同时使输入有效。因而在F输出时系统必须在18MS内使PWM信号无效，等故障排除后方可重新有效。低速光耦可用于故障输出端。3IPM的自保护功能IPM内部集成自保护功能，共有4路保护，分别是上桥臂三路保护UFO,VFOIWFO，下桥臂公用保护F。每个保护都包括过温、过流、欠压、短路保护。如果其中有一种保护电路动作，IGBT栅极驱动单元就会关断电流并输出一个故障信号，各个保护功能的工作情况将在保护电路中进行介绍。326吸收电路开关过电压是IGBT在开关状态转换过程中产生的过电压，也叫瞬态过电压，消除这种电压尖峰的电路叫吸收电路SNUBBER。33系统保护电路的设计虽然在保护模块中己经设有过流、过热等保护，但为了提高系统的可靠性及更好的保护IGBT管，我们仍须设置一套快速而准确的保护环节以防止各种故障。在此，针对这些问题，设计了系统过压、欠压保护、限流起动、工频故障保护等电路。所有的保护电路的故障信号输出相与，所得的信号送入DSP的PDPINTA中断口，当DSP的PDPINTA管脚接收到低电平信号，DSP将做出相应的中断处理，立即封锁PWM输出及停止运行。电路如图35所示。由于保护电路属于系统的弱电控制部分，而故障信号又是从主电路中取出的，为保证系统工作稳定应实行弱电和强电隔离，即使两者之间既保持控制信号联系，又要隔绝电气方面的联系。这就要求我们在设计保护电路的同时应该考虑抗干扰问题。以下将分别介绍各个保护装置。基于DSP交流变频调速系统的设计第25页共43页25图34IPM接口电路图35系统的保护电路基于DSP交流变频调速系统的设计第26页共43页26331过压、欠压保护电路系统中设置了直流电压过压、欠压保护电路。因为IGBT集射极耐压及承受反压的能力有限，而我国电网电压的线性度较差，电压会有一定的波动范围，这会导致直流回路过压或欠压，因此应设置直流电压过压、欠压保护电路，如图36所示。直流电压保护信号取自主回路滤波电容器两端，经电阻R1,R4分压和光耦隔离后送入控制电路。光电耦合器是用来抑制输入信号的共模干扰。利用光电耦合器把各种模拟负载与数字信号源隔离开来，也就是把“模拟图36过压、欠压保护电路地”与“数字地”断开。被测信号通过光电耦合获得通路，而共模干扰由于不能形成回路而得到有效抑制。注意在这里的隔离光耦是工作在线性工作区内。1工作原理在过欠压保护中，当采样电压高低于保护参考点V2V1，则OVHOVL输出低电平，与其它故障信号相与后送入DSP的/PDPINTA中断A，当DSP的PDPINTA管脚接收到低电平信号，DSP将做出相应的中断处理，立即封锁PWM输出及停止运行。2保护点参数选择，设置电网电压士10为允许的电压变化范围。欠压保护电压U1DCPU110311110280V316）过压保护电压U2DCPU110311110342V317基于DSP交流变频调速系统的设计第27页共43页27332限流启动电路此电路是用来防止在开启主回路时，由于储能电容大，加之在接入电源时电容器两端的电压为零，故当主电路刚合上电源的瞬间，滤波电容器的充电电流是很大的，过大的冲击电流将可能使整流桥的二极管损坏。因此为了保护整流桥，在主电路上串接入限流电阻R1，当滤波电容上的电压达到电机正常运行的65时，电压继电器常开触头闭合，将电阻Y短路，结束限流起动过程，进入正常运行状态。1工作原理工作原理与过压、欠压保护才目类似。控制信号也是从主回路滤波电器两端取出，经电阻EZ2R4分压和光耦隔离后送入比较电路，两