基于DSP风机变频调速系统设计VIP

1、 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第37页基于dsp风机变频调速系统设计摘 要本文分析了变频器的工作原理和异步电机各种控制策略，根据系统设计要求，选用了先进的svpwm技术，该技术控制模型简单，便于微处理器实时处理，能够减少逆变器输出电流的谐波，降低转矩脉动，提高电压利用率。该变频调速系统以ti公司推出的电机专用微处理器tms320lf2407adsp为控制核心，其内部集成的电机控制功能模块使得外围电路的设计大大减少；以智能功率模块(ipm)为主功率器件，其内置的各种保护电路提高了系统的可靠性；对主电路、控制电路、保护电路、检测电路和输入输出电路进行优化设计；使用汇编语言对软件部分进行编写

2、，语法简单、可靠性好、执行效率高；分析了系统软硬件干扰问题并进行了抗干扰设计。死区是变频设计中必须解决的问题，本文分析了功率因数角、载波频率、死区时间、调制比与死区效应的关系，提出了一种新型的软硬件结合的死区补偿方法，该方法硬件成本低，实时性高，有效改善了死区引起的电流畸变。关键词：空间矢量脉宽调制；死区补偿；数字信号处理器；变频器the research on voriable frequency technology of blowervoriable-speed system based on dspabstractthe work principle of inverter is co

3、ntrolled several typical ac control strategies are analyzes and compared in this papersvpwm is used because of its excellent performanceit has simple control model and high voltage utilization，and call be controlled easily by dsp，and can reduce the current harmonic waves and torque ripplestms320lf24

4、07a dsp with integrate modules for motor control developed by ti cois the core controller of this system，which reduces the periphery circuit greatlythe built-in protective circuits of ipm make the system more stablethe hardware structure mainly includes main circuit，control circuit，protect circuit a

5、nd input and output circuitthe software system uses assemble 1anguage compile the whole programmoreover，some measures are adopt to reduce the distortion both hardware and softwarethe effects of dead-time must be settled in the design of inverterthis paper analyzes the relationship between power fact

6、or-angle，carrier-frequency modulate ration and dead-time distortiona new dead-time compensation method on base of the programmable dead-time control function of tms320lf2407a is and proposedthis method realizes the combination of the software and hardware，and has low cost and highly real-time capabi

7、lity and corrects current distortion effectively key words：svpwm；dead-time compensation；dsp；inverter目录摘 要iabstractii1 绪 论111交流变频调速技术的发展1111 电力电子技术的发展1112 pwm技术及其发展1113 交流调速的控制方法2114 数字控制技术的应用212 国内外研究现状及发展趋势313 课题的研究方法及研究内容32变频器控制策略521 变压变频装置原理5211 交-直-交变压变频装置5212 交-交变压变频装置522 变压变频(vvvf)控制原理723 spwm

8、技术原理924 电压空间矢量脉宽调制(svpwm)103 变频系统死区效应分析及其补偿1431 死区效应原理1432 死区效应对pwm变压变频器的影响14321 死区对输出电压基波的影响14322 死区对输出谐波的影响16323死区对输出转矩的影响16331 dsp死区单元工作原理17332 死区补偿方法174 pwm变频调速系统的硬件设计1941 硬件系统概述1942主电路的设计20421 电源的设计20422 逆变器设计2143 控制电路2244 检测及保护电路2445 输入输出电路2546 通讯电路275 变频系统的软件设计2851 tms320lf2407a的编程2852 主程序设计2

9、8521 数据初始化29522 dsp初始化2953 中断服务子程序31531 运行方式选择32532 电流电压保护33533 频率调节3354软件系统抗干扰的设计3355 实验结果34结 论35致 谢36参考文献371 绪 论11交流变频调速技术的发展111 电力电子技术的发展电力电子器件是现代交流调速的基础，其发展直接决定和影响着交流调速的发展。在交流电动机的传动控制中，应用最多的功率器件有gto、gtr、igbt以及ipm。igbt集中了gtr的低饱和电压特性和mosfet的高频开关特性，驱动电路简单、保护容易、开关频率高，是目前电机变频控制中应用最为广泛的主流功率器件。igbt集射电压

10、v。小于3v，开关频率可达到20khz，内含的集射间超高速二极管t可达150ns。第四代igbt的应用使变频器的性能有了更大的提高。igbt开关器件的发热减少，将占主回路发热的5070的器件发热降低到了30：高频波控制使输出电流波形有了明显的改善，减小了电机转矩脉动；由于开关频率的提高，电动机的金属鸣响因振动频率超过了人耳的感受范围而“消失”，即实现了电机运行的静音化；驱动回路简单，驱动功率减少，使得整体装置更加紧凑，体积减小。112 pwm技术及其发展交流电机调速性能的不断提高在很大程度上是由于pwm技术的不断进步。随着电压型逆变器在高性能电力电子装置(如交流传动、不间断电源和有源滤波器)中

11、的应用越来越广泛，pwm控制技术作为这些系统的核心技术，引起了人们的高度重视，并得到深入的研究。所谓pwm技术就是利用半导体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，以实现变压变频并有效地控制和消除谐波的一门技术。目的，几乎所有的变频调速装置都采用这一技术。pwm技术用于变频器的控制可以明显改善变频器的输出波形，降低电机的谐波损耗，并减小转矩脉动，同时还简化了逆变器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应性能。目前，采用高速功率器件的电压型pwm变频器的主导控制技术有：（1）于正弦波和三角波脉宽调制的spwm控制，（2）基于消除指定次数谐波的hepwm控制，（3）基于电流滞环跟

12、踪的chpwm控制，（4）电压空间矢量控制svpwm，或称磁链轨迹跟踪控制。113 交流调速的控制方法在各种类型的异步电机交流调速系统中，变频调速的性能最好，调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。目前典型的变频调速控制类型主要有四种：（1）恒压频比（v/f）控制，（2）转差频率控制，（3）矢量控制，（4）直接转矩控制。114 数字控制技术的应用随着各类高性能的微处理器和微控制器的出现，数字控制技术代替传统的模拟控制已经成为必然的发展趋势。目前，电气传动控制中常用的微处理器有：单片机(scp)、数字信号处理器(dsp)、精简指令集计算机(risc)和包含微处理器的高级专用集成电路(asic)等，

13、其中又以电机控制专用型dsp最受交流调速学术界和工程界的喜爱。数字控制具有如下特点： (1) 精度高 在数字控制系统中，以微处理器作为整个系统的控制核心，将复杂的控制电路用软件实现。(2) 稳定性好 由于控制信号为数字量，不会随时间发生漂移，也很少受温度和环境的条件而发生变化。(3) 可靠性高 数字控制采用大规模集成电路，系统中所用的元件大大减少，相应的故障率大大降低。(4) 灵活性好 系统中硬件向集成化、标准化方向发展，可以在尽可能少的硬件支持下，由软件去完成复杂的控制功能。适当的修改软件即可改变系统功能或提高其性能。(5) 存储能力强 数字系统存储容量大，可以在存储器中存放大量的数据或表格

14、，利用查表法简化计算，提高运算速度。(6) 逻辑运算能力强 容易实现自诊断、故障记录等功能，是变频装置可靠性、使用性大大提高。12 国内外研究现状及发展趋势总体看来，我国电气传动的技术水平较国际先进水平还有一定的距离。在大功率交-交变频调速、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，在数字化及系统可靠性方面与国外有相当差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组启动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬方面有很大需求。中小功率变频技术方面，国产大部分产品都是普通的恒控制，控制芯片采用的大都是单片机，难以实现先进的算法，只有小部分的产品采用数字信号处理器(dsp)来控制。自

15、上个世纪80年代初实现商品化以来，变频器经历了由模拟控制到全数字化控制和由采用gtr到采用igbt两大进程，其发展趋势为：主控一体化 日本三菱公司将功率芯片和控制电路集成在一块芯片上(即双列直插式封装)的研制已经完成并推向市场，一种使逆变功率和控制电路达到一体化，智能化和高性能化的hvic(高耐压ic)s0c(system on chip)的概念已被用户接受。小型化变频器的小型化 除了出自支撑部件的实装技术和系统设计的大规模集成化以外，功率器件发热的改善和冷却技术的发展己成为小型化的重要原因。低电磁噪音化 今后的变频器都要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合emc国际标准，主要做法是在变频器输入侧

16、加交流电抗器或有源功率因数校正(active power factor correction)电路，改善输入电流波形，降低电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。专用化 通用变频器中出现专用型产品是近年来的事。其目的是更好发挥变频器的独特功能并尽可能地方便用户。系统化作为发展趋势，通用变频器从模拟式、数字式、智能化、多功能向集中型发展。13 课题的研究方法及研究内容 本课题结合电机控制理论、电力电子技术、微处理器及计算机软硬件等技术开发了一套性能较好、价格低廉的交流变频调速系统。本文的主要内容：(1)阅读参考了大量文献，在分析对比各种交流调速技术的基础上，采用了目前技术成熟的变压变频(vvv

17、f)控制和空间矢量脉宽调制技术(svpwm)，缩短了开发时间，同时降低了系统的成本，增加了运行的稳定性。(2)介绍了pwm逆变器的原理和特性及dsp在交流调速系统中的应用。分析了恒压频比控制和svpwm技术的原理，并提出svpwm波查表方法。确定了变频系统的控制策略。(3)分析了死区对逆变器输出电压、转矩的影响，并提出了一种新型的死区补偿方法，该方法软硬件结合，硬件成本低廉，软件实现方法简单，实时性强，对死区带来的影响进行了有效的补偿。(4)设计变频调速系统硬件电路。系统主电路采用交-直-交电压型变频装置，核心控制器件采用智能功率模块6mbpl50ral20。选用tms320lf2407a作为

18、控制电路核心控制芯片。(5)用汇编语言编制程序实现svpwm脉宽调制，生成pwm波实现异步电机的变频调速，用汇编语言编制程序实现a/d转换、数据显示以及故障中断处理等功能。(6)对系统软硬件干扰问题分析并实现了抗干扰设计。给出实验结果，总结全文。2变频器控制策略21 变压变频装置原理变频器是一种能提供频率及电压同时变化的电力电子电源装置，从结构上可分为间接变频器和直接变频器两大类。间接变频器先将工频交流电整流成电压大小可控的直流电，再经过逆变器变换成可变频率的交流电。因此也称交-直-交变频器；直接变频器则将工频交流电一次性变换成可变频率交流电，故称交-交变频器。目前以间接变频器应用较为广泛，本

19、文所设计的变频系统也属于这一类。211 交-直-交变压变频装置按照电压、频率的控制方式，交-直-交变频器有三种结构形式：图2.1 交-直-交变频器结构(1)可控整流器调压、逆变器调频方式。(2)不可控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频方式。(3)不可控整流器整流、脉宽调制(pwm)逆变器同时实现调压调频方式。212 交-交变压变频装置交-交变频装置只有一个变换环节，就可以把恒压恒频(cvcf)的交流电源变换成vvvf电源。交-直-交变频装置控制简单，所用晶闸管元件少，但它要经过两次能量转换所以损耗比较大，而且大部分都用不可控器件作逆变开关，采用电容强迫换流，电路结构复杂。1)电流源型 2)电压

20、源型 3)输出电压波形图2.2交-交变频器原理圈交-交变频装置可直接将电网频率交流电变成频率可调交流电，无需中间直流环节，从而可提高整个变频装置的变换效率。又由于交-交变频装置中晶闸管可利用交流电网实现电源自然换流，无需专门设计换流电路，简化了变流器结构。这种变频器基本单元是由三相可逆整流装置所构成，每相装置均为两个反并联的三相整流器，变频器容量就由它们来分担，因此在不采用元件串、并联的条件下，可将交-交变频器容量做得很大，使这种变频器在大容量低速同步电机的无齿系传动、大型线绕异步电机的超同步双馈调速，以及新型交流励磁变速恒频发电系统中得到了相当广泛的应用。交-交变频器输出的每一相都是由两组晶

21、闸管可控整流器反并联的可逆线路构成。如图2.2所示。其中图1)电路可控整流器进线侧接入了足够大滤波电感使输出电流近似方波，称电流源型；图2)两组整流器直接反并联，构成电压源型电路。当正组工作在整流状态时，反组封锁。负载上电压u为上(+)下(-)。当反组处于整流状态而正组封锁时，u为上(-)下(+)两组交替工作就使负载上得到交流电压，如图3)所示，其输出频率即为两组整流器的交替工作切换频率。由于交-交变频器输出的交流电压是经晶闸管整流后获得，晶闸管利用了电网电压换流，其输出频率不能高于电网频率，通常最高输出频率被限制为电网频率的1/31/2。22 变压变频(vvvf)控制原理根据电机学原理，异步

22、电动机的同步转速是由电源频率和电机极对数决定的，在改变供电电源频率时，电机的同步转速也相应的改变。当电机在负载条件下运行时，电机转速低于电机的同步转速，两者的差值就是转差，转差的大小与电机的负载有关。电机定子每相感应的电动势的有效值为： (2.1)其中：气隙磁通在定子每相中感应的电动势有效值(v)；：定子频率(hz)；：定子每相绕组串连匝数； 基波绕组系数；每极气隙磁通(wb)。由异步电机的t型等效电路，异步电机端电压与感应电动势的关系式为 (2.2)式中 定子绕组阻抗：流过定子绕组的电流。由式(2.1)可见，的值是由和共同决定的，对和进行适当的控制，就可以使气隙磁通保持额定值不变。需要考虑基

23、频以下和基频以上两种情况：（1）基频以下调速在电机额定运行情况下，电机感应电动势值较高，电机定子电阻和漏电抗上的压降所占比例较小，由式(2.2)可知，电机端电压与电机的感应电动势近似相等。当电机的频率变化时，若继续保持电机端电压不变，那么电机的磁通就会出现饱和或欠励磁的情况。例如，当电机的定子频率降低时，若继续保持电机的端电压不变，即保持电机的感应电动势。不变，那么由式(2.1)可知，电机的磁通将增大。由于电机设计时，电机在额定情况下的磁通通常接近饱和值，磁通的进一步增大将导致磁通饱和，磁通出现饱和后将会造成电机中的励磁电流过大，增加电机的铜耗和铁耗，使电机温升过高，严重时会烧毁电机。但电机出

24、现欠励磁时，不能充分利用电机铁心，将会影响电机的输出转矩，使电机带负载能力下降。因此，在改变电机频率时，应同时对电机的感应电动势进行控制，以保持为恒定值，从而保持不变。然而绕组中感应电动势是难以直接控制的，当定子频率较高时，感应电动势的值也较大，因此可以忽略定子阻抗压降，认为定子相电压，则得： (2.3)改变定子侧的输入电压，即可调节电动机的频率，这就是恒压频比()控制方。而低频时，和都较小，定子阻抗(主要是定子电阻上的压降)所占比重较大，电机的端电压和电机的感应电动势近似相等的条件已不能满足。如果仍然按照一定来控制，就不能保持电机磁通恒定。电机磁通的减小势必造成电机电磁转矩的减小。如果对定子

25、电阻压降进行补偿，在低频时可适当提高逆变器的输出电压，使/为恒定值。这样可以使电机磁通大体上保持恒定。 图2.3异步电机变频调速控制特性(2)基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从基频往上升，但是端电压以不能继续上升，只能维持在额定值，这将迫使磁通与频率成反比地下降，相当于直流电机的弱磁升速的情况。在整个电机调速范围内，异步电机的控制特性如图2.3所示。如果电机在不同转速下都具有额定电流，则电机都能在温升允许的条件下长期运行。这时电机转矩基本上随磁通变化，因此，在额定转速以下为恒转矩调速，在额定转速以上为恒功率调速。23 spwm技术原理通过pwm控制方式对异步电机调速系统的主电路进行控制，

26、是进行能量控制并实现vvvf控制思想的有效手段。pwm技术是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现变频、变压及控制和消除谐波为目的一门技术，是目前逆变器主要采用的控制技术。 图2.4 pwm逆变器原理图spwm控制技术是从电机供电电源的角度出发，着眼于如何生成可调频调压的三相对称正弦波电源。spwm变频调速控制实现的方法就是以正弦波作为基准波(调制波)，用一系列等腰三角波(载波)与其相交，由交点来确定逆变器的开关模式。正弦脉宽调制技术主要分为自然采样法和规则采样法。自然采样法通过计算正弦调制波与三角载波的交点确定脉宽，因其求解一个超越方程，不适于微机实时控制。规

27、则采样法主要有两种，规则采样法电压水平线与三角载波的高点都处于正弦调制波的同一侧，因此所得的脉冲宽度明显偏小，控制误差较大。规则采样法ii又叫中值规则采样法，它的基本思想是：将三角载波每一周期的负峰值时刻对应与正弦调制波上的电压值对三角载波进行采样，以决定功率开关器件的导通与关断时刻。和是三角载波及其周期，是正弦调制波，时刻采样值为。水平线与三角载波的交点a、b将tc分成,和三段。设三角载波的幅值保持不变，正弦调制波为其中 和分别是正弦调制波的幅值和角频率。正弦调制波的幅值和三角载波的幅值之比。即称为调制度。在理想情况下，m在o1之间变化，以调节逆变器输出电压的大小。在实际使用中考虑最小脉冲限

28、制，m总是小于1的。一般取m的最大值为0.950.98。根据脉冲电压对三角载波的对称性，和等，则有 (2.4)由式(2.4)可得脉宽时间和间隙时间分别为： (2.5) (2.6)式(2.5)、(2.6)便是实时计算spwm波形脉宽时间的基本公式。24 电压空间矢量脉宽调制(svpwm)svpwm以三相对称正弦波电压供电时交流电机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，并由它们比较的结果决定逆变器的开关状态，形成pwm波形。该方法把逆变器和电机看成一个整体，所得模型简单，便于微处理器实时控制，并且具有转矩脉动小、噪声低、电压利用率高的优点，因此在开环和闭环控制

29、系统中都得到了广泛的应用。(1) svpwm基本原理电机的理想供电电压为三相正弦，其表达式如下； (2.7)其中:、：三相定子绕组相电压；：相电压最大值；：电源角频率。按照合成电压矢量的定义： (2.8) 、为电压空间矢量在，轴上的投影； 为park算子。根据三相系统向两相系统变换幅值不变的原则，利用clark变换将三相坐标(a，b，c)变换到静止的两相坐标()：得 （2.9）由上式可见，当理想电源供电时，空间电压矢量为圆形的旋转矢量，其轨迹在复平面上是一个圆心在原点、半径为的圆。磁通是电压的时间积分，磁通矢量也是一个圆形的旋转矢量，比电压矢量滞后，其半径为：。图2.5电压和磁通矢量轨迹通过以

30、上分析可以看出当压频比为常数时，磁通轨迹半径，也为常数，随着的变化，磁通矢量的定点运动轨迹就形成了一个以r为半径的圆，即得到了一个理想的磁通圆， 它就是svpwm的基准圆。(2) svpwm的实现方法svpwm的常规实现方法有磁链圆轨迹法、电压矢量合成法等。这些方法虽然比较直观，但是算法复杂，大量的非线性运算影响了svpwm的执行速度。本文采用一种改进的查表法，可以方便的实现svpwm。图2.6三相电压源逆变器的空间矢量图在pwm逆变桥中，每个桥臂上的晶体管可以看作是一个开关，对于180。导通型逆变器来说三相桥臂的开关只有8种工作状态，包括6个非零矢量和2个零矢量。在此规定三相负载的某一相与直

31、流电源难极接通时，该相的开关状态为“1”，与负极接通时，该相的状态为“0”，这八种工作状态用空间矢量的概念可以表示为: (000)、(001)、 (010)、 (011)、 (100)、 (101)、 (110)和 (111)。其中是非零矢量，幅值相等相位互差3电角度，状态矢量，为零矢量。根据电压矢量合成法可以推倒出： (2.10)当位于区间时，=l，则和可由下式计算： (2.11)根据式(2.11)可求得在区间中逆变器的各输出端a、b、c相对于其直流侧中点的电压为： (2.12)图2.7 sxpwm逆变器相电压波形在本文的控制系统中使用式(2.13)所确定的函数作为svpwm的调制函数，这样

32、可以不必单独计算每个矢量的作用时间也不用考虑矢量的作用次序，使得控制算法大大简化，在数字化控制系统中，可以用与spwm调制相同的方法实现，即将调制函数的值在一个周期内离散后作为数据表，调制时通过查表法实现。3 变频系统死区效应分析及其补偿31 死区效应原理在具体实现pwm控制方案时，其应用效果往往不如预期的那么理想，重要原因之一是pwm逆变器主电路中的功率开关元件本身不是理想开关。为了防止同一桥臂的两个功率开关器件发生直通，必须在其驱动信号中设置一段死区时间。死区时间的引入使得逆变器主电路不能精确再现由pwm波形发生器所产生的理想pwm波形影响了pwm方案的应用效果，所有这些影响统称为死区效应

33、。死区效应是影响逆变器电压和电流输出的重要非线性因素，会使得低速轻载时的电压及电流发生严重畸变，引起转矩脉动和谐波。死区时间的设置方式有两种：(1)单边不对称设置欲关断的功率管与理想波形同时关断，欲开通的功率管延迟td后开通。(2)双边对称设置欲关断的功率管比理想波形提前td/2关断，欲开通的功率管比理想波形延迟td/2开通。32 死区效应对pwm变压变频器的影响321 死区对输出电压基波的影响为了讨论死区对变压变频器输出电压的影响，设定偏差电压为uef，它与每个周期高为的矩形电压脉冲相等效。 可得： (3.1) 其中： ：变压变频器输出电压基波周期；n：载波比；：死区时间 。根据傅氏级数分析

34、可得偏差电压以，的基波分量幅值为： (3.2)上式表明，在一定的直流侧电压与变压变频其输出频率下，偏差电压基波值与死区时间和载波比n的乘积成正比。而这两个量与变压变频器所采用的开关器件有关。以bjt和igbt为例，前者的死区时间大约是后者的34倍，但前者的载波比却仅为后者的1.61.8，因此后者的死区相对较大，偏差电压的基波值也大一些。由前面的分析已知，死区所产生的偏差电压始终与变压变频器输出电流相反。当功率因数角为妒时，理想基波为： 由死区产生的偏差电压基波为：式中，a1与a2分别为基波幅值和死区偏差电压基波的幅值。a1与矩形脉冲的起始角、终止角有关；a2即为式(32)所示。由于 与相位不同

35、，所以用图31所示的向量图求得它们合成的逆变器实际输出的基波向量。由此可得：图3.1 输出电压矢量圈 (1)死区形成的偏差电压使实际输出的基波电压在相位和大小上与理想输出的基波有所不同。只要存在电流的滞后功率因数角，其相位一定超前于理想基波电压；而幅值则与功率因数角的大小有关。(2)当功率因数角时，死区的影响最大。但是由于与反相，实际输出电压减小了。从向量图可以看出，随着的增大，死区的影响逐渐减小，即逐渐增大。另外，由于本身很小，所以当时死区对输出基波的影响几乎可以忽略。图3.2 死区对输出基波幅值的影响死区越大，对变压变频器基波输出的影响也越大，且呈线性关系。322 死区对输出谐波的影响对于

36、理想pwm变压变频器而言，其输出电压中几乎不存低次谐波，只有少量的与载波比有关的谐波，但由于死区时间的引入，引入了丰富的低次谐波。主要引入了6 m1次谐波，特别是5，7，11，13等一些低次谐波的存在，会使得输出电压发生很大的畸变，低次谐波的幅值随死区时间的增加而线性增加，这些将引起输出电压波形的畸变，并终导致电机电磁转矩脉动量的增加。(1) 死区时间td=0时，逆变器输出电压幅值为，由于td0，实际输出电压幅值为；(2) 电压的幅值即随着功率因数角的变化而变化。当时，基波幅值系数al取极小值，当时al取极大值， 提高调制比可以改善输出电压的波形，抑制谐波，但随着n的增大，输出电压的基波下降更

37、加严重，这样将导致电动机的损耗增大。323死区对输出转矩的影响死区时间不仅对逆变器输出的基波电压、低次谐波有影响，对逆变器的输出转矩有影响。由于本控制器比恒定，输出转矩正比于输出基波电压的平方。设死区效应应的影响使得输出电压的误差为u，则转矩为： (3.4) 其中， 为无死区时间时正比于输出电压基波平方的电机输出转矩。 (3.5)根据上式可用看出，当理想输出电压很大时，u/相对较小，可以忽略；而当电机低速运行时， 较小，/相对较大，这时死区效应会引起较大的转矩误差。综上所述，死区的存在使得输出基波电压下降，相位发生变化，低次谐波增加。特别当输出电压或频率很低的情况下，这种影响将会变得十分严重，

38、定子铜耗、铁耗显著增加，转矩脉动还会导致调速系统的不稳定，由于该系统经常运行在低频状态，因此必须采取一定的补偿措施来消除死区效应的影响。33 死区补偿331 dsp死区单元工作原理死区单元的工作原理是：它根据全比较单元输出的pwm信号作为输入，根据其跳边沿来使能装载8位减计数器，8位减计数器的计数值由dbtcon的高八位提供，时钟由cpu输入时钟通过dbtcon的第3、4位决定的预定标因子分频后作为计数器时钟，在计数器减计数到0前，比较器输出为低电平封锁与门。dsp的死区根据actr的高低有效性而改变，高有效时不允许上下管的控制信号同为高电平，低有效时，不允许同为低电平。因此dsp死区时间对高

39、、低电平开通均有效。软件产生死区只需将dbtcon高八位载入一定数值即可实现。332 死区补偿方法由于在死区时间内，产生的电压误差完全由电流的方向决定，因而通过相电流方向的检测，增加控制电压变化的相应开关器件的开通时间，即可弥补死区造成的电位丢失。因此，当某相电流为正时，应当补偿上桥臂功率开关器件的开通时间；反之，当电流为负时，应当补偿下桥臂功率开关器件的开通时间。 (3.6) (3.7) 其中：pwm信号高电平时间；：电流极性；：pwm周期；：死区时间；m：调制系数(01)。死区引起的干扰信号是与电流同步并近似为方波的信号，那么在此基础上进行反调制即可抵消死区引起的干扰，反调制的方法即为在式

40、(3.7)中增加与电流同步并与干扰信号极性相反的方波信号如式(3.8)所示。因此该死区补偿方法实现的关键就是如何检测电流的极性。 (3.8) 4 pwm变频调速系统的硬件设计41 硬件系统概述本变频调速系统的硬件设计以tms320lf2407a为核心控制器，主要包括主电路、控制电路、检测保护电路和输入输出电路，其结构框图如图4.1所示。图4.1 变频系统硬件框图主电路采用交-直-交电压源型变压变频装置，主要由整流、滤波、逆变、ipm驱动电路组成，其工作原理是将三相交流电通过不可控整流变为直流，由于整流电路输出的直流电压含有脉动成分，逆变部分产生的脉动电流及负载变化也使直流电压脉动，因此加入大电

41、容滤波，最后逆变器(ipm)将经过滤波的直流变为电压和频率可调的三相交流提供给电机。保护电路主要有欠压保护、过流保护、短路保护、ipm故障保护等。电压、电流保护是采用电压(电流)互感器在电压输入的交流侧取样隔离，经过整流滤波后直接送入dsp的ad引脚，利用dsp的高精度和高速的运算能力，可以在软件里面设置过(欠)压的阈值或过电流的阈值，直接对电压电流进行检测并产生相应的保护，防止对电机造成危害。输入输出电路主要由键盘和液晶显示器组成。42主电路的设计421 电源的设计本系统共有两个电源，一个用来产生ipm模块所需的四组独立的15v电源，另一个用来产生dsp控制芯片所需的5v和3.3v电源。交流

42、电源经整流、滤波获得的平滑直流电输入到ipm的p、n端。整流、滤波后的直流电源结合topswitch芯片的控制，通过多路隔离高频变压器，产生模块所需的四组独立的15v电源。(1)电源结构开关电源为topswitch-ii系列的top223y型器件，具有控制端c(control)、源极s(source)、漏极d(drain)三个端子。它内含脉宽调制器、mosfet、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路，通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了无工频变压器、隔离式开关电源的单片集成化，使用安全可靠。高频变压器t201具备能量储存、隔离输出和电压变换这三大功能。当topswit

43、ch导通时，变压器初级绕组储存能量；当topswitch关断时，初级绕组中储存的能量传递给次级绕组和反馈绕组，由于开关频率高达100khz，使得高频变压器能够快速储存、释放能量，经高频整流滤波后即可获得连续输出，e205为输入端滤波电容。瞬态电压抑制器(tvs201)、快恢复二极管d206组成了钳位电路和能量吸收回路。这是由于topswitch的漏源极最小击穿电压为700v，而当topswitch关断时，变压器原边的直流输入电压、原边绕组的感应电压以及由变压器的漏感产生的尖峰电压，三者叠加在一起，其值可能超过700v，故必须在topswitch的漏极增加箝位电路和吸收电路，用以保护功率mosf

44、et不被损坏。e214为旁路电容。d207d211为高频输出整流二极管，滤波电感l201l204，用来滤除d207d210在反向恢复过程中产生的开关噪声。(2)稳压原理 (4.1)其中：输出电压；：稳压管wd202的稳压电压：限流电阻r237两端的压降；：线性光耦pc817中发光二极管的导通压降。当由于某种原因(如交流电压升高或负载变轻)升高时，随之升高，使得led的工作电流后增大，它通过光耦使topswitch的控制端电流增大。由于topswtch的输出占空比与成反比，所以占空比随着的增大而减小。这就迫使降低，达到稳压的目的。当减小时。稳压原理相同。对于不同的输出电压要求，只须改变稳压管和限

45、流电阻r237的大小即可。图4.2控制电路电源模块图4.2为产生5v和3.3v电压的电路，图中的12v电压与前面所述的15v电压产生方法相同。5v电压由12v电压通过固定输出的三端集成稳压器lm7805所产生3.3v电压则是通过可调集成稳压器lm317产生。根据um317的调压原理： (4.1) 和分别选用560和910的电阻即可输出3.3v电压。422 逆变器设计逆变器电路设计主要包括以下两方面：(1)驱动电源的设计控制电源共需要4组，上桥臂3组，下桥臂一组，四组控制电源之间的隔离度应达到1200v。驱动电源上应连接10f和0.1f电容，用于修正连接到的配线阻抗。从10f和0.1f到控制电路

46、之间的配线阻抗在过渡过程中会有波动，所以这些电容要尽量靠近控制端子，布线最好不要超过2cm。四组电源之间和主电源之间必须绝缘。由于igbt开关时dvdt较大，因此要确保充分的绝缘距离(大于2 m m)。的控制电源电压在13.5v16.5v的范围内可以驱动电路稳定工作，若电源电压高于16.5v， igbt的驱动电源电压过高使得其保护性能得不到充分的保证，同时也会增加噪音。若电源电压低于13.5v，损耗的增加使igbt驱动电源电压不足。电压不满0v或已经超过20v时，驱动电路、主芯片会损坏。典型的工作电压一般取15v。图4.3驱动信号输入(2)驱动信号的输入如图4.3所示，由dsp产生的六路pwm

47、信号要经隔离后再输入。在此系统中，最好的隔离元器件是光电耦合器，由于pwm波的频率高，对光电耦合器的要求也较高，因此选用tlp559型光耦。中的igbt功率开关在有效的低电平输入时导通，当输入信号为有效的高电平时，igbt关断，此时输入脚和供电电源的正极之间接一个较大的上拉电阻，防止du/dt的作用而产生误动作。由于光耦tlp559的典型驱动工作电流if为25mma，为防止dsp的pwm输出驱动能力不足，经pnpa1015型三极管倒向放大输出电流，更稳定的驱动光耦tlp559工作。43 控制电路本系统的控制电路以1ms320lf2407a为核心芯片，结合了外围接口电路和辅助硬件设备，是全数字化

48、交流电动机调速控制系统的重要组成部分。(1)时钟和复位电路tms320lf2407a的锁相环功能用来从一个较低频率的外部时钟获得较高的内部时钟频率。倍频数可由软件编程设定为0.54倍。本设计选用8m晶振器为外部时钟输入，晶振两端分别连接到tms320lf2407a芯片的xtal2和clkin引脚，时钟预定标由其内部锁相环实现。复位电路如图4.4所示。图中reset接至tms320lf2407a的复位引脚rs。tms320lf2407a芯片的rs引脚低电平有效，an为复位开关按键，该键被按下时reset引脚电平被拉低，系统被复位。图4.4 复位电路 图4.5 jtag方针接口电路jtag仿真接口

49、用来在线调试dsp硬件和软件，其硬件连接如图4.5所示。图中tms、tdi、tdo等分别连接至tms320lf2407a芯片的相应位置即可。(2)外部存储器扩展和eepromtms320lf2407a芯片的ds、ps引脚的作用分别是提供外部数据存储器、外部程序存储器的选通信号。当软件执行过程中的程序地址为片外存储器地址时，ps引脚被系统拉低，选通外部程序存储空间。本设计中选用cypress公司生产的cy7c1021v33芯片进行外部程序存储空间扩展。ce为cy7c1021v33芯片的选通信号，低电平有效。dsp上的ps信号直接连接到ce引脚。当ps为低电平时，外部存储器被选通，作为外部程序存储

50、器被使用。（1）外部程序存储器扩展 （2）eeprom连接图图4.6 ram和rom外部存储器由于变频器具有修改参数的功能。并要按照要求进行现场调试，所以需要将数据存入到eeprom中，将参数保存下来，防止掉电后数据丢失。在此选用容量为16k24lc65(microchlp)作为eeprom。iope0、iopa7与dsp相应的引脚连接，其电路图如图4.6所示44 检测及保护电路(1)电压检测及保护我国电网电压的线性度较差，电压变化范围大，会导致控制器直流回路的过压或者欠压。本设计中选用电压互感器，直接在电压输入的交流侧取样隔离，经过整流滤波后直接送入dsp的adc通道。对欠压和过压的保护则用

51、软件方法实现，利用dsp的高精度和高速的运算能力，设置过(欠)压的阈值，直接对过(欠)压实时检测并进行相应的保护。这种方法设计简单，且节约成本。在本设计中使用了两个电压互感器，根据二者的平均采样值进行保护，提高了保护的准确性。电路图如图4.7所示。图4.7 电压检测电路图 (2)电流检测及过电流保护电流检测的原理同电压检测，用电流互感器对主电路回路上的电流进行检测，然后将其转变成电压信号，再经过整流滤波输入dsp的adc通道，使用两路电流信号的平均值与过电流阈值进行比较，在超过阈值的情况下进行过电流保护。(3)故障保护电路具有内置保护电路以避免因系统失控或过载而损坏功率器件。如果模块其中一种保

52、护电路动作，igbt栅极驱动单元就会关断电源，同时输出一个故障信号alm。故障输出表现为集电极开路，同时在内部流过一个有限的最大吸收电流。也就是说如果发生故障，开路集电极器件即接通，故障输出引脚从控制电源正端吸收电流。45 输入输出电路由于变频器在实际使用对需要进行参数设定、运行调试，远程控制等，还要使用户能够了解变频器的实时运行情况，因此需要设计控制方便的输入工具及可视化的输出界面。本系统共有3个输入端。电位器、控制端子和键盘：一个输出端液晶显示器。下面将分别加以介绍。(1)电位器调节端该输入端的功能是作为频率源输入之一，如图4.8所示电位器两端电压经电阻r102和r103分压后作为dsp的

53、ad转换01通道的输入，输入信号范围：03.3v。在软件中设定输入电压值与频率的线性关系，通过调节电位器阻值即可方便的实现输入频率源的设置。图4.8电位器输入端 (2)控制端予该输入端共有8个控制端子，分别经光电隔离后连接至dsp的0815号adc通道。端子l4分别实现启动停止、正转，停止、反转，停止、寸动停止功能。端子58用来设置16个速度级数，通过对速度级数的调节实现电机调速。 (3)键盘键盘共有上翻、下翻、参数设置键、确认键、启动键及停车键共六个按键和一个电位器。电位器实现输入频率源的调节，调节端与dsp的ad转换00通道相连，其调节原理与电位器输入端相同。键盘按键与dsp的io口相连，

54、低电平有效。14号按键完成对变频器参数的设置及修改，并可将其保存在eeprom中。5号按键为电机启动按键，6号按键与dsp的复位端相连，按键按f，dsp复位，电机停车。(4)液晶显示器液晶显示器可以显示变频器运行的频率、电流、电压、运行方向等参数及故障境况，可以使用户了解变频器的实时运行情况。本系统中选用中文液晶显示模块lcml6824zk，rom内8192个16+16点中文字型和128个16+8半宽的字母型号字型；内含cgram提供4组软件可编程的1616点阵造字功能。其电源操作范围宽：2.7v5.5v，低功耗；与单片机接口界面灵活。46 通讯电路通讯电路实现dsp向单片机的数据传输。本电路选用microchip公司的pic18f452单片机，其基本性能如下：(1)高性能risc cpu：高达2mb的程序存储器：高达4kb的数据存储器；高达10mips的执行速度；dc40mhz时钟输入；4