【正文】 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）題 目：基于DSP的SVPWM實(shí)現(xiàn)及異步機(jī)調(diào)速基于DSP的SVPWM實(shí)現(xiàn)及異步機(jī)調(diào)速摘 要本文主要研究了一種專門用于交流異步電機(jī)控制的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812，以及它在現(xiàn)代變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用。在介紹了交流調(diào)速系統(tǒng)的種種主流技術(shù)后，較為詳細(xì)地討論了電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)，同時(shí)介紹了數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812的性能特點(diǎn)，詳述了利用TMS320F2812來(lái)實(shí)現(xiàn)空間電壓矢量脈寬調(diào)制的方法，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟、硬件。系統(tǒng)采用恒壓頻比的控制方法，以及空間矢量脈寬調(diào)制算法。本系統(tǒng)具有控制簡(jiǎn)單、外圍電路較少、性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)，適合于風(fēng)機(jī)、水泵用變頻器的性能要求。硬件電路主要設(shè)計(jì)了DSP的最小系統(tǒng)。包括對(duì)電源電路、晶振電路、復(fù)位電路、JTAG的設(shè)計(jì)。另外設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的主電路、檢測(cè)電路和保護(hù)電路。主電路包括整流電路、濾波電路、逆變電路。檢測(cè)電路包括直流側(cè)電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路。保護(hù)電路為過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)載以及對(duì)IPM發(fā)生故障時(shí)切斷主回路的電路。通過(guò)軟件應(yīng)用DSP處理器實(shí)現(xiàn)了SVPWM空間電壓矢量脈寬調(diào)制。關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī)；變頻調(diào)速；空間矢量脈寬調(diào)制；TMS320F2812Realization of SVPWM and speed of Asynchronous motorbased on DSPAbstractThis paper studies a specially used in AC induction motor control of digital signal processor named TMS320F2812, as well as its application in modern frequency control system. Introduced the mainstream technologies in the governing system and discussed in detail of voltage space vector pulse width modulation (SVPWM) technology, also introduced the performance characteristics of TMS320F2812 digital signal processor, detailing the method of use TMS320F2812 to achieve space voltage vector pulse width modulation, and designed the software and hardware of the system. The system adopts the constant ratio control method, and the space vector pulse width modulation algorithm. This system has the advantages of controlled simply, less external circuitry and higher cost performance, suitable for fans and pump with inverter’s performance requirements.The hardware circuit designed of the smallest DSP system. It including the power supply circuit, crystal oscillator circuit, reset circuit and JTAG design. Another system designed of main circuit, detection circuit, and the protection circuit. The main circuit including the rectifier circuit. filter circui, and inverter circuit. Detection circuit including the DC voltage detection circuit and current detection circuit. Protection circuit designed of overvoltage, undervoltage, overcurrent, overload and failure to cut off the main loop circuit when IPM has the malfunction. Through the software application of DSP implemented SVPWM space vector pulse width modulation.Keywords: asynchronous motor；variable frequency；SVPWM；TMS320F2812目 錄摘要 IAbstract II第一章 緒論 1 1 1 2 6 SVPWM調(diào)制技術(shù)概述 7 DSP芯片簡(jiǎn)介 8 9第二章 空間電壓矢量PWM技術(shù) 11 11 C3s/2s變換和C2s/3s變換 11 C2s/2r變換及其逆變換 12 SVPWM的工作原理 13 15 15 電壓空間矢量所在扇區(qū)的判斷 17 20第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 24 24 24 整流電路 24 濾波電路 25 逆變電路 26 31 31 31 32 32 33 33 34第四章 DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 35 DSP芯片TMS320F2812介紹 35 36 36 37 DSP與JTAG接口設(shè)計(jì) 37第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 39 DSP軟件設(shè)計(jì)介紹 39 COFF文件格式及命令文件 39 40 40 41 41 41 43 44 45 設(shè)計(jì)的完善與展望 48參考文獻(xiàn) 49附錄A 51附錄B 52致謝 56第一章 緒論電力拖動(dòng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步中起著十分重要的作用。而電力拖動(dòng)又以電機(jī)拖動(dòng)為主。電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)以其輸出功率大、系統(tǒng)能量效率高、噪音低、調(diào)速方便、易于自動(dòng)控制等突出特點(diǎn)體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、靈活的優(yōu)勢(shì)，因此大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防軍事裝備等領(lǐng)域，并且占據(jù)了主導(dǎo)地位。電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用中，一是要使電動(dòng)機(jī)具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；二是根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能的好壞對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)約電能有著直接的決定性影響。從電機(jī)發(fā)展史看，直流電機(jī)在傳統(tǒng)的電機(jī)拖動(dòng)中占有優(yōu)勢(shì)地位。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速易于控制和調(diào)節(jié)，在額定轉(zhuǎn)速以下，保持勵(lì)磁電流恒定，可用改變電樞電壓的方法實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上，保持電樞電壓恒定，可用改變勵(lì)磁的方法實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。因此，長(zhǎng)期以來(lái)在電力拖動(dòng)領(lǐng)域中，直流調(diào)速一直占據(jù)主導(dǎo)地位。但是直流電動(dòng)機(jī)本身有如下一些固有缺陷，即：，這就限制了單機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率，使得一些要求特高轉(zhuǎn)速、特大功率的場(chǎng)合則根本無(wú)法采用直流調(diào)速方案；，電刷易磨損，在運(yùn)行中需要經(jīng)常性的維護(hù)，制造費(fèi)時(shí)，故其價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于交流電動(dòng)機(jī)。由于直流電動(dòng)機(jī)在應(yīng)用中存在著這樣的一些不足，使得直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用也相應(yīng)受到限制。交流電動(dòng)機(jī)，尤其是鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)，則因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，價(jià)格低廉，且堅(jiān)固耐用，運(yùn)行可靠，在各行業(yè)中得到了極廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在20世紀(jì)大部分時(shí)間里，約占整個(gè)電力拖動(dòng)總?cè)萘?0%的拖動(dòng)系統(tǒng)都采用交流電機(jī)，可見(jiàn)提高交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有十分重要的意義。本文的研究正是針對(duì)基于DSP的交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速進(jìn)行的。交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的研究始于20世紀(jì)60年代，已經(jīng)取得了許多可喜的成果。近年來(lái)，電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，為交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件,使交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速和控制提高到了一個(gè)新的水平。國(guó)內(nèi)外都十分重視開(kāi)發(fā)研究交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)，目前在發(fā)達(dá)國(guó)家中，很多直流調(diào)速已經(jīng)被交流調(diào)速所取代，從而避免了直流電動(dòng)機(jī)換向困難、維修不便等缺點(diǎn)。世界上有60％左右的發(fā)電量是通過(guò)電動(dòng)機(jī)消耗的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)各類電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)容量已超過(guò)4億kW，其中異步電動(dòng)機(jī)約占90％，拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、。在目前4億kW的電動(dòng)機(jī)負(fù)載中，約有50％的負(fù)載是變動(dòng)的，其中的30％可以使用電動(dòng)機(jī)調(diào)速。因此，就目前的市場(chǎng)容量考慮，約有6000萬(wàn)kW的調(diào)速電機(jī)市場(chǎng)。電動(dòng)機(jī)只有在額定負(fù)載下運(yùn)行效率才高，由于安全等方面的考慮，電動(dòng)機(jī)常常處于低效運(yùn)行狀態(tài)。因此，電機(jī)調(diào)速節(jié)能一直被廣泛關(guān)注。風(fēng)機(jī)和泵類采用電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置來(lái)代替閥門和擋板調(diào)節(jié)流量,有明顯節(jié)電效果。這是因?yàn)橛山涣麟妱?dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)和泵類都是平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載。它們的流量與轉(zhuǎn)速成正比、壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。即電機(jī)轉(zhuǎn)速降低1/2時(shí)，所需功率降至原來(lái)的1/8，由此可見(jiàn)調(diào)速節(jié)能的重要意義。 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速no之間的關(guān)系為： n=（1－s）no=(1－s)60f/p ()式中：s為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；f為電網(wǎng)頻率；p為極對(duì)數(shù)。式（）說(shuō)明，改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有三種方法，就是改變轉(zhuǎn)差率s、改變頻率f、改變極對(duì)數(shù)p。由此產(chǎn)生了多種調(diào)速方法。一：改變轉(zhuǎn)差率s的調(diào)速方法1）調(diào)定子電壓調(diào)速：異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩（在一定轉(zhuǎn)差率下）與定子電壓的平方成正比。即M∝U2（M—電磁轉(zhuǎn)矩，U—定子電壓）。改變定子電壓就可以改變轉(zhuǎn)矩及機(jī)械性能，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。該方法采用晶閘管“交流開(kāi)關(guān)”調(diào)節(jié)定子電壓。其調(diào)速范圍較寬，簡(jiǎn)單可靠，價(jià)格便宜，但低速時(shí)功率因數(shù)低、損耗大、效率低、發(fā)熱嚴(yán)重。輸出特性軟，不能承受重載。2）轉(zhuǎn)子串接電阻調(diào)速：轉(zhuǎn)子回路串接電阻可以改變轉(zhuǎn)子電流，從而改變其機(jī)械特性曲線，達(dá)到調(diào)速的目的。但其調(diào)速性能不好，機(jī)械特性軟，而且轉(zhuǎn)差功率以熱能的形式消耗在外接電阻上，效率太低。因此，漸漸被節(jié)能調(diào)速所取代。 3）電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速：這種方法電機(jī)本身并不調(diào)速，而是通過(guò)改變與它相連的電磁離合器的勵(lì)磁電流來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。電磁轉(zhuǎn)差離合器控制筒單，運(yùn)行可靠，調(diào)速精確、價(jià)格便宜，而且能平滑調(diào)速。但其機(jī)械特性中存在失控區(qū)，特性軟。低速時(shí)損耗大、效率低。4）串級(jí)調(diào)速：通過(guò)在轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢(shì)的方法。調(diào)節(jié)附加電勢(shì)的大小，就可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。，通常轉(zhuǎn)子回路接有不可控的整流器，將轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)經(jīng)整流器變換成直流電勢(shì)，從轉(zhuǎn)子吸收轉(zhuǎn)差功率Ps。轉(zhuǎn)子側(cè)直流附加電勢(shì)由晶閘管逆變器產(chǎn)生（也有用直流電機(jī)等其它形式的）。逆變器所吸收的（扣除損耗的）轉(zhuǎn)差功率PB經(jīng)變壓器T反饋回電網(wǎng)。這種方法調(diào)速范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、可靠性高。缺點(diǎn)是過(guò)載能力差（過(guò)載能力比原電動(dòng)機(jī)降低17％），功率因數(shù)較低，諧波電流較大，還需專門的啟動(dòng)設(shè)備。1984年研制出的斬波式逆變器串級(jí)調(diào)速方法，可以大大降低無(wú)功損耗、提高功率因數(shù)、減少高次諧波分量，從而提高了調(diào)速效率。 串級(jí)調(diào)速5）雙饋調(diào)速：也是采用在轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢(shì)的方法。不同的是，它將能量分別饋入電動(dòng)機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組。定子繞組接入工頻電源，轉(zhuǎn)子繞組接到頻率、幅值、相位和相序都可以調(diào)節(jié)的獨(dú)立的交流變頻電源上。根據(jù)變頻電源頻率控制方法不同，雙饋調(diào)速分為自控式（）和他控式（）兩種。 他控式雙饋調(diào)速 自控式雙饋調(diào)速自控工作方式中，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻電源的頻率是通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)（由位置檢測(cè)器PS測(cè)出）自動(dòng)控制的。該方式穩(wěn)定性好，適用于軋鋼機(jī)之類的沖擊負(fù)荷。他控方式中，由專門的頻率給定裝置獨(dú)立地控制變頻器的輸出頻率。通常由獨(dú)立的頻率可調(diào)的低頻三相正弦信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生給定信號(hào)。每個(gè)控制信號(hào)的給定值，對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的轉(zhuǎn)速。改變轉(zhuǎn)子繞組電源的頻率、幅值和相位，就可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、和無(wú)功功率。雙饋調(diào)速不僅可以在低于同步轉(zhuǎn)速以下運(yùn)轉(zhuǎn)，還可以在高于同步轉(zhuǎn)速以上運(yùn)轉(zhuǎn)，具有優(yōu)良的調(diào)速性能，過(guò)載能力大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、效率要高于串級(jí)調(diào)速。它在很寬的調(diào)速范圍內(nèi)都可以得到電動(dòng)轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。其突出優(yōu)點(diǎn)就是在保證調(diào)速要求的同時(shí)，還可以獨(dú)立地調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子側(cè)的無(wú)功功率，使調(diào)速系統(tǒng)具有很高的功率因數(shù)。其功率轉(zhuǎn)換是采用交—交變頻器，直接進(jìn)行能量交換，所以效率很高，是比較完善的調(diào)速裝置。適用于多種生產(chǎn)機(jī)械，發(fā)展前途非常廣闊。國(guó)外在20世紀(jì)80年代投入運(yùn)行，我國(guó)上個(gè)世紀(jì)90年代開(kāi)始應(yīng)用。但它也存在諧波電流大的問(wèn)題。6）斬波式內(nèi)反饋調(diào)速這是我國(guó)獨(dú)有的，近十幾年才興起的新方法。它也是通過(guò)引入附加電勢(shì)改變轉(zhuǎn)差率的方法。它在串級(jí)調(diào)速的基礎(chǔ)上又有所突破，把著眼點(diǎn)放在調(diào)速主體——電動(dòng)機(jī)上，在電動(dòng)機(jī)定子槽中通過(guò)多層嵌套方式安裝了反饋調(diào)節(jié)繞組（這等于把逆變變壓器和電動(dòng)機(jī)巧妙地結(jié)合在一起）。內(nèi)反饋調(diào)速的實(shí)質(zhì)在于將部分轉(zhuǎn)子功率P