【正文】 中文摘要隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，以及各種新型控制器件和先進(jìn)控制方法在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，交流電機(jī)控制精度得到了極大的提高。為了滿足高性能、節(jié)能和環(huán)保的要求，交流電機(jī)調(diào)速以其特有的優(yōu)點(diǎn)，正逐步取代直流調(diào)速，在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中扮演著重要的角色。本課題主要針對(duì)交流異步電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究和探討，提出了相應(yīng)的軟、硬件設(shè)計(jì)方案，以TI公司的電機(jī)專用控制芯片DSP TMS320LF2407A為控制核心，采用V／F控制和空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)相結(jié)合的控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流異步電機(jī)變頻調(diào)速控制。 論文闡述了交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和變頻調(diào)速原理；設(shè)計(jì)了以DSP最小系統(tǒng)為核心的控制電路、變頻主電路、信號(hào)采集電路等；在CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，采用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)了上述的變頻調(diào)速控制策略；同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)該控制系統(tǒng)的靈活性，還采用VC++編寫(xiě)了上位機(jī)控制程序，使PC機(jī)通過(guò)串口對(duì)DSP進(jìn)行控制，并將電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)在PC機(jī)上顯示；還擴(kuò)展了CAN總線，方便了電機(jī)的多機(jī)控制和遠(yuǎn)程控制。論文最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果和波形分析。結(jié)果表明了該變頻調(diào)速控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)調(diào)速性能，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性和可行性。關(guān)鍵詞：DSP、SVPWM、交流異步電機(jī)、變頻調(diào)速目錄中文摘要 1ABSTRACT 2第一章 緒論 41．1本課題研究的背景和意義 41．2交流電機(jī)變頻調(diào)速的發(fā)展概況 41．2．1電力電子技術(shù)的發(fā)展 41．2．2變頻調(diào)速控制理論的發(fā)展 51．2．3電機(jī)控制芯片的發(fā)展 61．3本課題研究的內(nèi)容 7第二章 交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 92．1異步電機(jī)的原始數(shù)學(xué)模型 92．2坐標(biāo)變換 112．2．1從三相到兩相的靜止坐標(biāo)變換(3s／2s) 112．2．2從兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(2s／2r) 122．3交流異步電動(dòng)機(jī)在不同坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型 132．3．1在兩相靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型 132．3．2在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型 132．4本章小結(jié) 14第三章交流異步電機(jī)變頻調(diào)速原理 153．1 V／F控制原理 153．2電壓空間矢量(SVPWM)控制原理 163．2．1電壓空間矢量的三相功率逆變器 163．2．2基本電壓空間矢量的形成及作用時(shí)間的計(jì)算 163．2．3用DSP實(shí)現(xiàn)SVPWM的兩種方案 193．3本章小結(jié) 20第四章 變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 214．1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 214．2主電路設(shè)計(jì) 214．2．1整流電路 214．2．2．濾波電路 224．2．3逆變電路 234．2．3．1智能功率模塊 IPM 234．2．3．2 IPM的選用 234．2．3．3 IPM外圍接口電路設(shè)計(jì) 264．3信號(hào)采集電路設(shè)計(jì) 284．3．1 HCNR200簡(jiǎn)介 294．3．2電壓電流采集電路設(shè)計(jì) 294．4控制電路設(shè)計(jì) 304．4．1主控芯片TMS320LF2407A介紹 304．4．2 DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 314．4．3 DSP外圍接口電路設(shè)計(jì) 344．5本章小結(jié) 35第五章變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 36 系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì) 365 .2 CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境概述 375．3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)及說(shuō)明 385. 程序工程的建立 385．3．2程序說(shuō)明 395．3．3 Q格式說(shuō)明 405．4本章小結(jié) 41第六章實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 421．實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖 422．電壓空間矢量波形 423．死區(qū)時(shí)間觀測(cè) 434．不同頻率的PWM輸出波形觀測(cè) 44總結(jié) 46參考文獻(xiàn) 47致謝 49第一章 緒論1．1本課題研究的背景和意義 電機(jī)調(diào)速?gòu)V泛應(yīng)用于我們的生活、生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中，例如：機(jī)床、電動(dòng)工具、電動(dòng)機(jī)車、機(jī)器人、家用電器、計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)器、汽車、輪船、軋鋼、造紙和紡織行業(yè)等等。據(jù)報(bào)道，世界上大約有100億以上各種電機(jī)在工作。近年來(lái)，我國(guó)空調(diào)一年的產(chǎn)量就1000多萬(wàn)臺(tái)，每臺(tái)都需要電機(jī)調(diào)速控制，可見(jiàn)電機(jī)調(diào)速應(yīng)用市場(chǎng)非常龐大。 電機(jī)分為直流電機(jī)和交流電機(jī)兩大類。直流電機(jī)由于其便于控制和控制精度比較高的特點(diǎn)，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)被廣泛應(yīng)用，被人們認(rèn)為難以被其他電機(jī)所取代。但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展、各種新型控制器件和先進(jìn)控制方法的在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，使交流電機(jī)控制精度得到極大的提高；另外，由于交流電機(jī)，特別是籠型式異步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、制造成本低廉、運(yùn)行方便可靠、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)以及易于向高電壓、高轉(zhuǎn)速和大容量方向發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)，過(guò)去直流電機(jī)占主導(dǎo)地位的調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域?qū)⒅饾u被交流電機(jī)所占領(lǐng)。 另一方面，隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷提高，環(huán)保和能源問(wèn)題同趨成為人們爭(zhēng)論的主題。充分有效地利用能源已成為緊迫的問(wèn)題。就目前而言，電能是全世界消耗最多的能源之一，同時(shí)也是浪費(fèi)最多的能源之一，為解決能源問(wèn)題必須先從電能著手，其中起代表性的就是電機(jī)的控制。在發(fā)達(dá)國(guó)家中生產(chǎn)的總電能有一半以上是用于電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換，這些電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中90％左右的是交流異步電機(jī)。在國(guó)內(nèi)，電機(jī)的總裝機(jī)容量已達(dá)4億千瓦，年耗電量達(dá)6000億千瓦時(shí)，約占工業(yè)耗電量的80％。并且使用中的電機(jī)絕大部分還是中小型異步電機(jī)，加之設(shè)備的陳舊，管理、控制技術(shù)跟不上，所浪費(fèi)的電能甚多。因此，電機(jī)的變頻調(diào)速控制越來(lái)引起人們的重視，同時(shí)對(duì)變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也提出了高效率、高精度、高可靠性、多功能、智能化、小型化、低成本等要求。可見(jiàn)，異步電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究具有重要意義。1．2交流電機(jī)變頻調(diào)速的發(fā)展概況 現(xiàn)代電力電子、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以及控制理論的完善、各種工具的同漸成熟，尤其是專用集成電路、DSP和FPGA近年來(lái)令人矚目的發(fā)展，促進(jìn)了交流調(diào)速的不斷發(fā)展。目前交流電機(jī)變頻調(diào)速控制己經(jīng)成為一門集電機(jī)、電力電子、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)控制和數(shù)字仿真為一體的新興學(xué)科。1．2．1電力電子技術(shù)的發(fā)展 電力電子器件是現(xiàn)代交流調(diào)速裝置的基礎(chǔ)，其發(fā)展直接決定和影響交流調(diào)速的發(fā)展。20世紀(jì)50年代出現(xiàn)硅晶閘管SCR 60年代出現(xiàn)門級(jí)可關(guān)斷晶閘管GTO 70年代出現(xiàn)巨型晶體管GTR(也稱BJlrl和功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET 80年代相繼出現(xiàn)絕緣柵雙極型晶體管IGBT和絕緣柵雙極型門控晶閘管 IGCT 90年代出現(xiàn)智能功率模塊IPM。 SCR開(kāi)關(guān)器件輸出的電壓或電流含有大量的諧波，造成電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，嚴(yán)重影響了調(diào)速系統(tǒng)的性能； GTO是高電壓大電流全控型功率器件，容量大，但關(guān)斷能耗大：GTR是電流驅(qū)動(dòng)器件，通態(tài)壓降低，容量沒(méi)有GTO大，但功耗大，調(diào)制頻率不高，噪聲大，現(xiàn)趨于淘汰中。 MOSFET是電壓型驅(qū)動(dòng)器件，開(kāi)關(guān)頻率高，驅(qū)動(dòng)功率小，安全工作區(qū)廣，但耐壓不高： GBT集GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)于一體，是目前變頻調(diào)速系統(tǒng)和通用變頻器中使用最廣泛的主流功率器件之一。IPM是先進(jìn)的混合集成功率器件，由高速低耗的IGBT和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路構(gòu)成，采用了有電流傳感器功能的IGBT，能連續(xù)監(jiān)控功率器件電流，從而實(shí)現(xiàn)高效的過(guò)電流保護(hù)。由于IPM集成了過(guò)熱保護(hù)電路和鎖定保護(hù)電路，系統(tǒng)可靠性得到進(jìn)一步提高。1．2．2變頻調(diào)速控制理論的發(fā)展 一 V／F控制 早期變頻系統(tǒng)都是采用開(kāi)環(huán)恒壓LL(V／F=常數(shù))的控制方式，其優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，缺點(diǎn)是系統(tǒng)性能不高。具體來(lái)說(shuō)，其控制曲線會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電壓利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降穩(wěn)定性變差等。因此這種控制方式比較適合應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)速場(chǎng)合。隨后發(fā)展的轉(zhuǎn)差頻率速度閉環(huán)控制系統(tǒng)雖然說(shuō)基本上解決了異步電機(jī)平滑調(diào)速的問(wèn)題，同時(shí)也基本上具備了直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)也不算復(fù)雜，已能滿足許多工業(yè)應(yīng)用的要求。然而，當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能提出更高要求時(shí)，上述系統(tǒng)性能還是不及直流調(diào)速系統(tǒng)。原因在于其控制系統(tǒng)規(guī)律是從異步電機(jī)穩(wěn)念等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式推導(dǎo)出的平均值控制，在忽略了過(guò)渡過(guò)程的前提下做出較強(qiáng)的假設(shè)，這就使得設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際相差很大，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、起動(dòng)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面的性能還不能滿足工業(yè)系統(tǒng)的需求。二 矢量控制 交流傳動(dòng)理論在70年代獲得了突破性的發(fā)展。 等提出的“感應(yīng)電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)定向的控制原理”和美國(guó)P．C．Custman和A．A．Clark提出的“感應(yīng)電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制”奠定了矢量控制的基礎(chǔ)。這種理論的出發(fā)點(diǎn)是：考慮到交流電機(jī)的非線性、多變量、強(qiáng)耦合的時(shí)變系統(tǒng)，通過(guò)坐標(biāo)變換重建電動(dòng)機(jī)模型即可等效為一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)。其后，隨著現(xiàn)代控制理論、微處理技術(shù)電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，矢量控制的交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入了伺服控制的高精度領(lǐng)域，而且實(shí)現(xiàn)了無(wú)速度傳感器的矢量控制。然而矢量控制在實(shí)際系統(tǒng)中存在很多問(wèn)題，即轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電機(jī)參數(shù)變化影響較大，以及在模擬直流電動(dòng)機(jī)控制過(guò)程中所用的矢量旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的復(fù)雜性，使得實(shí)際控制效果難以達(dá)到理論分析的結(jié)果，雖然傳動(dòng)領(lǐng)域的專家們針對(duì)矢量控制上的缺陷做過(guò)諸如參數(shù)的實(shí)時(shí)辨識(shí)(補(bǔ)償)以及使用狀態(tài)觀測(cè)器等現(xiàn)代控制理論進(jìn)行研究，但是這些方案的引入使得系統(tǒng)復(fù)雜化，控制的實(shí)時(shí)性和可靠性降低了。三 直接轉(zhuǎn)矩控制 1985年德國(guó)魯爾大學(xué)DePenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論(DTC)。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，DTC摒棄了解藕的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)單的通過(guò)檢測(cè)電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系計(jì)算與控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場(chǎng)定向，借助離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器產(chǎn)生脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，直接對(duì)逆變器的丌關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。 直接轉(zhuǎn)矩方法優(yōu)點(diǎn)在于：直接在定子坐標(biāo)系上分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換和計(jì)算。大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問(wèn)題。 直接轉(zhuǎn)矩方法缺點(diǎn)在于：由于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是直接進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的砰一砰控制，避開(kāi)了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，降低調(diào)速性能，因此只能用在對(duì)調(diào)速要求不高的場(chǎng)合。同時(shí)，直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的控制也較復(fù)雜，造價(jià)較高。 近幾年，直接轉(zhuǎn)矩控制不斷得到完善和發(fā)展，特別是隨著各種智能控制理論的引入，又涌現(xiàn)了許多基于模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，控制性能得到進(jìn)一步的改善和提高。電壓空間矢量(SVP刪)控制1987年日本的GIFU大學(xué)的YoshihiroMural教授在IEEE上發(fā)表《全數(shù)字化逆變器的新型PWM方法》一文，由此標(biāo)志著SVPWM調(diào)制技術(shù)的正式問(wèn)世。隨即于1992年，Yoshihiro Mural教授在IEEE上發(fā)表《感應(yīng)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)中減少諧波的高頻劈零矢量PWM》。在SVPWM高頻調(diào)制中，Yoshihim Mural教授引入劈零矢量，減少了電流諧波，使得低頻時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)得更加平滑。SVPWM調(diào)制技術(shù)一問(wèn)世就受到人們的高度重視，其獨(dú)特的矢量調(diào)制方式，把電動(dòng)機(jī)與PWM逆變器看為一體，著眼于如何使電動(dòng)機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)為目標(biāo)，他以三相對(duì)稱正弦電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)中的理想磁鏈圓為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式所產(chǎn)生的磁鏈有效矢量來(lái)逼近基準(zhǔn)圓；即用多邊形來(lái)近似逼近圓形，理論分析和實(shí)驗(yàn)都表明SVPWM調(diào)制具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，噪音低，直流電壓利用率高(比普通的SPWM調(diào)制約高15％)等優(yōu)點(diǎn)。目前己在通用變頻器產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。1．2．3電機(jī)控制芯片的發(fā)展 專用于電機(jī)的控制芯片逐漸由單一MCU過(guò)渡到DSP+MCU混合芯片。早期是以 51系列為代表的8位單片機(jī)，后來(lái)發(fā)展為以96系列為代表的16位單片機(jī)，再到80年代出現(xiàn)DSP，現(xiàn)在向著以DSP內(nèi)核+MCU外設(shè)的混合芯片發(fā)展。有代表性的電機(jī)控制芯片有：?jiǎn)纹瑱C(jī)方面有Intel的80C196MC、Motorola的MC9S12H25Phi1 ips的 LPC2210／22Renesas公司的M16C和SH2系列；DSP方面有AD公司的ADMC40Microchip公司的dsPIC30F60TI公司的TMS320LF2407／F2812等。表11電機(jī)控制常用芯片性能比較 項(xiàng)目 TMS320LF2407AdsPIC30F6010ADMC401LPC22 10／22MC9S 12H256芯片類別DSP DSP DSP ARM單片機(jī)單片機(jī)生產(chǎn)公司TI MicrochipAD PHIUPS Motorola引腳數(shù)目 144 80144144 144／112片內(nèi)FLASH 32k39。16位144k*16位2kt24位256k片內(nèi)RAM 2k 8k2k 16／64kB12k最高運(yùn)算速度 40MIPS30MIPS26MIPS24MIPS24MIPS硬件乘法器 16位x16位17位17位無(wú)無(wú) 無(wú)看門狗 有有有有無(wú)外部中斷 5個(gè)5個(gè)4個(gè)9個(gè)4個(gè)片內(nèi)定時(shí)器