【正文】 標(biāo)題： 基于 DSP的三相交流電機(jī)變頻調(diào)速控制器設(shè)計(jì) 姓名： 學(xué)號： 班級： 指導(dǎo)老師： 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)了對交流異步電機(jī)變頻調(diào)速控制。 關(guān)鍵詞： DSP、 SVPWM、交流異步電機(jī)、變頻調(diào)速 一、 交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 三相交流異步電機(jī)是一個(gè)多變量、高階、非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，為了方便對三相交流異步電機(jī)進(jìn)行分析研究，抽象出理想化的電機(jī)模型，通常對實(shí)際電機(jī)作如下假設(shè) ： 1)忽略磁路飽和的影響，認(rèn)為各繞組的自感和互感都是恒定的。 2)忽略空間諧波，三相定子繞組 A、 B、 C 及三項(xiàng)轉(zhuǎn)子繞組 a、 b、 c 在空問對稱分布，互差 120。電角度，且認(rèn)為磁動(dòng)勢和磁通在空間都是按 J下弦規(guī)律分布。 3)忽略鐵心損耗的影響。 4)忽略溫度和頻率變化對電機(jī)參數(shù)的影響。 異步電機(jī)的原始數(shù)學(xué)模型 異步電機(jī)的原始數(shù)學(xué)模型可由以下四組方程表示： 1．電壓方程 三相定子繞組的電壓方程為： （ 11） 三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為： （ 12） 式中 uA， uB， uC， ua， ub， uc—— 定子、轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值； iA， iB， iC， ia， ib， ic—— 定子、轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)值； ψ A，ψ B，ψ C，ψ a，ψ b，ψ c—— 各繞組的全磁鏈； R1 ， R2—— 定子、轉(zhuǎn)子繞組電阻。 將以上電壓方程寫成矩陣形式 ,并以微分算子 P代替微分符號 d／ dt （ 13） 也可以簡寫為： U=Ri+pψ (14) 2．磁鏈方程 由于每個(gè)繞組的磁鏈?zhǔn)撬臼堑淖愿写沛満推渌@組對它的互感磁鏈之和，六個(gè)繞組的磁鏈可以表示為： （ 15） 也可簡寫為： ψ＝ Li (16) 式中， L 是 6 x 6 的電感矩陣，其中對角線元素是各有關(guān)繞組的自感， 其余各項(xiàng)是繞組間的互感。 3．矩陣方程 根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為： Te=PnLm1[(iAia+iBib+iCic)sinθ +(iAib+iBic+iCia)sin(θ +120o)+(iAic+iBia+iCib)sin(θ 120o)] 4．運(yùn)動(dòng)方程 對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為： Te= TL + J/Pn dω /dt 式中： Te， TL— 電磁轉(zhuǎn)矩，負(fù)載轉(zhuǎn)矩； J— 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； P— 電動(dòng)機(jī)極對數(shù)。 由以上方程可知，異步電機(jī)的非線性強(qiáng)耦合主要表現(xiàn)在磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程中，既存在定子和轉(zhuǎn)子之間的耦合，也存在三相繞組間的交叉耦合。三相繞組在空間按 12amp。分布，必然引起三相繞組間的耦合。由于定子和轉(zhuǎn)子間的相對運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致其夾角 0不斷變化，使互感矩陣為非線性。因此，異步電機(jī)三相原始數(shù)學(xué)模型相當(dāng)復(fù)雜，不易求解。為了使三相異步電機(jī)具有可控性、可觀性，必須對其進(jìn)行簡化，使其成為一個(gè)線性、解耦的系統(tǒng)。從對直流電機(jī)的分析中發(fā)現(xiàn)，如果將交流電機(jī)的物理模型等效的變換成類似直流電機(jī)的模型，就可以大大簡化分析和控制問題，這就需要進(jìn)行坐 標(biāo)變換。 坐標(biāo)變換 我們知道對異步電機(jī)研究控制時(shí)，如果能用兩相就比用三相簡單，如果能用直流控制就比交流控制更方便。為了對三相系統(tǒng)進(jìn)行簡化，就必須對電動(dòng)機(jī)的參考坐標(biāo)系進(jìn)行變換，這就叫 —— 坐標(biāo)變換。坐標(biāo)變換以產(chǎn)生相同的磁通為準(zhǔn)則，建立三相交流繞組、兩相交流繞組和旋轉(zhuǎn)的直流繞組三者之間的關(guān)系，從而可以建立交流異步電機(jī)的直流模型。 在研究電機(jī)矢量控制時(shí)定義有三種坐標(biāo)系統(tǒng)，即三相靜止坐標(biāo)系 (3s)、兩相靜止坐標(biāo)系(2s)和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 (2r)。對應(yīng)的坐標(biāo)變換有：從三相到兩相的靜止坐標(biāo)變換 (3s／ 2s)；從 兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 (2s／ 2r)等。 交流異步電機(jī)在不同坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型 在兩相靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型 三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型經(jīng) 3s／ 2s變換后在兩相靜止坐標(biāo)系α — β上的數(shù)學(xué)模型為： 1．電壓方程 2．磁鏈方程 3．轉(zhuǎn)矩方程 4．運(yùn)動(dòng)方程 式中： Ls Lr — 定子、轉(zhuǎn)子 — 相的自感； Rs Rr — 定子、轉(zhuǎn)子 — 相的電阻； Lm— 定轉(zhuǎn)子繞組的互感； ω — 轉(zhuǎn)子角頻率。 在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型 設(shè)坐標(biāo)軸 dq的旋轉(zhuǎn)速度等于定子頻率的同步角轉(zhuǎn)速ω 1，而轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為ω，則 dq 軸相對于轉(zhuǎn)子的角轉(zhuǎn)速為ω s=ω 1一ω，即為轉(zhuǎn)差。將三相異步電機(jī)在αβ坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型經(jīng) 2s／ 2r變換后，得到在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 d— q上的數(shù)學(xué)模型為： 1．電壓方程 3．磁鏈方程 4．運(yùn)動(dòng)方程 二、交流異步電機(jī)變頻調(diào)速原理 交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可由下式表示： n=60f/p(1s) 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 (r／ min)； P為電動(dòng)機(jī)磁極對數(shù)： f為電源頻率； s為轉(zhuǎn)差率。由式 (31)可見，影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有：電動(dòng)機(jī)的磁極對數(shù) P，轉(zhuǎn)差率 s和電源頻率 f。其中，改變電源頻率來實(shí)現(xiàn)交流異步電機(jī)調(diào)速的方法效果最理想，這就是所謂變頻調(diào)速。變頻調(diào)速的方法主要有： V/F 控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩和電壓空間矢量 (SVPWM)控制方法。本課題采用了 VF控制和 SVPWM相結(jié)合的控制方法。 三、變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 3． 1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 4． 1所示，主要由整流電路、濾波電路、逆變電路、 DSP 控制電路、電壓電流檢測電路、保護(hù)電路及上位機(jī)控制部分組成。本系統(tǒng)以 T1 的 DSP 芯片TMS320LF2407A 為核心，由上位機(jī)給定控制信號經(jīng)串口傳給 DSP， DSP 接到信號后由內(nèi)部程序產(chǎn)生相應(yīng)的 PWM信號，經(jīng)過快速光耦隔離后來驅(qū)動(dòng)功率器件 IPM，不同頻率的 PWM信號對應(yīng)不通頻率的 IPM輸出三相電，從而產(chǎn)生變頻電源來控制電機(jī)速度的變化。檢測電路將檢測到的信號傳給 DSP， DSP做出相應(yīng)處理后將各種信息再經(jīng)串口傳送到上位機(jī)顯示出來，使我們可以很清楚的看到系統(tǒng)運(yùn)行狀況。整流和濾波電路的作用是為 IPM提供直流母線電壓。 整流器 濾波器 逆變器 圖 31 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 主電路設(shè)計(jì) 主電路部分原理如圖 3— 2所示，由整流電路、濾波電路、逆變電路和緩沖吸收電路組成。主電路部分功能是完成系統(tǒng)電能的轉(zhuǎn)換和傳遞，它的設(shè)計(jì)好壞關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)被控電機(jī)參數(shù)為：額定功率 PN=900W，額定電 VN=380V，額定電流 IN =2． 37A，額定頻率 FN=50HZ。下面詳細(xì)介紹各部分電路原理及元件參數(shù)。 圖 32主電路圖 整流電路 整流電路因變頻器輸出功率大小不同而不同。一般情況下，小功率的輸入電源多用 220V，整流電路用單相全波整流橋；大功率的輸入電源用三相 380V，整流電路為三相橋式全波整流電路。本課題所用電機(jī)為 900W，屬于小功率范圍，因此采用 220V單相整流橋整流。 整流橋由四個(gè)整流二極管組成，如圖 4— 2。通過整流二極管的峰值電流為： 流過二極管電流有效值為： 二極管的電流定額為： 考慮濾波電容充電電容的影響，要留有更大的電流裕量， 選用 IN =20A。整流二極管的電壓定額： 需選用 Un=1000V。因此我們可以選用的單相整流橋規(guī)格為 20A、 1000V。 濾波電路 交流電經(jīng)過整流橋整流以后輸出的電壓是脈動(dòng)的，另外，由于逆變部分產(chǎn)生脈動(dòng)電流及負(fù)載的變化都使直流電壓產(chǎn)生脈動(dòng)，為了得到平滑的直流電，必須在整流輸出端加濾波電路。通常是在整流輸出端并入大電容。濾波電容不僅能夠?yàn)V除整流輸出的電壓紋波，還在整流電路與逆變電器之間起去藕作用，以消除相互干擾，這就給作為感性負(fù)載的電機(jī)提供必要的無功功率，起到一定的儲(chǔ)能作用。 在加入濾波電容之前，單相整流 橋輸出平均電壓為： 加上濾波電容之后， UD的最高電壓可達(dá)到交流線電壓的峰值： 假設(shè)輸入電壓的波動(dòng)范圍是 220V～ 240V，電源功率因數(shù)為 0． 9，那么每一個(gè)周期內(nèi)電容吸收的能量為： 式中 POUT 為電機(jī)輸出功率， UPK為峰值電壓， Umin為最小交流輸入電壓。考慮到紋波的需要，最小輸入電壓至少應(yīng)該在 200V以上，所以有： 濾波電容理論上越大越好，一般采用大容量耐壓濾波電解電容，在此我們選擇兩個(gè)1000uF， 400V的電容 C C2串聯(lián)進(jìn)行濾波，等效為一個(gè)耐壓 800V的 1000uF 的電容。并聯(lián)在電容兩邊的電阻 R R2 為均衡電阻，由于每個(gè)電容的參數(shù)不完全相同，此均衡電阻使串聯(lián)的電容分壓相同，同時(shí)在電源關(guān)斷時(shí)給電容提供放電回路。這里我們選擇阻值為 47KΩ的電阻。 逆變電路 逆變電路的功率器件采用目前最先進(jìn)的智能功率模塊 IPM(Intelligent Powr Module)，IPM不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在 一起，而且還內(nèi)藏有過電壓，過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到 CPU或 DSP作中斷處理。它由高速低工耗的管芯和優(yōu)化的門級驅(qū)動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可以 IPM自身不受損壞。 IPM 一般使用 IGBT 作為功率開關(guān)元件，并內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路的集成結(jié)構(gòu)。以其高可靠性，使用方便贏得越來越大的市場，尤其適合于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制器和各種逆變電源，是變頻調(diào)速，冶金機(jī)械，電力牽引，伺服進(jìn)給，變頻家電的一種非常理想的電力電子器件。 IPM有以下優(yōu)點(diǎn)： 1)開關(guān)速度快。 IPM內(nèi)的 IGBT芯 片都選用高速型，而且驅(qū)動(dòng)電路緊靠 IGBT芯片，驅(qū)動(dòng)延時(shí)小，所以 IPM開關(guān)速度快，損耗小。 2)功耗低。 IPM內(nèi)部的 IGBT導(dǎo)通壓降低，開關(guān)速度快，故 IPM功耗小。 3)快速的過流保護(hù)。 IPM 實(shí)時(shí)檢測 IGBT 電流，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重過載或直接短路時(shí)， IGBT 將被軟關(guān)斷，同時(shí)送出一個(gè)故障信號。 4)過熱保護(hù)。在靠近 IGBT 的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器，當(dāng)基板過熱時(shí)， IPM內(nèi)部控制電路將截止柵級驅(qū)動(dòng)，不響應(yīng)輸入控制信號。 5)橋臂對管互鎖。在串聯(lián)的橋臂上，上下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號互鎖。有效防止上下臂同時(shí)導(dǎo)通。 6)抗干擾 能力強(qiáng)。優(yōu)化的門級驅(qū)動(dòng)與 IGBT集成，布局合理，無外部驅(qū)動(dòng)線。 7)驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù)。當(dāng)?shù)陀隍?qū)動(dòng)控制電源 (一般為 15V)就會(huì)造成驅(qū)動(dòng)能力不夠，增加導(dǎo)通損壞。 IPM自動(dòng)檢測驅(qū)動(dòng)電源，當(dāng)?shù)陀谝欢ㄖ党^ l0u S 時(shí)，將截止驅(qū)動(dòng)信號。 8)IPM內(nèi)藏相關(guān)的外圍電路。縮短開發(fā)時(shí)間，加快產(chǎn)品上市。 9)無須采取防靜電措施。 10)大大減少了元件數(shù)目。體積相應(yīng)小。 信號采集電路設(shè)計(jì) 在交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，要把直流母線電壓、相電壓、相電流等信號采集到 DSP中，實(shí)現(xiàn)用低壓數(shù)字器件去測量控制高電壓、強(qiáng)電流等模擬量，如果模擬量與數(shù)字量之間沒有電氣隔離，那么，高壓強(qiáng)電流很容易串入低壓數(shù)字電路中，將器件燒毀。本系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比較高的模擬光隔離法進(jìn)行光隔，選用 Agilent 公司的高線性度模擬光耦器件HCNR200 對模擬量和數(shù)字量進(jìn)行隔離，隔離電壓峰值達(dá) 8000V，輸出跟隨輸入變化，線性度達(dá) 0． 01％。 電壓電流采集電路設(shè)計(jì) 圖 33是一典型的電壓或電流采集電路。運(yùn)放 Al構(gòu)成負(fù) 反饋放大電路， D2 接在 Al 的輸入端，完成對 LED輸出光信號的檢測，并自動(dòng)調(diào)整通過 LED的電流，以補(bǔ)償 LED光強(qiáng)隨溫度變化引起的非線性，因此此反饋放大器主要用于穩(wěn)定 LED 的光輸出并使其線性化。 A2 構(gòu)成電流電壓轉(zhuǎn)換電路， A2和 R2將 I2轉(zhuǎn)換為電壓輸出。 R3為 LED的限流電阻， C C2起反饋?zhàn)饔茫糜诟纳齐娐返母哳l特性，提高電路的穩(wěn)定性，消除自激振蕩，濾除電路中的毛刺信號，降低電路的輸出噪聲。根據(jù)運(yùn)放“虛短 和“虛斷”的特性，有： 因此，可以通過調(diào)整 R1和 R2 的值，使輸出電壓調(diào)整在 DSP所能接受的電壓范圍內(nèi)。 圖 33 電壓電流采集電路