【正文】 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)了無速度傳感器的矢量控制。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，在忽略了過渡過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。具體來說，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。 MOSFET是電壓型驅(qū)動(dòng)器件，開關(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。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。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。充分有效地利用能源已成為緊迫的問題。 電機(jī)分為直流電機(jī)和交流電機(jī)兩大類。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。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。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集成開發(fā)環(huán)境概述 375．3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)及說明 385. 程序工程的建立 385．3．2程序說明 395．3．3 Q格式說明 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 434．不同頻率的PWM輸出波形觀測 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)速廣泛應(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。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。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，為解決能源問題必須先從電能著手，其中起代表性的就是電機(jī)的控制。因此，電機(jī)的變頻調(diào)速控制越來引起人們的重視，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。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。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)高效的過電流保護(hù)。因此這種控制方式比較適合應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)速場合。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。然而矢量控制在實(shí)際系統(tǒng)中存在很多問題，即轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，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。 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。 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。SVPWM調(diào)制技術(shù)一問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)，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的磁鏈有效矢量來逼近基準(zhǔn)圓；即用多邊形來近似逼近圓形，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)。有代表性的電機(jī)控制芯片有：單片機(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。2006年9月飛思卡爾公司推出了4款16位新型DSP 56F8000和DSC(數(shù)字信號(hào)控制器)56F80X系列產(chǎn)品，該系列可提供16位96MHZ的PWM，并且具有可編程故障功能，高度精確的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(DAC)等。1．3本課題研究的內(nèi)容本課題綜合國內(nèi)外電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展情況，在掌握交流電機(jī)變頻調(diào)速基本原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套基于DSP芯片TMS320LF2407A和電壓空間矢量SVPWM的交流異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟硬件解決方案。 3．設(shè)計(jì)一臺(tái)900W的小功率異步電機(jī)變頻裝置。第二章 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(duì)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(duì)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。4)忽略溫度和頻率變化對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響。A軸和轉(zhuǎn)子a軸間的電角度θ即為空間角位移變量圖21異步電機(jī)物理模型2．1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： (21)三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為： （22）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； ψA，ψB，ψC，ψa，ψb，ψc——各繞組的全磁鏈； R1 ，R2——定子、轉(zhuǎn)子繞組電阻。 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。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。為了對(duì)三相系統(tǒng)進(jìn)行簡化，就必須對(duì)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。 2．2．1從三相到兩相的靜止坐標(biāo)變換(3s／2s)圖22 3s／2s變換圖22是A、B、C為三相對(duì)稱靜止繞組，圖2．1中A軸與口軸重合，通以三相平衡的J下弦電流，產(chǎn)生合成磁動(dòng)勢F，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，三相靜止坐標(biāo)系與兩相靜止坐標(biāo)系在空間上相差90。可以由簡單的三角函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)出從三相到兩相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣： （29）若為三相平衡系統(tǒng)，uA+ uB+ uC =0，則矩陣的第三行系數(shù)為0，于是可寫成為 (210)即 (211)變換后的兩相電流有效值為三相電流有效值的倍，因此，每相功率為三相繞組每相功率的3/2倍，但相數(shù)由原來3變成2，所以變換前后總功率不變。 如圖2—3所示，α—β為兩相靜止坐標(biāo)系(2s)，d—q為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(2r)。當(dāng)觀察者站在鐵心上和繞組一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，在他看來，d和q是兩個(gè)通以直流而且相互垂直的靜止繞組，如果控制磁通的位置在d軸上，就相當(dāng)于直流電機(jī)物理模型了。2．3．2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ω1，而轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為ω，則dq軸相對(duì)于轉(zhuǎn)子的角轉(zhuǎn)速為ωs=ω1一ω，即為轉(zhuǎn)差。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(duì)數(shù)P，轉(zhuǎn)差率s和電源頻率f。3．1 V／F控制原理由電機(jī)學(xué)理論，交流異步電機(jī)的定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場磁力線的結(jié)果，其有效值計(jì)算如下：E=KfΦ (32)式中K一與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；Φ一磁通。 理論上這種新的平衡對(duì)機(jī)械特性影響不大。即設(shè)法滿足： E／f=KΦ=常數(shù) (35)這就要求，當(dāng)電機(jī)調(diào)速改變電源頻率f時(shí)，E也應(yīng)該相應(yīng)的變化，來維持它們的比值不變。即 E／f≈U／f=常數(shù) (36)所以，在變頻的同時(shí)也需要變壓，這就是所謂的VVVF或VF。必須采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施—U/f轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法。SVPWM控制用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)磁通圓，不但能達(dá)到較高的控制性能，而且由于它把逆變器和電機(jī)看作一個(gè)整體處理，使所得模型簡單，便于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，并具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、噪聲低、電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn)。Q1，Q3和Q5這三個(gè)功率管的開關(guān)狀態(tài)，即a、b或c為0或1的狀態(tài)，將決定Va 、Vb 和Vc 三相輸出電壓的波形情況。表31功率管開關(guān)狀態(tài)與線、相電壓以及與相電壓在αβ坐標(biāo)系分量的關(guān)系表矢量UVW狀態(tài)相電壓線電壓αβ坐標(biāo)系VaVbVcVabVbcVcaVsαVsβU000000000000U11002Vdc /3Vdc /3Vdc /3Vdc0 Vdc0U2110Vdc /3Vdc /32Vdc /30VdcVdc U3010Vdc /32Vdc /3Vdc /3Vdc Vdc 0U40112Vdc/3Vdc /3Vdc /3Vdc 0Vdc 0U5001Vdc /3Vdc /32Vdc /30VdcVdcU6101Vdc /32Vdc/3Vdc /3VdcVdc0U711100000000在該表中Va 、 Vb 和 Vc表示3個(gè)輸出的相電壓，Vab、 Vbc 和 Vca表示3個(gè)輸出的線電壓，Vsα、Vsβ是空間矢量分解得到的子軸分量。他們的對(duì)應(yīng)關(guān)系同樣如表3—1所示。圖3—3表示參考電壓矢量Uref和與之對(duì)應(yīng)的αβ軸分量Uα和Uβ 以及基本空間矢量Ul和Um的對(duì)應(yīng)關(guān)系(其中Ul和Um是任意兩個(gè)相鄰的基本空間矢量)。1和零矢量U0或U7合成的。UUx177。 圖35軟件方法實(shí)現(xiàn)的Uref在扇區(qū)0的SVPWM波形2．硬件生成SVPWM方案 TMS320LF2407A中具有兩個(gè)事件管理器EVA和EVB，每事件管理器中都有一個(gè)空間矢量狀態(tài)機(jī)器件。Ux表示。3)當(dāng)同等丌關(guān)頻率條件時(shí)，方案二可以具有更短的中斷周期T電機(jī)電流諧波好于軟件方案。檢測電路將檢測到的信號(hào)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。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。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。因此我們可以選用的單相整流橋規(guī)格為20A、1000V。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P