【正文】 提出了交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。這種方法的優(yōu)點在于 :直接在定子坐標(biāo)系上分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型、控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換和計算。因此電機(jī)的速度辨識及磁鏈觀測器的實現(xiàn)是矢量控制系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵所在。因為這種方法采用了坐標(biāo)變換，所以對控制器的運算速度、處理能力等性能要求較高。其缺點是由于轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律是從異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式推得的，所以存在動態(tài)時磁通的變化不能得到控制、 電流相位沒有得到控制等差距，使其不能達(dá)到與直流恒磁通調(diào)速系統(tǒng)同樣的性能。但是由于這種控制方 法是開環(huán)控制，調(diào)速精度不高，低速時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。變頻裝置按變換環(huán)節(jié)分有交一直一交系統(tǒng)和交一交系統(tǒng)兩大類，交一直一交系統(tǒng)又分為電壓型和電流型，其中，電壓型變頻器在工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛 。進(jìn)入 90 年代，由于新型電力電子器件的發(fā)展及性能的提高、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及先進(jìn)控制理論和技術(shù)的完善和發(fā)展等原因，極大地提高了變頻調(diào)速的技術(shù)性能，促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，使變頻調(diào)速裝置在調(diào)速范圍、驅(qū)動能力、調(diào)速精度、動態(tài)響應(yīng)、輸出性能、功率因數(shù)、運行效率及使用的方便性等方面大大超過了其他常規(guī)交流調(diào)速方式，其性能指標(biāo)亦已超過了直流調(diào)速系統(tǒng)，達(dá)到取代直流調(diào)速系統(tǒng)的地步。 20世紀(jì)是電力電子變頻技術(shù)由誕生到發(fā)展的一個全盛時期。② 調(diào)速范圍較大 ，精度高 。特定應(yīng)用的 DSP 操作系統(tǒng)將是發(fā)展智能綜合路口控制機(jī)、路車交互系統(tǒng)、新型停車系統(tǒng)、高速公路的信息監(jiān)控與收費綜合管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其應(yīng)用將確保智能交通系統(tǒng)的低成本與高性能，大大提高系統(tǒng)的可靠性和智能化程度。引入 DSPRTOS 后，現(xiàn)有的各種監(jiān)護(hù)儀的功能與性能都將得到大幅度的提高。 DSP 系統(tǒng)不僅在傳統(tǒng)的工業(yè)控制、通信和圖象處理領(lǐng)域有極其廣泛的應(yīng)用空間，如智能工控設(shè)備、 POS/ATM 機(jī)、 IC 卡等，而且在信息家電領(lǐng)域的應(yīng)用更具 有極為廣泛的潛 力，例如機(jī)頂盒、變頻冰箱、變頻空調(diào)等眾多的消費類和醫(yī)療保健類電子設(shè)備，以及在車載盒、智能交通等領(lǐng)域的應(yīng)用也呈現(xiàn)出前所未有的生機(jī)。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟 件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點。 基于 DSP 的三相交流電機(jī)變頻調(diào)速控制器的設(shè)計 3 基于 DSP 的三相交流電機(jī)變頻調(diào)速控制器的設(shè)計 4 4 第一章、概論 1． 1 DSP 的發(fā)展趨勢 在計算機(jī)技術(shù)日新月異的時代，嵌入式系統(tǒng)軟件、硬件 不斷進(jìn)行著新的突破性發(fā)展。針對這一情況，設(shè)計了基于 DSP TMS320LF2407A 及智能功率模塊 PM10CSJ060的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。所討論的調(diào)速系統(tǒng)以三相交流 異步電動機(jī)為被控對象，以 TMS320LF2407A （ 16 位定點 DSP 芯片）為處理器，采用智能功率模塊 PM10CSJ060,通過 SPWM 技術(shù)對交流電機(jī)進(jìn)行恒壓頻比控制，設(shè)計并實現(xiàn)了基于 DSP 的變頻調(diào)速（ Variable Velocity Variable Frequence，簡稱 VVVF）控制系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞 : 異步電動機(jī)；變頻調(diào)速；脈寬調(diào)制 / 數(shù)字信號 處理器；恒壓頻比控制 基于 DSP 的三相交流電機(jī)變頻調(diào)速控制器的設(shè)計 2 引言 在工礦企業(yè)中，電動機(jī)是應(yīng)用面最廣、數(shù)量最多的電氣設(shè)備之一，因而電機(jī)的運動和控制與企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和效益密切相關(guān)。TMS320LF2407A 是專為電機(jī)控制而優(yōu)化設(shè)計的單片 DSP 控制器，它不僅具備強(qiáng)大高速的運 算處理能力，而且在片內(nèi)集成了豐富的電機(jī)控制外圍部件，如事件管理器、 PWM 產(chǎn)生電路、 ADC 轉(zhuǎn)換模塊等，這為實現(xiàn)交流電機(jī)變頻調(diào)速控制提供了極大的便利。如今 DSP 操作系統(tǒng)和 DSP 應(yīng)用已經(jīng)成為當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中最熱門的技術(shù)，是高校、科研院所和高新技術(shù)企業(yè)的 DSP 軟件、硬件開發(fā)人員的新的課題。 DSP 技術(shù)應(yīng)用前景將非常廣闊。 （ 1）信息家電領(lǐng)域機(jī)頂盒、變頻冰箱、變頻空調(diào)等眾多的消費類和家庭醫(yī)療保健類電子設(shè)備將在未來幾年取得快速發(fā)展，信息家電的個性化、區(qū)域化以及季節(jié)化的趨勢，為特定應(yīng)用的 DSP 操作系統(tǒng)提供了應(yīng)用發(fā)展空間。 （ 3）智能汽車領(lǐng)域隨著無線通信與全球定位技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，基于 DSP 的三相交流電機(jī)變頻調(diào)速控制器的設(shè)計 5 5 集通信、信息、導(dǎo)航、娛樂和各類汽車安全電子系統(tǒng)于一體的車載盒會成為下一代和未來汽車的發(fā)展方向。 （ 5） 其它領(lǐng)域的應(yīng)用，如視頻會議系統(tǒng)、全數(shù)字電機(jī)控制系統(tǒng)（包括直流無刷伺服和交流伺服）、語音壓縮、通信等。③起動電流低，對系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，節(jié)電效果明顯 。最初的交流變頻調(diào)速理 論誕生于 20世紀(jì) 20年代，直到 60年代，由于電力電子器件的發(fā)展，才促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)向?qū)嵱梅较虻陌l(fā)展。 目前 ，交流變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電 效果以及在國基于 DSP 的三相交流電機(jī)變頻調(diào)速控制器的設(shè)計 6 6 民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的廣泛適用性，而被公認(rèn)為是一種最有前途的交流調(diào)速方式，代表了電氣傳動發(fā)展的主流方向。按電壓的調(diào)制方式分為脈幅調(diào)制 PAM(Pulse Altitude Modulation)和脈寬調(diào)制 PWM(Pulse Width Modulation)兩大類，前者己幾近絕跡，目前普遍采用的是后者回 . 變頻調(diào)速系統(tǒng)的方案 目前典型的變頻調(diào)速控制類型主要有四種 :①恒壓頻比 (v均控制，②轉(zhuǎn)差頻率控制，③矢量控制，④直接轉(zhuǎn)矩控制。 異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制是一種轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。 本世紀(jì) 70年代西德 (FOC)理論，由此開創(chuàng)了交流電動機(jī)等效直流電動機(jī)控制的先河 1習(xí)。但在實際上矢量控 制運算及轉(zhuǎn)子磁鏈估計中要使用電動機(jī)參數(shù)，其控制的精確性受到參數(shù)變化的影響，所以精確的矢量控制系統(tǒng)要對電動機(jī)的參數(shù)進(jìn)行估計。 1985年德國魯爾大學(xué) DePenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論 (DTC)。大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易 受參數(shù)變化影響的問題。 具體研究工作包括 :交流電機(jī)變頻調(diào)速原理的研究 。目前很容易實現(xiàn)的一種方法是：逆變器的輸出波形是一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，這些波形與正弦波等效，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。正弦波大于三角波時，使相應(yīng)的開關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)正弦波小于三角載波時，使相應(yīng)的開關(guān)器件截止。負(fù)半周用同樣的方法調(diào)制后再倒相而成。圖 繪出了三相雙極式的正弦脈寬調(diào)制波形。由 UA和 UB相減，可得逆變器輸出線電壓波形 UAB[圖 (e)]。圖 是通過電動機(jī)繞組的 SPWM 電流波形。另外，高的載波頻率使變頻器和電機(jī)的噪聲進(jìn)入超聲范圍，超出人的聽覺范圍之外 ，產(chǎn)生“靜音”的效果。在變頻過程中，即調(diào)制信號周期變化過程中，載波個數(shù)不變的調(diào)制稱為同步調(diào)制，載波個數(shù)相應(yīng)變化的調(diào)制稱為異步調(diào)制。而且，為了雙極性調(diào)制時每相波形正負(fù)波形對稱，上述倍數(shù)必須是奇數(shù)，這樣在信號波 180176。但是這種調(diào)制，在信號頻率較低時，載波的數(shù)量顯得稀疏，電流波形脈動大，諧波分量劇增，電動機(jī)的諧波損耗及脈動轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大。一般在改變調(diào)制頻率時保持三角載波頻率不變，因此提高了低頻時的載波比，在低頻工作時，逆變器輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)可以隨著輸出頻率的降低而增加，相應(yīng)的減小了負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與噪聲，改善了低頻時的工作特性。具體實現(xiàn)方法是把逆變器整個變頻范圍劃分為若干個頻段，在每個頻段內(nèi)都維持載波比恒定，對于不同頻段取不同的載波比，頻率較低載波比取大點，一般有經(jīng)驗參數(shù)可取。通過液晶顯示相應(yīng)的頻率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向等信號。整流電路輸出的整流電壓是脈動的直流電壓，必須加以濾波。 .2功率驅(qū)動電路 智能功率模塊（ IPM）是將大功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路、保護(hù)電路、檢測電路等集成在 同一個模塊內(nèi)的一種電力集成電路 [2]。采用嚴(yán)密的時序邏輯監(jiān)控保護(hù)，可防止過電流、短路、過熱及欠電壓等故障發(fā)生。 TLP559為發(fā)光二極管驅(qū)動方式， du/dt 的耐量小，故采用在光耦陰極接限流電阻的驅(qū)動電路形式，圖 3 示出驅(qū)動電路。當(dāng)其中任一個橋臂有故障時， Fo即輸出低電平，光電耦合器導(dǎo)通，與門的輸入信號即變低，輸出亦變低，這樣連接 DSP 的 PDPINTA 引腳就檢測到一個下降沿，進(jìn)入到 DSP 的故障中斷中，在程序中封鎖 6 路 SPWM 的輸出信號，使 6 路 SPWM信號無輸出，起到保護(hù)作用。 圖 系統(tǒng)保護(hù)電路 基于 DSP 的三相交流電機(jī)變頻調(diào)速控制器的設(shè)計 17 17 2)LCD12864 基本特性 （ 1）、低電源電壓（ VDD:++）（ 2）、顯示分辨率 :128 64 點 （ 3）、內(nèi)置漢字字庫，提供 8192 個 16 16 點陣漢字 (簡繁體可選 ) （ 4）、內(nèi)置 128 個16 8點陣字符 （ 5）、 2MHZ 時鐘頻率 （ 6）、顯示方式： STN、半透、正顯 （ 7）、驅(qū)動方式： 1/32DUTY， 1/5BIAS （ 8）、視角方向： 6 點 （ 9）、背光方式：側(cè)部高亮白色 LED，功耗僅為普通 LED 的 1/5— 1/10 （ 10）、通訊方式：串行、并口可選 （ 11）、內(nèi)置 DCDC 轉(zhuǎn)換電路，無需外加負(fù)壓 （ 12）、無需片選信號，簡化軟件設(shè)計（ 13）、工作溫度 : 0℃ +55℃ ,存儲溫度 : 20℃ +60℃ 3)模塊接口說明 管腳號 管腳名稱 電平 管腳功能描述 1 VSS 0V 電源地 2 VCC 3.0+5V 電源正 3 V0 對比度（亮度）調(diào)整 4 RS(CS） H/L RS=“ H” ,表示DB7—— DB0 為顯示數(shù)據(jù) RS=“ L” ,表示DB7—— DB0 為顯示指令數(shù)據(jù) 5 R/W(SID) H/L R/W=“ H” ,E=“ H” ,數(shù)據(jù)被讀到DB7—— DB0 基于 DSP 的三相交流電機(jī)變頻調(diào)速控制器的設(shè)計 18 18 R/W=“ L” ,E=“ H→ L” , DB7—— DB0的數(shù)據(jù)被寫到 IR 或DR 6 E(SCLK) H/L 使能信號 7 DB0 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 8 DB1 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 9 DB2 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 10 DB3 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 1