【正文】 ，控制策略和控制算法也日益復(fù)雜，這就需要高性能、高速度的新一代微處理器，于是出現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)處理器 DSP(Digital Signal Processing)。考慮到 異步電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過外加信號(hào)準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩，但若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利用從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換，則可以把定子電流中勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量變成標(biāo)量獨(dú)立開來，進(jìn)行分別控制。為此，交流異步電機(jī)以其獨(dú)有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐用、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、制造成本低、維護(hù)少且方便、能夠運(yùn)用于惡劣環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。晶閘管具有體積小、重量輕、響應(yīng)快、管壓低等優(yōu)點(diǎn)，從而使得交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)有了飛躍發(fā) 展，出現(xiàn)了交流異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng)。在交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，效率最高、性能最佳的是變頻調(diào)速系統(tǒng)，因此，對(duì)變頻調(diào)速的研究是當(dāng)前電氣傳動(dòng)研究中最為活躍、最有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的工作。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%。 通過利用全控型電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，將直流電壓變成一定波形的電壓脈沖序列，實(shí)現(xiàn)變頻器輸出電壓的調(diào)節(jié)。 本文以三相交流異步電動(dòng)機(jī)為被控對(duì)象，以 TMS320LF2407A 單片機(jī) (16 位定點(diǎn)DSP 芯片 )作為處理器，采用智能功率模塊 PM10CSJ060，通過 SPWM 控制 技術(shù)對(duì)交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)恒壓頻比控制，設(shè)計(jì)了基于 DSP 的通用變頻調(diào)速系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞： DSP；變頻調(diào)速；智能功率模塊；恒壓頻比控制； SPWM 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 2 － Abstract In recent years, AC Motor Frequency Control and related technology research has bee a modern electric drive an important subject areas, and with the new power electronic devices and the introduction of the microprocessor and the exchange of theoretical development of motor control, AC frequency converter Technology will also be made tremendous progress. In exchange in the field of Frequency Control, PWM technology as a key technology in the VVVF technology are important in the development of applications, and the constant pressure than the frequency control (U/F = C) is the application of the most mon frequency converter A wide range of control. In this paper, threephase AC induction motor to object to TMS320LF2407A SCM (16 fixedpoint DSP chips) as a processor, a smart power module PM10CSJ060, through SPWM AC motor control technology to achieve constant pressure than the frequency control, design The DSPbased Universal Frequency Control System. They described the issue as well as research background and significance of the development of domestic and international Frequency Control, the bination of the threephase AC motor structure and working principle and SPWM control technology, and then presented different parts of the system hardware circuit works, and calculated parameters Select all parts of the device. Then on TI39。 TMS320LF2407A 是德州儀器公司專門為電機(jī)控制開發(fā)的一款定點(diǎn)式數(shù)字信號(hào)處理芯片，運(yùn)用 SPWM 技術(shù)和 DSP 技術(shù)就可以完成了交一直一交電壓源型通用變頻器的硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng) 搭建。在高速增民的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，我國(guó)能源工業(yè)而臨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。 交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展概況及其運(yùn)用 近年來，交流調(diào)速在國(guó)內(nèi)外發(fā)展十分迅速，打破了過去直流拖動(dòng)在調(diào)速領(lǐng)域中的統(tǒng)治地位，交流調(diào)速拖動(dòng)已進(jìn)入了與直流拖動(dòng)相媲美、相競(jìng)爭(zhēng)、相抗衡的時(shí)代，并有取而代之的趨勢(shì)，這是現(xiàn)代電力拖動(dòng)發(fā)展的主要特征。目前變頻調(diào)速的主要方案有：同步電機(jī)自控式變頻調(diào)速，正弦脈寬調(diào)制 (Sine Pulse Width Modulation)變頻調(diào)速，矢量控制 (Field Oriented Control)變頻調(diào)速，直接轉(zhuǎn)矩控制 (Direct Torque Control)及無速度傳感器控制等。目前已經(jīng)提出并得到實(shí)際應(yīng)用的 PWM 控制方案就不止十幾種，關(guān)于 PWM 控制技術(shù)的文章在很多著名的電力電子國(guó)際會(huì)議上，如 PESC， IECON， EPE 年會(huì)上已形成專題，尤其是微處理器應(yīng)用于 PWM 技術(shù)并使之?dāng)?shù)字化以后，花樣更是不斷翻新。 盡管矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制使交流調(diào)速系統(tǒng)的性能有了較大的提高，但是還有許多領(lǐng)域有待研究，比如：磁通的準(zhǔn)確估計(jì)和觀測(cè)、無速度傳感器的控制方法、電機(jī)參數(shù)的在線辨識(shí)、極低轉(zhuǎn)速包括零速下的電機(jī)控制、電壓重構(gòu)與死區(qū)補(bǔ)償策略、多電平逆變器的高性能控制策略等更新更優(yōu)的控制理論和控制策略。在交流調(diào)速的全數(shù)字化的過程當(dāng)中，各種總線也扮演了相當(dāng)重要的角色。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 6 － 本論文的研究?jī)?nèi)容 本文在掌握交流電機(jī)變頻調(diào)速基本原理的基礎(chǔ)上，采用電機(jī)控制專用 DSP 芯片TMS320LF2407A，運(yùn)用變頻調(diào)速的 U/f 控制方式和 SPWM 控制算法，提出了基于 DSP的通用變頻器的總體設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)闡述了其中關(guān)鍵技術(shù)的研究和設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)子鐵心是一個(gè)圓柱體，也由硅鋼片疊壓而成，其外圓周表面沖有槽孔，以便嵌置轉(zhuǎn)子繞組。 繞線式電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本比鼠籠式電動(dòng)機(jī)高、但它有較好的性能，一般只在有特殊需要的場(chǎng)合使用。 圖 三相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 10 － 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，便在其中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)和電流，如圖 所示。當(dāng)定子每相繞組只有一個(gè)線圈時(shí)，繞組的始端之間相差 120176。 交流電機(jī)的調(diào)速方式 根據(jù)電機(jī)學(xué)原理知識(shí)，可以得到交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為： )1(60)1( 10 spfsnn ???? () 由式 ()可以看出，交流電機(jī)調(diào)速方法主要有三大類：其 一是在電機(jī)中旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速 n0 恒定時(shí)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率 s ，稱為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速；其二是調(diào)節(jié)供電電源頻率 f1，稱為變頻調(diào)速；三是改變電機(jī)定子繞組的極對(duì)數(shù)，稱為變極調(diào)速。 (2)變轉(zhuǎn)差率調(diào)速：變轉(zhuǎn)差率調(diào)速實(shí)現(xiàn)方法眾多，例如調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串極調(diào)速和滑差離合器調(diào)速等方法。 3) 調(diào)速范圍大，特性硬，精度高。其結(jié)果是：電機(jī)的鐵心產(chǎn)生過飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流， 嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電機(jī)。低頻時(shí)， U1和 E1 都較小，定子阻抗壓降所占的分量就比較顯著，不能再忽略。 把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來，可得圖 所示的交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性。這時(shí)的調(diào)制情況是：當(dāng)正弦調(diào)制波電壓高于三角北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 17 － 載波電壓時(shí)，相應(yīng)比較器的輸出電壓為正電平，反之則為零電平。 )所以 A 相電壓 UA是以 +U/2 和 U/2 為幅值作正、負(fù)跳變的脈沖波形。圖中給出了載波在不同頻率時(shí)的 SPWM 電流波形，可見載波頻率越高，諧波波幅越小， SPWM 波形越好。對(duì)于三相系統(tǒng)，為了保證三相之間對(duì)稱，互差 120176。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，必須在低頻時(shí)提高載波比，這就是異步調(diào)制方式。 M限 流 啟 動(dòng) 電 壓 檢 測(cè)泵 升 控 制過 壓 欠 壓保 護(hù)I P M 故 障保 護(hù)驅(qū) 動(dòng) 電 路光 耦 隔 離頻 率 輸 入中 央 處 理 器D S PI O接口I O 接 口故障保護(hù)PWMI P MR 1C 1C 2R 2R 3R b2 2 0 V ~ 圖 基于 DSP 的通用變頻調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖 其中主電路部分由整流電路、濾波電路、逆變 電路 (IPM)和 IPM 驅(qū)動(dòng)電路與吸收電路組成。 主電路的設(shè)計(jì) 主電路原理圖如圖 所示，由整流電路、濾波電路、逆變電路 (IPM)和 IPM 的吸收電路組成。 ) 整流電路 整流電路由 4 個(gè)整流二極管組成單相不可控整流橋，它們將電源 的單相交流全波整流成直流。這里采用常用的電容濾波電路，在整流輸出端并入大電容，整流輸出直流電壓含有很多偶次諧波，頻率越高，電容容抗越小，分流作用越大，諧波被濾除的就越多，輸出電壓的平均值就越大。 由于濾波電容的容量較大，而切斷電源又必須在逆變電路停止工作的狀態(tài)下進(jìn)行，如果濾波電容沒有快速放電的回路，其放電時(shí)間往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)分鐘。該電流傳感器是射極分流式采樣，電阻上流過的電流很小，且與開關(guān)流過的大電流成確定比例關(guān)系，從而可代替一般要外接的電流互感器，如霍爾電流傳感器等檢測(cè)元件。 IPM 管腳的功能如下表 所示： 表 IPM 各管腳功能表 管腳 功能 VUPC(1) 上橋臂 U 相驅(qū)動(dòng)電源 +端輸入 VFO(2) 上橋臂 U 相故 障輸出端 (低有效 ) UP(3) 上橋臂 U 相驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端 (低有效 ) VUP1(4) 上橋臂 U 相驅(qū)動(dòng)電源－端輸入 VVPC(5) 上橋臂 V 相驅(qū)動(dòng)電源 +端輸入 VFO(6) 上橋臂 V 相故障輸出端 (低有效 ) VP(7) 上橋臂 V 相驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端 (低有效 ) VVP1(8) 上橋臂 V 相驅(qū)動(dòng)電源－端輸入 VWPC(9) 上橋臂 W 相驅(qū)動(dòng)電源 +端輸入 WFO(10) 上橋臂 W 相故障輸出端 (低有效 ) WP(11) 上橋臂 W 相驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端 (低有效 ) VWP1(12) 上橋臂 W 相驅(qū)動(dòng)電源－端輸入 VNC(13) 下橋臂共用驅(qū)動(dòng)電源－端輸入 VN1(14) 下橋臂共用驅(qū)動(dòng)電源 +端輸入 UN(15) 下橋臂 U 相驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端 (低有效 ) VN(16) 下橋臂 V 相驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端 (低有效 ) WN(17) 下橋臂 W 相驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端 (低有效 ) FO(18) 下橋臂共用故障信號(hào)輸出端 (低有效 ) P(19) 直流側(cè)輸入 +端 N(20) 直流側(cè)輸入－端 U(21) 逆變器三相輸出端 V(22) W(23) (3)IPM 的選取 IGBT 正反向峰值電壓為： 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） － 30 － UM= 2 U = 2 ? 220 = V311 () IGBT 電壓定額為： VUU M ??????? () 式中： — — 安全裕量 —— 考慮大電容濾波后的電感升高系數(shù) IGBT 通態(tài)峰值電流為： IM= 22 IN= 22 = () IGBT 電流定額為： IN= ? IM= () 式中： —— 安全裕量 —— 考慮電機(jī)的過載倍數(shù) 故可選用 l0A/600V 的 IPM 模塊，型號(hào)為 PM10CSJ060。 盡管智能功率模塊 IPM 的開關(guān)頻率可達(dá) 10~20kHz，但在確定逆變電路開關(guān)頻率時(shí)，除了應(yīng)使逆變電路輸出接近正弦波，還要考慮器件的開關(guān)損耗，以保證變頻調(diào)速 系統(tǒng)具有較高的效率。若電源電壓高于，則 IGBT 因驅(qū)動(dòng)電源電壓過高，保護(hù)性能得不到充分的保證，高于 20V 時(shí) IGBT管的柵極會(huì)損壞，因此絕對(duì)不能加如此高的電壓。 故障信號(hào) Fo 使用時(shí)必須注意，當(dāng) TFO=(典型值 )有效時(shí)， IPM 會(huì)關(guān)斷開關(guān)并使輸入無效。在此，針對(duì)這些問題，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)過壓、欠壓保護(hù)、限流起動(dòng)、 IPM 故障保護(hù)