【正文】 坐 標變換，簡單的通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得的差值，實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。這種方法的優(yōu)點在于 :直接在定子坐標系上分析交流電動機的數(shù)學模型、控制電動機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復雜的變換和計算。但是由于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是直接進行轉(zhuǎn)矩的砰一砰控制，避開了旋轉(zhuǎn)坐標變換，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，降低調(diào)速性能，因此只能用在對調(diào)速要求不高的場合。 本論文的研究內(nèi)容 本文在掌握交流電機變頻調(diào)速基本原理的基礎上，采用電機控制專用 DSP芯片 TMS320LF2407A，運用變頻調(diào)速的價廠控制方式和 SPWM控制算法，提出了交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設計方案。變 頻調(diào)速系統(tǒng)硬件電路的研究和設計，包括主電路、系統(tǒng)保護電路和控制電路 。 基于 DSP 的三相交流電機變頻調(diào)速控制器的設計 8 8 第二章交流調(diào)速原理 1 正弦脈寬調(diào)制 (SPWM)控制理論 我們期望變頻器輸出的電壓波形是純粹的正弦波形，但就目前的技術，還不能制造功率大、體積小、輸出波形如同正弦波發(fā)生器那樣標準的可變頻變壓的逆變器。如果把一個正弦半波分作 n等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都 用一個與此面積相等的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點與正弦波每一等分的中點相重合。 SPWM 波形如圖 所示： 產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制波 SPWM 的原理是：用一組等腰三角形波與一個正弦波進行比較，如圖 所示，其相交的時刻 (即交點 )作為開關管“開”或“關”的時刻。 ω tω tuu00( a )( b ) 圖 與正弦波等效的等幅脈沖序列波 基于 DSP 的三相交流電機變頻調(diào)速控制器的設計 9 9 + 10 1+ 1 10 圖 SPWM 控制的基本原理圖 SPWM 控制技術 采用單極性控制時在正弦波的半個周期內(nèi)每相只有一個開關器件開通或關斷，例如 A 相的 V1反復通斷，如圖 所示。只要正弦調(diào)制波的最大值低于三角載波的幅值，由圖 (A)的調(diào)制結(jié)果必然形成圖 (B)所示的等幅不等寬而且兩側(cè)窄中間寬的 SPWM 脈寬調(diào)制波形。 121323021 2 34si n d ( si n ) d22si n d ( si n ) d222( 1 2 c os 2 c os 2 c os )ddndddUUa n t t n t tUUn t t n t tUn n nn???????? ? ? ??? ? ? ?? ? ???? ? ????? ? ? ??? ? ? ????? 單極性調(diào)制的工作特點：每半個周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個逆變器件中，只有一個器件按脈沖系列的規(guī)律時通時斷的工作，另一個完全截止；而在另半個周期內(nèi)，兩個器件的工作情況正好相反。 V1V2Z 圖 單極性調(diào)制工作特點 SPWM 控制技術 雙極性調(diào)制技術與單極性相同，只是功率開關器件通斷情況不一樣。當 A 相調(diào)制波 uAut時， V1導通， V2關斷，使負載上的相電壓為 UA=+U/2(假設交流電機定子繞組為星型聯(lián)接，其中性點 0與整流器輸出端濾波電容器的中點 0相連，那么當逆變器任一相導通時在電機繞組上所獲得的相電壓為 U/2，見圖 (b)；當 uAut時， V1關斷而 V2導通，則 UA=－ U/2。同理，圖 (c)的 UB是由 V3和 V4交替導通得到的，圖 (d)的 UC是由 V5和 V6交基于 DSP 的三相交流電機變頻調(diào)速控制器的設計 11 11 替導通得到的。 UAB的脈沖幅值為 +U 和－ U。 圖 雙極性 SPWM 逆變器三相輸出波形 綜上所述，雙極性調(diào)制的工作特點：逆變橋在工作時，同一橋臂的兩個逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導通和關斷，而流過負載 Z的電流是按線電壓規(guī)律變化的交變電 流，如圖 所示： 基于 DSP 的三相交流電機變頻調(diào)速控制器的設計 12 12 V1V2Z 圖 雙極性調(diào)制工作特點 SPWM 的調(diào)制方式 SPWM 波畢竟不是真正的正弦波，它仍然含有高次諧波的成分，因此盡量采取措施減少它。顯然，它僅僅是通過電動機繞組濾波后的近似正弦波。因此希望提高載波頻率來減小諧波。但是，提高載波的頻率要受逆變開關管的最高開關頻率限制，而且也形成對周圍電路的干擾源。在一個調(diào)制信號周期內(nèi)所包含的三角載波的個數(shù)稱為載波頻率比。 (1)同步調(diào)制 在改變正弦信號周期的同時成比例地改變載波周期，使載波周期與信號頻率的比值 保持不變。相位角，通常取載波頻率為 3 的整數(shù)倍。處，載波的正負半周恰好分布在 180176。由于波形的左右對稱，這就不會出現(xiàn)偶次諧波問題。而且，此時載波的邊頻帶靠近信號波，容易干擾基波頻域。 (2)異步調(diào)制 異步調(diào)制方式是指在整個變頻范圍內(nèi)，載波比都是變化的。但是由于載波比隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時，逆變器輸出電壓的波形其相位也會發(fā)生變化，很難保持三相輸出的對稱關系，因此會引起電動機的工作不穩(wěn)定。分 段同步調(diào)制是指在一定的頻率范圍內(nèi)，采用同步調(diào)制，保持輸出波形對稱的優(yōu)點，當頻率降低較多時，使載波比分段有級的增加，這樣就利用了異步調(diào)制的優(yōu)點。 基于 DSP 的三相交流電機變頻調(diào)速控制器的設計 14 14 第三章、總體方案及硬件設計 方案以三相交流異步電動機為被控對象 ,以 TMS320LF2407A（ 16 位定點 DSP 芯片）為處理器，對三相交流異步電動機采用變頻調(diào)速 V/F 控制算法，設計了整套 系統(tǒng)。 DSP 首先從鍵盤采集需要的頻率和轉(zhuǎn)向信號，接著產(chǎn)生相應的三相六路 SPWM信號，過光耦隔離傳給驅(qū)動電路，驅(qū)動電路再控制逆變橋IPM的導通與關斷，同時 DSP 采集 IPM有無故障輸出，如有故障，則關斷 DSP 的 SPWM輸出，關斷主電路。 如圖 ，系統(tǒng)硬件電路由變頻主電路、功率驅(qū)動電路、光耦隔離電路、保護電路、 DSP 最小系統(tǒng)、鍵盤輸入和液晶顯示等電路組成。整流電路由單相不可控整流橋?qū)㈦娫吹膯蜗嘟涣魅ㄕ鞒芍绷?。濾波電容除了濾除整流后的電壓紋波外，還在整流電路與逆變器之間起去耦作用，以消除相互干擾，給作為感性負載的電動機提供必要的無功功率。這是變頻器實現(xiàn)變頻的執(zhí)行環(huán)節(jié)，因而是變頻電路的核心部分。它采用低飽和壓降，高開關速度，內(nèi)設低損耗電流傳感器的絕緣柵雙極晶體管（ IGBT）功率器件。采用單電源邏輯電壓輸入優(yōu)化的柵極驅(qū)動，實行實時邏輯柵區(qū)（ RTC）控制模式。光耦合輸入，帶 RC 信號干擾抑制和電源干擾抑制。 光耦隔離電路 設計時選擇 TLP559 光電耦合器，并使光耦與 IPM控制端子間的布線最短，布線阻抗最小。 系統(tǒng)保護電路 圖 4 示出系統(tǒng)保護電路。無故障時，F(xiàn)o 輸出高電平，光電耦合器（ TLP521）不導通，連接到四輸入與門（ 74LS21）的輸 入端為高電平，與門的輸出即為高電平。 顯示部分 1)LCD12864概述 帶中文字庫的 128X64 是一種具有 4位 /8位并行、 2線或 3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為 128 64, 內(nèi)置 8192 個 16*16 點漢字，和 128 個 16*8 點 ASCII 字符集 .利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。 DFF=1 為開顯示（ DISPLAY ON),DDRAM 的內(nèi)容就顯示在屏幕上， DFF=0 為關顯示（ DISPLAY OFF)。 5)顯示數(shù)據(jù) RAM（ DDRAM） 基于 DSP 的三相交流電機變頻調(diào)速控制器的設計 20 20 模塊內(nèi)部顯示數(shù)據(jù) RAM 提供 64 2 個位元組的空間，最多可控制 4行 16 字（ 64 個字）的中文字型顯示，當寫入顯示數(shù)據(jù) RAM 時，可分別顯示 CGROM 與 CGRAM的字型；此模塊可顯示三種 字型，分別是半角英數(shù)字型 (16*8)、 CGRAM 字型及CGROM 的中文字型，三種字型的選擇，由在 DDRAM 中寫入的編碼選擇，在 0000H— 0006H 的編碼中（其代碼分別是 0000、 000 000 0006 共 4 個）將選擇 CGRAM的自定義字型， 02H— 7FH 的編碼中將選擇半角英數(shù)字的字型，至于 A1 以上的編碼將自動的結(jié)合下一個位元組，組成兩個位元組的編碼形成中文字型的編碼BIG5（ A140— D75F）， GB（ A1A0F7FFH）。 地址計數(shù)器 AC地址計數(shù)器是用來貯存 DDRAM/CGRAM之一的地址 ,它可由設定指令暫存器來改變，之后只要讀取或是寫入 DDRAM/CGRAM 的值時，地址計數(shù)器的值就會自動加一，當 RS 為“ 0”時而 R/W 為“ 1”時，地址計數(shù)器的值會被讀取到 DB6—— DB0 中。 8)指令說明 模塊控制芯片提供兩套控制命令，基本指令如下： 指 指令碼 功 能 令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 基于 DSP 的三相交流電機變頻調(diào)速控制器的設計 21 21 清除顯示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 將 DDRAM 填滿 20H,并且設定DDRAM 的地址計數(shù)器 (AC)到 00H 地址歸位 0 0 0 0 0 0 0 0 1 X 設定 DDRAM 的地址計數(shù)器 (AC)到 00H,并且將游標移到開頭原點位置 。這個指令不改變 DDRAM 的內(nèi)容 功能設定 0 0 0 0 1 DL X RE X X DL=0/1： 4/8 位數(shù)據(jù) RE=1: 擴充指令操作 RE=0: 基本指令操作 設定CGRAM地址 0 0 0 1 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0 設定 CGRAM 地址 設定 0 0 1 0 A A A A A A 設定 DDRAM 地址（顯示位址）基于 DSP 的三