【正文】 nd 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。它的市場異常龐大，據(jù)報道，世界上大約有 100 億以上各種電機在工作，近年來，我國空調(diào)一年的產(chǎn)量已經(jīng)超過 1000 萬臺，僅此一項市場已非常龐大；另外，其應(yīng)用面極其廣泛，例如機床、電動工具、電力機車、機器人、家用電器、計算機的驅(qū)動器、汽車、船舶、軋鋼、造紙和紡織行業(yè)等等。交流變頻調(diào) 速技術(shù)的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在兩個方面：一是節(jié)電顯著；二是卓越的調(diào)速性能。 PWM 方式能夠及時、準確地實現(xiàn)變壓變頻要求，可以抑制逆變輸出電壓、電流的諧波分量，降低電機轉(zhuǎn)矩脈動。 TMS320LF2407A 是德州儀器公司專門為電機控制開發(fā)的一款定點式數(shù)字信號處理芯片，運用 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)計和系統(tǒng) 搭建。充分有效地利用能源已成為緊迫的問題，為了尋求高效可用的能源，各個國家都投入了大量人力財力，進行不懈的努力。電機是一種將電能轉(zhuǎn)換成機械能的設(shè)備，它的用途非常廣泛，在現(xiàn)代社會生活中隨處可見電機的身影，在發(fā)達國家中生產(chǎn)的總電能有一半以上是用于電機的能量轉(zhuǎn)換 ，這些電機傳動系統(tǒng)當中 90%左右的是交流異步電機。并且使用中的電機絕大部分還是中小型異步電機，加之設(shè)備的陳舊、管理、控制技術(shù)跟不上，所浪費的電能甚多。在高速增民的經(jīng)濟環(huán)境下，我國能源工業(yè)而臨著經(jīng)濟增長與環(huán)境保護的雙重壓力。為此，國家十五計劃中，在電機系統(tǒng)節(jié) 能方而投入的資金高達 500 億元左右，由此可見，在我國異步電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)將有巨大的市場潛能。經(jīng)過了十多年的發(fā)展，近代交流傳動逐漸成為電氣傳動的主流。變頻器產(chǎn)業(yè)的潛力非常巨大，值得強調(diào)的是，這里的“變頻器產(chǎn)業(yè)”應(yīng)該是變頻器技術(shù)產(chǎn)業(yè)，或者是inverter technology 產(chǎn)業(yè) 。 交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展概況及其運用 近年來，交流調(diào)速在國內(nèi)外發(fā)展十分迅速，打破了過去直流拖動在調(diào)速領(lǐng)域中的統(tǒng)治地位，交流調(diào)速拖動已進入了與直流拖動相媲美、相競爭、相抗衡的時代，并有取而代之的趨勢，這是現(xiàn)代電力拖動發(fā)展的主要特征。 電力 電子技術(shù)的發(fā)展 由于交流電機的諸多優(yōu)點和運用廣泛，其調(diào)速系統(tǒng)早就得到人們的關(guān)注，早期的交流電機調(diào)速方法，如用繞線式異步電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、鼠籠式異步電機變極調(diào)速、在定子繞組串電抗器調(diào)速等都存在效率低，不經(jīng)濟等缺點。 20 世紀 50 年代中期，晶閘管的研制成功，開創(chuàng)了電力電子技術(shù)發(fā)展的新時代。 到 20 世紀 70 年代出現(xiàn)了變頻調(diào)速技術(shù)，變頻調(diào)速具有效率高、精度高和范圍寬等特點，是目前運用最廣泛且最具有發(fā)展前途的調(diào)速方式。目前變頻調(diào)速的主要方案有：同步電機自控式變頻調(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。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是可關(guān)斷晶閘管 GTO、電力晶體管 GTR、絕緣門極晶體管 IGBT， MOS 晶閘管及 MTC 等具有自關(guān)斷能力全控功率元件的發(fā)展，且控制單元也從分離元件發(fā)展到大規(guī)模數(shù)字集成電路及采用微處理器控制，從而使變頻裝置的快速性、可靠性及經(jīng)濟性不斷提高，變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能也得到不斷完善。由于直流電機本身的結(jié)構(gòu)復雜，還存在著換向器或電刷等器件，使得直流電機的容量受到一定的限制，維護也不方便。但是，交流異步電機的數(shù)學模型是一個非線性、強耦合、多變量的，不能像直流電機那樣對磁通和轉(zhuǎn)矩分別進行控制調(diào)節(jié)，在一定程度上抑制了交流異步電機的運用范圍 。目前已經(jīng)提出并得到實際應(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際會議上，如 PESC， IECON， EPE 年會上已形成專題，尤其是微處理器應(yīng)用于 PWM 技術(shù)并使之數(shù)字化以后，花樣更是不斷翻新。到目前為止，還有新的方案不斷提出，進一步證明這項技術(shù)的研究方興未艾。主要原因在于，其系統(tǒng)控制的規(guī)律是從異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)推導出穩(wěn)態(tài)值控制，完全不考慮過渡過程，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、起動及低速時轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)等方而的性能尚不能令人滿意。通過坐標變換重建異步電機的數(shù)學模型，可以使得異步電機等效于直流電機，從而象控制直流電機那樣進行快速的轉(zhuǎn)矩和磁通控制，即矢量控制，又稱為磁場定向控制。 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：磁通的準確估計和觀測、無速度傳感器的控制方法、電機參數(shù)的在線辨識、極低轉(zhuǎn)速包括零速下的電機控制、電壓重構(gòu)與死區(qū)補償策略、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。 單片機在交流調(diào)速系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用。其高檔型： 8X196KB， 8X196KC， 8X196MC 等在通用開環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用較多。因此， DSP 芯片在全數(shù)字化的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)中找到大展身手的舞臺。在交流調(diào)速的全數(shù)字化的過程當中，各種總線也扮演了相當重要的角色。 數(shù)字化控制或稱微機控制，其優(yōu)點是使硬件設(shè)計簡化，柔性的控制算法使控制靈活、可靠，更易實現(xiàn)復雜的控制算法，便于故障診斷和監(jiān)視。可以頂見，隨著計算機芯片容量的增加和運算速度的加快，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能將得到很大的提高。交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機械、冶金、礦山、化工、石油、紡織、造紙、印染、船舶、鐵路等行業(yè)，是最有發(fā)展前途的一種調(diào)速控制方式。 北華大學畢業(yè)設(shè)計（論文） － 6 － 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(chǔ)上，采用電機控制專用 DSP 芯片TMS320LF2407A，運用變頻調(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)計方案，并詳細闡述了其中關(guān)鍵技術(shù)的研究和設(shè)計。 具體研究工作包括： ? 交流電機變頻調(diào)速原理的研究； ? 變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件電路的研究和設(shè)計，包括主電路、系統(tǒng)保護電路和控制電路等； ? 變頻調(diào)速系統(tǒng)控制軟件的研究和設(shè)計。它由定子 (包括機座 )、轉(zhuǎn)子、端蓋等組成，其中定子和轉(zhuǎn)子是能量傳遞的主要部分。定子鐵心是電動機磁路的一部分，為了減少鐵損，定子鐵心由表面絕緣的硅鋼沖片疊壓而成。轉(zhuǎn)子鐵心是一個圓柱體，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。 (a)鼠籠式 鼠籠式轉(zhuǎn)子是在轉(zhuǎn)子鐵心的槽內(nèi)壓進銅條，銅條的兩端分別焊接在兩個銅環(huán)上，因其形狀如同鼠籠，故得名。用鑄鋁轉(zhuǎn)子可節(jié)省銅材，簡化了制造 工藝，降低了電機的成本。三相繞組接成星形，末端接在一起，首端分別接在轉(zhuǎn)軸上三個彼此絕緣的銅制滑環(huán)上。 繞線式電動機結(jié)構(gòu)比較復雜，成本比鼠籠式電動機高、但它有較好的性能，一般只在有特殊需要的場合使用。因此，我們首 先討論在交流電動機定子繞組中通以三相交流電所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場。i u3 6 0 176。 b ) ω t = 6 0 176。 圖 三相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場 北華大學畢業(yè)設(shè)計（論文） － 10 － 旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導體，便在其中感應(yīng)出電動勢和電流，如圖 所示。轉(zhuǎn)子導體電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用便產(chǎn)生電磁力 F 施加于導體上。由電磁力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而使電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來。如果將聯(lián)接三相電源的三相繞組端子中的任意兩相對調(diào)，就可改變轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向。當定子每相繞組只有一個線圈時，繞組的始端之間相差 120176。當電流交變一次時，磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周，旋轉(zhuǎn)磁場的 (每分鐘 )轉(zhuǎn)速 n0=60f1。電流交變一次時，磁場在空間旋轉(zhuǎn)半周，即 (每分鐘 )轉(zhuǎn)速 n=60f1/p 以此類推，可得 pfn 10 60? () 式中 n0的單位為 r/min。 由工作原理可知，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 n 必然小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 n0(即所謂“異步” )。 交流電機的調(diào)速方式 根據(jù)電機學原理知識，可以得到交流電機的轉(zhuǎn)速公式為： )1(60)1( 10 spfsnn ???? () 由式 ()可以看出，交流電機調(diào)速方法主要有三大類：其 一是在電機中旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速 n0 恒定時，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；三是改變電機定子繞組的極對數(shù)，稱為變極調(diào)速。它既不是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，也不是恒功率調(diào)速方式。 b) 無轉(zhuǎn)差損耗，效率高。 缺點： 有級調(diào)速，級差較大，不能獲得平滑調(diào)速，且由 于受到電動機結(jié)構(gòu)和制造工藝的限制，通常只能實現(xiàn) 3 種極對數(shù)的有級調(diào)速，調(diào)速范圍相當有限。 (2)變轉(zhuǎn)差率調(diào)速：變轉(zhuǎn)差率調(diào)速實現(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。因此，當 s 增大時，電動機的損耗也將會增大。 (3)變頻調(diào)速：變頻調(diào)速是通過改變電動機定子電源的頻率，來實現(xiàn)調(diào)速的方法，即調(diào)節(jié)ω s 來調(diào)速。 優(yōu)點： 1) 效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗。 3) 調(diào)速范圍大，特性硬，精度高。 缺點：技術(shù)復雜，造價高，維護檢修困難。 變頻調(diào)速系統(tǒng)的 U/f控制方式 電機定子繞組的反電動勢是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場磁力線的結(jié)果，本質(zhì)上是定子繞組的自感電動勢。其結(jié)果是：盡管電機的鐵心沒有得到充分利用是一種浪費，但是在機械條件允許的情況下長期使用不會損壞電機。其結(jié)果是：電機的鐵心產(chǎn)生過飽和，從而導致過大的勵磁電流， 嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。 (1)基頻以下調(diào)速 由式 ()可知，要保持φ M 不變，當頻率 f1 從額定值 f1N 向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低 E1，使 E1/f1=常數(shù)，即采用電動勢與頻率之比恒定的控制方式。 這是恒壓頻比的控制方式。 如果電動機在不同轉(zhuǎn)速 n 下都具有額定電流，則電機都能在溫升允許條件下長期運行，這時轉(zhuǎn)矩 T 基本上隨磁通變化，由于在基頻以下調(diào)速時磁通恒定，所以轉(zhuǎn)矩 T 也恒定。低頻時， 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。 f1 Nf2f3f4n1 Nn0Tf1 N f2 f3 f4 圖 基頻以下調(diào)速時的機械特性 北華大學畢業(yè)設(shè)計（論文） － 14 － (2)基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從 f1N 往上增高，但電壓 U1 卻不能超過額定電壓U1