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目 錄
引 言
電機變頻調速是電力電子技術應用的最大領域之一，具有極大的吸引力，同時也具有較強的挑戰性。
它的市場異常龐大，據報導，世界上大約有100億以上各種電機在工作，近年來，我國空調一年的產量已經超過1000萬台，僅此一項市場已非常龐大；
另外，其應用面極其廣泛，例如機床、電動工具、電力機車、機器人、家用電器、電腦的驅動器、汽車、船舶、軋鋼、造紙和紡織行業等等。
而交流非同步電機由於結構簡單，使用與維護方便，運行可靠、價格低廉，並具有比較滿意的運行特性和比較高的效率，在傳動領域具有重要的地位。
交流變頻調速技術的優越性主要體現在兩個方面：
一是節電顯著；
二是卓越的調速性能。
通過利用全控型電力電子器件的導通和關斷，將直流電壓變成一定波形的電壓脈衝序列，實現變頻器輸出電壓的調節。
PWM方式能夠及時、準確地實現變壓變頻要求，可以抑制逆變輸出電壓、電流的諧波分量，降低電機轉矩脈動。
目前實際工程中主要採用正弦PWM調製方式，就是所謂的SPWM技術。
TMS320LF2407A是德州儀器公司專門為電機控制開發的一款定點式數位信號處理晶片，運用SPWM技術和DSP技術就可以完成了交一直一交電壓源型通用變頻器的硬體設計和系統搭建。
1
緒論
1.1本課題的研究背景和研究意義
隨著世界經濟的不斷發展，科學技術不斷提高，環保和能源問題日趨成為人們爭論的主題。
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。
就目前而言，電能是全世界消耗最多的能源之一，同時也是浪費最多的能源之一，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的控制。
電機是一種將電能轉換成機械能的設備，它的用途非常廣泛，在現代社會生活中隨處可見電機的身影，在發達國家中生產的總電能有一半以上是用於電機的能量轉換，這些電機傳動系統當中90%左右的是交流非同步電機。
在國內，電機的總裝機容量已達4億千瓦，年耗電量達6000億千瓦時，約占工業耗電量的80%。
並且使用中的電機絕大部分還是中小型非同步電機，加之設備的陳舊、管理、控制技術跟不上，所浪費的電能甚多。
能源工業作為國民經濟的基礎，對於社會、經濟的發展和人民生活水準的提高都起著極為重要的作用。
在高速增民的經濟環境下，我國能源工業而臨著經濟增長與環境保護的雙重壓力。
有資料表明，受資金、技術、能源價格的影響，我國能源利用效率比發達國家低很多。
為此，國家十五計畫中，在電機系統節能方而投入的資金高達500億元左右，由此可見，在我國非同步電機的變頻調速系統將有巨大的市場潛能。
在電力電子技術、電腦技術以及自動控制技術迅速發展的今天，電氣傳動技術正面臨著一場歷史性的革命。
經過了十多年的發展，近代交流傳動逐漸成為電氣傳動的主流。
在交流電機調速系統中，效率最高、性能最佳的是變頻調速系統，因此，對變頻調速的研究是當前電氣傳動研究中最為活躍、最有實際應用價值的工作。
變頻器產業的潛力非常巨大，值得強調的是，這裡的“變頻器產業”應該是變頻器技術產業，或者是invertertechnology產業。
正如IT產業不僅限於PC一樣，變頻器技術產業包括所有與變頻器技術相關的產業，如電力電子器件的生產、驅動保護積體電路的生產、電氣傳動與系統控制技術、工業應用等。
1.2交流變頻調速技術發展概況及其運用
近年來，交流調速在國內外發展十分迅速，打破了過去直流拖動在調速領域中的統治地位，交流調速拖動已進入了與直流拖動相媲美、相競爭、相抗衡的時代，並有取而代之的趨勢，這是現代電力拖動發展的主要特徵。
其主要原因有：
電力電子技術的不斷更新、控制策略和電機控制理論的不斷完善、以及全數位化高性能高速度的微處理器不斷發展等。
1.2.1電力電子技術的發展
由於交流電機的諸多優點和運用廣泛，其調速系統早就得到人們的關注，早期的交流電機調速方法，如用繞線式非同步電機轉子串電阻調速、鼠籠式非同步電機變極調速、在定子繞組串電抗器調速等都存在效率低，不經濟等缺點。
交流變頻調速的優越性旱在20世紀20年代就已被人們所認識，但受到元器件的限制，當時只能用閘流管構成逆變器，由於投資大，效率低，體積大而未能推廣。
20世紀50年代中期，晶閘管的研製成功，開創了電力電子技術發展的新時代。
晶閘管具有體積小、重量輕、回應快、管壓低等優點，從而使得交流電機調速技術有了飛躍發展，出現了交流非同步電機調壓調速、串級調速等調速系統。
到20世紀70年代出現了變頻調速技術，變頻調速具有效率高、精度高和範圍寬等特點，是目前運用最廣泛且最具有發展前途的調速方式。
交流電機變頻調速系統的種類也很多，從早期提出的電壓源型變頻調速開始，相繼發展了電流源型，脈寬調製等各種變頻調速控制系統。
目前變頻調速的主要方案有：
同步電機自控式變頻調速，正弦脈寬調製（SinePulseWidthModulation）變頻調速，向量控制（FieldOrientedControl）變頻調速，直接轉矩控制（DirectTorqueControl）及無速度感測器控制等。
這些變頻調速技術的發展很大程度上依賴於大功率半導體器件的製造水準。
隨著電力電子技術的發展，特別是可關斷晶閘管GTO、電力電晶體GTR、絕緣門極電晶體IGBT，MOS晶閘管及MTC等具有自關斷能力全控功率元件的發展，且控制單元也從分離元件發展到大規模數位積體電路及採用微處理器控制，從而使變頻裝置的快速性、可靠性及經濟性不斷提高，變頻調速系統的性能也得到不斷完善。
1.2.2控制策略和控制理論的不斷發展
由直流電機的結構可知，直流電機的電樞磁勢和電機的勵磁是相互正交的，可以對電樞的電流和磁通分別進行控制，從而能夠得到較理想的直流電機的轉速調節性能和轉矩調節控制性能。
由於直流電機本身的結構複雜，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。
為此，交流非同步電機以其獨有的結構簡單、耐用、運行穩定可靠、轉動慣量小、製造成本低、維護少且方便、能夠運用於惡劣環境等諸多優點，被廣泛運用到工農業生產中。
但是，交流非同步電機的數學模型是一個非線性、強耦合、多變數的，不能像直流電機那樣對磁通和轉矩分別進行控制調節，在一定程度上抑制了交流非同步電機的運用範圍。
在交流電機變頻調速中應用最為廣泛的是PWM控制，可以說PWM控制是交流調速系統的控制核心，任何控制演算法的最終實現幾乎都是以各種PWM控制方式來完成的。
目前已經提出並得到實際應用的PWM控制方案就不止十幾種，關於PWM控制技術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，尤其是微處理器應用於PWM技術並使之數位化以後，花樣更是不斷翻新。
從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；
從效率最優，轉矩脈動最小，到消除噪音等，PWM控制技術的發展經歷了一個不斷創新和不斷完善的過程。
到目前為止，還有新的方案不斷提出，進一步證明這項技術的研究方興未艾。
其中，高性能交流調速系統有：
U/F恒定、速度開環控制的通用變頻調速系統和滑差頻率速度閉環控制系統，這些雖然基本上解決了非同步電機平滑調速的問題，然而，當生產機械對調速系統的動靜態性能提出更高要求時，上述控制系統還是比直流調速系統略遜一籌。
主要原因在於，其系統控制的規律是從非同步電機穩態等效電路和穩態轉矩公式出發推導出穩態值控制，完全不考慮過渡過程，系統在穩定性、起動及低速時轉矩動態回應等方而的性能尚不能令人滿意。
考慮到非同步電機是一個多變數、強耦合、非線性的時變參數系統，很難直接通過外加信號準確控制電磁轉矩，但若以轉子磁通這一旋轉的空間向量為參考座標，利用從靜止坐標系到旋轉坐標系之間的變換，則可以把定子電流中勵磁電流分量與轉矩電流分量變成標量獨立開來，進行分別控制。
通過座標變換重建非同步電機的數學模型，可以使得非同步電機等效於直流電機，從而象控制直流電機那樣進行快速的轉矩和磁通控制，即向量控制，又稱為磁場定向控制。
與向量抓子制不同的是，直接轉矩控制摒棄瞭解耦的思想，取消了旋轉座標變換，而是簡單地通過檢測電機定子電壓和電流，借助暫態空間向量理論計算電機的磁鏈和轉矩，並與給定值比較得出差值，實現磁鏈和轉矩的直接控制。
儘管向量控制與直接轉矩控制使交流調速系統的性能有了較大的提高，但是還有許多領域有待研究，比如：
磁通的準確估計和觀測、無速度感測器的控制方法、電機參數的線上辨識、極低轉速包括零速下的電機控制、電壓重構與死區補償策略、多電平逆變器的高性能控制策略等更新更優的控制理論和控制策略。
1.2.3全數位化高性能微處理器運用於電機控制
隨著電腦技術和電力電子器件製造技術的發展以及新型電路變換器的不斷出現，現代控制理論向交流調速領域的不斷滲透，特別是微型電腦及大型積體電路的發展，交流電機調速技術正向高頻化、數位化和智慧化方向發展，為了滿足現代人們對數位化資訊的依賴，為了使交流調速系統與資訊系統緊密結合，為了提高交流調速系統自身的性能，必須實現交流調速系統的全數位化控制。
單片機在交流調速系統中已經得到了廣泛地應用。
例如由Intel公司1983年開發生產的MCS-96系列是目前性能較高的單片機系列之一，適用于高速、高精度的工業控制。
其高檔型：
8X196KB，8X196KC，8X196MC等在通用開環交流調速系統中的應用較多。
但是由於交流電機控制理論不斷發展，控制策略和控制演算法也日益複雜，這就需要高性能、高速度的新一代微處理器，於是出現了數位訊號處理器DSP（DigitalSignalProcessing）。
因此，DSP晶片在全數位化的高性能交流調速系統中找到大展身手的舞臺。
DSP晶片生產商主要有：
Motorola公司、ADI公司和TI公司，本課題採用的是TI公司專為電機控制而研發的TMS320F240晶片。
在交流調速的全數位化的過程當中，各種匯流排也扮演了相當重要的角色。
STD匯流排、工業PC匯流排、現場匯流排以及CAN匯流排等在交流調速系統的自動化應用領域起到了重要的作用。
數位化控制或稱微機控制，其優點是使硬體設計簡化，柔性的控制演算法使控制靈活、可靠，更易實現複雜的控制演算法，便於故障診斷和監視。
控制系統的軟體化對CPU晶片提出了更高的要求，為了實現高性能的交流調速，要進行向量的座標變換，磁通向量的線上計算和自我調整參數變化而修正磁通模型，以及內部的加速度、速度、位置的重疊，外環控制的線上即時調節等，都需要存儲多種資料和快速即時處理大量資訊。
可以頂見，隨著電腦晶片容量的增加和運算速度的加快，交流調速系統的性能將得到很大的提高。
1.2.4目前變頻技術的發展趨勢、展望
近幾年來對電力電子裝置控制技術的研究十分活躍，各種現代控制理論，如自我調整控制、滑模控制和人工神經網路、以及智慧控制（如專家系統、模糊控制、遺傳演算法、採用微分幾何理論的非線性解禍、魯棒觀察器，在某種指標意義下的最優控制技術和尼奈奎斯特陣列設計方法等）和無速度感測器等高動態性能控制都是研究的熱點，這些研究必將把交流調速技術發展到一個新的水準。
交流變頻調速控制系統廣泛應用於機械、冶金、礦山、化工、石油、紡織、造紙、印染、船舶、鐵路等行業，是最有發展前途的一種調速控制方式。
從總體上看我國電氣傳動的技術水準較國際先進水準差距10~15年，就目前而言，儘管變頻調速系統的研發在國內還比較活躍，但是市場上的絕大部分產品還是被國外產品所佔據，為此，我們需要密切關注國際變頻調速技術發展的趨勢，緊跟著國內市場的需求，加快國內變頻調速系統的發展，努力研製出自己的產品。
1.3本論文的研究內容
本文在掌握交流電機變頻調速基本原理的基礎上，採用電機控制專用DSP晶片TMS320LF2407A，運用變頻調速的U/f控制方式和SPWM控制演算法，提出了基於DSP的通用變頻器的總體設計方案，並詳細闡述了其中關鍵技術的研究和設計。
U/f控制方式的變頻調速系統是轉速開環控制，無需速度感測器，控制電路比較簡單，電機選擇通用標準非同步電動機，因此其通用性比較強，性能/價格比比較高。
具體研究工作包括：
Ø
交流電機變頻調速原理的研究；
變頻調速系統硬體電路的研究和設計，包括主電路、系統保護電路和控制電路等；
變頻調速系統控制軟體的研究和設計。
2
非同步電機變頻調速的基本理論
2.1三相交流電機的結構和工作原理
1.三相交流電機的結構
三相交流電機的主要部件如圖2.1所示。
它由定子（包括機座）、轉子、端蓋等組成，其中定子和轉子是能量傳遞的主要部分。
現分別介紹如下：
圖2.1三相交流電機的主要部件
（1）定子
定子是電動機的不動部分、它主要由鐵心、定子繞組和機座組成。
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矽鋼沖片疊壓而成。
矽鋼片內圓周表面沖有槽孔，用以嵌置定子繞組，定子繞組是定子中的電路部分，中、小型電動機一般採用漆包線繞制，其三相對稱繞組共有六個出線端，每相繞組的首端和末端分別用D1，D2，D3和D4，D5，D6標記，可以根據電源電壓和電動機的額定電壓把三相繞組接成星形或三角形，參見圖2.2：
圖2.2三相交流非同步電動機接線柱的聯接
（2）轉子
轉子是電動機的旋轉部分，由轉軸、轉子鐵心、轉子繞組和風扇等組成。
轉子鐵心是一個圓柱體，也由矽鋼片疊壓而成，其外圓周表面沖有槽孔，以便嵌置轉子繞組。
轉子繞組根據其構造分為兩種形式：
鼠籠式和線繞式。
（a）鼠籠式
鼠籠式轉子是在轉子鐵心的槽內壓進銅條，銅條的兩端分別焊接在兩個銅環上，因其形狀如同鼠籠，故得名。
現在中、小型電動機更多地採用鑄鋁轉子，即把熔化的鋁澆鑄在轉子鐵心槽內，兩端的圓環及風扇也一併鑄成。
用鑄鋁轉子可節省銅材，簡化了製造工藝，降低了電機的成本。
（b）線繞式
其轉子鐵心與鼠籠式相同，不同的是在轉子的槽內嵌置對稱的三相繞組。
三相繞組接成星形，末端接在一起，首端分別接在轉軸上三個彼此絕緣的銅制滑環上。
滑環對軸也是絕緣的，滑環通過電刷將轉子繞組的三個首端引到機座上的接線盒裡，以便在轉子電路中串入附加電阻，用來改善電動機的起動和調速性能。
繞線式電動機結構比較複雜，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。
2.三相交流電機的工作原理
交流電動機是利用載流導體在磁場中產生電磁力的原理製成的。
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生的旋轉磁場。
假設將定子繞組聯接成星形，並接在三相電源上，繞組中便通入三相對稱電流：
（2.1）
（2.2）
（2.3）
其波形如圖2.3所示：
圖2.3三相電流波形
三相電流共同產生的合成磁場將隨著電流的交變而在空間不斷地旋轉，即形成所謂的旋轉磁場，如圖2.4所示：
圖2.4三相電流產生的旋轉磁場
旋轉磁場切割轉子導體，便在其中感應出電動勢和電流，如圖2.5所示。
電動勢的方向可由右手定則確定。
轉子導體電流與旋轉磁場相互作用便產生電磁力F施加於導體上。
電磁力F的方向可由左手定則確定。
由電磁力產生電磁轉矩，從而使電動機轉子轉動起來。
轉子轉動的方向與磁場旋轉的方向相同，而磁場旋轉的方向與通入繞組的三相電流的相序有關。
如果將聯接三相電源的三相繞組端子中的任意兩相對調，就可改變轉子的旋轉方向。
圖2.5轉子轉動原理圖
旋轉磁場的轉速n0稱為同步轉速，其大小取決於電流頻率f1和磁場的極對數
。
當定子每相繞組只有一個線圈時，繞組的始端之間相差120°
以空間角，如圖2.4所示，則產生的旋轉磁場具有一對極，即
=1。
當電流交變一次時，磁場在空間旋轉一周，旋轉磁場的（每分鐘）轉速n0=60f1。
若每相繞組有兩個線圈串聯，繞組的始端相差60度空間角，則產生兩對極，即
=2。
電流交變一次時，磁場在空間旋轉半周，即（每分鐘）轉速n=60f1/p以此類推，可得
（2.4）
式中n0的單位為r/min。
在我國，工頻f1=50Hz，電動機常見極對數
＝1～4
由工作原理可知，轉子的轉速
必然小於旋轉磁場的轉速n0（即所謂“非同步”）。
二者相差的程度用轉差率
來表示：
（2.5）
一般交流電動機在額定負載時的轉差率約為1%~9%。
2.2交流電機的調速方式
根據電機學原理知識，可以得到交流電機的轉速公式為：
（2.6）
由式（2.6）可以看出，交流電機調速方法主要有三大類：
其一是在電機中旋轉磁場的同步轉速n0恒定時，調節轉差率
，稱為變轉差率調速；
其二是調節供電電源頻率f1，稱為變頻調速；
三是改變電機定子繞組的極對數，稱為變極調速。
（1）變極調速：
變極調速一般是通過改變定子繞組的接線方式來改變電動機的定子繞組極對數，從而達到調速的目的。
它既不是恒轉矩調速方式，也不是恒功率調速方式。
優點：
a）具有較硬的機械特性，穩定性良好。
b）無轉差損耗，效率高。
c）接線簡單、控制方便，易維修、價格低。
缺點：
有級調速，級差較大，不能獲得平滑調速，且由於受到電動機結構和製造工藝的限制，通常只能實現3種極對數的有級調速，調速範圍相當有限。
本方法適用於不需要無級調速的生產機械，如金屬切削機床、升降機、起重設備、風機、水泵等。
（2）變轉差率調速：
變轉差率調速實現方法眾多，例如調壓調速、轉子串電阻調速、串極調速和滑差離合器調速等方法。
交流電動機的輸出功率PZ的運算式為：
（2.7）
其中
——電磁轉矩
ω——電機旋轉磁場的速度
ωs——旋轉磁場的同步速度
s——轉差率
式（2.7）中sPM稱為交流電動機的轉差功率，這一部分功率主要消耗在轉子阻抗上。
因此，當
增大時，電動機的損耗也將會增大。
由此可以看出，調節電機轉差率
調速是一種耗能的調速方法，是低效率的調速方式。
（3）變頻調速：
變頻調速是通過改變電動機定子電源的頻率，來實現調速的方法，即調節ωs來調速。
轉矩恒定時，
基本不變，交流電動機的輸出功率Pz=Mω=Mωs（1-s）與輸入電磁功率
成比例變化，損耗基本沒有增加，是一種高效的調速方法。
1）效率高，調速過程中沒有附加損耗。
2）應用範圍廣，可用於籠型交流電動機。
3）調速範圍大，特性硬，精度高。
4）對於低負載執行時間較多或起停運行較頻繁的場合，可以達到節電和保護電動機的目的。
技術複雜，造價高，維護檢修困難。
從上述比較可以看出，與變極調速和變轉差率調速相比，變頻調速可在寬廣的範圍內實現無級調速，並可獲得很好的起動和運行特性，是一種效率比較高的調速方法。
2.3變頻調速系統的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磁場磁力線的結果，本質上是定子繞組的自感電動勢。
其三相交流非同步電動機每相電動勢的有效值是：
（2.8
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