毕业设计论文基于DSP的交流变频调速系统设计.docx
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毕业设计论文基于DSP的交流变频调速系统设计
存档日期：
存档编号：
徐州师范大学科文学院
本科生毕业论文（设计）
论文题目：
基于DSP的交流变频调速系统的设计
姓名：
学号：
专业：
电气工程及其自动化
年级：
指导教师：
科文学院教务部印制
摘要
随着工农业生产的发展，人们对调速技术的要求也越来越高，而异步电动机在调速方面一直处于性能不佳的状态。
然而，变频技术的出现改善了交流电机的调速性能，同时无速度传感器和基于微处理器的数字调速系统也开始逐渐进入人们研究和讨论的范围。
作为高新技术之一的变频技术是重要的节能和环保技术，在各种工业生产、交通运输和家用电器中应用十分广泛，变频器作为变频技术的产品，在我国工农业等各方面有着极其重要的地位。
本文以三相交流异步电动机为被控对象TMS320LF240X定为处理器，通过SPWM控制技术对交流电机实现恒压频比控制，电机变频调速的理论。
介绍了SPWM控制技术的原理:
包括单极性SPWM控制技术、双极性SPWM控制技术和SPWM的调制方式。
给出了系统各部分硬件电路的工作原理、参数计算以及各部分器件的选取。
系统硬件电路主要由主电路、系统保护电路和控制电路组成。
主电路部分包括整流、滤波、逆变器，IPM驱动电路与吸收电路等;系统保护电路包括过压、欠压保护、限流启动、IPM故障保护等;控制电路包括DSP最小系统电路。
最后叙述了具体使用DSP编写产生SPWM波形程序的步骤以及一些相关寄存器的设置。
死区可以防止主电路桥臂短路现象的发生接着给出了SPWM波形的死区时间，这些波形说明电机可以稳定运行并实现变频调速。
关键词:
DSP智能功率模块恒压频比控制SPWM
Abstract
Alongwiththedevelopmentofagriculturalproductionandtechnicalrequirementsofspeed,andmoreandmoreisalsohighinspeedasynchronousmotoristhepoorperformanceofthestate.However,thefrequencyconversiontechnologytoimprovetheperformanceofacmotorspeed,speedsensorlessandmicroprocessor-baseddigitalcontrolsystemisalsograduallybegantoenterthescopeofstudyanddiscusspeople.Asoneofthehigh-techfrequencyconversiontechnologyisanimportantenergysavingandenvironmentprotectiontechnology,invariousindustrialproduction,transportationandwidelyusedinhouseholdappliances,inverterfrequencyconversiontechnologyproducts,asinallaspectsofouragricultureisveryimportantposition.
Takingthree-phaseacinductionmotorisaccusedofTMS320LF240Xasprocessor,throughtheSPWMcontroltechnologytorealizeconstantpressurefrequencyacmotorcontrolmotorspeed,thetheory.IntroducestheprincipleofSPWMcontroltechnology,includingsinglepolaritySPWMcontroltechnology,thedualpolaritySPWMSPWMmodulationandcontroltechnology.Giventhepartshardwarecircuitprinciple,parametercalculationandeachpartofthedevice.Thesystemhardwarecircuitconsistsmainlyofmaincircuit,systemprotectioncircuitandcontrolcircuit.Themaincircuitincludesrectifier,filtering,inverter,IPMdrivecircuitandabsorbingcircuit,etc.Systemprotectioncircuitincludingover-voltage,protection,limitedflow,faultprotection;IPMControlcircuitincludingDSPsmallestsystemcircuit.FinallydescribesspecificuseDSPwriteproduceSPWMwaveprocessstepsandsomerelevantregistersetting.ThengivesSPWMwaveofdeadzone,deadzonecanpreventthemainelectriccircuitofroadarm,Aftergivesdifferentfrequencieswhenthemotorrunningvoltageandcurrentwaveform,thelinethatthewaveformcanstableoperationandmotorinverter.
Keywords:
DSPIntelligentpowermoduleConstantpressurefrequencythancontrolSPWM
1绪论
1.1电机变频调速发展现况和趋势
能源需求正极大地影响着全球经济发展。
我国同样也面临着经济增长对能源需求的压力。
九十年代我国高耗能产品的耗能量比发达国家高12-55%，能源综合利用效率仅为32%。
我国迫切需要提高能源利用效率。
电机是能源消耗大户之一。
我国电机总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，占工业耗电量的80%，然而直到目前，我国各类在用电机80%以上还是中小型异步电动机，可见我国在电机节能领域有非常大的潜力。
电机节能技术最受瞩目的就是变频调速技术。
但是，我国变频调速技术研究虽然非常活跃，然而产业化仍很不理想，外国产品几乎占据了我国变频调速技术市场的60%。
以下将着重介绍变频调速技术的最新发展概况。
1．永磁同步电动机及其控制系统的发展具有快速电流跟踪系统的变频装置、DSP信号处理器以及高性能钕铁硼永磁材料的发展，为各类永磁同步电动机及其控制系统的发展带来生机。
永磁同步无龄轮电动机及控制系统，是新一代的绿色电梯驱动装置。
国外该类电梯专用变频装置有十分完善的软件支持，可接受任意位置传感器的反馈信号，具有自学习功能，自动识别电动机参数，在实现磁场定向伺服时，自动进行初始定位，具有和直流电动机一样优良的线性转矩控制特性。
其体积小、效率高、功率因数高、振动小、噪声低，平层精度好，在高层建筑、无机房电梯和家庭小梯中都有很大的市场。
2.变频调速系统中PWM技术的发展PWM控制是变频调速系统的核心[1]，任何控法几乎都是以各种PWM控制方式实现。
九十年代以来的产品，正弦形PWM（SPWM）调制方法已逐步为以下方式取代：
快速电流跟踪PWM技术快速电流跟踪型PWM逆变器为电流控制型的电压源逆变器，一般采用滞环电流控制，使三相电流快速跟踪指令电流。
该逆变器硬件简单，电流控制响应快，兼有电压和电流控制型逆变器的优点，普遍用于PMSM伺服系统和异步电动机矢量变换控制系统。
磁链跟踪控制PWM技术这种方法把逆变器和电动机视为一体，以三相对称正弦波电压供电时交流电动机理想的圆形磁场为基准，用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢量来跟踪基准磁链园，由跟踪结果决定逆变器的开关模式，形成PWM波。
由于磁链的轨迹是靠空间矢量的选择来实现，因此又称电压空间矢量法。
直接转矩的智能控制PWM技术常规的直接转矩PWM技术无法区别转矩、磁链的非常大的偏差和相对小的偏差，这将造成电机启动期间系统的停滞。
而采用智能控制中的模糊控制，可以通过定子磁链的空间位置，由一系列偏差的正大，正小等模糊语言，根据模糊规则推出逆变器的开关模式，使系统性能改善。
双PWM控制技术交一直一交电压型逆变器是目前最广泛使用的型式，但常对电网构成谐波污染。
目前双PWM控制技术的研究非常活跃，即由PWM整流器和PWM逆变器组成的双PWM变频器无须任何附加电路就可使电网侧的输入电流接近正弦波，使系统的功率因数约为1，彻底消除网侧的谐波污染，并实现了四象限运行。
1.2电力电子技术的发展现况和趋势
自从1956年第一只晶闸管的问世，电力电子技术作为电子技术的一个分支建立以来，电力电子技术已取得了令人注目的发展，早期的半控型电力电子器件SCR已逐渐被全控型半导体器件所代替，并发展出了多种高电压、大电流、快速（高频）、驱动简单、复合化和智能化的功率半导体开关器件。
例如，单极型器件有功率;双极型全控器件有[3]:
GTR、达林顿管、GTO等;复合器件有IGBT，MCT，MGT，sITH等;近几年发展的智能型功率器件IPM，SMARTFET，TOPSwctih等。
其中场效应晶体管作为一种电压控制型多子器件，具有快速、安全工作区大、容易驱动的特点，因此，近些年来复合型器件被广泛应用在高频开关和电机控制中，并随着生产工艺和制造技术的发展，性能不断被改进。
例如MOSFET的通态内阻不断减小，新的MOSFET通态内阻不仅比PN结的正向好，甚至比肖特基二极管的正向内阻还小，己成为最佳的整流器件之一;以MOSFET为基础的复合型器件IGBT、EIGT、MER（固态继电器）、FETKEY（MOSFET+SCHOTTKY）等器件耐压不断增加，电流逐渐增大。
如目前IGBT耐压已达到450V以上，EIGT已有4500v/1000A的产品。
同时由于电压控制型器件的应用，使功率开关管的驱动电路大大简化，例如IGBT器件的门极驱动电路比双极型晶体管的基极驱动电路所用的元器件要小得多，而且，所需要的驱动功率也比双极型晶体管的基极驱动电路的要少很多，从而使将驱动电路和功率开关管集成在同一芯片或模块中成为可能，并且经过了近些年来的发展，功率电子器件制造公司以推出了多种有智能特性的复合器件或模块，例如SMARTFET和护M，它们内部不仅集成了各种自保护功能，也将控制芯片集成在里面。
其中SMARTFET是采用了微电子工艺集成的器件，IPM是一种智能功率模块。
从电力电子器件的发展历程，我们可以看出电力电子器件正在向高耐压、大电流、小的正向内阻、智能化的电压控制型器件发展。
1.3国内外交流调速现状
1.3.1国外现状
在大功率交一交变频调速技术方面，法国阿尔斯通己能提供单机容量达3万的电气传动设备用于船舶推进系统。
在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为6万的设备用于抽水蓄能电站。
在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司simovertA电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10一2600kVA，其控制系统己实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。
在小功率交流变频调速技术方面，日本富士BTJ变频器最大单机容量可达7OkVA，IGBT变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。
国外交流变频调速技术高速发展有以下特点:
1）市场的大量需求。
随着工业自动化程度的不断提高和能源的全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等的节能场合，已取得显著的经济效益。
2）功率器件的发展。
近年来高电压、大电流的SCR，GTO，IGBT，IGCT等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。
3）控制理论和微电子技术的发展。
矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础，16位、32位高速微处理器以及数字信号处理器（DPS）和专用集成电路（ASIC）技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能提供了硬件手段。
4）基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、专业化生产。
1.3.2国内现状
从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10一15年。
在大功率交一交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当大的差距。
在中小功率变频技术方面，国内学者作了大量的变频理论的基础研究，早在二十世纪80年代，已成功引入矢量控制的理论，针对交流电机具有多变量、强耦合、非线性的特点，采用了线性解耦合非线性解耦合的方法，探讨交流电机变频调速的控制策略。
随着高性能单片机和数字信号处理器的使用，国内学者紧跟国外最新控制策略，针对交流感应电机特点，采用高次谐波注入国内交流变频调速技术产业状况表现如下:
1）变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模。
2）变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。
3）相关配套产业及行业落后。
4）产销量少，可靠性及工艺水平不高。
1.4本论文的研究内容
本文在掌握交流电机变频调速基本原理的基础上，采用电机控制专用DSP芯片TMS320LF2407A，运用变频调速的价厂控制方式和SPWM控制算法，提出了交流电机变频调速系统的总体设计方案，有速度传感器，控制电路比较简单，电机选择通用标准异步电动机，因此其通用性比较强，性能/价格比比较高。
具体研究工作包括:
交流电机变频调速原理的研究;变频调速系统硬件电路的研究和设计，包括主电路、系统保护电路和控制电路;变频调速系统控制软件的研究和设计。
2交流电机变频调速原理
2.1三相交流电机的结构和工作原理
2.1.1三相交流电机的结构
定子是电动机的不动部分、它主要由铁心、定子绕组和机座组成。
定子绕组是定子中的电路部分，中，小型电动机一般采用漆包线绕制卜其三相对称绕组共有六个出线端，每相绕组的首端和末端分别用D1,D2,D3和D4,D5,D6标记，可以根据电源电压和电动机的额定于电压把三相绕组接成星形或三角形，参见图2-1。
D3D1D5D3D1D5
D4D2D6D2D6D4
D2D1
D6
D5D1D4D2
D3D4D3
D6D5
图2-1三相交流异步电动机接线柱的联接
转子是电动机的旋转部分，由转轴、转子铁心、转子绕组和风扇等组成。
转子铁心是一个圆柱体，也由硅钢片叠压而成，其外圆周表面冲有槽孔，以便嵌置转子绕组。
转子绕组根据其构造分为两种形式:
鼠笼式和线绕式。
（a）鼠笼式
鼠笼式转子是在转子饮心的槽内压进铜条，铜条的两端分别焊接在两个铜环上，因其形状如同鼠笼，故得名。
现在巾、小型电动机更多地采用铸铝转子，即把熔化的铝浇铸在转子铁心槽内，两端的圆环及风扇也一并铸成。
用铸铝转子可节省铜材，简化了制造工艺，降低了电机的成本。
（b）线绕式
其转子铁心与鼠笼式相同，不同的是在转子的槽内嵌置对称的三相绕组。
三相绕组接成星形，末端接在一起，首端分别接在转轴上三个彼此绝缘的铜制滑环上。
滑环对轴也是绝缘的，滑环通过电刷将转子绕组的三个首端引到机座上的接线盒里，以便在转子电路中串入附加电阻，用来改善电动机的起动和调速性能。
2.1.2三相交流电机的工作原理
交流电动机是利用载流导体在磁场中产生电磁力的原理制成的。
假设将定子绕组联接成星形，并接在三相电源上，绕组中便通入三相对称电流:
iU
（2-1）
iv=Imsin（
t-1200）（2-2）
Iw=Imsin（
t+1200）（2-3）
其波形如图2-2所示。
三相电流共同产生的合成磁场将随着电流的交变而在空间不断地旋
转，即形成所谓的旋转磁场，
i
iuiviw
018003600
图2-2三相电流波形
旋转磁场切割转子导体，便在其中感应出电动势和电流，如图2-3所示。
电动势的方向可由右手定则确定。
转子导体电流与旋转磁场相互作用便产生电磁力F施加于导体上。
电磁力F的方向可由左手定则确定。
由电磁力产生电磁转矩，从而使电动机转子转动起来。
转子转动的方向与磁场旋转的方向相同，而磁场旋转的方向与通入绕组的三相电流的相序有关。
如果将联接三相电源的三相绕组端子中的任意两相对调，就可改变转子的旋转方向。
n
F
n0
＋
F
图2-3转子转动原理图
旋转磁场的转速no称为同步转速，其大小取决于电流频率关和磁场的极对数p,当定子每相绕组只有一个线圈时，绕组的始端之间相差1200空间角，如图2-3所示，则产生的旋转磁场具有一对极，即p=1.当电流交变一次时，磁场在空间旋转一周，旋转磁场的（每分钟）转速no=60f。
若每相绕组有两个线圈串联，绕组的始端相差600空间角，则产生两对极，即p=2。
电流交变一次时，磁场在空间旋转半周，即（每分钟）转速
以此类推，可得
（2-4）
式中:
的单位为
在我国，工频
Hz，电动机常见极对数p=1~4
由工作原理可知，
转子的转速n必然小于旋转磁场的转速
所谓“异步”。
二者相差的程度用转差率
来表示:
（2-5）
一般交流电动机在额定负载时的转差率约为1%-9%。
2.2交流电机的调速方式
根据电机学原理知识，可以得到交流电机的转速公式为:
（2-6）
由式（2-6）可以看出，交流电机调速方法主要有三大类:
其一是在电机中旋转磁场的同步转速
恒定时，调节转差率s，称为变转差率调速;
其二是调节供电电源频率
，称为变频调速;三是改变电机定子绕组的极数，称为变极调速。
（1）变极调速:
变极调速一般是通过改变定子绕组的接线方式来改变电动机的定子绕组极对数，从而达到调速的目的。
它既不是恒转矩调速方式，也不是恒功率调速方式。
优点:
1具有较硬的机械特性，稳定性良好。
2无转差损耗，效率高。
3接线简单、控制方便，易维修、价格低。
缺点:
有级调速，级差较大，不能获得平滑调速，且由于受到电动机结构和制造工艺的限制，通常只能实现2-3种极对数的有级调速，调速范围相当有限。
（2）变转差率调速:
变转差率调速实现方法众多，例如调压调速、转子串电阻调速、串极调速和滑差离合器调速等方法。
交流电动机的输出功率
的表达式为:
（2-7）
其中M—电磁转矩。
ω—电机旋转磁场的速度。
—旋转磁场的同步速度
s—转差率
式（2一7）中
称为交流电动机的转差功率，这一部分功率主要消耗在转子阻抗上。
因此，当s增大时，电动机的损耗也将会增大。
由此可以看出，调节电机转差率、调速是一种耗能的调速方法，是低效率的调速方式。
（3）变频调速:
变频调速是通过改变电动机定子电源的频率，来实现调速的方法即调节
来调速。
在转矩恒定时、基本不变，交流电动机的输
与输入电磁功率
。
:
成比例变化，损耗基本没有增加，是一种高效的调速方法。
优点:
效率高，调速过程中无附加损耗。
应用范围广，可用于笼型交流电动机。
调速范围大，特性硬，精度高。
对于低负载运行时间较多或起停运行较频繁的场合，
缺点:
技术复杂，造价高，维护检修困难。
从上述比较可以看出，与变极调速和变转差率调速相比，变频调速可在宽广的范围内实现无级调速，并可获得很好的起动和运行特性，是一种效率比较高的调速方法。
2.3变频调速系统的
控制方式
电机定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果，本质上是定子绕组的自感电动势。
其三相交流异步电机每相电动势的有效值是:
（2-8）
式中:
—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值;
—与绕组结构有关的常数;
—定子频率;
—定子每相绕组串联匝数;
—每极气隙磁通量;
由上式可见，如果定子每相电动势的有效值
不变，改变定子频率时会出现下面两种情况:
如果
大于电机的额定频率厂
N，那么气隙磁通量中、就会小于额定气隙磁通量中、。
其结果是:
尽管电机的铁心没有得到充分利用是一种浪费，但是在机械条件允许的情况下长期使用不会损坏电机。
（1）基频以下调速
由式（2-8）可知，要保持中
不变，当频率关从额定值
向下调节时，必同时降低
使
常数，即采用电动势与频率之比恒定的控制方式。
当电动势的值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压
，则得
常数。
这是恒压频比的控制方式。
在恒压频比的条件下改变频率f时，我们能证明:
机械特性基本上是平行下移的，如图2-4所示，当转矩T增大到最大值后，特性曲线就折回来了。
如果电动机在不同转速n下都具有额定电流，则电机都能在温升允许条件下长期运行，这时转矩T基本上随磁通变化，由于在基频以下调速时磁通恒定，所以转矩T也恒定。
根据电机与拖动原理，在基频以下调速属于“恒转矩调速”的性质。
低频时，
和
都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能再忽略。
nf1Nf1N>f2>f3>f4
nIN
f2
f3
f4
0T
图2-4基频以下调速时的机械特性
nf4f4>f3>f2>f1N
f3
f2恒P
f1N
0
T
图2-5基频以上调速时的机械特性
（2）基频以上调速
在基频以上调速时，频率可以从
往上增高，但电压
却不能超过额定电压
最多只能保持
=
、。
由式（2-8）可知，这将迫使磁通随频率升高而降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。
在基频关
以上变频调速时，由于电压
=
不变，我们不难证明当频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩T减小，机械特性上移，如图2-5所示。
由于频率提高而电压不变，气隙磁动势必然减弱，导致转矩T减小。
由于转速n升高了，可以认为输出功率基本不变。
把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得图2-6所示的交流电动机变频调速控制特性。
恒转矩调速
U1恒功率调速
U1N
U1
0fNf1
图2-6交流电动机变频调速控制特性
2.4SPWM控制技术原理
逆变器的输出波形是一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，这些波形与正弦波等效，等效的原则是每一区间的面积相等。
如果把一个正弦半波分作n等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合。
这样，有n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效，称为SPWM波形。
SPWM波形如图2-7所示。
产生正弦脉宽调制波SPWM的原理是;
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