基于DSP的通用变频器开题报告.docx

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基于DSP的通用变频器开题报告

毕业设计（论文）开题报告

题目：

基于DSP的通用变频器的设计

系：

电气与信息学院

专业：

自动化

学生姓名：

学号：

指导教师：

2012年04月12日

开题报告填写要求

1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。

此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。

2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。

3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。

4．统一用A4纸，并装订单独成册，随《毕业设计（论文）说明书》等资料装入文件袋中。

毕业设计（论文）开题报告

1．文献综述：

结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。

一、前言

变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。

通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

变频器通常分为4部分：

整流单元、高容量电容、逆变器和控制器整流单元：

将工作频率固定的交流电转换为直流电。

高容量电容：

存储转换后的电能。

逆变器：

由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。

控制器：

按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。

数字信号处理（DigitalSignalProcessing，简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。

20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。

数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。

在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。

德州仪器等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。

DSP（digitalsignalprocessor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。

其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。

再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。

它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。

它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。

二、主题

变频技术诞生背景是交流电机无级调速的广泛需求。

传统的直流调速技术因体积大故障率高而应用受限。

20世纪60年代以后，电力电子器件普遍应用了晶闸管及其升级产品。

但其调速性能远远无法满足需要。

20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频（PWM－VVVF）调速的研究得到突破，20世纪80年代以后微处理器技术的完善使得各种优化算法得以容易的实现。

20世纪80年代中后期，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器技术实用化，商品投入市场，得到了广泛应用。

最早的变频器可能是日本人买了英国专利研制的。

不过美国和德国凭借电子元件生产和电子技术的优势，高端产品迅速抢占市场。

步入21世纪后，国产变频器逐步崛起，现已逐渐抢占高端市场。

近几年来，国外各大公司纷纷推出以DSP（数字信号处理器）为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内的称为DSP单片电机控制器（如ADI的ADMC3××系列、TI的TMS320C240和Motorola的DSP56F8××系列），价格大大降低，体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。

DSP的最大速度为20～40MIPS，单周期指令执行时间快达几十纳秒，它和普通的单片机相比，处理数字运算能力增强10～15倍，确保系统有更优越的控制性能。

数字控制使硬件简化，柔性的控制算法使控制具有很大的灵活性，可实现复杂控制规律，使现代控制理论在运动控制系统中应用成为现实，易于与上层系统连接进行数据传输，便于故障诊断加强保护和监视功能，使系统智能化（如有些变频器具有自调整功能）。

变频器的主要发展方向有如下几项:

（1）实现高水平的控制。

基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。

（2）开发清洁电能的变流器。

所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。

对中小容量变流器，提高开关频率的PWM控制是有效的。

对大容量变流器，在常规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。

（3）缩小装置的尺寸。

紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。

功率器件冷却方式的改变（如水冷、蒸发冷却和热管）对缩小装置的尺寸也很有效。

（4）高速度的数字控制。

以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法，Windows操作系统的引入使得可自由设计，图形编程的控制技术也有很大的发展。

（5）模拟与计算机辅助设计（CAD）技术。

电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。

三、总结

随着信息化的普及与日新月异的发展，变频器技术将会同样发生质的进步，而基于DSP的通用变频器将会得到极大的普及。

DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法，因为DSP强大数据处理能力和高运行速度使得计算更快，控制更流畅。

数字控制变频器相对模拟控制变频器具有不可比拟的优势，如减少了体积和重量，提高了控制精度，方便维修升级。

随着控制理论与实施手段不断完善以及DSP价格不断降低，数字控制变频器将成为重要的研究方向。

同时我国是一个能耗大国，随着国家经济的快速发展，我国的能源紧缺的现象越来越严重，在电能方面，电力供应不足已经影响到人们的日常生活，但是同时我国又是一个低能耗利用率的国家，很大一部分电能浪费。

交流电动机耗能在电能消耗中占很大的比重，通过变频器控制交流电动机有较大的节能潜力。

四、参考文献

[1]韩春红.基于DSP的交流变频调速系统的研究（硕士论文）.大庆石油学院.2004

[2]刘宇蕾.潜油电泵变频调速系统的研究（硕士论文）.哈尔滨工程大学.2002

[3]孙传森.变频器技术.高等教育出版社.2009年01月

[4]达正花.电压空间矢量脉宽调制原理.甘肃科学学报.2004年9月第16卷第3期

[5]田长虹.变频调速技术发展及应用前景展望.变频器世界.2005.03

[6]赵相宾、年培新.谈我国变频调速技术的发展及应用.变频器技术应用.

2004第20卷第3期

[7]陈伯时.运动控制系统.机械工业出版社.2011.01重印

[8]王兆安、刘进军.电力电子技术.机械工业出版社.2009.5

[10]秦永左、杨光、冯涛、王英志.TMS320LF240XDSP原理及应用.清华大学出版社.2009.12

毕业设计（论文）开题报告

２．开题报告：

一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施

开题报告

一、课题的目的及意义

在我国60%的发电是通过电动机消耗掉的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视，目前己有一定规模。

三相交流异步电动机，由于转子侧的电流不从外部引入，而由电磁感应产生，故而具有结构简单牢固、体积小、重量轻、价格低廉、便于维护等优点，一经问世，就备受人们的青睐。

与其他电动机相比，它在工农业生产设备中的占有率一直处于绝对领先的地位。

另一方面，随着工农业生产的不断发展和进步，人们对调速的要求越来越高，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。

随着电力电子技术、微电子技术以及控制技术的不断发展，诸多新型电机控制技术不断被提出，使变频调速能很好地实现对交流电机的调速。

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。

变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果好等许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式，有着十分广阔的发展空间。

经过调研发现，在目前的石油系统中所使用的变频器大多是基于单片机研制的，虽然结构简单，但计算精度不高，而且很难做到实时检测，长期在恶劣环境下使用会因冷却装置出现故障而导致大功率晶体管的损坏。

由于输入电源为三相高压强电，维修人员不容易检测。

因此，开发和研制高性能的交流变频调速系统是十分必要的。

本课题是以28335型DSP为核心构成交流变频调速系统，采用电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）变频技术，利用DSP芯片的高速运算能力，实现用很小的存储空间产生输出频率和调制比可任意改变的SVPWM波，方便了变频系统的在线调试，从而可以改善调速系统的性能。

二、课题的发展现状及前景展望

国内已经有较多的变频器生产厂，但大部分的产品都是V／F控制和电压空间矢量控制变频器，使用在调速精度和动态性能要求不高的负载上应该没有问题。

工业应用中绝大部分都是这种负载，变频器在这种场合应用最重要的要求是可靠性，国产变频器占国内市场份额不高的主要原因是产品品质不过硬。

V／F控制和电压空间矢量控制变频器比矢量控制变频器从技术上来看要简单得多，由于国内厂家大部分都是手工作坊式的生产，工艺欠佳，检测手段有限，品质的一致性和稳定性难以保证。

同样是V／F控制的变频器，国外的产品比国内的产品品质要好，这可能是生产工艺方面的差距。

差距最大的是半导体功率器件的制造业，至今在国内这仍是一个空白。

变频器技术的另外一个层面是应用技术。

多年来，国家经贸委一直会同国家有关部门致力于变频器技术的开发及推广应用，在技术开发及技术改造方面给予了重点扶持，组织了变频调速技术的评测推荐工作，并把推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向，同时鼓励单位开展同贷同还方式，抓开发、抓示范工程、抓推广应用，还处理了风机、水泵节能中心，开展信息咨询和培训。

1995—1997年，3年间我国风机、水泵变频调速技术改造投入资金3．5亿元，改造总容量达100万千瓦，可年节电7亿度，平均投资回收期约2年。

据有关资料表明，我国变频调速技术应用已经取得了相当大的成绩，每年有数十亿元的销售额，说明我国的变频器应用已非常广泛。

从简单的手动控制到基于RS一485网络的多机控制，与计算机和PLC联网组成复杂的控制系统。

在大型综合自动化系统，先进控制与优化技术，大型成套专用系统，如连铸连轧生产线、高速造纸生产线、电缆光纤生产线、化纤生产线、建材生产线等，变频器的作用是电气传动控制，其控制的复杂性、控制精度和动态响应都有很高的要求，已经完全取代了直流调速技术。

近年来，变频器在功能上，利用先进的控制理论，开发出了诸如卷取、提升、主从等控制功能，使应用系统的构成更加方便和容易，使变频器的应用技术提高到一个新的水平。

三、课题的主要内容与要求

1、了解恒压频比控制方式的内容。

2、了解SVPWM控制方式的原理。

3、了解28335芯片的特点及运用。

4、了解DSP的原理，学会编程。

5、通过DSP实现SVPWM控制。

6、了解硬件电路的构造，自行设计。

6、通过DSP作为控制核心，控制变频器达到变频调速。

7、设计出基于DSP的SVPWM变频调速系统硬件电路，并生成PCB板。

四、研究方法、步骤与措施

本课题采用恒压频比的控制方式及SVPWM的调控策略。

1、硬件部分的设计

系统以28335DSP芯片为控制核心，主要由整流器、滤波环节、逆变器、检测环节、保护电路及控制电路等组成。

包括主电路、控制电路及保护电路，其中主电路由交-直-交变频器组成，有二极管组成的三相桥式不控全波整流波，采用不控整流的原因是电源侧功率因数高，对电网的冲击小，且不收逆变输出电压的影响；由IGBT组成的PWM逆变器。

保护电路由过压、欠压保护、过流保护、过热保护及限流启动装置，并且考虑隔离和抗干扰问题。

控制电路以28335为控制核心，有接口电路等，其外围电路有电压采集电路、电流采集电路等。

2、软件部分设计

系统软件设计主要包括主程序及中断服务程序，通过编制程序实现电压空间矢量SVPWM脉宽调整，生产PWM波，从而实现对电机的变频调速。

毕业设计（论文）开题报告

指导教师意见：

1．对“文献综述”的评语：

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

指导教师：

年月日

所在专业审查意见：

负责人：

年月日