全数字交流牵引变频调速控制装置的研究.docx

1、全数字交流牵引变频调速控制装置的研究毕 业 设 计学生姓名高景盛学 号331032046学院 文通学院 专 业电子信息工程题 目全数字交流牵引变频调速装置的研究指导教师罗艳艳 （姓 名） （专业技术职称/学位） （姓 名） （专业技术职称/学位）年月创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究成果。尽我所知，除了文中交易标注后致谢中所罗列的内容除外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得淮阴师范学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本文研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确说明并表示了谢意。本人签名：_ 日期：_ 摘要本文主要

2、讨论了一种全数字交流牵引变频调速控制装置。该系统采用IGBT功率模块开关元件，形成交流-直流-交流电压型逆变器。系统在结构上使用AT89C51单片机+TMS320F240DSP的双核结构，单片机主要处理实时性要求较低的管理任务，DSP主要处理实时性哟球较高的数据采集和矢量控制任务。本系统采用了V/F控制理论和较新的矢量脉冲宽度调制算法，因此能够得到较好的电压空间矢量。关键词：空间电压矢量 变频调速 DSP AT89C51 目录1 绪论2.1变频调速的现状2.2变频调速器的分类和选择2.3本文研究的目的和内容3电机变频调速原理3.1 感应电机变频控制时的机械特性3.2 电压/频率控制理论3.3

3、SPWM调制变频技术4 空间电压矢量控制技术4.1 电压空间矢量的基本原理4.2 电压空间矢量SVPWM的方法4.3 空间电压矢量SVPWM的事实调制算法5 硬件设计及实现5.1 系统主体设计5.2 电压检测电路5.3 电流检测电路5.4 电机转速和位置检测电路6 控制软件设计和实现6.1 控制软件开发流程6.2 TMS320F240DSP时间管理模块实现SVPWM6.3 程序设计和实现7 实验结果及分析7.1 启动、停止波形7.2 电压波形7.3 电流波形 结束语致谢参考文献1 绪论2.1变频调速的现状 近年来计算机技术、电力电子技术以及自动控制等技术的发展非常迅速，由于上述领域的迅猛发展，

4、在电气传动技术领域掀起了一场历史革命，即直流调速和模拟控制技术即将被交流调速和计算机数字控制技术所取代。直流调速的方法高功率低效率的表现，不符合节能环保的要求。目前工业生产领域发展到较高阶段，某些地方如：冶金的轧机、电气机车、电梯等等，要求传动电机能够快速正反转，启动力矩大，快速制动，停位精确，调速范围大，响应快。因此如果采用传统的直流调速技术和模拟控制技术已经不能满足上述要求。然而新兴的交流调速技术和数字控制技术正能够达到上述要求。变频技术简单的说就是把直流逆变成不同频率的交流电，或者把交流电变成直流电再把直流电逆变成不同频率的交流电，或是把直流电你变成交流电再把交流电变成直流电。总之一切都

5、是电能不发生变化而频率变化。目前国外在此领域的研究规模已经非常可观，其中研究成果比较突出的有德国西门子公司 Simovert A电流型晶闸管变频调速设备和Simovert P GOT变频调速设备以及日本富士BJT变频器。可以看出国外的IGBT变频器已经形成了一系列的产品，它们的控制系统已实现全数字化。在国内异步电动机的用电量非常大，然而这些电动机当中的很大一部分仍然还在直流调速技术和模拟控制技术，也就是说大部分电动机在实际使用过程中经常处在载或者空载的状态，因此电动机的“大材小用”现象是很常见的。这就造成了大量能源的浪费。据1996年国家统计局统计，当时全国各种机电设备所消耗的电量站全国总发电

6、量的60%，而总电机耗能的70%是来自90kw以内的中小功率的异步电动机，即消耗了4200亿度电。假如这部分电机能够减少10%的电能消耗，那么就能节约420亿度电，按照0.5元/kwh计算的话，总共可以节省21亿元人民币。因此在能源和环保问题日趋严重、国内工业生产迅猛发展的今天，利用变频调速技术来提高电机的运行效率能对缓解能源紧张的状况以及经济效益的提高有很大的帮助。2.2 变频调速器的分类和选择2.21 变频调速器的分类变频调速器的种类很多，分类方法也很多，按变换缓解分，有交-交变频和交-直-交变频；按直流环节的储能方式分可分为电流型变频器和电压型变频器；按输出波形分可分为方波、阶梯波、PA

7、M和PWM变频器；按工作原理分可分为U/f控制变频器、转差率控制变频器、矢量控制变频器和直接转矩控制变频器；按控制电路实现方式分还可以分为模拟电路和数字电路。交-交变频。把频率固定的交流电直接变换成频率和电压可调的交流电。主要优点是没有中间环节，变换效率高，但连续可调的频率范围窄，通常为额定频率的二分之一以下，主要适用于电力牵引等容量较大的低速拖动系统。交-直-交变频。先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的交流电，由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此在频率的调节范围以及改善频率后电机的特性等方面都有明显优势，是目前广泛采用的变频方式。电流型变频。直流环节储能元

8、件是电感线圈L。其优点是动态响应快，可以直接实现回馈制动，可以频繁快速的实现四象限运动，跟家适合一台逆变器对一台电机供电的单机运行方式。电压型变频。直流环节的储能元件是电容。被控量是电压，只有在电源侧设置反并联逆变器时才能实现能量回馈，比较适合多电机拖动。 U/f控制逆变器。U/f控制逆变器的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时调制，通过使U/f的值保持不变而，得到所需的转矩特征采用U/f控制的变频器控制电路结构简单，成本低，多用于精度要求不高的通用变频器。转差率控制变频。转差率控制方式是对U/f控制的一种改进，这种控制需要由电机上的速度传感器检测出电机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出

9、为转差率，而变频器的输出频率则由电机的实际转速与所需转差率之和决定。由于通过控制转差率来控制转矩和电流，与U/f控制相比，其减速特性和限制过电流的能力得到了提高。矢量控制变频。矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它的基本思路是：将异步电机的定子电流分为产生磁场的电流分量（励磁分量）和与其垂直产生转矩的电流分量（转矩分量），并加以控制，由于这种控制方式必须同时控制电动机定子电流的幅值和相位，即定子电流的矢量，因此这种控制方式被称作矢量控制方式。2.22 变频调速器的选择在上述几种控制方式中，最适合感应电机调速的是矢量控制变频，前面的几种控制方式控制的都是其平均值，而矢量控制是控制其瞬时值，因

10、此矢量控制的响应速度快，适合精度要求高，动态响应好的场合。不过矢量控制的缺点是：由于电机运行时转子参数变化较大，转子磁链的观测和定向比较困难，并且矢量变换的运算比较复杂，这就使得实际控制时的效果和理论分析的结果差距比较大，因此也阻碍了它的推广和应用。直到80年代中期，有外国的学者提出了电压空间矢量的概念。空间矢量控制技术简称SVPWM。电压空间矢量控制的方法是通过时电机获得正弦磁通，该圆形磁场的幅值是恒定的，在实际控制时用逆变器产生不同的实际磁通来逼近以交流电机的理想圆形磁通轨迹为基准的基准磁通。从而大幅提高了控制性能。这种方法的算法简单，易于控制，有利于实现数字化，很大程度上减少了输出电流的

11、谐波成分从而减小了谐波损耗 ，提高了电源利用效率。这一概念一经提出后就受到很大关注，这样就应运而生了一些相应的控制器。目前使用比较广泛的逆变器基本上是采用单片机来控制的，然而单片的运算能力是有限的，当使用矢量变换来控制的系统时，有大量的数据需要处理，而且对精度和实时性的要求都比较高，因此单纯使用单片机来控制就不能满足要求了。这样人们引入了数字信号处理器（DSP），DSP的数据存储器和程序存储器是各自独立互不相干的，它们使用不同的数据总线和地址总线，而且内部采用流水线的工作方式,这就提高了运算速度。DSP不仅使处理器的处理能力得到提高还增加了大量的外围接口，从而大大提高了它的功能。本系统采用的是

12、TI公司的TMS320F240型DSP和80C196KC作为控制器的变频调速系统。2.4本文研究的目的和内容 随着现代社会工业生产的不断发展，对电机的控制技术提出了越来越高的要求，某些领域需要高性能，低能耗和低成本。目前，交流牵引驱动控制系统通常采用三种控制方法:电压空间矢量SUPWM、转子磁场定向矢量控制和直接转矩控制。转子磁场定向矢量控制具有类似直流电机的良好的转矩控制特性，可提高驱动系统效率，实现最大效率控制，由于运行过程电动机转子参数变化较大，转子磁链难以准确地观测和定向，加以矢量变换运算的复杂性，使得实际的控制效果很难达到理论分析的性能，从而限制了它的推广应用。而空间电压矢量脉宽调制

13、(SVPWM)是技术则是从电机的角度出发的，目的在于使交流电机产生圆形磁场。它是以三相对称正弦波电源(其电压和频率值均为电机的额定值)供电时交流电机产生的理想磁链圆为基准，通过选择逆变器的不同开关模式，使电机的实际磁链尽可能逼近理想磁链圆，从而生成 SPWM波。 本文的主要内容是：1、阐述感应电机变频调速的基本原理，空间电压PWM波的基本原理和SVPWM波的实时调制算法；2、设计逆变电路和整流电路，组成交-直-交电源型变频系统主电路；3、利用TMS320F240和80C196KC两块CPU模块设计控制电路。该控制电路由DSP模块、电路检测模块、电压检测模块、温度检测模块、功率驱动模块、键盘显示

14、灯模块的设计，以及一些保护电路；4、用TMS320F240的事件管理器(EV )模块生成SVPWM波，实现对感应电机的空间电压矢量变频调速控制。TMS320F240的事件管理器(EV)模块提供了用于电机控制的脉宽调制(PWM)发生函数和部件，从TMS320F240的PWM1- PWM6口产生六路PWM信号。事件管理器(EV)模块有一个正交编码器脉冲电路(QEP)电路，通过TMS320F240的CAP1-CAP3口对电机轴上光电编码器送来的脉冲进行解码和计数。 3 电机变频调速原理 3.1变频调速原理 根据电机学的知识我们可以得知，交流电机的转速公式为： n=( 60f1/p)(1-s) (2-

15、2-1)式中 f1定子供电频率（Hz）； P极对数； S转差率。由上式可知，若均匀的改变定子供电频率f1，则可以平滑的改变电机的转速，然而只调节f1是不行的，因为 E=4.44f1N1ks1m=U1 (2-2-2)式中 E1 定子每相由气隙磁通感应的电动势的均方根值（V）; f1定子频率；N1定子绕组有效匝数；KN1与电动机绕组结构有关的常数；m每极磁通量（Wb）U1定子相电压（V）。当定子电压U1不变时，m与f1成反比，f1的升高或降低会导致m的增大或减小，从而使电动机的转矩减小，严重时将导致电动机的堵转，或磁路饱和，铁耗急剧增加。因此调节电源频率的同时要调节电压的大小以维持磁通恒定，使最大

16、转矩不变。更据U1和f1的不同比例关系，变频器可以有以下几种调速方式。恒比例控制方式；恒磁通控制方式；恒功率控制方式；恒电流控制方式。恒比例调节方式，是在调频的同时调节电压，维持U1/f1保持不变。当频率较高时，定子电阻压降可忽略不计，这时有U1 E1，m=1/(4.44N1kN1)*(E1/f1)恒值，磁通近似不变。根据异步电机的转矩表达式 T=Cm m I2cos2 (2-2-3)式中Cm电磁转矩系数；I2转子电流；cos2转子功率因素。当转子电流I2不变，m恒定是，电动机的转矩不变，因此，这种恒比例控制方式也属于做很转矩调速。但频率较低时定子的电压降就不可忽略，E1与U1相差较大，所以U

17、1/f1不可以再近似为常数，最大转速也会随之频率f1降低而减小，甚至不能带动负载。因此对于宽调速范围的恒转矩负载，不能采用恒比例的控制方式。恒磁通控制方式由式2-2-3可知，要在整个调速范围内实现恒磁通控制，那么就必须按U1/f1=const (恒值) 2-2-4来控制。式2-2-4是维持恒磁通，及维持最大转矩变频调速协助控制条件。不过由于电机感应电动势是很难测定和控制的，所以在现实应用当中往往采取一种近似的恒磁通控制方式。实际上就是当频率较高时采用恒比例控制方式，频率较低时就采取低频补偿的方式，也就是通过适当提高变频电源的输出电压，以此来补偿低频时定子电阻上的压降，维持磁通不变，从而达到恒转

18、矩控制的效果。恒功率控制方式当电机的转速超过它的额定转速时，那么f1f1N(额定频率)，此时如果还使用恒磁通控制的方式的话，则U1U1N（额定电压），然而这种情况是不允许出现的。这时就需要使用恒功率控制的方式，即不进行电压的协调控制，当f1f1N(额定频率)时，保持U1=U1N（额定电压）。这种控制方法在控制过程中，由于频率的升高，使得速度增加，同时额定磁通也会减小，从而导致转矩的减小。由P=Tm/975可知，当T减小的倍数和n减小的倍数相同时，P 维持不变。因此这种控制方式被叫做恒磁通控制方式。 2.3SPWM调制变频技术SPWM是采用对称的三相正弦波电源来为三相交流电机供电的，减小了谐波成

19、分对电机的影响，从而提高了电机的性能。为了实现SPWM控制方式，我们可以采用数字电路或模拟电路，由于模拟电路的硬件太多，不够灵活，而且改变参数和调试比较麻烦，而采用数字电路时，可以使用软件作为基础的控制模式，这就避免了使用大量硬件，也提高了灵活性。数字电路的缺点就是SPWM的脉冲宽度需要通过计算来得出，因此会有一定的延时和响应时间。然而伴随着高精度，高数度，多功能的微处理器、为控制器以及SPWM专用芯片的出现，这一问题已经得到解决。生产成SPWM波形的方法有多种，自然取样法、规则取样法以及等效面积法等等。自然取样法与采用模拟电路由硬件自然确定SPWM脉冲宽度的方法比较类似，所以叫做自然取样法。

20、该方法通过计算机计算找到三角载波与正弦波的交点作为跳变时刻从而确定SPWM的脉冲宽度。中值规则取样法是将三角载波周期中的正峰值或负峰值时刻对正弦采样形成阶梯波。这种采样方法虽然会有一定的误差，但是其计算量大大减小了，适合微机实时控制。 图 在 变频技术原理与应用 4-12 4-133.2 电压空间矢量SVPWM的方法3.3 空间电压矢量SVPWM的事实调制算法4 硬件设计及实现4.1.1系统主体设计本系统的主回路主要由滤波电路、整流电路和逆变器电路三部分组成，其中逆变器电路属于电压型逆变器由功率开关IGBT构成。系统的控制部分是由DSP芯片TMS320F240和单片机80C196KC组成的双核

21、系统。系统结构本系统采用的是双核结构，即由DSP加单片机来组成控制电路，其中DSP主要完成矢量控制任务，而参数设定、键盘处理、状态显示和故障保护的实时性要去较低的任务就有单片机来实现，而这两个处理器之间的通信使用了双口RAM。该系统的通用性和开放性非常好，而且系统硬件功能得到了很好地整合，适合数字化交流电机的控制。根据右图可以看出，本系统是一个速度反馈的闭环控制系统。通过键盘系统参数，DSP负责采样的运动，相电流和转速的计算，最后利用向量算法，经过驱动电路的工作电源开关元件 GBTA驱动逆变器,80C180KC主要负责对变频调速系统的运行状态进行监测得到电压空间矢量PWM控制信号，当系统短路，

22、过流，过压，过热等故障，DSP将封锁PWM输出信号，使机器停机，并通过LED显示故障类型。 2。双CPU控制系统 控制系统由DSP子系统，单片机系统，双口RAM等组成。为了实现快速和实时控制，该系统在设计中采用单片机双CPU结构+ DSP，DSP对主要用来实现矢量控制的任务，16位单片机80C196KC主要用来完成实时要求较低的任务，如控制参数设置，键盘处理，状态显示，串行通信，单片机和DSP之间的通信使用的是静态双口RAM.DSP采用TI公司的TMS320F240,实现数字化矢量控制算法形成PWM信号，以此作为控制逆变器功率器件的工作信号。此外，2片IS61C1024和一片模/数采样芯片AD

23、7864以及一片数/模转换芯片MAX531组成了DSP子系统的外围电路。 TMS320F240简介TMS320F240芯片是美国德州仪器公司（TI）推出的面向电机数字控制领域的芯片，它不仅继承了数字信号处理器（DSP）的运算速度快，能实现电流实时控制的优点，而且由于面向数字控制领域，因此使得F240为核心芯片构成的控制系统结构简单，可靠性高。它不仅具有512字的片内双访问RAM，还集成了两个十位的A/D转换器和一个串口通讯模块（SCI）其独有的事件管理器单元提供了3个16位的定时器，3个单比较单元，3个全比较单元，可以提供多大12路PWM脉冲输出。F240采用多个中断源共享某一中断级的中断结构

24、，因而提供了更多的中断源。TMS320F240的主要特点：1.TMS320F240内核CPU ： （1）32位中央算术逻辑单元及32位累加器 (2) 16位乘16位并行乘法器，产生32为乘积 (3)224K乘16位最大寻址范围 (4)8个16位辅助寄存器和一个用于数据存储器简介寻址的专用算术单元2.存储器 (1)544字乘16位片内数据/程序双口RAM (2)16K乘16位片内Flash (3)224K乘16位最大寻址范围 (4)外部存储器接口模块包括：软件等待状态发生器、16位地址总线和16位数据中线。 (5)支持插入硬件等待状态3.程序控制 (1)四级流水线操作及八级硬件堆栈 (2)六个外

25、部中断：功率驱动保护中断、复位、NMI不可屏蔽中断和3个可屏蔽中断4.指令集： (1)源代码兼容TMS320家族的C2x，C2xx和C5x定点系列 (2)单指令重复操作及单指令乘/加指令 (3)用于程序/数据管理的存储块移动指令 (4)变址寻址能力 (5)用于基-2fft变换的位反转变址寻址能力5.功耗： (1)静态CMOS技术 (2)四种用于减少功耗的省电方式6仿真：符合IEEE1149.1标准的测试访问口，可以连接片内的基于扫描的仿真逻辑7.速度：50ns的指令周期(20MIPS)，且大多数指令为单周期8.事物管理器(1)12路比较/PWM通道，其中9路为独立(2)3个16位通用计时器，共

26、有6种模式，包括联续向上计数和连续向下计数(3)3个具有死区功能的全比较单元(4)4个捕获单元，其中两个具有直接接正交编码器脉冲的能力 9双10位共16位A/D转换器 10.28个可单独编程的多路复用I/O引脚 11基于锁相环（PLL）的时钟模块 12.带实时中断的看门狗定时器模块 13.串行通信接口(SCI) 14.串行外设接口(SPI)4.1.2 系统主电路设计 逆变器是用来将直流直流电源转变成特定的电压和频率的交流电源，逆变器在应用过程中，功率半导体元器件的工作状态有两种，“断”和“通”，以此来输出对称的矩形波或者各种形式的脉冲信号。因此，输出的信号中不但有基波，另外还包含了各种高次谐波

27、成分，谐波分量对系统会造成一定的影响。谐波电流分量会产生额外的转矩，从而会减少电机的输出转矩。另外谐波电流中的载波分量会使电机铁芯产生转动和噪声。为了减少谐波的影响，可以使载波的频率提高，负载电流更加接近正弦波。由于载波频率的大小是受到逆变器工作频率制约的，在选择逆变器是就不得不考虑其工作频率是否能够达到要求。根据上述要求，目前最适合本系统的应该是IGBT变频器了，IGBT逆变器的主要特点有：输入阻抗高、速度快、热稳定性好、驱动电路简单、通态电压低、耐高压，载波频率可达15KHz的IGBT逆变器电流波形接近正弦波，高次谐波分量也很少，因此电动机的转矩大，噪声也很小。4.2 电压检测电路为了防止

28、逆变器在工作过程中发生过压或欠压的情况，必须随时检测电路中的电压，这一任务就有电压检测电路来完成。当发生过压或者欠压时，电压检测电路会请求CPU 中断一保护电机。 电压检测原理图如图所示。4.3电流检测电路系统的电流检测电路时通过安装霍尔传感器的方法，将采集到的电流信号经电磁转换成电压信号的形式，然后经由运算放大器和比较器组成的处理电路来分析。若电路由过流输出时，CPU会中断，此时逆变器工作停止。4.4 电机转速和位置检测电路电动机转速的测量方法有多种，如测速发电机、感应式转速传感器、霍尔式转速传感器、光电编码器以及旋转变压是转速传感器等等，但是目前使用最多的是光电编码器。本系统采用的是一种增

29、光型光电编码器，其结构如图所示。该光电编码器有三组输出信号，相应的有三组光电转换元件。当转动盘上的槽（光栅）与固定盘上的槽重合时，位于固定盘后面的光敏元件接收到转动盘侧相应发光元件的光，然后转变成电信号。转动盘随电机转动时该编码器可输出三组电压信号，输出的波形如图4-3所示。其中Z信号是用来定位的，因为Z相信号在转动盘上只有一个对应的槽，因此每转一周只有一个Z相脉冲，对应于转子的一个固定位置。所以根据不同瞬时A或者B相信号相对于Z相脉冲的相位关系便可以确定该瞬时转子相对于定子的位置。 变频技术原理与应用P166图4-30 第五章 控制软件的实现 5.1 控制软件开发流程一般来说，软件开发的过程

30、都包括以下几个流程：1)需求调研分析； 2)概要设计；3)详细设计；4)程序编写；5)软件测试；6)软件运行维护。如图5-1给出了控制软件开发的流程图 图5-15.2 程序的设计和实现该变频调速系统的软件系统主要包含两大部分，一是单片机控制软件，二是DSP矢量控制软件。其中单片机控制软件主要负责完成一些实时性要求较低的任务，如数据采集、键盘处理、状态显示、外部执行器件和参数的设定以及与DSP 进行数据交换。而实时性要求较高的控制任务就由DSP矢量控制软件来完成。DSP矢量控制软件包括DSP的主程序和DSP实时控制程序，DSP主程序的任务是完成外设不见的初始化、故障的检测和处理以及I/O控制信号

31、的管理等等，而实时控制程序还可分为PWM定时中断程序和驱动保护程序，一些实时控制的任务，如电流的采样和控制、矢量控制、PWM信号的生产等就由PWM定时中断程序来完成，而驱动保护程序的作用是检测功率模块的故障输出，一旦出现故障，DSP的PWM通道就会被封锁，系统停止运行。主程序结构图以及定时中断流程图，如图5.2所示 中断返回 主程序流程图 定时中断流程图 参考文献1赵洪亮 卜凡亮 黄鹤松 张仁彦编著.TMS320C55xDSP应用系统设计（第二版）.北京航天航空大学出版社.20102漆汉宏主编.PLC电气控制技术.机械工业出版社.2006 3赵负图主编.DSP处理器和微控制器硬件电路.化学工业出版社.20054张志义 孙蓓.机电传动控制.机械工业出版社.20095吕汀 石红梅编.变频技术原理与应用.机械工业出版社.20026王淑红 .全数字交流牵引变频调速控制装置的研究7曾聪.异步电机节能控制器研究8王思贤.基于DSP的直接转