基于TMS320F2808的三相异步电机变频调速系统硬件设计.docx

1、基于TMS320F2808的三相异步电机变频调速系统硬件设计1 绪论1.1 三相变频调速系统的研究背景和意义在国民经济建设和国防科技事业的进程当中，交流变频调速的应用极为广泛和重要。而随着电力电子和微处理器技术的发展，调速系统也成为发展的潮流和目标。三相异步变频调速系统广泛应用于工业，农业，国防等各个领域。当前国外交流调速系统发展十分迅速各大商场推出的交流调速系统层出不穷，与国外相比，我国交流调速控制方式的研究起步较晚，技术基础薄弱，实际产品应用出现更晚。而且多数产品应用的是基本的SPWM控制，在高性能变频技术方面处于劣势。因此研究异步电动机的直接转矩控制系统对于推动我国高性能变频调速技术的发

2、展具有积极的促进作用和重要的现实意义。随着新型电力电子器件的不断出现,三相异步变频调速系统将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使电机的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性,使器件性能对电机性能的影响减至最小,新型的电机技术和新型的控制技术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可大大的提高工作频率,提高异步电机工作效率。在交流调速领域中，应用最广的是交流变频调速系统技术。它主要用于需要交流电源的电压、频率可调(或恒压、恒频)的用电设备，如交流电机、中频电源及各种专用电源的中间环节等。这一技术的产生和发展为交流调速开拓了广阔的天地。国外交流调速在

3、电气传动行业已占绝对优势，虽然国内直流调速还在大量使用，但近年来凡新建的电气传动系统均采用交流调速，其发展势头是迅速的。变频技术在供电电源方面的应用主要是:（1)将过去用电机、变压器产生交流电的地方用变频电源取代;（2）将计算机、电焊机、电子装置等用直流电源的地方改为以变频技术为核心的开关电源。变频技术在电源中的应用，极大地减小了电源装置的体积，提高了效率，产生了巨大的经济效益。所谓变频就是利用电力电子器件(如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管IGBT)将5OHz的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。它分为直接变频(又称交交变频)，即把市电直接变成比它频率低的交流电，大量用在大功率的交流

4、调速中;间接变频(又称交直交变频)，即先将市电整流成直流，再变换为要求频率的交流。它又分为谐振变频和方波变频。前者主要用于中频加热，方波变频又分为等幅、等宽和SPWM变频。常用的方法有正弦波(调制波)与三角波(载波)比较的SPWM法、磁场跟踪式SPWM法和等面积SPWM法等。它是作为80年代中发展起来的高性能的新型电机调速方法，在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂，实际性能难于达到理论分析结果的一些重大问题。而本文研究的正是从异步电机的数学模型出发，根据变频调速原理从简单到复杂，利用比较容易实现的正弦脉宽调制的方法调试了系统的部分硬件电路，然后根据传统直接转矩的控制原理，对于近似圆形磁链的

5、直接转矩理论进行了实验分析。在硬件方面课题采用了目前比较流行的数字信号处理器（DSP）作为本实验的控制器，其处理速度高的特点正好符合本实验的需要；主电路中，本系统采用了集成度高的功率器件；智能模块作为逆变环节，实现了高开关效率逆变以及故障诊断的功能，从而使控制系统的体积大大缩小，控制更加灵活。异步电机变频调速技术就是使用DSP器件及电子技术对异步电机进行变频和控制的技术。是一门综合了电力半导体器件、电力变频技术、现代电子技术、自动控制技术、DSP芯片技术等许多学科的交叉学科。随着科学技术的发展，变频调速技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前，它已逐步发展成

6、为一门包含更多学科的综合性技术学科，并在为现代通讯、电子仪器、计算机工业自动化、电网优化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电能方面起着关键的作用。变频调速技术诞生至今已经近50年，它对人类的文明起了巨大的推动作用。特别是在近年来，这种技术更是取得了突飞猛进的发展，己经形成较为完整的学科体系和理论。变频调速技术的发展主要是两个方面:一是变频调速系统所需器件的发展，因为变频调速系统器件是变频调速系统技术的基础和源头，变频调速器件的性能的提高，促进了变频调速系统技术的应用，提高了变频调速系统装置的功率，减小了体积。另一方面是变频调速系统技术在不同应用领域具体控制技术的发展。

7、尤其是电机转速变换技术的发展与应用。异步电机变频调速技术是变频技术中最重要、最基本的共性技术。为了满足高效、高能量密度、高精度、快速响应、宽调节范围、低谐波失真和低成本的要求，变频调速技术从不控、半控强迫换流技术发展到普遍采用PWM控制和采用自关断器件的变频技术。1.2 三相异步电机变频调速系统技术的国内发展现状20世纪60年代中国三相异步变频系统史上发生了一场革命，异步电机由于其具有良好的起，制动性能，能够在大范围内平滑调速，因此在当时国际市场中起着绝对的优势地位。DSP的数字控制系统也取代了传统的PID模拟控制，提高了三相调速系统的控制性能。在国内六十年代初期，随着电力及电子技术的进展,电

8、力系统对变频调速系统的控制功能也不断提出了新的要求,主要体现在对自动励磁调节器的功能要求上。变频调速系统的主要功能是维持电机转速为恒定值。当时应用的变频调速系统多为机械型的，其后又发展为电子型或者电磁型。在这一历史时期中,电机多采用直流励磁机励磁方式,励磁的调节多作用于直流励磁机励磁绕组侧,须经过具有相当惯性的励磁机功率环节实现对发电机励磁的调节.为此它属于慢速励磁调节系统。在六十年代后期，随着电力系统的大型化和发电机单机容量的增长，出于提高电力系统稳定性的考虑，自动电压调节器的功能已不再局限于维持发电机转速恒定这一要求上，而更多地体现在提高发电机静态及动态稳定性方面。这标志着对变频调速系统功

9、能要求已有了根本改变。在六十年代期间，有一点须说明，当时有一观点认为，在系统事故时，应当限制励磁的作用，以防止发电机定子电流过载。但是，前苏联的学者经过实验和实践证明：采用强行励磁可加速切除事故后异步电机的恢复，并缩短定子电流过负载的时间，这对于缩短事故后系统电机转速的恢复时间及系统稳定都是极为有利的。自六十年代至今，变频调速系统技术也有了极大的发展。概括地说，变频调速系统控制方式的演绎大致经历了单变量输入及输出的比例控制方式、线性多变量输入及输出的多变量反馈控制方式以及伴随控制理论发展起来的非线性多变量控制方式等几种主要的演绎阶段。近年来由于调速系统的数字化，其惯性时间常数已经大大减少，由此

10、为通过调速系统直接抑制有功功率的振荡提供了可能。对于异步电机机系统亦有良好的控制性能。同时具有自检能力，在硬件故障时可进行自动切换。变频调速系统的发展与电力电子技术与器件的发展密切相关，它随着现代电力电子技术的发展而发展。国内近几年，随着电子电力技术的发展，新一代功率器件，如MOSFET，IGBT等应用，高频逆变技术的逐步成熟，出现了高压开关异步电机，同线性电机的相比较突出特点是：效率高、体积小、重量轻、反应快。由于它的优越特性，现在已逐渐取代了传统的一系列逆变异步电机调速系统。 世界各国正在大力研制开发新型异步电机调速系统，包含新的理论、新型模块化电路、新型电子器件等，以满足电机设备小型化、

11、高效化和高性能化的时代发展要求。而国内现有的异步电机主要采用传统的工频技术，存在体积大、设备重、效率低、自动化程度低等弊端，已经无法满足现代工业发展的需求。从长远看，三相异步变频调速体统是电机的发展是方向。但难度大对设计提出了很高的要求，当前三相异步电机面临的主要问题是提高性能和改善可靠性。目前随着我国社会生产和人类生活的改进，变频调速技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科,它对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电机起着关键作用。1.3本课题的主要研究内容 本课题研究的主要内容是主要通过整流电路，逆变电路，变频器滤波

12、器去外有DSP控制下把进入的单相工频交流变成直流电，再通过三相桥式逆变电路逆变成正弦脉宽可调三相比，从全新的思想出发，尝试的把几种方法结合在一个控制系统中，取长补短，形成一种新的混合控制方法。以提高控制性能。 研究变频调速系统的原理，及常用的实现方案。 设计并实现了一个基于DSP的变频调速系统控制的异步电机，建立了一个具有通用性的中小功率的变频调速控制的电机技术平台。该实验单元的主电路为“交直交”变化形式，如图1.1所示。该种整流电路把输入的单相工频交流电整流变换成为直流电。经降压斩波电路和电容滤波，得到平直的电压可调直流电源。最后，直流电源经过由新型复合器件绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的三

13、相桥式逆变电路，逆变成正弦脉宽可调的三相交流电。从电网输入的单相交流电经过变频电路后可以得到谐波含量较小的三相交流电，而且输出的交流电的大小和频率均可调，提高了电能的利用率，降低了负载（异步电机）对电网电源的影响。图1.1 变频调速系统的系统框图技术指： 输入电压：220V（110） 输入频率：50 Hz (15%) 输出电压调整范围：036V 输出波形：正弦波 电源容量：2KVA 输出电压稳定度：额定36V输出时，误差小于5% 输出频率调整范围：调整范围为20Hz100Hz 相位和相位相差120(三相平衡性负载)保护功能：电源应具有输入及输出过流保护、过热保护、输入输出过压欠压保护频率和功率

14、的电路：具有输出电压和频率的测量和显示功能。2 变频调速系统的结构和设计方案2.1 变频调速系统的结构从结构上看，变频调速系统可分为直接变频和间接变频两类。直接变频又称交交变频，是一种将工频交流电直接变换为频率可控的交流电，中间没有直流环节的变频形式；间接变频又称为交直交变频，是将工频交流电先经过整流器整流成直流，再通过逆变器将直流变换成频率可变的交流的变频形式，因此这种变频方式又被称为有直流环节的变频。 交交变频调速系统一般使用的开关器件是晶闸管，利用电网电压有自动过零并变负的特点，将晶闸管直接接在交流电源上，使晶闸管能自然关断。其过程与可控整流器一样，不需要附加换流元件，方法简单，运行可靠

15、。而且，交交变频器在低频时输出波形接近正弦，且为一次变流，具有较高的效率，还能实现四象限运行。但是由于这种方法使用晶闸管数量较多，主回路复杂，且输出频率受电源频率的限制，一般不能高于电网频率的1/2,所以交交变频器在交流异步电机调速方面主要用于低速大功率传动，特别是起动转矩要求高的场合。交直交变频调速系统框图如图2.1所示，是目前变频电机的主要形式，该方式必须通过两次电能变换。效率稍低。但前级市电的干扰不会影响后级，输出波形好，变频范围宽。图2.1交直交变频调速系统框图 AC/DC：将交流电变为直流电，实现这一功能的变换电路一般称为整流电路。在AC/DC变换过程中常常引入高频变换环节，达到减小

16、电源设备体积、减轻重量、提高效率、改善动态特性等目的，转换频率一般为几十千赫至几百千赫。 DC/AC：将直流电变为交流电，实现这一功能的变换电路，一般称为逆变器。逆变电路既可将固定的直流电压变换为固定幅值和频率的交流电压，亦可将其变换为幅值和频率都可调节的交流电压，后者常称为变频器。逆变器是电力电子装置中的重要组成部分，是不间断电源、交流电气传动、中频电源等许多设备的核心，因而其研究工作倍受人们的关注，研究的焦点是如何方便地调节逆变电源的输出电压和频率，并降低谐波含量，改善输出波形。迄今为止，降低谐波含量和调节输出电压(大小或频率)的常用措施有： 1）对逆变电源的开关管进行高频PWM调制，使逆

17、变器输出为高频等幅的PWM波。2）通过改变逆变电源主电路拓扑结构，在主电路上进行波形重构以实现阶梯波形输出，减小低阶高次谐波含量。2.2 三相异步电机变频调速系统的方案设计 由DSP控制的变频调速系统框图如图2.1所示，本系统以DSP为控制核心，主要由整流器，滤波环节，逆变器，检测环节及控制回路组成。 图2.2三相异步电机变频调速系统设计框图系统主电路采用典型交一直一交电压源型变频器结构，整流环节采用单相桥式不控整流模块，逆变电路功率器件采用IGBT，中间直流环节加大电容滤波以获得平滑的直流电压，电网电压经桥式整流后对直流母线上的滤波电容充电，串联限流电阻R，是为限制过大的充电电流。若不用限流

18、电阻，当系统合闸时会有相当大的充电电流，可能烧毁滤波大电容和整流模块。限流电阻只在电容刚开始充进行限流，当电容两端的电压充到一定值时，继电器K吸合，把限流电阻R，短路。电路中电容CZ、二极管VD和电阻R、构成一个典型的吸收缓冲电路。主回路工作时，因为功率器件开关频率很高，开关动作时会在直流环节中产生电流突变，若直流环节存在电感，则可能在功率器件两端产生很大的尖峰电压，吸收缓冲电路的作用就是吸收消除此尖峰电压。电容电压的检测用电阻RZ和R3分压进行检测，分别控制继电器K和过压保护电路。功率器件采用三菱公司智能IGBT模块。内含过压、过流、过热保护，是一种新型的功率器件。具有驱动电路简单、可靠性高

19、等优点。系统控制电路包括了DSP的电路板以及以该板为核心分别扩展的数字信号处理板和模拟信号处理板，分别完成频率给定、按键选择调制方式及显示、低频补偿给定等功能，并对各种故障信号进行综合处理。同时，系统中会有一系列的检测、通讯、保护、故障处理电路，以保证本电源的安全稳定。本设计用TMS320F2808作为变频调速系统的控制芯片与其他单片机相比，其优势表现为:数据处理能力强、高运算速度、能实时完成复杂计算、单周期多功能指令、PWM分辨率高、更短的采样周期。TMS320F2808芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，集成了A/D转换，广泛采用流水线操作，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。2.

20、3 三相异步电机变频调速系统的控制方式 目前，大部分三相异步电机变频调速系统主要是基于间接SPWM技术，采用IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)作为功率控制器件来提高功率主电路的控制性、稳定性和效率，以DSP作为控制核心进行控制和参数运算处理，提高了变频调速系统的操作性。生成SPWM常采用的方法有三种:一是完全由模拟电路生成；二是由数字电路生成；三是由专用集成芯片生成。模拟方法电路复杂，硬件太多，抗干扰性差，有温漂现象，难以实现最优化PWM控制(最优化PWM的调制波都不是正弦波)，系统可靠性差;数字方法按照不同的数字模型用计算机算出各切换点，将其存入

21、内存，然后通过查表及必要的运算产生SPWM波，该方法调频范围不宽，且占用内存大，与系统精度之间存在矛盾;由专用集成芯片生成三相SPWM波的技术近年来被广泛采用，常用的有NEF4752, SLE4520, MA818, MA828, MA838和MITEL公司研制的三相/单相PWM产生器SA828, SA838系列芯片。它们多与微处理器连接，完成外围控制功能，但在系统构成上仍然复杂。 PWM(脉宽调制)技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压的脉冲宽度以达到变压变频目的的一种控制技术。SPWM(正弦脉宽调制)是由控制回路产生一组等幅而不等宽的矩形脉冲序列，用来

22、近似正弦电压波。 对于高频PWM调制来说，开关频率越高，谐波含量越小，但开关损耗也越大，故不宜用在大功率逆变电源中。而波形重构方式往往需要多个逆变器来实现电压的叠加。波形重构的级数越多，出现的最低谐波次数越高，但主电路和控制电路也越复杂，相应地控制难度也越大，输出电压的调节也不甚方便，因此这种方式通常只在大功率逆变电源中采用。 利用PWM调制来调节输出电压和降低谐波含量是目前最为普及的技术，在中小功率逆变电源中应用非常广泛，PWM的生成方法也很多。变频电源采用的脉宽调制技术有两种: 一种是开关点预置控制方式，也叫消谐PWM，理论分析表明，早在1973年提出的消谐控制策略能有效地克服上述问题，它

23、只需要较少的开关脉冲数即可完全消除容量较大的低阶高次谐波，取得很好的滤波效果，具有开关频率低、开关损耗小、电压利用率高等许多优点，是实现逆变电源PWM控制的理想方法。 消谐PWM控制就是一种经过计算的PWM控制策略，其基本方法是：通过PWM控制的傅里叶级数分析，得出傅里叶级数展开式，以脉冲相位角为未知数，令某些特定的谐波为零，便得到一个非线性方程组，该方程组即为消谐PWM模型，按模型求解的结果进行控制，则输出不含这些特定的低次谐波。消谐控制的优势己为人们认识，并开展了不少的研究工作，希望该方法得到实际应用。遗憾的是，迄今为止消谐方法还没有真正进入实际应用。按照消谐控制的思想，PWM波的相位是通

24、过模型的求解获得的，而消谐模型是一个正弦函数的多元非线性方程组，其数值求解的过程极其复杂并且难以保证收敛，因此这种求解计算要在现有的微处理器(MCU)系统中快速实时地完成是相当困难的，这在相当程度上制约了消谐方法的实际应用。目前该方法的应用主要以离线控制方式实现，将其应用于无需调节电压大小的恒频恒压电源的控制是可行的;或事先计算某些特定电压的有关控制参数存入存储器中，根据实际需要分级调节输出电压，这种方式往往需要很大的存储空间，而且随着电压调节的分辨率增高，其存储空间随之增大。另一种是SPWM方案，SPWM方式的缺点是不易获得较高的基波幅值比、开关损耗较大。优点是可以通过提高开关频率来减小低次

25、谐波影响，并可通过调节脉冲宽度来调节输出电压。本设计就是采用SPWM方案。3 主电路和驱动电路设计3.1 主回路的整体结构 三相异步电机变频调速系统的主电路由整流电路，滤波电路（中间直流电路），逆变电路。整流电路为电容滤波单相不可控整流电路，它将电网电压整流为直流电，供给逆变电路。中间直流电路的作用是滤波，使整流后电压更接近直流电。逆变电路的作用是输出符合要求的交流电。3.1主回路电路图3.2 整流电路整流电路是一种将交流电能转变为直流电能的变换电路。按输入电源的相数可分为单相、三相和多相，通常单相整流应用于小功率场合，三相整流通常用于中大功率场合，而多相整流则用于特殊要求的直流负载。按整流器

26、件分，可分为可控整流和不可控整流两种。可控整流电路义可分为全控整流电路和半控整流电路。在全控整流电路中，整流器件全由晶闸管组成。半控整流电路则由整流二极管和晶闸管混合组成。不控整流电路全由整流二极管组成。3.2.1 整流技术整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样，各具特色。可从各种角度对整流电路进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍和双拍电路。近年来，在交-直-交变频器、不间断电源、开关电源

27、等应用场合中，大都采用不可控整流电路经电容滤波后提供直流电源，供后级的逆变器、斩波器等使用。将全控整流电路中的晶闸管换为整流二极管就是不可控整流电路。其中，目前最常用的是单相桥式和三相桥式两种接法，由于电路中的电力电子器件采用整流二极管，也称这类电路为二极管整流电路。1、电容滤波的单相不可控整流电路图3.2 电容滤波的单相桥式不可控整流电路主要的数量关系1） 输出电压平均值空载时，R=，放电时间常数为无穷大，输出电压最大，Ud =1.414U2。通常在设计时根据负载的情况选择电容C值，使RC（1.5-2.5）T，T为交流电源的周期，此时输出电压为 Ud =1.2 U22） 电流输出平均值输出电

28、流平均值Id为Id=Ud/R在稳态时，电容C在一个周期吸收的能量和释放的能量相等，其电压平均值保持不变，相应的流经电容的电流一周期的平均值为零，又id=iC+iR得出：Id=IR3） 二极管承受的电压二极管承受反向电压最大值为变压器二次电压最大值，即1.414 U2。2、电容滤波的三相不可控整流电路在电容滤波的三相不可控整流电路中，最常用的是三相桥式结构如下图所示电容滤波的三相不可控整流电路如图3.3所示：图3.3 电容滤波的三相桥式整流电路1）基本原理该电路中，当一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放

29、电，Ud按指数规律下降。在wt=0时，二极管VD1和VD5开始同时导通，直流侧电压等于，下一次同时导通的一对管子是VD1和VD4，直流侧电压等于，这两段导通之前VD5和VD1是关断的，交流侧向直流侧的充电电流是断续的。实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感。考虑电感时电流波形的前沿平缓很多，有利于电路的工作。2）主要数量关系输出电压平均值：输出电压平均值Ud在（2.34U2 2.45U2）之间变化。输出电流平均值： Id=Ud/R二极管的电流平均值为Id 的1/3，即IVD = Id/3=IR/3 。3）二极管承受的电压二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值2.45*U2。变

30、频器的整流部分采用单相二极管不可控桥式整流，滤波电容的功能是滤平全波整流后的电压纹波，并在负载变化时，使直流电压保持平稳。根据电网电压，考虑到其峰值、波动、闪电雷击等意外因素，取波动系数为1.1，安全系数为2，由此可知整流二极管电压额定值为:，即：684V 由于桥式整流总是为两个二极管串联，因此单个二极管的额定电压应该在342V以上，向上取为400V 。可选择36MB80A型单相桥式不控整流器,其为55A(可参考式3.1),为800V. 为了保证给斩波器提供较平稳的直流电压，在整流桥后加了滤波电容,同时此电容还起滤波的作用。为了滤掉高频分量，在此电容的两端还并联了小的高频电容,整流输出电压的基

31、波频率为100Hz,滤波电路的时间常数，即电容和整流桥的负载等效电阻之积应该为纹波的基波周期的6倍以上，此处取6倍。则:可选择两个1500uF/450V的电解电容并联。高频电容根据经验值可取,630V无感电容.3.2.2整流电路的设计整流电路采用电容滤波三相不可控整流电路。采用不可控整流电路可以提高功率因数便于控制等优点。目前大都不采用由单管组成的整流桥，而是采用由模块组成的整流桥，而整流模块的种类目前有四种，即全桥整流模块，共阴极整流模块、共阳极整流模块和桥臂整流模块。a)全桥整流模块 b)共阴极整流模块c)共阳极整流模块 d)桥臂整流模块图3.4 不同种类的整流模块这四种整流模块都可使用，

32、但从模块的散热条件和连接方式等方面考虑，本设计采用桥臂整流模块来构成功率单元的三相整流桥。整流模块的主要参数有额定电压和额定电流，三相桥式整流电路中，整流管承受电压的最大值等于三相交流进线电压的峰值。为了在电源电压波动和出现瞬时过电压时不致损坏整流管，整流模块的额定电压应有23倍的裕度3.2.3整流二极管参数计算与保护电路的设计对于三相桥式整流电路中整流管额定电流的选择一般是按直流电流的最大电流值来计算： : 直流电流最大值，:电流储备系数， 一般情况下取1.22，但在功率单元中，由于考虑到整流电路中无预充电限流电阻，故可取为23倍。由于题目所给输出指标：输出额定电压80V，输出额定电流16A。取占空比为0.8时，输出电压为80V，则占空比为1时，输出电压为100V根据 2.34*U2 =100V得 U2=42.74V变压器变比 N=则变压器变比取