1、本科毕业论文（20 届）两相变频异步电机的调速控制器设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要本文通过大量的资料和文献阅读，从两相逆变器拓扑、逆变器控制策略和电机控制方法三个方面概括性的描述了当今的研究现状。通过比较其各自的优缺点确定本课题的主要研究内容：采用两相三桥臂逆变器拓扑，运用SVPWM和磁场定向控制策略。两相电机与三相电机的最大不同之处就在于其定子绕组的不对称性，由于这个原因，无论在逆变器的SVPWM控制还是磁场定向控制，两相电机都与三相电机有不同之处，所以本文运用TI公司的电机专用主控芯片DSP-TMS320LF2407A；功率芯片采
2、用的是三菱公司的智能功率模块。介绍了两相不对称电机矢量控制的基本原理和两相三桥臂逆变器的SVPWM工作原理。建立起了逆变器两相异步电机变频调速实验平台，对两相三桥臂逆变器的SVPWM控制策略进行了研究，并运用C 语言和汇编语言进行中断服务子程序和主程序的设计，主要包括SVPWM的产生、PI调节器及矢量控制的实现。关键词：两相异步电机，两相三桥臂逆变器，不对称绕组，空间电压矢量控制。AbstractIIAbstractThrough a lot of information and literature to read, this paper described the study of the
3、 status quo from three parts: the two-phase inverter topology, inverter control strategies and motor control strategies. By comparing their Advantages and disadvantages, the object of study subjects is refining: two-phase three-leg inverter, SVPWM control strategies and Rotor field oriented control.
4、Two phase motor and the three phase motor is the biggest difference lies in the stator winding is asymmetric, due to this reason, both in SVPWM control of the inverter or the field oriented control, two-phase motor and the three-phase motor is different, so this paper uses TI company motor for the m
5、ain control chip DSP-TMS320LF2407A; power chip is used Mitsubishi Co intelligent power module. Describes the asymmetric motor vector control principle and two-phase three-leg inverters working principle of SVPWM.To establish a Inverter - phase asynchronous motor variable frequency and speed regulati
6、on experimental platform, the two3-leg inverter control strategy of SVPWM were studied, and the use of C language and assembly language interrupt service subroutine and the main program design, including SVPWM, PI regulator and the realization of vector control.Keywords: two phase asynchronous motor
7、, winding, two-phase3-leg inverter, voltage space vector control.目录III目录摘要 .IAbstract.II目录 .II第一章 绪论 .11.1 单相电机的应用现状 .11.2 传统单相电机的种类 .11.2.1 电阻起动单相异步电机 .11.2.2 电容起动单相异步电动机 .21.2.3 电容运转单相异步电动机 .21.3 传统单相异步电机调速方法 .31.3.1 调压调速 .31.3.2 变极调速 .41.3.3 变频调速 .41.4 变频调速技术的发展 .41.5 两相电机变频调速技术的意义及其发展 .51.5.1 单相
8、电机变频调速的优势 .51.5.2 两相电机变频调速的发展趋势 .51.6 本文的主要工作 .6第二章两相电机变频调速技术 .72.1 两相电机变频器的结构 .72.1.1 电容中点 H 型逆变器 .72.1.2 电源中点 H 型逆变器 .82.1.3 全桥逆变器 .92.1.4 两相三桥臂逆变器 .9目录IV2.1.5 以上各种电路结构的比较与选择 .102.2 两相电机逆变器的控制策略 .112.2.1 电压正弦 PWM 控制方法 .112.2.2 空间电压矢量控制（SVPWM） .132.2.3 前面几种控制方法的比较及选择 .15第三章 两相不对称异步电机变频调速系统硬件设计 .173
9、.1 引言 .173.2 主电路设计 .173.2.1 整流电路的设计 .183.2.2 功率逆变电路的设计 .203.3 系统保护电路的设计 .213.3.1 过压、欠压和电机限流起动保护电路的设计 .213.3.2 过流保护电路 .253.4 数字控制系统介绍 .263.5 系统检测电路的设计 .273.5.1 电流检测电路 .273.5.2 转速检测电路设计 .283.6 基准电源的设计 .283.6.1 正负 15V 直流稳压源设计 .293.6.2 正 3.3V 电源设计 .30第四章 软件设计 .314.1 系统主程序 .314.2 数字 PI 程序 .334.3 磁链观测程序 .
10、354.4 PWM 中断服务程序 .354.4.1 电流采样子程序 .37目录V4.4.2 转速采样子程序 .374.5 A/D 中断服务程序 .384.6 捕获中断服务程序 .394.7 保护中断服务程序 .40总结 .41参考文献 .42致谢 .43第一章 绪论- 1 -第一章 绪论1.1 单相电机的应用现状单相电机是鼠笼式的利用单相交流电源供电并且只有一个绕组。它是转速随负载变化略有变化的一种小容量交流电机。单相电机根据启动和运行方式的不同可以分为：电容起动式电动机、电阻分相式电动机、电容运转式电动机、电容起动与运转式电动机和单相罩极式电动机。它在单相电源条件下工作是它与三相异步电机的主
11、要差异。单相异步电动机具有价格低廉、维修方便的特点，在工、农业生产、家用电器等方面得到了广泛的应用。例如：吊扇、洗衣机、电冰箱、小型机床等。经统计分析可以得到，在工业发达国家，每个家庭平均使用五十至一百个小功率电动机。然而，单相异步感应电机占约百分之五十的整个小功率电机市场份额，因此它在小功率电机中占有举足轻重的地位。随着社会市场经济的发展，我国电机工业发展迅速。随着世界经济的发展以及经济全球化的不断深入，各国之间的贸易往来的不断加深，小功率电机的产量呈现逐年递增的态势，远远超过了大中型电机。因此可以得出结论:在未来的发展看电机市场总的需求量在逐年递增，趋势明显，特别是小功率电机。1.2 传统
12、单相电机的种类1.2.1 电阻起动单相异步电机电机定子上放置有工作绕组M 和起动绕组A，并且它们的轴线空间上正交，此外，电阻值较大的起动绕组串联起动开关后与工作绕组并联接于单相电源这种叫做电阻起动单相异步。电机起动时使两相绕组同时进入工作状态，等到转速到百分之七十五到百分之八十之的同步转速时，将起动绕组与电源分离，此后工作绕组进行单独的工作。电阻起动单相异步电动机有以下特点：电抗较小、起动绕组电阻大、主绕组电阻小，以及它依两相绕组阻抗的不同比例，来导致两相电流产生相位不相第一章 绪论- 2 -同的电流进而产生旋转磁场从而使得到起动转矩使电机起动。因为它仅仅依据绕组本身的阻抗移相，从而使得 在相
13、位上仅仅超前了 30 度左右，因此导AIMI致了电阻起动单相异步电动机的起动电流大，但起动转矩小，所以电机的起动性能差。一般起动绕组采用比较细的铜丝以及采用电阻率比较高的导线以增加电阻以此来使起动绕组获得比较高的电阻对电抗的比值。在极少的特殊情况下，也可以通用起动绕组部分线圈反绕的来增大电阻减小电抗。这种电动机由于运行时只有单相绕组工作，所以在运行过程中具有效率、功率因数都低、震动和噪声较大的缺点；起动时由于存在两相绕组工作并且同时，所以可以产生较好起动转矩，但是由于起动电流过大从而在一定程度限制了电机容量。对起动转矩有一定要求的低惯性负载、负载可变而要求转速基本不变的场合可以用电阻起动单相异
14、步电动机。1.2.2 电容起动单相异步电动机定子上放置有工作绕组 M 和起动绕组A，以及轴线在空间相隔90度，起动绕组与电容器串联后和工作绕组并联接到同一单相电源上的方法叫做电容启动单相异步电动机。由于起动绕组上串联的电容器从而使得起动绕组回路呈电容性，所以起动绕组的电流相位总是超前电压的相位；工作绕组回路呈电感性，由于电流相位总是滞后与电压，所以可以通过电容的合适选择，就可以使工作电流相位滞后起动作电流90 度，综上所述可得：电容起动单相异步电机可以获得较大的起动转矩以及小的起动电流，以致于电机具有良好的的起动性能。由于都是单相绕组工作，导致效率和功率因数都低、振动和噪声相大，所以电容起动电
15、动机的运行性能与电阻起动电动机基本相同。但是因为它的起动性能好、起动电流小、起动转矩大、容量大以至于它可以用于频繁起动、要求满负载起动的生产机械过程当中。1.2.3 电容运转单相异步电动机电容运转单相异步电动机的工作绕组 M，副绕组 A 与两个并联的电容器串联后与工作绕组并接于电源从而就得到了电容运转电机。在启动过程中当电动机转速为同步转速的百分之七十五到百分之八十之间时，它可以通过起动开关将起动电容器Cs 与电源断开，然而工作电容 C 则与副绕组串联并继续参工作。第一章 绪论- 3 -为了使起动时能产生大的起动转矩，所以在起动时副绕组串联的电容量是Cs 和C之和。等到电机起动后，Cs 就被切
16、除，副绕组只与电容量小的电容器 C 串联工作，以此来获得很好的性能。1.3 传统单相异步电机调速方法在电动机的使用过程中，人们都希望能根据需要来调节速度满足需要。单相电机主要的调速方法主要由以下几种有：调压调速、变极调速以及变频调速等。1.3.1 调压调速调压调速是单相异步电动机一种比较简单的调速方法，它通过调节电机定子电压以此来调节转子转速。定子电压降低，导致转差率增大，进而使转子转速降低。单相电机的无级调速可以通过调压调速完成。调压调速可以分为以下几种：1、串联电抗器调速。2、串联电容器调速。3、自耦变压器调速。调压调速的特点：运用方便、原理简单、成本低廉、机械特性较软，低压时，电机过载能
17、力下降显著。所以说，调压调速仅用与调速场合。1.3.2 变极调速改变电机定子绕组极对数从而来完成对转子转速的调节的的方法就是变极调速。它一般是通过改变一套定子绕组内几种不同的接线方式来改变定子绕组极对数进而实现调速。所以采用变极调速只能成倍地改变极对数，与之相对应的是转子转速倍也成倍变化。变极调速有以下特点：效率高，转矩特性好；但是它不能进行无级调速从而只能有级调速，所以它无法对转子转速进行连续调节。以致于它的应用的场合受到非常大的限制。第一章 绪论- 4 -1.3.3 变频调速通过改变定子绕组供电频率来调节转子转速的调速方式叫做变频调速。因为电机同步转速与定子频率成正比，所以改变定子绕组的供
18、电频率就可以对转子转速进行调节。变频调速有以下特点：机械特性硬、调速范围广。从当今世界的发展趋势看，单相电机调速系统的发展方向主要是变频调速技术。目前在交流电机高性能变频调速系统中广泛应用的是矢量控制和直接转矩控制。1.4 变频调速技术的发展20世纪70年代，脉宽调制变压变频调速(PWMVVVF) 的研究引起了高度重视。20世纪80年代，PWM模式化问题作为变频调速的核心得到了世界的高度关注，与此同时得到了较多的优化的模式，例如鞍形波PWM模式，他是变频调速效果最佳的。交流电机的调速有两大类：变同步速调速和变滑差调速。变频调速是交流调速的理想方案，最好的调速方式。交流变频调速系统在调速时和直流
19、电动机变压调速系统相似，机械特性平行上下移动，转差率不变。同时交流电动机采用变频起动能改善交流电动机的起动性能，从而能使电动机的起动电流极大降低，起动转矩极大增大。交流变频调速系统在调速时机械特性基本上平行上下移动，而转差率不变。与此同时交流电动机采用变频起动对交流电动机的起动性能有良好改善，对电动机的起动电流大量降低，起动转矩增大显著。变频调速系统广泛应用于转速开环恒压频比控制的调速系统。这种调速方法采用转速开环恒压频比和低频电压补偿的控制方案，这种方案的特点是：统结构简单、控制系成本低。转速开环变频调速系统对平滑调速要求的能满足，但它的静、动态性能都很有限，要想提高静、动态性能，要用带转速反馈的闭环控制。故综上总结人们又得到了转速闭环转差频率控制的变频调速系统。总体来说，它仅能用于转速变化缓慢的场合，在对电动机转速作出快速响应要求的动态过程中，电动机会出现相当大的瞬态电流，在它的影响下从而导致电动机的动态转矩和稳态运行时的静态
