基于DSP的感应电动机变频调速控制系统设计.doc

1、 华东交通大学理工学院 Institute of Technology. East China Jiaotong University 毕 业 设 计 Graduation Thesis （ 2011 2015 年） 题 目 基于 DSP 的感应电动机变频调速控制系统设计 分 院： 电 气与信息工程分院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 学 号： 学生姓名 ： 指导教师： 起讫日期 ： 华东交通大学理工学院 毕业设计原创性申明 本人郑重申明：所呈交的毕业设计是本人在导师指导下独立进行的研究工作所取得的研究成果。设计中引用他人的文献、数据、图件、资料，均已在设计中特别加以标注引用，除此之外

2、，本设计不含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。 毕业设计作者签名： 日期： 年 月 日 毕业设计版权使用授权书 本毕业设计作者完全了解学院有关保留、使用毕业设计的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交设计的复印件和电子版，允许设计被查阅和借阅。本人授权华东交通大学理工学院可以将本设计的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编毕业设计。 （保密的毕业设计 在解密后适用本授权书） 毕业设计作者签名： 指导教师签名： 签字日期： 年 月

3、 日 签字日期： 年 月 日- - I 摘 要 随着微电子技术和交流变频调速技术的 迅猛发展， 变频调速技术 以其 高效的调速 性能逐渐取代了直流调速被广泛运用 ，成为交流调速 的发展方向。 本文主要介绍了一种 以 DSP 芯片为核心的 变频调速控制系统 设计 。 系统有硬件和软件两部分构成。硬件部分是：主电路、保护电路和 控制电路 等。主电路用了先进的 智能功率模块 （ IPM）； 控制电路采用 TI 公司的 TMS320LF2407 DSP 芯片作为控制芯片。其中主要内容包括： TMS320LF2407 芯片 特性、变频调速原理 、 IPM 结构特点 、 SPWM 脉宽控制原理、直接转矩控

4、制原理、并利用 TMS320LF2407 芯片构成了控制系统。所设计的 基于 DSP 的控制 系统实现了对感应电动机变频调速的全数字化控制，实现了高性能，高精度，节能又环保的要求，提高了能量利用率。 关键词： DSP；变频调速； SPWM；感应电动机 - - II Abstrat With the rapid development of microelectronics technology and AC variable frequency speed control technology, variable frequency speed control technology for i

5、ts high speed performance will gradually replace the DC speed regulation is widely used. Variable frequency speed control can be used to constitute a high performance speed control system, is the development direction of AC speed control system. This paper mainly introduces the design of control sys

6、tem of a variable frequency speed regulation based on DSP chip. The system has two parts: hardware and software. The hardware part is: the main circuit, protection circuit and control circuit. The main circuit uses advanced intelligent power modules IPM; the control circuit uses TMS320LF2407 DSP chi

7、p of TI company as the control chip. The main contents include: the characteristics of TMS320LF2407 chip, the principle of frequency conversion, IPM structure, SPWM pulse width control principle, the principle of direct torque control, and the use of TMS320LF2407 chip control system. DSP control sys

8、tem to realize the full digital control of variable frequency induction motor speed control based on the design, to achieve high performance, high precision, energy saving and environmental protection requirements, improve the utilization rate of energy. Key words: Digital Signal Processor； VVVF ； S

9、PWM； Induction motor - - III 目 录 摘 要 . I Abstrat . II 目 录 . III 引 言 . 1 第一章 概述 . 1 1.1 DSP 的发展趋势 . 1 1.2 变频调速技术简介 . 2 1.3 变频调速技术的发展 . 3 1.4 电动机的 DSP 控制系统 . 3 1.5 本论文主要研究内容 . 4 第二章 感应电动机变频调速原理 . 5 2.1 感应电动机的结构 . 5 2.2 交流感应电动机的工作原理 . 5 2.3 变频调速 . 7 2.3.1 变频器 . 7 2.3.2 变频器的控制 . 7 2.3.3变频调速原理 . 8 2 4 正弦

10、脉宽（ SPWM）控制理论 . 9 2.4.1 SPWM 的调制原理 . 12 2.4.2 SPWM 的生成 方式 . 13 2.5 直接转矩控制理论 . 14 2.5.1 直接转矩控制的基本数学方程 . 15 第三章 数字信号处理器 . 17 3.1 数值信号处理器（ DSP）简介 . 17 3.1.1 DSP 芯片 . 17 3.1.2 DSP 芯片的分类和选择 . 17 3.2 DSP 系统开发 . 18 3.3 DSP 的发展方向 . 19 第四章 变频调速系统硬件电路设计 . 20 4.1 系统硬件设计 . 20 4.2 变频主电路设计 . 21 4.2.1 整流电路 . 21 4.

11、2.2 滤波电路 . 21 4.2.4 逆变电路 . 22 4.3 控制电路的设计 . 23 4.3.1 DSP 最小系统设计 . 23 4.3.2 DSP 外围接口电路设计 . 23 - - IV 4.4 系统保护电路设计 . 24 4.5 其它电路设计 . 25 4.5.1 光耦隔离电路 . 25 4.5.2 速度反馈电路 . 26 第五章 系统软件设计 . 27 总 结 . 29 参考文献 . 30 附 录 . 31 后 记 . 34 - - 1 引 言 电动机是现代工业生产中 主要的动力 输出设备， 在工业生产 ，我们往往 会 对电机进行速度控制，这不但满足了生产需要，还降低了能量能耗

12、。所以对电机进行 调速控制 是企业减少能耗，提高经济效益的重要手段。 早期的直流电机以其优良的调速特性被广泛运用，但是 因 其结构复杂、维修困难、不稳定、造价昂贵、不适用于高压高速的环境等缺点，也就制约了直流调速系统的发展。交流电机，以其可靠性高、结构 简单、维修方便等优点，被广泛运用于工业生产。但是 三十年前， 因为电机控制理论和技术的原因， 直流调速系统还是优越于交流调速系统。 随着控制技术和控制理论的发展，使得交流调速系统 取得了飞跃式的发展，并逐渐代替了直流调速系统。在众多交流调速中，又以变频调速应用最广。 以 DSP 为核心的变频调速系统，相对于其它变频调速系统具有控制精度高，可靠方

13、便，成本低，适用性强等优点，是当前高性能调速系统的发展趋势。 本文设计了以 TMS32OLF2407 定点 DSP芯片为核心的变频 调速系统 对感应电动机进行调速 控制。 - - 1 第一章 概述 1.1 DSP 的发展趋势 在计算机 科学 技术 不断发展的今天 ， 电力电子技术和数字控制技术也有着 突破性发展。如今 应用 DSP 芯片来控制 系统已经成为当 前 最 热门 技术， 它已成为 高 等院 校 ， 高新技术 科研院所研 发人员的 热门 研究性 课题。 最近十年随着微电子工业的迅猛发展，由于 DSP 技术成本大大降低，使得 DSP 技术成为实用技术，相对于 20 世纪 70 年代 DS

14、P 系统平均每秒完成 100 万次的运算花费的万元，现在通用 DSP 处理器费用已降到数十元左右，且会越来越便宜 。 DSP 运算以其较低的运算成本，使得 DSP 技术被广泛运用于通 信领域和消费电子领域，并且越来越多的家电产品也使用 DSP 技术。 随着 DSP 芯片的种类和技术的不断完善和提高 ，使得 DSP 技术向着高性能，多功能，低能耗的方向发展。 DSP 技术应用前景将 十分 广阔。 DSP 应用产品具有 着 巨大的市场需求 ， 我们 就美国市场而言，据 不完全统计 ， 21 世纪将 会 有 几 亿辆汽车 和 几千万台个人通信装置 ， 以及数以百万计的工厂 会 使用 DSP 系统。业

15、界 专 家认为， DSP 系统 会 在 IP 电话、 手持式通信设备的 助推 下将会有突飞猛进的发展。 DSP 系统不仅在传统的工业控制 ， 通信和图象处理领域有 十分 广泛的应用空间，如智能工控设 备、 POS/ATM 机 等，而且在信息家电领域的应用更具 有十分 广泛的潜力， 例如机顶盒、变频冰箱和变频空调等众多家电产品，以及在车载盒和智能交通等领域的应用同样 呈现出前所未 有的潜力 。 （ 1）智能 家电领域 ，随着 变频空调和变频冰箱， 数字 电视等智能家电产品被广大消费者所亲睐， 为特定 的 DSP 操作系统提供了应用发展空间。 智能家居是未来发展的 主流 方向，估计 在未来几年内将

16、得到迅速的 发展。 （ 2）智能汽车领域 ， 随着无线通信 技术和全球定位技术的发展与 广泛应用，集通信、 、导航、 各类汽车安全 系统于一体的车载盒 必定会成为未来汽车的发 展方向。因为目前 市场需求 很大 ， 所以车载盒必将成为 未来 几 年来发展的热点， 增加 了 该领域未来几年 在dsprtos 应用市场规模 。 （ 3）智能交通领域 ， 随着 当前 人们对 生活 环境要求的不断提高，智能交通系统（ ITS）将是一个新世纪快速 发展的支柱产业。 应用了 DSP 控制 操作系统将 会 是发展智能路车交互系统、 综合路口控制机、收费综合管理系统、新型停车系统与高速公路的信息监控的重要技术，

17、它的应用将保证 智能交通系统的高性能、低成本 ，系统的可靠性和智能化程度 都得到了大大提高 。 - - 2 (4)其它领域的应用，如视频会议系统、全数字电机控制系 统 、 通信 和医疗 等 领域，都 离不开 DSP 操作系统。 1.2 变频调速技术简介 变 频 调速 技术是一种 通过 改变交流电机的频率来实现对 交流电机调速 为 目的 的技术 。我们都知道，目前，不管什么样的机械 调速器， 都 通过电机实现。从大的范围分，有直流电机和交流电机。 由于直流电机的速度控制很容易实现良好的性能，所以在过去多用直流电机调速。 但 其 的缺陷 是 ：由于直流电机 用的是 直流电源，其滑环和电刷应经常更换

18、，它是 不仅 费 时，而且很 昂贵的，带来太多 不必要的 麻烦。所以人 们 希望 做一个 既 简单 的 又 可靠的廉价的 笼式交流电机的速度也像直流电机 一样轻松实现 调速目的 。 这 就有了 定子调速，滑差调速， 变极调速， 串极调速 ， 转速电阻串 等方法。 当然 ， 也就有了 滑 差 电机，同步交流电动机 ，绕线电机 。 随着电力电子技术 和 微电子技术 的发展 ， 才有了 变频 调速 技术的 出现， 变频调速技术 以其优良的性能 ，使得其它 交流电机 调速方法被它取代了 ，以及直流电机的速度，并成为 电气传动中枢 变频调速 被认为是一种理想的 速度的方法。但如何得到一个单一的 向 异步

19、电动机 供电的 既 经济 又 可靠的变频电源，已成为 交流变频调速 一个主要的问题。 到二十世纪六十 年代中期， 随着 普通晶闸管，功率管 被广泛运用 ， 才 有了静止变频装置，它是通过 变换三相 工频电源后， 得到可调频率的交流电 。这 种改变 频率的装置，其体积大，成本高，大多是针对特定的控制对象而研制的， 一般 都是 小容量，控制 方式 也 不是 很完善 。调速完成后 电机的静态和动态性能 有必要再 改善，尤其是低速性能不理想，因此只能用于纺织 、 磨床和其他特殊场合。 随着 电力电子技术 的 发展 ,变速传动技术也进步迅速 ,然后就 出现 了现在的 普通 变频器。 由于 它的功能丰富

20、,所以被 应用于不同的负载和场合 ,尤其 是在二十世纪 90年代 ,随着矢量控制技术 ,半导体开关器件 IGBT 成熟 ,微机控制变频调速 已经被广泛的运用 ,通过变频调速后的 异步电 动机的 动态特性 和静态特性，已经能够达到直流调速相同的效果了。由于变频 器 所用的 大规模集成电路 ,半导体开关装置 ,传感器 等器件的性能不断的提高 ,使得我们 进一步提高 改善 变频器的性能和功能。 当前，变频 的功能 不但丰富 ,而且 操作 起来也非常方便 ,其性能越来越稳定，使用 寿命 也越发长久 。 我们所说的变频也就是 使用电力电子器件 (如 GTR 功率晶体管、绝缘栅双极型晶体管IGBT)将 5

21、0 赫兹 的 市 电变化为生活中所需的不同频率的电 。它 可以 分为 直流变频和间接变频。 间接变频 有 谐振 和方波 两种 方式， 谐振变频 多 用于中频加热 ； 方波 变频分为 等幅等宽和 SPWM 变频 。 我们 常用 到 的方法有正弦波 和三角波 比较 SPWM 法 , 等面积 SPWM 法 和 磁跟踪型 SPWM 法 - - 3 1.3 变频调速技术的发展 异步电动机的调速方法有很多，常见的有，变压调速、变级对数调速、电磁转差离合器调速、变频调速等。 交流变频调速技术 的 优点 是 : （ 1） 效率高 ,平滑性好 （ 2） 起动电流低，节能效果明显 （ 3） 调速 精度高 ，范围大

22、 （ 4） 自动化程度高 电力电子变频技术在二十世纪得到很快发展。 20 年代，早期 交流变频调速 原 理诞生 ；60年代，电力电子器件的 发展，让 变频调速技术更加的实用； 70 年代，石油危机 促使 发达工 业国家 投入 大量人力和资金去研究 更加 高效率的变频器，让 变频调 速技术迅猛发展和被广泛运用； 80 年代 ，变频调速 的 性能不断 的 被 提高， 因其优越性被用于 构成高性能的调速系统； 90年代，新型电子器件 的应用 ， 使变频调速技术更加高效 。 随着计算机技术发展 和先进的控制理论 的提出， 使得变频调速技术不断被完善 ， 它 在驱动能力， 调速范围， 动态响应和 调速精

23、度 等方面 ， 比其交 流调速方式更优越， 它 以其优越性能 逐渐取代了直流调速系统 。 当 前 ， 交流变频调速技 术 被 认为是一种最有 发展前景 的交流调速方式，它 代表了电气传动发展的前进 方向。 如今，变频调速理 论己 较为完善 ，成为一门相对独立的学科。 变频调速技术 为企业改善电机 控制性能、节能降耗和提高生产效率 提供了重要的手段 。 1.4 电动机的 DSP 控制 系统 电动机的 DSP 控制系统绝大多数是模拟部件和数字部件两部分组成的混合系统，当前的发展方向是全数字控制系统。在电动机的 DSP 系统中，一般存在数字信号与模拟信号，这些信号可分为连续信号和离散信号两种。例如：

24、电机的电压与电流就是连续模拟信号，它们被采样保持后就成为了离散模拟信号了；键盘输入的信号则是数字信号。因为 DSP在处理运算时只能识别 和依次处理数字量，所以 DSP 对外界信息的传递和处理只是一个采样过程，也就可以说电动机的 DSP 控制系统是离散的系统。 DSP 控制的系统相对于传统的单片机和微机控制系统具有更快的运算速度，精度高，大的储存量，具有多种输入输出端口，各种中断处理能力，逻辑控制功能 ，所有的控制硬件都集成在同一块 DSP 芯片上。随着集成电路技术的不断发展， DSP 芯片的功能也越来越强大。以 DSP 为核心控制系统有以下特点： 1)计算能力强，储存容量大，丰富的逻辑判断能力，可进行复杂的控制你规律。 2)使电机控制器硬件更加轻巧，能耗更低。 3)计算精度高，系统更稳定 4)硬件与软件的有机结合，使系统具有很高的灵活性。