1、本科生毕业论文 存档日期： 存档编号： 徐 州 师 范 大 学 科 文 学 院 本科生毕业论文（设计） 论 文 题 目： 基于 DSP 的交流变频调速系统的设计 姓 名： 学 号： 专 业 ： 电气工程及其自动化 年 级： 指 导 教 师： 科文学院教务部印制 本科生毕业论文 第 I 页 共 71 页 I 摘 要 随着工农业生产的发展，人们对调速技术的要求也越来越高，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，同时无速度传感器和基于微处理器的数字调速系统也开始逐渐进入人们研究和讨论的范围。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
2、工业生产、交通运输和家用电器中应用十分广泛，变频器作为变频技术的产品，在我国工农业等各方面有着极其重要的地位。 本文以三相交流异步电动机为被控对象 TMS320LF240X定为处理器，通过 SPWM控制技术对交流电机实现恒压频比控制，电机变频调速的理论。介绍了 SPWM 控制技术的原理 :包括单极性 SPWM 控制技术、双极性 SPWM 控制技术和 SPWM 的调制方式。给出了系统各部分硬件电路的工作原理、参数计算以及各部分器件的选取。系统硬件电路主要由主电路、系统保护电路和控制电路组成。主 电路部分包括整流、滤波、逆变器， IPM 驱动电路与吸收电路等 ;系统保护电路包括过压、欠压保护、限流
3、启动、 IPM 故障保护等 ;控制电路包括 DSP 最小系统电路。最后叙述了具体使用 DSP编写产生 SPWM 波形程序的步骤以及一些相关寄存器的设置。 死区可以防止主电路桥臂短路现象的发生 接着给出了 SPWM 波形的死区时间 ，这些波形说明电机可以稳定运行并实现变频调速。 关键词 : DSP 智能功率模块 恒压频比控制 SPWM 本科生毕业论文 第 II 页 共 71 页 II Abstract Along with the development of agricultural production and technical requirements of speed, and mor
4、e and more is also high in speed asynchronous motor is the poor performance of the state. However, the frequency conversion technology to improve the performance of ac motor speed, speed sensorless and microprocessor-based digital control system is also gradually began to enter the scope of study an
5、d discuss people. As one of the high-tech frequency conversion technology is an important energy saving and environment protection technology, in various industrial production, transportation and widely used in household appliances, inverter frequency conversion technology products, as in all aspect
6、s of our agriculture is very important position. Taking three-phase ac induction motor is accused of TMS320LF240X as processor, through the SPWM control technology to realize constant pressure frequency ac motor control motor speed, the theory. Introduces the principle of SPWM control technology, in
7、cluding single polarity SPWM control technology, the dual polarity SPWM SPWM modulation and control technology. Given the parts hardware circuit principle, parameter calculation and each part of the device. The system hardware circuit consists mainly of main circuit, system protection circuit and co
8、ntrol circuit. The main circuit includes rectifier, filtering, inverter, IPM drive circuit and absorbing circuit, etc. System protection circuit including over-voltage, protection, limited flow, fault protection; IPM Control circuit including DSP smallest system circuit. Finally describes specific u
9、se DSP write produce SPWM wave process steps and some relevant register setting. Then gives SPWM wave of dead zone, dead zone can prevent the main electric circuit of road arm, After gives different frequencies when the motor running voltage and current waveform, the line that the waveform can stabl
10、e operation and motor inverter. Keywords : DSP Intelligent power module Constant pressure frequency than control SPWM 第 III 页 共 71 页 III 目 录 摘 要 . I Abstract.II 1 绪论 . 1 1.1 电机变频调速发展现况和趋势 . 1 1.2 电力电子技术的发展现况和趋势 . 2 1.3 国内外交流调速现状 . 3 1.3.1 国外现状 . 3 1.3.2 国内现状 . 4 1.4 本论文的研究内容 . 4 2 交流电机变频调速原理 . 5 2.1
11、 三相交流电机的结构和工作原理 . 5 2.1.1 三相交流电机的结构 . 5 2.1.2 三相交流电机的工作原理 . 6 2.2 交流电机的调速方式 . 8 2.3 变频调速系统的 fU 控制方式 . 9 2.4 SPWM 控制技术原理 . 11 2.4.1 单极性 SPWM 控制技术 . 12 2.4.2 双极性 SPWM 控制技术 . 14 2.4.3 SPWM 的调制方式 . 14 3 变频调速系统的 硬件电路设计 . 17 3.1 变频调速系统的总体设计 . 17 3.2 主电路的设计 . 18 3.2.1 整流电路 . 19 3.2.2 滤波电路 . 20 3.2.4 逆变电路 .
12、 21 3.2.5 以 IPM 为功率 器件的驱动电路 . 23 3.2.6 吸收电路 . 24 3.3 系统保护电路的设计 . 24 3.4 控制电路的设计 . 29 4 变频调速系统的软件设计 .32 4.1 DSP 生成 SPWM 波形 . 32 4.2 系统程序设计 . 34 5 全文总结 .37 致 谢 . 38 参考文献 .39 第 1 页 共 71 页 1 1 绪论 1.1 电机变频调速发展现况和趋势 能源需求正极大地影响着全球经济发展。我国同样也面临着经济增长对能源需求的压力。九十年代我国高耗能产品的耗能量比发达国家高 12-55%，能源综合利用效率仅为 32%。 我国迫切需要
13、提高能源利用效率。 电机 是能源消耗大户之一。我国 电机 总装机容量已达 4 亿千瓦，年耗电量达 6000 亿千瓦时，占工业耗电量的80%，然而直到目前，我国各类在用 电机 80%以上还是中小型异步电动机，可见我国在 电机 节能领域有非常大的潜力。 电机 节能技术最受瞩目的就是变频调速技术。但是，我国变频调速技术研究虽然非常活跃，然而产业化仍很不理想，外国产品几乎占据了我国变频调速技术市场的 60%。 以下将着重介绍变频调速技术的最新发展概况。 1永磁同步电动机及其控制系统的发展具有快速电流跟踪系统的变频装置、DSP 信号处理器以及高性能钕铁硼永磁材料的发展，为各类永磁同步电动机及 其控制系统
14、的发展带来生机。 永磁同步无龄轮电动机及控制系统，是新一代的绿色电梯驱动装置。国外该类电梯专用变频装置有十分完善的软件支持，可接受任意位置传感器的反馈信号，具有自学习功能，自动识别电动机参数，在实现磁场定向伺服时，自动进行初始定位，具有和直流电动机一样优良的线性转矩控制特性。其体积小、效率高、功率因数高、振动小、噪声低，平 层精度好，在高层建筑、无机房电梯和家庭小梯中都有很大的市场。 2.变频调速系统中 PWM 技术的发展 PWM 控制是变频调速系统的核心 1，任何控法几乎都是以各种 PWM 控制方式实现。九 十年代以来的产品，正弦形 PWM（ SPWM）调制方法已逐步为以下方式取代：快速电流
15、跟踪 PWM 技术快速电流跟踪型 PWM 逆变器为电流控制型的电压源逆变器，一般采用滞环电流控制，使三相电流快速跟踪指令电流。该逆变器硬件简单，电流控制响应快，兼有电压和电流控制型逆变器的优点，普遍用于 PMSM 伺服系统和异步电动机矢量变换控制系统。磁链跟踪控制 PWM 技术这种方法把逆变器和电动机视为一体，以三相对称正弦波电压 供电 时交流电动机理想的圆形磁场为基准，用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢第 2 页 共 71 页 2 量来跟踪基准磁链园，由跟踪结果决定逆变器的开关模式，形成 PWM 波。由于磁链的轨迹是靠空间矢量的选择来实现，因此又称电压空间矢量法。直接转矩的智能控制 PW
16、M 技术常规的直接转矩 PWM 技术无法区别转矩、磁链的非常大的偏差和相对小的偏差，这将造成 电机 启动期间系统的停滞。而采用智能控制中的模糊控制，可以通过定子磁链的空间位置，由一系列偏差的正大，正 小等模糊语言，根据模糊规则推出逆变器的开关模式，使系统性能改善。双 PWM 控制技术交一直一交电压型逆变器是目前最广泛使用的型式，但常对电网构成谐波污染。目前双 PWM控制技术的研究非常活跃，即由 PWM 整流器和 PWM 逆变器组成的双 PWM 变频器无须任何附加电路就可使电网侧的输入电流接近正弦波，使系统的功率因数约为 1，彻底消除网侧的谐波污染，并实现了四象限运行。 1.2 电力电子技术的发
17、展现况和趋势 自从 1956 年第一只晶闸管的问世，电力电子技术作为电子技术的一个分支建立以来，电力电子技术已取得了令人注目的发展，早期的 半控型电力电子器件 SCR已逐渐被全控型半导体器件所代替，并发展出了多种高电压、大电流、快速 (高频 )、驱动简单、复合化和智能化的功率半导体开关器件。例如，单极型器件有功率 ;双极型全控器件有 3:GTR、达林顿管、 GTO 等 ;复合器件有 IGBT， MCT， MGT， sITH 等 ;近几年发展的智能型功率器件 IPM， SMARTFET， TOPSwctih 等。其中场效应晶体管作为一种电压控制型多子器件，具有快速、安全工作区大、容易驱动的特点，
18、因此，近些年来复合型器件被广泛应用在高频开关和电机控制中，并随着生产工艺和制造技术的 发展，性能不断被改进。例如 MOSFET 的通态内阻不断减小，新的MOSFET 通态内阻不仅比 PN 结的正向好，甚至比肖特基二极管的正向内阻还小，己成为最佳的整流器件之一 ;以 MOSFET 为基础的复合型器件 IGBT、 EIGT、 MER(固态继电器 )、 FETKEY(MOSFET+SCHOTTKY)等器件耐压不断增加，电流逐渐增大。如目前 IGBT 耐压已达到 450V 以上， EIGT 已有 4500v/1000A 的产品。同时由于电压控制型器件的应用，使功率开关管的驱动电路大大简化，例如 IGB
19、T 器件的门极驱动电路比双极型晶体管的基极驱 动电路所用的元器件要小得多，而且，所需要的驱动功率也比双极型晶体管的基极驱动电路的要少很多，从而使将驱动电路和功率开关管集成在同一芯片或模块中成为可能，并且经过了近些年来的发展，功率电第 3 页 共 71 页 3 子器件制造公司以推出了多种有智能特性的复合器件或模块，例如 SMARTFET 和护M，它们内部不仅集成了各种自保护功能，也将控制芯片集成在里面。其中 SMARTFET是采用了微电子工艺集成的器件， IPM 是一种智能功率模块。从电力电子器件的发展历程，我们可以看出电力电子器件正在向高耐压、大电流、小的正向内阻、智能化的电压控制型器件发展
20、。 1.3 国内外交流调速现状 1.3.1 国外现状 在大功率交一交变频调速技术方面，法国阿尔斯通己能提供单机容量达 3 万的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利 ABB 公司提供了单机容量为 6 万的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司 simovertA 电流型晶闸管变频调速设备单机容量为 10 一 2600kVA，其控制系统己实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。在小功率交流变频调速技术方面，日本富士 BTJ 变频器最大单机容量可达 7OkVA，IGBT 变频器已形 成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。 国外交流变
21、频调速技术高速发展有以下特点 : 1)市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和能源的全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等的节能场合，已取得显著的经济效益。 2)功率器件的发展。近年来高电压、大电流的 SCR， GTO， IGBT， IGCT 等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。 3)控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等 新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础， 16 位、 32 位高速微处理器以及数字信号处理器 (DPS)和专用集成电路 (
22、ASIC)技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能提供了硬件手段。 4)基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、专业化生产。 第 4 页 共 71 页 4 1.3.2 国内现状 从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距 10 一 15 年。在大功率交一交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当大的差距。在中小功率变频技术方面，国内学者作了大量的变 频理论的基础研究，早在二十世纪 80 年代，已成功引入矢量控制的理论，针对交流电机具有多变量、强耦合 、非线性的特点，采用了线性解 耦合 非线性解 耦合 的方法
23、，探讨交流电机变频调速的控制策略。随着高性能单片机和数字信号处理器的使用，国内学者紧跟国外最新控制策略，针对交流感应电机特点，采用高次谐波注入国内交流变频调速技术产业状况表现如下 : 1)变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模。 2)变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。 3)相关配套产业及行业 落后。 4)产销量少，可靠性及工艺水平不高。 1.4 本论文的研究内容 本文在掌握交流电机变频调速基本原理的基础上，采用电机控制专用 DSP 芯片 TMS320LF2407A，运用变频调速的价厂控制方式和 SPWM 控制算
24、法，提出了交流电机变 频调速系统的总体设计方案 ，有 速度传感器，控制电路比较简单，电机选择通用标准异步电动机，因此其通用性比较强，性能 /价格比比较高。 具体研究工作包括 :交流电机变频调速原理的研究 ;变频调速系统硬件电路的研究和设计，包括主电路、系统保护 电路和控制电路 ;变频调速系统控制软件的研究和设计。 第 5 页 共 71 页 5 2 交流电机变频调速原理 2.1 三相交流电机的结构和工作原理 2.1.1 三相交流电机的结构 定子是电动机的不动部分、它主要由铁心、定子绕组和机座组成。定子绕组是定子中的电路部分，中，小型电动机一般采用漆包线绕制卜其三相对称绕组共有六个出线端，每相绕组
25、的首端和末端分别用 D1,D2,D3 和 D4,D5,D6 标记，可以根据电源电压和电动机的额定于电压把三相绕组接成星形或三角形，参见图 2-1。 D3 D1 D5 D3 D1 D5 D4 D2 D6 D2 D6 D4 D2 D1 D6 D5 D1 D4 D2 D3 D4 D3 D6 D5 图 2-1 三相交流异步电动机接线柱的联接 转子是电动机的旋转部分，由转轴、转子铁心、转子绕组和风扇等组成。转子铁心是一个圆柱体，也由硅钢片叠压而成，其外圆周表面冲有槽孔，以便嵌置转子绕组。转子绕组根据其构造分为两种形式 :鼠笼式和线绕式。 (a)鼠笼式 鼠笼式转子是在转子饮心的槽内压进铜条，铜条 的两端分
26、别焊接在两个铜环第 6 页 共 71 页 6 上，因其形状如同鼠笼，故得名。现在巾、小型电动机更多地采用铸铝转子，即把熔化的铝浇铸在转子铁心槽内，两端的圆环及风扇也一并铸成。用铸铝转子可节省铜材，简化了制造工艺，降低了电机的成本。 (b)线绕式 其转子铁心与鼠笼式相同，不同的是在转子的槽内嵌置对称的三相绕组。三相绕组接成星形，末端接在一起，首端分别接在转轴上三个彼此绝缘的铜制滑环上。滑环对轴也是绝缘的，滑环通过电刷将转子绕组的三个首端引到机座上的接线盒里，以便在转子电路中串入附加电阻，用来改善电动机的起动和调速性能。 2.1.2 三相交流电机的工作原理 交流电动机是利用载流导体在磁场中产生电磁
27、力的原理制成的。 假设将定子绕组联接成星形，并接在三相电源上，绕组中便通入三相对称电流 : iU tsinIm (2-1) iv=Imsin( t-1200) (2-2) Iw=Imsin( t+1200) (2-3) 其波形如图 2-2 所示。 三相电流共同产生的合成磁场将随着电流的交变而在空间不断地旋 转，即形成所谓的旋转磁场， i iu iv iw 0 1800 3600 t 图 2-2 三相电流波形 旋转磁场切割转子导体，便在其中感应出电动势和电流，如图 2-3 所示。电动势的方向可由右手定则确定。转子导体电流与旋转磁场相互作用便产生电磁力 F 施加于导体上。电磁力 F 的方向可由左手定则确定。由电磁力产生电磁转矩，从
