1、 本科毕业论文 （ 20 届） 异步电机变频调速系统数字检测装置设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 三相异步电动机是人类生活和生产中应用最广泛的一种电机，它们的正常运行对生产过程有着极为重要的影响。由于工作环境恶劣以及 自然老化等各方面的影响，异步电动机故障时有发生。电动机故障不但会损坏电机本身，而且关系到整个生产系统的正常工作，严重的会危及人身安全，造成巨大的经济损失。因此，设计一套数字检测装置对异步电动机故障进行分析和检测就显得尤为重要。 本文以异步电机 变频调速系 统为研究对象 ， TI 公司的 电机控制专 用微处理器
2、TMS320LF2407A 型数字信号处理器（ DSP）为系统的控制核心，首先提出了异步电机变频调速系统中相关参数检测的意义与数字检测的优点；接着就异步电机变频调速系统的三种控制方式进行介绍，分别是 U/f 控制、转差频率控 制和矢量控制等控制方式；然后分别对异步电机变频调速系统数字检测装置的硬件方面和软件方面进行了设计，设计一套适用于异步电机变频调速系统的数字检测装置。本数字检测装置的硬件检测的电参量和非电参量比较全面，可以用来测量定子电流、定子电压、转速、频率、电压与电流的相位差，还有直流侧的电压，最后，将检测的数据都采用 LED 数码管显示。检测的方式是采用交流检测法，并且使用了离散傅里
3、叶算法 DFT，提高了系统的检测的精度和响应速度。另外，本装置对检测精度要求较高，检测电路中选择的都是具有高精度的元器件。 关键词 ： 电机参数； DSP；数字检测；变频调速 II Abstract Three-phase asynchronous motor is the most widely used of a motor in human life and production, their normal operation has a very important impact to the production process. The asynchronous motor bre
4、akdown occurs frequently, owing to various stresses and natural aging, faults may often occur when squirrel cage induction motors work. The fault will not only destroy the motors themselves, but also influence the normal operation of the whole system, even endanger personal safety and cause enormous
5、 economic losses. For that reason, design a digital detection device for induction motor fault analysis and testing is particularly important. In this paper, induction motor speed control system for the study, which is TIs motor control dedicated digital signal processor TMS320LF2407A microprocessor
6、 (DSP) is the core of the system. First proposed the significance of detection of the relevant parameters and the advantages of digital detection In the induction motor speed control system. Then introduced the three control modes of the induction motor speed control system, they are U / f control,
7、slip control, frequency control and vector control. Then, design the Hardware and software components for Induction motor speed control system digital detection device, designed a digital detection device for induction motor speed control system. The hardware of the digital detector is Very comprehe
8、nsive Detection of electrical parameters and non-electric parameters, can be used to measure the stator current, stator voltage, speed, frequency, voltage and current phase, as well as DC voltage, Finally, the test data are digital display by LED. Detection method is the AC detection method, moreove
9、r, DFT Discrete Fourier algorithm is used, Improved accuracy and response speed of the system. In addition, the device for detection of high precision, detection circuit are selected with a high-precision components. Key words: Electric machine parameter; DSP;Variable frequency speed variation III 目
10、 录 前言 . 1 第 1 章 绪论 . 2 1.1 数字检测技术的发展及现状情况 . 2 第 2 章 异步电机变频调速系统 . 3 2.1 变压变频调速的基本原理 . 3 2.2 U/f 控制 . 3 2.2.1 基频以下调速 . 3 2.2.2 基频以上调速 . 4 2.3 转差频率控制 . 5 2.3.1 转差频率控制的基本思想 . 5 2.3.2 转差频率控制的系统结构及性能分析 . 7 2.4 矢量控制技术概述 . 7 2.4.1 坐标变换 . 8 2.4.2 异步电动机的动态数学模型 . 9 2.4.3 异步电动机按转子磁链定向的矢量 控制系统 . 11 第 3 章 变频调速系统数
11、字检测电路硬件设计 . 15 3.1 变压变频调速系统主电路 . 15 3.2 检测电路 . 16 3.2.1 电流检测 . 16 3.2.2 电压检测 . 18 3.3.3 转速检测 . 18 3.2.4 频率检测 . 20 3.2.2 相位差检测 . 21 3.3.3 直流电压检测 . 22 3.3 控制回路 . 23 3.3.1 主控芯片 . 23 3.3.显示单元硬件设计 . 24 第 4 章 检测数据处理方法 . 26 4.1 数字测速方法 . 26 IV 4.2 数据采集 . 27 4.3 数字滤波方法 . 28 4.4 检测数据运算方法 . 29 第 5 章 检测软件设计 . 3
12、1 5.1 主程序结构框图 . 31 5.2 故障处理模块 . 31 5.3 AD 采样模块 . 32 5.4 速度采样模块 . 33 5.5 频率采样模块 . 33 小结 . 35 致谢 . 36 参考文献 . 37 1 前言 三相异步电动机具有结构简单、使用方便、运行可靠，并且能适应各种复杂的工作环境，因而被广泛地应用于从工农业生产到人们日常生 活的各个领域和部门，是一种需求量最大、覆盖面最广的电机。 由于恶劣的工作环境、电机的自然老化，还有受电机制造水平、检修质量、运行管理水平等方面的制约，异步电动机故障时会发生。目前，随着现代工业的发展和设备制造水平的不断提高，电机的使用数量在生产系统
13、中不断增加，单机容量也不断升高。特别是随着当今自动化水平逐日提高，系统的规模越来越大，电机一旦发生故障，诸如电流、电压过高过低，均能影响电机的正常使用功效及使用寿命，而且会关系到整个生产系统，严重地还会危及人身安全，造成不可估量的经济损失和不好的社会影响。所以，保 证电机在生产过程中的安全可靠运行具有至关重要的意义。 目前，异步电动机初发故障的检测一般是通过在线监测异步电动机的电压、电流、转速、频率等相关运行参数，判断设备是否处于正常状态，以制定合适的检修时间和方案，使传统的事后维修方式逐步转变为预知维修方式，使异步电动机维修体制发生了一次飞跃，从而达到减少事故停机损失、提高设备运行的可靠性、
14、降低维修费用的目的。 随着全球工业的快速发展，工业生产能耗高，能源相对来说比较短缺，节能是急待解决的问题。调查显示，我国的发电总量中，电机是能源消耗大户之一，占工业耗电量的 80%，因此变频节能领域在我国有非常大的潜力。此外，通过交流调速技术不但能提高产品的质量和产量，还促进了交通运输系统的交流化。所以，发展交流调速技术尤其是变频调速技术势在必行。 但由于新一代变频器具有很高的载波频率和电压上升率（ /dVdt )，使得电机所承受的电应力大大增加了，变频器供电也给电机的可靠运行带来了一些新的问题。原有的电机在设计时一般没有考虑这一因素的影响，因此使用了变频器供电后故障率提高了不少。这一现象在国
15、外正在引起越来越多的重视。 综上所述，设计一套完善的数字检测 装置对异步电机变频调速系统进行故障检测是必要的，通过对一般常见故障的进行检测和分析，可以较早发现故障和预防故障的进一步恶化，最大程度地减少或者避免恶性故障造成的经济损失，并为实现预知检修创造条件，对保证安全生产也有着重要意义。 2 第 1 章 绪论 目前交流调速电气传动已经成为电气调速传动的主流。随着现代交流电机调速控制理论的发展和电力电子装置功能的完善，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，交流电机调速取得了突破性的进展。 1.1 数字检测技术的发展及现状情况 早期的异步电机的参数检测中，一般采用的是模拟电 子技术，测量装置的体
16、积大、功能单一、自动化程度不高和数据测量精度低，难以进行谐波分析，不具备综合分析和判断功能，不能及时发现电机中的异常现象，并且数据不能存储和通讯。 近年来，随着微处理器和大规模集成电路的飞速发展， 微机广泛地应用于电机测量中，使得电机的测量、监控技术得到了很快发展，精度和实时性有了较大的提高，数字化的测量方法逐步取代 传统方法。与传统的方法相比，数字化测量的优点在于硬件成本低、适应性强、对于不同的测量对象只需改变程序的算法，且精度一般优于模拟式测量。 但是电机对检测装置的实时性、计算能力及大数 据量运算速度等各方面要求的不断提高，采用一片 CPU 或双 CPU微机式的电机参数检测仪器，需要同时
17、完成电机参数和谐波的大数据量的计算，再加上 A/D转换、数据采集、数据传送等内容的影响，致使电机测量精度和准确度越来越不能满足日益提高的性能要求。 DSP 技术的高速发展为电机参数测试技术带来了新的变革， DSP 以其运算速度快、精度高、显著的计算能力与实时性、数据输入输出能力强等特点而被广泛应用，并且采用 DSP 开发的测量装置体积小，集成度高；随着 DSP 芯片的性价比不断提高，开发工具越来越完善， DSP 的应用成为目前电机参数测 试开发的最新趋势，在电机参数测量领域逐步取代单片机的趋势。 本设计是一种基于 DSP 技术的异步电机变频调速系统数字检测装置的设计。 与模拟控制相比，微机数字
18、控制 以微处理器为核心的数字控制的优越性表现在以下几个方面： （ 1） 控制器的硬件电路标准化程度高，成本低，可靠性高。 (2) 控制软件可以按需要更换、修改或移植，灵活性大。 （ 3）消除了模拟控制中温度漂移的影响，稳定性好。 （ 4）信息存储、监控、故障诊断以及分级控制的能力不断提高。 （ 5）随着 CPU 运算速度和存储容量的发展，各种新型的比较复杂的控制策略都 能够实现。 本课题采用 TI公司的数字信号处理器 TMS320LF2407A芯片作为 异步电机变频调速系统数字检测装置 的控制核心。它将高性能的 DSP 内核和丰富的微控制器外设功能集于一身，为电3 机的控制系统应用提供了一个理
19、想的解决方案。它简化了系统的设计，提高了控制器的实时处理能力和调速性能，增强了系统的可靠性和集成度，功能更为完善。 4 第 2 章 异步电机变频调速系统 笼型异步电动机的定子频率控制方式，有： (1) 恒压频比 (U/f)控制； (2) 转差频率控制；(3) 矢量控制； (4) 直接转矩控制等。其中，前两种控制 方式是依据异步电动机稳态数学模型，仅对交流电量的幅值进行控制，因此也称作标量控制；后两种控制方式是依据异步电动机的动态数学模型，不仅控制交流电量的幅值，而且还控制交流电量的相位。本次设计采用前三种控制相结合的控制方式。 2.1 变压变频调速的基本原理 根据电机学原理知识，异步电机的转速
20、方程为： 10 60(1 ) (1 )fn n s sp （ 2-1） 由 2-1 式可以看出，异步电机调速方法可分为三类：其一是在保持同步转速 0n 恒定，调节转差率 s，称为变转差率调速；其二是保持电源频率 1f 为额定频率 1Nf ，改变定子电压 sU ，称为调压调速；其三是在极对数 p 一定时，同步转速 0n 随频率变化，称为变频调速。本设计以变频调速为研究对象。 三相异步电动机 定子每相电动势的有效值为： Sg 1 s N m4 .4 4E f N k（ 2-2） 式中， gE 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值； sN 定子每相绕组串联匝数； SNk 定子基波绕组系数； m 每
21、极气隙磁通量。 忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降后，可认为定子相电压 gsUE ，则得 Sg 1 s N m4 .4 4sU E f N k （ 2-3） 由式（ 2-3）可知，当 1f 等于常数时，气隙磁通 gmsUE 。为了保持气隙磁通 m 恒定，应使 g1/Ef 常数，或近似认为 1U/s f 常数。 改变定子频率时会出现下面两种情况： 5 如果 1f 小于电机的额定频率 1Nf ，气隙磁通量 m 就会大于额定气隙磁通量 MN ，使铁心严重过热，从而励磁电流将迅速上升，导致电动机绕组绝缘降低，严重时有烧毁电动机的危险。由此可见，在调速过程中 不仅要保持每极磁通量 m 为 额定值 MN 恒定
22、不变，还要改变定子供电频率 1f 。 如果 1f 大于电机的额定频率 1Nf ，气隙磁通量 m 就会小于额定气隙磁通量 MN ，没有充分利用电 动机的铁心，是一种浪费。但是，如果在机械条件允许的情况下长期使用是不会损坏电机的。 2.2 U/f 控制 2.2.1 基频以下调速 由公式 2-2 可知，要保持 m常数，这就要求，当频率 1f 从额定值 1Nf 降低时， gE 也必须同时按比例降低 ，表示了感应电动势频率比为恒值的控制方式，通常称为 1/gEf控制 。当定子频率 1f 较高时，感应 电动势的有效 值也较大，这时可以忽略定子的阻抗压降，认为定子相电压 sgUE ，则得 1/sU f c ，称为恒压频比控制方式。 低频时， sU 和 1f 都变小了，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能再忽略。这时，把定子相电压有效值 sU 适当抬高一些，以补偿定子阻抗电压降影响。 在恒压频比控制的条件下，当供电 频率 1f 向下降低时， n 随着频率的改变而基本不变，其机械特性曲线基本上是平行下移的，如图 2.1 中基频以下调速部分所示。当电动机转矩 T为最大值时，机械特性曲线就折回来了。由于带定子压降补偿的恒压频比控制能够基本保持气隙磁通不变，故允许输出转矩也基本不变，所以在基频以下的变压变频调速属于“恒转矩调速”。
