（机械电子工程专业论文）基于dsp的电压源型矢量控制变频器的研究开发.pdf

摘要 矢量控制技术一诞生，就以新颖的控制思想，优良的动静态性能受到 了普遍的关注并得到迅速的发展。本文研究的就是采用d s p 为控制核心 的电压源型矢量控制变频器的控制系统。 矢量变换控制是以交流电动机的双轴理论为依据，在同步旋转坐标系 中把定子电流矢量分解为两个分量：个分量与转子磁链矢量重合，称为 励磁电流分量；另一个分量与转子磁链矢量垂直，称为转矩电流分量。通 过控制定子电流矢量在旋转坐标系的位置及大小，即可控制励磁电流分量 和转矩电流分量的大小，实现像直流电动机那样对磁场和转矩的解耦控 制。本文研究分析了转差频率型矢量控制和基于无功功率的无速度传感器 矢量控制。 通过深入分析空间矢量的调制与过调制，本文提出了一种基于d s p 的矢量控制实施方案。详细介绍了系统的软硬件设计，给出了电路原理图 和软件模块的设计原理和调用方法。 现代电力电子装置正在向高频化发展，在不增加硬件投资的情况下， 采取一种能降低开关损耗的控制方法对提高整个装置的效率是很有意义 的。本文深入研究了一种基于电压空间矢量的最小开关损耗p w m 技术， 给出了准优化方法和二相优化方法的相电压调制函数，并在理论分析的基 础上，通过仿真实验，对两种减少开关损耗的方法和调制与过调制进行了 分析。分析表明二相调制方法相对于准优化方法减少开关损耗近3 0 ， 空间矢量的调制与过调制可以大大的提高直流母线电压的利用率。 实验证明本文提出的基于d s p 的电压源型矢量控制变频器的软硬件 设计是成功的，其结构简单，性能良好，为今后开发高性能的矢量控制系 统奠定了良好的基础。 关键字：d s p ；变频器；矢量控制；空间矢量调制：转差频率；无功功率； 调制函数；开关损耗 a b s t r a c t s p a c ev e c t o rc o n t r o ls c h e m eh a sb e e nw i d e l ys t u d i e da n du s e d d u r i n gr e c e n ty e a r sd u et oi t sn o v e ls t r a t e g y i nt h i st h e s i s ，a v o l t a g e v e c t o rc o n t r o li n v e r t e rb a s e do nd s pi ss t u d i e da n d d e v e l o p e d s p a c ev e c t o rc o n t r o la c c o r d i n ga sa ci n d u c t i o nm o t o rt w o a x i s t h e o r ys p e e ds e p a r a t e st h es t a t o rc u r r e n ti n t ot w oc o m p o n e n t s ，o n e i st h et o r q u ec o m p o n e n t ；t h eo t h e rist h ef l u xc o m p o n e n t as t r u c t u r e s i m i l a mad cm a c h i n es t r u c t u r ew h e r e t o r q u e a n df i e l dc a nb e c o n t r o l l e di n d e p e n d e n t l yisg i v e n i nt h ist h e s i s as l i df r e q u e n c y v e c t o rc o n t r 0 1s y s t e ma n das p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e m b a s e do nr e a c t i v ep o w e ra r ei n v e s t i g a t e da n da n a l v z e d e x p l a i nt h e i d e aa n dt h e o r yo fs p a c ev e c t o rm o d u l a t i o na n d o v e r m o d u l a t i o n t h ei m p l e m e n t a t i o no fs v ma n dt h er e a l i z a t i o n s c h e m ea r eg i v e n s w i t c h i n gl o s s e sa n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h es w i t c h i n gl o s s e s c a nb ee x t r e m e l yr e d u c e dw i t hd i f f e r e n tl o a dq u a l i t i e sb yc h o o s i n g p r o p e rp h a s e v o t t a g em o d u l a t i o nm e t h o d t h em e t h o d o fm i n i m u m s w i t c h i n gl o s s e ss v mi si n v e s t i g a t e d t h em o d u l a t i o nf u n c t i o n so f aq u a s i - o p t i m u mm e t h o da n dat w o p h a s em o d u l a t i o nm e t h o da r eg i v e n t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dr e s u l t o fs i m u l a t i o ni n d i c a t e t h a tt h et w o p h a s em o d u l a t i o nr e d u c e st h es w i t c h i n gl o s s e s 5 0 r e l a t i v et ot h eq u a s i - o p t i m u ma n dt h es p a c ev e c t o rm o d u l a t i o na n d o v e r m o d u l a ti o nc a ng e n e r a t eh i g h e rv o l t a g e sw i t hl o wt o t a lh a r m o n i c d is t o r ti o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d ic a t et h a tt h es c h e m eo fs o f t w a r e a n dh a r d w a r ei ss u c c e s s f u l t h ea d v a n t a g e so fc o m p a c ts t r u c t u r ea n d c l e a rt h i n k i n gl a yt h ef o u n d a t i o no fd e v e l o p i n gb e t t e rp e r f o r m a n c e v e c t o rc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：d s p ：i n v e r t e r ：v e c t o rc o n t r o l ：s p a c e v e c t o rm o d u l a t i o n s l i d f r e q u e n c y ；r e a c t i v ep o w e r ：m o d u l a t i o n f u n c t i o n ； s w i t c h i n gl o s s e s 日u舌 前言 我国在交流传动方面的研究起步较晚，与先进的工业国家相比尚有较大 的差距。虽然在基本理论及新型控制方法的研究上，有关高校、研究所及工 厂都开展了不少工作，并且具有了一定的基础，但是在产业化的能力上与国 外相比则相距甚远。尤其在高性能的交流传动方面，由于生产工艺差，元件 依赖进口、缺乏有效的开发工具，变频器的生产还处于较为初级的“作坊” 阶段，还没能形成系统化规模生产，因而开发出来的产品性能较差、生产成 本高、可靠性较低。据有关部门调查统计，国内约有7 0 的电气传动产品大 体只相当于国际7 0 年代水平，另外3 0 能达到8 0 年代中后期的水平。也就 是说，国内至少落后了2 0 年”j 。 国外在这方面却已是远远地走在前面，各家公司如安川、a b b 、西门子、 富士、三菱等纷纷推出了自己的产品。在市场相互竞争中产品不断更新换代， 电力电子新技术的引入也使交流传动产品形式、功能日趋多样化，用户可以 根据各自不同的需求选购各种容量、各种功能的产品。另外，自诊断、自测 试、无速度传感器的技术使交流传动产品更加可靠，性能也更加全面。 我国工业目前对变频器的年需求量相当大，性能优异的无速度传感器调 速系统更受青睐。随着近几年交流传动产品市场的逐年扩大。预计通用变频 器市场到2 0 0 1 年底将达1 0 亿元人民币以上。而且前由于国产的交流传动系 统无论在质量还是数量上均不能满足国内的要求，于是大量的国外产品涌入 中国市场，它们以优越的性能、多样的功能占领了国内8 0 9 0 的市场。国 产变频器产品不仅难以形成与进口产品相抗衡的势头，反而陷入性能差、成 本高、效益低、缺少二次开发资金从而性能差距进一步扩大的恶性循环之中。 不少原来开发传动产品的厂家不得不依靠代理国外产品来填补经济效益上的 缺口或者干脆走变频器二次开发，搞工业控制设备配套服务的更实惠的路子， 从而逐步放弃了变频器生产市场。仅有少数起步较早，技术和资本较雄厚的 厂商尚能在严峻的竞争中获得一定的市场份额。 因此，追踪国外最新科研动态，立足于交流传动的前沿，开发高性能的 交流传动装置并尽快将之产品化，已成为振兴我国民族变频器工业面临的一 个有待解决的课题，这对于我国的经济发展也同样具有重大意义。 在电机控制领域中，以8 位，1 6 位单片机作为控制核心的系统，能满足 一般要求，且价格低廉，经过十多年的推广和发展，其设计和使用方法已为 广大技术人员掌握，得到了广泛的应用。但随着控制算法的日益复杂计算 量越来越大，对实时性和精度的要求越来越高，因而单片机速度慢、计算能 力薄弱的缺点越发明显，成为制约电机控制发展的瓶颈。与此同时，d s p 器 件的价格却大幅下降，它计算能力强，速度快，可大大地缩短控制周期，并 促使诸如状态观测器、参数估计器、非线性解耦等现代控制理论和技术实用 化。 此外，对于基于d s p 的矢量控制系统的研究，目前大多集中于在矢量控 r q舌 制上的应用，而对于最小开关损耗技术的研究与应用的文章尚不多见，即使 在国外，成熟的矢量控制产品也多以无速度传感器控制居多，在产品中采用 最小开关损耗技术的也仅有国外少数几家公司。 针对上述情况，本文提出了一种基于d s p 的矢量控制方案，对系统的软 件和硬件进行了详细设计，并在理论分析的基础上，通过仿真实验，对减少 开关损耗的方法进行了深入研究，取得了令人满意的结果。本文主要介绍了 下述一些已完成的主要工作： 1 对有速度传感器的转差频率型磁场定向控制的原理进行了研究。 2 对基于速度评估的无速度传感器矢量控制方法进行了研究，建立了自 适应参考模型m r a s 。 3 ，提出了一种基于d s p 的电压源型矢量控制变频器的控制方案，并以 d s pt m s 3 2 0 f 2 4 0 x 为主控芯片，完成了控制板电路和印刷电路板的 设计制作。 4 深入研究了电压空间矢量调制及过调制的方法。 5 对基于电压空间矢量的最小开关损耗p w m 技术进行了对比研究。 6 。用d s p 汇编语言完成了控制板的软件设计。 实验证明本文提出的基于d s p 的电压源型矢量控制变频器的软硬件设 计是成功的，其结构简单，性能良好，为今后开发高性能的矢量控制系统奠 定了良好的基础。 第一章变频i 闫速技术及d s p 简介 1 变频调速技术及d s p 简介 1 1 变频调速技术的发展i l 曲l 交流电动机，特别是笼型异步电动机，结构简单，坚固耐用，价格便 宜，不需要经常维修，应用十分广泛。但是，尽管笼型异步电动机与直流 电动机早己问世一百多年，但直到上世纪7 0 年代，凡是要求调速范围广， 速度控制精度高，动态响应性能好的场合，几乎全都采用直流电动机调速 系统。交流电动机，特别是笼型异步电动机和同步电动机则主要用于不需 要变速的电力传动系统中。其原因是： 不论是异步电动机还是同步电动机，唯有改变定子供电频率调速最为 方便，而且可以获得优良的调速特性，而大容量的变频电源却在长时期内 没有得到很好的解决”j 。 异步电动机和直流电动机不同，它只有一个供电回路一定子绕组， 这就使得它的速度控制比较困难，不像直流电动机那样通过控制电枢电压 或控制励磁电流均可方便的控制电动机的转速。从电动机的运动方程式 i 一疋= ，a 出y _ o ( 1 - 1 ) o = i ( o d t + 吼( 1 - 2 ) ( 式中t 电磁转矩，疋负载转矩，j 转动惯量，0 0 转子初始相角) 可知，对电动机转子角速度的控制或对转子转角护的控制，归根结底是 要对电动机的电磁转矩进行有效的控制。直流电动机的工作原理可用图l i 加以说明。如果不计磁路饱和的影响，且用矢量呒表示气隙磁通的空间位 置、用矢量，表示电枢电流矢量( 电枢磁动势矢量) 在空间的位置，则电磁转 矩为 t = k r 死，= k ，i | j s i n 9 0 。= 巧缈。，( 1 3 ) 式中，足，为一常数。可见，真流电动机电磁转矩的控制可以分别对电( 电 枢电流) 和磁( 励磁电流) 进行独立控制，相互间没有耦合。只要能对电枢电 流或励磁电流进行有效的控制，则电动机的转矩和运动就可以按照规定的 规律和稳态、动态响应性能得到控制。交流电动机则不同，异步电动机的 电枢和励磁是同一绕组，只有一个供电回路，简单地控制电枢电压或电流 并不能准确地控制气隙磁通和电磁转矩，从而不能有效地控制电动机的运 第章变频调速技术及d s p 简介 行规律。 从1 9 5 6 年美国的贝尔 实验室发明硅可控整流器 和1 9 5 8 年通用电气公司推 出硅可控整流器开始，由 硅可控整流器 ( s i l i c o n c o n t r o l l e d r e c t i f i e r s c r l 组成的 交一直一交变频器和交一 交变频器( 周波变换器) ，使 图1 1 直流电动机示意图 三相交流电动机由恒频供电改为变频供电成为可能，从而解决了变频调速 的电源问题。其后出现的门极关断( g a t e t u m - - o f f - - g t o ) 晶闸管、大功率晶 体管( b i p o l a rj u n c t i o nt r a n s i s t o r b j n 、绝缘栅双极晶体管( i n s u l a t e dg a t e b i p o l a r t r a n s i s t o r - - i g b t ) 芹e 1 功率场效应晶体管m o s f e t 等，由于导通和关 断均可控，而且通断时间均较s c r 大大缩短，使得采用脉冲宽度调伟f ( p u l s e w i d em o d u l a t i o n p w m ) 的交一直一交电压型变频器得到迅速的发展和应 用，从而使变频器输出波形的质量和响应速度都得到了很大的改善，变频 器的容量也在不断地增大。 在交流电动机的控制策略方面，1 9 7 1 年德国学者f b l a s c h k e 发表论文， 提出了交流电动机的磁场定向控制( 即矢量变换控制1 的原理，为高性能的 交流传动控制奠定了理论基础。矢量变换控制( t m n s v i c t o r c o n t r 0 1 ) 是以交流 电动机的双轴理论为依据，在同步旋转坐标系中把定子电流矢量分解为两 个分量：一个分量与转子磁链矢量重合，称为励磁电流分量；另一个分量 与转子磁链矢量垂直，称为转矩电流分量。通过控制定子电流矢量在旋转 坐标系的位置及大小，即可控制励磁电流分量和转矩电流分量的大小，实 现像直流电动机那样对磁场和转矩的解耦控制h j 。 矢量控制理论的提出和成功应用，开创了用交流调速系统取代直流调 速系统的时代，激发了人们研究高性能交流调速系统的兴趣和热情。8 0 年 代掀起了交流调速热，矢量控制理论进一步完善和发展，矢量控制系统进 一步简化与合理，一些新的控制策略和方法相继提出并被采用。1 9 8 5 年另 一位德国学者d e p e n b r o c k 提出了一种异步电动机的直接自控制理论( d i r e c t s e l f - c o n t r o l - - d s c ) ，通常称为直接转矩控制【8 。直接转矩控制利用观测器 观测异步电动机的电磁转矩和定子磁链，采用闭环控制直接控制电磁转矩 和定子磁链，不需进行复杂的坐标变换，系统更加简单，控制更加直接， 引起人们极大的兴趣。不少学者还把现代控制理论一些成果，例如状态观 测器、滑模变结构控制、模型参考自适应控制、模糊控制、非线性反馈解 耦控制、逆系统理论与逆系统方法等用于交流传动系统的控制，阱获得交 流传动系统的高性能。 4 卜 己_ 第一章变频调速技术及d s p 简介 诸如矢量变换等复杂的在线运算，所以电路十分复杂。从8 0 年代开始，控 制器经历了8 位机、1 6 位微机到3 2 位微机和高速数字信号处理器( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r - - d s p ) - 三个阶段的发展，实现了系统的全数字化控制，不但 使控制电路大大简化，改善了系统的可靠性、可使用性、可维修。| 生( r e l i a b i l i t y 、 a v a i l a b i l i t y 、s e r v i c e a b i l i t y - - r a s ) ，而且使交流调速系统的功能更加完善， 使用更加方便，以致进入9 0 年代后交流电动机及其控制系统正在取代直流 电动机成为电力传动系统的主流。 异步电动机的调速方式有很多种，常见的有：( 1 ) 降电压调速；( 2 ) 电磁 转差离合器调速：( 3 ) 绕线转子异步电动机转子串电阻调速：( 4 ) 绕线转子异 步电动机串级调速；( 5 ) 交极对数调速；( 6 ) 变频调速等等1 4 j 。 按照交流异步电动机的基本原理，从定子传入转子的电磁功率只可分 为两部分：一部分是拖动负载的有效功率= ( 1 一s ) 只，另一部分是与转差 率s 成正比的转差功率只= t 巴。因此从转差功率是否增大，是消耗还是回 收即调速系统的效率高低出发，把异步电机调速系统分为三大类： 1 转差功率消耗型调速系统全部转差功率都转换成热能的形式而消耗 掉。上述的( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 三种调速方法都属于这一类。其调速效率最低，它 是以增加转差功率的损耗来实现转速的降低( 恒转矩负载) 。由于这类调速系 统结构简单，故在调速不大的场合仍有一定的应用。 2 转差功率回馈型调速系统转差功率的一部分被消耗掉，大部分则通 过变流装置回馈电网或者转化为机械能予以利用。上述的第( 种调速方法 串级调速属于这一类，其效率比第一类方法要高，但总还是有部分能量 在增设的变流装置中被消耗掉。 3 转差功率不变型调速系统转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避 免的，在这类系统中转差功率基本不变，因此效率最高，上述的( 5 ) 、( 6 ) 两 种调速方法属于此类。其中变极调速只能是有级调速，应用场合有限。只有 变频调速应用最广，可以构成高性能的调速系统，取代直流调速，最有发展 前途。 由于控制理论上的突破和电力电子技术的迅猛发展，变频调速装置和交 流调速系统的发展十分迅速。纵观1 5 年来交流调速技术的发展，可以用一 句话来概括，即一代器件更新一代线路，一代线路更新一代装置。目前，中、 小容量变频装置的发展概况如下： 中、小容量变频装置发展的特点是通用化、系列化和规模化生产。曰本 是世界上变频器产量最大的国家，中、小容量变频器在中国的市场也最大。 以安川、富士、三菱公司最早，其后很多公司的产品也先后进入中国市场。 e 星：呈奎塑塑壅垫查墨旦翌笪坌 欧美日不少厂家的产品也进入了中国市场，如欧洲的a b b 公司，德国的 s i e m e n s 公司。中小容量变频器几乎全都采用二极管整流，自关断器件( g a r ， i g b t ) 逆变的交一直一交电压型p w m 变频控制方式，输出正弦波电流。最 新的产品全都采用微机全数字化控制。 我国的变频器生产已经初具规模深圳华为电气( 现已经改名安圣电气) 、 成都佳灵电气、成都森兰、大连普传科技都是变频器研究、开发、生产的高 新技术企业，拥有雄厚的技术实力，相信不久的将来可以取代国外品牌，创 建我们自己的国产名牌。 通用化是中、小容量变频器最突出的特点 4 】，其表现为： 1 输出频率范围宽目前通用变频器的输出频率可达4 0 0 h z 或更高，不但 能用于工频电动机的调速，而且可用于中频电动机的调速控制。 2 ，高精度和高分辨率最新的变频器其频率分辨率和控制精度可以达到 0 0 0 2 h z ，以适应精确调速场合的要求。 3 转差补偿功能由于采用了3 2 位微机或d s p 高速数字化控制，能够进 行瞬时转矩检测和运算，根据负载转矩的大小对转差进行补偿，使异步电动 机在速度开环的情况下能够得到硬特性，以满足稳速运行的要求。 4 转矩提升功能瞬时转矩检测和控制可使启动时电动机的转矩增加到额 定转矩的1 5 0 ，以适应像窑炉、起重机等要求大启动转矩设备的需要。 5 转矩限定功能通过对转差的控制可将电动机的转矩限定在预置的某一 个值，而且在运行中不会因负载突变导致变频器过电流而跳闸。 6 自动加、减速利用转矩限定功能，在加、减速过程中可以根据负载转 矩的大小自动调整加、减速时间，以免瞬时转差过大或制动过程泵升电压过 高而跳闸。 7 避开某一频率在启动过程或稳定运行时，可以通过预制而避开在某 频率运行，以免产生机械共振。 8 瞬时停电自动再启动短时间的供电电源故障，由于存在机械惯性，在 电源恢复后电动机的转速可能尚未降到零。变频器可以根据电源恢复时电动 机的实际转速计算出对应的输出频率，以此频率为起始频率使电动机重新启 动并加速到停电前的运行状态，以适应不允许停电设备的需要。 9 通信和联网功能最新的变频器均设有r s 一4 8 5 、r s 一4 8 2 等通信接口，以 备联网运行。 1 0 参数预置功能为满足不同用户的需要，各种运行参数均可事先预置。 像、曲线、转矩提升曲线、转矩限定曲线等，一般都有几十种可供选择。 起、制动时间的选择范围宽达0 2 3 6 0 0 s ，起、制动曲线可以选择线性加减 速，也可选择指数曲线或s 曲线加减速。转差补偿的程度，即机械特性的硬 兰二蔓垩塑塑垩垫查墨旦! ! 塑坌 度也可以预置。一般变频器可预置的参数都有几十种之多，而且可以满足 各类传动系统的要求。 通用化的另一表现为系统结构的模块化，即通过更换不同的控制模板 可以使通用变频器增加用途而不过多增加成本。 目前，中、小容量变频器正朝着小型化、低噪声、智能化和高性能的 方向发展。i g b t 的开关频率可以超过2 0 k h z ，可以使变频器输出电流的 谐波很小并实现静音。专用集成电路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t - - a s i c ) 、现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m a b l eg a t ea r r a y - - f p g a ) 以及计 算机电路一体化的智能功率模块( i n t e l l i g e n t p o w e r m o d u l e - - i p m ) 器件的应 用，使变频器的体积大大缩小。已经制成了将控制器、驱动电路、功率变 流器集成为一体的微型变频器，如日本富士公司的k s t 系列和三菱公司的 f r 2 系列变频器。美国一家公司最近推出的变频调速电动机己将变频器装 入电动机中，成为真正的智能电动机p j 。 1 2 变频原理概述1 4 7 i 变频器是变频调速系统的核心，从很大程度上说变频调速技术的发展 就是变频器的发展。 变频器从结构上分为两种 将电网的交流电源直接变换 成电压、频率均可控制的交流 电源的变频器。其突出的优点 是它的变换中间环节少，变换 效率高，缺点是它的输出频率 最高一般只能达到电网频率 的1 2 或1 3 ，因此调速范围 受到限制，应用也局限于一些 低速的大功率传动场合。其结 构图见图】一2 。 即交交变频和交直交变频脚。交交变频是 图1 - 2 交一交变频器结构图 交直交变频器是把工频电源先经过整流变换成为中间直流，再通过逆 变器把中间直流变化成可变频率交流输出的变频器。和交交变频相比。它 a c d c 整 上 逆 流 t 。 变 桥嚣 a c d c 恤 整 l 逆 流变 桥器 匿1 3 电压型交直交变频器结构图1 4 电流型交直交变频器结构 第一草受坝调琏技术及d s p 葡升 多了一个能量贮存环节。能量转换效率有所降低，但由于调速范围“，控 制性能好，因此获得了更为广泛的应用。根据中间直流电源性质的不同， 交直交变频器又可分为电流型和电压型两种。其结构如图l 一3 、1 4 。 电流型交直交变频器采用大电感作为直流环节的储能元件，其输出的 电流波形为方波或阶梯波。电流型变频器的优点是通过直流环节电压反向 可以很方便地把电机处于再生发电状态时反馈给电网，使电机很方便地实 现四象限工作而不需要其它附加环节。但是它的缺点是它的电压谐波比较 大，会引起电机转矩有脉动，影响控制精度，而且由于直流环节大电感的 存在，电流变化速度受到限制，影响了系统的动态响应速度。目前电流型 交直交变频器一般只用于要求频繁加减速的大容量电机传动。 电压型交直交变频器采用大电容作为直流环节的储能元件，其输出端 电压波形为方波或阶梯波。根据输出端电压和频率控制实现方式的不同， 电压型变频器又可分为电压型p a m 变频器和电压型p w m 变频器。 电压型p a m 变频器的变频和变压由两个独立环节构成：逆变器只负责 频率控制，整流环节则通过控制中间直流环节的电压幅值来实现对变频器 交流输出电压的控制。这种变频器的缺点是它的输出电压波形一般为方波， 谐波含量大，转矩脉动大，同时电压控制一般采用晶闸管相控整流，不仅 使整个控制电路变得复杂，系统的可靠性相应降低，而且导致低压输出时 整流侧的功率因数低下而影响系统总的功率因数。此外，输出的电压和频 率需要分别控制，特别是可控整流响应时间的存在，影响了系统的动态响 应速度。p a m 型变频器是高性能电力电子开关器件成熟以前采用的变频实 现方案。除了一些要求高压大容量的特定场合，现在已经很少使用。 采用p w m ( 脉宽调制) 控制技术使逆变器能同时完成变频变压输出的 电压型交直交变频器称为电压型p w m 变频器，它有以下突出优点口j ： l ，由于变频变压都由逆变器来完成，因此p w m 变频器整流环节一般采 用二极管不控全波整流，这样一来就克服了p a m 变频器网侧功率因数低下 的缺点，同时变频器整体结构也变得更为简单，可靠性更高。 2 由于采用了p w m 高频开关控制，变频器输出电压电流谐波含量大幅 减少，转矩脉动相应减少，性能得到了提高。 3 采用p w t v l 技术的变频器具有很高的器件开关频率，因此输出电流响 应速度大大提高，为矢量控制等高性能控制方式提供了必要的条件。 由于具有上述的显著的优点，电压型p w m 获得了非常广泛的应用， 现代变频调速系统中采用的变频器一般采用电压型p w m 变频器。本文讨 论的变频器都是指电压型p w m 交直交变频器。 第一苹受频调速技术及d s p 简介 1 3 d s p 简介1 2 q 6 l d s p 是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用 是实时快速地实现各种数字信号处理算法。d s p 芯片一般具有如下主要特 点： 1 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； 2 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据： 3 片内具有快速r a m ； 4 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； 5 快速的中断处理和硬件i o 支持； 6 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； 7 可以并行执行多个操作： 8 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 当然，与通用微处理器相比，d s p 芯片的其他通用功能相对较弱些。数 字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优点； 1 接1 3 方便。d s p 系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都 是相互兼容的，系统扩展方便快捷； 2 编程方便。d s p 系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在开发过程 中灵活方便地对软件进行修改和升级： 3 稳定性好。d s p 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影 响较小，可靠性高： 4 精度高。1 6 位数字系统可以达到l o 。的精度 5 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化的影响比较大， 而数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产； 6 集成方便。d s p 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集 成。 当然，数字信号处理也存在一定的缺点。例如，对于简单的信号处理任 务，如与模拟交换线的电话接口，若采用d s p 则使成本增加。d s p 系统中 的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且d s p 系统消耗的功 率也较大。此外，d s p 技术更新的速度快，数学知识要求多，开发和调试工 具还不尽完善。 虽然d s p 系统存在着一些缺点，但其突出的优点已经使之在通信、语 堑二望兰塑塑堕垫查丝2 翌堕坌 音、图像、雷达、工业控制、仪器仪表、生物医学等许多领域得到越来越广 泛的应用。 1 9 7 8 年，a m i 公司宣布的$ 2 8 l l 是世界上的第一个d s p 芯片。在这种 芯片中，还没有现在d s p 芯片中所必须的单周期乘法器。在后来的二十几 年中，d s p 的芯片得到了突飞猛进的发展。现在d s p 的生产厂家非常多， 其中最有名的有四家：t t ( 德州仪器) 公司、a d ( 模拟器件) 公司、m o t o r o l a ( 摩 托罗拉) 公司、l u c e n tt e c h n o l o g i e s ( 朗讯技术) 公司。 在众多的d s p 芯片中，最成功的应为美国德州仪器公司的t m s 3 2 0 系 列产品。 t i 公司自从1 9 8 2 年推出第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 后，推出了从 t m s 3 2 0 c 1 x 到t m s 3 2 0 c s x 多代d s p 芯片。t i 公司在几年前还提出了“d s p 解决方案”( d s p s ) 的理念，并将公司的战略重心转向了d s p 。t i 的系列d s p 产品是世界上最有影响的d s p 芯片，t i 公司的d s p 市场分额占5 0 左右。 t m s 3 2 0 l f l c 2 4 0 x a 系列的d s p 芯片是t i 公司最近推出的c 2 0 0 0 系 列d s p 中的一个子系列，是t i 公司针对数字电机控制而设计的。 t m s l f l c 2 4 0 x a 专为电机控制应用而设计。l f l c 2 4 0 x a 将高性能的 d s p 内核和丰富的微控制器外设功能集于单片i c 之中。从而成为传统的多 微处理器单元( m c u ) i f n 昂贵的多片设计的理想替代产品。l f l c 2 4 0 x a 执行 速度达4 0 m i p s ，几乎所有的指令都可在2 5 n s 的单周期完成，这使得 l f l c 2 4 0 x ad s p 控制器能提供比传统的1 6 位微控制器和微处理器更强大 的功能。 l f l c 2 4 0 x a d s p 器件的1 6 位定点d s p 内核为模拟控制设计者提供了 一个数字解决方案，并且不会牺牲原有系统的精度和性能。高速的中央处理 单元( c p u ) 可以方便的实现先进的控制算法如自适应控制、卡尔曼滤波、状 态控制等。此外，还可以支持非常高的采样率，以减少循环延时。 l f l c 2 4 0 x a 的指令集中还加入了信号处理和普通的控制功能指令，其 源码和目标码均兼容于c 2 x x 系列的成员，同时源码还向下兼容c 2 x 系列 的成员，向上兼容c 5 x 系列的成员，使c 2 4 0 很容易将程序移植到其他的定 点d s p 芯片中。此外，t i 公司为l f l c 2 4 0 x a 的用户提供了广泛的支持， 在其网站上能很方便的找到该芯片的应用实例。 作为系统管理，d s p 必须具备强大的片内i o 和外设功能。l f l c 2 4 0 x a 片内的事件管理器与其它任何种d s p 都不同。面向应用优化的外设单元 和高性能d s p 内核的结合，可以为所有的电机类型提供高速、高效和全变 速的先进控制技术。在该事件管理器中包括特殊的p w m 产生功能，特殊的 附加功能包括可编程的死区功能和空间矢量p w m 状态机，后者可为三相电 机在功率晶体管开关机制中提供迄今为止最高的功效。三个独立的向上向 o 星二兰竺塑塑望垫查墨里! ! 塑坌 下计数器，每一个都有属于它自己的比较寄存器，可以支持产生非对称的和 对称的p w m 波形。四路捕获输入中的两路可以直接连至光电编码器的正交 编码脉冲信号。 t m s 3 2 0 l f l c 2 4 0 x 的外设模块有：两个事件管理器模块，双l o 位模数 转换模块，控制器局域网接口( c a n ) 模块、串行通信接口( s c i ) 模块，串行外 设接口( s p i ) 模块，看门狗( w d ) 和实时中断( r t i ) 模块，f l a s h 存储器接口，数 字i o 端口，p l l 时钟模块。 每个事件管理器模块主要包括：用来产生空间矢量的p w m 电路、死区 发生单元和输出逻辑、两个通用定时器、三个全比较单元、三个捕获单元、 正交编码器脉冲电路和中断逻辑。 t m s 3 2 0 l f l c 2 4 0 x 芯片总共可以产生1 6 个比较，p w m 输出，事件管理 器模块主要有以下几部分：( 1 ) 全比较单元：在芯片中有三个全比较单元，它 们以定时器1 作为时间基准，可以产生6 个比较输出或通过可编程死区电路 产生脉宽调制波形，并且每个输出都可以独立编程，比较单元的比较寄存器 是双缓冲的，允许通过编程来改变比较伊w m 脉冲的宽度；( 2 ) 单比较单元： 共有3 个单比较单元，可以产生3 个独立的高精度脉宽调制波形，定时器1 或2 可以作为其时间基准，单比较寄存器也是双缓冲的，允许通过编程改变 脉宽调制波形的宽度；( 3 ) 另外还有两个独立的比较脉宽调制波形输出，它 可以以定时器1 、2 作为其时间基准。下面介绍产生p w m 的原理。 i m s 3 2 0 l f l c 2 4 0 x 的事件管理器的全 比较单元1 、2 、3 ，各 有一个1 6 位的比较寄 存器c m p r x ( x = 1 ，2 ， 3 ) ，各有两个比较 p w m 输出引脚 p w m y c m p y ， y = l ，2 , 3 ，4 ，5 ，6 。当比较 模式选中时，通用定 时器1 的计数器不断 与比较寄存器进行比 较，相等时，相应比 较单元的两个比较 图1 - 5p w m 产生原理 p w m 输出引脚将根据控制寄存器a c t r 的控制位产生跳变，形成p w m 。 通用定时器l 的周期寄存器( t 1 p r ) 中载波周期值，并工作于连续增减模式 ( 连续增模式) ，产生对称p w m 波( 非对称p w m 波) 。p w m l 和p w m 2 、p w m 3 和p w m 4 、p w m 5 和p w m 6 是三对互补p w m 输出，可通过死区控制寄存 器设置死区时间，若需改变p w m 的占空t e 只需相应改变比较寄存器 里二兰至鉴塑垦垫坐墨里曼! 塑坌 c m p r x 的值即可。图1 5 和1 - 6 给出了p w m 的产生原理框图及其波形。 片内全比较单元的存在，使得单片机产生六路符合要求并安全可靠的 p w m 驱动信号，大大减少了外围电路的复杂性。同时p w m 波形的发生只 需全比较单元的寄存器完成，节约了c p u 的时间，这对实现复杂的控制策 略非常有用。 t m s 3 2 0 l f l c 2 4 0 x a 芯 片a d 转换器分别由带两个 采样一保持电路( s h ) 的两路 l o 位模数转换器组成，总共有 1 6 路模拟输入通道，8 路模拟 输入通过一个多路选择开关 接到一路模拟转换器上，每一 路转换器的最小转换时间为 5 0 0 n s ，a d c 转换器的参考电 压是通过芯片的管脚由外部 输入的。假定外部输入电压为 一tl 埘； t i _ l ： ： ： ： t i 广1 ； j 一t 一 图1 - 6 对称p w m 波形图 v 。，和矿。，那么转换后的 数字结果为： o i 班甜耻州吲蚴藻等笔m 。， 它的特点是两个通道每次都可以同时进行采样和转换，这样在采样两相 电流时可以减少采样时间和误差。非常有利于提高调速系统的动态性能。 t m s 3 2 0 l f ，l c 2 4 0 x a 的其它功能模块如控制器局域网接口( c a n ) 模 块、串行接口s c i 、外设接口s p i 等，这里将不作介绍。 第二章，量控制的实现方案 2 矢量控制的实现方案 2 1 矢量控制的原理及常用方法 2 1 1 矢量控制的原理 对于电动机运行的控制，包括速度控制和位置控制，归根结底是要对电 动机的电磁转矩进行控制。第一章给出了电力传动系统的运动方程： 正一五= j 等 扫= 8 对r + 毋。 式中。e 电动机电磁转矩； o c 负载阻转矩； ，系统转动惯量； 甜角速度； p 角位移 岛初始位移 可见，在负载一定的情况下，如果能够使电磁转矩按给定的规律变换， 则速度和位移就可以按给定的规律变化，实现对电动机有效的控制。电动机 的电磁转矩，不论是直流电动机，还是交流电动机，均可咀用气隙磁链矢量 妒，与电流矢量7 的乘积来表示，即 l = k f 。母，j x i 对于直流电动机，即为电枢电流：对于交流电动机，可以是定子电 流，也可以是转子电流。直流电动机的气隙磁链矢量和电枢电流矢量在空阃 相互垂肯，故电磁转矩为 t ? = k m i 。s i n 9 0 。= k t i ；，。i 。 如果忽略电枢反应的影响，则民与之间没有耦合，磁链和电流可以 分别独立控制，互不影响，所以直流电动机的控制非常方便和灵活。南流电 1 3 第_ _ 二章矢量控制的实现方案 动机稳态的速度公式为 出：竺s 二厶墨! k e p m ( 2 1 ) 由上式可知，保持o ，不变，改变电枢电压，速度可成比例变化。由 于妒。不变，在相同的电枢电流下，电动机在不同速度下输出转矩将不变 这就是通常所说的恒转矩调速。保持虬不变，改变气隙磁通，速度亦成比 例变化。由于唬变化，在相同的电枢电流下，转矩将成比例变化，但转矩 和速度的乘积，即输出功率却是不变的，这就是通常所说的恒功率调速。在 动态情况下，由于电枢电流与气隙磁通的控制无耦合，所以转矩随时间的变 化规律很容易得到控制。正是由于直流电动机具有上述良好的控制特性， 才使得长期以来直流电动机在可调速的电力传动系统中处于绝对统治地位 眦，6 1 。 交流电动机则不同。异步电动机 可控制的参数只有定子电流，而定子 电流的变化不但影响输出转矩，而且 也使气隙磁链发生变化。同步电动机 虽然定子电流和励磁电流都可以进行 控制，但定子电流的变化对气隙磁链 的影响很大，气隙磁链的大小不仅决 定于定子电流和转子励磁电流的大 小，而且与它们在空间的相对位置有 关。也就是说交流电动机的转矩控制 和磁通控制之间存在着很强的耦合， i j 。j 磐。j 图2 - l 定子电流两分量 简单的闭环控制并不能获得优良的稳态和动态性能。矢量变换控制正是为了 解决这个问题而提出来的。观察异步电动机的转矩方程式 t = k ，s i n z 吸五可以看出，式中的，s i n 么吸五是定子电流矢量在旷： 垂直方向上的分量，正是这个分量与转子磁链相互作用产生电磁转矩，用t i 表示这个分量，如图2 - 1 所示。沿疵方向的分量用2 m i 表示，正是这个分 量产生转子磁链，故称为定子电流的励磁分量，2 r t 则为转矩分量。如果选择 第二章矢量控制的安现方案 = 不葡荔丽藤笙稼系m t ，并使它的横坐标轴与转子磁链矢量重合，如图 2 - l 所示。通过控制定子电流矢量在此坐标系中的位置和大小，从而控制 它的两个分量- 和i w 的大小，那么异步电动机磁通和转矩就可以分别控制， 实现了磁通和转矩控制的解耦。另一方面，站在同步旋转坐标系上观察，由 于矢量i 也是以同步角速度旋转，所以它的两个分量均变为直流量，对它的 两个分量的控制就相当于对直流电动机的电枢电流和励磁电流的控制1 8 埘1 。 图2 - 2 是按上述思路构成的矢量控制系统的原理方块图。定子电流的转 图