（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的交流电机数字控制系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术和先进控制理论的发展，交流电机控制技术也得到 了快速的发展。尤其在交流电机的控制理论方面，国内外学者提出了矢造控制、商接转矩控制和智能 控制等控制理论，以及对这些理论的改进方案，为交流电机控制技术的发展做出了重大贡献。同时， 交流电机控制技术的发展是与具体的实践应用相结合的，只有把这些先进的控制理论应用丁- 实际系统 中，才能促进交流电机控制技术的发展。冈此一个能够实现控制算法的数字化控制系统是进行交流电 机控制理论研究的必不可少的平台。本论文的主要内容就是以t i 公司生产的3 2 位定点高性能d s p 芯 片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心，设计一个功能强、使h j | 方便的交流电机数字控制系统。该系统既能用作交 流电机控制技术的研究平台，又能用作运动控制教学实验设备。 在硬件上，首先设计和调试成功了单d s p 系统电路板，对实验调试中的问题进行了分析，最后设 计了功能更可靠的以d s p 和5 l 单片机为核心的双c p u 系统的控制电路板。同时，通过大量实验调试， 开发了i p m 模块的驱动电路。本硬件系统包括电机驱动、电流检测、转速检测、液晶显示、串行通信 和键盘控制等功能。在软件方面，以小功率交流异步电机为控制对象，在d s p 上编程实现了、，、n ，f 控制策略、s p w m 和s v p w m 调制方法，也编程和实现了单片机的串行通信和液晶显示，使用v b 开发了上位机串行通信控制界面。实验结果表明，本系统实现了交流电机数字控制的基本功能使用 方便，适合用作交流电机控制技术的研究平台和运动控制教学实验平台。 论文对系统的软硬件设计方法和开发中出现的问题进行了详细阐述，对电机运行结果进行了分析， 给出了电机的相电流和转速曲线，并对下一步研究方向进行了展望。 关键词：d s p 变频调速电流检测转速测量s p w ms v p w m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m i c r o - e l e c t o n i c s ，p o w e re l e c t r o n i c ，c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n da d v a n c e dc o n t r o l t h e o r y , a cm o t o rc o n t r o lt e c h n o l o g ya l s oh a sg o tq u i c kd e v e l o p m e n t e s p e c i a l l yi nt h ef i e l do fa cm o t o r s c o n t r o lt h e o r y , d o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r sp u tf o r w a r ds o m et h e o r i e ss u c ha sv e c t o rc o n t r 0 1 d t ca n d i n t e l l e c t u a lc o n t r o lt h e o r y , a n dt h ei m p r o v e ds c h e m e so ft h e s et h e o r i e s m e a n w h i l e ，t h ed e v e l o p m e n to fa c m o t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yi sc o m b i n e dw i t ht h ep r a c t i c e sa n da p p l i c a t i o n s a cm o t o rc o n t r o lt e c h n o l o g y c o u l dn o tg e td e v e l o p m e n ti ft h e s ea d v a n c e dt h e o r i e sc o u l dn o tb er e a l i z e di np r a c t i c a ls y s t e m s t h e r e f o r e a d i g i t a l c o n t r o ls y s t e m ，w h i c hc a nr e a l i z e t h e c o n t r o la l g o r i t h m s ，i s t h e n e c e s s a r y p l a t f o r m f o r t h es i l l d y o f a c m o t o rc o n t r o lt e c h n o k g i e s t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i si st od e s i g nad i 西t a lc o n t r o ls y s t e m 、析mg o o d f u n c t i o n sa n dc o n v e n i e n c eb a s e do nt h eh i g h p e r f o m 柚d s pc h i pt m $ 3 2 0 f 2 8 1 2p r o d u c e db yt i t h i s s y s t e m 锄b eu s e dn o to n l yf o rt h es t u d yo f a cm o t o rc o n t r 0 1 b u ta l s o 勰t h ee x p e r i m e n td e v i c ef o rm o t i o n c o n t r 0 1 o nt h eh a r d w a r ed e s i g n t h ec i r c u i tb o a r do ft h es i n g l ed s ps y s t e mi sd e s i g n e da n dd e b u g g e d s u c c e s s f u l l yf i r s t l y b yt h ea n a l y s i so ft h ep r o b l e m sa p p e r e di nt h ed e b u g g i n gp r o c e s s ，t h es c h e m eo fa d o u b l e - c p us y s t e mi sa d o p t e d , a n dt h ec o n t r o lc i r c u i tb o a r db a s e do nad s pa n da5 1 - s e r i e ss c m ( s i n # o - c h i pm i c r o p r o c e s s o r i s ) d e s i g n e d t h i ss y s t e mh a st h em o r er e a s o n a b l ea n dr e l i a b l ec o n f i g u r a t i o n m e a n w h i l e t h ei p m sd r i v i n gc i r c u i ti sd e v e l o p e dt h r o u g hnl o to fe x p e r i m e n t s t h i sh a r d w a r es y s t e mh a s t h ef u n c t i o n ss u c ha sm o t o rd r i v i n g ，c u r r e n td e t e c t i n g , r o t a t i o n a ls p e e dm e a s u r i n g ，l c dd i s p l a y , s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ，a n dk e y b o a r dc o n t r 0 1 a sf o rt h es o f t w a r ed e s i g n ，t h e 、，、，、，fc o n t r o lm e t h o d ，t h es p w ma n d s v p w mm o d u l a t i o nm e t h o d sf o rc o n t r o l l i n gal o w e rp o w e ra ca s y c h r o n i s mm o t o ra r er e a l i z e db a s e do nt h e d s et h es e r i a lc o n u n u n i c a t i o na n dt h el c dd i s p l a yp r o g r a m m e so fs c ma r ea l s or e a l i z e d e x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h i ss y s t e mh a sb a s i cf u n c t i o n sf o rd i g i 协lm o t o rc o n t r o l ，c a nb ee a s i l yu s e d ，a n di ss u i t a b l et ob c u s e da st h ep l a t f o r mf o rt h er e s e a r c ho fa cm o t o rc o n t r o lt e c h n o l o g i e sa n dt h et e a c h i n ge x p e l i m e n t so f m o t i o nc o n t r 0 1 1 1 l eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e sd e s i g nm e t h o d sa r ed e t a i l e di nt h et h e s i s w h i c ha l s oi n c l u d e st h ea n a l y s i s o fm o t o ro p e r a t i n gr e s u l t s t h em o t o r sp h a s ec u r r e n tb a l r v ca n dr o t a t i o n a ls p e e dc u r v c l1 1 1 0p r o s p e c t so r f u r t h e r r e s e r a c h e sa r ep u tf o r w a r di nt h ec o n c l u s i o np a r t k e yw o r d ：d s p , v a r i a b l e - f r e q u e n c ys p o c dr e g u l a t i o n ，c u r r e n td e t e c t i n g ，r o t a t i o n a ls p e e dm e a s u r e m e n t s , s p w m ，s v p w i v l i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：日 期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印什和电 子文档，可以采朋影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 交流电机控制技术的发展与现状 长期以来，在调速领域大多采川磁场电流和电枢电流可以独立控制的商流电动机传动系统，它的 调速性能和转矩控制特性比较理想，可以获得良好的动态响应，然而由于直流电动机结构上存在的机 械换向器和电刷，使它具有一些难以克服的同有缺点，如造价偏商、维护困难、寿命短、单机容量和 最高电压都受到一定限制等等。交流电动机以其结构简单、制造方便、运行可靠，可以以更高的转速 运转、可用于恶劣环境等优点得到了广泛的应用，但是交流电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多 变量复杂系统，要实现对其调速比较困难。于是自2 0 世纪3 0 年代以来，人们就致力于交流调速技术 的研究，然而进展缓慢。在相当长的时间内，直流调速一直以性能优良而领先子交流调速。2 0 世纪7 0 年代以来，现代电子技术、计算机技术和控制理论的发展，极大地推动了交流电动机调速技术的发展， 其中发展最快的是变频调速技术。变频调速系统是交直交变频器利交流电动机构成的交流调速传动系 统，现在已广泛应用于工业、交通运输、家用电器等各个领域。随着交直交变频器的进步，交流调速 传动在十多年间取得了长足的进步，其性能不断提高，较好地克服了直流传动的缺点，因此其应用已 在逐步取代传统的直流传动系统。0 1 1 2 1 ” 此外，从能源角度来看，我国电机的年耗电量约占丁业耗电量的8 0 ，我国在用的各类电机中， 8 0 以上为0 ，5 5 2 2 0 k w 的中小型异步电机。在交流电动机的转差功率中，转子铜损部分的消耗是不 可避免的，采用变频调速方式时，无论电动机转速高低，转差功率的消耗基本不变，系统效率是各种 交流调速方式中最高的，因此采用变频调速具有显著的竹能效果。因此在国家“十五”计划中，电机 系统在节能方面的投入将高达5 0 0 亿元左右，所以变频调速系统在我国也将有非常巨大的市场需求。 以f 是与交流电机控制技术发展密切相关的几个方面： ( 1 ) 新型电力电子器r l ：的发展 如果把计算机比做人的人脑，那么可以把电力电子系统比做人的肌肉和四肢，是实现弱电控制强 电的天键所在。电力电子器什的发展已经经历了半控型器件( 晶闸管) ，全控型器件( g t o 或g t r 等) 和复合场控器件( i g b t ) 等三代的发展。目前的发展方向是向集成化、智能化的方向发展，其中智能 功率模块( i f m ) 是向第四代功率集成电路( p i c ) 方向发展的过渡产品，它不仅具备提供一定的功率 输出能力，还具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断的功能。 ( 2 ) 微处理器技术的发展 微处理器技术的进步使数字控制成为现代控制器的发展方向。早期交流电机的控制以模拟电路为 基础，硬件部分非常复杂，功能单一，可靠性低，阻碍了交流电机控制的发展和应州范围的推广。微 处理器的发展，特别是d s p 等高速处理器的出现，使很多功能和算法可以采用软件技术完成，为交流 电机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。 ( 3 ) 先进控制理论的发展 先进控制策略在交流传动中的应用对交流传动的发展起到了关键的推动作用。具有代表性的交流 电机的控制策略有：变压变频控制( v v v f ) 、矢鼙控制、直接转矩控制等等。近几年，智能控制在交 流传动的应用研究十分活跃。有研究结果表明，有效使_ i j 智能控制技术，可使变频调速系统做到高效、 自适应、自诊断、自保护、动态性能优良。典型的如模糊控制、神经网络控制和基于专家系统的控制。 这些控制策略各有优缺点，在实际麻阁中需根据具体要求恰当选择，以便达到最佳控制效果。 总之，当今变频调速技术是包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是驱动的交流化、功率变换 器的高频化、控制的数字化、智能化和网络化。变频调速技术是各种自动化技术的基本环节，相信在 2 i 世纪，变频调速将会有一，“阔的发展前景。 4 l l s r 6 j 【7 l 【8 l 东南丈学硕士学位论文 1 2 课题的研究对象和内容 实际的数字化控制系统是进行交流电机控制理论研究的必不可少的平台。本课题的目标就是自行 设计和实现一个功能强、可靠、方便易用的交流电机数字化控制系统，这个数字控制系统能够实现交 流电机的开环和闭环控制算法，有友好的人机界面，方便使刚。根据这些要求，本课题以t i 公司的 3 2 位定点d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心设计硬件和软r i ：系统。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的最高频率达1 5 0 m h z ， 指令周期6 ，6 7 n s ，八级流水线操作，具有很强的运算能力，很适合于复杂的控制算法的实现承l 交流电 机控制的高实时性要求。同时它又有丰富的外设资源，既可以减少外围电路的复杂程度，又可以扩展 很多功能。在d s p 外围扩展电流检测电路和转速测茸电路则可以帮助系统实现转速闭环和电流闭环的 算法，设计液晶显示电路、串行通信电路和按键控制等电路模块则使系统可以有友好的人机界面。除 此之外，还需要很重要的主电路，主电路包括整流滤波电路、逆变电路和逆变电路的驱动电路，这是 实现弱电控制强电的关键。因此该系统的硬件部分要包括t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 、电流检测电路、转速测量电 路、串行通信电路、液晶显示电路等控制电路部分和主电路。软件是硬件系统的支撑，本系统的软件 系统包括d s p 应用程序，上位机和下位机的通信协议，单片机应用程序和基于v b 的上位机串行通信 控制界面。d s p 应朋程序包括d s p 初始化程序、功能模块程序和电机控制程序；单片机应用程序包括 串行通信和液晶显示程序。 在课题的进行过程中，首先设计了单d s p 系统控制电路板( 实物照片见附录( e ) ) ，通过大量的调 试和对调试过程中出现的问题的分析，对单d s p 系统控制电路板进行了改进，设计了以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和5 1 单片机为核心的双c p u 系统的控制电路板。d s p 负责电机控制算法实现、电流检测和转速测量， 5 l 单片机负责串行通信、液晶显示和键盘控制等实时性要求不是很高的任务，这样就减轻了d s p 的 负担，使d s p 专注下电机的控制算法实现，这样既提高了系统功能上的可靠性，又减轻了软件设计的 复杂度。d s p 和单片机通过双口r a m 共享数据，d s p 把采集到的电流、转速等数据存进舣口r a m ， 单片机通过读舣口r a m 再把这些数据通过r s 2 3 2 总线传给上位机进行处理和显示，而单片机则把接 收剑的上位机下达的命令存进般口r a m ，d s p 通过读舣口r a m 执行上位机f 达的命令。 本课题完成的内容主要i 门纳如f ： ( 1 ) 开发了以t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 和5 1 单片机为核心的控制电路板( 实物照片见附录( a ) ) ，包括有电 流检测电路、转速测鼙电路、双口r a m 、串行通信电路和液晶显示电路等部分； ( 2 ) 开发了l p m 模块的驱动电路板( 实物照片见附录f b l ) ； ( 3 ) 编写了d s p 的应用程序，上位机和下他机的通信协议，基于v b 的串行通信控制界面，单片 机麻 j 程序。d s p 应用程序包括d s p 初始化程序、功能模块程序和电机控制程序；单片机应用程序包 括单片机的串行通信和液晶显示程序。 ( 4 ) 以、，、n ，f 为控制策略，分别以s p w m 和s v p w m 为逆变器波形调制方法对小功率交流异步 电机进行了调试，给出了电机运行的相电流曲线和转速曲线，并对电机运行结果进行了分析。关于交 流电机控制，有多种控制算法，由丁时间仓促，本课题只实现了最基本的、n r 、，f 控制方法。象直接转 矩控制等较为复杂的算法将会在以后的研究中去完成。 本课题的硬件环境是：控制对象为1 2 0 w 的异步交流电动机( 实物照片见附录( d ) ) ，模拟示波器， 万用表，北京合众达公司的x d s 5 1 0 d s p 仿真器； 本课题设计中使用的集成开发环境和软件资源有：p r o t e l9 9s e ，c c s 2 0 0 0 ，v b ，p v i s i o n 2 。 硬件系统结构框i 鳘l 如图1 1 所示。 1 3 论文结构 全文分为五章，内容如f ： 第一章绪论。介绍了交流电机控制技术的发展和现状，给出了本课题的研究对象和内容以及硬件 系统框图。 2 第一章绪论 第二章交流电机控制策略本章简要地对、，f 控制、s p w m 和s v p w m 基础理论做了介绍。 本章是全文的理论基础。 第三章交流电机控制系统的硬件设计。本章详细介纠了硬件设计的思想，器件的选硝，设计过程 和调试中出现的问题。以及硬件设计的抗干扰措施。硬件系统包括主电路、控制电路和故障电路的设 计三部分，主电路包括糕流滤波电路、逆变电路和驱动电路的设计，控制电路包括d s p 与驱动电路的 接口电路、电流检测电路、转速检测电路、通信电路、液晶显示电路和键盘电路等。故障电路部分指 的是i p m 模块的故障电路设计。 第四章交流电机控制系统的软件设计。本章介绍了d s p 的开发工具、d s p 初始化程序设计、转 速和电流检测程序设计、上位机和下位机的通信协议、基于v b 上位机串行通信界面的设计、单片机 的串行通信和液晶显示程序。电机控制程序是本文的重要部分，内容较多，单独放第百章介绍。 第五章变频调速程序设计。本章详细介绍了以、，、，、，f 为控制策略，分别以s p w m 和s v p w m 为 调制方法在小功率交流异步电机上的变频调速程序设计，包括s p w m 、$ v p w m 算法程序和电机加减 速程序；并给出了调试结果的相电流和转速曲线，提出运行中的出现的一些问题 第六章结论和展望。对本课题的工作做出总结，对下一步工作做了展望。 图1 - 1 交流电机控制系统的硬件结构框图 东南大学硕士学位论文 第二章交流电机控制策略 本章是全文的理论基础部分，简要介绍了、n _ ，、，f 控制策略，正弦脉宽调制技术( s p w m ) 和空闻 矢量脉宽调制技术( s v p w m ) 的基本原理，为后面的d s p 程序实现提供理论基础。 2 1v w f 控制策略母1 交流异步电动机的转速由下式表示： 疗：6 0 f ( 1 一j 1 p ( 2 1 ) 式中 1 电动机转速( r r a i n ) ； p 电动机磁极对数； j 电源频率( h z ) ； j 转差率 由式2 1 可见，影响电动机转速的冈素有：电动机的磁极对数，转筹率和电源频率。其中，改变 电源频率来实现交流异步电动机调速的方法效果最理想，这就是所谓变频凋速。 根据电机学理论，交流异步电动机的定子绕组的感应电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结 果。其有效值计算如下： e = k f o ( 2 2 ) 式中 e 定子绕组的感应电动势( v ) ； 茁与电动机结构相关的常数： 厂电源频率( h z ) ； o 磁通( 、枷) 3 而在电源一侧，电源电压的平衡方程式为： u = e + 厶+ 皿 ( 2 3 ) 式2 3 表示，加在电机绕组端的电源电压【，一部分产生感应电动势f ，另一部分消耗在阻抗上 ( 线圈屯阻r 乖i 漏电感x ) 上。其中定子电流 i = i i + i tn n 分成两部分：少部分( ) 用来建立主磁场磁通中，大部分( 1 2 ) 用来产生电磁力带动机械负载。 当交流异步电动机进行变频调速时，例如频率厂下降，则由式2 2 知e 降低；在电源电压不变的情况 4 第二章交流电机控制策略 下，根据式2 3 ，定子电流，将增加；此时，如果负载不变时，厶不变，的增加将使，增加，也就 是使磁通增加；根据式2 2 ，o 的增加又使增加达到一个新的平衡点。 理论上这种新的平衡对机械特性影响不人。但实际上，由于电动机的磁通容量与电动机的铁芯大 小有关，通常在设计时已达到最人容量。因此当磁通量增加时，将产生磁饱和，造成实际磁通量增加 不上去，产生电流波形畸变，削弱电磁力矩，影响机械特性。 为了解决机械特性卜降的问题，一种解决方案是设法维持磁通量恒定不变。即设法满足： e f = 置中= 常数 ( 2 5 ) 这就要求，当电动机调速改变电源频率时，层也应该作相应的变化，来维持它们的比值不变。但 实际上，e 的大小无法进行控制。由于在阻抗上产生的压降相对于加在绕组端的电源电压u 很小，如 果略去，则式2 3 可化简成 u e 这说明可以用加在绕组端的电源电压c ，来近似地代替e 。 从而达到使磁通量恒定不变的目的。即 e l f * u f = 常数 ( 2 6 ) 调节电压u ，使其跟随频率的变化， 所以在变频的同时也需要变压，这就是所谓、，、厂、，f ( v a r i a b l e v o l t a g e v a r i a b l e f r e q u e n c y ) 一 2 2s p w m 技术 ( 2 7 ) s p w i v l 技术是将等宽的脉冲波变成宽度渐变的脉冲波，其宽度变化规律符合正弦的变化规律，用 这样的波形代替正弦波。s p w m 波大大减少了谐波成分，可以得到基本满意的驱动效果。产生止弦脉 宽调制波s p w m 豹原理是：崩一绲等腰二角形波与一个正弦波进行比较，如幽2 1 所示，其相交的时 刻作为i g b t “开”或“关”的时刻。将等腰二角形波称为载波：而止弦波则称为调制波。正弦波的 频率和幅值是可控制的。改变正弦波的频率，就可以改变输出电源的频率，从而改变电动机的转速； 改变上e 弦波的幅值。也就改变了正弦波和载波的交点，使输出脉冲系列的宽度发生变化，从而改变了 输出电压。通过生成的s p w m 信号来控制逆变器的开关管，从而实现电动机电源的变频。1 9 图2 - i 正弦脉宽调制波产生的原理图【1 0 】 产生电压s p w m 信号的方法可分为硬件法和软件法两类。硬件法中最实用的是采用专用集成电 路，如h e f 4 7 5 2 、s l e 4 5 2 0 、s a 4 8 2 8 等芯片。软件法是使电路成本最低的方法，它通过实时计算或查 表法来生成s p w m 波。在这里介绍一卜i 常用的规则采样法( 如图2 - 2 ) 5 h 咿 敏以 d 编 东南大学硕士学位论文 图2 - 2 规则采样法原理图 取三角波两个正峰值之间为一个采样周期t 使每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称 这样可使计算大为减化。如图2 - 2 所示，在三角波的负峰时刻如对正弦波采样而得到d 点，过d 点做 一水平直线和三角波分别交于a 点和b 点，在a 点时刻和b 点时刻控制功率开关器件的通断。 设正弦调制信号波为 坼= m s i n 彬t( 2 8 ) 式中 彳调制度，0 m l ； w 正弦信号波角频率( r a d s ) ： 从图2 - 2 可得如下关系式 百l + m s i n ；熹 ( 2 9 ) 6 2 f 2 、 因此可得脉冲宽度 r 万= 詈( 1 + m s i n w , t o ) ( 2 1 0 ) z 此外，还有不对称规则采样法、自然采样法等算法。相比之下，规则采样法使用得最为广泛。 在s p w m 控制电路中，载波频率与调制信号频率之比称为载波比。根据载波和信号波是否同步及 载波比的变化情况，p w m 调制方式可分为异步调制和同步调制两种。 i l l ( 1 ) 异步调制 载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制，通常使载波频率同定不变，因而当信 号波频率变化时，载波比是变化的。当信号波频率增高时，载波比变小，一周内的脉冲数减少，这就 使得输出p w m 波和正弦波的差异变大。因此，在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率， 以使在信号波频率较高时仍能保持较大的载波比。但受功率开关器件的开关频率限制，载波频率的范 围也有限。 ( 2 ) 同步调制 载波比等于常数。并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。当逆变电路输出频 率很低时，同步调制时的载波频率也很低。载波频率过低时由调制带来的谐波不易滤除。当负载为电 动机时也会带来较火的转矩脉动和j 噪卢。当逆变器输出频率很高时，同步调制时的载波频率也会过高， 使开关器件难以承受。 6 第二章交流电机控制策略 为了克服上述缺点，可以采用分段同步调制的方法，又叫混合调制。即把逆变电路的输山频率范 围划分为若干个频段，每个频段内都保持载波比为恒定，不同频段的载波比不同。在输出频率高的频 段采用较低的载波比，以使载波频率不致过高，限制在功率开天器件允许的范闱内。在输出频率低的 频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。各频段的载波比取3 的整数 倍且奇数为宜。 2 3s v p w m 技术。儿”儿” s p w m 技术是从逆变器输出二相交流电的角度，即交流电动机的电源的角度出发的，而s v p w m 是从电机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场。它以三相对称正弦波电压供 电时交流电机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通， 并由它们比较的结果决定逆变器的开关状态，形成p w m 波形。由于该控制方法把逆变器和电机看成 一个整体来处理，所得模型简单，便于微处理器实时控制，并具有转矩脉动小、噪声低、电压利用率 高的优点，目前无论在开环调速系统或闭环系统中均得到了广泛应用。这里简单介绍一下s v p w m 控 制原理。 电机的理想供电电压为三相正弦。其表达式如下： u a = 玑s i n ( w t ) = us i n ( w t 一2 ，r 3 ) 心。usin(wt+2zc3)(2a11 按照合成电压矢量的定义： 一 2 “2 i ( “a + 嘶+ a 眭) = e j 2 r 3 ) 但1 2 1 将式2 1 1 代入式2 1 2 可得到理想供电电压下的电机空问电压合成矢量 一“w 一至 “= u e 。2 ( 2 1 3 ) 理想情况下，空间电压矢量为圆形旋转矢量，而磁通为电压的时间积分，也是圆形的旋转矢量， 并且电压矢量方向是磁链圆轨迹的切线方向。 图2 - 3 三相逆变电路 ( q i q 6 为i g b t ，a 、a 、b 、b t 、c 、c t 为i g b t 的驱动信号；圪、圪为三相交流输出电压； 为主电路母线电压) 如图2 - 3 所示的三相逆变电路，令a 、b 、c 为三个桥臂的开关状态，规定：当上桥臂导通时( 这 时r 桥臂必定关断) ，开关状态为l ；当下桥臂开通时( 这时上桥臂必定关断) ，开关状态为0 。因此 口、6 、c 形成0 0 0 、0 0 1 、0 1 0 、o l l 、1 0 0 、1 0 1 、1 1 0 、1 1 1 共八种状态，其中0 0 0 和1 1 1 开关模式使逆 7 表南大学碗士学位论文 变器输出电压为零，所以称这两种开关模式为零状态。可以推导出，三相逆变器输出的线电压矢量与 开关状态矢量的关系是： 吼。 u 8 c u d = u l , c 三酬 三相逆变器输出的相电压矢量与开关状态矢量的关系是： 2一l l 一12 一l 一1一l2 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 根据式2 1 3 、2 1 4 和2 1 5 可求出对应于八个开关状态的八个电压空间矢量，根据其相位角的特点 分别命名为( k 、v o 、u 6 0 、u z 。、u s 。、u 2 柚、u , o o 、d l “。图2 _ 4 给出了八个基本空间电压矢量的 大小和位置，其中非矢量的幅值相同，相邻的矢量间隔6 0 度，而两个零矢量幅值为零位于中心。 u 舯( o 2 4 0 ( 0 0 1 )( 1 0 1 ) 图2 _ 4 基本空间电压矢量图 卜口 由于电压矢量方向是磁链圆轨迹的切线方向，磁链矢茸的增晕方向也跟电压矢量方向一致，所以 定子磁链矢量的运动轨迹是一个正六边形，这样的旋转磁场不是我们希望的圆形旋转磁场。如果让磁 链轨迹是一个有很多边的上e 多边形，则可逼近癌i 形磁场。要想获得尽可能多的边数的止多边形，就必 须有更多的逆变器开关状态。一种方法是利用六个非零的基本电压空间矢量的线性时间组合来得到更 多的开关状态。 rr 壬nrrr7 如图2 - 5 ，l - x 1 ”t j x t ”代表相邻的两个基本电压空间矢量；i d o l a 是输出的参考相电压矢量，其幅 值代表相电压的幅值，其旋转角频率就是输出正弦电压的角频率。0 可由玑和u t 6 0 线性时间组合 来合成，如式2 1 6 ，其中和f 2 分别是以和致作用的时间，r , 哩v o 。作用的时间。 。丧虬+ 丧 偿，。， 8 c 1 3 j l 1j 以 第二章交流电机控制策略 f 2 士矾m 胛 图2 5 电压空间矢量的线性组合 根据三角形的正弦定理可解得 = 羟s i l l ( 6 0 一功 如2 急”口 亿聊 这样，在每一个7 期间，都改变相邻基本矢量作用的时间，并保证所合成的电压空间矢量的幅 值都相等，因此，当足够小时，磁链的轨迹是一个近似圆形的正多边形。 2 4 本章小结 本章简要介绍了w v f 控制，s p w m 和s v p w m 的基本原理，是全文的理论基础，为后面的变 频调速的具体实现打下了基础，在第五章的变频调速的实现这一章里不再叙述这些理论基础，而只描 述具体实现过程平结果。 9 东南大学硕，上学位论文 第三章交流电机控制系统的硬件设计 本章详细介绍交流电机控制系统的硬件设计，内容包括土电路设计、故障保护电路没计、控制电 路设计和硬件电路的抗干扰措施。主电路设计包括整流滤波电路、逆变电路和驱动电路的设计；故障 保护电路指的是1 p m 模块的故障保护电路；控制电路是以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和5 1 单片机为核心，外闱扩 展电流检测电路、转速测鼙电路、通信电路和液晶显示电路等。此外，本章还详细还讨论了在调试单 d s p 控制电路板时出现的问题。本章是本论文的核心部分。 3 1 主电路设计 主电路包括整流滤波电路和逆变电路两部分，整流滤波电路把输入的单相或三相交流电整流滤波 为直流电，为逆变电路提供直流母线电压；逆变电路是把直流电转变为三相交流电输出，本系统中的 逆变电路使用i p m 模块。本论文把i p m 模块的驱动电路设计部分也放到了主电路设计部分，驱动电 路是控制电路和主电路的接口电路。主电路的结构图如图3 - 1 所示。 控制电路板产生的六路p w m 信号 2 2 0 v 交流电 3 1 1 整流滤波电路 图3 - 1 主电路结构图 异步电动机 该部分电路把输入的单相或三相交流电整流滤波为直流电。由于电压电流较大，考虑到安全问题， 本课题不设计该部分电路，而是购买一实验仪器厂的整流滤波电路。该电路是单相不可控整流电路， 电力二极管的额定电流是1 0 a ，滤波电容的容值是1 0 0 0 , t t f ，电容承受的最大电压是4 5 0 v 。滤波电容 的功能主要有两点：一是过滤电压纹波，二是当负载变化时，使直流电压保持平稳。当主电路i ：作时 因为i p m 模块的 作频率较高，开关动作会在直流环节产生电流突变，由于主电路分布杂感电流的存 在，在i p m 模块里的i g b t 的集电极和发射极会出现高频的尖峰毛刺电压，可能损坏器件，因此在接 逆变模块之前要加上一个吸收缓冲电路，由阻容电路组成。整流滤波电路如图3 2 所示。 图3 - 2 整流滤波电路 l o 第三章交流电机控制系统的硬件设计 3 1 2 逆变电路设计 三相逆变电路如第二章中的图3 2 所示，本课题为节省开发时闯和成本，提高系统可靠性，选增 智能功率模块i p m 作为逆变电路。 智能功率模块是一种先进的功率开关器件，具有g t r 高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点， 以及m o s f e t 高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。而且i p m 内部集成了逻辑、控制、检 测和保护电路，使用起来方便，不仅减小了系统的体积以及开发时间，也大火增强了系统的可靠性， 适应了当今功率器件的发展方向一模块化、复合化和功率集成，在电力电子领域得到了越来越广泛的 应用i l q 。图3 3 为i p m 内部功能框图。 l ! ! 苎竺苎垒卜 一i | 热 一曼堡堡苎】 匝垂叵蛩 佩i 蟊谲五日 图3 - 3 m 内部功能框图 本系统使用的i p m 模块是三菱的p m 2 0 c t m 0 6 0 ，该模块的外部引脚和内部结构如图3 4 所示。该 模块的额定功率是1 5 k w ，最大母线电压和电流分别是6 0 0 v 和2 0 a ，最高开关频率是8 k i i z 。使用该 模块的优点是结构简单，价格较低；缺点是最大开关频率较低，仅8 k h z 。目前该模块仍在变频空调 领域应用得较多。 如图3 - 4 ( a ) 和( b ) 所示，v u p l 和v u p e 、v v p l 和v v p e 、v w p l 和v w p e 、v n l 和v n c 是驱动电路 的电源供电端的上e 极和负极引脚，u p 、v p 、w p 、u n 、v n 、w n 为六路触发信号输入端，p 和n 为直 流母线电压输入的止负极端子，u 、v 、w 为三相电压输出端。如| ! i3 4 ( b ) 所示，因为u p 和u v p 和v ，w p 和w ，u n 、v n 、w n 瓤n 分别构成栅极触发同路，因此需要四路隔离的驱动电源。根据 p m 2 0 c t m 0 6 0 的技术资料，推荐使心的驱动电路的供电电压是1 5 v ，所以要设计四路隔离的1 5 v 电 源。 v w ，, l u v 、嘲l v ， n 坼 v a p l i f 唧 v ，i 税0 c t v o 图3 - 4 ( a ) p m 2 0 c t m 0 6 0 的引脚图 东南大学硕士学位论文 v i cv h f ow hv nu hv 虻w pv 删v 懈许v 博 v 喊u pv 州 图3 4 ( b ) p m 2 0 c t m 0 6 0 的内部结构图 根据p m 2 0 睨m 0 6 0 的技术资料，当输入触发端的电流i i n 5 m a 时，对应的i g b t 导通；当输入 触发端的电流i i n l m a 时，对应的i g b t 关断。由此看来，该m m 模块应该是电流驱动。这个地方容 易让人误解，因为i g b t ，功率m o s f e t 是电压型驱动器件，只要对其栅极加上开通和关断电压，就 可使其关断，但该模块却是电流型驱动。其实并不矛盾，因为该模块内部不只是集成了i g b t ，同时 还有其驱动电路，i g b t 当然是电压型驱动器件，但其驱动电路的输入信号可以是电流信号。因此， 明确驱动方式是设计的第一步，否则无法让模块止常上作，甚至会烧坏模块。目前的i p m 模块一般都 是输入电压型驱动信号，但p m 2 0 c t m 0 6 0 例外。 3 1 3 驱动电路的设计 驱动电路是i p m 主电路和控制电路之间的接口，良好的驱动电路对装置的运行效率、可靠性和安 全性都有重要意义。虽然i p m 驱动电路已有成熟的产品可以商接购买使剧，但为了方便自己的使用和 调试，加深对电力电子驱动知识的理解，决定臼行设计驱动电路。 i p m 的驱动电路设计一般要考虑f 面几个问题”m ： ( 1 ) 驱动电路必须相互隔离，不能共地且需具有一定的功率。必须相互隔离的原因在前面已经说 明，这里不再描述。本系统提供4 路隔离+ 1 5 v 电源的方法是：使用了两个各有二路1 6 v 交流电压输 出，功率各为5 w 的变压器，每路交流输出电压经整流滤波后接7 8 m 1 5 稳压器后可得+ 1 5 v 电压，电 源部分如幽3 5 所示。 图3 - 5i p m 驱动电路的电源电路 1 2 第三章交流电规控制系统的硬件设计 ( 2 ) 输入控制信号与驱动输出之间必须有良好的电气隔离。控制信号一般由单片机或d s p 产生， 而驱动输出直接与强电电路连接，如果不进行隔离，则强电信号会对控制信号造成干扰。隔离方法一 般采用：f 1 6 1 ( 1 ) 光耦隔离：( 2 ) 使用叔脉冲变压器或单脉冲变压器。相比之f ，采朋光耦隔离的电 路结构简单，体积小，信号传输延迟时间晟小，可靠性高，电路推广性好，因此本系统就采川光耦隔 离法。本系统的光耦隔离电路如幽3 - 6 所示。 图3 - 6 光耦隔离电路( 仅o p 一路) 在图3 _ 6 中，当控制板过来的p w m 信号变低时，光耦被驱动，电流灌进i p m 的触发端。 ( 3 ) 开关控制信号的延迟要尽量短，否则易丢失脉冲。在一般驱动电路中，应当剧高速光耦进行 隔离。由于p m 2 0 c t m 0 6 0 的最大开关频率只有8 k h z ，所以普通光耦t l p 5 2 1 在本系统中也可以使用， t l p 5 2 1 的传输上升和下降延迟时间为2 hs 和3 us 。实验调试也证明了t l p 5 2 1 可在本系统中使用。 3 1 4 驱动电路的调试 在驱动电路设计的开始阶段，为了严格遵从上述三个原则，隔离器件采用高速光耦6 n 1 3 7 。该器 件隔离电压高、共模抑制性强、速度快，它的传输上升和下降延迟时间均为4 2 n s 。电源电路和翻3 5 基本相同，不同的地方是又用了四片7 8 0 5 稳压片产生5 v 电压给6 n 1 3 7 提供丁作电压。光耦隔离电路 如幽3 7 所示( 仅画出u n 一路，其他无路与此相同) 。l 耋 中，当控制板输山的p w m 驱动信号为低l b 平 时，光耦被驱动，输出低电平，经7 4 l s l 4 反相器反相后驱动三极管导通使触发端u n 输入电流，对