（控制科学与工程专业论文）单相感应电动机调速控制系统设计与研究.pdf

分类号 u d c 密级金亚 学校代码! q 塑2 武多萎理歹大潭 学位论文 题 目一一望扫盛廛垫边扭调速揎剑丕绫遮盐墨盟宝一 英文thed e s i g na n dr e s e a r c ho n 题 | s i n g l e - p h a s ei n d u c t i o nm o t o rs p e e d c o n t r o ls y s t e m 研究生姓名型噬 姓名夏叠主职称錾撞 学位谴 指导教师单位名称自邈垡堂瞳 邮编一垒3 q q 2 q 一 单位名称自邈垡堂瞳 邮编一垒3 q q 2 q 一 申请学位级别亟 学科专业名称一揎剑銎鲎鱼墨猩 论文提交日期2 q ! ! ：墨! ! 鱼 论文答辩日期2 q l ! ：5 ：2 窆 学位授予单位盛达堡墨盘堂 学位授予日期 答辩委员会主席睦登 评阅人塞垡堑 睦登 2 0 11 年5 月 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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 含为获得武汉理工大学或其他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。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：五敝导师( 签名滔序彳日期 研究生( 签名) ：a a 改导师( 签名) ：熙障冲日期 ( 注：此页内容装订在论文扉页) 摘要 因具有结构简单，制造成本低的优点，以及家用电器的普及，单相电 应用越来越广泛，同时，也使得单相电机的耗能在耗能总量中所占比重越 大。目前国际上能源问题日趋严重，对用电设备进行节能降耗的研究也得 家的密切关注，对耗能较多的单相电机进行变频调速研究也日益增多。 但是目前对工业用三相电机变频控制技术研究较多，而对单相电机的 技术研究相对来说较少，其实单相电机结构比三相电机简单，制造成本也比较 低廉，使用也越来越多。单相电机是指具有一个绕组的电机，但实际应用中的 电机有两个绕组，也可以说是两相电机。目前的单相电机控制方法都停留在初 步的阶段，对电机的控制不够精确，不能区分电机在何种运行状态，导致电机 在运行时电能浪费严重，而在单相电机使用越来越多能源日紧益张的今天，对 研究单相电机变频调速具有深刻意义 设计用于单相电机变频调速的电机控制装置。在变频调速控制方面，通过 学习三相电机空间电压矢量变频调速原理，为了使单相电机绕组出现对称运行 必需的内部圆形旋转磁场，推导出单相电机绕组的数学模型，提出单相电机变 频调速合成电压矢量式控制方法，并使用m a t l a b 进行仿真和实验验证。 本文具体工作为首先对单相电机的控制方法以及发展进行了论述，研究了 空间电压矢量控制对电机进行控制的原理，给出了基于电压空间矢量控制方法 进行变频调速的设计方案，并用m a t l a b s i m u l i n k 建立仿真模型验证了该 原理的可行性 本文使用m i c r o c h i p 公司的专用电机控制芯片d s p i c 3 0 f 3 0 1 1 作为控制核 心，以集成驱动芯片i r 2 1 3 6 驱动6 路开关器件，文中详细介绍了主回路、驱 动电路、辅助电源电路、系统保护电路、检测电路、控制电路及其它外围电路 的设计。编写软件程序实现空间电压矢量对电机的调速控制：软件设计部分包 括主程序、p w m 子程序和故障中断子程序，整个程序采用模块化设计，便于 程序的修改和移植。实验证明使用s v p w m 控制单相电机能够达到良好调速控 制效果。 关键词：变频调速；单相电机；s v p w m ；m t a l a b s i m u l i n k 仿真； d s p i c 3 0 f 3 0 11 a b s t r a c t f o rs i n g l e - p h a s em o t o rc o m p a r e d 、i mt h r e e - p h a s em o t o ri ss i m p l ei ns t r u c t u r e ， a n dm a n u f a c t u r ec o s tl o w ，w i mt h ei n c r e a s i n gp o p u l a r i t yo fh o u s e h o l da p p l i a n c e s ， m a k e ss i n g l e - p h a s em o t o ru s e dm o r ew i d e l y b u ta tt h es a m et i m ei tm a k e st h e e n e r g yc o n s u m p t i o no fs i n g l e - p h a s em o t o ra ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tp a r to fe n e r g y c o n s u m p t i o ni np r o p o r t i o no ft o t a le n e r g yc o n s u m p t i o n w h i l et h ei n t e r n a t i o n a l e n e r g yi sg e t t i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s ，f o re l e c t r i ce q u i p m e n tt oe n e r g ys a v i n go f t h es t u d ya l s og e te v e r y b o d y sc l o s ea t t e n t i o n ，t os i n g l e - p h a s em o t o rw i t c hc o s tm a n y e n e r g yc o n s u m p t i o n ，i t ss p e e dr e g u l a t i o na n df r e q u e n c yc o n t r o ls t u d ya l s oi n c r e a s i n g b u tn o wt h et h r e e - p h a s em o t o ru s e di ni n d u s t r i a lf r e q u e n c yc o n v e r s i o nc o n t r o l t e c h n o l o g y ，a n dm o r et h a nr e s e a r c ho fs i n g l e p h a s em o t o rc o n t r o lt e c h n o l o g y r e s e a r c h ，a c t u a l l ys i n g l e p h a s em o t o rs t r u c t u r ei ss i m p l e rt h a nt h r e e p h a s em o t o r , m a n u f a c t u r i n gc o s t sl o w ，u s em o r ea n dm o r e s i n g l e - p h a s em o t o ri sr e f e r st oh a sa w i n d i n gm o t o r , b u tt h ea c t u a la p p l i c a t i o no fm o t o r h a st w ow i n d i n g s ，a l s oc a ns a y i n g i st w op h a s em o t o r t h ec u r r e n ts i n g l e - p h a s em o t o rc o n t r o lm e t h o d sa r es t a yi nt h e p r e l i m i n a r ys t a g eo fm o t o rc o n t r o l ，i sn o tv e r yp r e c i s e , c a n n o td i s t i n g u i s hm o t o r r u n n i n gi nw h a ts t a t ea tr u n t i m e , l e a d i n gt ot h em o t o r w a s t e dl o t so fe n e r g yp o w e r a t p r e s e n ts i n g l e - p h a s em o t o ru s em o r ea n dm o r e ，a n dt h ee n e r g yo fi n c r e a s i n g l ys c a r c c , t o s t u d yw i t hs i n g l e - p h a s e m o t o rs p e e da n df r e q u e n c yc o n v e r s i o np r o f o u n d s i g n i f i c a n c e t h r o u g ht h er e s e a r c ho fm o t o rc o n t r o lt h e o r y , t h r o u g ht h es i m u l a t i o n ，b u i l dt h e h a r d w a r ec i r c u i ta n dw r i t i n gs o f h 再, a r e , d e s i g n e df o rs i n g l e - p h a s em o t o rs p e e d c o n t r o ld e v i c e i nf r e q u e n c yc o n v e r s i o nc o n t r o la s p e c t s ，t h r o u g hl e a r n i n g s p a c e v o l t a g ev e c t o rf r e q u e n c yc o n t r o lp r i n c i p l eo ft h et h r e e - p h a s em o t o r , i no r d e rt om a k e s i n g l e - p h a s em o t o rw i n d i n g sa p p e a r ss y m m e t r i c a lr u n n i n gt h en e c e s s a r yi n t e r n a l c i r c u l a rr o t a t i n gm a g n e t i cf i e l d ，d e d u c e sm a t h e m a t i c a lm o d e lo fs i n g l ep h a s e w i n d i n g s ，p r o p o s e ds i n g l e - p h a s em o t o rs p e e ds y n t h e s i sv o l t a g ev e c t o rt y p ec o n t r o l m e t h o d ，a n du s em a t l a bs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，f i r s td i s c u s s e dt h ec o n t r o lm e t h o do fs i n g l 争p h a s em o t o r , a n d t h ed e v e l o p m e n to fs i n g l e - p h a s em o t o r ，t h e nr e s e a r c ht h es p a c ev o l t a g ev e c t o rc o n t r o l p r i n c i p l eo nt h em o t o rc o n t r o l ，p r o p o s e ds p e e dr e g u l a t i o na n df r e q u e n c yc o n t r o l d e s i g n s c h e m e i sb a s e do n v o l t a g e v e c t o r c o n t r o l m e t h o d s ， w i t h 队t l a b s i m u l i n ke s t a b l i s hs i m u l a t i o nm o d e lv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h i s p r i n c i p l e i i _ u s et h em i c r o c h i pc o m p a n ys p e c i a lm o t o rc o n t r o lc h i pd s p i c 3 0 f 3 011 嬲c o n t r o l c o r ea n dt h ei n t e g r a t e dc h i pi r 213 6d r i v e rd r i v e6s w i t c h i n gd e v i c e s ，t h i sa r t i c l e i n t r o d u c e st h em a i nc i r c u i t ，d r i v ec i r c u i t ，a u x i l i a r yp o w e rs u p p l yc i r c u i t ，s y s t e m p r o t e c t i o nc i r c u i t ，d e t e c t i o nc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i ta n do t h e rp e r i p h e r a lc i r c u i td e s i g n w r i t es o f t w a r ep r o g r a mr e a l i z a t i o n s p a c ev o l t a g ev e c t o r o ft h em o t o rs p e e d c o n t r 0 1 t h es o f t w a r ed e s i g np a r ti n c l u d e sm a i n ，p w ms u b r o u t i n e sp r o g r a ma n df a u l t i n t e r r u p t s u b r o u t i n e sp r o g r a m ，t h ew h o l ep r o g r a mu s em o d u l a r i z a t i o nd e s i g n , f a c i l i t a t ep r o c e d u r a lr e v i s i o n sa n dt r a n s p l a n t a t i o n e x p e r i m e n t a lp r o o fu s e ds v p w m c o n t r o ls i n g l e p h a s em o t o rc a na c h i e v eg o o de f f e c t k e y w o r d s ：f i c q u e n c y s p e e d c o n t r o l ， s i n g l e - p h a s e m o t o r ,s v p w m ， m t a l a b s i m u l i n ks i m u l a f i o n ，d s p i c 3 0 f 3 0 11 i i i 目录 摘要+ i a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 课题研究的意义l 1 2 电机的变频研究发展现状2 1 2 1 变频调速发展现状2 1 2 2 单相电机的分类型- 3 1 2 3 单相电机控制方案4 1 3 本文的主要工作5 1 3 1 课题研究的目标5 1 3 2 课题研究的内容6 本章总结7 第2 章单相电机的s v p w m 控制技术8 2 1 控制方案设计8 2 2 单相电机的调速理论8 2 2 1 变频调速的要求9 2 3 单相电机空间矢量( s v p i 瑚) 控制方式1 1 2 3 1 单相电机坐标变换1 1 2 3 2s v p w m 控制技术12 2 4空间矢量( s v p l 】l m ) 控制参数确定1 4 2 4 1 判断电压所在的扇区1 4 2 4 2 计算开关管导通关断时间1 5 2 4 3 开关导通顺序1 7 本章小结l 7 第3 章空间矢量( s v p w m ) 控制系统的仿真1 8 3 1 空间矢量( s v p w m ) 仿真模型1 8 3 1 1 整流逆变模型18 3 1 2 电机模型l9 3 i 3 仿真结构图1 9 3 2 仿真结果2 1 本章小结2 4 i v 第4 章控制系统硬件电路设计 4 1 总体控制结构框图 4 2 控制芯片介绍 4 3 流滤波电路 4 4 逆变电路设计 4 5 驱动电路 4 6 辅助电源设计 4 7 互锁电路 4 8 缓冲吸收电路 4 8 1 电容的选取 4 8 2 电阻的选取 4 9 电流采样电路3 8 4 1 0 转速测量3 9 4 1 0 1d s p 的正交编码模块。3 9 4 1 0 2 转速测量方法4 0 4 1 l 过流保护电路4 1 本章小结4 3 第5 章软件设计4 4 5 1 编程工具“ 5 1 1m p l a bi d e 4 4 5 1 2m p a l bc 3 0 4 4 5 1 3m p l a bi c d 2 4 6 5 2 程序设计4 6 5 2 1 初始化程序4 7 5 2 2 中断程序4 9 5 2 3 空间矢量( s ，w m ) 程序。5 0 5 2 4p i 调节5 2 5 2 5 统主程序5 3 本章小结5 5 第6 章实验结果分析5 6 6 1 实验结果5 6 6 2 实验分析5 9 第7 章总结与展望6 1 7 1 总结。6 l v 7 2 展望6 2 致谢6 3 参考文献“ 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文6 6 v i 武汉理工大学硕+ 学位论文 1 1课题研究的意义 第1 章绪论 现代工业中，电动机广泛应用于机械、化工、冶金、纺织、军工等重要行 业，可以说大多数生产机械都需要用电力拖动，因此有效的控制电机，提高其 运行性能，对国民经济具有十分重要的意义【1 1 2 0 世纪后，随着新型电磁材料的不断发展以及其他学科与技术的进步，人 民在降低电动机成本，减小电机尺寸，提高电机性能，改进电机生产工艺等方 面进行了大量的工作，推动这电机向大功率，高功率密度、低噪声、无电磁干 扰和高功率、高可靠性绿色电机和环保电机的方向发展。 随着越来越多的电器设备走入了人们的日常生活，例如空调、洗衣机都 已经成为日常必备的电器，而这些电器设备都属于家电使用2 2 0 v 交流电，具 有功率小的特点，所以采用的电动机绝大数为单相电机，因此单相电机在生活 中的作用越来越显著。而现代人们的生活水平正迅速提高，由此对电器设备提 出了更高的要求，电子化，智能化已经是一个必须要具备的基本要求。因此对 于电器设备的设计目标也越来越高，正向着节能，美观，环保等方向发展，对 单相的电机的控制要求也越来越高 2 1 。 世界上能源消耗越来越巨大，能源问题已经成为世界各国需要面对的首 要问题，随着电机走入人民的生活后电机的耗能总量是一个非常巨大的数目 而我国在电机能耗产品上面的耗能量比发达国家要高出许多，能源的综合利用 率相当的低。我国目前电机的的年耗量达6 0 0 0 亿千瓦时，占了工业耗量得半 数以上，而其中中小型异步电机又占了相当大的比重。因此我们迫切需要提高 电机的电能利用率，而提高电机利用率的最有效手段就是对电机进行变频调 速。但是外国产品几乎占据了我国变频调速技术市场的6 0 ，因此研究单相异 步电机的变频调速具有相当重要的意义【3 】。 ，但是目前对工业用三相电机变频控制技术研究较多，而对单相电机的控制 技术研究相对来说较少，其实单相电机结构比三相电机简单，制造成本也比较 低廉，使用也越来越多。单相电机是指具有一个绕组的电机，但实际应用中的 武汉理工大学硕十学位论文 电机有两个绕组，也可以说是是两相电机【4 】【5 1 。目前的单相电机控制方法都停留 在初步的阶段，对电机的控制不够精确，不能区分电机在何种运行状态，导致 电机在运行时电能浪费严重，而在单相电机使用越来越多能源日紧益张的今 天，对研究单相电机变频调速具有深刻意义。 目前单相电机在实际的应用中还存在着许多的问题： ( 1 ) 如果电机没有启动控制的话，频繁的电机启动、停止会对电网产生电 流冲击。 ( 2 ) 电机长期在轻载情况下运行，如果没有调速控制器的话会导致功率因 数不高会浪费大量能量。 ( 3 ) 电机使用传统的晶闸管调压控制系统，长期低速运行时电机系统产生 的谐波电流会对电网产生污染，并降低功率因数。 因此研究出能够改变以上缺点的电机调速系统具有很大的实际意义。 1 2电机的变频研究发展现状 1 2 1变频调速发展现状 2 0 世纪处人类开始真正意义上对电动机进行自动控制，当时采用的是静止 变流器，形成了第一代电动机传动控制系统。随后很长的一段时间里，对直流 电机的控制因为其控制简单、调速平滑、性能良好所以一直占据主导地位然 而直流电机因为结构上的缺陷，使其维护困难、寿命短、电机功率小从而人 们开始致力于交流调速技术的研究。到了2 0 世纪7 0 年代，随着电力电子技术 和控制技术的发展，交流技术也取得了不小的成就。这时专门的变频器也开始 出现，在欧美一些工业化的国家逐步将变频运用在风机和泵类产品上【6 】。 电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础，随着美国通通电器公司 制成了世界上第一只晶闸管，电力器件成为了弱电控制强电的纽带。随后的4 0 年里电力器件经历了非常迅猛的发展过程，。从半空型器件发展到了全控器件， 从电流调制到电压调制，从低频功率开关到高频功率开关，从小功率到大功 率。陆续产生了，门极可关断晶闸管，电力功率晶闸管、电流场效应管、绝缘 栅极晶体管等。 2 武汉理工人学硕士学位论文 在这电力器件发展的过程中，新的交流技术诞生了，那就是 器件组成的脉宽调制p w m ，这是逆变器取代由晶闸管构成的方波 流技术上的一次突破。从此s p w m 逆变技术得到了广泛的应用， 量p w m 技术可以控制电机中产生的实际磁通去逼近定子磁链的给 磁通圆，实现电动机的高品质控制，由于控制简单，数字化方便 传统的s p w m 。电流跟踪型p w m 逆变器兼有电压和电流控制型 点，收到了很大重视。近年来应用软开关技术的变流器也在研究 变器开关损耗大大减少，提高工作效率、降低成本、发展前景巨 在变频技术不断发展的同时，先进的控制方法也在不断的推 7 0 年代提出的矢量控制技术，解决了交流电机的转矩控制问题。通过坐标变换 原理，实现了交流电机定子励磁分量和转矩分量之间的解耦，可以将交流电机 等效为直流电机进行控制，大大简化了控制策略，可以使电流电机获得与直流 电机同样的性能，开创了交流调速的先河。2 0 世纪8 0 年代，研究人员提出了 一种直接转矩控制技术，这种方法将电动机与逆变器统一为一个整体，通过磁 通跟踪型p w m 逆变器的开关状态直接控制转矩，控制结构简单，易于数字 化，应用前景广阔。 1 2 2 单相电机的分类型 单相异步电动机有以下几种类型： ( 1 ) 单相电阻分相启动异步电动机： 单相电阻分相启动异步电动机的副绕组通过一个启动开关和主绕组并联接 单相电源上，当转子转速上升到一定大小时，断开副绕组电路，使电动机运行 在只有主绕组通电的情况下。 ( 2 ) 单相电容分相启动异步电动机： 单相电容分相启动异步电动机，其副绕组回路串联一个电容器和一个启动 开关，然后再和主绕组并联到同一个电源上。电容器的作用是使副绕组回路的 阻抗呈容性，从而使副绕组在启动时的电源领先电源电压u 一个相位角。由于 主绕组的阻抗是感性的，他的启动电流落后电源电压u 一个相位角。 ( 3 ) 单相电容运转异步电动机： 单相电容运转异步电动机中，副绕组不仅在启动时起作用，而且在电动机 运转时也起作用，长期处于工作状态。 3 路谐波的一门技术。 从2 0 世纪p w m 控制技术产生到今，经过发展后已经有许多种的p w m 法 诞生，而且在不断发展之中，从控制思想上分，可把它们分为四类嗍： ( 1 ) 等脉宽p w m 法； ( 2 ) 正弦波p w m 法，即s p w m 法； ( 3 ) 电流跟踪型p w m 法； ( 4 ) 磁链追踪型p w m 法( s v p w m 法，也称空间矢量p w m 法) ； 以脉宽调制技术组成的p w m 型交一直一交变频装置与常规的交一直一交变频 装置相比，具有以下优点【1 0 l ： ( 1 ) p w m 型主电路只有一个功率控制级，简化了主电路结构； 、 ( 2 ) p w m 型逆变器在调频时同时调电压，与中间直流环节的元件参数 无关，加快了系统的动态响应； ( 3 ) p w m 型交一直一交变频装置使用了不可控整流桥，系统对电网的功 率因数与逆变器输出电压值无关而接近于1 ； 脉宽调制技术生成的p w m 的每一脉冲的宽度幅值均相等，通过改变p w m 脉冲的宽度或占空比可以调节电压，通过改变p w m 的脉冲序列的周期可以达 4 武汉理工大学硕+ 学位论文 到调频的目的，如果想要实现电压与频率的协调变化须采取适当的控制方法， 其缺点是输出电压除基波外，包含较多的谐波分量。 正弦脉宽调制法克服了等脉宽p w m 法的缺点，它是使脉冲宽度按照正弦 规律变换的p w m 调制技术，它以一个正弦波作为调制波，以一个等幅的三角 波为载波与基准正弦波相交，由它们的交点确定逆变器的开关模式，它的脉冲 宽度不再相等而只有幅值是相等的在整个半周期中被正弦地调制【l 。它是目前 比较成熟的一种电机方法，其p w m 波的产生方法有很多种有等面积法，硬件 调制法等。 空间矢量脉宽调制s v p w m 是一种优化的p w m 技术，它通过逆变器开关 器件不同的开关模式之间的切换来产生p w m 。从而可以通过控制电机绕组上 的电压矢量来产生旋转的圆形磁链矢量轨迹传统的s p w m 是以电源角度出 发，产生一个可以调频调压的正弦电源。而空间矢量( s ? w m ) 则是将逆变 器和电源看做一个整体来考虑【1 2 】【1 3 1 如果采用三相全桥逆变器的话，六个开关 管3 个桥臂通过不同的开关模式可以生成八种空间矢量，其中包括两个零矢量 和六个非零矢量，只有这六个非零矢量是对产生磁链轨迹有效。通过实时控制 这几个矢量的出现即控制开关管的导通顺序，可以生成圆形旋转的电压矢量轨 迹和磁链轨迹，也可以使磁链顺时或逆时旋转，从而控制电机转速和转向 空间矢量( s v p w m ) 特点t 1 4 1 ： ( 1 ) 在每个小区间虽有多次开关切换，但每次开关切换只涉及一个器 件，所以开关损耗小。 ( 2 ) 利用空间矢量直接生成三相p w m 波，计算简单 ( 3 ) 直流侧电压是逆变器输出线电压基波的最大值，因此比一般的 s p w m 逆变器输出电压高15 t 1 5 1 。 1 3本文的主要工作 1 3 1课题研究的目标 通过对电机控制理论的研究，建立电机的数学模型，通过仿真后，搭建硬 件电路并编写软件，设计用于单相电机变频调速的电机控制装置。设计后的电 5 武汉理工大学硕七学位论文 机控制装置与其他变频装置相比，该变频装置综合成本较低，控制效果更好。 在变频调速控制方面，通过学习三相电机空间电压矢量变频调速原理，为 了使单相电机绕组出现对称运行必需的内部圆形旋转磁场，推导出单相电机绕 组的数学模型，提出单相电机变频调速合成电压矢量式控制方法，并使用 m a t l a b 进行仿真和实验验证。该控方法通过控制单相电机绕组上合成电压矢 量的运行轨迹来达到单相电机变频调速目的f 1 6 】。本课题的目标是为了设计一个 硬件电路简单实用，软件开发易于实现，电机可调速范围宽的电机控制系统。 本文采用的是m i c r o c h i p 公司专门为电机控制所推出的d s p i c 3 0 f 系列d s c 作 为单相电机变频调速的控制芯片。该芯片优化除了提供足够的性能外，其性价 比也是非常的高。具有高性能的c p u ，改进的哈佛结构，丰富的i o 接口，专 门的电机控制模块使的电机的控制更为方便实现。 1 3 2 课题研究的内容 本论文研究的内容主要包括研究空间电压矢量p w m 的基本原理和建立电 机控制的数学模型，对设计的控制系统进行m a t l a b 仿真、设计控制系统硬 件电路、编写控制系统软件、对控制系统进行实验几个部分。通过研究单相感 应电动机节能控制理论、方法和技术。采用数字控制器实现单相感应电动机控 制系统。控制系统主要由整流环节和逆变环节构成，采用数字控制技术，通过 功率电子器件进行电流控制，在电动机绕组中产生可控旋转磁场，由电机转子 产生电磁力矩。 具体研究内容为 ( 1 ) 对单相电机的磁场理论进行分析和研究 ( 2 ) 分析和建立单相电机的数学模型 ( 3 ) 研究单相电机的空间矢量( s v p w m ) 控制方法 ( 4 ) 用m a t l a b 对单相电机的控制方法进行仿真 ( 5 )以d s c 芯片为控制核心，设计整个硬件控制电路 ( 6 ) 设计软件控制程序 6 本章总结 7 机前容电目内对就究。并研研，作调述工了阐的 行的行进单进括简要概个文的一本究了和 研行次外进其 内法。国方比 及制对以控的，种单 义各简意对个 究时一 研同了的，行 题绍进。 课介案绍 对单方介要简制的主了控单章行制简本进控了类机行种电进 武汉理工人学硕十学位论文 第2 章单相电机的s v p w m 控制技术 2 1 控制方案设计 矢量控制法可以同时控制电机驱动电压的频率、幅值以及相位。矢量控 制的关键在于产生一个电压矢量以控制定子电流矢量。该定子电流矢量可以控 制转子磁通矢量进而控制转子电流相矢量【1 7 1 。 通过测量电机上的电流，因为此为单相电机只需测量两个电流数据即可满 足要求，与三相的c l a r k 变换不同，单相电机的电流相位差为9 0 度已经是正交 的电流，可以直接将测得的电流数据经过数学变换后，将转子上的电流变量转 换到静止轴上，作为电流环的负反馈分量。利用编码器将电动机的机械转角位 移，测得电度角和转速，作为速度环的反馈量，给定转速与转速的偏差经过速 度p i 调节，再经过处理后经产生相电压分量，相电压分量经过变换得到相电压 矢量分量，然后通过空间矢量技术产生p w m 控制信号来控制逆变器。整个方案 图如图2 1 所示。 图2 - 1 总体控制方案图 2 2单相电机的调速理论 因为交流电机的转速公式为： 一 武汉理工大学硕士学位论文 。( 1 - s ) ：警( 1 叫 其中：n o 为同步转速( r m i n ) z 为定子电源频率( h z ) p 为电机对数 s 为电机转差率 交流电机的调试方法主要有三类【1 8 】： ( 1 ) 在电机中旋转磁场的同步转速以。恒定时，调节转差率s ，称为 率调速； ( 2 ) 调节供电电源频率z ，称为变频调速； ( 3 ) 改变电机定子绕组的极对数p ，称为变极调速。 2 2 1变频调速的要求 根据异步电动机定子每相绕组感应电动势： 置= 4 4 4 f , l k 1 九 ( 2 2 ) 式中 ，：为电源频率； l 为定子绕组每相串联匝数； k 。为基波绕组系数； 九为每极气隙磁通； 由上可知，在定子上电动势的有效值五不变的条件下，改变定子频率时会 出现以下情况： 如果改变的后频率石大于电机的额定频率，即使电机转速向大于额定转 速方向调节时，绕组的气隙磁通量。就会小于电机额定磁通量。如果电机在这 种情况下长期运行，会极大的降低电机铁心的利用率，从而浪费电能。 如果改变后的z 小于电机的额定频率，即使电机转速向小于额定转速方 向调节时，那么气隙磁通量矽。就会大于电机额定磁通量。在这种情况下铁心磁 通量将会过大从而导致过饱和，并且使励磁电流过大，严重时会因绕组过热损 坏电机【”】。 因此要很好的对电机进行变频调速，必须在不损坏电机的条件下，充分利 用电机转矩能力，要实现这一目标就必须保持每极磁通量额定值不变【2 0 1 。 9 武汉理_ t 大学硕士学位论文 即e = 常数 ( 2 - 3 ) ( 1 ) 基频以下调速 当电机向低于额定转速方向调速时，电机机械特性曲线近似是平行的下 降，这说明减速后的电机仍然保持原来较硬的机械特性【2 l 】。当电机转矩t 增大 会有一个临界点，当转矩到这个点后，转矩将不再增大而是缓慢变小。电机在 基频以下调速具有恒转矩的性质，这就造成了电动机的负载能力下降。当在低 频下调速时，电压也按同比例下降，而定子阻抗的压降并不按同比例下降，此 时不能再忽略定子阻抗压降所占的分量。这时，可以人为地把电压以抬高一 些，以便近似地补偿定子压降。 ( 2 ) 基频以上的调速 当电动机向高于转速的方向调速时，调节电源频率大于额定频率厂，电机 的机械曲线不仅在临界下降，而且曲线的斜率开始增大，使电机机械特性变 软，表现出恒功率的特点。在这种情况下当频率升高时，由于电机绕组绝缘强 度的限制使电源电压不能超过电机的额定电压，从而不能相应与频率一起升 高，这将迫使电机绕组磁通降低。在基频厂以上变频调速时，由于u 1 = u 不 变，可以证明当电源频率升高时，电机同步转速随之提高，最大转矩t 减小， 机械特性上移。 l l m j l ) 【 l l 图2 2 异步电动机变频调速的控制特性曲线 1 0 武汉理1 二人学硕士学位论文 磁通量将随着频率的升高而反比例下降，电机磁通势一减弱又导致电机转 矩t 减小，造成电机的机械特性变软。虽然电机的转矩有所减小，但是由于电 机的转速却提高了，可以认为电机的输出功率基本不变，所以基频以上属于弱 磁恒功率调速【1 9 】。综合基频以下及以上两种情况，异步电机变频调速的控制特 性如图2 - 4 所示。 2 3单相电机空间矢量( s v p w m ) 控制方式 2 3 1单相电机坐标变换 从电机转矩表达式可以看出，影响单相异步电动机的转矩的因素非常多这 是一个多变量的方程。转矩的这种多变量的复杂性是单相异步电动机难于控制 的根本原因，不仅与转子，定子电流和定子与转子的互感有关，而且与转子回 路的功率因数角p 有关，转、定子电流及转、定子互感两个变量既不正交，彼 此也不是独立的。而直流电机模型明显比交流电机简单，使直流电机易于控 制，如果能将交流电机的物理模型等效地变换成类似直流电机的模式，分析和 控制就可以大大简化。坐标变换正是按照这条思路进行的。 一 1 ra 1 1 绷2 i 刀，r 鬲1 = p , m i n ( i s i n o 一知c o s d 一岛( 乞c o s e + i ps i n 8 ) ( 2 - 4 ) 通过对电机数学模型的分析我们可以知道，此模型是一个非常复杂的系 统，存在着变量之间的耦合，高阶变量并且是非线性的系统【2 2 1 2 3 1 ，要直接分析 和求解这组非线性方程显然是很困难的。因此，我们只有简化这个数学模型才 能进行下一步的分析，与一般的异步电机相比，单相异步电机因为定子和转子 上的绕组空间上相差9 0 0 ，消除了定子绕组和转子绕组之间的耦合【2 4 】，这给我 们的研究带来了一定的方便。为了更好的更直观的更简单的分析这个系统我我 们需要采用合适的坐标变换。 矢量变换控制是基于坐标变换，其原则有三条【2 5 】： ( 1 ) 在不同坐标下产生的磁动势相同( 即模型等效原则) ( 2 ) 变换前后功率不变 ( 3 ) 电流变换矩阵与电压变换矩阵统一 武汉理工大学硕士学位论文 为了便于对电机方程的求解，我们将坐标坐标轴选在定子、转子中不对称 的一方在进行坐标变换时。对于单相异步电动机，我们把坐标轴放在定子上， 因为单相异步电机其定子可以不对而称转子对称。我们将转子上对称的量变换 况 - 艺 u 秆 u 出 图2 3k r o n 变换后的单相异步电机模型 到不对称的定子上，可以方便对电机方程的求解，因此我们选取定子静止坐标 系为变换坐标系，如图2 3 所示。这样我们可以建立一个在两相静止坐标系上的 数学模型k r o n 单相异步电机模型，经过k r o n 变换后定子各量不变，而转子各量 折合到静止坐标系变为屯、 将电机的转子绕组短接，并经过k r o n 变换后，电机定子轴上各变量不变， 而转子轴上各变量经过变换如下： i 静| l c o s 0 + i b s i n 0 u 0 = 【，二c o s p + 【，_ s i n 0 ( 2 - 5 ) i | l r = l 口s i n 0 一i b c o s 0 u 静= u 4s i n 0 一u pc o s 0 2 3 2s v p w m 控制技术 由表2 1 我们可以看出，交一直一交变频