异步电机调速系统的仿真研究

PAGEPAGEIV异步电机调速系统的仿真研究摘要交流异步电机变频调速因为其具有显著的节能效果，并且可以实现无级调速，已成为当前电力传动领域研究的热点之一。本文介绍了本文首先简要地介绍了异步电机的运行和调速的原理，然后介绍了交流调速系统的主流技术，较为详细的讨论了电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术，对这种技术的原理和实现方法进行了详尽分析。在论文的最后简要介绍有待进一步完成的工作。硬件方面本文详细介绍各个模块的组成和功能，主要器件的选择原则。软件方面主要给出实现变频调速的主程序及子程序流程图，重要模块的初始化设置。本系统采用美国TI公司的数字信号处理器(DigitalSignalProcessor)TMS320F2812作为系统的核心控制芯片，主电路采用6只IRFP450构成三相桥式结构，小功率三相电机作为被控对象。实现电压空间矢量算法的实时处理，异步电机的开环调速。关键词：异步电机；DSP；SVPWM

AbstractInthefieldofmodernpowerdriving,withtheappearanceofthenewpowerelectronicapparatusandmicroprocessor,allkindsofadvancedtheoriesthathaveresultinthedevelopmentofmotorcontrol.Themotorcontrollerwhichhashighaccuracy,controlperformanceandwidespeedregulatingrangecanberealized.TheadjustablespeedcontrolofACasynchronousmotorbyinverterisahotspotbecauseofitsnotableenergysavingfunctionandcontinuousvariablespeed.ThispapermainlyintroducesaninductionmotorcontrolsystembasedondigitalsignalprocessorTMS320F2812,anditsapplicationsintheVVVFsystem.FirstlythepaperintroducessomekindsofpopulartechnologyaboutACspeedregulation,thenitdiscussestheSineVoltageSpaceVectorPulseWidthModulationtechnologycarefullyandprovestheselectionofconstantratioofvoltageandfrequencyandasynchroniesmodulation.Inthesametime,thepaperintroducesandanalysisthehardwareofthespeederregulationsystemusingthevoltageSpaceVectorPulseWidthModulationtechnologycarefully.Attheendofthispaper,itintroducestheworktobecompletedlater.Inthehardwaresidethispaperdescribesthecompositionandfunctionsofthevariousmodules,themainprincipleofthechoiceofdevices.Inthesoftwareside,itgivestherealizationofVVVFflowchartofmainprogramandsubprogramandinitializationsettingsofimportantmodules.ThesystemusesDigitalSignalProcessorTMS320F2812fromtheAmericanTIcompanyasthesystemcenterchip,themaincircuitpresentsasthestructureofthree-phaseconstructionbysixIRFP450,low-powerthree-phasemotorasacontrolledobject.RealizeReal-timeprocessingofvoltagespacevectoralgorithmandopen-loopinductionmotorspeedcontrol.Keywords:inductionmotor;DSP;SVPWM

目录摘要 IAbstract II1绪论 11.1研究背景 11.2研究意义 12变频调速的基本原理 32.1异步电机的调速方法 32.2异步电机变压变频调速原理 42.3变频技术的实现 52.4 PWM技术 62.5电压空间矢量脉宽调制技术基本原理 72.6本章小结 113系统硬件电路设计 123.1系统概述 123.2控制芯片介绍 133.3电机简介 183.4主回路的设计 183.4.1光耦隔离驱动部分 193.4.2整流电路 203.4.3逆变部分 213.5本章小结 224系统软件设计 234.1SVPWM技术的参数计算 234.2扇区号的确定 244.3利用硬件SVPWM功能的编程方法 244.4TMS320F2812DSP产生五段式SVPWM波形的方法 264.5开环调速的实现 284.6本章小结 295实验结果与分析 305.1 SVPWM波实验结果分析 305.2 开环调速实验结果 315.3本章小结 316结论 32参考文献 33致谢 34PAGE211绪论1.1研究背景目前的电力驱动系统不仅是电机驱动系统，还必须与高性能控制系统相结合，以满足生产和机械过程的要求。随着人类社会文明的进步和发展，人们对现代工业及生活设备的性能要求也越来越高。在这样的环境下，性能优良的电力传动系统是必不可少的。调速系统正是电机传动技术和自动控制技术相结合的产物[1]。1.2研究意义随着电力电子技术的发展，大功率半导体器件正在变得智能化。智能功率模块（JPM）是微电子技术与电力电子技术相结合的产物。IPM包含了IGBT芯片及外围的驱动和保护电路，有些甚至把光耦也集成于一体，是一种更为经济实用的集成型功率器件。利用IPM的控制功能与微处理器相结合，可方便地构成智能功率控制系统。由于采用了隔离技术，使得器件散热均匀、体积紧凑，不但提高了可靠性，而且使系统的开发时间、开发费用都大大减少。IPM以其高可靠性和易用性赢得了越来越多的市场。它特别适合制造驱动电动机的变频器。它是一种理想的电力电子器件。异步电动机转差频率控制是一种转速闭环控制。利用异步电动机的转矩与转差频率成正比的关系来控制电机的转矩，就可以达到与直流恒磁通调速系统相似的性能。其优点是将转差信号和实测速度信号相加得到频率控制环节的输入频率信号。在变速过程中，实际频率与实际速度同步升降，使加减速更平稳，更容易稳定。2变频调速的基本原理在异步电机各类调速方法中，变压变频方法效率最高，性能最佳。在这种方法调速控制中，同步控制定子电源的电压和频率，保证了转差功率不变。这种电压频率协调控制的方法在控制时能获得基本上平行移动的机械特性，具有较好的控制特性。长期以来，变压变频的优良特性早已为人所熟知，但因当时无法获得大功率电力电子器件，主要靠旋转变频发电机作为调制电源。这种方法体积大，有附加能量损耗，因此未获得广泛应用。在大功率开关器件问世以后，各种静止变压变频装置得以迅速发展，并使之成为大功率调速系统的主流。2.1异步电机的调速方法异步电机的转速公式为：（2-1）式中——电动机极对数；——定子电源频率（Hz）。——异步电机的转差率。从式（1-1）可看出，有三种方法可以改变异步电机的转速：（1）改变极对数；（2）控制电源频率；（3）改变电动机的转差率（例如改变定子电压、转自电阻、转子电压等）。若从异步电机的基本原理出发来分析调速方法将会得到更有益的启发。电动机的电磁功率可看成有两部分组成：一部分是有效功率，即用于拖动负载；另一部分是转差功率，其大小与成正比。它是异步电机实现机电能量转换的媒介。从能量转换角度看，在调速过程（发生变化）中，如何对待转差功率，是消耗还是反馈，决定了调速方法的效率高低。因此可将异步电机的调速方法可分成以下三类。1．转差功率消耗型调速系统其全部转差功率都转换成发热被浪费掉。例如，降电压调速，电磁、转差离合器调速和绕线转子异步电机转子回路串电阻调速。这些方法效率低，而且转速调的越低，效率越低。由于这些方法的简单性，所以在小功率调速中尚有一定的应用。2．转差功率回馈型调速系统这种方法消耗一部分转差功率，将大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能加以利用。转速越低，回收的功率部分比例越少。串级调速就属于这种方法。这种方法由于效率较低，体积偏大，目前已经很少应用。3．转差功率不变型调速系统转差功率中转子铜耗部分的消耗是不可避免的，这这种方法中，无论转速高低，转差功率基本不变。也即调速过程中，保证转差率基本不变，从而保证了高效率运行。例如变极对数调速，但只能有级调速，应用场合有限。另一种是变压变频调速，由于它可以实现高效率高动态性能交流调速，所以已经成为应用最广泛的调速系统[5]。2.2异步电机变压变频调速原理衡量异步电机工作状态的量是其电磁负荷，即气隙密度和电流密度的乘积。异步电机的气隙密度与电机中每极磁通量成正比（不计饱和）。电机运行中希望保持磁通不变，如果磁通过小，电机铁心没有充分利用形成浪费；如果磁通过大又会使铁心饱和，从而使励磁电流聚增，严重时会因绕组过热而损坏电机。异步电机的磁通是定子和转子磁势合成产生的，于是围绕如何保持磁通恒定，产生了各种不同的控制方法。三相异步电机的定子相电势的有效值为（2-2）式中——定子每相由气隙磁通感应的电动势的方均根值（V）；——定子频率（Hz）； ——定子相绕组有效匝数；——每极磁通量(Wb)；——与绕组结构有关的参数。由式（2-2）可知，只要控制好和，也即在改变频率的同时协调地改变，就能使恒等式中的不变。但在实际中，感应电动势难以直接控制并且很难检测，所以要保持常值，只是一种理想的控制方法。当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认定≈，则得常值。这是恒压频比的调速控制方法。低频时，和都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能再忽略。这时，可以人为地把电压抬高一些，以便近似地补偿定子压降。其电压-频率关系如图2-1所示：图2-1U-f关系曲线2.3变频技术的实现异步电机的变压变频调速的核心是如何协调地改变电压和频率。然而现有的交流电源是恒压恒频的，因此，必须配备电力变压变频装置，即VVVF装置（VVVF是英文VariableVoltageVariableFrequency的缩写）。从结构上看，变压变频装置可分为间接变压变频装置（交-直-交变压变频装置）和直接变压变频装置（交-交变压变频装置）。1．间接变压变频装置间接变压变频装置先将50Hz工频电源整流成直流电流或电压，然后通过逆变器转换成频率可控的交流电。因此又称为有中间整流环节的变压变频装置，或交-直-交变压变频装置。按照不同的控制方式，又可分成：（1）可控整流调压，逆变器调频方式。（2）全桥全波整流，斩波器调压，再用逆变器调频。（3）全桥全波整流，脉宽调制（PWM）逆变器同时调压和调频。2．直接变压变频装置直流电压转换器只需一个转换链路即可将恒压和恒频（CVCF）交流电源转换为VVVF电源。因此，它被称为“直接”电压转换器或AC-AC转换器。其主要优点是没有中间环节，故变换效率高。但其连续可调的频率范围窄，一般为额定效率的1/2以下（即0～），故它主要用于容量较大的低速拖动系统中，如轧钢机、球磨机等。无论是交流-交流电压变频，还是交流电压变频，从变频电源的性质来看，都可分为电压源逆变器和电流源逆变两大类。对于间接变压变频装置，两类变频器的主要区别在于它们的中间直流环节用什么样的滤波器[7]。电压源型变频器在变压变频装置中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直。理想情况下，这相当于内部阻抗为零的恒压源，输出交流电压为矩形或梯形波。如图2-2所示：图2-2电压源型变频器电流源型变频器当变压变频装置的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直。因此，电源的内部阻抗非常大，并且它基本上是负载的电流源。输出交流电流为矩形波或梯形波。如图2-3所示：图2-3电流源型变频器PWM技术PWM控技术一直是变频技术的核心技术之一到目前为止，PWM仍然在各种应用中占主导地位，并一直是研究的热点。由于PWM可以同时实现变频变压、反抑制谐波的特点，因此在交流传动乃至其它能量变换系统中应用广泛。PWM控制技术大致可以分为三类，正弦PWM(包括电压、电流或磁通正弦为目标的各种PWM方案，多重PR'M也应归于此类)、优化PWM以及随机PWM。正弦脉宽调制已为人们所熟知。其目的是改善供电系统的输出电压和电流波形，降低供电系统的谐波。而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率(THD)最小、电压利用率最高、效率最优及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。随机PWM方法的原理是，由于开关频率的随机变化（在线性频率坐标系下，各频率的能量分布是均匀的），电机的电磁噪声近似为带限白噪声。虽然噪声的总分贝数保持不变，但以固定开关频率为特征的有色噪声强度却大大减弱。随着新型电力电子器件的不断涌现和微电子技术的不断发展，PWM变频技术也取得了快速发展。目前主要有三种形式：基于正弦波到三角波脉宽调制的SPWM控制、基于电流滞环跟踪的CHPWM控制和电压空间矢量SVPWM控制。1．SPWM技术SPWM方法是从电源角度出发的。它着重于如何生成可以调节电压和频率的三相正弦电源。生成SPWM波形的方法有很多，如等面积法，自然采样法，常规采样法等。在自然采样SPWM方法中，采用正弦波作为调制波，同构三角波作为载波，正弦波和三角波的瞬时值相等，即两个波形是跳跃矩，并获得正弦波和三角波的瞬时值。具有相同调制幅度和正弦变化区域的矩形脉冲信号。中值规则采样法的基本思想是在三角载波周期中点（三角波的负峰值或正峰值）采样正弦波时，用阶梯波代替正弦波。自然采样SPWM方法能够准确反映原有的正弦脉宽调制方法，但切换时间计算难度小，不适合微机实时控制，采样方法和中位数规则偏离自然采样方法，计算方法简单，计算量很小。脉冲宽度简单，在计算机上实现方便，计算复杂度小，实时性好，是SPWM常用的方法之一。2．电流追踪型PWM技术电流跟踪pwm技术的基本思想是将给定的正弦定子电流信号与实测的定子电流信号进行比较。反之，则使之增加。电流轨迹追踪PWM变频器由通常的PWM电压源型变频器和电流控制环组成。3．电压空间矢量SVPWM电压空间矢量SVPWM控制是一种与SPWM控制不同的新颖的脉宽调制方法。它不仅局限于如何根据正弦变化规则制作变频器输出功率，而且总体而言，基于电压空间矢量概念的变频器和电机，具有八个基本电压空间矢量合成所需的电压空间矢量，逆变电源组件。基于定子磁链矢量与定子电压之间的关系，直接控制定子磁链矢量的幅值，并沿圆周跟踪顶点。目的是使平均速度可调，以实现感应电动机变频调速的近似恒定通量。从以上分析可以看出，电压空间矢量脉宽调制是一种比较优越的脉宽调制方式，系统采用的数字信号处理器（DSP）包含一个产生SVPWM的内部状态机，所以系统采用电压空间矢量脉宽调制，这将在下面进一步讨论[8]。2.5电压空间矢量脉宽调制技术基本原理电压空间矢量PWM（SVPWM）实际是磁通PWM，其特点是从电机角度出发，着眼于通过控制电机端电压，是点击获得幅值恒定的空间旋转磁场。三相异步电动机要求定子输入三相对称正弦电流的最终目的是在电机内产生圆形气隙旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。因此，把逆变器和电机视为一体，以跟踪圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的输出电压波形，一定会产生更好的控制效果。电压空间矢量是按照电压所加绕组的空间位置来定义的。电动机的三相定子绕组可以定义一个三相平面静止坐标系：图2-4电压空间矢量该坐标系有三个相互间隔120度的轴，代表三相。定子相电压，，分别加在三相绕组上，他们的方向在各相的轴线上，大小随着时间的变化按正弦规律变化。因此，三个相电压空间矢量相加所形成的一个合成的电压空间矢量u是一个以电源角频率速度旋转的空间矢量。 （2-3）这样可以定义电流和磁链的空间矢量I。因此有：（2-4）当转速不是很低时，定子电阻压降较小，可以忽略，则有：（2-5）或（2-6）所以有：（2-7）式（2-7）说明，当磁链幅值一定时u的大小与ω成正比，或者供电电压与频率成正比。其方向是磁链圆的切线方向。当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按照磁链圆的切线方向旋转弧度，其运动轨迹与磁链圆重合。只要电压空间矢量运动轨迹正确，异步电机就可以平稳的运转。 如上所述的逆变器，a、b、c分别代表3个桥臂的开关状态。当上桥臂开关管的“开”状态时(下桥臂的状态必须是“关”)，开关状态是1；当下桥臂开关管的“开”状态时(上桥臂的状态必须是“关”)，开关状态是0。三个桥臂只有“1”和“0”两种状态。因此就形成了000，001，010，011，100，101，110，111共八种状态。000和111的状态时的逆变器的输出电压为零，称为零状态。开关向量和逆变器输出的线电压和相电压间的关系可分别用式（2-8）、（2-9）表示。（2-8）（2-9）式中的是直流母线电压。将数值带入式中，可分别求出八个矢量，这八个矢量就称为基本电压空间矢量，根据其相位角的不同命名为：、、、、、、、。其中、被称为零向量。各个基本矢量的大小和位置如图2所示。图中给出了八个基本矢量的位置和大小，其中非零矢量的大小相等，间隔60度，而两个零矢量的大小为零，位于中心。在计算中为了方便，经常把基本矢量转换到平面直角坐标系当中，平面直角坐标系的α轴与A轴重合，β轴超前α轴90度。图2-5基本电压空间矢量及扇区编号通过Clarke变换，以每个坐标系中的电动机的总功率不变为原则，得到如式（2-10）变换矩阵：(2-10)所以，通过这个变换矩阵可以将三相ABC平面的坐标系中的相电压转换为平面直角坐标系中的电压。变换式如（2-11）所示：(2-11)当逆变器单独输出基本电压空间矢量时，电动机的定子磁链矢量的矢端从A到B沿平行于方向移动，如图2-6所示。当移动到点时，矢量端也改为从B到C的移动。这样下去，当全部六个非零基本电压空间矢量分别依次单独输出后，电子磁链矢量矢端的运动轨迹就是一个正六边形。图2-6磁链运动轨迹要获得圆形旋转磁场，可以通过获得一个正多边形来实现。显然，正多边形的边越多，越近似于圆形旋转磁场。但是非零的基本空间矢量只有六个，如果想获得尽可能多的多边形旋转磁场。可以利用六个非零的基本电压空间矢量的线性时间组合得到更多的开关状态。在图2-7中，和代表相邻的两个基本电压空间矢量；是输出的参考相电压矢量，其幅值代表相电压的幅值，其旋转角速度就是输出正弦电压的角频率。可由和线性时间组合来合成，它等于倍的和倍的的矢量和，其中时和的作用时间，是作用的时间。图2-7电压空间矢量的线性组合2.6本章小结在这章里，首先介绍了异步电机调速和变压变频调速的理论基础，然后简要介绍了PWM技术，最后详细阐述了电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术的原理及其实现的算法。本章的内容为后面的硬件设计提供了理论依据。SVPWM以电机的理想磁通圆为基准，在逆变器的不同开关模式下产生磁通来逼近基准圆，并根据比较结果确定逆变器的开关状态，形成PWM波形。这种控制方法将逆变器和电动机看作一个整体来处理，实现了逆变器开关模式和电压空间矢量的内在联系。3系统硬件电路设计3.1系统概述 基于DSP的异步电机变频调速硬件系统主要由控制模块，光隔驱动模块，整流模块，逆变模块组成。系统硬件结构框图如图3-1所示，本设计电路图如图3-2，硬件实物图如图3-3所示。图3-1系统硬件结构框图图3-2系统电路图图3-3硬件实物图3.2控制芯片介绍这套系统以电机控制芯片TMS320F2812DSP芯片为核心，完成控制信号的计算和产生、各个硬件设备的调试运行等工作。通过给定信号获得控制参数，并且由控制芯片计算控制信号。控制信号输出到光耦隔离模块和逆变模块，电机速度由主电路控制。TMS320F2812DSP引脚图如图3-4所示。本系统采用合总达开发板，开发板外形如图3-5所示，故省去芯片外围电路设计的工作。图3-4TMS320F2812引脚图图3-5合总达开发板下面给出本设计选用此款控制芯片的理由： TMS320C28x系列是目前美国TI(TexasInstruments)公司TMS320C2000系列中性能最好的DSP芯片，特别适合于高性能数字控制领域。TMS320F281x系列DSP功能框图如图3-6所示。图3-6TMS320F281x系列DSP功能框图TMS320F281x系列DSP的主要性能有：⒈高性能静态CMOS技术⑴150MHz时钟频率（6.67ns时钟周期）；⑵低功耗设计(核心电压为2.8V@135MHz,1.9V@150MHz,I/O端口为3.3V)；⑶Flash编程电压3.3V。⒉高性能CPU；⑴16位×16位和32位×32位的乘和累加操作；⑵双16位×16位的累加单元（MAC）；⑶哈佛总线结构；⑷强大的操作能力；⑸迅速的中断响应和处理；⑹统一的存储器编程模式；⑺可达4M字的线性程序/数据地址；⑻代码效率高（兼容C/C++或者编程语言）；⑼与TMS320F24x/LF240x处理器的源代码兼容。⒊片上存储器⑴多达128K×16位Flash存储器（4个8K×16位和6个16K×16位的扇区）；⑵1K×16位的OPT型只读存储器；⑶两个4K×16位的单口随机存储器（SARAM）:L0和L1；⑷一块8K×16位的SARAM：H0；⑸两块1K×16位的SARAM:M0和M1。⒋引导ROM（4K×16位）⑴带有软件的引导模式；⑵标准的数字表。⒌外部接口（仅2812有）⑴多达1.5M×16位的存储器；⑵可编程等待状态；⑶可编程读/写选通状态计数器；⑷4个独立的片选端。⒍时钟和系统控制⑴支持动态的锁相环倍频调整；⑵片上振荡器；⑶看门狗定时器模块。⒎三个外部中断⒏外部中断扩展（PIE）模块⑴可支持45个外部中断。⒐三个32位CPU定时器⒑128位密匙⑴保护Flash/OPT和L0/L1SARAM；⑵防止ROM中的程序被解密。⒒马达控制外设⑴两个事件管理器（EVA,EVB）；⑵与240x器件兼容。⒓串行接口外设⑴串行外设接口（SPI）；⑵两个串行通信接口(SCI)，标准的UART；⑶增强型局域网络控制器（eCAN）；⑷多通道缓冲串口（McBSP）。⒔最多可有54个可编程通用输入/输出（GPIO）引脚⒕高级的方针性能⑴分析和设置断点的功能；⑵实时的硬件调试能力。⒖开发工具包括⑴ANSIC/C++编译器/汇编器/连接器；⑵支持TMS32024x/20x指令；⑶代码编辑集成开发环境；⑷DSPBIOS；⑸JATG扫描控制器（TI或者第三方）；⑹评估板；⑺广泛的第三方数字电机控制支持。⒗低功耗模式和节能模式⑴支持空闲模式，等待模式和挂起模式；⑵独立的停止外设的时钟。⒘封装形式⑴带外部接口的179引脚球形触点BGA封装（GHH,ZHH和2812）；⑵带外部接口的176引脚低剖面四方扁平LQFP封装（PGF，2812）；⑶不带外部接口的128LQFP封装（PBK，2810和2811）。⒙工作温度范围⑴A：-40~+85℃⑵S/Q：-40~+125℃DSP芯片与单片机的性能比较如表3-1所示：表3-1DSP芯片与单片机的性能比较

DSP单片机DSP的优势总线结构哈佛/改进型哈佛结构冯.诺依曼结构消除总瓶颈，运行速度更快乘加运算利用硬件乘法器，用单指实现多指令实现减少所需指令周期数寻址方式利用硬件数据指针，实现逆序寻址普通寻址大大减少FFT运算寻址时间指令运行方式“流水线”方式，允许程序与数据存储器同时访问顺序运行在单条指令执行时间相同的情况下，大大提高运算速度指针配置专用运算器，复合指令可以在寄存器、运算单元处理变量的同时，使用指针访问数据存储器无复合指令功能采用并行方式，提高数据处理能力循环控制利用硬件循环控制结构，实现无消耗循环控制每次循环都将消耗机器时间较好解决了高速运行和精简程序的矛盾多处理系统提供具有很强同步机制的互锁指令无专用指令保证了高速运算中通信和结果的完整对于现在较常用的51系列单片机，AVR单片机，MSP430单片机各自的性能亦非常优越，但是对于本设计最终要完成的任务，各款单片机的时钟频率，位数，计算及处理数据的能力很难较好的完成。通过上面的介绍和对比可以看出DSP是最好的选择。故本设计最终选择TMS320F2812DSP作为控制器。3.3电机简介本设计采用YS-5624小功率三相异步电机，具体参数如表3-2所示。表3-2YS-5624电机参数产品类型三相异步电动机型号YS5624极数4极额定功率120w额定电压380/220（V）额定转速1400（rpm）产品认证CCC选用本电机的理由如下：⒈YS系列三相异步电动机,按JB1009-1012-91.GB12350-2000标准设计,具有外型匀称美观,起动转矩大,效率高,使用寿命长,运行性能良好.噪音小结构合理,维护方便等特点.应用广泛.多用于驱动需要较大起动转矩的机械的驱动.⒉针对本设计的具体情况，实验阶段逆变模块所加的电压一直未超过75V，此款电机可在此电压下具有较好的转动性能，便于观察。3.4主回路的设计主电路是功率变换的执行机构，系统主电路如图3-7所示，包括整流部分、逆变部分。本系统采用交-直-交电压源，中间直流环节采用大电容滤波，直流电压脉动很小，近似电压源，具有低阻抗特性。逆变开关只改变电压方向，输出的三相交流电压波形为矩形或阶梯波，不受负载参数的影响。对于大容量系统，由于直流环路具有较大的并联电容，直流电压的极性无法改变，单向导电整流电路功率器件限制直流电流不能改变负载电机需要时的流向当再生制动的比例完成时，受直流电源系统的限制不能反转，对于一组并联的逆变桥式整流电路，使可再生能源通过逆变桥反馈到交流电网。图3-7主回路示意图3.4.1光耦隔离驱动部分光耦隔离主要作用有：1、将驱动电路的控制部分和主回路隔离，避免主回路中的强电干扰控制回路中的弱电信号。2、通过隔离，人工在线调试的时候更加安全了。3、驱动电路的输入输出使用不同的地，利用隔离，可以避免之间的干扰。本系统光耦隔离元件采用TLP521系列，DSP输出6路PWM波，其电压为3.3V，逆变部分电路需要10V的控制电压，光耦电路的输入端为3.3V供电，输出端10V供电，VCC1~VCC4各为10V，为避免接地点重合，6路PWM输出需要4各不同的电源。由光耦隔离后产生的PWM信号直接控制逆变部分的开关器件。本部分电路连接图如图3-9所示。图3-9光耦隔离电路图3.4.2整流电路整流电路的主要功能是在整流后为逆变电路和控制电路提供交流电网。电流型逆变器中的整流电路相当于直流电流源，而电压型逆变器中的整流电路相当于直流电压源。图3-10整流部分电路图1．整流管组成两对桥臂，将电源的单相交流全波整流成直流。本系统采用KBPC1510W，其内集成两对整流管，使用方便。国内两相电源的电压为220V，故全波整流后的平均电压：=1.35220V=297V(3-1)本系统整流管前接调压器，可以得到0~250V的交流电压输出。在实验初级阶段缓慢升压减少电压冲击利于保护后续电路。2．滤波电容器其功能是：（1）滤除交流电压整流后的电压纹波；（2）当负载变化时，使直流电压保持稳定。两个大容量电容并联，得到稳定无纹波的直流电压。3．保险丝当流过的电流过大时保险丝烧断，指示灯点亮，起到保护后续电路和实验人员安全的作用。整流部分硬件实物图如图3-11所示。图3-11整流部分硬件实物图3.4.3逆变部分逆变器电路的主要功能是在控制电路的控制下将直流中间电路的直流电压输出转换成所需频率的交流电压（电流）。逆变器电路的输出是逆变器的输出，其向异步电动机供电。1．逆变管组成三相全桥拓扑结构，把整流所得的直流电，再逆变成频率可调的交流电。这是变频器实现变频的具体执行环节，因而是变频器的核心部分。这里选择IRFP450。其内集成N沟道增强型MOSFET及续流二极管。IRFP450内部结构图，外形及主要性能参数如图3-13所示。图3-12逆变部分电路图 图3-13IRFP450内部结构图，外形及主要性能参数2．续流二极管其主要功能有：（1）当频率下降、电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过返回到直流电路。（2）进行逆变的基本过程是，同一桥臂的两个逆变管，处于不停的交替导通和截止的状态。在这交替导通和截止的换相过程中，也不时地需要提供通道。逆变与光耦隔离硬件实物图如图3-14所示。图3-14逆变与光耦隔离硬件实物图3.5本章小结在第三章中，主要描述了变频调速系统的硬件电路的设计，并详细介绍了控制芯片。着重介绍了系统各部分电路的组成和功能。对系统的主回路进行了深入地分析，对主回路的各个部分的工作过程进行了的详细的说明并给出各部分的硬件连接实物图。4系统软件设计4.1SVPWM技术的参数计算由前面的介绍可以知道，输出的参考相电压矢量可由和线性时间组合来合成，它等于倍的与倍的的矢量和，即：(4-1)由图2-7，根据三角形的正弦定理有：(4-2)(4-3)由上述两个公式解得：(4-4)(4-5)公式中，可以事先选定，可以由U/F曲线确定；θ可由输出正弦电压角频率ω和n的乘积确定。因此，当已知两个相邻的基本电压空间矢量和后，根据公式可以确定和。此外，和还有另外一种确定的方法。当、和投影到平面直角坐标系中可以得到系列公式：(4-6)当已知逆矩阵和在平面直角坐标系的投影后，就可以确定和。在图2-6中，当逆变器单独输出零矢量和时，电动机的定子磁链矢量Ψ是不动的。根据这一特点，在期间插入零矢量作用的时间，使得(4-7)通过这样的方法，可以调整角频率ω，从而达到变频的目的。添加零矢量应遵循功率开关管的开关次数最少的原则来选择或。为了平滑磁链的运动速度，零矢量通常不是以集中的方式添加，而是均匀地分成几个部分并插入到多个点的磁链轨迹中，但是动作的时间总和仍为，可以减少电机扭矩的波动。4.2扇区号的确定将图2-6划分成6个区域，称为扇区。每个区域都有一个扇区号。确定位于哪个扇区是非常重要的，因为只有知道位于哪个扇区才能知道用那一对相邻的基本电压空间矢量去合成。确定所在的扇区号有两种方法，下面将介绍其中一种方法：当以坐标系上的分量和给出时，先用下式计算、、(4-8)再利用式（4-8）计算P值：(4-9)式中是符号函数。若X>0，=1；若X<0，=0。然后，根据表4-1，查出扇区号。表4-1P值与扇区号的对应表P123456扇区号150324另一种方法是当以幅值和相角的形式给出时，可直接根据相角来确定它所在的扇区。因此，的最大幅值，同时也是最大轨迹圆的半径，是。4.3利用硬件SVPWM功能的编程方法TI公司的TMS320F2812DSP含有硬件实现SVPWM的功能。通过对硬件的正确设置，可以产生SVPWM波，从而简化控制程序。为方便说明，现将图2-6磁链运动轨迹做简单修改重新画于图4-1。本设计中基本电压矢量选择顺序采用图4-1中的方法，如图所示，在第一扇区中是主矢量，是辅矢量；在第二扇区中是主矢量，是辅矢量，依次类推。图4-1基本电压空间矢量的选择顺序硬件产生的SVPWM波是五段式波形。以第一扇区为例，第一扇区中主矢量是，辅矢量是。作用的时间分别为和，零矢量的作用时间为。把每个零矢量的作用时间均一分为二，同时把零矢量时间集中在中间插入，则产生的开关序列为：。采用一定频率和幅值的三角载波与空间矢量切换点相比较而产生PWM波形，如图4-2所示。图4-2五段式第一扇区PWM波形图同理也可以分析出在其他扇区中相邻两电压空间矢量作用产生的PWM波形的原理图。该方法的特点是：⑴在每个PWM周期中，总有一相开关状态保持不变，这有利于减少开关损耗。⑵零矢量在PWM周期的中间集中的插入，和零矢量的选择由硬件自动完成。⑶利用DSP硬件的SVPWM功能，使得编程较七段式简单。4.4TMS320F2812DSP产生五段式SVPWM波形的方法TI公司的TMS320F2812DSP的事件管理器EV模块都具有操作是非简化的对称空间矢量PWM波形产生的内置硬件电路。已知输出的电压空间矢量所在扇区的两个相邻基本矢量和（或），以及这两个基本空间矢量时间，和零矢量作用的时间，并已知旋转方向，以下为硬件法实现SVPWM（以事件管理器EVB为例）的步骤：⑴EVB模块初始化，对T3CON,COMCONB,ACTBR初始化，将计数方式设置为连续增/减方式，将载波周期值写入T3PR，将写入CMPR4，写入CMPR5，将方向信息写入比较方式控制寄存器，ACTRB的第15位（顺时针写1，逆时针写0）。⑵在每一个空间矢量PWM载波周期开始前，将基本空间矢量写入ACTBR的第14～12位。⑶当增计数到与比较寄存器CMPR4相等时，更新ACTRB的第14～12位（顺时针写，逆时针写）。⑷继续增计数到与比较寄存器CMPR5相等时，用零矢量（用000还是111取决于只有一位发生变化）更新ACTRB的第14～12位。⑸当减计数到与比较寄存器CMPR5相等时更新ACTRB的第14～12位（顺时针写，逆时针写）。⑹继续减计数到与比较寄存器CMPR45相等时，用更新ACTRB的第14～12位。根据以上方法给出事件管理器EVB初始化程序（//后内容为每条语句的功能解释）及生成SVPWM程序流程图（定时器下溢中断子程序）如图4-3所示。EvbRegs.EVBIMRA.all=0X0080;//禁止EVB和时钟及比较有关的中断EvbRegs.EVBIFRA.all=0X0FFF;//清除EVB相应的中断标志 EvbRegs.ACTRB.all=0X0666;//PWM7、9、11高有效，PWM8、10、12低有效 EvbRegs.T3CMPR=0X3C00; //定时器3比较器 EvbRegs.DBTCONB.all=0X09e2; //禁止死区 EvbRegs.T3PR=TP; //通用定时器3的周期=PWM的周期/指令周期/2EvbRegs.CMPR4=0X0000; //定时器3比较器EvbRegs.CMPR5=0X0000; //定时器3比较器EvbRegs.COMCONB.all=0X9200; //使能PWM输出和比较动作EvbRegs.T3CON.all=0X0d03;//且为了便于调试，使仿真一挂起时时钟就停止运行 //对T3的时钟进行32分频即4.6875MEvbRegs.T3CNT=0X0000; //T3的计数器清0 //设置相应的输出引脚EALLOW;//关写保护 GpioMuxRegs.GPBMUX.all=0x00FF;//PWM7-PWM12输出使能，外设功能GpioMuxRegs.GPBDIR.all=0xFFFF; //PWM7-PWM12输出方向GpioMuxRegs.GPBQUAL.all=0x0000; //输入禁止EDIS; //开写保护图4-3定时器下溢中断子程序4.5开环调速的实现本设计完成的工作为三相电机的开环调速，即通过AD转换，将0~3V电压分成6个区间，当检测到电压变化时改变SVPWM波的频率，进而改变三相电机的转速。软件设计使DSP的AD与EVB结合使用，当AD检测到电压在0~0.5V时SVPWM频率为50hz，电压在0.5~1.0V时SVPWM频率为40hz，至2.5~3.0V时SVPWM频率为5hz。程序流程图如图4-4所示。由于EVB与AD的中断同时发生会使程序发生混乱，PWM的输出出现意想不到的情况，故本设计同一时刻只开一个中段，记录磁场旋转圈数变量计数到200时切换到AD中断，此时6路PWM波输出引脚保持在最后的一个状态，AD中段的时间很短，对系统的影响暂不考虑。调速的不平滑，死去等问题待下一步继续研究时再考虑以完善性能，以达到更好的调速效果。其中改变EVB周期为改变EvbRegs.T3PR=TP中TP的值，EVB计数采用增/减模式，故通用定时器3的周期=PWM的周期/指令周期/2,指令周期为设定的EVB的工作周期，T=1/150×106。图4-4开环调速主程序流程图4.6本章小结在第四章里，主要给出了SVPWM技术实现的理论基础和计算脉宽的理论公式。并对电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术实现和开环调速的实现的软件编程进行了分析介绍。给出了各块程序的软件流程图，具体实验效果见第五章的内容。5实验结果与分析SVPWM波实验结果分析本设计利用2812DSP生成频率可调的SVPWM波，在软件设计中频率为50hz，40hz，30hz，20hz，10hz，5hz。利用AD转换采集外部电压信号，由此控制输给电机的电源频率值。主要工作为SVPWM波的输出。为方便观察输出信号的频率，下面给出各频率下6拍逆变的输出波形图（6拍SVPWM波最易观察，）。a)50Hzb)40Hzc)30Hzd)20Hzc)10Hzd)5Hz图5-1在不同调制频率下同一桥臂（A相）的控制信号图5-1分别为六种不同调制频率下同一桥臂的控制信号，从波形中可以看出，同一桥臂的上下两路控制信号是完全对称的。下面给出50Hz频率下不同相之间的控制信号。a)50Hzb)50Hz图5-2在50Hz调制频率下A相上桥与B,C相下桥的控制信号由图5-2可以看出，不同相的桥臂控制信号之间相差120°（即图形跳变点相差约5ms）。开环调速实验结果本设计目前完成的工作为开环调速，具体实验结果见“开环调速.AVI”。从此段录像中可以看到，通过改变输入AD模块的电压值，电机的转速发生相应变化。电压从0V逐渐上升至3V的过程中电机转速由快变慢。反之由慢变快。5.3本章小结通过实验，证明了这个系统运行状态良好。DSP输出的控制信号各项性能良好。开环调速实验进行顺利。达到开环调速设计要求。

6结论本文采用了TI公司TMS320F2812DSP芯片为核心控制器、由六只IRFP450作为功率驱动器件的变频系统。采用硬件方式实现了恒压频比（VVVF）的SVPWM控制。对所设计的感应电机调速系统进行了实验研究