电力牵引交流传动及其控制系统实验指导书

实验一基于DSP的异步电机SPWM变频调速系统一．实验目的1．通过实验掌握交流电机变频调速系统的组成及工作原理；2•理解用单片机通过软件生成SPWM波形的工作原理与特点。以及不同调制方式对系统性能的影响；3．熟悉掌握交流变频调速系统中主要电量的测试方法。4.熟悉变频调速实验系统的配置与结构，在此基础上完成实验接线。并通过仔细阅读“MCL-13(V1.1)上位机程序使用说明”，熟悉在上位机界面上进行实验操作的方法。二．实验内容1．连接有关线路，构成一个实用的交流电机变频调速系统。采用SPWM数字控制时，不同输出频率、不同调制方式(同步、异步、混合调制)时定子电流、IGBT两端电压波形测试。3．低频补偿特性测试。三．实验系统组成及工作原理基于DSP的高性能变频调速系统原理框图如图2—1所示：系统主电路采用交-直-交电压源型变频器，功率器件采用智能功率模块IPM,该模块包含了由六个IGBT、六个续流二极管、栅极驱动电路、逻辑控制电路以及欠压、过流、短路、过热等保护电路，模块的主电路部分共有5个端子，即直流电压输入端+、-三相交流电压输出端U、V、W,控制部分共有15个端子，用于PWM信号输入、故障信号输出及驱动电源等，驱动电源为4组+15V电源，DSP生成的PWM信号需通过光耦合器隔离后输入。该智能功率模块的应用，减小了装置的体积，提高了变频系统的性能与可靠性。控制系统由DSP、信号检测电路、驱动与保护电路等组成，DSP采用美国TI(TexasInstruments)公司于1998年推出的16位数字信号处理器(DigitalSignalProcessor简称DSP)TMS320X24x系列芯片，该芯片是专门为电机的数字化控制而设计的，它集DSP的信号高速处理能力及适用于电机控制的优化外围电路于一体，为电动机数字控制系统应用提供了一个理想的解决方案，从而成为传统的多微处理器单元和昂贵的多片设计的理想替代，每秒执行20兆条指令的运算能力，使该系列芯片能提供比传统16位微处理器强大得多的性能。该系列芯片的16位定点DSP内核为模拟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，事实上，由于可以采用诸如自适应控制、卡尔曼滤波和状态控制等先进的控制算法，因而增强了系统性能。高速CPU允许数字控制设计者能够实时处理算法而不需通过查表只能获得近似值，几乎所有的指令都可在50ns的单周期内完成，如此高的性能可以对非常复杂的控制算法进行实时运算，此外，还可支持非常高的采样率，以减小循环延时。作为系统管理器，DSP必须具备强大的片内I/O和其它外设功能，该系列芯片内的事件管理器可以为所有电机类型用户提供高速、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PWM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PWM,后者可为三相电机在功率管逆变器控制中提供最高的功效，三个独立的向上/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PWM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。该系列芯片的应用，大大简化了高性能变频调速系统的硬件设计，使系统具有高的性能价格比，该系列芯片，除适用于工业电机驱动外，还可广泛地应用于功率变换器和控制器、汽车系统，如电子动力转向装置、刹车和温度控制、仪表电机控制、打印机、复印机等办公产品、磁带驱动、机器人和计算机数字控制(CNC)机械等。实验系统中使用的DSP为TMS320F240,其内部包含16K字的Flash(闪速)EEPROM。此外，已为实验组件配备了与上位计算机通讯的接口和上位机软件。需要进行有关参数改变影响的实验，必须配备上位机,并在实验前安装好上位机软件和仔细阅读上位机操作说明。图2—1四．实验设备和仪器MCL—III型电力电子与电气传动教学实验台2．上微机电机导轨及测速发电机双踪示波器五．实验方法按图1—1连接线路，经检查无误后，合上NMCL-32面板上的漏电断路器，合上挂箱NMCL-13A的电源，按下NMCL-32面板上的闭合开关。实验系统缺省设置为SPWM控制，同步调制方式，对应指示灯亮。按起动按钮，电动机即可起动，起动后可调节频率设定电位器，即可改变电动机转速。在电动机运行中，如按了空间矢量、异步调制，混合调制等按钮，系统将不会响应，必须先按停止按钮，使电动机停止运行，才能转到空间矢量控制以及其它调制方式。低频补偿电位器在电机运行时，可按需要任意调节。系统出现故障时，可先断主电源，再断控制电复位。1・ 首先合上NMCL-13A挂箱电源开关，调节给定电位器确认电机输出设定频率为零，合上主回路开关。电机PWM控制方式设为SPWM，然后按启动按钮，右旋电位器旋纽，输出频率随之增大，电机开始旋转。按停止按钮。启动MCL-13上位机控制程序，单击界面右下角的“系统连接”按钮，把控制方式设为SPWM，双击“SPWM”按钮，弹出SPWM控制方式下参数设置对话框，调制方式选为同步调制,载波比设为48,转速设为1200RPM，点击“确定”按钮，退出参数设置对话框。“采集数据类型”设为A相电流波形，点击“电机启动”按钮启动电机，此时，A相电流波形显示在屏幕上，点击“电机停止”按钮，将A相电流波形以.bmp格式存于电脑中。重新设置同步调制载波比为24，重复上述步骤，比较不同调制比下A相电流波形的平滑度。点击“电机停止”按钮，控制方式仍然设为SPWM方式，“采集数据类型”设为A相电流，波形显示设为“循环”转速设为500RPM，同步调制载波比设为24,异步调制载波比设为24,启动电机，用上位机测量并比较在这两种情况下A相电流的波形，观察电机运行的平稳与噪声大小。控制方式仍然设为SPWM方式，“采集数据类型”设为A相电流，波形显示设为“循环”，转速设为1200RPM，调制方式设为混合调制：分三段进行。第一段OHz〜12.5Hz,载波比N「100；第二段12.5Hz〜25Hz，载波比N2=80；第三段，25Hz〜50Hz，载波比比=48。启动电机，观察电机运行的平稳与噪声大小。低频补偿性能测试低频时定子压降的补偿度可通过电位器连续调节，在输出频率为1〜2Hz时，调节补偿度直到电动机能均匀旋转时为止。实验报告列出在SPWM控制时，在同步调制不同调制比时A相电流波形。2．调节低频补偿度，列出电机能均匀旋转的最低工作频率。思考题低频时定子压降的补偿度是否越大越好？过大了会造成何种不良结果？应该如何调节才算恰到好处？注意事项转换不同控制与调制方式时，要等到电动机转速接近于零时，再按起动按钮，以免对电动机造成冲击。主回路中的保险丝为1A,不要任意放大。实验二基于DSP的磁场定向矢量控制变频调速系统一．实验目的1•了解以TMS320F240为核心构成的全数字控制感应电机变频调速实验系统的硬件与软件组成。掌握采用磁场定向控制(FOC)感应电机变频调速闭环控制系统的工作原理、优缺点及应用场合。3．改变有关控制参数对系统稳态与动态特性变化的影响(注意无上位机时不能改变有关控制参数)。二．实验内容熟悉变频调速实验系统的配置与结构，在此基础上完成实验接线。并通过仔细阅读“MCL-13(V1.1)上位机程序使用说明”，熟悉在上位机界面上进行实验操作的方法(无上位机时不要求)。采用磁场定向控制(FOC)的感应电机变频调速系统的研究：观测并记录启动时电机转子电流和电机速度波形iv=f⑴与n=f(t)；观测并记录突加与突减负载时的电机转子电流和电机速度波形iv=f⑴与n=f⑴；在默认参数下，观察转子磁通启动和稳定时的轨迹；研究速度调节器参数(P、I)改变对系统稳态与动态性能的影响；研究电流调节器参数(P、I)改变对系统稳态与动态性能的影响；研究电机参数R2,分别设为60%和140%,比较启动过程中磁通的a轴分量达到稳态时的时间及大小，简单分析原因；三．实验系统组成及工作原理基于DSP的高性能变频调速系统原理框图如图2—1所示：系统主电路采用交-直-交电压源型变频器，功率器件采用智能功率模块IPM,该模块包含了由六个IGBT、六个续流二极管、栅极驱动电路、逻辑控制电路以及欠压、过流、短路、过热等保护电路，模块的主电路部分共有5个端子，即直流电压输入端+、-三相交流电压输出端U、V、W,控制部分共有15个端子，用于PWM信号输入、故障信号输出及驱动电源等，驱动电源为4组+15V电源，DSP生成的PWM信号需通过光耦合器隔离后输入。该智能功率模块的应用，减小了装置的体积，提高了变频系统的性能与可靠性。

控制系统由DSP、信号检测电路、驱动与保护电路等组成，DSP采用美国TI（TexasInstruments）公司于1998年推出的16位数字信号处理器（DigitalSignalProcessor简称DSP）TMS320X24x系列芯片，该芯片是专门为电机的数字化控制而设计的。此外，已为实验组件配备了与上位计算机通讯的接口和上位机软件。需要进行有关参数改变影响的实验，必须配备上位机，并在实验前安装好上位机软件和仔细阅读上位机操作说明。rpu _1—ir i电rpu _1—ir i电i_r_四．实验设备和仪器MCL—III系列教学实验台主控制屏。MCL-13闭环变频系统组件。电机导轨、直流发电机MEL—03三相可调电阻器（或自配滑线变阻器450,1A）5•异步电动机M04（含高分辨率编码器）双踪示波器上位机和通讯联接线（选件，机内安装有实验所需软件）。五．实验步骤1．参看图2-2，连接主电路、起动限流、过流保护、过压保护及磁通检测等环节的连线。2．按下起动按钮前，检查给定电位器是否放在零位(要求电位器左旋到底)；3．合上主控制屏上的绿色按钮开关；4．开环变频系统性能测试必须在接线检查无误后，合上MCL—13A组件右下方的电源开关，这时系统缺省设置为开环变频调速系统的SPWM控制同步调制方式状态。重新设置控制方式为磁场定向。合上主电源，揿起动按钮，逐渐增大给定(给定电位器向顺时针方向旋转)，观察系统工作是否正常，确认系统工作正常后，再逐渐加大给定直至频率达到50HZ。用示波器两路探头同时测量A，B相对电机Y点的波形。5．闭环变频调速系统采用磁场定向控制时的性能测试：观测并记录启动时电机定子电流和电机速度波形i二f(t)与n=f(t)v按停止钮，断开主控制屏上的主电源开关。将与M04电机同轴相连的直流电机M03的并励绕组与“NMMCL-32电源控制屏”上220V直流电源连接，M03的电枢A1、A2之间串联直流电流表后分别与MEL-03A挂箱B3,B2与B1并联接点连接，将MEL-03A挂箱可调电阻调至中间位置，保证M03电机电枢电流不大于0.5A。合上主控制屏上的主电源开关，启动名称为MCL13V12的程序，点击“系统连接”按钮，单击“磁场定向”按钮，采集数据类型中曲线1设为A相电流，“循环”显示，点击“电机启动”按钮，当显示电机启动电流波形时，点击“电机停止”按钮，锁住电机启动电流波形。重新设置采集数据类型为速度曲线，按上述步骤操作，采集启动速度曲线。观测并记录突加与突减负载时的电机定子电流和电机速度波形i二f(t)与n=f(t)；v将MEL-03A挂箱可调电阻调至中间位置，保证M03电机电枢电流不大于0.5A，按上述步骤操作，观测并记录突加与突减负载时的电机转子电流(A相电流)和电机速度波形iv=f(t)与n=f(t)(电机转速须调到1200转左右)；单击“电机停止”按钮。将采集数据类型中曲线1设为©，曲线2设为©r,显示设为X-Y轴。将测a B量量程设为50ms/div。单击“磁场定向”按钮，设置参数Kpn=1.7605，Kp=0.625，R2=140下。按上述步骤启动电机，观察转子磁通启动和稳定时的轨迹。单击“电机停止”按钮。单击“磁场定向”按钮，改变速度环Kpn=1；将曲线1设为A相电流，曲线2设为不采集，显示设为循环，不设X-Y轴。启动电机，采集A相电流，将采集到的曲线保存到曲线1中，再设Kpn=2，启动电机，将采集到的速度曲线与缓存中的曲线1比较，观察启动过程中电流达到稳态时的时间及大小，并简单分析原因。单击“电机停止”按钮。单击“磁场定向”按钮，改变电流环Kp=0.15，启动电机，将曲线1设为采集电机速度，将采集到的速度曲线保存到曲线1中，再设Kp=1.2,启动电机，将采集到的速度曲线与缓存中的曲线1比较，观察启动过程中速度达到稳态时的时间及大小，并简单分析原因。单击“电机停止”按钮。双击“磁场定向”按钮，改变电机参数R2=60%，量程设为20ms/div，启动电机，采集磁通的a轴分量©，将采集到的曲线保存到曲线1中，再设R2=140