電氣工程與自動(dòng)化畢業(yè)論文電機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)</p><p>　　電機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 電氣工程與自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p&

2、gt;<p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著DSP和電子器件的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)也已經(jīng)成為很多工業(yè)應(yīng)用的新動(dòng)力。特別是帶有實(shí)時(shí)信號(hào)處理器的電機(jī)控

3、制專用器件和集成精度很高的智能功能模塊的引用，使得由變頻器供電的電機(jī)控制系統(tǒng)獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)越性也越來(lái)越明顯，它具有調(diào)速頻率的范圍大、調(diào)速的精度高、輸出的性能好和節(jié)電性能好等方面的優(yōu)點(diǎn)，加上電壓空間矢量的運(yùn)用，基于DSP的變頻電機(jī)控制系統(tǒng)可以獲得更高的效率、更優(yōu)越的性能和更小的噪聲。</p><p>　　變頻器是變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的核心，它的性能好壞直接影響變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的好壞。本文首先對(duì)變

4、頻器和變頻調(diào)速的原理和基礎(chǔ)知識(shí)作了闡述，然后從電壓的空間矢量技術(shù)產(chǎn)生PWM技術(shù)的原理和控制算法進(jìn)行了重點(diǎn)論述，分析了利用TMS320LF2407A實(shí)現(xiàn)SVPWM算法產(chǎn)生PWM波形的硬件工作的原理，接著針對(duì)DSP設(shè)計(jì)了以DSP最小系統(tǒng)為核心的控制電路、信號(hào)采集電路等并用DSP編程實(shí)現(xiàn)電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)算法。此外本文還在最后給出了軟件設(shè)計(jì)下實(shí)現(xiàn)電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)的流程圖和框圖的方案并對(duì)CCS集成開環(huán)境做了簡(jiǎn)介，從而使PC機(jī)通過(guò)串口對(duì)DSP進(jìn)行控制，并將

5、電機(jī)狀態(tài)在PC機(jī)上顯示，再加上擴(kuò)展的總線知識(shí)的運(yùn)用來(lái)解決變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)因素。</p><p>　　關(guān)鍵詞： DSP；變頻調(diào)速；空間矢量PWM技術(shù)；電機(jī)變頻控制系統(tǒng)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the development of DSP and electronic device, f

6、requency conversion and velocity modulation technology has also already become a very new motive power as to many industry applications. Specially has the real-time signal processor electrical machinery control special-p

7、urpose component and the integrated precision very high intelligence function module quotation, causes to obtain the more and more widespread application by the frequency changer power supply electrical machinery control

8、 system.</p><p>　　The frequency changer is the frequency conversion velocity modulation control system core, its performance quality direct influence frequency conversion velocity modulation control system q

9、uality. This article first has made the elaboration to the frequency changer and the frequency conversion velocity modulation principle and the elementary knowledge, then had the PWM technology principle and the control

10、algorithm from the voltage spatial vector technology has carried on the key elaboration, an</p><p>　　Keywords: DSP, frequency conversion velocity modulation, spatial vector PWM technology, electrical machine

11、ry frequency conversion control system</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第1章 緒 論1</p><p>　　1.1本課題的研究背景及意義1</p><p>　　1.2本課題相關(guān)內(nèi)容的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀1</p><p>　　

12、1.3課題研究的基本任務(wù)和內(nèi)容2</p><p>　　第2章 變頻器的概述4</p><p>　　2.1變頻器的工作原理4</p><p>　　2.2變頻器的優(yōu)點(diǎn)4</p><p>　　2.3變頻器的用途5</p><p>　　第3章 變頻調(diào)速及空間矢量PWM技術(shù)概述7</p><p

13、>　　3.1變頻調(diào)速的基本原理7</p><p>　　3.1.1電機(jī)學(xué)中一般調(diào)速方法的概述7</p><p>　　3.1.2變壓變頻調(diào)速的基本控制方法7</p><p>　　3.2變頻調(diào)速的空間電壓矢量控制算法8</p><p>　　3.3利用TMS320LF240x實(shí)現(xiàn)SVPWM11</p><p>

14、　　3.4空間矢量PWM的算法原理12</p><p>　　第4章 變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)13</p><p>　　4.1主芯片的選擇13</p><p>　　4.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖13</p><p>　　4.3整流電路14</p><p>　　4.4濾波電路14</p><p>

15、　　4.5逆變電路15</p><p>　　4.6 DSP外圍電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　4.6.1 電源電路16</p><p>　　4.6.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　4.6.3 時(shí)鐘電路17</p><p>　　4.6.4總線電路分析17</p><p>　

16、　4.6.5串行接口電路17</p><p>　　4.6.6電壓電流采集電路設(shè)計(jì)18</p><p>　　4.6.7其它的一些附屬電路18</p><p>　　第5章 變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)19</p><p>　　5.1系統(tǒng)軟件的整體設(shè)計(jì)19</p><p>　　5.2 CCS集成開發(fā)環(huán)境概述21<

17、;/p><p>　　5.3 DSP的Q格式說(shuō)明22</p><p><b>　　總 結(jié)23</b></p><p><b>　　致 謝24</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)25</b></p><p>　　附錄1 程序清單26&l

18、t;/p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　1.1本課題的研究背景及意義</p><p>　　20世紀(jì)后半葉，變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)和不斷完善，成了電力拖動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)重要事件。也因這門技術(shù)的不斷發(fā)展，使得原本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、價(jià)格低廉、應(yīng)用普及的交流異步電動(dòng)機(jī)也有了性能良好的調(diào)速手段。近些年，伴隨著電力電子變頻技術(shù)、數(shù)字控制

19、技術(shù)的迅速發(fā)展，交流調(diào)速也成了發(fā)展最快的技術(shù)。變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域也日趨廣泛，從原先的產(chǎn)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域逐步擴(kuò)展到交通、建筑、國(guó)防等領(lǐng)域以及人們的日常生活中。[1-3]變頻技術(shù)簡(jiǎn)單而言就是把直流電逆變成不同頻率的交流電，或是把交流電逆變成直流電再逆變成不同頻率的交流電，再或是把直流電變成交流電再把交流電變成直流電，總的來(lái)說(shuō)這一切都是電能不發(fā)生變化，而只要頻率的變化。在各種調(diào)速節(jié)能中，利用變頻調(diào)速，是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速效果最顯著、最成熟同時(shí)也是最有發(fā)展

20、前途的節(jié)能技術(shù)。變頻器的輸出電壓波形中較低次諧波對(duì)電機(jī)負(fù)載影響較大，會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而那些較高的諧波又使變頻器輸出電纜的漏電流增加，造成電機(jī)的出力不足，因此變頻器輸出的高低床異步電動(dòng)機(jī)是電力、化工等行業(yè)最主要的動(dòng)力設(shè)備。[1-5]隨著變頻器生產(chǎn)技術(shù)的成熟和變頻器應(yīng)用的日趨廣泛，使用變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)電源進(jìn)行技術(shù)改造也成為各行業(yè)節(jié)能降耗、提</p><p>　　電機(jī)是與電能有關(guān)的能量轉(zhuǎn)換機(jī)械，是實(shí)現(xiàn)電能的生產(chǎn)、變換、傳

21、輸、分配、使用和控制的電磁機(jī)械裝置。電氣傳動(dòng)是一項(xiàng)通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)滿足工作要求，進(jìn)而改善了工作效果的一個(gè)技術(shù)，它也是信息、能源和機(jī)械的接口。我國(guó)對(duì)能源的有效利用已經(jīng)有著非常迫切的追求，而電機(jī)行業(yè)又消耗著大量的能源，如果可以對(duì)其加以利用的話，那可以大大的減少能源的消耗量，對(duì)我國(guó)能源的節(jié)省將會(huì)有著不可估計(jì)的作用。然而我國(guó)在這方面的裝備水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后與發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。所以變頻調(diào)速系統(tǒng)在我國(guó)有著非常大的市場(chǎng)需求。變頻器代表著電力電子技術(shù)，如果

22、將電動(dòng)機(jī)的功率技術(shù)、半導(dǎo)體器件的電力電子技術(shù)通過(guò)控制技術(shù)融合在一起，可以應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的各種需求，并不斷向前發(fā)展。[4-6]當(dāng)前，電力電子作為節(jié)能、節(jié)材、自動(dòng)化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。變頻技術(shù)是電力電子技術(shù)的主要組成部分，應(yīng)用于包括交流電機(jī)的調(diào)速和供電等多個(gè)重要領(lǐng)域。電力電子技術(shù)的發(fā)展使得變頻技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，實(shí)現(xiàn)了高效率和高品質(zhì)用電的相結(jié)合。電動(dòng)機(jī)的數(shù)字控制也是電機(jī)

23、控制的發(fā)展趨勢(shì)。[6-7]為電機(jī)控制而專門設(shè)計(jì)的DSP也慢慢的</p><p>　　本論文設(shè)計(jì)采用變頻調(diào)速和DSP技術(shù)，并運(yùn)用電壓空間矢量產(chǎn)生PWM技術(shù)來(lái)提高電機(jī)的性能并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)計(jì)分析的部分來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程終端（PC機(jī)）與多個(gè)變頻器的通信與控制功能，使PC機(jī)能遠(yuǎn)程控制電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。且電機(jī)的性能良好，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)變頻器控制電機(jī)的啟停、加減速、旋轉(zhuǎn)不同狀態(tài)等功能并了解和掌握電機(jī)變頻控制的知識(shí)。通過(guò)本課題的設(shè)計(jì)進(jìn)一步

24、學(xué)會(huì)運(yùn)用電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)等知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。</p><p>　　1.2本課題相關(guān)內(nèi)容的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，總的說(shuō)來(lái)走的是一個(gè)由試驗(yàn)到實(shí)用，由零星到大范圍，由輔助系統(tǒng)到生產(chǎn)裝置，由單純考慮節(jié)能到全面改善工藝水平，由手動(dòng)控制到自動(dòng)控制，由低壓中小容量到高壓大容量。國(guó)內(nèi)變頻器的發(fā)展大致是這樣的，70年代初國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了以晶閘管為器件

25、組成的變流器，80年代出現(xiàn)了循環(huán)交流器供電的變頻調(diào)速傳動(dòng)以及電壓或電流型6脈沖逆變器供電的變頻調(diào)速傳動(dòng)，90年代新型電力電子器件的出現(xiàn)，PWM技術(shù)的交流調(diào)速技術(shù)的研制成功，出現(xiàn)了BJT（IGBT）PWM逆變器供電的交流變頻調(diào)速傳動(dòng)。[6-8]然而國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)水平較國(guó)際先進(jìn)水平有著不小的差距。目前變頻器技術(shù)的發(fā)展主要有以下6個(gè)方面：[5-8]</p><p>　?。?）高水平的控制，微處理器的發(fā)展使數(shù)字控制成為

26、現(xiàn)代控制器的發(fā)展方向</p><p>　?。?）網(wǎng)絡(luò)智能化，利用互聯(lián)網(wǎng)可以遙控監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)變頻器按工藝程序聯(lián)動(dòng)，形成最優(yōu)化的變頻器綜合管理控制系統(tǒng)。</p><p>　　（3）結(jié)構(gòu)小型化，主電路中功率電路的模塊化、控制電路采用的大規(guī)模集成電路和全數(shù)字控制技術(shù)，均促進(jìn)了變頻器裝置結(jié)構(gòu)的小型化。</p><p>　　（4）高度集成化，提高集成電路技術(shù)及采用表面貼片技術(shù)

27、，使的裝置的容量體積比得到進(jìn)一步提高。</p><p>　　（5）專門化，根據(jù)某一負(fù)載特性，有針對(duì)性地制造專門化的變頻器，有利于對(duì)負(fù)載的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效的控制，而且可以降低制造成本。</p><p>　?。?）開發(fā)清潔電能的變頻器，盡可能降低網(wǎng)側(cè)和負(fù)載的諧波分量，減少對(duì)電網(wǎng)的公害和電機(jī)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，實(shí)現(xiàn)清潔電能變換。</p><p>　　1978年AMI公司發(fā)布的S

28、2811被認(rèn)為是第一個(gè)單片芯片， 1979年，美國(guó)Intel公司也推出了2920這個(gè)商用可編程器件，這兩種代表著DSP最早期的處理器，但由于兩種芯片的缺陷，其性能和結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)不如現(xiàn)代的DSP。1980年，由NEC公司發(fā)布的第一個(gè)具有片上硬件乘法器的商用DSP芯片應(yīng)該是uPD7720；接下來(lái)的一年，美國(guó)相繼也推出了自己的產(chǎn)品，一樣也是具有乘法器和存儲(chǔ)器、16位字長(zhǎng)的芯片DSPI。緊接著不同類型的DSP芯片也慢慢地走上了舞臺(tái)，隨著1982年美國(guó)

29、的儀器公司推出了世界上第一代DSP芯片TMS32010及其系列產(chǎn)品，標(biāo)志了實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的重大突破，也使的DSP開始得到了廣泛的應(yīng)用[12]。其中TMS32010系列DSP芯片因其價(jià)格便宜、簡(jiǎn)單實(shí)用、功能巨大等優(yōu)點(diǎn)，也是目前最有影響和成功的處理器。此后，經(jīng)過(guò)30多年DSP的不斷發(fā)展，它的發(fā)展也取了顯著的進(jìn)步，也使得DSP芯片的應(yīng)用越來(lái)越普遍，并慢慢地決定了電力電子產(chǎn)品的新時(shí)代的來(lái)臨。如果從運(yùn)算的速度方面來(lái)比較，一次加法和一次乘法的

30、計(jì)算時(shí)間也從原先的400ns降低到了10ns的時(shí)間以下，處理的能力也相比也隨之有了幾十倍的提</p><p>　　1.3課題研究的基本任務(wù)和內(nèi)容</p><p>　?。?）了解電機(jī)變頻控制的發(fā)展現(xiàn)狀；</p><p>　?。?）理解變頻控制器通信系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理；</p><p>　?。?）掌握MODBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)計(jì)方法；<

31、/p><p>　?。?）掌握DSP編程實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的方法；</p><p>　　（5）完成系統(tǒng)的DSP硬件電路設(shè)計(jì)。</p><p>　　本課題設(shè)計(jì)采用DSP編程等知識(shí)并運(yùn)用MODBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程終端（PC機(jī)）與多個(gè)變頻器的通信與控制功能，使PC機(jī)能遠(yuǎn)程控制電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)從而來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻器控制電機(jī)的啟停、加減速等不同狀態(tài)等功能并了解和掌握電機(jī)變頻控制的知識(shí)

32、。</p><p>　　首先，從本課題的背景和與本課題相關(guān)內(nèi)容的發(fā)展現(xiàn)狀，來(lái)了解本課題的大致方向，其次，通過(guò)對(duì)變頻調(diào)速和空間矢量產(chǎn)生PWM技術(shù)的原理的認(rèn)識(shí)和分析來(lái)了解電機(jī)變頻控制的方式；再次，根據(jù)電機(jī)變頻控制系統(tǒng)的組成設(shè)計(jì)硬件電路并了解TMS320LF2407A DSP芯片的特性和實(shí)現(xiàn)SVPWM算法原理；接著，通過(guò)加上總線電路原理的分析和DSP編程知識(shí)的運(yùn)用來(lái)實(shí)現(xiàn)最后的變頻控制控制電機(jī)的狀態(tài)運(yùn)行；最后，加以整理總

33、結(jié)該論文。</p><p>　　第2章 變頻器的概述</p><p>　　2.1變頻器的工作原理</p><p>　　變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將固定頻率、電壓的交流電轉(zhuǎn)換為頻率、電壓連續(xù)可調(diào)的交流電的裝置設(shè)備，變頻器技術(shù)是強(qiáng)電和弱電混合、機(jī)電一體化的一門綜合的技術(shù)，它不僅處理了電能的變換問(wèn)題，而且要處理對(duì)信息的收集、變換和傳輸?shù)葐?wèn)題。如果單單去改變頻率

34、而不去改變電壓，頻率降低時(shí)會(huì)使電機(jī)出于過(guò)電壓（過(guò)勵(lì)磁），導(dǎo)致電機(jī)可能被燒壞。因此變頻器在改變頻率的同時(shí)必須要同時(shí)改變電壓。當(dāng)輸出頻率在額定頻率以上時(shí)，電壓卻不可以繼續(xù)增加，它最高值也只能是等于電機(jī)的額定電壓。其中變頻器工作中需要的工頻電源是由電網(wǎng)提供的動(dòng)力電源，它的起動(dòng)電流是當(dāng)電動(dòng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，變頻器的輸出電流，它驅(qū)動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩要小于直接用工頻電源的驅(qū)動(dòng)。如果使用變頻器來(lái)供電比起電機(jī)供電的時(shí)候通過(guò)工頻時(shí)在起動(dòng)和加速方面上所受

35、到?jīng)_擊要弱上很多。由于在利用工頻直接起動(dòng)會(huì)有相當(dāng)大的起動(dòng)電流，使用變頻器時(shí)，它所輸出的頻率和電壓也是慢慢的增加到電動(dòng)機(jī)上面的，所以相比前者受到的電流和加速?zèng)_擊要小很多。一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是隨頻率的減小而減小。不過(guò)可以利用對(duì)磁通矢量控制變頻器的使用，來(lái)使電機(jī)低速時(shí)轉(zhuǎn)矩不足的缺點(diǎn)得以改善。一般定義上的逆變器</p><p>　　用于電機(jī)控制的變頻器，不僅可以改變電壓，而且可以改變頻率。其中頻率是電機(jī)供電電源的

36、電信號(hào)，因此能夠在電機(jī)的外面調(diào)節(jié)后再供給電機(jī)，這樣可以自由控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。因而那些以控制頻率為目的的變頻器，也是做為電機(jī)調(diào)速設(shè)備的優(yōu)選設(shè)備。 當(dāng)變頻器工作時(shí)，流過(guò)變頻器的電流都是相當(dāng)大的, 由此產(chǎn)生的熱量也很大，所以不能忽視發(fā)熱所引起的不良影響 。變頻器里主控電路的任務(wù)是指對(duì)內(nèi)控制電能的改變，對(duì)外接受控制信號(hào)并輸出狀態(tài)。為了改善電流放行、減少對(duì)外界的干擾等方面的影響，有些廠家在主電路里用三電平替換二電平，從而推出

37、了三電平低壓變頻器。三電平逆變電路的輸出線電壓，每個(gè)脈沖的變化率比二電平逆變電路減小了一半，它主要有以下好處，減小了對(duì)電動(dòng)機(jī)槽絕緣的沖擊，延長(zhǎng)了絕緣材料的壽命；減小了由于SPWM調(diào)制而產(chǎn)生的電磁輻射；減小了因線路分布電容而引起的漏電流；減小了電動(dòng)機(jī)的軸和軸承間的感應(yīng)電流以及由此而引起的電腐蝕。變頻器大致上由整流電路、平波電路、控制電路、逆變電路等四大部分組成。其中整流電路的目的就是把交流電源向直流電源的一個(gè)轉(zhuǎn)換。通常上都為一塊單獨(dú)的整流

38、模塊，不過(guò)也會(huì)有整流電路與逆變電路二者合一的模塊比如富士7</p><p><b>　　2.2變頻器的優(yōu)點(diǎn)</b></p><p>　　隨著控制技術(shù)、電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使得近20年來(lái)交流電機(jī)調(diào)速不易的問(wèn)題得以解決并逐步改善，并能與直流電機(jī)的調(diào)速相競(jìng)爭(zhēng)。交流電機(jī)可以分為異步機(jī)和同步機(jī)兩個(gè)類型。交流電機(jī)的調(diào)速方式中，以變頻調(diào)速最為理想，也是交流電機(jī)變速的

39、研究和發(fā)展的主流，交流電機(jī)的變頻調(diào)速就是通過(guò)改變電子的供電頻率從而來(lái)調(diào)節(jié)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而且能滿足一定的轉(zhuǎn)矩要求的調(diào)速方式，為保證調(diào)速過(guò)程中電機(jī)的磁通不變，一般都需要同時(shí)改變電壓和頻率，所以，也被稱為VVVF調(diào)速系統(tǒng)。隨著逆變技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，可以解決了換流電容的容量保持不變，從而提高變頻器的性能，也推動(dòng)著變頻調(diào)速的發(fā)展。運(yùn)用變頻調(diào)速的目的關(guān)鍵是因其可以徹底取消機(jī)械式換向器，變頻器則是調(diào)速系統(tǒng)中的關(guān)鍵所在，通過(guò)它可以把工頻三相交流電壓轉(zhuǎn)

40、換為可變壓可變頻的三相交流源，在電力電子技術(shù)的推動(dòng)下，交流電機(jī)變頻調(diào)速也在不斷發(fā)展和進(jìn)步，采用變頻器調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)[1,7]：</p><p>　　(1)裝置壽命得以延長(zhǎng)長(zhǎng)，可靠性增高，不需要維修。</p><p>　　(2)頻率精度變高，能保證轉(zhuǎn)速的高精度。</p><p>　　(3)頻率間的變化范圍較大，從而保證了調(diào)速的范圍廣。</p>

41、<p>　　(4)裝置的變流效率高，提高了整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率。 </p><p>　　(5)裝置所占面積比較小，噪聲也比較小。</p><p>　　(6)變頻調(diào)速能徹底取消換向器，因此沒(méi)有了換向器的限制，從而擴(kuò)大了電機(jī)的容量，讓電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電壓都得到了提高，而直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速則沒(méi)有這方面的優(yōu)點(diǎn)。例如現(xiàn)在的直流電機(jī)的單機(jī)容量只能達(dá)到12000和14000kw之間，而交流電

42、動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于該值；直流電動(dòng)機(jī)的最高電壓也只能達(dá)到1000V，然而交流電動(dòng)機(jī)則很容易的就能達(dá)到6~10kV或更高，直流電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速只能達(dá)3000r／min切左右，相比之下交流電動(dòng)機(jī)則可高達(dá)每分鐘數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)或更高。</p><p>　　(7)鼠籠式異步機(jī)或永磁式同步機(jī)的變頻調(diào)速，在易燃、易爆以及環(huán)境惡劣的地方被普遍的采用且很有效果。此外，把現(xiàn)有的恒速交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)改為變速傳動(dòng)也非常方便，不用更換電動(dòng)機(jī)，只要在進(jìn)線電

43、源和電動(dòng)機(jī)之間加裝一臺(tái)靜止變頻裝置即可。</p><p>　　(8)變頻調(diào)速系統(tǒng)的可靠性很高。因晶閘管變頻控制技術(shù)和逆變技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，讓電子元器件高度集成化、可靠性高，使交流電動(dòng)機(jī)的控制裝置非常耐用，幾乎不用維修，而交流電機(jī)本身維護(hù)工作量就是少的。</p><p>　　(9)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)性。隨著電力電子器件價(jià)格的不斷下降，變頻調(diào)速系統(tǒng)的總價(jià)格也隨之慢慢下降，最終接近或低于直流電

44、動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。此外，調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性不僅要考慮設(shè)備的初投資費(fèi)用，還應(yīng)該考慮調(diào)速的日常維護(hù)費(fèi)用。由于變頻調(diào)速在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)效率高，功率因數(shù)都好于直流凋速系統(tǒng)，因此總的經(jīng)濟(jì)性相對(duì)于直流調(diào)速也比較好，而且還更適合能節(jié)能。</p><p>　　(10)因控制技術(shù)、微電子技術(shù)和微型電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展和進(jìn)一步的應(yīng)用，使得交流變頻調(diào)速的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)更接近直流調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。</p><p>&

45、lt;b>　　2.3變頻器的用途</b></p><p>　　變頻器根據(jù)電路的組成分為交—交變頻器和交—直—交變頻器2種類型。根據(jù)控制方式的不同又可分為變頻變壓控制、VC控制和直接轉(zhuǎn)矩控制3種。按照變頻器的用途不同，又可以分為兩種，分別是通用變頻器和專用變頻器，變頻器的用途是我們最為關(guān)心，也是跟我們的利益有著最直接的聯(lián)系。通用變頻器就是使用廣泛，數(shù)量最多的一類變頻器，在當(dāng)今變頻器技術(shù)的不斷成熟和

46、市場(chǎng)的不斷需求的刺激下，通用的變頻器有著以下兩個(gè)方面的發(fā)展：一個(gè)是以節(jié)能節(jié)電為主要任務(wù)而發(fā)展成為了簡(jiǎn)化了的低成本且簡(jiǎn)易型的通用變頻器，主要運(yùn)用在那些對(duì)調(diào)速性能的要求不高，加上具有體積小、價(jià)格低等方面的系統(tǒng)，例如水泵、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)；另一個(gè)發(fā)展的方向則是在設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要充分考慮應(yīng)用中的高性能、多功能的變頻器，用戶通過(guò)利用負(fù)載的特性選擇算法來(lái)對(duì)變頻器的各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，還可以根據(jù)系統(tǒng)的需要選擇廠家所提供的各種備用件來(lái)滿足特殊的要求，這類高性

47、能的多功能的通用變頻器應(yīng)用也是相當(dāng)廣泛，可以應(yīng)用在各種簡(jiǎn)易變頻器的領(lǐng)域，還在電梯、數(shù)控機(jī)床等調(diào)速系統(tǒng)需要高性能的方面使用。以前，通用的變頻器都是采用電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的變頻變壓控制方式，目前隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，一些廠家推出</p><p>　　與通用變頻器不同，專用變頻器，顧名思義是指專門針對(duì)某一要求某一場(chǎng)合而設(shè)計(jì)的變頻器，專用的變頻器主要有高性能專用變頻器、高頻變頻器和高壓變頻器3種。</p>

48、<p>　　由于控制技術(shù)的發(fā)展和成熟，使得變頻器不僅有基本的調(diào)速控制，還有了多種算術(shù)運(yùn)算和智能控制等功能，以致于輸出的頻率精度更高。而且由于它還具有完善的檢測(cè)、保護(hù)環(huán)節(jié)，使得它被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)之中。例如，化纖工業(yè)的卷繞、拉伸；玻璃工業(yè)里的平板玻璃退火爐、拉邊機(jī)；電弧爐的自動(dòng)加配料系統(tǒng)以及電梯的智能控制系統(tǒng)等等都是使用變頻器。</p><p>　　變頻器的運(yùn)用，使得風(fēng)機(jī)、泵類等電動(dòng)機(jī)的用電量不斷

49、減少，達(dá)到了節(jié)能用電的顯著效果，它們的節(jié)電率可以到20%～60%,變頻器改善風(fēng)機(jī)、泵類的節(jié)電原因是因?yàn)樗鼈兊呢?fù)載的實(shí)際消耗的功率基本上與轉(zhuǎn)速的3次方成正比。而恰好采用了變頻調(diào)速能使得轉(zhuǎn)速降低，因此才有顯著的節(jié)能效果。因而變頻器調(diào)速技術(shù)在這類負(fù)載上面使用具有非常良好的前景，也具有重大的意義，這樣一來(lái)，節(jié)省了大量的電能，也使的在較短的時(shí)間內(nèi)就可以收回所需的投資，所以，變頻器的應(yīng)用在這一領(lǐng)域相當(dāng)廣泛和實(shí)用[3-8]。</p>&

50、lt;p>　　變頻器除了前面的用途之外，它在提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量方面也作用廣泛，因此變頻器在傳送、起重、擠壓和機(jī)床等各種機(jī)械設(shè)備的控制領(lǐng)域也被普遍使用，利用變頻器來(lái)減少設(shè)備的沖擊和噪聲，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。變頻器調(diào)速技術(shù)的運(yùn)用使得機(jī)械設(shè)備的簡(jiǎn)化，操作和控制都更為的方便，有些特殊的設(shè)備還能改變?cè)械墓に囈?guī)范，來(lái)提高整體的功能。</p><p>　　第3章 變頻調(diào)速及空間矢量PWM技術(shù)概述</p>

51、;<p>　　3.1變頻調(diào)速的基本原理</p><p>　　由于一些電機(jī)變頻控制系統(tǒng)的復(fù)雜情況，造成了電機(jī)與操作電機(jī)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)較遠(yuǎn)。這造成了變頻器的安裝的不便，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了以Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的智能變送器，從而可以遠(yuǎn)程控制變頻器，也利于監(jiān)控和傳送，有助于延長(zhǎng)系統(tǒng)有效控制距離，提高系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)傳輸率，并能提高反抗干擾性能和擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。從而達(dá)到了利用變頻器的控制來(lái)遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)電機(jī)的

52、運(yùn)行狀態(tài)。電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是由執(zhí)行元件（各種電機(jī)）、功率驅(qū)動(dòng)單元、控制算法等各元素組成的一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)先由CPU產(chǎn)生控制脈沖，然后控制脈沖先經(jīng)過(guò)DSP進(jìn)行脈沖的分配，再經(jīng)過(guò)變頻調(diào)壓技術(shù)和空間矢量產(chǎn)生PWM技術(shù)進(jìn)行功率放大從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)。本文通過(guò)以TMS320LF2407作為控制單元驅(qū)動(dòng)算法，從而實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)按時(shí)序要求工作。</p><p>　　3.1.1電機(jī)學(xué)中一般調(diào)速方法的

53、概述</p><p>　　從電機(jī)學(xué)的學(xué)習(xí)知道了交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式[9-10]：</p><p>　　（3-1） </p><p>　　其中，異步電機(jī)定子電壓供電頻率為f1，異步電機(jī)的極對(duì)數(shù)為，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率為s。從公式知道，要改變異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以有3種方式，就是改變3種不同的參量，就是改變極對(duì)數(shù)，或者改變轉(zhuǎn)差率，再或者改變電壓的

54、供電頻率。</p><p>　　（1）變極對(duì)數(shù)調(diào)速，顧名思義就通過(guò)改變極對(duì)數(shù)的不同來(lái)改變異步電機(jī)同步轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)目的，即：</p><p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　變極調(diào)速的實(shí)現(xiàn)是利用改接定子繞組的連接方式而得。因一般電機(jī)的本身因素的限制，所以調(diào)速范圍比較有限，且極對(duì)數(shù)總是整數(shù)，所以這種調(diào)速是一種有極調(diào)速。<

55、/p><p>　?。?）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速，這種調(diào)速方法的實(shí)現(xiàn)方案有很多，比較常用的是改變異步電機(jī)的定子電壓調(diào)速、采用滑差電機(jī)調(diào)速、轉(zhuǎn)子繞組串電阻調(diào)速等。這幾種方法都可以實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，但它們有一個(gè)共同的缺點(diǎn)是在調(diào)速過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)差功率并消耗在轉(zhuǎn)子回路中，使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。</p><p>　?。?）變頻調(diào)速，變頻調(diào)速是通過(guò)改變定子電壓供電頻率f1來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的改變完成調(diào)速目的，這種

56、方式只需要有輸出頻率就能平滑、無(wú)極地調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。且這類系統(tǒng)中無(wú)論轉(zhuǎn)速高低，所消耗的轉(zhuǎn)差功率基本不變，所以效率最高，也被普遍運(yùn)用。</p><p>　　三相交流異步電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)的有效值為：</p><p>　　（3-3） </p><p>　　3.1.2變壓變頻調(diào)速的基本控制方法</p

57、><p>　?。?）基頻以下調(diào)速—恒壓頻比控制</p><p>　　在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，常需要考慮的一個(gè)重要因素是能保持電機(jī)中每級(jí)磁通量為一個(gè)定值，并且使值不變。假如磁通太弱，則不能對(duì)電機(jī)鐵心充分利用，容易造成浪費(fèi)；如果磁通過(guò)分增大，也使容易鐵心飽和，也會(huì)引起勵(lì)磁電流過(guò)分變大的，嚴(yán)重的時(shí)候還會(huì)讓電機(jī)繞組產(chǎn)生過(guò)大的溫度從而引起電機(jī)的損壞。相比而言，直流電機(jī)具有獨(dú)立的勵(lì)磁系統(tǒng)，只需對(duì)電樞反應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)

58、的補(bǔ)償，很容易就能做到保持磁通恒定。然而在異步電機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)不是獨(dú)立的，因此要想實(shí)現(xiàn)磁通恒定的目的是一個(gè)很困難的事。如果要給交流異步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，當(dāng)要電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)母咚傧虻退俚姆较蛘{(diào)整變換的時(shí)候,希望能達(dá)到電機(jī)定子的磁通量保持不變,這時(shí)就要保證感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電源頻率的比值維持一個(gè)定值。假設(shè)電機(jī)定子阻抗上的壓降不做考慮時(shí),那么電源的電壓的值將和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等。如果電機(jī)的頻率比較高,那么轉(zhuǎn)子電壓也會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的不斷降低而按照某種

59、比例下降,而定子阻抗上的壓降卻不會(huì)按比例下降,不過(guò)定子電壓在系統(tǒng)總電壓中的比率會(huì)隨之有所增大,假設(shè)上述條件不滿足,則不能把電源電動(dòng)勢(shì)與定子電壓近似相等的來(lái)看待。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的下降會(huì)引起磁通量的不斷減小,并讓電機(jī)的臨界轉(zhuǎn)矩也隨之下降。如</p><p>　　低頻時(shí)，由于U1和Eg都較小，定子壓降所占量就比較大，這時(shí)就不能被忽略。我們可通過(guò)人為來(lái)提高一點(diǎn)定子電壓U1，從而來(lái)償定子電阻壓降如圖3.1所示。</p&g

60、t;<p>　　圖3.1恒壓頻比控制方式</p><p>　　（2）基頻以上調(diào)速——弱磁升速</p><p>　　在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從f1n向上增大，但由于電機(jī)絕緣上的原因，電壓U1一般不能超過(guò)額定電壓U1n,頂多使U1=U1n,所以要使電機(jī)轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速，必須讓電機(jī)磁通低于額定磁通，這跟直流電機(jī)的弱磁升速比較類似。</p><p>　　3.

61、2變頻調(diào)速的空間電壓矢量控制算法</p><p>　　PWM波的控制算法一般有兩種，一種是傳統(tǒng)的正弦PWM方式，另外一種就是新提出的電壓矢量控制PWM的方法。電壓矢量的控制PWM方法有著明顯的優(yōu)勢(shì)，它不僅能讓電動(dòng)機(jī)的損耗降低，還能提高逆變直流測(cè)的電壓利用率。運(yùn)用高速的DSP系統(tǒng)，使算法更快，性能也更高和更可靠。交流電動(dòng)機(jī)需要輸入三相正弦電流的最終目的是在于在電機(jī)空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，把逆變

62、器和交流電機(jī)看做一個(gè)整體，以圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為目標(biāo)來(lái)控制逆變器的工作，稱為磁鏈跟蹤控制，而它的控制是通過(guò)交替使用不同的電壓空間矢量實(shí)現(xiàn)的，也叫電壓空間矢量控制[12-15]。</p><p>　　空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM控制三相電壓型逆變器的功率器件的開關(guān)觸發(fā)順序和脈寬。這樣一來(lái)將在定子線圈中產(chǎn)生3個(gè)相差120°電角度且波形失真較小的正弦波電流。而傳統(tǒng)的正弦PWM方式通常在電壓頻比控制中來(lái)控制功率開關(guān)器件

63、的通斷，著眼于使逆變器輸出電壓盡量接近正弦波，其缺點(diǎn)是電壓的利用率比較低。然而新提出的空間電壓矢量則是從電機(jī)的角度出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得恒定的圓形磁場(chǎng)。SVPWM控制利用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際磁通去接近基礎(chǔ)磁通圓，它不但能達(dá)到較高的控制性能，而且是把逆變器和電機(jī)看做是一個(gè)整體，也使得模型簡(jiǎn)單，便于數(shù)值化實(shí)現(xiàn)，并具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、噪聲低、電壓的利用率高等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　下面以三相電壓型逆變器電

64、路來(lái)解釋電壓空間矢量的原理。下圖3.2所示，為三相電壓逆變器結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　圖3.2 三相電壓型逆變器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　它主要有一個(gè)直流電源Vdc和6個(gè)功率管Q1～Q6組成，其中Va、Vb和Vc是逆變器的輸出電壓，6個(gè)功率管分別被a,b,c,a1,b1,c1這6個(gè)控制信號(hào)所控制著。當(dāng)逆變橋上半部分的一個(gè)功率管導(dǎo)通時(shí)（a、b或c為1）,其下半部分相對(duì)的功率管將關(guān)閉（a

65、1、b1或c1為0）。</p><p>　　逆變橋輸出的線電壓矢量、相電壓矢量和開關(guān)變量矢量之間的關(guān)系如下：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　（3-5）</b></p><p>　　式中Vdc是電壓型逆變器的直流供電電壓。因?yàn)殚_關(guān)變量矢量有8種不同的組合，

66、所以逆變上半部分功率管也有8種組合，因此輸出的線電壓和相電壓也有8種見下面表3.1的關(guān)系所示。</p><p>　　表3.1功率管的開關(guān)狀態(tài)和與之對(duì)應(yīng)的輸出線電壓和相電壓的關(guān)系</p><p>　　在該表中Va、Vb和Vc表示3個(gè)輸出電壓，Vab、Vbc 和Vca表示3個(gè)輸出的線電壓。在（，）坐標(biāo)系中與輸出的三相線電壓相對(duì)應(yīng)的分量可以表示為下面矩陣：</p><p>

67、;<b>　?。?-6）</b></p><p>　　因此我們可以得到開關(guān)變量矢量與空間矢量子軸分量的關(guān)系表如表3.2所示。</p><p>　　表3.2開關(guān)變量與其相對(duì)應(yīng)的子軸（，）的關(guān)系表</p><p>　　表中Vsa、為基本空間矢量的軸分量，每個(gè)基本空間矢量與恰當(dāng)?shù)墓β使荛_關(guān)命令信號(hào)組合（c,b,a）相對(duì)應(yīng)。</p>&l

68、t;p>　　空間矢量PWM技術(shù)的目的是利用與基本的空間矢量對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)的組合，得到一個(gè)給定的定子參考電壓矢量Uout。參考電壓矢量Uout用其（，）軸分量和表示。下圖3.3表示參考電壓矢量與之對(duì)應(yīng)的軸分量以及基本空間矢量和的對(duì)應(yīng)關(guān)系。</p><p>　　圖3.3為參考電壓矢量和它對(duì)應(yīng)的軸分量的關(guān)系和U0和的對(duì)應(yīng)關(guān)系</p><p>　　其中表示U0和的軸分量之和，表示U0和的軸之

69、和，結(jié)合表3.2，可以得到:</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　參考電壓矢量位于U0和兩個(gè)基本矢量包圍的扇區(qū)之中，經(jīng)過(guò)一系列的公式推導(dǎo)可以得到：</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　其中T1和T3分別是在周期時(shí)間T中基本空間矢量U0和

70、各自的作用時(shí)間；T=T0+T1+T3，T0是0矢量的作用時(shí)間，和表示參考矢量Uout相對(duì)與最大相電壓歸一之和的軸分量；取T1，T3和周期T的想到關(guān)系如下：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　同理可以得到參考矢量被其他基本矢量包圍的扇區(qū)時(shí)的一些相對(duì)值。</p><p>　　如果定義X,Y,Z3個(gè)變量如下：<

71、/p><p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　則綜上所述，可以得到矢量Uout位于被基本空間矢量U0、所包圍的扇區(qū)（扇區(qū)0），則可得到t1= —Z，t2=X；矢量Uout位于被基本空間矢量、所包圍的扇區(qū)1，則t1=Z,t2=Y,同理可以得到其他扇區(qū)的關(guān)系表3.3如下所示。</p><p>　　表3.3 t1、t2與X,Y,Z

72、的對(duì)應(yīng)關(guān)系表</p><p><b>　　定義下面3個(gè)參量：</b></p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　定義3個(gè)變量a、b和c。如果，則a=1,否則a=0,如果，則b=1,否則b=0；，如果,則c=1，否則c=0。設(shè)N=4c+2b+a，則可得到N與扇區(qū)數(shù)的一些對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3.4所示。&l

73、t;/p><p>　　表3.4 N與扇區(qū)數(shù)sector 的對(duì)應(yīng)關(guān)系表</p><p>　　到此為止，如果已知參考電壓矢量Uout，或其在坐標(biāo)系上的軸分量和，就可以根據(jù)上面的推導(dǎo)計(jì)算出與Uout對(duì)應(yīng)的兩個(gè)基本空間矢量的作用時(shí)間相對(duì)SVPPWM調(diào)制周期T的比例t1、t2。如果已知t1、t2，又已知要求的SVPWM的調(diào)制周期T，就可以確定空間矢量分別的作用時(shí)間T1、T2,再加上前面的公式，就可以很

74、方便的利用F2407實(shí)現(xiàn)SVPWM算法，從而實(shí)現(xiàn)DSP的矢量控制來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p>　　3.3利用TMS320LF240x實(shí)現(xiàn)SVPWM</p><p>　　每個(gè)F2407的事件管理器EV模塊都擁有了操作相當(dāng)簡(jiǎn)單的對(duì)稱空間矢量PWM波形產(chǎn)生的內(nèi)置硬件電路。希望產(chǎn)生得到空間矢量PWM波，我們只需對(duì)以下的寄存器進(jìn)行設(shè)置[14]：</p><p>　?。?

75、）定義比較輸出引腳的輸出方式，高電平有效，或者低電平有效，可以通過(guò)對(duì)ACTRx寄存器的設(shè)置。</p><p>　?。?）為了使能比較操作和空間矢量PWM模式，并且能把CMPRx的重裝入條件設(shè)置為下溢出，則通過(guò)對(duì)COMCONx寄存器的設(shè)置。</p><p>　?。?）將通用定時(shí)器1或2、4或5設(shè)置成連續(xù)增/減計(jì)數(shù)的一個(gè)模式，并且啟動(dòng)定時(shí)器。我們要得到在二維坐標(biāo)系下輸入到電機(jī)的電壓Uout,并

76、分解為和，來(lái)得到每個(gè)PWM周期的參數(shù)。</p><p>　?。?）每個(gè)相鄰矢量，Ux和Ux+60(通過(guò)確定Uout所在的扇區(qū)數(shù)就可以完成這一要求)。 </p><p>　?。?）通過(guò)SVPWM的調(diào)制周期T來(lái)計(jì)算得到兩個(gè)基本的空間矢量和0矢量的分別作用時(shí)間T1、T2 和T0。</p><p>　?。?）在ACTRx.14～12位中寫入相應(yīng)于Ux的開啟方式，同時(shí)在ACT

77、Rx.15中寫入1，或者在ACTRx.14～12位中寫入U(xiǎn)x+60的開啟方式，同時(shí)在ACTRx.15中寫入0。</p><p>　　（7）將T1、T2的值在CMPR1或CMPR4寄存器中寫入，將兩者的平均值寫入CMPR2或CMPR5寄存器。</p><p>　　3.4空間矢量PWM的算法原理</p><p>　　為了能順利完成一個(gè)空間矢量PWM周期，每個(gè)事件管理EV

78、模塊的空間矢量PWM硬件工作如下：</p><p>　　（1）在每個(gè)周期的開始，將PWM輸出置成由ACTRx.14～12設(shè)置的新方式Uy,這也叫做第一類輸出方式。</p><p>　?。?）在增計(jì)數(shù)期間，當(dāng)CMPR1或CMPR4與通用定時(shí)器1或3發(fā)生第一次匹配時(shí)，如果ACTRx.15為0，則將PWM輸出開啟到方式Uy+60；如果ACTRx.15為1，則將PWM輸出開啟到方式Uy-60,這也

79、被叫做第二類輸出方式。</p><p>　　（3）在增計(jì)數(shù)期間，當(dāng)CMPR2或CMPR5與通用定時(shí)器1或3發(fā)生第一次匹配時(shí)，就是計(jì)數(shù)器達(dá)到（T1+T2）/2時(shí)候，將PWM輸出開啟到方式000或111.它們與第二類輸出方式之間只有一位的差別。</p><p>　　（4）在減計(jì)數(shù)期間，當(dāng)CMPR2或CMPR5與通用定時(shí)器1或3發(fā)生第二次匹配時(shí)，把PWM輸出置回到第二類輸出方式。</p&g

80、t;<p>　　（5）在減計(jì)數(shù)期間，當(dāng)CMPR1或CMPR4與通用定時(shí)器1或3發(fā)生第二次匹配時(shí)候，將PWM輸出回到第一類輸出方式。</p><p>　　第4章 變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4.1主芯片的選擇</b></p><p>　　近20多年DSP的不斷發(fā)展，使電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。本課題采

81、用的是TMS320LF240x。TMS320LF240x的DSP主要有以下特性[12-14]：</p><p>　　高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)的采用，讓供電的電壓降達(dá)到了3.3V，有助于控制器的功耗的減?。黄?0MIPS快速的執(zhí)行速度也讓指令周期縮小到了33ns(30MHz),讓控制器的實(shí)時(shí)控制能力有了不小的提高。</p><p>　　高運(yùn)算性能：最高可達(dá)40MIPS，指令周期25ns<

82、/p><p>　　基于TMS320C2xxDSP的CPU核，保證了F240x系列DSP代碼與TMS320系列的DSP代碼有所兼容。</p><p>　　片內(nèi)具有高達(dá)32K字的FLASH程序存儲(chǔ)器，有高達(dá)1.5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM、544字雙口RAM和2K字的單口RAM（SARAM）。</p><p>　　兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，包括：兩個(gè)16位通用定時(shí)器；8

83、個(gè)16位脈寬調(diào)制（PWM）通道。</p><p>　　可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器(LF2407)總共192K字空間：64K字程序存儲(chǔ)器空間、64K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間和64K字I/O尋址空間。</p><p><b>　　看門狗定時(shí)器模塊。</b></p><p>　　10位A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns,可選擇由兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)的兩個(gè)8通道輸入

84、A/D轉(zhuǎn)換器或一個(gè)16通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　控制器局域網(wǎng)路2.0B模塊。</p><p>　　串行通信接口（SCI）模塊。</p><p>　　16位串行外設(shè)（SPI）接口模塊。</p><p>　　基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器</p><p>　　高達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程或重復(fù)的通用I/O引腳。</

85、p><p>　　5個(gè)外部中斷（兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷）。</p><p>　　電源管理包括3種低功耗模式，能獨(dú)立地將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。</p><p><b>　　4.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</b></p><p>　　主電路和控制電路構(gòu)成了整個(gè)控制系統(tǒng)。其中主電路由整流和IPM逆變電路組成,它的主要目的是為

86、了讓交直交之間的電壓得以改變，使電機(jī)具有可靠并可調(diào)節(jié)的電壓和電流；而它所需的控制電路則是以由TMS320LF2407A芯片為核心的電路組成,控制電路的主要任務(wù)在于對(duì)電機(jī)的速度、電流反饋信號(hào)進(jìn)行接收然后通過(guò)A/D進(jìn)行變換，通過(guò)DSP控制器進(jìn)行電壓空間矢量算法處理，最后輸出PWM脈沖波,從而對(duì)逆變電路中的六個(gè)開關(guān)器件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。最終實(shí)現(xiàn)了以DSP為核心基礎(chǔ)的變頻調(diào)速為條件的實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)調(diào)速的一個(gè)系統(tǒng)。它的結(jié)構(gòu)如下圖4.1所示。</p>

87、;<p>　　4.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　4.3整流電路</b></p><p>　　整流電路的選擇跟變頻器的輸出功率的大小有關(guān)，整流電路選擇單相全波整流橋一般用于變頻器輸出小功率的電機(jī)，而大功率的電機(jī)一般選用三相橋式全波整流。本設(shè)計(jì)為小功率的電機(jī)所以設(shè)計(jì)的整流電路采用單相全波整流橋的電路，具體如下圖4.2所示，它主要是為了實(shí)現(xiàn)交流

88、電變?yōu)橹绷麟姷倪@一過(guò)程。</p><p><b>　　圖4.2整流電路</b></p><p>　　它主要的組成部分就是有4個(gè)整流二極管，它的電流計(jì)算過(guò)程如下，首先流經(jīng)二極管的最大電流為：</p><p>　　(4-1) </p><p>　　流經(jīng)二極管的

89、有效值則為：</p><p><b>　　(4-2) </b></p><p>　　二極管的額定電流為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　4.4濾波電路</b></p><p>　　通過(guò)整流電路之后得到的電壓

90、是有脈動(dòng)的了，再加上逆變電路和負(fù)載的影響都引起了直流電壓的脈動(dòng)，我們希望得到比較平滑的直流電，因此在整流器之后添加了濾波的電路。一般在整流輸出端并大電容，這樣以來(lái)不但可以改善得到的電壓波形，減小了電壓的脈動(dòng)，還能消除整流電路和逆變器之間的相互作用帶來(lái)的干擾。還對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)有一定的儲(chǔ)能效果。</p><p>　　未增加濾波大電容，整流得到的電壓平均值是：</p><p><b>　

91、?。?-4）</b></p><p>　　而添有濾波大電容時(shí)，輸出得到的電壓可以達(dá)到表示如下：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　我們可以設(shè)置如下的電路作為濾波電路，如圖4.3所示。</p><p><b>　　圖4.3濾波的電路</b></p&g

92、t;<p>　　其中濾波的電容理論上是大的效果好，通常用大容量且耐壓性好的濾波電解的電容。</p><p><b>　　4.5逆變電路</b></p><p>　　逆變電路分為有源逆變和無(wú)源逆變兩種，它的目的在于把直流轉(zhuǎn)換成交流電， 逆變電路里功率器件運(yùn)用的IPM智能功率模塊，它主要的組成結(jié)構(gòu)是高速低耗的管芯、改進(jìn)的門級(jí)電路和快速的保護(hù)電路，能讓驅(qū)動(dòng)的電

93、路和開關(guān)器件有效的結(jié)合一體，加上它內(nèi)部還設(shè)置有過(guò)電壓，過(guò)電流等故障檢測(cè)電路，而且它可以把信號(hào)發(fā)送到DSP作一個(gè)中斷，它也是目前最新端的模塊。IPM也能避免在使用不當(dāng)?shù)臅r(shí)候受損，它尤其適合電機(jī)變頻這種驅(qū)動(dòng)電路的控制器，是變頻調(diào)速中最理想的電力電子器件。IPM的外圍的接口電路主要有故障保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路和光耦隔離等電路，其中光耦隔離電路的目的是在于提高電路的安全性，它處在DSP產(chǎn)生PWM信號(hào)的輸出端和IPM的信號(hào)控制的輸入端口，它使得原始的

94、信號(hào)有了一個(gè)延時(shí)，在運(yùn)用矢量控制產(chǎn)生PWM信號(hào)因其開關(guān)頻率高，死區(qū)時(shí)間不能太大，一般選用快速光耦。</p><p>　　4.6 DSP外圍電路設(shè)計(jì)</p><p>　　為了保證DSP正常運(yùn)行而設(shè)置了外圍電路，它主要有電源電路，時(shí)鐘電路和復(fù)位電路等組成。先介紹一個(gè)DSP最小系統(tǒng)的框圖如圖4.4所示。</p><p>　　圖4.4 DSP最小系統(tǒng)框圖</p>

95、<p>　　4.6.1 電源電路</p><p>　　TMS320LF2407A的內(nèi)核電壓和I/O端口電壓都是3.3V，而控制系統(tǒng)整體是由一個(gè)外接5V的電壓供電，因此只需單路輸入5V、輸出3.3V的電源器件，這里我們選擇TPS7333穩(wěn)壓器件來(lái)為DSP供電，電路圖如圖4.5所示。</p><p><b>　　圖4.5電源電路</b></p>

96、<p>　　4.6.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)</p><p>　　該系統(tǒng)得電之后是能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位的，不過(guò)為避免被其它因素干擾而引起的死機(jī)等不良狀況，所以還人為的設(shè)置了一個(gè)電路。它的主要目的在于給DSP信號(hào)處理器提高一個(gè)復(fù)位的信號(hào)，從而保證電源的穩(wěn)定狀態(tài)，不受到干擾能正常的運(yùn)行。而且保證復(fù)位信號(hào)的可靠作用，所以要經(jīng)一定的時(shí)間再撤銷復(fù)位信號(hào)，避免電源一瞬間動(dòng)作之后引起的不良影響。外部的復(fù)位電路可以設(shè)置如下圖4.6

97、所示，它通過(guò)復(fù)位鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)電容的充放電來(lái)實(shí)習(xí)復(fù)位功能的。</p><p><b>　　圖4.6復(fù)位電路</b></p><p>　　4.6.3 時(shí)鐘電路</p><p>　　時(shí)鐘電路是DSP芯片非常重要的一個(gè)電路，也是一個(gè)DSP芯片關(guān)鍵基礎(chǔ)的部分所在，這一電路的好壞決定了系統(tǒng)的可靠與否、是否穩(wěn)定的狀態(tài)，時(shí)鐘電路的影響有時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)的死機(jī)和一些不正

98、常的工作狀態(tài)。它的選擇原則是根據(jù)下面6個(gè)方面進(jìn)行的：</p><p>　　（1）如果系統(tǒng)需要種類多且頻率也不一樣的時(shí)鐘信號(hào)，可以最先考慮可編程時(shí)鐘芯片。</p><p>　?。?）如果信號(hào)需求比較單一，則選擇晶體的時(shí)鐘電路。</p><p>　?。?）同一頻率數(shù)量多的信號(hào)時(shí)，選擇晶振。</p><p>　　（4）如果沒(méi)有震蕩電路的DSP，不可

99、以用晶體時(shí)鐘的電路。</p><p>　?。?）DSP時(shí)鐘信號(hào)電源為1.8V，推薦晶體時(shí)鐘的電路。</p><p>　?。?）盡量的運(yùn)用片內(nèi)的PLL，來(lái)降低時(shí)鐘頻率，從而時(shí)穩(wěn)定性提高。</p><p>　　4.6.4總線電路分析</p><p>　　因?yàn)殡姍C(jī)控制的路線較遠(yuǎn)，為了能夠更好的遠(yuǎn)程控制變頻器，引入了對(duì)總線電路的設(shè)計(jì)，我們?cè)O(shè)計(jì)了以M

100、ODBUS協(xié)議為核心的智能變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，它便于信號(hào)的傳送和監(jiān)控，下面簡(jiǎn)單分析下電路整個(gè)過(guò)程，整個(gè)系統(tǒng)以DSP芯片LF2407A為核心結(jié)構(gòu)，先把電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采集然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成數(shù)字的信號(hào)傳到DSP進(jìn)行一定電壓空間矢量算法的處理，最后由MAX-485芯片以Modbus協(xié)議為基礎(chǔ)通過(guò)RS-485接口向主電路的傳送，從而通過(guò)Mobdus網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制變頻器的啟停的運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)變頻控制系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。</p>&l

101、t;p>　　4.6.5串行接口電路</p><p>　　串行接口電路如圖4.7所示，通過(guò)串行接口電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和上位機(jī)之間的通信。</p><p>　　圖4.7串行接口電路</p><p>　　4.6.6電壓電流采集電路設(shè)計(jì)</p><p>　　下圖4.8是一個(gè)電壓電流的采集電路，運(yùn)放A1構(gòu)成負(fù)反饋放大電路，D2接在A1輸入端，完

102、成對(duì)LED輸出光信號(hào)的檢測(cè)，并自動(dòng)調(diào)整通過(guò)LED的電流。A2構(gòu)成電流電壓轉(zhuǎn)換電路，A2和R2將I2轉(zhuǎn)換為輸出電壓。R3為限流電阻，C1、C2起反饋?zhàn)饔?，用于改善電路的高頻特性，提高電路的穩(wěn)定性，消除毛刺信號(hào)，降低電路的輸出噪聲，可以通過(guò)調(diào)整R1和R2的值，使輸出電壓調(diào)整在DSP所能接受的電壓范圍內(nèi)。</p><p>　　圖4.8電壓電流采集電路</p><p>　　4.6.7其它的一些附屬

103、電路</p><p>　　檢測(cè)電路，它是電機(jī)控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成環(huán)節(jié)，分別有電流、電壓、轉(zhuǎn)速等檢測(cè)。采用霍爾元件檢測(cè)法,檢測(cè)電機(jī)的電流；轉(zhuǎn)速檢測(cè)采用M法測(cè)速原理,即在某一采樣時(shí)間內(nèi),通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)速的大小。得到的采樣信號(hào)再經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路和運(yùn)放電路,變換為對(duì)應(yīng)的0~5V變化的模擬信號(hào),與DSP的A/D轉(zhuǎn)換器引腳相接。</p><p>　　故障保護(hù)電路是因TMS320LF240

104、7A中有兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB從而保證了外部中斷PDPINT來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù),可以需要保護(hù)的信號(hào),如電流檢測(cè)、電源故障等信號(hào),經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后,再發(fā)送到DSP的PDPINT引腳,一旦發(fā)生故障,則DSP會(huì)立刻啟動(dòng)PDPINT中斷程序,同時(shí)關(guān)斷系統(tǒng)的PWM波形信號(hào)的輸出,直到故障的消失。</p><p>　　第5章 變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1系統(tǒng)軟件的整體

105、設(shè)計(jì)</p><p>　　電機(jī)變頻控制系統(tǒng)的程序分為上位機(jī)的監(jiān)控程序和下位機(jī)的控制程序，上位機(jī)主要掌握電機(jī)參數(shù)設(shè)定和電機(jī)狀態(tài)的顯示，下位機(jī)的控制程序又分為一個(gè)主程序和3個(gè)中斷服務(wù)子程序。其中主程序是負(fù)責(zé)DSP的初始化、串口之間的通信、循環(huán)等待等功能。它的流程圖如下圖5.1所示。</p><p>　　圖5.1為主程序流程圖</p><p>　　串口通信中斷的子程序目的

106、是接收已知的信號(hào)并返回傳送得到的電機(jī)狀態(tài)，它的流程圖如圖5.2所示。</p><p>　　圖5.2串口中斷子程序圖</p><p>　　故障中斷子程序是在DSP接收到故障信號(hào)而產(chǎn)生的中斷，關(guān)閉PWM的輸出，斷開主電路并顯示對(duì)應(yīng)的故障，從而保護(hù)系統(tǒng)和IPM功率塊。其流程圖如圖5.3所示。</p><p>　　圖5.3故障中斷子程序</p><p&g

107、t;　　PWM中斷服務(wù)程序的作用有以下幾點(diǎn)：</p><p>　?。?）根據(jù)所給的頻率來(lái)調(diào)節(jié)控制所需的頻率</p><p>　?。?）通過(guò)已知的頻率來(lái)完成空間電壓矢量的處理來(lái)輸出PWM波</p><p>　?。?）對(duì)信號(hào)的采集和A/D的轉(zhuǎn)換。它的流程如圖5.4所示。</p><p>　　圖5.4PWM中斷子程序圖</p><

108、;p>　　5.2 CCS集成開發(fā)環(huán)境概述</p><p>　　CCS是一個(gè)開發(fā)的和具有強(qiáng)大集成能力的DSP開發(fā)環(huán)境，該開發(fā)環(huán)境集成代碼編輯、調(diào)試等多種功能為一體，能完成DSP系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)，它由先進(jìn)的開發(fā)工具組成直觀的系統(tǒng)，極大方便了程序的開發(fā)，縮短了DSP的開發(fā)時(shí)間,它由C編譯器、模擬器軟件和調(diào)試軟件及插件組成。使用DSP后，能增強(qiáng)對(duì)代碼執(zhí)行效率的監(jiān)控。CCS集成開發(fā)環(huán)境是將代碼調(diào)試和生成工具合二

109、為一的一個(gè)開發(fā)環(huán)境。下圖為CCS集成開發(fā)環(huán)境的界面如圖5.5所示。</p><p>　　圖5.5CCS集成開發(fā)環(huán)境</p><p>　　要想在CCS3.3開發(fā)環(huán)境用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)，必須有庫(kù)函數(shù)文件（RTSXX.LIB、qmath.lib）、頭文件(f2407_c.h、svpwm.h)、命令文件(LF2407.CMD0）、中斷向量文件VECTORS.ASM)及源程序文件(z_main.c