基于DSP的异步电机交流调速系统设计.doc
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1、基于DSP的异步电机交流调速系统设计摘要随着电力电子技术、计算机控制技术的迅速发展,变频调速以其优异的调速性能、高效节能和广泛的应用范围等优点而成为发展趋势,被国内外认为最有发展前途的调速方式。数字信号处理器(DSP)运行速度快,能够完成复杂的控制算法,适合于建立高性能的调速系统。本课题采用TI的电机专用控制芯片TMS320LF2407DSP,开发出了基于矢量控制的变频调速系统。采用新型的PWM调制方式空间电压矢量法(SVPWM),提高了能量的利用效率。内容主要包括了空间电压矢量SVPWM的基本原理,及DSP实现SVPWM的方法;确定适合本系统要求的控制方案,完成系统的方框图;设计了控制系统的
2、硬件电路,并对其中一些基本单元电路和技术进行分析;设计了控制系统的软件部分,给出了基于TMS320LF2407的EV模块SVPWM波形产生流程。关键词:变频调速系统;数字控制器;TMS320F240;SVPWMDesign of Induction MotorsAC Speed Regulation System Based on DSPABSTRACTWith the rapid development of power electronics technology, computer control technology. The variable frequency speed regu
3、lation system is generally acknowledged by the home and abroad that it has a great future with excellent speed regulation, high efficiency saving energy, extensive scope of application and other merits.The high-speed digital signal processing (DSP) complete the complicated the algorithm of control,
4、and suit for the velocity modulation system that create the high performance. Using the digital signal processor (DSP) TMS320LF2407 of TI, which is special for motor control, we develop a suit of Variable frequency speed regulation system based on the vector control. The new-style PWM modulation man
5、nerSVPWM is adopted and the utilizing efficiency of the energy is enhanced.This content include Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) basic rationale, described and the achieving means of the SVPWM; Fit for the requirements of the control system, complete system block diagram; Design of the co
6、ntrol system hardware circuit, as well as some of the basic circuit module and technical analysis; Design of the control system software circuit, based on the EV TMS320LF2407 SVPWM waveform generator module processes is presented.Keywords:Variable frequency speed regulation system; Digital Controlle
7、r; TMS320F240; SVPWM目录摘 要IABSTRACTII插图清单V表格清单VI引 言1第一章 绪 论21.1 课题任务21.2 变频技术与异步电机控制技术21.3 国内外现状对比2第二章 异步电机变频调速原理42.1 变频调速基本知识42.2 异步电动机的变频调速的由来52.3 变频调速的基本控制方法5第三章 PWM技术73.1 PWM技术类型73.2 SVPWM法基本原理83.2.1 电压空间矢量83.2.2 SVPWM原理93.3 SVPWM波形的实现方法12第四章 基于DSP变频调速系统144.1 变频调速系统框图144.2 主电路144.2.1 整流电路154.2.2
8、中间滤波电路154.2.3 IPM164.3 控制电路164.3.1 电源电路174.3.2 时钟电路174.3.3 复位电路184.3.4 扩展存储器194.2.5 通讯电路组成204.4 电流检测电路21第五章 SVPWM调制的实现235.1 基于事件管理器模块的SVPWM235.2 SVPWM调制方式的硬件实现方法275.3 SVPWM波形产生流程28结论与展望30参考文献32致 谢33附录A-1 变频调速主电路34附录A-2 变频调速系统控制电路35附录A-3 变频调速系统PCB板36附录B 外文文献及其译文37附录C 主要参考文献的题录及摘要39附录D SVPWM部分程序41插图清单
9、图2-1 V/F控制6图3-1 电压空间矢量8图3-2 交-直-交电压源变频装置9图3-3 基本空间矢量11图3-4 电压空间矢量的线性组合11图3-5 SVPWM转换模式13图3-6 SVPWM波形图13图4-1 基于TMS320F240的变频调速系统原理框图14图4-2 主电路15图4-3 5V电源17图4-4 3.3V电源电路17图4-5 采用外部接振荡器的时钟电路18图4-6 片内振荡器的时钟电路18图4-7 复位电路19图4-8 外部存储器20图4-9 RS232引脚定义21图4-10 串行通信接口电路21图4-11 电流采集电路22图5-1 事件管理器24图5-2 比较单元结构框图
10、25图5-3 比较单元产生的PWM波形25图5-4 带死区PWM电路结构框图26图5-5 带死区输出的PWM波形27图5-6 硬件SVPWM产生方法的比较过程28图5-7 SVPWM波形产生流程图29表格清单表5-1 全比较单元24- 51 -引言就目前而言,电能是全世界消耗最多的能源之一,同时也是浪费最多的能源之一。所以说解决能源问题,必须先从电能着手,其中起代表性的就是电机控制。交流电机早在十九世纪八十年代中期就己问世,由于它具有消耗原料少,制造成本低,结构牢固,运行安全可靠,环境适应性强以及易于向高压,高速度和大容量方向发展等特点,迅速得到广泛的应用。但是,在二十世纪的大部分年代,鉴于直
11、流传动具有优越的调速性能,高性能可调速系统一般采用直流电机,而约占电气传动总容量80%的不变速传动系统则采用交流电机。这种所谓的不变速系统是指交流电机本身不进行调速,而为了达到对整个系统的控制又不得不采用其它的措施(如挡板,阀门等)进行调速,从而白白消耗了大量的电能。另外,直流电机由于它的特殊结构(电刷和整流子)而使得它既不容易适合高速运行,更不容易在恶劣环境下工作。这样,如何从本质上改变交流电机调速控制特性,使之具有直流电机的调速性能,便成为近几十年来电气传动研究主要课题之一。第一章 绪论1.1 课题任务对异步电机调速控制专用信号处理器(DSP)TMS320LF2407进行研究,掌握其工作原
12、理和基于该DSP的变频调速装置的设计方法。1.领会空间电压PWM方法,并将其应用与实际调速系统。2.实现TMS320LF2407空间电压矢量SVPWM方法的变频调速装置的软、硬件设计。1.2 变频技术与异步电机控制技术一、变频技术随着新型电力电子期间的不断涌现以及微电子技术的不断发展,变频技术也获得了飞速发展,目前主要有基于正弦波对三角波宽调制的SPWM控制;电压空间矢量SVPWM控制;直接转矩控制;基于定子磁链的新型控制方法等。SPWM法是从电动机供电电源的角度出发,着眼与如何产生一个可调频调压的三相对称正弦波电源,他是以一个正弦波作为调制波,用一系列等幅的三角波与正弦波相交,由他们的交点确
13、定逆变器的开关模式。电压空间矢量SVPWM控制一种与SPWM控制不同的新颖的脉宽调制方法。它不是局限于如何使逆变器输入按正弦波规律变化的电源,而是将逆变器和电机看成一个整体,基于电压空间矢量概念,用八种基本电压空间矢量合成期望的电压空间矢量,建立逆变器功率器件的开关状态和空间矢量,并依据电机的定子磁链矢量与定子电压之间的关系,直接达到控制电机磁链矢量幅值近似恒定、顶点沿圆形轨迹运动、平均速度可调的目的,从而实现对异步电机近似恒磁通变压变频调速。直接转矩控制是80年代中期提出的又一种转矩控制策略。其思路是把电机与逆变器看作一个整体,采用电压空间矢量分析方法在定子坐标系上进行磁链和转矩计算,并采用
14、磁链与转矩双位式bang-bang控制,直接对逆变器的开关状态进行优化选择,省去了旋转坐标变化,简化了控制器的结构,便于实现全数字化。二、异步电机控制技术微电子技术的发展,微型计算机的功能不断提高,电器传动领域出现了以微处理器为核心的微机控制系统。交流变频调速系统已经逐步向全数字化控制系统发展。数字化控制系统不同与模拟控制系统,它主要任务是设计一个数字调节器。常用的控制方法有:程序和顺序控制、直接数字控制、PID控制、最优控制等。随着现代控制理论的发展,交流电机控制技术的发展方兴未艾,非线性解耦控制、单神经元控制、模糊控制等各种新型控制策略正不断涌现,展现出更为广阔的前景。其中,数字式PID控
15、制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法。PID控制经过40多年的应用和发展,从型发展到型,性能不断提高了,积累的经验越来越多,在工业控制中得到广泛的应用。微型计算机在PID控制中的应用,又使PID控制得到进一步发展,出现非线性PID控制算法、选择性PID控制算法和自适应PID控制算法等。所有这些算法都是在基本PID算法的基础上发展起来的。1.3 国内外现状对比一、国外现状在大功率交-交变频调速技术方面,法国阿尔斯通已能提供单片机容量达3万KW的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面,意大利ABB公司提供了单片机容量为6万KW的设备用于抽水蓄能电站。在中规律变频调速
16、技术方面,德国西门子公司Simovert A电流型晶闸管变频调速设备单片机容量为102600KVA和Simovert P GTO PWM变频调速设备单机容量为100900KVA,其控制系统已实现全数字化,用于电力机车、风机、水泵传动。在小功率交流变频调速技术方面,日本富士BJT变频器最大单机容量可达700KVA,IGBT变频器已形成系列产品,其控制系统也已实现全数字化。国外交流调频调速技术高速发展有以下特点:1、市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺,变频器越来越广泛应用在机械发、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等的节能场合,已取得显著的经济效益。2、
17、功率器件的发展。近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、TGCT等期间的生产以及并联、串联技术的发展应用,使高低压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。3、控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础:16位、32位告诉微处理器以及信号处理器(DSP)和专用集成电路技术的快速发展,为实现变频器高精度、多功能提供了硬件手段。4、基础工业和各种制造业的高速发展,变频器相关配套件社会化、专业化生产。二、国内现状从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距1015年。在大功率交-交、无换向器电机等变频技术方面,国内只有少
18、数科研单位有能力制造,但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组起动及运行,大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬方面有很大需求。在中小功率变频技术方面,国内几乎所有的产品都是普通的恒V/F控制,仅有少量的样机采用矢量控制,品种与质量还不能满足市场需要,每年大量进口。国内交流变频调速技术产业状况表现如下:1、变频器的整机技术落后,国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力,但由于力量分散,并没有形成一定的技术和生产规模。2、变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。3、相关配套产业及行业落后。长销量少,可靠性及工艺水平不高。第二章 异步电机变频调速原理交
19、流电动机高效调速方法的典型是变频调速,它既适用于异步电机,也适用与同步电机。交流电机采用变频调速不但能实现无级调速,而且根据负载的特性不同,通过适当调节电压和频率之间的关系,可使电机始终运行在高效区,并保证良好的动态特性。变频调速系统目前应用最广泛的是转速开环恒压频比控制的调速系统,也称为恒v/f控制,这种调速方法采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案,其控制系统结构最简单,成本最低,使用于风机、水泵等对调速系统动态性能要求不高的场合。2.1 变频调速基本知识任何一台需要转速控制的设备,其生产工艺对控制性能都有一定的要求,各行各业生产机械的种类十分繁多,对于调速的具体的目的和要求也千差万
20、别,调速系统的转速控制也是各式各样的,归纳起来,有以下三个方面:调速:在一定的最高转速和最低转速的范围内,分档地(有级)或平滑地(无级)调节转速。稳速:以一定的精度在所需要的转速上稳定运行,在各种可能的干扰下不允许过大的转速波动,以确保产品质量。加、减速:频繁起、制动的设备要求尽量地加、减速以提高生产率,不宜受剧烈首都变化的机械则要求起、制动尽量平稳。上述三项中有时都需要具备,有时只要其中的一两项,特别是调速和稳速,常常在各种场合都会碰上,针对这两项有两个调速指标与其对应,即:(一)调速范围电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围,用字母D表示,即:式(2-1)其中,最高转速和最低转速一
21、般都指电机额定负载时的转速,对于少数负载很轻的机械,也可以使用实际负载十的转速。(二)静差率当系统在某一转速下运行时,负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落,与理想空载转速只比,称为静差率,用数学式可以简单的表示出来,既如式(2-2)所示。式(2-2)静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的,它和机械特性的硬度有关,特性越硬,静差率越小,转速的稳定度越高。(三)调压调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系式(2-3)由上式可见,调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的,必须同时提才有意义,对于同一个调速系统,如果对静差率的要求越严,也就是说要求越小,系统能够允许的调速范围
22、也越小。2.2 异步电动机的变频调速的由来对于通用型的变频调速,采用的变压变频(VVVF)控制算法是以电动机的稳态方程为基础推导出来的,由电机学理论知道,异步机定子旋转磁势的转速与电源频率有严格的关系:式(2-4)就是定义的同步转速。用电源频率和滑差表示的电动机的稳态转速如下:式(2-5)式(2-5)中,为实际电动机转速,为定子供电电源频率,为电动机的极对数,为转差率。由式中可以看出,当极对数不变时,均匀地改变定子供电电源频率,则可以达到平滑的调节电动机实际运行转速的目的,我们通常所说的变频调速就是由此而来。由电机学知识可以知道,当忽略电机定子压降时,异步电动机定子电压为:式(2-6)式(2-
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