基于dsp的异步电机交流调速系统设计

基于dsp的异步电机交流调速系统设计内容摘要：

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。 刘桂林：异步电机变频调速系统 2 第一章 绪 论 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，掌握其工作原理和基于该 DSP 的变频调速装置的设计方法。 PWM 方法，并 将其应用与实际调速系统。 TMS320LF2407空间电压矢量 SVPWM方法的变频调速装置的软、硬件设计。 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，并采用磁链与转矩双位式 bangbang 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Ⅰ型发展到Ⅳ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。 国内外现状对比 一、 国外现状 安徽工程科技学院毕业设计（论文） 3 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 10—2600KVA 和 Simovert P GTO PWM 变频调速设备单机容量为 100— 900KVA，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： 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。 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。 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。 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 10— 15 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： 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。 变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是 空白。 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。 刘桂林：异步电机变频调速系统 4 第 二 章 异步电机变频调速原理 交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。 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 maxn 和最低转速 minn 之比叫做调速范围，用字母 D 表示，即 ： minmaxnnD 式 (21) 其中，最高转速 maxn 和最低转速 minn 一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nom ，与理想空载转速 0n 只比，称为静差率 s ，用数学式可以简单的表示出来，既如式（ 22）所示。 0nnoms  式 （ 22） 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 )1(m inm inm a x sn snnnomnnD nom nom  式 （ 23） 安徽工程科技学院毕业设计（论文） 5 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 s 越小，系统能够允许的调速 范围也越小。 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： pfn 11 60 式 （ 24） 1n 就是定义的同步转速。 用电源频率 1f 和滑差 s 表示的电动机的稳态 转速如下： p sfn )1(60 1  式 （ 25） 式（ 25）中， n 为实际电动机转速， 1f 为定子供电电源频率， p 为电动机的极对数，s 为转差率。 由式中可以看出，当极对数 p 不变时，均匀地改变定子供电电源频率 1f ，则可以达 到平滑的调节电动机实际运行转速 n 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： mN NKfEU 11111  式 （ 26） 式（ 26）中， 1U 为定子电压， 1E 为顶子绕组感应电动势， 1f 为定子供电电源频率，1NK 为定子绕组系数， 1N 为定子绕组匝数， m 为气隙磁通。 可以看出，若定子 1U 电压不变，则随着频率 1f 的提高，气隙磁通 m 减小，从而电动机出力不足，过载能力下降，如果维持定子电压 1U 不变，而减小频率 1f ，将使磁通 m 增加，磁路饱和，励磁电流上升，从而铁损增加，电动机效率降低。 因此，要是电动机具有较好的性能，必须在变频1f 的同时协调的改变定子电压 1U ，使隙磁通 m 为一常量。 变频调速的基本控制方法 对于异步电动机的变频器驱动，为了避免电动机磁饱和，同时抑制启动电流，在改变频率的同时必须控制变频器的输出电压，既调压调频器（ VVVF）。 V/F 控制是这样一种方式，改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机磁通保持一致，在广范围内调速运行，电动机的效率、功率因数不下降。 因为是控制电压（ Voltage）与频率（ Frequency）之比，故称恒 V/F 控制。 图 21 为恒 U/F 控制原理，在额定频率以下， 保持 V/F 值恒定。 而在额定频率以上，保持输出电压不变，由于电动机输入阻抗增大，输出转矩减小，是恒功率区。 考虑到低速时电阻压降会引起励磁不足，因此，实际运行时，归转矩作了提升。 刘桂林：异步电机变频调速系统 6 050 ( 60 )FV实际运行线恒 转 矩 区恒 功 率 区 图 21 V/F控制 安徽工程科技学院毕业设计（论文） 7 第三章 PWM 技术 随着电力电子器件工 GBT、功率 MOSFET 等为代表的全控型器件的不断完善给PWM 控制技术提供了强大的硬件基础，推动了电力电子技术的迅速发展，使它应用到交一直、直一直、交一交、直一交四大类变流电路中。 PWM 控制技术是利用电力电子器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压的目的，或者控制电压脉宽和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。 PWM 技术类型 PWM 技术有许多种，并且还在不断发展中。 但从控制思想上分，可以把它们分成四类，即等脉宽 PWM 法，正弦波 PWM 法，磁通正弦 PWM 法和电流跟踪型 PWM 法。 一、 等脉宽 PWM 法 等脉宽 PWM 法是为了克服 PAM 方式中逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压的缺点而发展来的，是最为简单的一种 PWM 法。 改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。 其缺点是输出电压中除基波外，还包含较大的谐波分量。 二、 正弦 PWM 法 正弦 PWM 法 (SPWM 法 )是为了克服等脉宽 PWM 的缺点而发展来的。 它从电动机供电电源的角度出发，着眼于如何产生一个可调频调压的三相对称正弦波电源。 SPWM是以一个正弦波作为基准波 (称为调制波 )，用一系列等幅的三角波 (称为载波 )与基准波相交，由它们的交点确定逆变器的开关模式，这种 PWM 的脉冲宽度按正弦规律变化，能有效地抑制低次谐波并使电机工作在近似正弦的交变电压下，转矩脉动小，大大扩展。