基于dsp数字信号处理器的感应电动机变频调速控制系统设计

基于dsp数字信号处理器的感应电动机变频调速控制系统设计内容摘要：

它的频率与定子绕组电流的频率一样，切割绕组产生的感应电动势与外加电源的电压相等。 另一方面旋转磁场同时也会切割转子绕组并产生感应电动势，其频率为 2f (转差频率 )，转差频率与转子的转速和转向有关，如图 21 所示。 因为感应电机的绕组是短路的 ，所以会在绕组中产生和转子感应电势同频率的转子电流，所以转子电流也会和定子电流一样在气息中产生旋转磁场 2F 和 2B。 推导交流异步电动机转速由下式表示 ： )1(60)(60 1210 spfp ffn  （ 21） 由式（ 21）可得，影响电动机转速的因素有：转差率 s ，极对数 p 和电源频率 f。 通过改变频率 f 来实现电机的调速就是所谓的变频调速。 6 BabCf 2cF 2 , B 2AF 1 , B 1f 1 图 21定、转子绕电电流频率及产生的气息磁场转速 其 工作原理图如图 22，定子绕组接 电源上，转子绕组则形成闭路。 SSSN N Nn 1n 1n 1n 1nnnTTT( a ) ( b ) ( c ) ( d )   图 22感应电动机工作原理 （ a）示意图 （ b）电动机运行 （ c）发电机运行 （ d）制动运行 只有当电机转速 n 比同步转速 1n 略小时，气隙旋转磁场切割转子导体产生的感应电动势和电流，使得 转子产生足够大的电磁转矩来克服负载阻力转矩。 制 动 电 动 机 发 电 机n 0s 1n = 0s = 1 1 s 0 s = 0 s 00 n n 1 n = n 1 n n 1 图 23感应电机转速及转差率变化范围 感应电机在三种运行状态下转速与转差率变化如图 23 所示。 这三种状态下的转子转 7 速与同步转速（旋转磁场转速）不相等，所以也叫做异步电动机。 又因为异步电机的定子激磁的磁场感生了转子电流，所以异步电机也叫做感应电机。 变频调速 变频器 变频 调速是通过变频器来实现的 ， 变频器按结构 分为：交交变频和交直交变频。 表21 为它们各自特点。 表 21 交交变频和交直交变频特点比较 交交变频 交直交变频 优点 中间环节少、效率高 控制性能好、调速范围大 缺点 输出频率低、调速范围小 能量转换效率较低 交直交变频器有 :电流型和电压型两种，如图 24 所示。 电流型 采用大电感作为直流环节的储能元件； 电压型 采用大电容作为直流环节的储能元件。 本文所讲的 是电压型交 直 交变频器。 整流桥逆变器逆变器整流桥A C D C A C A C A C电 压 型 交 直 交 变 频 器 机 构 电 流 型 交 直 交 变 频 器 结 构 图 24 交 直 交变频器结构 变频器的控制 目前典型的变频调速控制类型主要有四种 :①恒压频控制，②转差频率控制，③矢量控制，④直接转矩控制。 下面我们分别对这四种调速控制类型进行简单的介绍。 我们最早用到的变频调速系统基本上都用的是压频控制方式，也就是 VVVF 控制方式，简称 U/f 控制。 它是转速开环控制 ,控制电路比较简单，不需要速度传感器。 VVVF 控制方式通用性强，经济性好，它是目前变频器使用最广泛一种控制方式。 它普遍被应用于风机和泵类的调速系统中。 但是这种开环的 控制方式，调速精度不高，稳定性差。 8 转差频率控制则是一种转速闭环控制。 它直接通过控制转矩，达到控制转速的目的。 转差频率控制在 VVVF 控制的基础上，按照电机实际转速对应的电源频率，并根据所需求转矩来改变变频器的输出频率，使得电动机输出对应的转速和转矩。 它要用到速度传感器，有时还要用到电流反馈，对电路和频率进行双从的控制。 它的特点是稳定性良好，对负载变化和急速的加减速具有良好的响应特性。 矢量控制（ VC）是 1971 年由德国西门子公司提出的。 因为这种控制方法采用了坐标变换，把电机电流分解成转矩电流和励磁电流，然后 再对磁通和转矩分别的进行控制，所以这种控制方式对控制器性能要求较高。 这种控制方式需大量矢量变还你运算，其控制电动机的精确性又容易受到参数变化的影响，因此系统实现起来比较困难。 直接转矩控制（ DTC） 是 1985 年由德国鲁尔大学的 Depenbrock 教授提出的。 这种控制方法采用空间矢量的方法，直接通过控制转矩和磁链达到间接控制电流的目的，不需要矢量控制中复杂的坐标变换。 它可以得到极快的动态响应 ，谐波和损耗都很小。 它具有结构简单，使用方便，性能优良，转矩响应快等优点。 变频调速原理 变频调速是 通过 改变电 动机定子电源的频率，从而 达到 改变其同步转速的调速方法。 众所周知同步电动机和异步电动机，它们的 转速也 都 是取决于同步转速 (即旋转磁场的转速 )的： )1(0 snn  （ 22） 式中： n —— 电动机的转速（ r/min）； 0n —— 电动机的同步转速（ r/min）； s —— 电动机的转差率 而同步转速则主要取决 于频率 pfn 600  （ 23） 式中： f —— 输入频率（ Hz）； p —— 电动机的磁极对数 由式（ 22）与式（ 23）可知 电机转速与工作电源输入频率成正比的关系 ，如下式表示： p sfn )1(60  (24) 由式（ 24）可知 ，在电动机磁极对数不变的情况下， 我们可以 通过改变电动机工作 9 电源频率 实现 改变电机转速的 目标。 在电机进行调速时我们 通常 希望磁通量为额定值保持 不变。 当 电机磁通太弱 时， 电机就会 出现欠励磁， 这样 将会影响电机的输出转矩，由 式（ 25）可知，当电机磁通的减小，就会造成电机电磁转矩的减小。 22 co sIKT MTM  (25) 式中 : MT 为 电磁转矩； M 为主磁通； 2I 转子电流； 2cos 转子回 路功率因素； TK 比例系数。 在 电动机设计时， 由于电动机的磁通一般会 处于接近饱和值，如果 我们进一步将 磁通增大 ， 那么 电动机铁心 将会 出 现饱和，电动机中就会有 很大的励磁电流，使得 电动机的铜损耗和铁损耗 都会增加 ，严重 时 电动机 会因为绕组过热而被损坏。 因此， 我们 在改变电动机频率时， 就 应 该对电动机的电压进行控制，使得电动机磁通保持 恒定。 2． 4 正弦脉宽（ SPWM） 控制 理论 在变频的同时也实现变压，这就是脉宽调制 PWM。 因此 纯粹 正弦 的电压波形 控制效果好，由于 技术 水平 限制 ， 我们还不能造出 功率 又大， 体积 又小且输出波形是纯粹的正弦波的 可变频变压的逆变器。 目前 ，容易实现的是 让逆变器的输出波形是一系列等幅 宽 度渐变的矩形脉冲波形。 如果 我们 用面积等效的原则，即 把一个正弦半波分作 n 等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积 ，用等面积的 矩 形脉冲来代替， 那么这些脉冲波就与正弦波等效了，这样的波 称为 SPWM 波。 正弦脉宽调制波 SPWM 生成 原理是：用一组等腰 三角形波与一个正弦波 来 进行比较，如图 25所示 的是其生成方法 ， 图中三角波与正弦波相交的时刻 作为开关管“开”或“关”的时刻。 当正弦波大于三角波时，就 使 得 相应的开关管 处于 导通 状态 ；当正弦波小于三角载波时， 就 使 得 相应的开关管 处于 截止 状态。 载 波调 制 波ttuu00开 的 时 刻关 的 时 刻 图 25 SPWM波生成方法 10 我们通过改变正弦波的频率，来 改 变输出电源的频率，从而控制电机的转速。 控制正弦波的幅值 可以改变输出电压。 对三相逆变开关管生成 SPWM 波有单极性控制和双极性控制两种方式。 （ 1） 单极性控 制技术 ： 当 采用单极性控制时 ， 在正弦波的 每 半个周期内 ，同一桥臂上的 两个逆变开关器中， 只有一个 逆变 开关器件 会规律性的 开通或关断。 以此同时两一个逆变开关器始终处于关断状态。 如图 26 所示。 这时的调制情况是：当正弦调制波电压高于三角载波电压时，相应 的比较器 输出电压为 “ 正 ” 电平，反之则为 “ 零 ” 电 平。 当 正弦调制波的最大值低于三角载波的幅值 时 ，由图 26(A)的调制结果就会 形成图 26(B)所示的等幅宽度渐变 SPWM 脉宽调制波形 ，而且两头窄中间宽。 在另外周期两个开关器件的工作状态 则是 相反的。 关的时刻。 wtwtuu。 UdUd00AB 图 26 单极性脉宽调制波的形成 （ 2） 双极性控制技术 ： 双极性控制在整个周期内，同一桥臂上的两个逆变开关器件形成互补工作方式，交替的开通与关断。 当采用电压型交 直 交变频调速主电路时，其各种波形见图 27 11 ttttt00000(b)(a)(c)(d)(e)UUU/2U/2UU/2U/2U/2U/2UtUaUbUcUabUa Ub Uc 图 27 三相逆变器输出双极性 SPWM波形图 （ a）三相调制波与三角载波。 （ b） a相相电压波形。 （ c） b相相电压波形。 （ d） c相相电压波形。 (e)Uab线电压波形 12 SPWM 的调制 原理 SPWM 波毕竟不是纯粹 的正弦波，它仍然含有 一些 高次谐波的成分，因此 我们要 尽量采取措施减少它。 图 28中给出了 不同 载波频率时的 SPWM 电流波形 ，它仅仅是通过电动机绕组滤波后的近似正弦波。 从图可知，当 载波频率越高，谐波波幅 就越小。 因此 我们通过 提高载波频率来减小谐波。 另外，高的载波频率 可以 使变频器和电机的噪 声进入超声范围，超出人的听觉范围之外，产生“静音”的效果。 如果 提高载波的频率 又 要受 到 逆变开关管的最高开关频率 的限制，而且也会对周围电路产生干扰。 IItt00（ a ） 载 波 频 率 较 低 时 的 电 流 波 形（ b ） 载 波 频 率 较 高 时 的 电 流 波 形 图 28 SPWM电流波形 调制深度 M和调制比 K是影响 SPWM 性能的两个重要参数。 因为三角波的幅值一般不变，所以一般通过改变正弦波的幅值来改变调制深度 M。 在调速过程中，我们根据载波比K是否变化将 SPWM 的调制方式 分为 有三种：同步调制、异步调制和分段同步调制。 (1)同步调制 ： 在改变调制波周期的同时改变载波周期，使载波 K保持不变，这样的方式称为同步调制。 对于三相系统， 我们 为了保证三相之间 的 对称 ， K值通常取 3的整数倍。 这种调制 的优点是 ， 输出波形是对称的。 缺点是，当保持 K在低频下运行时不变化时 ，因为 K太小，所以电流波形脉动比较大，谐波分量也迅速增加 的同时谐波损耗也变大，转矩脉动变得剧烈起来；此时载波的边频带靠近信号波，易对基波频域产生干扰。 (2)异步调制 ： 在整个变频过程中 ，当 调制 波频率被改变时，我们 保持三角载波频率不 被改 变， 让 K值不断随之变化，我们把这种调制方式称为异步调制。 这种调制使得逆变器在低频工作时的 K变大，同时使得谐波含量减少了 ， 谐波损耗也就减少了，转矩脉动也变缓。 降低了电机运行的噪声，电机 低频时的工作特性 也得到改善，这就是异步调制的优点。 但是，当 K值随着输出频率 变化时，逆变器输出电 压的波形 也会 发生改变 ， 这样就会引起电动机 工作不稳定，这就是其缺点。 13 (3)分段同步调制 ： 又叫做混合调制，它 摒弃了 同步调制和异步调制 中 的缺点， 把这两种调制方式有机 结合起来，组成 了现在的 分段同步调制方式。 所谓的 分段同步调 制是指在一定的频率范围内，采用 同步调制，保持输出波形对称的优点； 当频率降低较多时，使。