基于DSP的交流电机VVVF控制器的设计.docx
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基于DSP的交流电机VVVF控制器的设计
本科毕业设计（论文）
题目：
基于DSP的交流电机VVVF控制器的设计
院（系）：
电子信息工程学院
专业：
自动化
基于DSP的交流电机VVVF控制器的设计
摘要
随着半导体业的快速发展，新的电力电子器件和微处理器的推出以及交流电机控制理论的发展，交流变频调速技术取得了巨大的技术进步。
其中以功率逆变器驱动的可调速交流电机的使用能很方便的实现对电机的工作频率、电压及电流大小的调节。
同时，它能提高电机的工作效率，改善电机的工作性能以及减小工作时产生的噪音,控制软硬件实现简单，性能价格比合理等优点，在实际中得到了广泛应用。
矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
本文介绍了基于DSP的异步电机交流变频调速系统的研究和实现。
变压变频控制原理,阐述了正弦脉宽调制（SPWM）的基本原理，给出了DSP实现SPWM的方法。
本文给出了变频调速系统的控制方案该变频调速系统的硬件电路包括主电路和功率电路等。
控制系统的软件部分，以TMS320LF2407ADSP为核心设计了感应电机变压变频控制系统,给出了硬件结构及软件流程图.经实践证明，基于DSP芯片的VVVF控制变频调速系统性能优良，运行稳定，抗干扰能力强，电机运行噪音小，不失为一套具有先进型、新颖性、实用性的控制系统。
聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
关键词:
变频调速，数字信号处理器（DSP），智能功率模块（IPM）,SPWM
BasedonDSPacmotorVVVFthecontrollerdesign
Abstract
Withtherapiddevelopmentofsemiconductorindustry,newpowerelectronicdevicesandmicroprocessorlaunchandthedevelopmentofacmotorcontroltheory,variablefrequencyadjustinftechniquemadegreatprogressoftechnology.Amongthemwithpowerinverterdrivingadjustablespeedacmotorusecaneasilyachievetheworkingfrequencyofmotorvoltageandcurrentsize,theregulation.Atthesametime,itcanimprovetheworkefficiency,improvemotorperformanceandreduceitsworkworkmakesnoise,controlhardwareandsoftwareimplementationissimpleandreasonablecostperformanceadvantagesinpractice,andcanbewidelyused.残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
ThispaperintroducestheinductionmotorbasedonDSPacinverterspeedregulationsystemresearchandimplementation.Variablepressurefrequencyconversioncontrolprinciple,thispaperexpoundsthesinepulse-widthmodulation（SPWM）aregiventhebasicprinciple,methodofrealizingSPWMDSP.Thispapergivesthevariablefrequencyspeedregulationsystemcontrolschemeofthevariablefrequencyspeedregulationsystemhardwarecircuitincludingmaincircuitandpowercircuit,etc.ControlsystemofsoftwarecomponentstoTMS320LF2407ADSPcoredesigntheinductionmotorwithvariablepressure,frequencyconversioncontrolsystemispresented.thehardwarestructureandsoftwareflowchart.Isprovedbypractice,basedonDSPcontrolvariablefrequencyspeedregulationsystemofVVVFexcellentperformance,stableoperation,stronganti-jammingcapability,motoroperatingnoiseissmall,canyetberegardedasasetofnovelty,practicabilityreinvests,withthecontrolsystem.酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
Keywords:
frequencyconversion,digitalsignalprocessor（DSP）,IntelligentPowerModule（IPM）,SPWM彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
1概述
1.1交流电机调速的发展及现状
电动机作为主要的动力设备广泛的应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面，其耗电约占总发电量的60％～70％，当之无愧的成为用电量最多的电气设备。
电动机按照供电电源的不同，分为直流电动机和交流电动机。
由这两种电动机作为动力源的传动系统，先后于19世纪晚期诞生。
直流电动机在额定转速以下运行时，只要保持励磁电流恒定，通过调节电枢电压的方法便可以实现恒转矩调速；在额定转速以上时，只要保持电枢电压恒定，謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
就可以通过调节励磁电流实现恒功率调速。
这相对于交流电动机转速的调节和控制而言无疑是非常简单易行的。
因此在20世纪上半叶，高性能的转速可调传动系统几乎完全被直流电动机所垄断；而与此同时约占电气传动总容量80％以上的交流电动机却只能在定转速传动系统中才可以得到应用。
在此期间，虽然交流调速技术也有了一定的发展，但是其控制性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。
厦礴恳蹒骈時盡继價骚。
这种情况直到20世纪中叶，随着电力电子技术的发展，特别是大规模集成电路和计算机控制技术的出现，逐渐催生了高性能的交流调速系统之后，这一分工格局才被打破。
同时由于直流电动本身结构上存在换向器和电刷这一致命弱点，从而为直流调速系统的开发和应用带来了一系列限制：
茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
（1）机械式换向器表面线速度及换向电压、电流均存在一个允许极限值，限制了电机的转速和功率，不能满足工业生产中某些特定场合下的工作要求；鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。
（2）为了使机械式的换向器能够可靠工作，需要增大电枢和换向器的直径，这将增大电动机的转动惯量，从而不利于其应用于要求具有快速响应特性的生产中；籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。
（3）机械式换向器必须经常检查和维修，电刷需要定期更换，既影响了生产效率，又增加了维护成本；
（4）在易燃、易爆的生产场合，以及多粉尘、多腐蚀性气体的生产场合，均不能或不宜使用直流电机。
交流电动机尤其是鼠笼式异步电动机具有，结构简单，坚固耐用，制造方便，价格低廉，运行可靠，不需要经常维修（即便维修也非常简单），对环境要求不高等优点；进一步推动了交流电气传动时代的来临。
到目前为止，人们已经提出了种类繁多的交流异步电动机调速方法，常见的主要有：
变压调速，转差离合器调速，转子回路串电阻调速，绕线转子电动机串级调速和双馈电机调速，变极对数调速和变频调速。
預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。
到目前为止，随着一些新的交流电机变频调速理论的诞生和现代电力电子技术，以及高速数字信号处理器等相关技术的发展，在国外它已经逐步主导了电气传动领域，并且已经开始向更高性能、更大容量以及智能化的方向发展。
在国内，变频调速技术经过十多年的应用和推广，已经有了一定的发展。
变频器己逐步应用到了国民经济的各个行业，促进了节能改造，在相当程度上提高了我国工农业生产中的电气传动水平。
但是就总体而言，推进的力度还不够，变频器应有的潜能还远没有充分发挥出来。
有资料显示，1997年全国现有设备需要进行调速改造的变频器市场大约有1500亿元人民币。
但是到2004年为止，实施改造的却不足30%，与国家“电机系统节能计划”投资500亿元进行发展的要求相距甚远。
同时据国家权威部门统计，目前我国电动机的总装机容量己逾3亿千瓦，年耗电量约占全国总发电量的65%。
这其中，0.55～220kw的中小型异步电动机又约占全部电机设备的80％。
但是由于变频节能技术的滞后，我国70%的电机拖动系统却只相当于国外20世纪50年代的技术水平，电能浪费十分严重。
虽然目前，国内对变频调速系统的研究已经非常活跃，但是在产业化方面的发展还不是很顺利，市场大部分还被国外公司或合资公司所占据，本土企业一般只在变压变频调速系统等低端产品方面有所发展。
渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。
1.2变频调速相关技术的发展
1.2.1电力电子技术
变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。
在中、低压交流电机传动控制系统中，应用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT以及智能模块IPM。
后面两种功率器件，集GTR的低饱和电压特性和MOSFET的高频开关特性于一体，是目前通用变频器中应用最为广泛的主流功率器件。
其中IGBT的集射极电压Vce（sat）可以小于3V,频率可以达到20KHZ。
其内含的并联于集电极与发射极之间的超高速二极管Trr响应时间可达150ns。
1992年前后，IGBT开始在通用变频器中得到广泛应用，并逐步向损耗更低,开关速度更快、电压更高,容量更大的方向发展。
铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。
目前，采用沟槽技术和FS技术（FZ晶片）等方法大幅度降低了集电极与发射极之间的饱和电压Vce（sat）的第五代IGBT也已问世。
这一代IGBT的应用使变频器的性能有了很大的提高。
IPM的投入应用比IGBT约晚二年，由于IPM内包含了IGBT芯片及外围的驱动和保护电路.甚至有的还把隔离光耦也集成于一体，极大地简化了变频器的开发，一经投入市场便引起了广泛的关注。
目前，额定耐压值为1200V的大封装IPM模块额定电流已经可以达到800A，额定耐压值为600V的超小型封装IPM模块额定电流也已经达到了150A。
因此在中、小容量通用变频器领域，IPM模块已有逐步取代IGBT的趋势。
IPM模块与IGBT相比较而言，主要有以下优点：
擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。
（l）IPM模块内部往往集成了最新的高速型IGBT芯片，并且驱动电路也紧靠IGBT，驱动延时小；所以它的开关速度更快，驱动电流更小，控制驱动电路也更为简单。
贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。
（2）IPM内部采用的IGBT导通压降低，开关速度快；所以它具有更低的功耗。
（3）IPM内部集成了过电流保护和驱动电源欠压保护，能对功率芯片给予足够的保护；所以使用更加安全，故障率更低。
坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。
（4）IPM内部采用了优化的门极驱动电路，布局合理，无外部驱动线；所以抗干扰能力更强。
（5）IPM的售价已经逐渐接近IGBT，并考虑到外围电路的开发费用；所以它的综合开发成本相对较低，具有很好的经济性。
蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。
因此IPM除了在工业变频器中逐步被大量采用之外，经济型的IPM在近年来也开始在一些民用品，如家用空调变频器、冰箱变频器、洗衣机变频器中逐渐得到了应用。
与此同时，IPM智能模块也在不断向更高的水平发展。
例如，日本三菱公司近年来开发出的第三代小型DIP-IPM模块，不需要外接光耦就可以直接与MCU控制引脚相连，而且通过内部自举电路可以实现驱动电路单电源供电，从而在实现系统小型化，专用化，高性能，低成本方面又推进了一步。
買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。
1.2.2变频控制理论
从20世纪60年代至今，变频调速控制理论主要经历了三个阶段。
每一个阶段在技术上都会有一个突破性的进展，并推出一类更加先进的控制原理。
因为其中每一类调速控制理论都有很大的应用市场，所以时至今日，逐渐形成了三类控制原理并存的局面。
綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。
第一个阶段产生的变频调速理论是调压调频控制。
该理论产生于20世纪70年代，既可以用于实现转速开环变频调速，也可以用于实现转速闭环调速。
这种控制方式的优点是控制结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高。
在低速时，需要在恒压频比控制的基础之上增加低频段的电压补偿机制，以提高电机的低速控制性能。
此外它还有控制曲线会随着负载的变化而变化，转矩响应慢，利用率不高等缺点。
所以这一类控制方式一般比较适合应用在风机和水泵等设备的调速场合。
驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。
第二个阶段产生的变频调速理论是矢量控制。
它是基于1971年德国学者F.Blasschke等人首先提出“感应电机磁场定向控制原理”，以及之后的矢量系“坐标变换”原理，经过不断改进和完善逐步发展而来的。
这种控制方式，将交流电动机模仿直流电动机的控制方式来加以控制。
具体方法是，通过坐标变换，将交流电动机的数学模型进行解耦处理；从而如同像直流调速系统一样，实现了对交流电动机的磁通和转矩分别独立控制，形成了一类高性能的交流电动机变频调速系统。
并且随着电力电子技术和数字信号处理器的发展，矢量控制理论已经逐步在高性能交流调速系统中得到了较为广泛的应用。
近年来，围绕着矢量变换猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。
控制的缺陷，如系统结构复杂、非线性和对电机参数变化敏感等问题，国内、外学者进行了大量的理论研究和应用探索。
锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。
第三个阶段产生的变频调速理论是直接转矩控制。
这种控制理论于1977年，首先由美国学者A.B.Plunkett在IEEE杂志上首先提出，并且于1985年由德国鲁尔大学Depenbrock教授首先取得了实际应用的成功，接着在1987年又将其推广到了弱磁调速范围。
与矢量控制方式不同的是，直接转矩控制具有鲁棒性强、转矩动态响应速度快、控制结构简单等优点；它在很大程度上解决了矢量控制中结构复杂、计算量大、对参数变化敏感的问题。
直接转矩控制用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的Bang-Bang控制产生PWM控制信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。
它省掉了复杂的矢量变换运算与电机数学模型的简化处理过程，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。
采用直接转矩控制方式的交流调速系统转矩响应迅速，并且不存在超调，是一种具有较高动态响应的交流调速技术。
然而由于直接转矩控制无法象矢量控制那样，在确定的开关频率条件下，采用消除谐波的PWM控制方法；所以存在变频器输出电压、电流的谐波较大，变频器输出电压偏低，变频器效率略低，在相同电力电子元器件条件下，变频器输出容量略小，以及低速控制性能较差等缺点。
因而这种控制系统还处于实验室样机研究阶段，没有真正实现产品化。
近年来，基于矢量控制和直接转矩控制算法的无速度传感器控制已逐步成为国内外学术界及变频器制造厂的研究热点。
但是国内在这一领域的理论及实用化研究方面都还与国外先进水平有相当的差距。
目前国产变频器大多还处在V/F控制水平，无速度传感器控制的产品远未满足实际应用要求。
構氽頑黉碩饨荠龈话骛。
1.3变频器的分类与选择
变频器除了可以按照上文所述的三种控制方式进行分类之外，一般还具有三种分类方法。
它们依次是，按主回路变换环节分类，按电压调制方式分类和按直流环节的储能方式分类。
輒峄陽檉簖疖網儂號泶。
1.3.1按变换环节分类
按主回路变换环节分类，可以将变频器分为交-交变频器和交-直-交变频器前者把频率固定的交流电源，直接变换成频率连续可调的交流电源。
其优点是没有中间环节，变频效率较高；但是主回路元件数量较多，变频范围较窄，一般为电网频率的1/2以下，所以其主要适用于低速大容量的拖动系统系统中。
后者需要先把固定频率的交流电整流成直流电，然后再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。
因为直流电在逆变成交流电方面相对比较容易控制，所以这种类型的变频器在变频调速范围、制造成本，以及在改善变频后电机机械特性等方面有较大的优势。
但是因为中间存在两个能量变换过程，效率略低，所以比较适合中小容量的变频调速系统。
本课题设计的通用变频器便属于这一类型。
尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。
1.3.2按电压调制方式分类
按电压调制方式分类，可以将变频器分为PAM调制变频器和PWM调制变频器前者通过改变直流侧的电压幅值来调节变频器输出电压的大小。
由于调速性能和工程实现方法的限制，这种调制方式的中小型变频器几乎已经退出了市场。
后者通过利用全控型电力电子器件的导通和关断，将直流电压变成一定波形的电压脉冲序列，实现变频器输出电压的调节。
PWM方式能够及时、准确地实现变压变频要求，可以抑制逆变输出电压、电流的谐波分量，降低电机转矩脉动基于DSP的通用变频器设计目前实际工程中主要采用正弦PWM调制方式，其中又以电压空间矢量SVPWM方式最为引人瞩目，并且业已广泛应用于变频器产品之中。
识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。
1.3.3按储能方式分类
按直流环节的储能方式分类，可以将变频器分为电流源型变频器和电压源型变频器。
前者在主电路中采用大电感滤波和储能，直流电流波形比较平直，电源内阻抗很大，对负载而言近似为一个恒流源。
直流电压可以迅速改变，对负载电流反映迟缓，较易实现回馈制动和四象限运行；适用于单台电机，并且要求能够快速加减速运行的场所。
后者在主电路中采用大电容进行滤波和储能，直流电压波形比较平直，对负载而言是一个内阻为零的恒压源。
其被控量为电压，动态响应较慢，实现回馈制动和四象限运行较难，制动时对于小容量的变频器需要在直流环节并联电阻进行能耗制动；适用于多台电机同步运行，且不要求快速加减速的场所。
本课题设计的变频器便属于这一类型。
凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。
1.4研究背景及研究内容
1.4.1研究背景
随着电力电子技术、微电子技术以及控制技术的不断发展，诸多新型异步电机控制技术不断被提出，给电机控制带来了很多发展的契机。
同时也出现一些恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。
要求高性能、低能耗、低成本以及技术指标要求苛刻的特殊应用系统。
本课题运用矢量控制并结合空间电压矢量调制技术，开发了以TI公司的电机控制专用DSP芯片TMS320LF2407A为心构成通用的、具有良好人机界面的流频调速系统。
鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。
1.4.2研究内容
本文研究的主要内容:
一、硬件部分
1、以IPM为功率器件构成逆变电路，以二极管构成三相桥式不可控全波整流电路，组成典型交一直一交电压源型变频系统主电路。
硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。
2、以TMS320F24O7A为中央处理器，设计控制电路，它可以分为主控模块、电流检测模块、转速检测模块、通信模块、显示模块、故障处理模块等。
阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
二、软件部分
1、用C语言编制程序实现A\D转换、转速检测、数据显示以及故障中断处理等功能。
2、用C语言实现变压变频控制、转速的PI控制，并用电压空间矢量法生成PWM波实现对异步电机的变频调速。
氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。
3、用C语言实现DSP与PC机的通信，从而有较好的人机界面。
小结
本章讨论了电力电子技术，微控制器以及控制理论等方面的发展对交流调速
发展的影响，阐述了本文研究的背景以及主要研究工作。
2异步电机的变频调速原理
2.1交流调速的基本类型
交流异步电机调速系统种类繁多，常见的有：
（l）降电压调速；
（2）电磁转差离合器调速；（3）绕线转子异步电机转子串电阻调速；（4）绕线转子异步电机串级调速；（5）变极对数调速；（6）变频调速等。
釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。
按照交流异步电动机的基本原理，从定子传入转子的电磁功率Pm可分为两
部分:
一部分PS=（l一S）Pm是拖动负载的有效功率，另一部分是转差功率Ps=sPm，与转差率s成正比。
从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗还是得到回收，显然是评价调速系统效率高低的一种标志。
因此可以根据对转差功率sP的处理方式将其调速系统分为三类:
怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。
（1）转差功率消耗型调速系统
在这种调速系统中，全部转差功率都转换成热能而消耗掉。
上文所述的变压调速，转差离合器调速和转子回路串电阻调速便属于这一类。
这种调速系统因为是以增加转差功率消耗为代价来换取转速的降低的，所以系统效率最低。
但是由于其结构简单，所以在要求不高的小容量场合还有一定地应用。
谚辞調担鈧谄动禪泻類。
（2）转差功率回馈型调速系统
在这种调速系统中，小部分的转差功率以热能的形式消耗掉，而大部分的转差功率则通过变流装置回馈给电网。
当电机转速越低时，相应的回馈功率将越多。
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上文中绕线转子电动机串级调速和双馈电机调速属于此类调速系统。
这一类调速系统效率有所提高，但系统复杂程度也相应的提高了。
熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
（3）转差功率不变型调速系统
在这种调速系统中，无论转速的高低转差功率的消耗都基本保持不变，系统效率很高。
上文所述的变极对数调速和变频调速属于此类调速系统。
对于变极对数调速，因为电动机的极对数有限，并且总是以整数形式变化，所以其调速范围有限、平滑性差，应用的场所有限。
只有变频调速可以构成高性能的交流调速系统，进而取代直流调速。
因此变频调速己经逐渐成为了异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都逐步得到了广泛的应用。
鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
2.2脉宽调制技术
2.2.1脉宽调制
PWM（PulseWidthModulation）脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波对三角载波进行调制，达到调节输出脉冲宽度的一种方法。
这里所谓相当于基波分量的信号波并不一定指正弦波，在PWM优化模式控制中可以是预畸变的信号波，而三角载波也只是为了形象说明调制原理而借用或用模拟电路产生PWM脉冲时所必须采用的波形。
不同信号波调制后生成的PWM脉宽对变频效果，比如输出基波电压幅值、基波转矩、谐波电流损耗、功率半导体开关器件损耗等的影响差异很大。
纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
2.2.2PWM逆变器工作原理
交-直-交变频装置如图2-1所示，图中整流器是不可控的，它的输出电压经电容滤波后形成恒定幅值的直流电压，加在逆变器的输入端。
控制逆变器中的功率开关器件通断，其输出端即获得一系列宽度不等的矩形脉冲波形，而决定开关器件动作顺序和时间分配规律的控制方法即称为脉宽调制方法。
通过改变矩形脉冲的宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率，从而在逆变器上可同时进行输出电压幅值与频率的控制，满足变频调速对电压与频率协调控制的要求，这就是PWM逆变器的工作原理。
颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
图2-1交－直－交变频装置原理图
2.3变频调速的基础知识
2.3.1变频调速的基本原理
根据电机学原理可得，交流异步电机转速是由供电电源频率和电机的极对数决定的，从而转速n可以表示为：
（2-1）
式中：
fs为电机定子供电电源频率，p'为电机磁极对数，ω's=2πfs为定子供电角
频率，
为转差率，
为同步转速。
由（2-1）式可知，影响电机转速的因素主要有：
电机的磁极对数p'，转差率
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