基于DSP的交流电机VVVF控制器的设计说明

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1、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与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、电压与电流大小的调节。同时，它能提高电机的工作效率，改善电机的工作性能以与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。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

2、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TMS320LF2407A DSP为核心设计了感应电机变压变频控制系统,给出了硬件结构与软件流程图.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。关键词:变频调速，数字信号处理器(DSP)，智能功率模块(IPM),SPWMBased on DSP ac motor VVVF the controller designAbst

3、ractWith the rapid development of semiconductor industry, new power electronic devices and microprocessor launch and the development of ac motor control theory, variable frequency adjustinf technique made great progress of technology. Among them with power inverter driving adjustable speed ac motor

4、use can easily achieve the working frequency of motor voltage and current size, the regulation. At the same time, it can improve the workefficiency, improve motor performance and reduce its work work makes noise, control hardware and software implementation is simple and reasonable cost performance

5、advantages in practice, and can be widely used. This paper introduces the induction motor based on DSP ac inverter speed regulation system research and implementation. Variable pressure frequency conversion control principle, this paper expounds the sine pulse-width modulation (SPWM) are given the b

6、asic principle, method of realizing SPWM DSP. This paper gives the variable frequency speed regulation system control scheme of the variable frequency speed regulation system hardware circuit including main circuit and power circuit, etc. Control system of software components to TMS320LF2407A DSP co

7、re design the induction motor with variable pressure, frequency conversion control system is presented.the hardware structure and software flow chart. Is proved bypractice, based on DSP control variable frequency speed regulation system of VVVF excellent performance, stable operation, strong anti-ja

8、mming capability, motor operating noise is small, can yet be regarded as a set of novelty, practicability reinvests, with the control system. Keywords: frequency conversion, digital signal processor (DSP), Intelligent Power Module (IPM), SPWM1 概述1.1交流电机调速的发展与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、科技与社会生活等各个方面

9、，其耗电约占总发电量的6070，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，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

10、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。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：（1）机械式换向器表面线速度与换向电压、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；（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

11、；（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，以与多粉尘、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。到目前为止，随着一些新的交流电机变频调速理论的诞

12、生和现代电力电子技术，以与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、更大容量以与智能化的方向发展。在国，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

13、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，0.55220kw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。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、

14、GTR、IGBT以与智能模块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。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

15、的提高。IPM的投入应用比IGBT约晚二年，由于IPM包含了IGBT芯片与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：（l）IPM模块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

16、单。（2）IPM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。（4）IPM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。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

17、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。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。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

18、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。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”，以与之后的矢量系“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

19、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、外学者进行了大量的理论研究和应用探索。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围。

20、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

21、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，在一样电力电子元器件条件下，变频器输出容量略小，以与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外学术界与变频器制造厂的研究热点。但是国在这一领域的理论与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。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

22、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。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围、制造成

23、本，以与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。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方式能够与时、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

24、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。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，对负载而言是一个阻为零的恒压源。其被控量为电压，动态响应较

25、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。1.4研究背景与研究容1.4.1研究背景随着电力电子技术、微电子技术以与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。同时也出现一些要求高性能、低能耗、低成本以与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。1.4.2研究容本文研究的

26、主要容: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。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。二、软件部分1、用C语言编制程序实现AD转换、转速检测、数据显示以与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。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，微控制器以与控制理论等方面的发展对交流调速

27、发展的影响，阐述了本文研究的背景以与主要研究工作。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。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

28、调速系统分为三类:（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。（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。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。（3）转

29、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。2.2脉宽调制技术2.2.1 脉宽调制PWM（Pulse Width Modulation）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

30、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。2.2.2 PWM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

31、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。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， s =2fs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s和供电电源的频率fs。变

32、频调速是通过改变定子电压的供电频率fs来改变异步电动机的同步转速ns，从而达到调速的目的，如果有输出频率可平滑调节的变频电源，则电机的转速就可以平滑地调节。在调速过程中，若磁通下降，异步电机的电磁转矩就会减小，在额定转速以下时将失去调速系统的恒转矩机械特性，并可能造成电机的堵转；若磁通上升，则又会造成电机的磁路饱和，励磁电流迅速上升，从而导致电机铁损加大，电机铁芯严重过热，其输出效率下降，甚至有烧毁电机的可能。由此可见，为了获得较优良机械特性的变频调速系统，在调速时需保持磁通恒定，目前常用的恒磁通变频调速系统，主要有恒压频比控制法和转差频率控制法。本章主要介绍恒压频比控制法。2.3.2变压变频

33、（VVVF）控制原理本系统采用了VVVF的变频控制方法，本控制系统充分利用了DSP提供的各种功能，设计了结构简单的交流电动机VVVF控制系统，该系统用于驱动IGBT逆变器。对U/F曲线的选择、SPWM的控制策略，母线电压波动时PWM输出波形的补偿做更多的了解，具体的控制结构框图如下图所示。图2-2 VVVF控制结构框图交流异步电机的定子绕组的感应电动势的有效值Es的计算为： （2-2）式中：Ns为定子每相绕组串联匝数，Ks为基波绕组系数，m为每极气隙磁通。将（2-2）式经过适当变换可得： （2-3） 异步电机绕组端电源电压Us与感应电动势Es的关系为：Us =Es +Is r +jIsx （2

34、-4）该式表示电机绕组端的电源电压Us，一部分产生感应电动势Es，另一部分则消耗在阻抗（线圈电阻r和漏电感x）上。其中定子电流Is又分为两部分：少数部分用于建立主磁场磁通m，大部分用于产生电磁力带动机械负载。为了得到较好的变频调速效果，解决好机械特性下降的问题，由式（2-3）可知，只要保证Es/fs=4.44NsKsm=常数，采用这种控制方法，在基频以下调速时可以保证m =常数，从而保证了电机的输出转矩为常值，不失为一种较理想的控制方法。虽然在实际操作中Es的大小无法进行直接控制，但是由于在阻抗上产生的压降相对于加在绕组端的电源电压Us很小，可以近似地得到UsEs，即用加在绕组端的电源电压Us

35、近似地代替Es，使得调节电压Us跟随着频率fs变化，以此达到保持磁通恒定不变之目的（Es/fs=Us/fs）。这就是保持电机输出转矩恒定不变的恒压频比控制方法，也即是所谓的VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)。 恒压频比控制方法成立的前提条件是：忽略了定子阻抗上的压降，使得UsEs。当供电电源的频率fs下降的较低（UsEs不再成立）时，如果仍然用恒压频比控制，将会造成磁通量m减小，因而导致电动机的临界转矩下降，也使得调速的机械特性下降。针对此问题通常采用的是U/f转矩补偿法，即：针对频率fs下降时，电源电压Us成比例的下降，引起Us下降过低，而采用

36、适当提高电压Us，以保持磁通量m恒定，从而使电机的转矩回升。当供电电源的频率增加到额定频率fsN以上时，但是电源电压Us不能继续上升，只能维持在额定值UsN处，这就使得磁通量m将随着频率fs（或转速）的升高而成反比例的下降，即相当于直流电机的弱磁升速的状态。磁通量的下降会使电机转矩下降，直接造成电机的机械特性变软，为此，一般都是在额定频率fsN以下（也即低于电机的额定转速）用恒转矩调速，在额定频率以上（也即高于电机的额定转速）用恒功率调速。具体U/f曲线的选择参见图2-3所示。图2-3通用变频器的U/f曲线1、基频以下调速一恒压频比控制在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是希望保持电机中

37、每极磁通量为额定值，并保持不变。因为如果磁通太弱，没有充分利用电机铁心，这是一种浪费;如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会使绕组因过热而损坏电机。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应进行适当补偿，保持磁通恒定是很容易做到的。而在异步电动机中，磁通是定子和转子磁动势合成的，故要达到磁通恒定的目的就困难得多。、由 (2-2) 式可知，要保持m恒定，当频率f1从额定值f1n向下调时，必须同时降低Eg，使得 （2.5）然而，绕组中的感应电动势是难于直接控制，当电动势的值较高时，可以忽略定子压降，而认为定子相电压U1Eg，于是有 （2.6）这就是所谓恒压频比控制方

38、式。2、基频以上调速一弱磁升速在基频以上调速时，频率可以从f1n向上增大，但由于电机绝缘上的原因，电压UI一般不能超过额定电压U1N，最多只能保持UI=U1N，而由式2一3可知，要使电机转速大于额定转速，必须使电机磁通低于额定磁通，这相当于直流电机的弱磁升速2.4正弦脉宽调制（SPWM）技术2.4.1电压SPWM调制电压SPWM脉冲宽度调制技术，顾名思义就是指利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变成电压正弦波的输出，实现变压、变频控制并且可以较好的消除谐波。SPWM(正弦脉宽调制波)是将正弦波变成宽度渐变的脉冲波，其中的脉冲波的宽度变化规律完全符合正弦的变化规律。正弦脉宽调制方法也叫三

39、角波调制法，产生原理是采用一组等腰三角形波信号（载波）与正弦波信号（调制波）通过比较器进行比较，其交点时刻作为开关管的导通和关闭时刻，当调制波（正弦波）大于载波（三角波）时，逆变桥的开关管导通，反之，则关断，逆变器就产生一组等幅不等宽的脉冲序列。正弦波的频率和幅值是可控的，只要改变正弦波的频率，就可以改变输出脉冲的频率，从而改变电机的转速；改变正弦波的幅值，它与三角波的交点发生改变，使输出的逆变脉冲序列的宽度发生变化，从而改变输出脉冲的电压，其SPWM生成的原理如图2-3所示。图2-3 SPWM波的生成方法2.4.2 SPWM技术的发展近几年，人们对SPWM逆变器的控制模式研究有很多，提出了许

40、多比较实用的SPWM技术。1、指定谐波消除法在指定谐波消除法中，逆变器的输出电压仍是一组等幅不等宽的脉冲波，而且是半个周期对称的。但它们并非是由三角载波与正弦调制波的交点形成，而是从消除某些指定次数的谐波出发，通过计算来确定各个脉冲的开关时刻。2、移相式SPWM技术在许多大功率、特大功率应用场合，如高压直流输电（HVDC），静止无功补偿（SVC），大功率交流电机调速等场合。由于特大功率可关断器件的开关频率上限很低，而开关频率较低的SPWM技术将产生大量低频谐波，为此人们提出了一种新的SPWM技术，即将多重化技术和SPWM技术结合起来，形成移相式SPWM技术，其基本思想是：在多重化为Lx的组合装

41、置中使用共同的调制波，并将各装置中的三角载波（频率为fC）相位相互错开2/(LxfC)角度，利用SPWM技术中的波形生成方式和多重化技术中的波形叠加结构产生移相式SPWM波形。虽然每台变流器载波频率很低，但整个组合变流器输出等效于开关频率很高或者说载波频率很高的SPWM变流器。由于移相式SPWM多重化是以自然采样SPWM技术为基础的多重化结构，可以直接引用许多改进的SPWM方法。它保持了原技术中优异的控制性能，使传统多重化结构的单调控制方式得到极扩充。在多重化电流型变频调速系统应用中，各单元发出的基波同幅、同相，可以共用整流装置，叠加后的波形中完全抵消了低次谐波，极改善了电机的工作条件。53

42、/ 533 TMS320LF2407A与调试环境简介3.1 DSP概述3.1.1通用DSP特点DSP（Digital Signal Processing）也称数字信号处理技术，它是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。DSP是一种具有特殊结构的微处理器，其部集成高速乘法器，具有多组部总线，能够进行快速乘法和加法运算，适用于高速数字信号处理的高速、高位单片机，它具有独特的软硬件结构，体积小、功耗低、使用方便、处理实时迅速、处理数据量大、精度高、性价比高等显著优点，主要应用在实时快速实现各种数字信号处理的各种算法

43、。目前中国市场上TI公司DSP芯片占有率在50以上，也是我们比较熟悉DSP芯片之一，其硬件结构的主要特点是：1、哈佛结构哈佛结构不同于.诺伊曼结构，它是采用程序、数据总线分别独立并具有多条总线的结构。程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，用独立的程序总线、数据总线或者多条总线分别进行访问。2、流水线操作计算机在执行一条指令的时候，总要经过取指、译码、访问操作数、执行等几个步骤，需要若干个机器周期才能完成。DSP的流水线结构是指它的这几个阶段在执行过程中是重叠的。第一条指令取指后译码时，第二条指令取指；第一条指令访问数据时，第二条指令译码，第三条指令取指；即在任意给定

44、的周期，可能有14条不同的指令是激活的，每一条都处于不同的阶段。3、专用的硬件乘法器在DSP备有硬件连线逻辑的高速“与或”运算器（乘法器和累加器），取两个操作数到乘法器中进行乘法运算，并将乘积加到累加器中，这些操作都可以在单个周期完成。4、特殊的指令在DSP的指令系统中，有许多指令是多功能指令，即一条指令可以完成几种不同的操作，或者说一条指令具有几条指令的功能。5、快速的指令周期哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成电路的优化设计，可使DSP芯片的指令周期达到200ns以下，TMS320系列处理器的指令周期已经从第一代的200ns降到现在20ns以下。DSP以运算速

45、度快为特征，而单片机以数字控制功能强为特点。对电动机的数字控制既要求控制器有强大的I/O控制功能，又要求控制器有高速的信号处理能力以实现实时控制。将DSP的高速运算速度与单片机的高控制能力相结合，开发出了电动机控制的专用集成芯片C24x系列DSP。这种DSP还集成了电动机控制所必需的可增加死区且灵活多变的多路PWM信号发生器、高速高精度的ADC、以与用于电动机速度和位置反馈的编码器接口电路。3.1.2 DSP芯片的应用DSP芯片自20世纪70年代末诞生以来，得到了飞速的发展。DSP芯片的高速发展，一方面得益于集成电路技术的发展；另一方面得益于巨大的市场。在近20年时间里，DSP芯片已经在信号处

46、理、雷达、通信等许多领域得到了广泛的应用。目前，DSP芯片的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。DSP芯片的应用主要有：（1）信号处理如数字滤波、快速傅立叶变换、模式匹配、波形产生等。（2）通信调制解调器、纠错编码等。（3）语音语音编码、语音合成等。（4）图形/图像二维三维图形处理、图像压缩等。（5）仪器/仪表雷达处理、导航等。（6）自动控制声控、机器人控制等。3.2 TMS320LF2407A简介3.2.1 TMS320LF2407A芯片介绍本文以TI公司最新推出的电机控制专用TMS320LF2407A DSP芯片为控制核心进行研究。TMS320LF2407A DSP属于T

47、I公司TMS320C2000系列定点DSP中的C24xx产品系列，其中“LF”代表片Flash EPROM(3.3V)，“LC”代表低电压CMOS(3.3V)。TMS320LF2407A DSP专门为电机控制与运动控制数字化优化实现而设计，特别适合于三相异步电动机的高性能控制。它集C2xx核增强型TMS320设计结构与适用于电机控制的低功耗、高性能、优化外围电路于一体，CPU部采用增强型哈佛结构，四级流水线作业，几乎每条指令可在33ns完成，性价比高，构成控制系统的体积大大减小。3.2.2 TMS320LF2407A DSP特点1、采用高性能静态CMOS制造技术，该DSP具有功耗低和速度快的特

48、点：33ns单指令周期(30MHz)，最短为25ns（40MHz）；运算速度为30MIPS，最快运算速度可达40MIPS；工作电压在3.3V，有4种低功耗工作方式，四级指令执行流水线。由于2407DSP工作在低功耗模式下，有利于电池供电的应用场合，其高速度非常适合电动机的实时控制。2、采用了基于TMS320C24x DSP CPU的核，保证了与TMS320C24x系列DSP12代码的兼容性，与F240/C240的指令集和模式均兼容。3、片集成了32K字16bit的Flash EEPROM程序存储器，2.5K字16bit的数据/程序RAM，包括2K字的单口SARAM(Single-Access

49、RAM)和544字的双口DARAM(Dual-Access RAM)。因而该芯片可用于产品的开发，Flash的可编程密码保护功能能够使用户的知识产权得到很好的维护。4、提供外扩展64K字程序存储器、64K字数据存储器、64K字I/O的能力。5、两个专用电机控制的事件管理器(EV)，每一个都包含：2个16位的通用定时器，8个16位脉宽调制(PWM)输出通道，1个能够快速封锁输出通道的外部引脚PDPINTx(其状态可由COMCONx寄存器获得)，可防止上下桥臂直通的可编程死区控制功能，3个捕获单元，1个增量式光电位置编码器接口。6、可编程看门狗（WDT）定时器，保证程序运行的安全性。7、16通道1

50、0位A/D转换器，具有可编程自动排序功能，4个启动A/D转换的触发源，最快A/D转换时间为375ns。8、控制器局域网CAN（Controller Area Network）2.0B模块。9、串口接口SPI和SCI模块。10、基于锁相环的时钟发生器(PLL)。11、41个通用I/O引脚。12、32位累加器和32位中央算术逻辑单元(CALU)，16位16位并行乘法器，可实现单指令周期的乘法运算，5个外部中断。13、1149.1-1990 IEEE标准JTAG仿真接口。14、很宽的工作温度围，普通级：4085；特殊级：40125。TMS320LF2407系统组成包括：40MHz，40MIPS的低电

51、压3.3V的CPU、片存储器、事件管理器模块、片集成外围设备。其体系结构框图如图3-1所示。3.2.3 TMS320LF2407A事件管理器作为电机专用芯片，TMS320LF2407A最大的特色是置了功能强大的事件管理器（Event Manager），该模块提供了一套用于运动控制和电机控制应用的功能和特性。每个TMS320LF2407A芯片都具有两个事件管理器模块EVA和EVB。每个事件管理器模块包括以下功能模块：两个通用定时器（GP timer）；三个全比较单元（Full compare units）；8个16位的脉宽调制（PWM）通道；可编程的PWM死区控制单元；三个捕获单元（Captur

52、e units）；正交编码器脉冲电路（QEP circuit）；通道A/D转换器。图3-1 TMS320LF2407A体系结构框图4系统的硬件设计与其实现4.1系统硬件结构总体设计本系统采用交一直一交电压型变频电路，分为主电源电路和控制电路两大块。主电源电路主要由整流电路、滤波电路与智能功率模块IPM构成的逆变电路组成;控制电路以TI的DSP芯片TMS320LF2407A为核心，包括电流检测模块、转速检测模块、保护模块、通信模块和显示模块。构成功能齐全的全数字变频调速矢量控制系统，其系统硬件结构框图如4一1所示4一1系统的硬件框图从图4一1可以看出，本系统是一个有转速反馈的闭环系统。系统参数由

53、上位机通过RS一232接口传给下位机，DSP负责各相电流采样、转速采样，并计算电机的转速和位置，最后运用控制算法，得到SPWM控制信号经过光耦隔离电路后，驱动逆变器功率开关器件。同时，DSP还通过LED显示当前电机转速，而且监控变频调速系统的运行状态，当系统出现短路、过流、过压、过热等故障时，DSP将封锁PWM输出信号，使电机停机，并通过指示灯显示。4.2主电源电路的设计与实现整流电路由不可控的二极管三相整流桥组成，逆变采用PWM方式，用智能功率模块IPM作为功率开关器件，其主电源电路结构图如4一2所示 图4-2主电源电路图从图4-2可以看出，380V的电压经过六个二极管(D1-D6)的全波整

54、流，变为直流。电解电容Cl和C2为整流滤波电容，同时为逆变器负载和直流电源之间的无功功率提供缓冲。主电源电路工作时，因为智能功率模块IPM的开关频率很高，开关动作时会在直流环节产生电流突变，由于主电路分布杂感电感的存在，在IPM模块里的IGBT的集电极和发射极以与直流母线上会出现高频的尖峰电压毛刺，不但会影响逆变桥的工作，有时还会损坏IGBT，因此需要在逆变桥上加上一个吸收缓冲电路。图(4一2)中电容C3和电阻R3，就是一个典型的吸收缓冲电路，其中C3为CBB电容，R3为无感电阻。另外，有R1和R2的分压电路，经过隔离、调整电路送给控制芯片，作为主电源电路过压和欠压保护信号。一、IPM模块日本

55、三菱MITSUBISHI公司的智能功率模块很具有代表性，而且性能优良,价格适中，因此本系统采用三菱公司的IPM模块，本系统采用耐压12O0V，额定电流为10A的IPM模块PMIORSH120。PM10RSH12O里面封装了七只IGBT，该模块需要四组独立的电源供电，下桥臂三路驱动共用同一组电源外，其余上桥臂三路驱动需要三组独立的电源供电。六路驱动电路共采用四组相互独立的+15V电源，其中上桥臂三路各采用一组独立电源，下桥臂三路驱动电路共用一组电源，其管脚具体功能如下。表4-1块管脚功能表端子符号含义(1)Vupc上桥臂U相驱动电源输入端Vupi:+端，Vupc:一端(4)Vupi(2)UFO上

56、桥臂U相故障保护输出端，低有效(3)Up上桥臂U相驱动信号输入端，低有效(5)Vvpc上桥臂V相驱动电源输入端Vvpi:+端，Vvpc:一端(8)Vupi(6)VFO上桥臂V相故障保护输出端，低有效(7)Vp上桥臂V相驱动信号输入端，低有效(9)Vwpc上桥臂U相驱动电源输入端Vwpi:+端，Vwpc:一端(12)Vwpi(10)WFO上桥W相故障保护输出端，低有效(11)Wp上桥臂W相驱动信号输入端，低有效(13)Vnc下桥臂共用驱动电源输入端(14)VniVnc:+端，Vni:一端(15) Br制动驱动信号输入端，低有效(16)Un下桥臂U相驱动信号输入端，低有效(17)Vn下桥臂V相驱动

57、信号输入端，低有效效(18)Wn下桥臂W相驱动信号输入端，低有效(19)FO下桥臂共用故障输出端端(20) P主电源(直流)输入端P:+端，N:一端(22)N(21)B空(23)U变频器三相输出端，连接电机三端(24)V(25)W智能功率模块IPM具有性能优良的置保护电路，可以避免因系统失灵或过应力而使功率器件损坏。IPM模块置保护功能有:控制电源欠压锁定、过热保护、过流保护、短路保护。如果IPM模块其中有一路保护电路动作，IGBT的栅极驱动单元就会关断电流并输出一个故障信号(FO)。各种保护功能简单介绍如下:1)电源欠压锁定(UV):避免欠压保护电路频繁切换，保证电路的正常运行。部控制电路有

58、一个15V的直流电源供电。如果由于某种原因这一电源电压低于规定的欠压动作数值(UV)，IGBT将被关断并输出一个故障信号。但是小毛刺的干扰(低电压时间低于规定的与/厂)时欠压电路保护电路不动作。2)过热保护(0T):如果传感器检测到基板温度超出过热动作值(OT)，IPM部控制电路将截止下桥臂器件的栅驱动，使控制输入信号无效，同时给出下桥臂故障信号。3)过流保护(0C):避免浪涌电压过高或者过流，有效地保障了IPM的安全。4)短路保护(SC):如果负载发生短路或系统控制器故障而导致上下桥臂同时导通，IPM置短路保护电路将关断IGBT。当流经IGBT的电流超出电流短路动作数值(SC)时，软关断将立

59、即启动，并输出一个故障信号。对于所有的故障信号经过光电隔离TLP559，生成一个低有效的故障信号4送给DSP的外部中断引脚PDPINT(低电平有效)，通过它来封锁输出PWM脉冲，从而保护IPM免遭毁坏。如图4-3所示： 图4-3 IPM保护电路图中的UFAULT,VFAULT,WFAULT,XFAULT,分别为UFO,VFO,WFO,FO经过光耦隔离后的故障信号。二、IPM的供电电源模块三菱公司在制造IPM模块的同时，己经考虑到了电源问题，因此，他们在制造IPM模块的同时，设计了相应的供电电源模块。本系统就采用了型号为M57140一01的电源模块，该电源模块的外形尺寸为6XSX3Cm，非常小，

60、而且所需的外围电路简单，这样就有利于产品化设计。该电源模块，给IPM提供四组独立的士10伏的电源，其中上路输出的额定电流为30mA，而另外一路输出的额定电流则为100mA，这样，就刚好达到IPM模块的要求，而且，该电源模块设有保护电路，在过流、过压、过温时都能起到保护。4.3控制电路的设计和实现4.3.1检测电路的设计与实现检测电路目的就是为了将要检测的各种信号，经过转换，变成DSP可以识别的数字信号。检测电路分为两块:电流检测、电机转速检测;以上的信号都是通过外围的接口电路直接连接到TMS32OLF2407A的外围电路接口，然后根据相应的设置，读出检测到的具体数值。一、电流检测电流检测模块就

61、是把交流异步电机的三相定子电流转换成相应的二进制代码，以方便处理。因为本课题研究的是三相平衡系统ia+ib+ic=O，因此只要检测其中两路电流，就可以得到三相电流。根据异步电动机的数学模型可知，定子电流检测的精度和实时性是整个矢量控制系统精度的关键，因此对电流检测要求精度高和速度快，显然普通的电流霍儿元件难以满足要求，为此本系统采用莱姆公司生产的LEM霍尔电流传感器模块来检测电流。LEM霍尔电流传感器模块是闭环磁补偿原理制作而成的，与普通电流传感器相比，LEM模块具有以下特点:LEM模块可以检测任意波形的电流如:直流、交流、脉冲波形等，而且还能测量电流的瞬态峰值;过载能力强，当原边电流超负荷时

62、，可自动保护，即使过载电流为额定值的20倍，LEM模块也不会损坏;频带宽、精度高、线性度好;动态性能好;抗外磁场干扰能力强;LEM模块的尺寸小、重量轻，易于安装，且工作可靠;LEM模块的安装在系统中不会带来插入损耗。在实际的系统中采用的LEM模块型号为BLYTSCNP12C4，测流围为05A，其工作电压为士15V，测得的量既可以以电流的形式输出，也可以以电压输出，输出电流为0一10ADC，输出的电压为0一5VDC。在本系统中，由两个LEM模块检测A相和B相的电流，为了减少外设，测得的量直接以电压的形式输出。然后由TMS32OLF24O7A的A/D模块把它变成相应的数值，由于测得的量全部为正，因

63、此，必须经过处理，处理的办法就是根据电机模型的额定值，加一个偏移量，对于量程为0一5V来说，那么就以2.5V为偏移标准，当测得的量小于2.5V时，那么就说明电流值是负的，反之则表明电流值是正的。最后的计算量放在数值寄存器ia和ib中，电路图见图4一7：图4一7电流检测电路二、电机转速检测电路电动机的转速是通过光电脉冲编码器检测的，电机转速检测的正确性和精度将直接影响调速系统的控制精度和稳定性。影响转速测量性能的因素有两个:一是系统硬件本身，主要是包括单位周期光电脉冲编码器的脉冲数和微处理器的精度，但系统一旦确定，由硬件引起的速度检测性能的差异是难以更改的。二是速度估计算法，不同的速度估计算法可以得到不同的速度检测性能。本系统采用的是M法测速原理，即在某一采样时间，通过对脉冲的