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1、基于模糊PID的通用变频器设计摘要论文研究设计了无速度传感器异步电机间接矢量控制系统。以电机控制专用TMS320F2407为核心构成控制电路，进行电流的解耦控制，产生了 SVPWM 波形，实现了交流异步电机速度闭环控制。论文的主要工作和创新点如下：1、深入研究了转子磁场定向矢量控制系统的数学模型。对矢量控制的两种类 型:直接型和间接型矢量控制系统进行了分析比较。2、通过对空间磁链矢量幅值和相位控制调节电机转速，减少了逆变器输出电 流的谐波，降低了脉动转矩，提高了电压的利用率。3、采用模糊PID自适应控制器取代传统PID控制器，提高了系统的鲁棒性， 简化了无速传感器矢量控制系统的设计。4、利用T
2、MS320LF2407强大的实时运算能力和内部集成的专用硬件模块大 大优化了SVPWM的实现算法，提高了生成SVPWM波形的质量。5、设计构造了实验室原理样机检验实验系统;验证了系统设计方案的有效性和可行性。最后提出改进方向。关键词：通用变频器，PID控制器，模糊控制AbstractA speed-sensorless indirect vector control system of AC motor is presented in the thesis. By means of the digital signal processor (DSP) TMS320F240X developed
3、 for motor control, it can realize uncoupling of stators current and the algorithm of SVPWM .The main contents and innovations of this paper are as follows:1、Analyse the mathematics model of indirect FOC system，study and compare the direct and indirect vector control systems, which are of the two co
4、ntrol methods of vector control system.2、Thealgorithm of SVPWM that is adopted by the system implements speed regulation by control of magnitude and phase of motor flux. It can generate less harmonics in the output current of power inverter and less losses of AC motor, reduce pulsant component in ou
5、tput torque and raise availability of DC supply voltage.3、Fuzzy PID adaptive controllers are used instead of classic PID ones to improve the performance while simplifying the design of speed-sensorless vector control system.4、Bymeans of powerful calculation and abundant function module of TMS320LF24
6、07.the algorithm and the effect of SVPWM has been greatly optimized.5、Lots of experiments based on the design of the software and hardware of the vector control system prove the rationality and feasibility of the control system.Key words: general inverter. PID controller. fuzzy control目录第1章 绪论61.1 通
7、用变频器概念61.2 国内、国外变频器的发展概况61.2.1国内变频器发展基本概况61.2.2 国外变频器的发展概况61.3 异步电机调速控制系统的研究重点71.3.1 采用新型电力电子器件和脉宽调制（PWM）控制技术71.3.2 开发新型电机和无机械传感器技术71.4.论文的研究内容8第2章 通用变频器的原理及应用的研究92.1 变频器概述92.1.1变频器的功用92.1.2变频器主要功能102.1.3 变频器的核心电力电子器件发展及控制方式102.2 变频器基本原理112.2.1 变频调速的构成112.2.2 变频调速的基本要求122.2.3变频器的分类122.2.4交-交与交-直-交变频
8、器142.2.5 PWM控制技术192.2.6 变频器的四中控制方式242.3变频器的保护功能262.3.1过电流保护功能262.3.2过载保护功能272.3.3 电压保护功能272.3.4其他保护功能282.4 变频器的干扰及防止282.4.1变频器产生干扰的原因282.4.2干扰信号的传播方式292.4.3变频调速系统的抗干扰措施292.5变频器应用31第3章 PID控制器的原理与应用323.1 PID控制器概述323.2 反馈回路323.3 PID控制器理论333.4 PID控制器控制规律343.4.1 比例（P）控制343.4.2 比例积分（PI）控制343.4.3 比例微分（PD）控
9、制353.4.4 PID控制363.5 PID控制器调试方法363.5.1 比例系数的调节363.5.2 积分系数的调节363.5.3 微分系数的调节37第四章 模糊控制原理与应用384.1 模糊控制概述384.1.1模糊控制概念384.2 变量选择与论域分割394.2.1 变量选择394.2.2 论域分割39第五章 基于模糊PID的通用变频器设计405.1 通用变频器的设计405.1.1 交-直-交电压型逆变器转速开环调速系统405.2 模糊自适应整定PID控制原理43总 结47致 谢48参考文献49附 录50第1章 绪论1.1 通用变频器概念变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各
10、种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。1.2 国内、国外变频器的发展概况1.2.1国内变频器发展基本概况变频器应用领域非常广阔。目前低压变频器在我国应用较多的行业为纺织印染、电梯、起重机械、冶金、电力、石油石化、建筑楼宇、市政、化工、建材及机床等，同时，在一些原来应用变频技术较少的轨道交通、制冷
11、等行业中，变频器应用的增长也十分强劲。近年来中国低压变频器行业发展迅速，从2007 年开始整体市场规模已达100亿元以上。尽管整个行业在2008 年和2009 年受到全球金融危机的一定影响，但整体市场仍保持正增长，随着2010 年我国整体宏观经济的好转，低压变频器市场将逐步恢复到危机前的增长水平。未来随着我国装备制造业的快速发展以及我国继续深入贯彻低碳、绿色、节能的发展思路，低压变频器作为先进的自动化装备及节能改造的核心设备之一，必将受益于新一轮的产业升级及新兴产业崛起。基于此，预计未来三年内我国低压变频器市场仍将继续保持两位数的增长态势，整体规模有望在2013年突破235亿元。1.2.2 国
12、外变频器的发展概况国外各大品牌的变频器生产商，起步较早，初步形成了系列化的产品，如ABB公司的ACS-1000系列，西门子公司的SIMOVERT MV系列，AB公司的Power Flex 7000系列等，其控制系统也已实现全数字化。ABB公司的ACS-1000系列采用了IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristors）器件，功率范围为315KW-5000KW，输出电压范围为2.3 kV-4 kV，采用电压型三电平结构，并提供有源前端( AFE，Active Front End)技术，可以实现能量双向流动。西门子公司的SIMOVERT MV系列采用最新的HV-
13、IGBT(High-Voltage Insulated Gate Bipolar Transistor)器件，输出电压范围为2.3 kV-6 kV，电压源型三电平结构并提供有源前端( AFE，Active Front End)技术。1.3 异步电机调速控制系统的研究重点1.3.1 采用新型电力电子器件和脉宽调制（PWM）控制技术电力电子器件的不断进步，为交流电机控制系统的完善提供了物质保证，尤其是新的开关断器件，如金属氧化物半导体场相应晶体管（MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管（IGBT)和IPM使得高频化PWM技术成为可能。如第四代IGBT的应用使变频器的性能有了更大的提高。其一是IGBT开
14、关器件发热减少，将曾占主 回路发热50_70%的器件发热降低到了 30%。其二是高载波控制，使输出电流波形 有明显改善；其三是开关频率提高，使之超过人耳的感受范围，即实现了电机运 行的静音化：其四是驱动功率减少，体积趋于更小。而IPM包含了 IGBT芯片及外 围的驱动和保护电路采用IPM，可以降低开关电源容量、驱动功率容量，简化电 路，提高系统的综合性能，是种更有潜力的集成型功率器件。典型的电力电子变频装置有电流型、电压型和交一交型三种。其中，PWM电压型变频器在中小功率电机控制系统中无疑占主导地位。目前，正在研制的新型变频器，如矩阵式变频器，串、并联谐振式变频器等也开始进入实用阶段，预示着新
15、一代电机控制系统即将产生。1.3.2 开发新型电机和无机械传感器技术各种交流控制系统的发展对电机本身也提出了更高的要求。电机设计和建模 有了新的研究内容，诸如三维涡流场的计算、考虑转子运动及外部变频供电系统 方程的联解、电机阻尼绕组的合理设计及笼条的故障检测等问题。为了更详细的 分析电机内部过程，如绕组短路或转子断条等问题，多回路理论应运而生。此外, 开关变磁阻理论及新材料的发展使开关磁阻电机迅速发展。开关磁阻电机与反应 式步进电机相类似，在加了转子位置检测后可有效的解决失步问题，可方便的启 动、调速或点控，成为未来伺服系统的一个发展方向。为了实现无速度传感器的 转速闭环控制成本合理、性能良好
16、的无速度传感器交流调速系统成为研究热点。 目前提出了许多种方法；动态速度估计器、模型参考自适应方法（MRAS)、基于 PI调节器法、自适应转速观测器、转子齿谐波法、高频注入法、基于人工神经元网1.4.论文的研究内容论文研究和设计了基于模糊PID的通用变频器控制系统。深入研究了模糊控制原理、PID控制器工作原理、通用变频器的基础知识。系统采用电压型逆变器转速开环的变频调速系统。为了增强系统的鲁棒性、提高系统的静、动态性能，构造了PID自适应控制器，取代传统PI控制。第2章 通用变频器的原理及应用的研究2.1 变频器概述三相交流异步电机的结构简单、坚固、运行可靠、价格低廉，在冶金、建材、矿山、化工
17、等重工业领域发挥着巨大作用。人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电机来代替直流电机，从而降低成本，提高运行的可靠性。如果实现交流调速，每台电机将节能20%以上，而且在恒转矩条件下，能降低轴上的输出功率，既提高了电机效率，又可获得节能效果。异步电机调速系统的种类很多，但是效率很高、性能最好、应用最广的是变频调速，它可以构成高动态性能的交流调速系统来取代直流调速系统，是交流调速的 主要发展方向。变频调速是以变频器向交流电机供电，并构成开环或闭环系统，从而实现对交流电机的宽范围内无级调速。变频器可把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电。随着电力电子技术的发展，出现了高耐压、大
18、功率、具有自关断的全控型电力电子器件，它具有驱动功率小、开关频率高等特点，应用在逆变电路中可极大提高变频的性能。脉宽调制（PWM)变频就是把通讯系统中的调制技术推广应用到交流变频中，可使变频器具有良好的输出波形，降低了噪声和谐波，提高了系统的性能。采用全数字微机控制技术，使变频器减小了体积、降低了成本、提高了效率、增强了功能。目前变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且已扩展到了工业生产的所有领域，以及空调器、洗衣机、电冰箱等家电中。2.1.1变频器的功用变频器的功用是将频率固定(通常为工频50HZ)的交流点(三相的或单相的)交换成频率连续可调的三相交流电源。如下图2. 1所示，
19、变频器的输入端(R,S,T)接至频率固定的三相交流电源，输出端(U,V,W)输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电机。VVVF(Variation Voltage Variation Frequency)频率可变、电压可变。2.1.2变频器主要功能1、软启动马达2、调频调压调电流3、空（轻）载时能在维持转速的时候减少电流（节能）变频器总体来说用在启动频繁的马达上，节能效果明显问题：这种在小标题下还分条怎么表示？这样表示就行么？2.1.3 变频器的核心电力电子器件发展及控制方式1.电力电子器件的发展20世纪80年代中期以前，变频装置功率回路主要采用第一代电力电子器件，以晶闸管元件为
20、主，这种装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置相比。80年代中期以后采用第二代电力电子器GTR.CTO, VDMOS-IGBT等制造的变频装置在性能和价格比上可以与直流调速装置相媲美。随着向大电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向继续发展，第三代电力电子器件是20世纪90年代制造变频装置的主流产品，中小功率的变频调速装置(1-1000kw)主要采用IGBT，大功率的变频调速装置(1000-10000kW)采用GTO器件。20世纪90年代末至今，电力电子器件的发展进入了第四代，如高压IGBT, IGCT,IEGT,SGCT、智能功率模块IPM等。2.控制方式变频器用不同的控
21、制方式，得到的调速性能、特性及用途是不同的。控制方式大体分为开环控制及闭环控制。开环控制有U/f电压与频率成正比的控制方式。闭环有转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制。现在矢量控制可以实现与直流机电枢电流控制相媲美，直接转矩控制直接取交流电动机参数进行控制，其方便准确精度高。2.2 变频器基本原理2.2.1 变频调速的构成要实现变频调速，必须有频率可调的交流电源，但电力系统却只能提供固定频率的交流电源，因此需要一套变频装置来完成变频的任务。历史上曾出现过旋转变频机组，但由于存在许多缺点而现在很少使用。现代的变频器都是由大功率电子器件构成的。相对于旋转变频机组，被称为静止式变频装置，是构成变频调
22、速系统的中心环节。一个变频调速系统主要由静止式变频装置、交流电动机和控制电路3大部分组成，静止式变频装置的输入是三相式单相恒频、恒压电源，输出则是频率和电压均可调的三相交流电。至于控制电路，变频调速系统要比直流调速系统和其他交流调速系统复杂得多，这是由于被控对象感应电动机本身的电磁关系以及变频器的控制均较复杂所致。因此变频调速系统的控制任务大多是由微处理机承担。2.2.2 变频调速的基本要求为了充分利用铁心材料，在设计电动机时，总是让电动机在额定频率和额定电压下工作时的气隙磁通接近磁饱和值。因此，在电动机调速时，希望保持每极磁通量为额定值不变。如果过分增大磁通又会使铁心过分饱和，从而导致励磁电
23、流急剧增加，绕组过分发热，功率因数降低，严重时甚至会因绕组过热而损坏电动机。故而希望在频率变化时仍保持磁通恒定，即实现恒磁通变频调速，这样，调速时才能保持电动机的最大转矩不变。对于三相异步电动机，钉子没想电动势的有效值是：（2.1）式中为定子每相绕组串联匝数；为基波绕组系数；为每极气隙磁通，Wb；为气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值，V；为定子电源频率，Hz。由此可得： (2.2)式（2.2）表明，为了保持不变，在改变电源频率的同时，必须按比例改变感应电动势，才能有效地利用铁心。2.2.3变频器的分类1.按变换环节分（1）交-交变频器：把频率固定的交流电源直接变换成频率可调的交流电，又
24、称直接式变频器。（2）交-直-交变频器：先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的交流电，又称间接式变频器。2.按电压的调节方式分：（1）PAM(脉幅调制)变频器输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调制。在中小容量变频器中，这种方式几近绝迹。（2）PWM (脉宽调制) 变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。目前普通应用的是占空比按正弦规律安排的正弦脉宽调制(SPWM)方式。3. 按直流环节的储能方式分（对交直交）：（1）电流型直流环节的储能元件是电感线圈LF,如图所示。图2.3（2）电压型直流环节的储能元件是电容器CF,如图所示。图2.42.2.4
25、交-交与交-直-交变频器1、交-交变频器工作原理交交变频电路，也称周波变流器。把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路，属于直接变频电路。广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实际使用的主要是三相输出交交变频电路。（由三组输出电压相位各差120的单相交交变频电路组成）。图2.5单相交交变频电路原理图和输出电压波形（波形图怎么画？）三相输入单相输出的交交变频电路由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，其结构如图1(a)所示。结合图2.1(a)，下面分析三相输入单相输出的交-交变频电路的工作原理：P组工作时，负载电流为正；N组工作时，为负；两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的
26、交流电；改变切换频率，就可改变输出频率；改变变流电路的控制角，就可以改变交流输出电压幅值；为使波形接近正弦，可按正弦规律对角进行调制，在半个周期内让P组角按正弦规律从90减到0或某个值，再增加到90，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零。由若干段电源电压拼接而成，在一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波如图1(b)。2、交-直-交变频器工作原理其结构如下，它由主电路和控制电路组成。图2.6交-直-交变频器主电路目前，通用型变频器绝大多数是交-直-交型变频器，通常尤以电压器变频器为通用，其主电路图（见图2.6），它是变频器的核心电路，由整流电路（交-直
27、交换），直流滤波电路（能耗电路）及逆变电路（直-交变换）组成。1、交-直变换部分（1）VD1VD6组成三相整流桥，将交流变换为直流。（2）滤波电容器CF作用：a、滤除全波整流后的电压纹波；b、当负载变化时，使直流电压保持平衡。因为受电容量和耐压的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成。如图中的CF1和CF2。由于两组电容特性不可能完全相同，在每组电容组上并联一个阻值相等的分压电阻RC1和RC2。（3）限流电阻RL和开关SLRL作用：变频器刚合上闸瞬间冲击电流比较大，其作用就是在合上闸后的一段时间内，电流流经RL，限制冲击电流，将电容CF的充电电流限制在一定范围内。
28、SL作用：当CF充电到一定电压，SL闭合，将RL短路。一些变频器使用晶闸管代替（如虚线所示）。2、能耗电路部分（1）制动电阻RB变频器在频率下降的过程中，将处于再生制动状态，回馈的电能将存贮在电容CF中，使直流电压不断上升，甚至达到十分危险的程度。RB的作用就是将这部分回馈能量消耗掉。一些变频器此电阻是外接的，都有外接端子（如DB，DB）。（2）制动单元VB由GTR或IGBT及其驱动电路构成。其作用是为放电电流IB流经RB提供通路。3、直交变换部分（1）逆变管V1V6组成逆变桥，把VD1VD6整流的直流电逆变为交流电。这是变频器的核心部分。（2）续流二极管VD7VD12作用：a、电机是感性负载
29、，其电流中有无功分量，为无功电流返回直流电源提供“通道”；b、频率下降，电机处于再生制动状态时，再生电流通过VD7VD12整流后返回给直流电路；c、V1V6逆变过程中，同一桥臂的两个逆变管不停地处于导通和截止状态。在这个换相过程中，也需要VD7VD12提供通路。4、缓冲电路缓冲电路如图2所示。逆变管在导通和判断的瞬间，其电压和电流的变化率是比较大的，可能全逆变管受到损害。因此，每个逆变管旁边还要接入缓冲电路，其作用就是减缓电压和电流的变化率。（1）C01C06逆变管V1V6每次由导通到截止的判断瞬间，集电极C和发射极E间的电压将迅速地由0V上升为直流电压UD。过高的电压增长率将导致逆变管的损坏
30、。C01C06的作用就是减小逆变管由导通到截止时过高的电压增长率，防止逆变损坏。（2）R01R06逆变管V1V6由导通到截止的瞬间，C01C06所充的电压（等于UD）将V1V6放电。此放电电流的初值很大，并且叠加在负载电流上，导致逆变管的损坏。R01R06的作用就是限制逆变管在导通瞬间C01C06的放电电流。（3）VD01VD06R01R06的接入，又会影响到C01C06在V1V6关断时减小电压增长率的效果。VD01VD06接入后，在V1V6关断过程中，使R01R06不起作用；而在V1V6接通过程中，又迫使C01C06的放电电流流经R01R06。3、交-交与交-直-交变频器的比较（1）交-交变
31、频器过载能力强效率高输出波形好但输出频率低使用功率器件多输入无功功率大高次谐波对电网影响大（2）交-直-交变频器结构简单输出频率变化范围大功率因数高谐波易于消除可使用各种新型大功率器件（注意：这样写行么？）2.2.5 PWM控制技术PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波的比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，PWM在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，因此在交流传动乃至其他能量交换系统中得到广泛的应用。
32、PWM控制技术大致可以分为三类：正弦PWM，优化PWM，随机PWM。正弦PWM具有改善输出电压和电流波形、降低电源系统谐波的多重PWM技术，在大功率变频器中有其独特的优势；优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率最小、电压利用率最高、效率最优、转矩脉动最小及其他特定优化目标；随机PWM原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声，尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。1、正弦波脉宽调制(SPWM)变频器SPWM变频器结构简单，性能优良，主电路不用附加其他装置，已成为当前最有发展前途的一种结构形式。图3所示为SPWM变频器的电路原理，该电路的主要特点是：a
33、、主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构；b、使用了不可控的整流器，使电网功率因数与变频器输出电压的大小无关而接近于1；c、变频器在调频的同时实现调压，而与中间直流环节的元件参数无关，加快了系统的动态响应；d、可获得比常规6拍阶梯波更好的输出电压波形，能抑制或消除低次谐波，使负载电动机可在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，大大扩展了拖动系统调速范围，并提高了系统的性能。（1）SPWM变频器的工作原理：所谓正弦波脉宽调制(SPWM)就是把正弦波等效为一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，如图4所示，等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n等份(图中n=12)，然后把每一等份的正
34、弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合，而宽度是按正弦规律变化的如图4(b)所示。这样，由n个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦半周等效，称作SPWM波形。同样，正弦波负半周也可用相同方法与一系列负脉冲波来等效。图4(b)所示的一系列脉冲波形就是所期望的变频器输出SPWM波形。可以看到，由于各脉冲的幅值相等，所以变频器可由恒定的直流电源供电，即这种交-直-交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器即可，变频器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压幅值。当变频器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与
35、图4(b)所示形状相似的一系列脉冲波形。（2）异步调制和同步调制载波比：载波频率与调制信号频率之比，。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。a、异步调制：载波信号和调制信号不同步的调制方式通常保持固定不变，当变化时，载波比N是变化的。在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。当较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小。当增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大。b、同步调制：载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时
36、使载波与信号波保持同步，即N等于常数基本同步调制方式，变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数。很低时，也很低，由调制带来的谐波不易滤除。很高时，会过高，使开关器件难以承受。c、分段同步调制：异步调制和同步调制的综合应用为防止在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。（3）规则采样法a、自然采样法： 按照SPWM控制的基本原
37、理产生的PWM波的方法，其求解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。b、规则采样法工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多。规则采样法原理：三角波两个正峰值之间为一个采样周期。自然采样法中，脉冲中点不和三角波(负峰点)重合。如图所示确定A、B点，在和时刻控制开关器件的通断。脉冲宽度d和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。图6.12规则采样法计算公式推导：正弦调制信号波：（这里名字和工十分开了能行么？多打一行空格行么？）(X.X)a称为调制度，；为信号波角频率从图6.12得：推到得：（6.6）三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度：（6.7）c、三相桥逆变电路的情况三角波载波公用，三相正
38、弦调制波相位依次差。同一三角波周期内三相的脉宽分别为、和，脉冲两边的间隙宽度分别为、和，同一时刻三相调制波电压之和为零，由式（6.6）得 (6.8)由式（6.7）得(6.9)利用以上两式可简化三厢SPWM波的计算2.2.6 变频器的四中控制方式变频器对电动机进行控制是根据电动机的特性参数及电动机运转要求，进行对电动机提供电压、电流、频率进行控制达到负载的要求。因此就是变频器的主电路一样，逆变器件也相同，单片机位数也一样，只是控制方式不一样，其控制效果是不一样的。所以控制方式是很重要的。它代表变频器的水平。目前变频器对电动机的控制方式大体可分为U/f恒定控制 ，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控
39、制。a、U/f恒定控制U/f控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压，使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率，功率因数不下降。因为是控制电压与频率之比，称为U/f控制。恒定U/f控制存在的主要问题是：低速性能较差，转速极低时，电磁转矩无法克服较大的静摩擦力，不能恰当的调整电动机的转矩补偿和适应负载转矩的变化;其次是无法准确的控制电动机的实际转速。由于恒U/f变频器是转速开环控制，由异步电动机的机械特性图可知，设定值为定子频率也就是理想空载转速，而电动机的实际转速由转差率所决定，所以U/f恒定控制方式存在的稳定误差不能控制，故无法准确控制电动机的实际转速。b、转差频率
40、控制在稳态情况下，当稳态气隙磁通恒定时，异步电机电磁转矩近似与转差角频率成正比。因此，控制就相当于控制转矩。采用转速闭环的转差频率控制，使定子频率，则随实际转速增加或减小，得到平滑而稳定的调速，保证了较高的调速范围。转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。转差频率控制需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。与U/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外，它有速度调节器，利用速度反馈构成闭环控制，速度的静态误差小。然而要达到自动控制系统稳态控制，还达不到良好的动态性能。c、矢量控制矢量控制，也称
41、磁场定向控制。它是70年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原理。由此开创了交流电动机和等效直流电动机的先河。矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流、。通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流、，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流、(相当于直流电动机的励磁电流 ，相当于直流电动机的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的出现，使异步电动机变频调速在电动机的调速领域里全方位的处于优势地位。但是，矢量
42、控制技术需要对电动机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的话题。d、直接转矩控制1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制理论，该技术在很大程度上解决了矢量控制的不足，它不是通过控制电流，磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩控制的优越性在于 ，转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的实现无速度传感器，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较：直接转矩控制系统与矢量控制系统都采
43、用转矩和磁链分别控制。矢量控制系统强调转矩与转子磁链的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连续控制，调速范围宽，可达1：100；按定向时受电机转子参数影响，降低了适应性。 直接转矩控制系统则直接进行转矩控制，避开了旋转坐标变换；控制定子磁链，而不是转子磁链，不受转子参数的影响；不可避免地产生转矩脉动，降低了调速性能，因此只适用于风机、水泵以及牵引传动等对调速范围要求不高的场合。2.3变频器的保护功能2.3.1过电流保护功能1、过电流原因（1）外部故障引起的过电流。如电动机堵转、变频器输出侧短路等。（2）运行过电流。如加速或减速时间过短引起的过电流等。（3）变频器自身故障引起的过电流。2、
44、变频器对过电流的处理变频器将首先根据电流上升的 “陡坡”来判断是否出现短路或接地，如果是，则立即跳闸；如果不是短路，而属于运行过电流，则首先进行自处理，在自处理不能使电流下降的情况下，则跳闸。自处理方法：当电流超过设定值时，变频器首先将工作频率适当降低，到电流低于设定值时，工作频率再逐渐恢复。2.3.2过载保护功能过载保护功能是保护电动机过载的。从根本上说，对电动机进行过载保护的目的，是使电动机不因过热而烧坏。因此，进行保护的主要依据便是电动机的温升不 应超过其额定值。1、发热保护的反时限特性电动机的热保护功能应该具有反时限特性。即，电动机的运行电流越大，保护动作的时间越短。2、温升与频率的关
45、系电动机在低频运行时，如没有外部强迫通风，散热情况将变差。3、变频器中的电子热保护功能。电子热保护功能主要特点有：（1）具有反时限特性。（2）在不同的运行频率下有不同的保护曲线，频率越低，允许连续运行的时间越短。2.3.3 电压保护功能1、过电压的原因和保护（1）电源过电压。当电源过电压时，可利用变频器的 “自动电压调整” 功能，使输出的平均电压维持恒定。但电压太高，电动机侧电压脉冲的幅值过高，对电动机绕组的绝缘不利，必须跳闸，进行保护。（2）降速过电压。即降速过快引起的过电压，变频器将首先进行自处理，如自处理后电压仍偏高，则跳闸。2、欠电压的原因及保护发生欠电压的原因大致有以下几种情况：（1
46、）电源电压过低或缺相。（2）变频器的整流桥损坏。（3）变频器整流后的限流电阻未切除电路。这是由于和限流电阻并联的晶闸管或继电器发生故障所致。对于电源欠电压，如运行频率低于50Hz，变频器可在一定范围内通过“自动电压调整”功能调整其输出电压。对于其他几种情况，变频器必须跳闸，进行保护。2.3.4其他保护功能1、模块的过热保护逆变模块除是关键器件外还因为它累计损耗功率较大，是主要的发热器件，因此变频器内部最需要进行发热保护的部件是逆变模块，变频器内设置了温度检测环节，当温度超过一定值，变频器将跳闸。2、软件的自检保护由于变频器软件系统的运算错误有可能导致十分严重的后果，因此变频器对自身的软件具有完
47、善的自检系统，一旦软件运算出错，将立即跳闸。3、接受外部故障信号的保护变频器的输入控制端中，有12个专门接受外部故障信号的 端子，拖动系统中任何需要保护的信号，都可以接到该端子上。变频器在接到外部故障信号时，将立即跳闸，进行保护。2.4 变频器的干扰及防止在工农业生产中，生产机械对拖动设备的调速性能有了很高的要求， 而变频调速以其优越的调速能在调速系统中占有很大的比重，但变频器在工作过程中会产生高频的谐波电流，这些高次谐波电流不但增加了输入侧的无功功率、降低功率因数，而且这些频率较高的谐波电流将以各种方式把能量传播出去，形成对其它设备的干扰信号。2.4.1变频器产生干扰的原因变频器输入和输出电流中具有高次谐波成分，是变频器产生干扰信号的根本原因。变频器的输入电流中的高次谐波成分除了影响功率因数外，也可能对其它设备形成干扰。由于绝大多数逆变桥都采用SPWM调制方式，其输出电压为占空比按正弦规律分布的系列矩形波，而由于电机定子绕组
