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1、CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University单位代码： 10615西南 石 油 大 学硕 士 学 位 论 文论文题目： 基于 DSP 的三相异步电动机变频调速系统研究与设计研究生姓名 ： 罗 辉导师姓名 ： 胡 泽（教授）学科专业： 测试计量技术及仪器研究方向： 智能化仪器及计算机测控2008 年 4 月 28 日CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum UniversityCopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum Univer
2、sityI摘要电机节能问题一直是广大学者研究的热点，在电机节能技术中最受瞩目的是变频调速技术。本文研究一种基于数字信号处理器（DSP）的三相异步电动机变频调速系统。论文首先阐述三相异步电动机的脉宽调制技术和矢量控制原理。脉宽调制技术中重点分析正弦波脉宽调制技术（SPWM）和电压空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）的基本原理和控制算法。矢量控制思想是将异步电机模拟成直流电机，通过坐标变换，将定子电流矢量分解为按转子磁场定向的两个直流分量，实现磁通和转矩的解耦控制。论文用Matlab/Simulink 软件对三相异步电动机矢量控制系统进行仿真研究，并在此基础上对矢量控制变频调速系统进行硬件和软件设计
3、。在硬件设计方面，系统以TI 公司的TMS320LF2407A DSP 芯片为控制电路核心，以三菱公司智能功率模块（IPM）PM25RSB-120 为主电路核心，对三相交流整流滤波电路、IPM 驱动和保护电路、相电流检测电路、转速检测电路、显示电路以及DSP 与PC 机通信电路等模块进行设计。在软件设计方面，本文用汇编语言编写基于TMS320LF2407A DSP 的三相异步电动机矢量控制程序，整个矢量控制程序由主程序和中断服务子程序组成。最后构建三相异步电动机变频调速实验装置，在该装置上进行变频调速实验研究。实验结果表明用SVPWM 技术和矢量控制技术可以成功实现三相异步电动机变频调速功能。
4、采用矢量控制技术后，系统稳态精度高，动态调节时间短、超调量小、抗扰能力强。该变频调速系统的研究与设计为今后开发更高性能的变频调速系统创造了条件。关键词：三相异步电动机 数字信号处理器 智能功率模块矢量控制 电压空间矢量脉宽调制CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum UniversityIIAbstractThe topic of Energy saving on motor system has always being researched byscholars, and the variable frequency variable sp
5、eed technology has been paid the focusattention among the researches.The variable frequency variable speed system ofthree-phase asynchronous motor based on DSP has been researched in this paper.First of all, the pulse width modulation technology and the vector control principlefor three-phase asynch
6、ronous motor were analyzed in the paper. The basic principlesand control methods of SPWM & SVPWM were mainly analyzed. By transformingcoordinate, the stator current is decomposing two DC parts which orientated as therotator magnetic field and controlled respectively. So magnetic flux and torque ared
7、ecoupled, and the asynchronous motor was controlled as a DC motor.Then, the vectorcontrol simulation system were analyzed by using Matlab/Simulink, and the hardwareand software of the system were designed based on the simulation.In hardware, the TMS320LF2407A DSP of TI and PM25RSB-120 ofMITSUBISHI w
8、ere taken as the key controller of the system.At the same time, thepaper has analyzed the three-phase AC-DC circuit, the filter circuit, the drive circuit andthe protection circuit of the IPM,the current and the speed measurement circuit,thedisplay circuit,the communication circuit between DSP and P
9、C and so on.In software, aset of assembly language for main program and interrupt subprograms were establishedbased on TMS320LF2407A.At the last, the experimental device which was madeaccording to the design of variable frequency variable speed system has beenestablished,and the experiments were car
10、ried on.The experimental results show that the vector control and SVPWM technologyused in the system is successful. And the whole system run well with high accuracy ofsteady-state, quick dynamic response, small overshoots and strong anti-interferencecapability by using vector control technology.It o
11、ffers helps for high performance motorcontrol systems which would be studied aftertime.Keywords: Three-phase Asynchronous Motor Digital Signal ProcessorIntelligent Power Module Vector ControlSpace Vector Pulse Width ModulationCopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum UniversityIII目录摘 要. IAbstrac
12、t.II1 绪论.11.1 前言.11.2 国内外研究现状.11.3 研究背景和研究内容.32 三相异步电动机的脉宽调制和矢量控制技术.52.1 变频调速的基本控制方式.52.2 脉宽调制技术.62.2.1 正弦波脉宽调制（SPWM）技术.62.2.2 电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术.82.3 矢量控制技术.112.3.1 矢量控制原理.112.3.2 坐标变换及变换矩阵.123 三相异步电动机矢量控制系统Simulink 仿真.143.1 磁链观测模型的建立.143.2 矢量控制系统的Simulink 仿真模型.163.3 矢量控制系统的Simulink 仿真结果.204 基于DSP
13、 的三相异步电动机变频调速系统硬件设计.244.1 系统硬件设计概述.244.2 系统主电路设计.254.2.1 整流滤波电路设计.254.2.2 逆变电路设计.264.2.2.1 智能功率模块的选择.264.2.2.2 逆变电路设计.294.2.2.3 泵升电路设计.304.3 系统控制电路设计.304.3.1 TMS320LF2407A DSP 芯片简介.304.3.2 TMS320LF2407A 核心电路设计.334.3.3 基于核心电路的外部扩展电路设计.344.3.3.1 转速检测电路设计.344.3.3.2 电流检测电路设计.354.3.3.3 显示电路设计.36CopyRight
14、 2008 Library of SouthWest Petroleum UniversityIV4.3.3.4 串行通信电路设计.374.3.3.5 故障综合入口电路设计.385 基于DSP 的三相异步电动机变频调速系统软件设计.395.1 系统软件设计概述.395.2 变频调速系统中主要模块的DSP 软件实现.425.2.1 转子磁链位置计算.425.2.2 坐标变换.445.2.3 转速和电流采样参数规格化处理.455.2.4 数字PI 调节器.465.2.5 电压空间矢量脉宽调制波形生成.486 调试结果及分析.526.1 系统调试.526.2 实验结果分析.567 结论.59谢 辞.
15、60参考文献.61攻读硕士学位期间所发表的学术论文.64附录A TMS320LF2407A 核心电路原理图.65附录B 基于DSP 核心电路的外部扩展电路原理图.67附录C 三相异步电动机矢量控制变频调速源程序.69CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University西南石油大学2008 届硕士学位论文11 绪论1.1 前言交流变频调速技术是集电力电子、自动控制、微电子、电机学等技术之大成的一项高技术。它以其优异的调速性能、显著的节电效果和在国民经济各领域的广泛应用而被国内外公认为是世界上应用最广、效率最高、最理想的电气传动方案，代表
16、着电气传动的发展方向。它为提高产品质量、节约能源、降低消耗和提高企业经济效益提供了重要的新手段1。在电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术迅速发展的今天，电气传动技术正面临着一场历史性的革命4。经过了二十多年的发展，近代交流传动逐渐成为电气传动的主流。目前交流拖动系统的应用领域主要包括三个方面，一是一般性能的节能调速系统和按工艺要求调速系统，如一般的风机、水泵系统；二是高性能的交流调速系统和伺服系统，如精密机床拖动系统和火炮伺服系统；三是特大容量和极高转速的交流调速系统，直流电机由于换向能力的限制不适宜这些调速场合，如厚板轧机、矿井卷扬机和高速离心机等系统都以采用交流调速为宜1。变频调速研究
17、是当前电气传动研究中最为活跃、最有实际应用价值的工作。变频器产业的潜力非常巨大，它包括所有与变频器技术相关的产业，如电力电子器件的生产、驱动保护集成电路的制造、电气传动技术、系统控制技术和工业现场应用技术等7。1.2 国内外研究现状近年来，交流调速在国内外发展十分迅速，打破了过去直流拖动在调速领域中的统治地位。交流拖动已进入了与直流拖动相媲美、相竞争、相抗衡的时代，并有取而代之的趋势，这是现代电力拖动技术发展的主要特征1，其主要原因有电力电子技术的不断发展、电机控制理论和控制策略的不断完善以及全数字化高性能微处理器技术的不断更新等。（1）电力电子技术的革新为变频调速技术提供了发展平台由于交流电
18、机的诸多优点，其调速系统早就得到了人们的关注，早期的交流电机调速方法，如绕线式异步电机的转子串电阻调速、鼠笼式异步电机的变极调速、定子绕组串电抗器调速等方式都存在效率低、不经济等缺点。交流变频调速的优越性早在 20 世纪 20 年代就已被人们所认识，但受到元器件的限制，当时只能用闸流管构成逆变器，由于投资大，效率低，体积大而未能推广8。20 世纪50 年代中期，晶闸管的研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代。晶闸管具CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University基于DSP 的三相异步电动机变频调速系统研究与设计2有体积小、重量
19、轻、响应快、管压低等优点3，从而使得交流电机调速技术有了飞跃发展，出现了交流异步电机调压调速、串级调速等调速系统。到 20 世纪 70 年代出现了变频调速技术，变频调速具有高效率、高精度和宽范围等特点，是目前运用最广泛且最具有发展前途的调速方式。交流电机变频调速系统的种类也很多，从早期提出的电压源型变频调速开始，相继发展了电流源型、脉宽调制型等各种变频调速控制系统。目前变频调速的主要方案有脉宽调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）变频调速、矢量控制（Field Oriented Control，简称FOC）变频调速和直接转矩控制（Direct Torque Contr
20、ol，简称DTC）变频调速等。这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。随着电力电子技术的发展，特别是门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）以及MOS 控制晶闸管（MCT）等具有自关断能力的全控型功率元件的发展，变频装置的快速性、可靠性及经济性得到不断提高，变频调速系统的性能也得到不断完善。（2）控制理论和控制策略的完善为变频调速技术提升了发展空间现代化的电机控制系统的核心技术是如何控制功率开关元件的开关状态，控制方式依据控制理论的不同而不同9。交流调速中采用的SPWM(正弦波PWM)、SVPWM(电压空间矢量PWM)以及矢量
21、控制、直接转矩控制等技术，其最终目的都是产生一系列幅值不同脉宽不同的脉冲列来控制电机的运行10。在交流电机变频调速中应用最为广泛的是PWM 控制。可以说 PWM 控制是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM 控制方式来完成的，尤其是微处理器应用于PWM 技术并使之数字化以后，花样更是不断翻新。从最初追求的正弦电压波形，到正弦电流波形，再到圆形磁场；从效率最优，到转矩脉动最小，再到消除噪音等，PWM 控制技术的发展经历了一个不断创新和完善的过程。20 世纪70 年代西德的F.Blasschke 等人首先提出矢量控制理论，其目的是把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变
22、成标量独立开来，进行分别控制,通过坐标变换重建异步电机的数学模型，可以使得异步电机等效于直流电机，从而像控制直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制20。1985 年德国鲁尔大学Depenbrock 教授首先提出直接转矩控制理论。与矢量控制不同的是，直接转矩控制摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，而是简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并与给定值比较得出偏差值，实现磁链和转矩的直接控制。近年来,智能控制研究很活跃。典型的如模糊控制、神经网络控制和基于专家系统的控制。由于智能控制无需对象的精确数学模型并具有较强的鲁棒性,因而许多学者将智能控制方法引入到电机控
23、制系统的研究中25。比较成熟的是模糊控制,它具有不依赖被控对象精确的数学模型，能克服非线性因素的影响，对调节对象CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University西南石油大学2008 届硕士学位论文3的参数变化具有较强的鲁棒性等优点。模糊控制已在交、直流调速系统和伺服系统中取得了满意的效果。它的典型应用有：用于电机速度控制的模糊控制器；模糊逻辑在电机模型及参数辨识中的应用；基于模糊逻辑的异步电动机效率优化控制；基于模糊逻辑的智能逆变器的研究等。近年来已有一些文献探讨将神经网络或专家系统引入到异步电动机的直接转矩控制系统中。有专家预测
24、，智能控制将在今后的电机控制领域内占据主导地位。（3）数字化高性能微处理器的应用为变频调速技术提高了发展速度随着计算机技术和电力电子器件制造技术的不断发展，新型电路变换器的不断出现，现代控制理论向交流调速领域的不断渗透，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，交流电机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展。单片机在交流调速系统中已经得到了广泛的应用。例如由Intel 公司开发生产的MCS-96 系列的8196KB、8196KC、8196MC 等型号的单片机，在通用开环交流调速系统中应用较多5。由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂，控制系统的软件化对 CPU 芯片提出了
25、更高的要求，为了实现高性能的交流调速，要进行矢量的坐标变换、磁通矢量的在线计算和外环控制的在线实时调节等，都需要存储多种数据和快速实时处理大量信息。因此，DSP 芯片在高性能交流调速系统中找到大展身手的舞台6，如TI 公司的TMS320LF2407A 和 TMS320C2812 就是两块用于电机控制的高性能DSP 芯片。由于高性能微处理器的应用，各种总线也在电机控制领域内扮演了相当重要的角色。STD 总线、工业 PC 总线、现场总线以及CAN 总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。可以预见，随着计算机芯片容量的增加和运算速度的加快，交流调速系统的性能将得到很大的提高。从总体上看
26、我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距1015 年，就目前而言，尽管变频调速系统的研发在国内比较活跃，但是市场上的绝大部分产品还是被国外产品所占据11。1.3 研究背景和研究内容（1）研究背景随着世界经济的不断发展、科学技术的不断提高，环保和能源问题日趋成为人们争论的主题。充分有效地利用能源已成为紧迫的问题，为了寻求高效可用的能源，各个国家都投入了大量人力财力，进行不懈的努力。就目前而言，电能是全世界消耗最多的能源之一，同时也是浪费最多的能源之一，为解决能源问题必须先从电能着手，其中有代表性的就是电机的节能。电机是一种将电能转换成机械能的设备，它的用途非常广泛，在现代社会生CopyRight
27、 2008 Library of SouthWest Petroleum University基于DSP 的三相异步电动机变频调速系统研究与设计4活中随处可见电机的身影，在发达国家中生产的总电能有一半以上是用于电机的能量转换，这些电机传动系统当中，80%左右的是交流异步电机1。在国内，电机的总装机容量已达4 亿千瓦，年耗电量达6000 亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。并且使用中的电机绝大部分是中小型异步电机，加之设备的陈旧，管理、控制技术跟不上，所浪费的电能甚多。有资料表明，受资金、技术、能源价格的影响，我国能源利用效率比发达国家低很多。为此，国家十五计划中，在电机系统节能方面投入的资金高达
28、500 亿元左右1213。在石油石化行业，石油钻井中的钻机，生产现场的抽油机、风机、水泵、输油泵和泥浆泵等电机的运行都要消耗大量的电能，如何充分合理地利用电能显得非常重要。而采用变频调速技术后，节能效果非常明显。新疆克拉玛依油田多处输油泵采用了变频调速装置，如采油三厂在输油泵上应用一台变频器，运行后效果良好，经仪表测试，采用变频调速后，有功节电为65.73%，无功节电为78.79%，功率因数达到0.99。据实际运行统计，变频调速输油节电率为46.83%，316 天后可收回全部投资。湖南岳阳长岭炼油厂催化剂厂微球装置高压泵采用100kVA 变频器后，输出功率由18.6kW 降至7.2kW，节电6
29、1.3%。广东茂名石化将变频器大量应用到生产过程中，减轻了工人的劳动强度并大量节约了电能，如糖醛生产线原有12 台泵，每天耗电8000kW.h，将其中9 台采用变频调速后，每天耗电只有4000kW.h14。由此可见，在我国，异步电机变频调速系统有巨大的市场潜能，本课题的研究也具有很强的现实意义。（2）研究内容本文完成三相异步电动机变频调速系统研究与设计，具体包括以下内容：1）依据三相异步电动机脉宽调制与矢量控制原理，设计转速、磁链双闭环矢量控制变频调速系统电气原理图。2）用Matlab/Simulink 软件对三相异步电动机矢量控制系统进行仿真研究。3）以TMS320LF2407A DSP 芯
30、片为控制核心，对变频调速系统进行硬件设计。硬件设计主要包括：1 三相交流整流滤波电路设计；2 以智能功率模块（IPM）PM25RSB-120 为核心的逆变电路设计；3 泵升电路设计；4 转速检测电路设计；5 电流检测电路设计；6 显示电路设计7 DSP 与PC 机串行通信电路设计。4）用TMS320LF2407A 汇编语言编写矢量控制变频调速软件。软件内容主要包括：1 光电编码转速检测；2 相电流检测；3 坐标变换；4 转子磁链位置计算；5 电流、速度PI 调节；6 电压空间矢量SVPWM 波形生成。5）构建变频调速实验装置，对实验装置进行硬件和软件调试。6）在实验装置上进行变频调速实验研究。CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University西南石油大学2008 届硕士学位论文52 三相异步电动机的脉宽调制和矢量控制技术依据交流异步电动机工作原理，从定子侧输入的电磁功率m P 可以分成两部分，一部分mech m P = (1 s)P 是拖动负载的有效功率，称为机械功率；另外一部分s m P = sP为传输
