基于DSP的交流变频调速系统的设计

  • IT技术
  • 2019-12-02
  • 人已阅读
简介随着工农业生产的发展,人们对调速技术的要求也越来越高,而异步电动机在调速方面一直处于性能不佳的状态。然而,变频技术的出现改善了交流电机的调速性能,同时无速度传感器和基于微处理器的数字调速系统也开始逐渐进入人们研究和讨论的范围。作为高新技术之一的变频技术是重要的节能和环保技术,在各种工业生产、交通运输和家用电器中应用十分广泛,变频器作为变频技术的产品,在我国工农业等各方面有着极其重要的地位。

基于DSP的交流变频调速系统的设计


                      

随着工农业生产的发展,人们对调速技术的要求也越来越高,而异步电动机在调速方面一直处于性能不佳的状态。然而,变频技术的出现改善了交流电机的调速性能,同时无速度传感器和基于微处理器的数字调速系统也开始逐渐进入人们研究和讨论的范围。作为高新技术之一的变频技术是重要的节能和环保技术,在各种工业生产、交通运输和家用电器中应用十分广泛,变频器作为变频技术的产品,在我国工农业等各方面有着极其重要的地位。

 本文以三相交流异步电动机为被控对象TMS320LF240X定为处理器,通过SPWM控制技术对交流电机实现恒压频比控制,电机变频调速的理论。介绍了SPWM控制技术的原理:包括单极性SPWM控制技术、双极性SPWM控制技术SPWM的调制方式。给出了系统各部分硬件电路的工作原理、参数计算以及各部分器件的选取。系统硬件电路主要由主电路、系统保护电路和控制电路组成。主电路部分包括整流、滤波、逆变器,IPM驱动电路与吸收电路等;系统保护电路包括过压、欠压保护、限流启动、IPM故障保护等;控制电路包括DSP最小系统电路。最后叙述了具体使用DSP编写产生SPWM波形程序的步骤以及一些相关寄存器的设置。死区可以防止主电路桥臂短路现象的发生接着给出了SPWM波形的死区时间,这些波形说明电机可以稳定运行并实现变频调速。

 

关键词:  DSP      智能功率模块    恒压频比控制   SPWM

 

 

 

 

 

 

Abstract

Along with the development of agricultural production and technical requirements of speed, and more and more is also high in speed asynchronous motor is the poor performance of the state. However, the frequency conversion technology to improve the performance of ac motor speed, speed sensorless and microprocessor-based digital control system is also gradually began to enter the scope of study and discuss people. As one of the high-tech frequency conversion technology is an important energy saving and environment protection technology, in various industrial production, transportation and widely used in household appliances, inverter frequency conversion technology products, as in all aspects of our agriculture is very important position.

Taking three-phase ac induction motor is accused of TMS320LF240X as processor, through the SPWM control technology to realize constant pressure frequency ac motor control motor speed, the theory. Introduces the principle of SPWM control technology, including single polarity SPWM control technology, the dual polarity SPWM SPWM modulation and control technology. Given the parts hardware circuit principle, parameter calculation and each part of the device. The system hardware circuit consists mainly of main circuit, system protection circuit and control circuit. The main circuit includes rectifier, filtering, inverter, IPM drive circuit and absorbing circuit, etc. System protection circuit including over-voltage, protection, limited flow, fault protection; IPM Control circuit including DSP smallest system circuit. Finally describes specific use DSP write produce SPWM wave process steps and some relevant register setting. Then gives SPWM wave of dead zone, dead zone can prevent the main electric circuit of road arm, After gives different frequencies when the motor running voltage and current waveform, the line that the waveform can stable operation and motor inverter.

 

Keywords : DSP   Intelligent power module   Constant pressure frequency than control   SPWM


  

  .. I

Abstract...........................................................II

1 绪论.............................................................. 1

1.1 电机变频调速发展现况和趋势. 1

1.2电力电子技术的发展现况和趋势. 2

1.3国内外交流调速现状. 3

1.3.1国外现状. 3

1.3.2国内现状. 4

1.4本论文的研究内容. 4

2交流电机变频调速原理............................................ 5

2.1三相交流电机的结构和工作原理. 5

2.1.1三相交流电机的结构. 5

2.1.2三相交流电机的工作原理. 6

2.2交流电机的调速方式. 8

2.3变频调速系统的控制方式. 9

2.4  SPWM控制技术原理. 11

2.4.1单极性SPWM控制技术. 12

2.4.2双极性SPWM控制技术. 14

2.4.3   SPWM的调制方式. 14

3变频调速系统的硬件电路设计.................................... 17

3.1变频调速系统的总体设计. 17

3.2主电路的设计. 18

3.2.1整流电路. 19

3.2.2滤波电路. 20

3.2.4逆变电路. 21

3.2.5IPM为功率器件的驱动电路. 23

3.2.6吸收电路. 24

3.3系统保护电路的设计. 24

3.4控制电路的设计. 29

4 变频调速系统的软件设计........................................32

4.1 DSP生成SPWM波形. 32

4.2系统程序设计. 34

5 全文总结.........................................................37

致  谢.. 38

参考文献...........................................................39

 


1 绪论

1.1 电机变频调速发展现况和趋势

能源需求正极大地影响着全球经济发展。我国同样也面临着经济增长对能源需求的压力。九十年代我国高耗能产品的耗能量比发达国家高12-55%,能源综合利用效率仅为32%。 我国迫切需要提高能源利用效率。电机是能源消耗大户之一。我国电机总装机容量已达4亿千瓦,年耗电量达6000亿千瓦时,占工业耗电量的80%,然而直到目前,我国各类在用电机80%以上还是中小型异步电动机,可见我国在电机节能领域有非常大的潜力。电机节能技术最受瞩目的就是变频调速技术。但是,我国变频调速技术研究虽然非常活跃,然而产业化仍很不理想,外国产品几乎占据了我国变频调速技术市场的60%。 以下将着重介绍变频调速技术的最新发展概况。

1.永磁同步电动机及其控制系统的发展具有快速电流跟踪系统的变频装置、DSP信号处理器以及高性能钕铁硼永磁材料的发展,为各类永磁同步电动机及其控制系统的发展带来生机。 永磁同步无龄轮电动机及控制系统,是新一代的绿色电梯驱动装置。国外该类电梯专用变频装置有十分完善的软件支持,可接受任意位置传感器的反馈信号,具有自学习功能,自动识别电动机参数,在实现磁场定向伺服时,自动进行初始定位,具有和直流电动机一样优良的线性转矩控制特性。其体积小、效率高、功率因数高、振动小、噪声低,平层精度好,在高层建筑、无机房电梯和家庭小梯中都有很大的市场。

2.变频调速系统中PWM技术的发展PWM控制是变频调速系统的核心[1],任何控法几乎都是以各种PWM控制方式实现。九十年代以来的产品,正弦形PWMSPWM)调制方法已逐步为以下方式取代:快速电流跟踪PWM技术快速电流跟踪型PWM逆变器为电流控制型的电压源逆变器,一般采用滞环电流控制,使三相电流快速跟踪指令电流。该逆变器硬件简单,电流控制响应快,兼有电压和电流控制型逆变器的优点,普遍用于PMSM伺服系统和异步电动机矢量变换控制系统。磁链跟踪控制PWM技术这种方法把逆变器和电动机视为一体,以三相对称正弦波电压供电时交流电动机理想的圆形磁场为基准,用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢量来跟踪基准磁链园,由跟踪结果决定逆变器的开关模式,形成PWM波。由于磁链的轨迹是靠空间矢量的选择来实现,因此又称电压空间矢量法。直接转矩的智能控制PWM技术常规的直接转矩PWM技术无法区别转矩、磁链的非常大的偏差和相对小的偏差,这将造成电机启动期间系统的停滞。而采用智能控制中的模糊控制,可以通过定子磁链的空间位置,由一系列偏差的正大,正小等模糊语言,根据模糊规则推出逆变器的开关模式,使系统性能改善。双PWM控制技术交一直一交电压型逆变器是目前最广泛使用的型式,但常对电网构成谐波污染。目前双PWM控制技术的研究非常活跃,即由PWM整流器和PWM逆变器组成的双PWM变频器无须任何附加电路就可使电网侧的输入电流接近正弦波,使系统的功率因数约为1,彻底消除网侧的谐波污染,并实现了四象限运行。

1.2电力电子技术的发展现况和趋势

自从1956年第一只晶闸管的问世,电力电子技术作为电子技术的一个分支建立以来,电力电子技术已取得了令人注目的发展,早期的半控型电力电子器件SCR已逐渐被全控型半导体器件所代替,并发展出了多种高电压、大电流、快速(高频)、驱动简单、复合化和智能化的功率半导体开关器件。例如,单极型器件有功率;双极型全控器件有[3]:GTR、达林顿管、GTO;复合器件有IGBTMCTMGTsITH;近几年发展的智能型功率器件IPMSMARTFETTOPSwctih等。其中场效应晶体管作为一种电压控制型多子器件,具有快速、安全工作区大、容易驱动的特点,因此,近些年来复合型器件被广泛应用在高频开关和电机控制中,并随着生产工艺和制造技术的发展,性能不断被改进。例如MOSFET的通态内阻不断减小,新的MOSFET通态内阻不仅比PN结的正向好,甚至比肖特基二极管的正向内阻还小,己成为最佳的整流器件之一;MOSFET为基础的复合型器件IGBTEIGTMER(固态继电器)FETKEY(MOSFET+SCHOTTKY)等器件耐压不断增加,电流逐渐增大。如目前IGBT耐压已达到450V以上,EIGT已有4500v/1000A的产品。同时由于电压控制型器件的应用,使功率开关管的驱动电路大大简化,例如IGBT器件的门极驱动电路比双极型晶体管的基极驱动电路所用的元器件要小得多,而且,所需要的驱动功率也比双极型晶体管的基极驱动电路的要少很多,从而使将驱动电路和功率开关管集成在同一芯片或模块中成为可能,并且经过了近些年来的发展,功率电子器件制造公司以推出了多种有智能特性的复合器件或模块,例如SMARTFET和护M,它们内部不仅集成了各种自保护功能,也将控制芯片集成在里面。其中SMARTFET是采用了微电子工艺集成的器件,IPM是一种智能功率模块。从电力电子器件的发展历程,我们可以看出电力电子器件正在向高耐压、大电流、小的正向内阻、智能化的电压控制型器件发展。

1.3国内外交流调速现状

1.3.1国外现状

在大功率交一交变频调速技术方面,法国阿尔斯通己能提供单机容量达3万的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面,意大利ABB公司提供了单机容量为6万的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面,德国西门子公司simovertA电流型晶闸管变频调速设备单机容量为102600kVA,其控制系统己实现全数字化,用于电力机车、风机、水泵传动。在小功率交流变频调速技术方面,日本富士BTJ变频器最大单机容量可达7OkVAIGBT变频器已形成系列产品,其控制系统也已实现全数字化。

国外交流变频调速技术高速发展有以下特点:

1)市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和能源的全球性短缺,变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等的节能场合,已取得显著的经济效益。

2)功率器件的发展。近年来高电压、大电流的SCRGTOIGBTIGCT等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用,使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。

3)控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础,16位、32位高速微处理器以及数字信号处理器(DPS)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展,为实现变频器高精度、多功能提供了硬件手段。

4)基础工业和各种制造业的高速发展,变频器相关配套件社会化、专业化生产。

1.3.2国内现状

从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距1015年。在大功率交一交、无换向器电机等变频技术方面,国内只有少数科研单位有能力制造,但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当大的差距。在中小功率变频技术方面,国内学者作了大量的变频理论的基础研究,早在二十世纪80年代,已成功引入矢量控制的理论,针对交流电机具有多变量、强耦合、非线性的特点,采用了线性解耦合非线性解耦合的方法,探讨交流电机变频调速的控制策略。随着高性能单片机和数字信号处理器的使用,国内学者紧跟国外最新控制策略,针对交流感应电机特点,采用高次谐波注入国内交流变频调速技术产业状况表现如下:

1)变频器的整机技术落后,国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力,但由于力量分散,并没有形成一定的技术和生产规模。

2)变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。

3)相关配套产业及行业落后。

4)产销量少,可靠性及工艺水平不高。

1.4本论文的研究内容

本文在掌握交流电机变频调速基本原理的基础上,采用电机控制专用DSP芯片TMS320LF2407A,运用变频调速的价厂控制方式和SPWM控制算法,提出了交流电机变频调速系统的总体设计方案,有速度传感器,控制电路比较简单,电机选择通用标准异步电动机,因此其通用性比较强,性能/价格比比较高。

具体研究工作包括:交流电机变频调速原理的研究;变频调速系统硬件电路的研究和设计,包括主电路、系统保护电路和控制电路;变频调速系统控制软件的研究和设计

2交流电机变频调速原理

2.1三相交流电机的结构和工作原理

2.1.1三相交流电机的结构

定子是电动机的不动部分、它主要由铁心、定子绕组和机座组成。定子绕组是定子中的电路部分,中,小型电动机一般采用漆包线绕制卜其三相对称绕组共有六个出线端,每相绕组的首端和末端分别用D1,D2,D3D4,D5,D6标记,可以根据电源电压和电动机的额定于电压把三相绕组接成星形或三角形,参见图2-1

  D3     D1    D5                          D3    D1    D5

 

 

 

 

 


    D4   D2   D6                           D2     D6   D4

                        D2                                    D1

                                                D6

 

D5           D1                                D4         D2

           D3            D4                                    D3

 


                         D6                                   D5

 2-1三相交流异步电动机接线柱的联接

转子是电动机的旋转部分,由转轴、转子铁心、转子绕组和风扇等组成。转子铁心是一个圆柱体,也由硅钢片叠压而成,其外圆周表面冲有槽孔,以便嵌置转子绕组。转子绕组根据其构造分为两种形式:鼠笼式和线绕式。

 (a)鼠笼式

鼠笼式转子是在转子饮心的槽内压进铜条,铜条的两端分别焊接在两个铜环上,因其形状如同鼠笼,故得名。现在巾、小型电动机更多地采用铸铝转子,即把熔化的铝浇铸在转子铁心槽内,两端的圆环及风扇也一并铸成。用铸铝转子可节省铜材,简化了制造工艺,降低了电机的成本。

 (b)线绕式

其转子铁心与鼠笼式相同,不同的是在转子的槽内嵌置对称的三相绕组。三相绕组接成星形,末端接在一起,首端分别接在转轴上三个彼此绝缘的铜制滑环上。滑环对轴也是绝缘的,滑环通过电刷将转子绕组的三个首端引到机座上的接线盒里,以便在转子电路中串入附加电阻,用来改善电动机的起动和调速性能。

2.1.2三相交流电机的工作原理

    交流电动机是利用载流导体在磁场中产生电磁力的原理制成的。

 假设将定子绕组联接成星形,并接在三相电源上,绕组中便通入三相对称电流:           

iU                                     (2-1)

iv=Imsin(t-1200)                              (2-2)

Iw=Imsin(t+1200)                              (2-3)

其波形如图2-2所示。

    三相电流共同产生的合成磁场将随着电流的交变而在空间不断地旋

转,即形成所谓的旋转磁场,

              i

                         iu    iv          iw

 

 

              0               1800                                       3600                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           

 

 

 

                        2-2三相电流波形

旋转磁场切割转子导体,便在其中感应出电动势和电流,如图2-3所示。电动势的方向可由右手定则确定。转子导体电流与旋转磁场相互作用便产生电磁力F 施加于导体上。电磁力F的方向可由左手定则确定。由电磁力产生电磁转矩,从而使电动机转子转动起来。转子转动的方向与磁场旋转的方向相同,而磁场旋转的方向与通入绕组的三相电流的相序有关。如果将联接三相电源的三相绕组端子中的任意两相对调,就可改变转子的旋转方向。

n
 


                                                   F

                                                        

                                                           n0

 

 

+
 


                F

                    

 2-3转子转动原理图

旋转磁场的转速no称为同步转速,其大小取决于电流频率关和磁场的极对数p,当定子每相绕组只有一个线圈时,绕组的始端之间相差1200空间角,如图2-3所示,则产生的旋转磁场具有一对极,即p=1.当电流交变一次时,磁场在空间旋转一周,旋转磁场的(每分钟)转速no = 60f。若每相绕组有两个线圈串联,绕组的始端相差600空间角,则产生两对极,即p=2。电流交变一次时,磁场在空间旋转半周,即(每分钟)转速以此类推,可得

                                       (2-4)

式中:的单位为 

 在我国,工频Hz,电动机常见极对数p=1~4

 由工作原理可知,

转子的转速n必然小于旋转磁场的转速所谓“异步”。二者相差的程度用转差率来表示:

                                      (2-5)

一般交流电动机在额定负载时的转差率约为1%-9%

2.2交流电机的调速方式

根据电机学原理知识,可以得到交流电机的转速公式为:

                            (2-6)

由式(2-6)可以看出,交流电机调速方法主要有三大类:

其一是在电机中旋转磁场的同步转速恒定时,调节转差率s,称为变转差率调速;

其二是调节供电电源频率,称为变频调速;三是改变电机定子绕组的极数,称为变极调速。

(1)变极调速:变极调速一般是通过改变定子绕组的接线方式来改变电动机的定子绕组极对数,从而达到调速的目的。它既不是恒转矩调速方式,也不是恒功率调速方式。

    优点:

      1 具有较硬的机械特性,稳定性良好。

      2 无转差损耗,效率高。

      3 接线简单、控制方便,易维修、价格低。

      缺点:

有级调速,级差较大,不能获得平滑调速,且由于受到电动机结构和制造工艺的限制,通常只能实现2-3种极对数的有级调速,调速范围相当有限。

(2)变转差率调速:变转差率调速实现方法众多,例如调压调速、转子串电阻调速、串极调速和滑差离合器调速等方法。

交流电动机的输出功率的表达式为:

               (2-7)

其中M—电磁转矩。

ω—电机旋转磁场的速度。

—旋转磁场的同步速度

s—转差率

(27)称为交流电动机的转差功率,这一部分功率主要消耗在转子阻抗上。因此,当s增大时,电动机的损耗也将会增大。由此可以看出,调节电机转差率、调速是一种耗能的调速方法,是低效率的调速方式。

  (3)变频调速:变频调速是通过改变电动机定子电源的频率,来实现调速的方法即调节来调速。在转矩恒定时、基本不变,交流电动机的输与输入电磁功率:成比例变化,损耗基本没有增加,是一种高效的调速方法。

   优点效率高,调速过程中无附加损耗。应用范围广,可用于笼型交流电动机。调速范围大,特性硬,精度高。对于低负载运行时间较多或起停运行较频繁的场合,

    缺点技术复杂,造价高,维护检修困难。从上述比较可以看出,与变极调速和变转差率调速相比,变频调速可在宽广的范围内实现无级调速,并可获得很好的起动和运行特性,是一种效率比较高的调速方法。

2.3变频调速系统的控制方式

电机定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果,本质上是定子绕组的自感电动势。其三相交流异步电机每相电动势的有效值是:

                                       (2-8)

式中:—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值;

—与绕组结构有关的常数;

—定子频率;

—定子每相绕组串联匝数;

—每极气隙磁通量;

   由上式可见,如果定子每相电动势的有效值不变,改变定子频率时会出现下面两种情况:如果大于电机的额定频率厂N,那么气隙磁通量中、就会小于额定气隙磁通量中、。其结果是:尽管电机的铁心没有得到充分利用是一种浪费,但是在机械条件允许的情况下长期使用不会损坏电机。

(1)基频以下调速

 由式(2-8)可知,要保持中不变,当频率关从额定值向下调节时,必同时降低使常数,即采用电动势与频率之比恒定的控制方式。当电动势的值较高时,可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降,而认为定子相电压,则得常数。这是恒压频比的控制方式。在恒压频比的条件下改变频率f时,我们能证明:机械特性基本上是平行下移的,如图2-4所示,当转矩T增大到最大值后,特性曲线就折回来了。如果电动机在不同转速n下都具有额定电流,则电机都能在温升允许条件下长期运行,这时转矩T基本上随磁通变化,由于在基频以下调速时磁通恒定,所以转矩T也恒定。根据电机与拖动原理,在基频以下调速属于“恒转矩调速”的性质。低频时,都较小,定子阻抗压降所占的分量就比较显著,不能再忽略。

        n                    f1N                      f1N>f2>f3>f4

     nIN

                              f2

                            f3

 

                          f4

 

          0                                             T

                2-4基频以下调速时的机械特性

           n           f4                          f4>f3>f2>f1N

 


                       f3

                       f2                  P

 

                        f1N

 

            0

                                                      T

                 2-5基频以上调速时的机械特性

(2)基频以上调速

    在基频以上调速时,频率可以从往上增高,但电压却不能超过额定电压最多只能保持=、。由式(2-8)可知,这将迫使磁通随频率升高而降低,相当于直流电机弱磁升速的情况。在基频关以上变频调速时,由于电压=不变,我们不难证明当频率提高时,同步转速随之提高,最大转矩T减小,机械特性上移,如图2-5所示。由于频率提高而电压不变,气隙磁动势必然减弱,导致转矩T减小。由于转速n升高了,可以认为输出功率基本不变。

把基频以下和基频以上两种情况合起来,可得图2-6所示的交流电动机变频调速控制特性。

                         恒转矩调速

             U1                                         恒功率调速

              U1N

 

 

 


                      U1

 

 


                 0                                   fN               f1

2-6交流电动机变频调速控制特性

2.4  SPWM控制技术原理

 逆变器的输出波形是一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形,这些波形与正弦波等效,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等分,然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替,矩形脉冲的幅值不变,各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合。这样,有n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效,称为SPWM波形。SPWM波形如图2-7所示。

    产生正弦脉宽调制波SPWM的原理是;用一组等腰三角形波与一个正弦波进行比较,如图2-8所示,其相交的时刻(即交点)来作为开关管“开”或“关”的时刻。正弦波大于三角波时,使相应的开关器件导通;当正弦波小于三角载波时,使相应的开关器件截止。

     u

  2.4.1单极性SPWM控制技术

如图2-9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,相应比较器的输出电压为正电平,反之则为零电平。只要正弦调制波的最大澎氏于三角载波的由图2-9A)的调制结果必然形成图2-9(B)所示的等幅不等宽而且两侧窄中间宽的SPWM脉宽调制波形。负半周用同样的方法调制后再倒相而成。

 

              (A)调制波和载波 (B)单极性SPWM波形

2-9单极性脉宽调制波的形成

    单极性调制的工作特点:每半个周期内,逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中,只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断的工作,另一个完全截止;而在另半个周期内,两个器件的工作情况正好相反。流经负载Z的便是正、负交替的交变电流,如图2-10所示。

2.4.2双极性SPWM控制技术

双极性调制技术与单极性相同,只是功率开关器件通断情况不一样。绘出了三相双极式的正弦脉宽调制波形。当A相调制波>时,V1导通,V2关断,使负载上的相电压为UA=+U/z(假设交流电机定子绕组为星型联接,其中性点0与整流器输出端滤波电容器的中点0相连,那么当逆变器任一相导通时在电机绕组上所获得的相电压为U/2,当,V1关断而V2导通,则UA=-U/2 )所以A相电压是以+U/2-U/2为幅值作正、负跳变的脉冲波形。同理,的是由V3V4交替导通得到的,的是由V5V6交替导通得到的。由相减,可得逆变器输出的线电压波形的脉冲幅值为+U和-U。尽管相电压是双极性的,但是合成后的线电压脉冲系列与单极性相电压合成的结果一样都是单极性的。

综上所述,双极性调制的工作特点:逆变桥在工作时,同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断,而流过负载Z的电流是按线电压规律变化的交变电流,如图2-11所示。

 2.4.3   SPWM的调制方式

SPWM波毕竟不是真正的正弦波,它仍然含有高次谐波的成分,因此尽量采取措施减少它。图2-4-7是通过电动机绕组的SPWM电流波形。显然,它仅仅是通过电动机绕组滤波后的近似正弦波。图中给出了载波在不同频率时的SPWM电流波形,可见载波频率越高,谐波波幅越小,SPWM波形越好。因此希望提高载波频率来减小谐波。另外,高的载波频率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。但是,提高载波的频率要受逆变开关管的最高开关频率限制,而且也形成对周围电路的干扰源。

 SPWM的调制方式有三种:同步调制、异步调制和分段同步调制。在一个调制信号周期内所包含的三角载波的个数称为载波频率比。在变频过程中艰口调制信号周期变化过程中,载波个数不变的调制称为同步调制,载波个数才应变化的调制称为异步调制。

  l)同步调制

在改变正弦信号周期的同时成比例地改变载波周期,使载波周期与信号频率的比值保持不变。对于三相系统,为了保证三相之间对称,互差相位角,通常取载波频率为3的整数倍。而且,为了双极性调制时每相波形正负波形对称,上述倍数必须是奇数,这样在信号波处,载波的正负半周恰好分布在处的左右两侧。由于波形的左右对称,这就不会出现偶次谐波问题。但是这种调制,在信号频率较低时,载波的数量显得稀疏,电流波形脉动大,谐波分量剧增,电动机的谐波损耗及脉动转矩也相应增大。而且,此时载波的边频带靠近信号波,容易干扰基波频域。为了克服这个缺点,必须在低频时提高载波比,这就是异步调制方式。

(2)异步调制

异步调制方式是指在整个变频范围内,载波比都是变化的。一般在改变调制频率时保持三角载波频率不变,因此提高了低频时的载波比,在低频工作时,逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数可以随着输出频率的降低而增加,相应的减小了负载电机的转矩与噪声,改善了低频时的工作特性。但是由于载波比随着输出频率的降低而连续变化时,逆变器输出电压的波形其相位也会发生变化,很难保持三相输出的对称关系,因此会引起电动机的工作不稳定。

  2)分段同步调制

为了克服同步调制和异步调制的缺点,可以将他们结合起来,组成分段同步调制方式。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,使载波比分段有级的增加,这样就利用了异步调制的优点。具体实现方法是把逆变器整个变频范围划分为若干个频段,在每个频段内都维持载波比恒定,对于不同频段取不同的载波比,频率较低载波比取大点,一般有经验参数可取.

3变频调速系统的硬件电路设计

3.1变频调速系统的总体设计

本文设计的系统以TI公司的TMS320LF2407A为控制核心,其总体设计图如图3-1-1

 3-1基于DSP的变频调速系统总体设计

其中主电路部分由整流电路、滤波电路、逆变电路(IPM驱动电路与吸收电路组成。几其工作原理是把单相交流电压通过不可控整流模块变为直流电压,整流后的脉动电压再经过大电容平滑后成为稳定的基于DSP的交流电机变频调速系统的设计直流电压。IPM逆变电路对该直流电压进行斩波,形成电压和频率均可调的三相交流电,提供给电机。

系统保护电路包括过压、欠压保护、限流启动、IPM故障保护与泵升控制等。过压,欠压保护是利用电阻分压采集母线电压,与规定值相比较;限流启动是由于开启主回路时,大电容充电瞬间引起的电流过大,这样可能会损坏整流桥,因此在主回路上串联限流电阻R1,当电容电压达到规定值时,启动继电器把R1短路,主回路进入正常工作状态;IPM故障保护是IPM内部集成的各种保护功能,包括过电流保护功能、短路保护功能、控制电源欠电压保护和管壳及管芯温度过热保护。把上述各种故障信号进行综合处理后形成总的故障信号送入DSP (TMS320LF2407A)PDPINTA故障中断入口,进而封锁DSPPWM波输出。

 控制电路包括DSP最小系统电路、频率输入电路、光耦隔离电路等。最小系统由DSP本身和外扩的数据SRAM,程序SRAM、复位电路、晶振、译码电路、电源转换电路和仿真接口JTAG电路组成,仿真接口JTAG电路是为了实现在线仿真,同时在调试过程装载数据代码和程序代码;频率输入电路可以设置系统要输出的SPWM波的频率;光耦隔离电路是为了把DSP输出的弱电信号和主电路的强电信号进行可靠隔离。

3.2主电路的设计

主电路原理图如图3-2所示,由整流电路、滤波电路、逆变电路(IPM)IPM的吸收电路组成。主电路采用典型的交一直一交电压源型通用变频器结构,输入功率级采用单相桥式不可控整流电路RB1,整流输出经中间环节大电容(C1C4电容组成)滤波,获得平滑的直流电压。逆变部分通过功率器件IGBT的导通和关断,输出交变的脉冲电压序列。由于功率器件开关频率过高,会产生电压尖脉冲,因此需要吸收电路来消除该尖峰。图中C5C型吸收电路,R6R11C6C11组成RC型吸收电路。发光二极管DS1用来显示滤波电容两端的电量。

 

3-2主电路原理图

  下面详细介绍各个部分电路及元件参数(被控电动机参数为:△联接,额定功率为= 60W,额定电压=220V,额定电流=0.28A,额定频率= 50Hz,额定转速n=1400r/min.)

3.2.1整流电路

整流电路由4个整流二极管组成单相不可控整流桥,它们将电源的单相交流全波整流成直流。整流电路因变频器输出功率大小不同而异。小功率的,输入电源多用220V,整流电路为单相全波整流桥;大功率的,一般用三相380V电源,整流电路为三相桥式全波整流电路。本设计采用的是单相整流桥。

整流二极管的计算,通过二极管的峰值电流:

                          (3-1)

 流过二极管电流的有效值:

          (3-2)

  二极管电流定额:

=1.121.68A      (3-3)

考虑滤波电容的充电电流影响,要有更大的电流裕量,选用整流二极管的电压定额:

        (3-4)          

选用认= 1000V。根据上面计算的电压和电流以及市场价格和供货情况,实际选用的单相整流桥为10A, 1000V.

3.2.2滤波电路

在整流电路中输出电压是脉动的,另外,在逆变部分产生的脉动电流和负载变化也使得直流电压产生脉动,为了将其中的交流成分尽可能的滤除掉,使之变成平滑的直流电,必须在其后加上一个低通滤波电路。这里采用常用的电容滤波电路,在整流输出端并入大电容,整流输出直流电压含有很多偶次谐波,频率越高,电容容抗越小,分流作用越大,谐波被滤除的就越多,输出电压的平均值就越大。滤波电容除了滤除整流后的电压纹波外,还在整流电路与逆变器之间起去耦作用,以消除相互干扰,这就给作为感性负载的电动机提供必要的无功功率。因而,中间直流电路电容器的电容量必须较大,起到储能作用,所以中间直流电路的电容器又称储能电容器。

在没有加入滤波电容时,单相整流桥输出平均直流电压为:

              (3-5)

 加上滤波电容后,的最高电压可达交流线电压的峰值:

               (3-6)

假设输入电压的波动范围为200V ~240V,当输入电压对应240V的输入,整流后的电压为324V。又设电源功率因数为0.9,那么每一个周期,

电容吸收的能量为:

                   (3-7)

式中为电机输出功率,为峰值电压,为最小交流输入电压。考虑到纹波的需要,最小的交流输入电压应该在200V以上,所以有:

 (3-8)

滤波电容理论上讲越大越好,实际中考虑价格我们选择4450330叮的电解电容,分别两个并联后再2个串联,最后等效为一个耐压900330叮的电容。并联在电容两端的为均衡电阻,由于电容的各个参数不是完全相同,此均衡电阻使串联的电容分压相同,同时在电源关断时,给电容提供一个放电回路,此电阻阻值选用473.2.3电源指示

    发光二极管DS1除了表示电源是否接通以外,还有一个十分重要的功能,即在主电路切断电源后,显示滤波电容上的电荷是否已经释放完毕。

由于滤波电容的容量较大,而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行,如果滤波电容没有快速放电的回路,其放电时间往往长达数分钟。又由于滤波电容上的电压较高,如电荷不放完,将对人身安全构成威胁。

3.2.4逆变电路

逆变电路的功率开关器件选用的是以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为核心的智能功率模块(IPM) .IGBT80年代出现的新一代复合型电力电子器件,它集合了MOSFETGTR的优点,适合于高速、低功耗的场合,如电机控制,开关电源等。IGB T具有耐压高、电流大、开关频率高、导通电阻小、控制功率小等特点。而智能功率模块仁IPM)是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在同一个模块内,是电力集成电路PIC的一种。目前的IPM一般采用IGBT作为大功率开关器件。

(1) IPM的主要特性

采用低饱和压降,高开关速度,内设低损耗电流传感器的IGBT功率器件。该电流传感器是射极分流式采样,电阻上流过的电流很小,且与开关流过的大电流成确定比例关系,从而可代替一般要外接的电流互感器,如霍尔电流传感器等检测元件。同时饱合压降和开关速度之间的关系达到最优化,具有足够的安全工作区,能很好地满足由控制IC给出的保护范围。

采用单电源逻辑电压输入优化的栅极驱动,实行RTC(实时逻辑栅区)控制模式。以严密的时序逻辑监控保护,可防止过电流、短路、过热及欠电压等故障发生。带RC信号干扰抑制和电源干扰抑制。

IPM内置各种保护功能。只要有一个保护电路起作用,IGBT的门极驱动电路即关闭,同时产生一个故障信号,可送至DSP进行相应处理。

   三相桥臂;内含续流二极管;内置驱动电路、保护电路和报警输出电路。

 (2) IPM的选取

    IGBT正反向峰值电压为:

                        (3-9)

    IGBT电压定额为:

               (3-10)

    式中:1.5—安全裕量

         1.2—考虑大电容滤波后的电感升高系数

    IGBT通态峰值电流为:

                       (3-11)

    IGBT电流定额为:

              =1.5 x1.2 x0.79=1.42A (3-12)

    式中:1.5—安全裕量

         1.2—考虑电机的过载倍数

故可选用l0A/600VIPM模块,型号为PM10RSH120

(3)续流电路

续流二极管的主要功能有:

电动机的绕组是电感性的,其电流具有无功分量。续流二极管为 无功电流返回直流电源提供“通道”。当频率下降、电动机再生制动状态时,再生电流将通过续流二极管返回直流回路。IGBT (Q1~Q6)进行逆变的基本工作过程:同一桥臂的两个逆变管,处于不停的交替导通和截止的状态。在这交替导通和截止的换相过程中,也不时地需要续流二极管提供通路。

(4)IPM逆变器开关频率的确定

在变频调速系统中,采用SPWM逆变电路可以大大降低逆变电路输出电压的谐波,使逆变电路的输出电流接近正弦波。谐波的减少取决于逆变电路功率元件的开关频率,而开关频率则受器件开关时间的限制。

尽管智能功率模块IPM的开关频率可达10 -20kHz,但在确定逆变电路开关频率时,除了应使逆变电路输出接近正弦波,还要考虑器件的开关损耗,以保证变频调速系统具有较高的效率。因此,必须全面衡量后再确定采用IPM的逆变电路的开关频率。本系统开关频率选用1.8kHz.

3.2.5IPM为功率器件的驱动电路

IPM逆变驱动接口电路如图3-4所示仁上桥臂只以U相为例)

驱动电源

当控制信号(栅极驱动)与主电流共用一个电流路径时,由于主回路有很高的di/dt,至使在具有寄生电感的功率回路产生感应电压,而导致可能感应到栅极把本来截止的IGBT导通。因此IPM驱动电源需要采用四组隔离电源。上桥臂每相各用一组电源,下桥臂三相共用一组。

驱动电源电压在13. 5V-16. 5V之间,IPM能够正常工作。若电源电压高于16. 5V,则IGBT因驱动电源电压过高,保护性能得不到充分的保证,高于20VIGB T管的栅极会损坏,因此绝对不能加如此高的电压。若电源电压低于13. 5V, IGBT驱动电源电压不足,这时控制信号为无效操作。典型的工作电压一般取15V.

制作驱动电源时,应尽量降低纹波电压,还要使电源的附加噪声降到最小。可在控制电源输出端接10叮及0.1叮的滤波电容,保持电源平稳,修正线路阻抗。

(2)控制信号输入

控制电路电流与开关频率有关、见表3-1,因此控制端加一个上拉电阻。上拉电阻应尽可能小以避免高阻抗IPM拾取噪声,但又要足够可靠地控制IPM.

                    3-1控制端电流与开关频率的关系

单位mA

N

P

DC

20kHz

DC

20kHz

型号

Typ. Max.

Typ. Max.

Typ. Max.

Typ. Max.

PM10RSH120

18   25

23   32

7    10

8   12

 

PWM信号输入端必须用高速光耦进行隔离,一般取光耦的开关速度"  < 0.8S、共模抑制比CMR > ,通常的型号有:HCPL4504, TLP559, 6N136,并且在光耦输出端接一个退耦电容。

故障信号F使用时必须注意,当TFO=1.8ms典型值)有效时,IPM会关断开关并使输入无效。在F结束后,自动复位,同时使输入有效。因而在F输出时系统必须在1.8ms内使PWM信号无效,等故障排除后方可重新有效。低速光耦可用于故障输出端。

   (3) IPM的自保护功能

    IPM内部集成自保护功能,共有4路保护,分别是上桥臂三路保护UFO,VFO I WFO,下桥臂公用保护F。每个保护都包括过温、过流、欠压、短路保护。如果其中有一种保护电路动作,IGBT栅极驱动单元就会关断电流并输出一个故障信号,各个保护功能的工作情况将在保护电路中进行介绍。

3.2.6吸收电路

 开关过电压是IGBT在开关状态转换过程中产生的过电压,也叫瞬态过电压,消除这种电压尖峰的电路叫吸收电路(snubber)

3.3系统保护电路的设计

虽然在保护模块中己经设有过流、过热等保护,但为了提高系统的可靠性及更好的保护IGBT管,我们仍须设置一套快速而准确的保护环节以防止各种故障。在此,针对这些问题,设计了系统过压、欠压保护、限流起动、工频故障保护等电路。所有的保护电路的故障信号输出相与,所得的信号送入DSPPDPINTA中断口,当DSPPDPINTA管脚接收到低电平信号,DSP将做出相应的中断处理,立即封锁PWM输出及停止运行。

电路如图3-5所示。

由于保护电路属于系统的弱电控制部分,而故障信号又是从主电路中取出的,为保证系统工作稳定应实行弱电和强电隔离,即使两者之间既保持控制信号联系,又要隔绝电气方面的联系。这就要求我们在设计保护电路的同时应该考虑抗干扰问题。以下将分别介绍各个保护装置。

 

 

  说明: 11 点 05 分 37 秒

3-4  IPM接口电路

                        3-5系统的保护电路

3.3.1过压、欠压保护电路

系统中设置了直流电压过压、欠压保护电路。因为IGBT集射极耐压及承受反压的能力有限,而我国电网电压的线性度较差,电压会有一定的波动范围,这会导致直流回路过压或欠压,因此应设置直流电压过压、欠压保护电路,如图3-6所示。

直流电压保护信号取自主回路滤波电容器两端,经电阻R1,R4分压和光耦隔离后送入控制电路。光电耦合器是用来抑制输入信号的共模干扰。利用光电耦合器把各种模拟负载与数字信号源隔离开来,也就是把“模拟

                    3-6过压、欠压保护电路

地”与“数字地”断开。被测信号通过光电耦合获得通路,而共模干扰由于不能形成回路而得到有效抑制。注意在这里的隔离光耦是工作在线性工作区内。

(1)工作原理

在过()压保护中,当采样电压高()于保护参考点V2 (V1),则OVH(OVL)输出低电平,与其它故障信号相与后送入DSP/PDPINTA中断a,当DSP}PDPINTA管脚接收到低电平信号,DSP将做出相应的中断处理,立即封锁PWM输出及停止运行。

(2)保护点参数选择,设置电网电压士10%为允许的电压变化范围。

  欠压保护电压:U1 =(1-10%} = 311(1-10%) = 280V  ( 3-16

  过压保护电压;U2=(1+10%}=311(1+10%)=342V       (3-17)

3.3.2限流启动电路

此电路是用来防止在开启主回路时,由于储能电容大,加之在接入电源时电容器两端的电压为零,故当主电路刚合上电源的瞬间,滤波电容器的充电电流是很大的,过大的冲击电流将可能使整流桥的二极管损坏。因此为了保护整流桥,在主电路上串接入限流电阻R1,当滤波电容上的电压达到电机正常运行的65%时,电压继电器常开触头闭合,将电阻y短路,结束限流起动过程,进入正常运行状态。

(1)工作原理

工作原理与过压、欠压保护才目类似。控制信号也是从主回路滤波电器两端取出,经电阻EZ2; R4分压和光耦隔离后送入比较电路,两者共用一个光电隔离器。当采样信号高于参考电压,则运放输出高电平,三极管Q1导通,电压继电器动作,其常开触点闭合,将R1短路。

3.3.3 IPM故障保护电路

M有内置保护电路以避兔因系统失控或过载而使功率器件损坏,内置保护功能的框图如图3-7所示。如果丁M模块其中有一种保护电路动作,IGBT栅极驱动单元就会关断电流,并输出一个故障信号Fo。以下介绍各个保护功能的工作情况    

 


  V

驱动
欠压

 


 1N    

过滤

 


   F0

过温,温度控制
短路

 


   C

 


3-7 IPM内部保护电路

     (1)过电流保护功能

 通过检测IGBT集电极电流进行过电流保护,如果集电极电流超过允许值(OC),且持续时间大于toff,则软关断IGBT;并输出过流保护故障。由于有toff 这么长时间的保护动作延时瞬间过电流及噪声不会导致误动作。同时还具有防止误动作闭锁功能,在保护动作闭锁期间,即使有控制信号输入,IGBT也不工作。

2)短路保护功能

过电流保护动作时,短路保护将联动,能抑制因负载短路及桥臂短路产生的峰值电流。如果集电极电流超过容许值,则立即关断IGBT;输出短路保护故障。短路保护及过电流保护实际上均是对IGBT的集电极电流进行检测,无论哪个IGBT发生异常都可保护,由于电流检测内置,故无需另加检测元件。

3)控制电源欠电压保护

如果某种原因导致控制电压符合欠压条件,该功率器件会关断IGBT并输出故障信号。当控制电源电压小于允许的下限电压时,则IGBT关断,输出故障信号。如果毛刺干扰时间小于规定的时间则不会出现保护动作。欠压保护采用滞环控制方式,即当Vcc恢复至上限值时,且输入信号为OFF,则解除报警。

(4)管壳及管芯温度过热保护

采用与IGBT续流二极管管芯装在同一陶瓷基板上的测温元件检测基板温度,同时采用与IGBT管芯在一起的测温元件测IGBT管芯温度。当检测出温度超越保护温度值(OT),过热保护动作,IGBT被软关断。当温度降至复位温度,且输入信号为OFF,则解除报警。

 (5)抱警输出功能

在下桥臂侧各种保护动作闭锁期间,输出报警信号,如控制输入为ON状态,即使闭锁期已结束,报警输出功能也不复位,等到控制输入变为OFF时,报警复位,保护动作解除。

 注意:IPM内含的保护并不是对付反复出现的故障,因此,不要加有长期超过最大额定值的负载。输出故障信号F后,应立即送入控制处理器DSP的中断口/PDPINTA产生中断,停止运行并封锁送到IPM的输入信号,在排除了故障之后再启动运行。电源上电时应先接通控制电源Ucc,然后再加主电源。如果先加主电源,则可能在保护功能还未起作用时,IPM已损坏。由于IPM大多工作在PWM信号控制的高频开关状态,且电流较大,温度上升较快,即使有过热保护功能,但急剧的温度上升对IGBT的安全不利。因此,散热器的设计务必有充足的裕量保证管芯结温在额定值以内。

              

3.4控制电路的设计

 TMS320系列DSP的体系结构是专为实时信号处理而设计,该系列DSP控制器将实时处理能力和控制器外设功能集于一身,为控制系统应用提供了理想的解决方案。其中TMS320LF2407ATI公司面向电机控制推出的一款定点型DSP处理器,其特点可归结如下:

(1)采用高性能静态CMOS技术,使得供电电压降为3. 3V,减小了处理器的功耗;40MIPS的执行速度使得指令周期缩短到25ns,从而提高了处 理器的实时控制能力,使LF2407A可以提供远远超过传统的16位微处理器和控制器的性能。

(2)基于TMS320C2XXDSP的内核,保证了TMS320LF2407A芯片的代码与TMS320系列DSP代码兼容。

(3)片内高达32K字的Flash程序存储器,高达2. 5K字的数据/程序RAM,544字双端口DARAM, 2K字的SARAM

(4) SCI/SPI引导ROM.

    (5)两个事件管理器模块EVAEVB,每个管理器模块包括:两个16位通用定时器,816位的脉宽调制PWM通道,可以实现三相反相控制、PWM的中心或边缘校正、当外部引脚PDPINTX出现低电平时快速关闭PWM通道;防止击穿故障的可编程的PWM死区控制;对外部时间进行定时捕获的3个捕获单元;片内光电编码器电路;16通道的同步A/D转换器。时间管理器模块适用于控制交流异步电动机、无刷直流电机、步进电机、开关磁阻电机、多级电机和逆变器。

 (6)可扩展的外部存储器总共192K字的空间,分别为64K程序存储空间64K数据存储空间、64K字的I/0空间。

 (7) 10AD转换器,最小转换时间为375ns, 8个或16个多路复用的通道,可选择由两个事件管理器或软件触发。

 (8) CAN2.OB模块,即控制器局域网模块。

 (9)串行通信接口SC工模块。

 (10) 16位串行外部设备接口SP工模块。

 (11)看门狗定时器模块基于锁相环PLL的时钟发生器。

 (12)高达41个可单独编程或复用的通用输入输出引脚。

 (13) 5个外部中断,其中2个驱动保护,1个复位中断和两个可屏蔽中断。

 (14)电源管理,具有3种低功耗模式,能独立地将外围器件转入低功耗工作模式。

3.4.1  DSPTMS320LF2407A)的最小系统电路

DSP最小系统是指既没有输入通道,也没有输出通道,同时也不与其它系统进行通信的DSP系统。DSP最小系统的设计DSP硬件设计中的最基本,也是最重要的一步。它主要包括:电源电路、时钟电路、复位电路、仿真接头、扩展SRAM等。DSP最小系统框图如图3-8所示。

JTAG接口    

   

                     

DSP
      TMS320LF2407A
      ,电源监控,时钟,复位,程序,数据,EEPROM,电平变换
 

 

 

 

 

 

 

 

 


3.4.2 DSP外围接口电路设计

1.串行接口

串行接口电路如图3-9,我们通过一片MAX232构成串行通信接口。MAX232是双路驱动/接收器,内部包括电容型的电压生成器,可以将5V电源转换成符合EIA/TA-232-E的电压等级。接收器将EIA/TA-232-E标准的输入电平转换成5VTTL/CMOS电平。接收器的典型临界值是1.3V,典型磁滞是0.5V。发送器将TTL/CMOS输入电平转换成EIA/TIA-232-E电平。这样就可以实现下位机与上位机之间的通信。

                          3-9串口电路图

2. CAN总线接口

 UC5350CAN协议控制器和物理总线的接口,对总线提供不同的发送能力和对CAN控制器提供不同的接收能力,完全和IS011898标准兼容,并具有对电池和地的短路保护功能。图3-10CAN总线接口电路。

 

                      3-10 CAN总线接口电路

 

 

 

 

 

 

4变频调速系统的软件设计

     系统控制能力的优劣很大程度取决于软件可靠性和通用性之外,满足实时性的前提下,还要具有很好的实时性,控制软件还应具有灵活性。本系统软件采用了自上而下、从整体到局部的设计思想,采用模块化设计方案,使程序思路清晰,可读性强。

4.1 DSP生成SPWM波形

(1)控制寄存器设置

控制寄存器是指为产生SPWM波而需要设置的事件管理器(EUA)中的特殊功能寄存器。为了得到期望中的理想波形输出,不但要求有正确的算法,正确地设置控制寄存器同样也是极其关键的。控制寄存器的设置顺序为:

①  设置定时周期寄存器T1PR

②  设置动作控制寄存器ACTR

③  设置死区时间控制寄存器DB TCON

④   初始化GMPRx Cx=1, 2, 3)

⑤   设置比较控制寄存器GOMCON

⑥   设置定时器工控制寄存器T1CON

⑦   在每个采样周期重写CMPRx (x=1. 2, 3)

2) DSP生成SPWM波的基本设计思想

利用TMS320LF2407A生成SPWM波的基本设计思想是利用DSP的事件管理器(EUA)中的3个比较单元、通用定时器么死区发生单元以及输出逻辑来生成三相六路SPWM波,经6个复用的IO引脚输出,EVA内部PWM生成电路框图如图4-4-1所示。TMS320LF2407A的定时器有4种工作方式,当以如图4-2所示的持续向上/下计数方式工作时,将产生对称的PWMl波输出。在这种计数方式下,计数器的值由初值开始向上跳增,当到达T1PR值时,开始递减跳变,直至计数器的值为零时又重新向上跳增,如此循环往复。在计数器跳变的过程中,计数器的值都与比较寄存器CMPRxCx =1, 2 ,的值作比较,当计数器的值与任一比较寄存

 

 


     内部总线

通用定时器1,比较单元1
      比较单元2
      比较单元3
      ,脉冲模拟产生器
      对称PWM
      不对称PWM
      空间矢量PWM
      ,死区配置寄存器
 

 

 

 


                死区单元

输出逻辑
      PWM1           D            DTDH1      

         PWM2                                                DTDH2

         PWM3                                                DTDH3

            PWM4                                               DTDH4

         PWM5                                                              DTDH5

         PWM6                                                             DTDH6

                                                                                   

                                    PD   PINT  RS

 

4-1PWM生成电路框图

器的值相等,则对应的该相方波输出发生电平翻转,如图4-4-2所示,在一个周期内,输出的方波将发生两次电平翻转。从图4-4-2还可以看出插入死区时间后波形的变化情况,死区的宽度从{0-12}s可调。系统中考虑到所用功率器件的开通和关断时间(最大关断时间为设定PWM波的死区时间为6.4s,只要在每个脉

 

4-2对称PWM波产生机理

冲周期根据在线计算改写比较寄存器CMPR的值,就可实时地改变PWM脉冲的占空比。

 

4.2系统程序设计

本系统的软件主要有两部分组成:一、上位机监控程序;二、下位机控制程序。上位机负责电机参数的设定、电机及IPM运行状态的显示;下位机主要负责串口通信、空间矢量算法的计算、PWM输出、电压电流采集、故障监控等。上位机软件只需要实现对PC机串口的读写操作, 下位机控制程序主要由主程序和三个中断服务子程序组成。主程序主要负责DSP初始化、串口接收发送、循环等待等,其程序流程如图4-3所示。中断服务子程序包括:串口通信中断服务程序、PWM中断服务程序、故障中断服务程序。

串口通信中断服务程序的主要任务是:一、接收上位机发送的参数给定信息。

二、 PWM中断服务程序的主要任务是:一、根据给定频率完成频率的调节控制。其程序流程如图4-5所示:

 故障中断服务程序主要任务是:TMS320LF2407的功率驱动保护引脚接收到过流、欠压、过热、短路等故障信号时,产生中断,立刻封锁PWM输出,断开主电路并显示相应的故障,避免系统和IPM功率模块烧坏。故障中断服务程序

流程如图4-5所示:

·图45串口通信中断程序流程

开始
PWM中断
 


                   

DSP初始化,开串行中断,上位机参数设定
Q格式转换,根据当前频率和v/f图计算U
 

 

 

 


参数正确?否?否?                   

计算角度和扇
区
                

IPM自举充电        

判断有效矢量,计算有效矢量
      作用时间 t1tm
开定时器中断,程序后台等待
 

 

 

 


SPWM的产生                  

有中断否否?
 


频率变化
                 

执行中断服务程序                 

频率调节                                                           

返回
 


中断返回                                                                                                  

 

4-3主程序流程图                      4-4 PWM中断服务程序流程

 

 

 

 

 

 

故障中断,封锁PWM输出,故障信息
送串口显示
,停机 

 

 

 

 

 


4-5故障中断程序

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5全文总结

    本文在学习和研究了大量技术资料的基础上,以三相交流异步电动机为被控对象,以TMS320LF2407A (16位定点DSP芯片)为处理器,采用智能功率模块PM10RSH120,通过SPWM控制技术对交流电机实现恒压频比控制,设计了基于DSP的交流电机变频调速系统,做了以下工作:

1、分析和总结了电机调速、电力电子技术和国内外交流调速的发展现况和趋势。

    2、系统的研究了交流电机的结构和工作原理以及交流电机变频调速的原理,其中变频调速原理包括交流电机的调速方式、变频调速的L方控制方式和SPWM控制技术原理。

3设计并实现了基于DSP控制的交流电机变频调速系统的整套硬件电路,包括主电路、系统保护电路和控制电路。主电路部分包括整流、滤波、逆变器(IPM) , IPM驱动电路与吸收电路;系统保护电路包括过压、欠压保护、限流启动、IPM故障保护和泵升控制电路;控制电路包括DSP最小系统电路入电路和。本文给出了以上各部分电路的工作原理、参数计算以及各部分器件的选取。

4设计并实现了系统的控制软件,控制软件采用控制方式和SPWM控制算法编写了汇编语言程序。

 5、通过实验表明:整个系统运行稳定,可以实现频率范围60Hz,步进为1Hz的变频调速。U/f控制方式的变频调速系统是转速开环控制,无需速度传感器,控制电路比较简单,电机选择通用标准异步电动机,因此其通用性比较强,性能/价格比比较高。

 1、本系统是一个U/f控制方式的开环控制系统,它存在以下缺点:不能恰当调整电动机的转矩补偿和适应负载转矩的变化;无法准确地控制电动机的实际转速;转速极低时,由于转矩不足而无法克服较大的静摩擦力。因此可以将系统改进成闭环系统,对电机的电流和转速进行检测及处理,提高其控制精度。

  2、本系统主电路的强电部分对控制电路还有一定程度的干扰,应再研究变频器的干扰抑制技术,以消除干扰。

  3、本系统的人机接口还不是很完善,有待进一步改进。

致  谢

本课题是在--老师的悉心指导下完成的,在课题的研究过程中,刘老师倾注了大量的心血,她兢兢业业的工作作风、科学严谨的治学态度和宽以待人的优秀品质给我留下非常深刻的印象。从论文的选题、研究方案的制定、直至论文的撰写,均得到了刘老师的亲切关怀与悉心指导,花费了她大量的时间与精力。刘老师敏锐的洞察力、渊博的学识、高度的责任感令我深受裨益。在刘老师身上,我不仅学到了正确的科研方法及丰富的知识,也学会了做人的道理。在此特向刘老师表示深深的感谢!

在课题的研究期间得到了师兄妹们的大量帮助,在此向他们表示衷心的感谢!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

参考文献

1.陈伯时 编.电力传动自动控制系统  北京:机械工业出版社,1997

2.M.Copeland.Space Vector Modulation and Over modulation with an 8-bit Microcontroller[J].microcontroller Applications.1999:6-45.
3.
吴守箴 编著.电气传动的脉宽调制控制技术第二版 MI2003
4.
江思敏 编著.TMS320LF24OX DSP硬件开发教程  北京:机械T-业出版社,2003

5.何昆. 基于DSPPWM变频调速系统的研究,2002
6.
吕成刚 编著.基于DSP的变频调速系统, 2002
7
.王兆安 编.电力电子技术第四版〔M〕 北京:机械工业出版社,2001
8
.李志民 编著.同步电动机调速系统〔M〕 北京:机械工业出版社,2001
9
.虞东海,颜钢锋.基于DSP的变频调速矢量控制系统.电气传动,2003, VOL.33N04:2021
10
.陈伯时 交流调速系统〔M〕 北京: 机械工业出版社,1999
11.
郭必胜 编著.矢量控制变频器的研制 ,2003
12
.张燕宾 .SPWM变频调速应用技术第二版[M]  北京:机械工业出版社,2002

13.刘和平,邓力,江渝,郑群英, DSP原理及电机控制应用,基于TMS320LF240x系列,北京航空航天大学出版社,2006.

14 .王兆安,黄俊,电力电子技术[M],北京:机械工业出版社,2000,123154.

15.韩安太,刘峙飞,黄海.DSP控制原理及其在运动控制系统中的运用.清华大学出版社,2003.10

16.Ferdinand C.Geerlings.SMPS Power Inductor and Transformer Design[J].Part2.Powerconversion lnternational,January/February l979:45-52.

17 .Metzm M,Roux J,Doua S B,eal.New ZUS-PWM lnverters Switching Limits and

Operating Area[J].IEEE Porcedeings B,1992,139(2):86-95.

18. Texas lnstruments.SPace-Vector PWM With TMS320C24x/F24X Using hardware andSoftware Determined Switching Patterns[J].Literature Number:SPRA524.March 1999.

 

 

文章评论

共有条评论来说两句吧...

用户名:

验证码:

Top