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1、 DSP项目设计题目：三相交流电机变频调速控制器的设计学院物联网工程学院专业电气工程及其自动化学号：1070112217学生姓名：吴浩宇指导教师：方益民二一五年四月三相交流异步电机变频调速控制器的设计摘要：随着电力电子技术,微处理器技术以及新的电机控制理论的发展,交流调速性能得到日益提高。变频调速技术的出现使交流调速系统有取代直流调速系统的趋势。由于三相交流异步电动机具有优良的性能，且适应性强、维修简易、成本低、速度快容量大，因此其在工业场合应用广泛。介绍了交流电机变频调速的基本原理,结合正弦脉宽调制技术,以三相交流异步电动机为被控对象,以TMS320LF2407(16位定点DSP芯片)为处理
2、器,采用IPM模块,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的三相交流电机变频调速的控制器。简述了实现该控制系统的硬件软件设计方案。实验表明,系统运行稳定并实现了对三相交流电机变频调速的控制。关键词：异步电动机 DSP 变频调速 恒压频比控制 SPWM目录摘 要一 概述1 1.1 DSP发展现况和趋势11.2交流变频调速的优异特性11.3交流调速相关技术的发展及应用11.4微处理器与数字控制技术的发展31.5 PWM技术及其发展31.6本论文的研究内容4二 交流电机变频调速原理52.1三相交流电机的结构和工作原理52.2交流电机的调速方式62.3变频调速系统的控制方式6
3、2.4 SPWM控制技术原理8三 变频调速系统的硬件电路设计163.1变频调速系统的总体设计93.2主电路103.3驱动电路103.4控制电路11四 软件设计124.1 系统软件设计124.2TMS320F240714 4.3事件管理器15 4.4 ADC模块15 4.5 SPWM的DSP实现15 4.6 主程序16五 调试问题分析24六 心得与体会25 一 概述1.1 DSP发展现况和趋势20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，
4、在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。电机调速是电力电子技术应用的最大领域之一,具有极大的吸引力,同时也具有较强的挑战性。在计算机技术日新月异的时代，嵌入式系统软件、硬件不断进行着新的突破性发展。如今DSP操作系统和DSP应用已经成为当今嵌入式系统应用领域中最热门的技术，是高校、科研院所和高新技术企业的DSP软件、硬件开发人员的新的课题。DSP实时嵌入式操作系统是一种实时的、多任务的操作系统软件，它是DSP系统（包括硬、软件系统）极为重
5、要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口。1.2交流变频调速的优异特性1调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。2调速范围较大，精度高。3起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。4变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。5易于实现过程自动化。6必须有专用的变频电源，目前造价较高。7在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。1.3交流调速相关技术的发展及应用经过数十年的发展，目前交流调速电气传动已经成为电气调速传动的主流。交流电机与直流电机相比，特别是鼠笼式异步电动机具有结构简单、坚固耐用、容易维修、转动惯量小、制造成本低、适用于恶
6、劣工作环境、易于向高电压、高速大容量发展等一系列优点。但是交流电机本身是一个非线性、强祸合的多变量系统，电磁转矩很难直接通过外加信号来准确控制。而随着现代交流电机的调速控制理论的发展电力电子装置功能的完善，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，交流电机调速取得了突破性的进展，电气传动交流化的时代随之到来。交流变频调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有60% - 65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15% - 20%的电量。采用变频调速，一是根据要求调速用，二是节能。它主要基于下面几个因素：1变频调速系统自身损耗小，工作效率高。2电机总是保持在低
7、转差率运行状态，减小转子损耗。3可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击。在采用变频调速时，需从工艺要求、节约效益、投资回收期等各方面考虑。如果仅从工艺要求、节约效益考虑，下面几种情况选用变频调速较有利：根据工艺要求，生产线或单台设备需要按程序或按要求调整电机速度的。如：包装机传送系统，根据不同品种的产品，需要改变系统传送速度，使用变频调速可使调速控制系统结构简单，控制准确，并易于实现程序控制。用变频调速代替机械变速。如：机床，不仅可以省去复杂的齿轮变速箱，还能提高精度、满足程序控制要求。用变频调速代替用闸门或挡板调整流量适于风机、水泵、压缩机等。例如：锅炉上水泵、鼓风机、引风机实行了变频调速控
8、制，不仅省去了伺服放大器、电动操作器、电动执行器和给水阀门（或挡风板），而且使得整个锅炉锅炉控制系统得到了快速的动态响应、高的控制精度和稳定性。交流变频调速的方法是异步电机最有发展前途的调速方法。随着电力电子技术的不断发展，性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器会不断出现，这一技术会得到更为广泛、普遍的应用。目前，国外先进国家的变频技术正向小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向发展，我国也在加快发展步伐。1.4 微处理器与数字控制技术的发展微处理器的发展推动了控制技术的发展，使得现代控制理论中的一些先进的控制策略应用到电机控制中成为可能。在微处理器出现之前，驱动控制系统只能由模拟系统构成
9、。由模拟器件构成的系统只能实现简单的控制，功能单一，升级换代困难而分立器件构成的系统控制精度不高，温度漂移，器件老化严重，使得维护成本增高，限制了它的发展和应用。随着微处理器的应用，使得控制系统由模拟式进入模数混合式，基础电路甚至电机控制专用集成电路被大量在电机控制中引用，这些电路大大提高了电机控制器的可靠性、抗千扰能力，又缩短了新产品的开发周期，降低了研制费用，因而近年来发展很快。目前，适用于电机系统控制的控制器有单片机和数字信号处理器两种。单片机机片内集成较多的UO接口，但运算速度较慢，对电机的实时控制性能不够优越。主要代表为Intel公司早期的微处理器芯片8088、8085、8086和后
10、来推出的MCS51系列、MCS96系列。如今各大芯片厂商也推出了各自的微控制器，如美国微芯公司Microchip的PlC系列单片机，德州仪器TI的MSP系列单片机等。它们具有丰富的接口和适合电机控制的PWM输出，但是其处理速度无法满足电机控制系统更高性能的要求。目前这类调速系统多采用单片机为中心的模拟与数字混合控制方式。DSP是于九十年代出现的，面向快速信号处理的运算器。它的运算速度快，如德州仪器生产的C2000系列DSP主频最高可以达15OMHz。采用DSP构成全数字电机控制系统，可以实现控制功能的软件化，提高控制的实时性，降低系统的成本，并且可以方便的实现更先进的控制策略。本文的电机矢量控
11、制系统正是基于德州仪器(TI)的TMS320LF2407A这款数字信号处理器实现的。如今国内外也有不少学者和工程师把可编程控制器CPLD/FPGA应用到电机控制与调速领域。这主要是看重它们存储量大，处理速度更高的优点，但是这类微处理器的控制功能较弱，FO操作并不是十分方便，往往需要配合单片机才能更好的实现系统的功能，所以这限制了可编程控制器在电机控制和夺直流调速中的应用。1.5 PWM技术及其发展交流电机调速性能的不断提高在很大程度上是由于 PWM技术的不断进步。随着电压型逆变器在高性能电力电子装置(如交流传动、不间断电源和有源滤波器)中的应用越来越广泛，PWM控制技术作为这些系统的核心技术，
12、引起了人们的高度重视，并得到深入的研究。所谓PWM技术就是利用半导体器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现变压变频并有效地控制和消除谐波的一门技术。目前，几乎所有的变频调速装置都采用这一技术。PWM 技术用于变频器的控制可以明显改善变频器的输出波形，降低电机的谐波损耗，并减小转矩脉动，同时还简化了逆变器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应性能。目前,采用高速功率器件的电压型PWM变频器的主导控制技术有:1基于正弦波和三角波脉宽调制的SPWM控制，2基于消除指定次数谐波的HEPWM控制，3基于电流滞环跟踪的CHPWM控制，4电压空间矢量控制SVPWM，或称磁链轨迹跟
13、踪控制。这四种PWM技术中，前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标，第三种是以输出电流接近正弦波为控制目标，第四种是以被控电机的旋转磁场接近圆形为控制目标。三相SPWM控制方案由于其原理简单，通用性强，控制和调节性能好，是目前国内外的电机控制中应用最广的一种，该方法使得流入电动机的电流谐波较少，电机振动小，其控制变频压缩机的效果较好，相应的硬件和软件技术较成熟，但它仍然存在直流电压利用率低、谐波含量大，转矩脉动较大等缺点。消除指定次数谐波的HEPWM 控制是通过脉冲平均法把逆变器输出的方波电压转换成等效的正弦波以消除某些特定谐波，这样就可以实现某些特定的优化目标，如谐波最小，效率最优等;但是其
14、中求解最优开关角的方程为非线性的，且为超越函数，因此必须采用计算机编写最优的搜索程序，另外，要提高直流电压的利用率，还必须采取相应的优化措施，这又增加了系统的开发复杂度。CHPWM 控制方法的优点是控制简单、电流响应快、鲁棒性强;而其缺点是开关频率不固定，电流纹波大，低调制比时造成开关频率高，对功率器件不利，而且三相滞环需要相互独立控制，这在三相交流电机控制中显然增加了控制复杂度。此外，在直流电压不够高、反电动势太大(高速调速中)或电流太小时，电流控制效果不理想。电压空间矢量控制(SVPWM控制)从电动机角度出发，以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁链圆为基准，用逆变器不同的工作模式所产生的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，由追踪的结果决定变频器的开关模式，形成PWM波，这种方法就叫做“磁链轨迹跟踪控制”。由于磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的，因此又叫做“电压空间矢量控制”。空间矢量法是目前国际上比较先进的变频工作模式，由于其供给电动机的是理想磁链圆，因此，电动机工作更平稳，噪音更低，同时也提高了电动机的工作效率，提高了电源电压的利用效率。1.6 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U/f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,
