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1、实验一 采用 SPWM 的开环 VVVF 调速系统实验一、实验目的（1） 加深对 SPWM 生成机理和过程的理解（2） 熟悉 SPWM 变频调速系统中直流回路、逆变桥器件和微机控制电路之间的连接（3） 了解 SPWM 变频器运行参数和特性二、实验内容一、在不同调制方式下，观测不同调制方式与相关参数变化对系统性能的影响，并作比较研究：1.同步调制方式时，在不同的速度下，观测载波比变化对定子磁通轨迹的影响；2.异步调制方式时，在不同的速度下，观测载波比变化对定子磁通轨迹的影响；3.分段同步调制时，在不同的速度下，观测载波比变化对定子磁通轨迹的影响；二、观测并记录启动时电机定子电流和电机速度波形 与
2、 ；)(tfiv)(tfn三、观测并记录突加与突减负载时的电机定子电流和电机速度波形 与 ；iv)(tf四、观测低频补偿程度改变对系统性能的影响五、测取系统稳态机械特性 ；)(Mfn三、实验原理1、异步电动机恒压频比控制基本原理由异步电动机的工作原理可知，电机转速 n 满足：)(60spfn其中 f 为定子电源频率， p 为电机定子极对数， s 为电机转差率。从上式中可以得到，通过改变定子绕组交流供电电源频率，即可实现异步电机速度的改变。但是，在对异步电机调速时，通常需要保持电机中每极磁通保持恒定，因为如果磁通太弱，铁心的利用率不充分，在同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的带负载能力下降；如
3、果磁通过大，可能造成电动机的磁路过饱和，从而导致励磁电流过大，电动机的功率因数降低，铁心损耗剧增，严重时会因发热时间过长而损坏电机。如果忽略电机定子绕组压降的影响，三相异步电动机定子绕组产生的感应电动势有效值 E 与电源电压 U 可认为近似相等，为： mN4.fkE其中 E 为气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值， f 为定子电压频率， N 为定子每相绕组匝数， 为基波绕组系数， m为每极气隙磁通量。Nk由上式可知，在基频电压以下改变定子电源频率 f 进行调速时，若要保持气隙磁通 m恒定不变，需保持电动机每极磁通为额定值的控制策略为恒压频比（ U/f）控制。在恒压频比控制方式中，当电源频
4、率比较低时，定子绕组压降所占的比重增大，不能忽略不计。为了改善电机低频时的控制性能，可以适当提高低频时的电源电压，以补偿定子绕组压降的影响。我们称此时的控制方式为带低频补偿的恒压频比控制。以上两种控制特性简单示意图如图 1-1 所示。图 1-1 恒压频比控制特性需要指出的是，恒压频比控制的优点是系统结构简单，缺点是系统的静态、动态性能都不高，应用范围有限。2、异步电动机变频调速系统基本构成在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，其特点是调速范围广、平滑性好、运行效率高，已成为异步电动机调速系统的主流调速方式。异步电动机变频调速系统实验原理如图 1-2 所示，调速系统由不可控整流桥
5、、滤波电路、三相逆变桥、DSP2812 数字控制系统以及其它保护、检测电路组成。图 1-2 异步电动机变频调速系统原理图工作原理：三相交流电源由二极管整流桥整流，所得电流经滤波电路进行滤波后，输出直流电压；再由高频开关器件组成的逆变桥，将直流电逆变后输出三相交流电作为电机供电电源，其中通过对开关器件通断状态的控制，实现对电机运行状态的控制。二极管整流桥，阻容滤波，三相逆变桥工作的基本原理，SPWM 生成的基本原理不在赘述，作为实验预习内容，参考教材相关章节。3、基于 DSP 的 SPWM 调速系统基本原理Ti DSP2812 是一款功能强大，专门用于运动控制开发的芯片。其片内有可以用来专门生成
6、 PWM波的事件管理单元 EVA、EVB，配套的 12 位 16 通道的 AD 数据采集，丰富的 CAN、SCI 等外设接口，为电机控制系统的开发提供了极大地便利。基于 DSP 的 SPWM 调速系统框图如图 1-3 所示。系统上位机发送转速设定值及其他运行参数到 DSP 片内，其中载波周期值设置在定时器 1 周期寄存器（T1PR）内，将脉冲宽度比较值放置在比较单元的比较寄存器（CMPRx）中，通过定时器 1 控制寄存器（T1CON）设置定时器工作方式为连续增/减方式，通过比较控制寄存器 A（COMCONA）设置比较值重载方式，通过死区控制寄存器（DBTCONA）进行死区控制使能。进行比较操作
7、时，计数器寄存器（T1COUNT）的值与比较单元比较寄存器的值相比较，当两个值相等时，延时一个时钟周期后，输出 PWM逻辑信号。对于脉宽比较值的生成程序以及 DSP2812 生成 PWM 的详细过程这里不再详述，有兴趣的同学可以查找资料进行更深入的了解。上位机控制平台数据通讯D S P 2 8 1 2电机转速设定发送恒压频比曲线（ M / U - f ）正弦表生成及查找三相脉冲宽度比较值D P S 2 8 1 2与 P W M 生成相关的片内资源（ 比较器 、 定时器 、 死区控制 、 P W M 发生器等 ）P W M逆变器直流电压M软件程序数据通讯P W M 1P W M 2P W M 3
8、P W M 4P W M 5P W M 6图 1-3 基于 DSP 的 SPWM 调速系统基本原理框图4、系统的参数（1） 交流电源为标准工频电源，故电源运行频率设定 f 可在 150HZ 的范围内连续可调。（2） 调制方式同步调制：载波比可以在 30-500 连续可调。异步调制（默认调制方式）：载波频率可以在 1500-4000Hz 连续可调；分段同步调制：当运行频率 1Hz f 25Hz 时，系统以异步方式运行；当运行频率 f 25Hz 时，系统以同步方式运行。 (3) V/f 曲线三条 V/f 曲线可供选择，以满足不同的低频电压补偿要求1无低频补偿；2当运行频率 1Hz f5Hz 时，补
9、偿电压为 21.5V；3当运行频率 1Hz f 10Hz 时，补偿电压为 43V；（4）电流校正在-500 到 500 连续可调。 （电流校正主要是补偿电流信号采集系统的零点漂移）四、实验设备：1. NMCL13B 电机研究型变频调速系统实验平台及其相关组件2. 异步电动机 M04，他励直流发电机 M033. 直流电机励磁电源、电阻负载等相关挂箱4. 万用表、示波器等五、实验步骤：1. 按照实验要求，连接硬件电路。检查无误后，给系统驱动部分供电。2. 运行上位机调速系统软件，如图 1-4，观察右下角软件状态指示灯状态，若为红色，请重启软件；若为绿色，选择“感应电动机开环 VVVF 调速实验”
10、。此时弹出面板为开环变频调速实验面板（四个虚拟示波器从左到右，从上到下依次显示的是三相调制波、实际转速、线电流、模拟定子磁通轨迹） 。系统默认状态为异步调制方式；载波频率 f3000Hz；系统电源频率 f 设定为 f30Hz 。 由于 DSP 内程序未运行，USB 接口无数据，故界面中各虚拟示波器波形中为无规则波形，如图 1-5。3. 保持上位机的“运行”状态，在下位机 DSP 中加载开环 SPWM 变频调速程序，加载完成后可从上位机前面板上看到虚拟示波器中有三路规则正弦调制波，如图 1-6 所示。将示波器探针连接至 SPWM 输出引出端口，观测端口是否有脉冲输出（如果示波器性能满足要求，可以
11、看到脉冲频率 f3000Hz） ，并且两两比较观测面板上 1-2，3-4，5-6，观察其相位是否相反，死区是否存在。4. 改变“电流校正”输入框中的校正值，使“ABC 三相电流采样值曲线图”中三条电流曲线均值到零值。电流采样校正前后的上位机界面如图 1-7、1-8 所示。5. 完成上述系统初始化检测及校正后，即可进行以下实验。 （此时用手旋转电动机转子，可在上位机转速显示图中观测到小幅曲线，转速指示转盘观察到指针摆动）6. 接通电源，缓慢旋转调压器使变频器供电电压为 220V，使电机在默认设定参数下运行起来。(一) 选择异步调制方式，在不同的速度下，观测载波比变化对定子磁通轨迹的影响；a. 在“载波频率”输入框中输入载波频率，在“频率设置”调节条中设置预设值（1-50Hz 的整数） ，从上位机中观测定子磁通曲线。
