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1、xx 科技大学学士学位论文 摘要 摘要摘要 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。异步电 动机具有结构简单、运行可靠、维护方便等特点，随着电力电子器件、微 处理器以及控制技术的发展，交流调速的应用也越来越广泛。变频技术的 出现改善了交流电机的调速性能，同时基于微处理器的数字交流调速系统 也已经进入人们研究的范围。 本课题来源于实验室的实验装置，主要目的和任务是设计一个数字控 制的交流电动机调速系统，主要研究内容由软硬件两大部分组成。硬件部 分完成控制系统的硬件设计，包括硬件电路设计，其中包括主回路的选择、 单片机控制系统的组成与实现；软件部分完成对主程序、初始化子程序、 中断服
2、务子程序三大部分的设计，其中中断服务子程序包括状态量（电流、 转速）检测子程序、数字 PI 调节子程序、SPWM 生成子程序。最后，在实 验设备的基础上完成调试运行，检测各关键点的波形。 本设计针对交流异步电动机调速控制系统进行了研究和探讨，提出了 相应的硬件、软件设计方案，以 TI 公司的电机专用控制芯片 DSP TMS320F2812 为控制核心，采用正弦脉宽调制(SPWM)技术，实现了对交 流异步电动机转速闭环矢量控制，从而使交流电机运行精度得到很大提高。 关键词：关键词：DSP 交流调速 SPWM 矢量控制 山东科技大学学士学位论文 ABSTRACT ABSTRACT With the
3、 development of industrial and agricultural production, people also more and more high to the requirement of technology. Asynchronous motor has many characteristics ，such as simple structure, reliable operation, convenient maintenance, etc.As the power electronics, microprocessor and control technol
4、ogy develop, the application of ac speed regulation is becoming more and more widely. The emergence of frequency conversion technology to improve the performance of ac motor speed control, digital ac speed regulation system based on microprocessor also has entered the research scope of people. This
5、topic is derived from the laboratory experiment device, the main purpose and task is to design a digital control of ac motor speed control system, the main research content is composed of hardware and software of two parts.Hardware part of the complete control system hardware design includes hardwar
6、e circuit design, the selection of main circuit, single chip microcomputer control system composition and implementation; software part completes the main program, the initial program and the interrupt service subroutine design. Interrupt service subprogram include state detection subroutine (curren
7、t, rotational speed), digital PI control subroutine, SPWM subprogram .Finally, on the basis of the experimental equipment debugging and running,complete testing waveform of each key point. This design for ac asynchronous motor speed control system is studied and discussed, the corresponding hardware
8、 and software design, with the special 山东科技大学学士学位论文 ABSTRACT motor control chip DSP TMS320F2812 of TI company as the control core, using sine pulse width modulation (SPWM) technology, realizing the closed-loop vector control of ac asynchronous motor speed, so that the ac motor running accuracy is gr
9、eatly improved. Keywords: DSP ,AC speed-adjusting, SPWM, vector control 山东科技大学学士学位论文 目录 目录目录 1 绪论1 1.1 课题研究的目的和意义.1 1.2 国内外研究情况及其发展.2 1.3 交流调速系统的优越性.4 2 异步电动机的矢量控制理论9 2.1 正弦脉宽调制 SPWM 技术.9 2.2 异步电动机的矢量控制基本思想.14 2.3 矢量控制的坐标变换.16 3 基于 DSP 的交流调速系统硬件电路设计.25 3.1 系统总体结构设计.26 3.2 系统主电路设计.27 3.3 控制电路设计.28 3.
10、4 驱动电路设计.39 3.5 检测电路设计.42 3.6 保护电路设计.46 4 基于 DSP 的交流调速系统软件设计.47 4.1 软件总体设计.47 4.2 基于 DSP 生成 SPWM 波的实现方法52 4.3 数字 PI 调节器模块 .58 4.4 坐标变换模块.59 4.5 转子磁链计算模块.61 4.6 反馈信号检测模块.63 山东科技大学学士学位论文 目录 5 系统调试.68 结论.80 参考文献.81 致谢.82 附录.83 山东科技大学学士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 由于交流异步电动机变频调速系统拥有较好的调速和启、制动性能和 它的高功率因数、高效率等多种优良特性，再
11、加上其完善的调速性能、较 好的节电能力和通用的适用性推广性能，使得变频调速技术一跃而成电气 传动技术发展的核心领域。基于 DSP 的矢量控制系统的交流调速方案很好 地运用到工程实际中。并且随着电力电子技术、控制理论等学科的发展和 各种功率器件、微电子技术、计算机技术的不断推陈出新，矢量控制技术 越来越成熟，交流调速技术迅猛发展。 1.1 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 在实际的生产过程中离不开电力传动。生产机械通过电动机的拖动来 进行预定的生产方式。2050 年代前，电动机运行的基本方式是转速不变的 定速拖动，应用于控制精度不高以及无调速要求的许多场合。但是随着工 业化进程的发展，对
12、传动方式提出了可调速拖动的更高要求。直流电动机 可方便的进行调速，但是直流电动机体积大、造价高，并且无节能效果。 而交流电动机体积小、价格低廉、运行性能良好、重量轻，因此对交流电 动机的调速具有重要的实用性。 目前交流变频调速技术不但在传统的电力拖动系统中得到广泛的应用， 而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，并且在空调、洗衣机、电冰 箱等家电产品中也得到了广泛应用。在众多调速技术中，交流变压变频调 速之所以受人瞩目，是因为它能根据负载的变化使电机实现自动、平滑的 山东科技大学学士学位论文 绪论 2 增速或减速，调速特性基本保持了异步电动机固有转差率小的特点，因而 其效率高、范围宽、精度高且
13、能无级调速，是异步电动机最理想的调速方 法，尤其适用于水泵和风机，与传统的阀门、挡板调节相比，节电率高达 40%以上，同时这些领域对变频器性能的要求不高，只需模拟式八位微机 控制即可。实践证明，从数百瓦的伺服系统到数万千瓦的特大功率高速传 动系统，从小范围调速到高精度、快响应、大范围调速系统，从单机传动 到多机协调联动，从饲料和食品加工到钢铁冶炼等凡用到电机的场合，由 于变频调速技术的应用，都把调速效率和精度提高到前所未有的水平。 当今的交流变频调速系统包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是 驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。 数字化控制技术是当今科学发展的趋势。
14、采用单片机、PLC 或计算机等数 字控制器件控制交流调速技术也是现在工厂自动化应用比较广泛的技术。 1.2 国内外研究情况及其发展国内外研究情况及其发展 当前交流调速技术研究和讨论的焦点是变频器矢量控制和直接转矩控 制技术。二者都是在交流异步电动机高性能变频调速装置中得到广泛应用 的两种控制方案，并且都已经普遍应用到实际的变频产品中。实际中存在 这样的讨论研究，即矢量控制和直接转矩控制是否属于同一代的高性能交 流调速技术。对于这个问题的讨论学者们普遍认为二者的理论基础都源于 电动机的多变量非线性数学模型，两者都采用转速和磁链分别控制，在转 速环内设置转矩环，可以抑制磁链变化对转速子系统的影响，
15、从而使转速 和磁链实现近似的解耦。因此，两种系统的基本控制结构是相同的。二者 的不同之处在于：矢量控制系统采用转子磁链定向，实现了定子电流转矩 山东科技大学学士学位论文 绪论 3 分量与磁链分量的解耦，可以按线性系统理论分别设计转速和磁链调节器， 实现连续控制，从而获得较宽的调速范围。但转子磁链定向易受电动机转 子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性。直接转矩控制系统则采用转矩 和磁链的砰砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构，它控制的 是定子磁链而不是转子磁链，不收转子参数变化的影响，砰砰控制本身 属于 P 控制，可以获得比 PI 调节更快的动态响应，但会不可避免地产生 转矩脉动。因此，两者在本质上是相同的，都具有较高的静、动态性能， 两种系统的具体控制方法不一样，具有不同的特色和优缺点。 在实际应用中，国外已经取得了较为满意的成果。在大功率交交变 频调速技术方面，法国阿尔斯通公司已能提供单击容量达 3 万千瓦的电气 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 万千瓦的设备用于抽水蓄能电站。 在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司的 Simovert A 电流型晶闸管 变频调速设备单机容量 10-2600 千伏安，Simovert P GTO PWM 变频调速 设备单机容量为
