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1、防灾科技学院毕业设计题 目 基于DSP的交流异步电机调速的研究学生姓名修凤武学 号0770237系别防灾仪器系专 业 电气工程及其自动化班级07702开题时间 2010年11 H 26 H答辩时间2011年06月11日指导教师于瑞红讲师基于DSP的交流异步电机调速的研究作 者修凤武指导教师王全胜摘要 矢量控制作为一种先进的控制方式，是在电机统一、机电能量转换理论和坐标变换理论的 基础上发展起来的，具有先进性、实用性的特点。其思想就是利用坐标变化，使得异步电动机的模 型变成直流电动机模型，将定子电流矢量分解为按转子磁场定向的两个直流分量并分别加以控制， 从而实现磁通和转矩的解耦控制，以期达到直流
2、电机的控制效果。关键词：矢量控制、变频调速、数字信号处理(DSP)、电压控制矢量法(SVPWM)ABSTRACT Vector control as an advanced control mode, is in the motor, electrical and mechanical energy conversion unified theory and coordinate transformation theory developed on the basis of, have the characteristics of the advancement and practicabil
3、ity. The idea is the change of coordinate, make induction motor model into de motor model of stator current vector decomposition, to press a rotor field-oriented two de component were controlled, and so as to realize the flux and the torque of the decoupling control, in order to achieve de motor con
4、trol effect.KEYWORDS： Vector control, variable frequency speed regulation, and digital signal processing (DSP), voltage control vector method (SVPWM)目录引言1第一章绪论11.1课题研究背景和意义11.2异步电动机调速技术的发展概况11.3异步电机变频调速技术21.4研究的目标和内容3第二章 交流异步电机的PWM技术42.1交流异步电动机变频调速通用原理42.2脉宽调制(PWM)技术52.3电压空间矢量SVPWM技术6第三章 交流异步电动机矢量控制
5、技术63.1异步电动机的数学模型63.2坐标变换的矢量控制73.3 矢量控制原理103.4矢量控制方式10第四章系统硬件电路的设计124.1 DSP(TMS320LF2407A)124.2主回路的设计134.3逆变器驱动电路的设计134.4检测电路的设计144.5辅助外围电路的设计与实现16第五章系统控制软件的设计开发175.1系统软件总体设计175.2软件模块205.3本章小结23第六章仿真结果分析246.1 MATLAB / SIMULINK 仿真平台246.2仿真系统建模246.3仿真结果及分析266.4本章小结26致谢27参考文献28引言随着半导体业的迅猛发展，尤其是数字信号处理器的发
6、展以及精确的异步电机模型 和各种先进的控制理论的提出，很大程度上促进了电机控制的发展，使得高精度、宽调 速范围、控制性能好的电机控制器的实现成为可能。第一章绪论1.1课题研究背景和意义随着电力电子技术、计算机应用技术、和快速增长的自动化控制技术、电气传动技 术正在经历一个历史性的革命。直流传动控制和交流传动控制是电气传动技术的研究与 开发的两个方向,拥有两个方向的交流传动技术的发展进步，交流传动技术越来越成熟，交 流传动技术在许多领域具有调速性能和直流调速技术相媲美的性能，很多工业控制领域 已逐渐取代直流传输调速，但交流电机控制技术虽然经过多年的快速发展，但仍具有很大 的技术进步和发展空间,仍
7、然是该行业的重要课题。随着交流电机控制系统逐步完善以来，越来越多的硬件和软件实现简洁，不仅简化了 越来越复杂功能，同时，控制算法正在迅速发展。目前，交流电机控制已成为一门集运动 学习与电力电子技术、自动控制技术、数字模拟和计算机控制为一体的新兴学科。因此, 从事电气自动化相关专业技术人员，了解和掌握交流电机系统工作原理的数字控制系统 设计方法已成必然趋势，我们根据需要选择设计合理的控制方案对效益的最大化，引进、 吸收、消化国外先进技术，并能继续进一步探索了学习和提高交流电机控制理论和控制策 略的方法日趋重要。1.2异步电动机调速技术的发展概况在电力电子发展之前，直流电机已经占据了主导地位。直流
8、电机，当改变电动机的 电压或者励磁电流时，就可以对电机进行无级调速，且电动机的转矩相对比较容易控制, 并且动态性能良好。但直流电动机有其缺点：重量大，价格高，结构复杂；电刷易磨损, 维修不方便；对环境要求高，不适合用于一些要求较高的的场合。这与现代调速系统要 求的可靠性、可使用性、可维护性相矛盾，因此直流电机已经很难适应现代电气传动的 要求了。交流电动机，容量没有限制，结构简单，制造方便，价格低廉，而且维修方便可 适应各种复杂环境，在工农业生产中得到了广泛的应用。但同时交流电机本身是一个强 耦合、非线性的多变量系统，其可控性较差；而随着现代交流电机的调速控制理论和电 力电子技术的发展，交流电机
9、调速获得了突破性的进展。变频调速己经成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都得到了广泛的应 用；而且随着交流电机调速理论的发展（如：矢量控制和直接转矩控制）和电力电子技 术（IGBT、IPM）以及DSP等相关技术的发展，变压变频调速将在很长一段时间内主 导电气传动领域。本系统以D S P和功率管（MOSFET）及异步电动机构成的系统为研究对象，以提 高算法的执行速度和精度为目标，以空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）为控制算法， 设计了一种全数字化的变频调速系统，具有一定的理论和实际应用价值。1.3异步电机变频调速技术1.3.1电力电子器件的发展电力电子是交流调速装置的基础，其发展直接决定交
10、流调速的发展。20世纪50年 代出现SCR,之后相继出现GTO, GTR（也称BJT）和MOSFET,绝缘栅双极型晶体管 IGBT和绝缘栅双极型门控晶闸管IGCT,智能功率模块IPM。IPM是先进的混合集成功率器件，由优化的门极驱动及保护电路高速低耗的IGBT 构成，采用了有电流传感器功能的IGBT,能连续监控功率元件电流，从而实现高效的 过电流保护。由从IPM集成了过热保护电路和锁定保护电路，系统可靠性得到进一步提 咼。1. 3. 2异步电机变频调速控制理论的发展早期变频系统都是利用开环恒压比（V / F=常数）的控制方式，其优点是系统结构简 单、成本较少，缺点是系统的整体控制性能不高。具体
11、来说，其控制曲线会随着负载的 增加而增加，转矩相应的变化慢,，跟随性不好，利用率不高，低频时因定子电阻和逆 变器死区效应的存在，而性能下降稳定性变差等。因此这种控制方式比较适合应用在风 机、水泵调速场合。矢量控制理论，仿照直流电动机和交流电动机比较的方法，由此开创了交流电动机 与直流电动机等效控制的先河。矢量控制的主要思想是将异步电动机模拟成直流电动 机，通过变换坐标，分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，使得解耦控制实现, 从而获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。直接转矩控制理论（DTC）是比较先进的控制理论。原理：直接转矩控制和矢量控制有很大的斧别，DTC用的不是解耦思想。通过对电
12、 机定子电压和电流的检测，利用瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给 定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。1. 3. 3 DSP的发展20世纪80年代初期出现了数字处理器(DSP), DSP有其自身的优势：支持浮点运 算，提高了时钟频率，集成了硬件乘法器，它既增强了微处理器的数据处理能力，又在 片内集成了大量的外围接口，因而在控制系统中得到广泛应用。SPWM波形产生器技术 越来越成熟，它能与其它控制芯片配合共同完成交流电机的矢量控制。在本系统中采用 的是TI公司的TMS320LF2407A作为本控制系统的核心处理芯片。1.4研究的目标和内容1.4.1研究目标本论文的题目是基于
13、DSP的交流异步电机调速的研究。本系统以 TMS320LF2407A为核心，并在此基础上进行数字化PWM交流变频调速系统的研究142研究内容本文运用矢量控制技术并结合空间电压矢量技术，开发一套以TI公司的DSP芯片 TMS320F2407A为核心，形成具有良好人机界面的交流变频调速系统。该方案主要介绍和设计了一种以(DSP)TMS320LF2407A为中心的电机调速控制系 统，并以此调速系统为基础，研究了按转子磁场定向的SVPWM调制方式的矢量控制变 频调速系统，并利用该控制方式，搭建整个系统的硬件架构，同时编辑软件算法。使电 机在高速、低速以及启动、运行时的各个条件下都能得到比较理想，稳定的
14、控制特性。论文的研究内容具体包括：第1章主要介绍了电机调速理论以及控制理论的背景、意义、现状和发展方向， 以及本文的主要内容。第2章讲了交流异步电动机的PWM技术，变频调速的基本原理，变频调速主要 有基频以下和基频以上两种情况。第3章主要讲交流异步电动机矢量控制原理并从矢量控制系统原理出发，利用坐 标变换技术，分析构建了异步电机在三种坐标系中的数学模型，重点对基于转子磁场定 向的矢量控制原理进行了研究，最后介绍了电压空间矢量SVPWM控制的原理。第4章 讲述的是以TMS320LF2407A芯片为核心的硬件结构，包括交-直-交变频 主电路、转速检测模块、电流检测保护模块、电压检测保护模块及各个硬
15、件模块的具体 设计要求及电路结构。第5章 主要介绍了整个系统的软件设计，由主程序、中断服务子程序两部分组成, 给出了各个模块的详细软件设计流程图。第6章对交流异步电机矢量控制利用MATLAB进行了仿真，根据仿真结果研究改 进系统结构。第二章 交流异步电机的PWM技术2.1交流异步电动机变频调速通用原理交流异步电动机的转速公式：N=60f(l-s)/p(21)式中：p电动机极对数：卜电源频率；N电动机转速：s转差率。由式(2-1)可见，调节极对数P,转差率S和电源频率f可是其转速改变。其中， 改变电源频率来实现交流电动机调速的方法效果最理想。根据电机学理论，交流异步电 动机的定子绕组的感应电动势有效值计算如下：UE=4. 44kfip(22)要使电动机具有较好的性能必须在改变频率f的同时协调的改变定子电压U。使气 隙磁通为一常量为了保证：E/f=C=(p(2-3)式(2-3)表明了 f由基频降至低频的变速过程中使得(p=C,可以获得转矩Tc： Temax=C的控制效果。异步电机的控制特性如图21所示:在基频以上调速时，频率可以从额定值fs往上 提高，但是端电压U不能继续上升，只能维持在额定值使的磁通与频率成反比的下降，这时电机转矩基本上随磁通变化，因此在基频以
