基于DSP的变压变频(VVVF)调速系统设计论文

基于DSP的变压变频(VVVF)调速系统设计基于DSP的变压变频(VVVF)调速系统设计变压变频调速由于其结构简单、灵活、易于实现，将是交流调速中的发展方向。变压变频调速也有多种方法，本文对目前研究领域相当活跃的正弦波脉宽调制技术(SPWM)的变频调速作了一定的研究，并进行了实践。异步电动机的调速原理是研究控制算法的基石，因文首先介绍了异步电动机的调速特性，从而展开介绍SPWM变频调速的理论基础。变频调速的控制算法也有许多，本设计对目前大部分通用变频器所采用的控制算法——恒压频比控制，本设计采用了TMS320LF2407A作为控制电路的CPU，采用该DSP的控制系统是本设计的硬件核心部分。因此本文简单的介绍此DSP与该设计相关的特性，继而介绍本系统的硬件设计和软件设计。并给出了系统、完整的硬件电路设计和软件程序流程设计。一、交流电机的调速1、交流电机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:n=n0(1-s)=60f1(1-s)/p(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0n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1f，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:a具有较硬的机械特性，稳定性良好。b无转差损耗，效率高。c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zp的表达式为:(2-7)其中M—电磁转矩。ω—电机旋转磁场的速度。wx—旋转磁场的同步速度s—转差率式(2一7)中MsP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wx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Pm=Mwx。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、变频调速V/F控制原理由电机学理论，交流异步电机的定子绕组的感应电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果，其有效值计算如下：E=KfΦ(3-2)式中K一与电机结构有关的常数；Φ一磁通。而在电源一侧，电源电压的平衡方程式为：U=E+Ir+jIx(3-3)该式表示，加在电机绕组端的电源电压U，一部分产生感应电动势E，另一部分消耗在阻抗(线圈电阻r和漏电感x)上。其中定子电流I分成两部分：少部分I1用于建立主磁场磁通Φ，大部分I2用于产生电磁力带动机械负载。I=I1+I2(3-4)当交流异步电机进行变频调速时，例如频率f下降，则由式(3—2)可知E降低；在电源电压U不变的情况下，根据式(3—3)，定子电流I将增加；此时，如果外负载不变时，I2不变，I的增加将使I1增加，也就是使磁通量Φ增加；根据式(3—2)，Φ的增加又使E增加，达到一个新的平衡点。理论上这种新的平衡对机械特性影响不大。但实际上，由于电机的磁通容量与电机的铁心大小有关，通常在设计时已达到最大容量。因此当磁通量增加时，将产生磁饱和，造成实际磁通量增加不上去，产生电流波形畸变，削弱电磁力矩，影响机械特性。为解决机械特性下降的问题，一种解决方案是设法保持磁通量恒定不变。即设法满足：E／f=KΦ=常数(3-5)这就要求，当电机调速改变电源频率f时，E也应该相应的变化，来维持它们的比值不变。但实际上E的大小无法进行控制。由于定子电阻上产生的压降相对于加在绕组端的电源电压U很小，可以用加在绕组端的电源电压U来近似代替E。调节电压U，使跟其随频率f的变化，从而达到使磁通量恒定的目的。即E／f≈U／f=常数(3-6)所以，在变频的同时也需要变压，这就是所谓的VVVF或VF。我们采用电源电压U近似代替E显然存在一定误差。当频率f的数值相对较高时，定子阻抗压降在电压U中所占比例相对较小，U≈E所产生的误差较小；当频率f的数值降的较低时，电压也按同比例下降，而定子阻抗的压降并不按同比例下降，使定子阻抗压降在电压U中所占比例增大，U≈E将产生较大误差。因为定子阻抗压降所占比重增大，使得实际上产生的感应电动势E减小，E／f的比值减小，造成磁通量Φ减小，因而导致电机的临界转矩下降。必须采取相应的补偿措施—U/f转矩补偿法。U/f转矩补偿法的原理：针对频率f降低时，电源电压U成比例的降低引起的U下降过低，采用适当提高电压U的方法来保持磁通Φ恒定，使电机转矩回升，即所谓的转矩提升(Torqueboost)。当频率高于额定频率时，为了避免电机绕组绝缘破坏的情况发生，电源电压不能超过电机的额定电压值。3、SPWM调制变频技术SPWM调制技术是PWM多脉冲可变脉宽调制技术的一种，即所谓的正弦波脉宽调制.其输出波形是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，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等份，然后把每一等份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份的中点相重合，这样，由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。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法与一系列负脉冲波等效。如图2-4所示。设由整流器提供的直流恒值电压为Us，并设电机绕组中点与直流电压中点相连，则SPWM脉冲序列波的幅值为2/sU。令第i个矩形脉冲的宽度为i，其中心点相位角为i，则根据面积相等的等效原则，可写成：i2sU=mUttdnn122111sinmU)2(cos)2cos(nknii=imnUsin2sin2（2-3）当n的数值较大时，近似的认为sin/(2n)=/(2n)，于是isminUUsin2（2-4）上式表明第i个矩形脉冲的宽度与该处正弦波值近币以成正比。因此，与半个周期正弦波等效的SPWM波是两侧窄、中间宽、脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形。相比于其它各种变频变压调制方式，这样的脉冲系列可获得比常规六拍阶梯波更接近于正弦波的输出电压波形，可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，因而转矩脉动小。由于电网的功率因数接近于1，大大提高了系统的整体性能。一般的，SPWM分单极性和双极性两种调制方式。0uwtUmsin2tw1T图2-4SPWM的输出波形3.1单极性SPWM法单极性SPWM法输出的每半个周期中，被调制成的脉冲电压只有一种极性，正半周为十U和零，负半周为一U和零，其调制波形如图2-5a)所示。曲线1是正弦调制波um，其周期决定于所需要的调制比kf。曲线2是采用等腰三角波的载波uc，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于uk1时正弦调制波的振幅值.每半周期内所有三角波的极性均相同，都是单极性。调制波和载波的交点，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲间的间隔宽度，所得的脉冲系列如图2-5a)中的uc所示.由图知，每半周期内的脉冲系列也是单极性的。单极性调制的工作特点是: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，另一个完全截至;而在另半个周期内，两个器件的工况正好相反。流经负载的便是正、负交替的交变电流（如图2—5b)所示。cu120Guwt0wt图2-5a单极性SPWM调制图图2-5b单极性调制的工作特点图3.2双极性SPWM法上述的单极性SPWM逆变器主电路每相只有一个开关器件反复通断。如果让同一桥臂上、下两个开关器件交替地导通与关断，则输出脉冲在“正”和“负”之间变化，就得到了双极性的SPWM波形。双极性SPWM法的调制波u-仍为正弦波，其周期决定于今，振幅决定于气，如图2-6a)中的曲线1.曲线2载波uc为双极性的等腰三角形，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于k=1时正弦调制波振幅值。调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的，如图2-6b)所示。但是，由相电压合成为线电压时，所得到的线电压脉冲系列却是单极性的，如图2-6c)所示。双极性调制的工作特点是: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，毫不停息。而流过负载凡的是按线电压规律变化的交变电流，如图2-6d)所示。A)cu1Au2Buwt图2—6双极性SPWM调制图a)调制波与载波b)相对于直流中性点的相电压c)线电压d)双极性调制的工作特点3、3SPWM的数字控制数字控制是SPWM目前常用的控制方法。可以采用微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制时根据指令调出;或者通过软件实时生成SPWM波形;也可以采用大规模集成电路专用芯片产生SPWM信号。分析生成SPWM波形的实现方式,模拟控制和数字控制两种形式。传统的模拟控制在逆变器中应用广泛，技术成熟，控制性能优良，但模拟控制也存在一些缺陷：元件众多，设计周期长，调试复杂，不易管理维护等。随着数字信号处理技术的蓬勃发展，数字控制技术已经成功地应用到电力电子与电力传动控制领域中来，逆变器的数字控制逐渐成为研究热点。由于微型技术的迅速发展和应用，交流电机变频调速系统的控制回路均以单片微机和SPWM脉宽调制共同完成。由于微机的高度集成化和很强的运算功能，用于PWM调速系统进行直接数字控制，可得到高度的稳定性、高度可靠性以及小型化和便于维修、节能、提高产品质量等应用效果。随着微电子技术的发展，开发出一些专门用于发生控制信号的集成电路芯片，配合微处理器进行控件生成SPWM信号方便得多。国内制的电动机微机控制系统，大多采用8031,8098等。由于这些芯片并非为电动机控制设计的，为了实现电动机控制的某些功能，不得不增加较多的外器件必须以多片集成电路方能构成完整的控制系统。近年，国外著名半导体集成电路厂商为满足高性能电动制需要，推出了一些电动机控制专用单片微处理器。它们可频驱动的交流电动机、采用斩波器驱动的直流伺服电动机或步进电动控制也可用于UPS电源等.其中较有代表性的就TI公司面向电机控制推出的TMS320系列DSP.本文所述系统就是利用TMS320LF2407A处理器产生六路SPWM驱动信号，来驱动主电路的IGBT进行逆变的。二、变频调速系统的硬件实现本系统主要由主电路、驱动电路、以TMS320LF2407A为核心的控制电路、人机接口电路、检测电路以及保护电路构成。本系统主要特点：·板上配置了128K（程序64K，数据64K）无延时静态随机存储器，时钟频率40MHz·16通道芯片内10位A/D转换器·DSP芯片自带32K存储器FLASHROM可反复在系统直接编写·芯片内有事件管理器，可直接驱动多达12路PWM脉冲输出，6路硬件捕获单元可以连接霍尔信号和光电编码器信号·芯片自带SPI接口与串行EEPROM进行数据交换完成bootload功能·板载高达10Mbps的RS232C接口与主机串行通·板载RS485接口，支持256节点的RS485串行通信·板载高速CAN2.0b总线扩展接口，支持ISO11898及ISO11898-24V标准·SPI同步串行口扩展·板带IEEE1149.1JTAG插座，供在系统仿真和对FLA