基于DSP及虛擬儀器的高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)

1、實驗五基于DSP及虛擬儀器的高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)一實驗目的1了解以TMS320F240為核心構成的全數(shù)字控制感應電機變頻調(diào)速實驗系統(tǒng)的硬件與軟件組成。2掌握采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）和空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）的感應電機開環(huán)變壓變頻（VVVF）調(diào)速系統(tǒng)的工作原理、優(yōu)缺點及應用場合。3掌握采用磁場定向控制（FOC）與直接轉矩控制（DTC）的感應電機變頻調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理、優(yōu)缺點及應用場合。4掌握不同控制方式時的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動態(tài)特性以及有關控制參數(shù)變化的影響（注意無上位機時不能改變有關控制參數(shù)）。5掌握感應電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的實驗研究方法，包括虛擬儀器的使用（注意無上位機時，實驗系統(tǒng)無虛擬

2、儀器功能，有關虛擬儀器的取消）。二實驗內(nèi)容1熟悉變頻調(diào)速實驗系統(tǒng)的配置與結構，在此基礎上完成實驗接線。并通過仔細閱讀“MCL-13(V1.1)上位機程序使用說明”，熟悉在上位機界面上進行實驗操作的方法（無上位機時不要求）。2采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）的開環(huán)VVVF調(diào)速系統(tǒng)的實驗研究：（1）分別在不同調(diào)制方式（同步、異步和分段同步）下，觀測不同調(diào)制方式與有關參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響，作比較研究：在同步調(diào)制時，觀測載波比變化對不同速度下，定子磁通軌跡的影響；在異步調(diào)制時，觀測載波頻率變化對不同速度下，定子磁通軌跡的影響；在分段同步調(diào)制時，改變頻率分段與各段載波比，觀測不同速度下定子磁通軌跡的變化

3、。比較不同調(diào)制方式的優(yōu)缺點，總結參數(shù)調(diào)試經(jīng)驗。注意，無上位機時可以在面板上用按鈕選擇調(diào)制方式，但涉及改變參數(shù)的研究將不能進行。（2）測取系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)機械特性n=f (M)；（3）觀測并記錄啟動時電機定子電流和電機速度波形iv=f (t)與n=f (t)；（4）觀測并記錄突加與突減負載時的電機定子電流和電機速度波形iv=f (t)與n=f (t)；（5）觀測低頻補償程度改變對系統(tǒng)性能的影響。3采用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）的開環(huán)VVVF調(diào)速系統(tǒng)的實驗研究：（1）（5）同前2。4采用磁場定向控制（FOC）的感應電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究：（1）在默認參數(shù)下，測取系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)機械特性n=f (M)，觀察定

4、子磁通軌跡；（2）觀測并記錄啟動時電機定子電流和電機速度波形iv=f (t)與n=f (t)；（3）觀測并記錄突加與突減負載時的電機定子電流和電機速度波形iv=f (t)與n=f (t)；（4）研究速度調(diào)節(jié)器參數(shù)（P、I）改變對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能的影響；（5）研究電流調(diào)節(jié)器參數(shù)（P、I）改變對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能的影響；（6）研究轉子回路時間常數(shù)（T2=Lr/Rr）改變對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能的影響；以上（4）（6）涉及參數(shù)改變，只能在有上位機時才能進行。5采用直接轉矩控制（DTC）的感應電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究：（1）（4）同磁場定向控制系統(tǒng)；（5）研究轉矩與磁通調(diào)節(jié)器滯環(huán)寬度改變對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性

5、能的影響；（6）研究定子電阻變化對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能的影響；以上（4）（6）涉及參數(shù)改變，只能在有上位機時才能進行。6對以上不同控制方式下感應電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能進行比較研究。三實驗系統(tǒng)組成及工作原理基于DSP的高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖75所示：系統(tǒng)主電路采用交-直-交電壓源型變頻器，功率器件采用智能功率模塊IPM，該模塊包含了由六個IGBT、六個續(xù)流二極管、柵極驅動電路、邏輯控制電路以及欠壓、過流、短路、過熱等保護電路，模塊的主電路部分共有5個端子，即直流電壓輸入端+、-，三相交流電壓輸出端U、V、W，控制部分共有15個端子，用于PWM信號輸入、故障信號輸出及驅動電源等，驅動電源為4

6、組+15V電源，DSP生成的PWM信號需通過光耦合器隔離后輸入。該智能功率模塊的應用，減小了裝置的體積，提高了變頻系統(tǒng)的性能與可靠性?？刂葡到y(tǒng)由DSP、信號檢測電路、驅動與保護電路等組成，DSP采用美國TI(Texas Instruments)公司于1998年推出的16位數(shù)字信號處理器 (Digital Signal Processor簡稱DSP)TMS320X24x系列芯片，該芯片是專門為電機的數(shù)字化控制而設計的，它集DSP的信號高速處理能力及適用于電機控制的優(yōu)化外圍電路于一體，為電動機數(shù)字控制系統(tǒng)應用提供了一個理想的解決方案，從而成為傳統(tǒng)的多微處理器單元和昂貴的多片設計的理想替代，每秒執(zhí)行

7、20兆條指令的運算能力，使該系列芯片能提供比傳統(tǒng)16位微處理器強大得多的性能。該系列芯片的16位定點DSP內(nèi)核為模擬設計者提供了一個數(shù)字解決方案，并且不會犧牲原有系統(tǒng)的精度和性能，事實上，由于可以采用諸如自適應控制、卡爾曼濾波和狀態(tài)控制等先進的控制算法，因而增強了系統(tǒng)性能。高速CPU允許數(shù)字控制設計者能夠實時處理算法而不需通過查表只能獲得近似值，幾乎所有的指令都可在50ns的單周期內(nèi)完成，如此高的性能可以對非常復雜的控制算法進行實時運算，此外，還可支持非常高的采樣率，以減小循環(huán)延時。作為系統(tǒng)管理器，DSP必須具備強大的片內(nèi)I/O和其它外設功能，該系列芯片內(nèi)的事件管理器可以為所有電機類型用戶提供

8、高速、高效和全變速的先進控制技術。在該事件管理器中，包括特殊的PWM產(chǎn)生功能，特殊的附加功能包括可編程的死區(qū)功能和空間矢量PWM，后者可為三相電機在功率管逆變器控制中提供最高的功效，三個獨立的向上/下計數(shù)器，每一個都有屬于它自己的比較寄存器，可以支持產(chǎn)生非對稱的和對稱的PWM波形，四路捕獲輸入中的兩路可以直接連至光電編碼器的正交編碼脈沖信號。該系列芯片的應用，大大簡化了高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件設計，使系統(tǒng)具有高的性能價格比，該系列芯片，除適用于工業(yè)電機驅動外，還可廣泛地應用于功率變換器和控制器、汽車系統(tǒng)，如電子動力轉向裝置、剎車和溫度控制、儀表電機控制、打印機、復印機等辦公產(chǎn)品、磁帶驅動、機器

9、人和計算機數(shù)字控制(CNC)機械等。實驗系統(tǒng)中使用的DSP為TMS320F240，其內(nèi)部包含16K字的Flash(閃速)EEPROM。此外，已為實驗組件配備了與上位計算機通訊的接口和上位機軟件。需要進行有關參數(shù)改變影響的實驗，必須配備上位機，并在實驗前安裝好上位機軟件和仔細閱讀上位機操作說明。圖75四實驗設備和儀器1MCL系列教學實驗臺主控制屏。2MCL-13閉環(huán)變頻系統(tǒng)組件。3電機導軌、直流發(fā)電機4 可調(diào)電阻器掛箱 5異步電動機（含高分辨率編碼器）6雙蹤示波器7上位機和通訊聯(lián)接線五實驗步驟1參看圖7-6，連接主電路、起動限流、過流保護、過壓保護及磁通檢測等環(huán)節(jié)的連線。（有上位機時，連接上位機

10、與組件間的串口通訊線。）2按下起動按鈕前，檢查給定電位器是否放在零位(要求電位器左旋到底)。3三相調(diào)壓器逆時針調(diào)到底，合上主控制屏上的綠色按鈕開關，調(diào)節(jié)三相調(diào)壓器的輸出，使Uuv、Uvw、Uwu均為220V。4開環(huán)變頻系統(tǒng)性能測試（1）必須在接線檢查無誤后，合上MCL13組件左下方的電源開關，這時系統(tǒng)缺省設置為開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)的SPWM控制同步調(diào)制方式狀態(tài)。（2）撳起動按鈕，逐漸增大給定(給定電位器向順時針方向旋轉)，觀察系統(tǒng)工作是否正常，確認系統(tǒng)工作正常后，再逐漸加大給定直至頻率達到50HZ。（3）用示波器測定電機線電壓、線電流波形。（測試孔iv或iw與地之間波形）（4）用示波器測定定子磁通

11、分量波形。（5）將端與地線接到雙蹤示波器Y軸輸入端與地端，再將端接到示波器的X軸輸入端，觀測定子磁通的軌跡。（6）用示波器測定突加或突減給定時的iv=f (t)與n=f (t)： 撳停止按鈕，觀察并記錄iv=f (t) 給定電位器仍在上述位置，撳起動按鈕，即可測得突加給定時的iv=f (t) 同上步驟，觀察并記錄n=f (t)（7）系統(tǒng)機械特性測試：在上述給定條件下，負載從輕載按一定間隔加至額定負載，測出機械特性曲線n=f (M)（8）突加與突減負載時的iv=f (t)與n=f (t)測試：負載加至1/2額定負載，在突加與突減負載條件下，觀察并描繪iv=f (t)與n=f (t)波形（9）改變

12、調(diào)制方法、方式和有關的調(diào)制參數(shù)（注意改變參數(shù)只能在上位機界面上進行），觀察對系統(tǒng)性能的影響。5閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)采用磁場定向控制時的性能測試：撳磁場定向控制按鈕，使系統(tǒng)工作在閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)的磁場定向控制狀態(tài)，先調(diào)節(jié)給定電位器使系統(tǒng)工作在50HZ，然后進行以下測試：（1）測量電動機線電壓、線電流、氣隙磁通分量和氣隙磁通的波形。（2）觀察與描繪突減與突加給定時的iv=f (t)與n=f (t)波形。（3）在50Hz與5Hz時的閉環(huán)變頻系統(tǒng)的靜特性測試。（4）觀察與描繪突加與突減負載時的iv=f (t)與n=f (t)波形。（5）改變速度和電流環(huán)PID調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)（注意：改變參數(shù)只能在上位機界面

13、上進行），觀察對系統(tǒng)性能的影響。6閉環(huán)變頻系統(tǒng)采用直接轉矩控制時的性能測試：撳直接轉矩控制按鈕，使系統(tǒng)工作在閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)的直接轉矩控制狀態(tài)，先調(diào)節(jié)給定電位器使系統(tǒng)工作在50HZ，然后進行以下測試：（1）測量電動機線電壓、線電流、氣隙磁通分量和氣隙磁通的波形。（2）觀察與描繪突減與突加給定時的iv=f (t)與n=f (t)波形。（3）在50Hz與5Hz時的閉環(huán)變頻系統(tǒng)的靜特性測試。（4）觀察與描繪突加與突減負載時的iv=f (t)與n=f (t)波形。（5）改變速度環(huán)PID調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)與轉矩、磁通滯環(huán)控制器的容差（注意：改變參數(shù)只能在上位機界面上進行），觀察控制參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。注意：有上位機時，上述的部分操作必須在上位機界面上進行，有關操作步驟請參看“MCL-13(V1.1)上位機程序使用說明”。六、實驗報告1分別畫出50HZ時開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)，磁場定向控制變頻調(diào)速系統(tǒng)及直接轉矩控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的下述波形：（1）電動機線電壓、線電流波形；（2）定子磁通分量和定子磁通的軌跡；（3）突加與突減給定時的iv=f (t) 與n=f (t)；（4）突加與突