電力牽引交流傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

實(shí)驗(yàn)一基于DSP的異步電機(jī)SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．通過實(shí)驗(yàn)掌握交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成及工作原理；2?理解用單片機(jī)通過軟件生成SPWM波形的工作原理與特點(diǎn)。以及不同調(diào)制方式對(duì)系統(tǒng)性能的影響；3．熟悉掌握交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中主要電量的測(cè)試方法。4.熟悉變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的配置與結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上完成實(shí)驗(yàn)接線。并通過仔細(xì)閱讀“MCL-13(V1.1)上位機(jī)程序使用說明”，熟悉在上位機(jī)界面上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的方法。二．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．連接有關(guān)線路，構(gòu)成一個(gè)實(shí)用的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。采用SPWM數(shù)字控制時(shí)，不同輸出頻率、不同調(diào)制方式(同步、異步、混合調(diào)制)時(shí)定子電流、IGBT兩端電壓波形測(cè)試。3．低頻補(bǔ)償特性測(cè)試。三．實(shí)驗(yàn)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2—1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(gè)IGBT、六個(gè)續(xù)流二極管、柵極驅(qū)動(dòng)電路、邏輯控制電路以及欠壓、過流、短路、過熱等保護(hù)電路，模塊的主電路部分共有5個(gè)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(gè)端子，用于PWM信號(hào)輸入、故障信號(hào)輸出及驅(qū)動(dòng)電源等，驅(qū)動(dòng)電源為4組+15V電源，DSP生成的PWM信號(hào)需通過光耦合器隔離后輸入。該智能功率模塊的應(yīng)用，減小了裝置的體積，提高了變頻系統(tǒng)的性能與可靠性。控制系統(tǒng)由DSP、信號(hào)檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路等組成，DSP采用美國TI(TexasInstruments)公司于1998年推出的16位數(shù)字信號(hào)處理器(DigitalSignalProcessor簡(jiǎn)稱DSP)TMS320X24x系列芯片，該芯片是專門為電機(jī)的數(shù)字化控制而設(shè)計(jì)的，它集DSP的信號(hào)高速處理能力及適用于電機(jī)控制的優(yōu)化外圍電路于一體，為電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個(gè)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(shè)計(jì)的理想替代，每秒執(zhí)行20兆條指令的運(yùn)算能力，使該系列芯片能提供比傳統(tǒng)16位微處理器強(qiáng)大得多的性能。該系列芯片的16位定點(diǎn)DSP內(nèi)核為模擬設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)數(shù)字解決方案，并且不會(huì)犧牲原有系統(tǒng)的精度和性能，事實(shí)上，由于可以采用諸如自適應(yīng)控制、卡爾曼濾波和狀態(tài)控制等先進(jìn)的控制算法，因而增強(qiáng)了系統(tǒng)性能。高速CPU允許數(shù)字控制設(shè)計(jì)者能夠?qū)崟r(shí)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(duì)非常復(fù)雜的控制算法進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，此外，還可支持非常高的采樣率，以減小循環(huán)延時(shí)。作為系統(tǒng)管理器，DSP必須具備強(qiáng)大的片內(nèi)I/O和其它外設(shè)功能，該系列芯片內(nèi)的事件管理器可以為所有電機(jī)類型用戶提供高速、高效和全變速的先進(jìn)控制技術(shù)。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(jī)在功率管逆變器控制中提供最高的功效，三個(gè)獨(dú)立的向上/下計(jì)數(shù)器，每一個(gè)都有屬于它自己的比較寄存器，可以支持產(chǎn)生非對(duì)稱的和對(duì)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(hào)。該系列芯片的應(yīng)用，大大簡(jiǎn)化了高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具有高的性能價(jià)格比，該系列芯片，除適用于工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)外，還可廣泛地應(yīng)用于功率變換器和控制器、汽車系統(tǒng)，如電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置、剎車和溫度控制、儀表電機(jī)控制、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)等辦公產(chǎn)品、磁帶驅(qū)動(dòng)、機(jī)器人和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)機(jī)械等。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)組件配備了與上位計(jì)算機(jī)通訊的接口和上位機(jī)軟件。需要進(jìn)行有關(guān)參數(shù)改變影響的實(shí)驗(yàn)，必須配備上位機(jī),并在實(shí)驗(yàn)前安裝好上位機(jī)軟件和仔細(xì)閱讀上位機(jī)操作說明。圖2—1四．實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器MCL—III型電力電子與電氣傳動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)2．上微機(jī)電機(jī)導(dǎo)軌及測(cè)速發(fā)電機(jī)雙蹤示波器五．實(shí)驗(yàn)方法按圖1—1連接線路，經(jīng)檢查無誤后，合上NMCL-32面板上的漏電斷路器，合上掛箱NMCL-13A的電源，按下NMCL-32面板上的閉合開關(guān)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)缺省設(shè)置為SPWM控制，同步調(diào)制方式，對(duì)應(yīng)指示燈亮。按起動(dòng)按鈕，電動(dòng)機(jī)即可起動(dòng)，起動(dòng)后可調(diào)節(jié)頻率設(shè)定電位器，即可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，如按了空間矢量、異步調(diào)制，混合調(diào)制等按鈕，系統(tǒng)將不會(huì)響應(yīng)，必須先按停止按鈕，使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，才能轉(zhuǎn)到空間矢量控制以及其它調(diào)制方式。低頻補(bǔ)償電位器在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，可按需要任意調(diào)節(jié)。系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可先斷主電源，再斷控制電復(fù)位。1? 首先合上NMCL-13A掛箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)給定電位器確認(rèn)電機(jī)輸出設(shè)定頻率為零，合上主回路開關(guān)。電機(jī)PWM控制方式設(shè)為SPWM，然后按啟動(dòng)按鈕，右旋電位器旋紐，輸出頻率隨之增大，電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)。按停止按鈕。啟動(dòng)MCL-13上位機(jī)控制程序，單擊界面右下角的“系統(tǒng)連接”按鈕，把控制方式設(shè)為SPWM，雙擊“SPWM”按鈕，彈出SPWM控制方式下參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，調(diào)制方式選為同步調(diào)制,載波比設(shè)為48,轉(zhuǎn)速設(shè)為1200RPM，點(diǎn)擊“確定”按鈕，退出參數(shù)設(shè)置對(duì)話框?！安杉瘮?shù)據(jù)類型”設(shè)為A相電流波形，點(diǎn)擊“電機(jī)啟動(dòng)”按鈕啟動(dòng)電機(jī)，此時(shí)，A相電流波形顯示在屏幕上，點(diǎn)擊“電機(jī)停止”按鈕，將A相電流波形以.bmp格式存于電腦中。重新設(shè)置同步調(diào)制載波比為24，重復(fù)上述步驟，比較不同調(diào)制比下A相電流波形的平滑度。點(diǎn)擊“電機(jī)停止”按鈕，控制方式仍然設(shè)為SPWM方式，“采集數(shù)據(jù)類型”設(shè)為A相電流，波形顯示設(shè)為“循環(huán)”轉(zhuǎn)速設(shè)為500RPM，同步調(diào)制載波比設(shè)為24,異步調(diào)制載波比設(shè)為24,啟動(dòng)電機(jī)，用上位機(jī)測(cè)量并比較在這兩種情況下A相電流的波形，觀察電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)與噪聲大小。控制方式仍然設(shè)為SPWM方式，“采集數(shù)據(jù)類型”設(shè)為A相電流，波形顯示設(shè)為“循環(huán)”，轉(zhuǎn)速設(shè)為1200RPM，調(diào)制方式設(shè)為混合調(diào)制：分三段進(jìn)行。第一段OHz?12.5Hz,載波比N「100；第二段12.5Hz?25Hz，載波比N2=80；第三段，25Hz?50Hz，載波比比=48。啟動(dòng)電機(jī)，觀察電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)與噪聲大小。低頻補(bǔ)償性能測(cè)試低頻時(shí)定子壓降的補(bǔ)償度可通過電位器連續(xù)調(diào)節(jié)，在輸出頻率為1?2Hz時(shí)，調(diào)節(jié)補(bǔ)償度直到電動(dòng)機(jī)能均勻旋轉(zhuǎn)時(shí)為止。實(shí)驗(yàn)報(bào)告列出在SPWM控制時(shí)，在同步調(diào)制不同調(diào)制比時(shí)A相電流波形。2．調(diào)節(jié)低頻補(bǔ)償度，列出電機(jī)能均勻旋轉(zhuǎn)的最低工作頻率。思考題低頻時(shí)定子壓降的補(bǔ)償度是否越大越好？過大了會(huì)造成何種不良結(jié)果？應(yīng)該如何調(diào)節(jié)才算恰到好處？注意事項(xiàng)轉(zhuǎn)換不同控制與調(diào)制方式時(shí)，要等到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近于零時(shí)，再按起動(dòng)按鈕，以免對(duì)電動(dòng)機(jī)造成沖擊。主回路中的保險(xiǎn)絲為1A,不要任意放大。實(shí)驗(yàn)二基于DSP的磁場(chǎng)定向矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康??了解以TMS320F240為核心構(gòu)成的全數(shù)字控制感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件與軟件組成。掌握采用磁場(chǎng)定向控制(FOC)感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合。3．改變有關(guān)控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)特性變化的影響(注意無上位機(jī)時(shí)不能改變有關(guān)控制參數(shù))。二．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容熟悉變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的配置與結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上完成實(shí)驗(yàn)接線。并通過仔細(xì)閱讀“MCL-13(V1.1)上位機(jī)程序使用說明”，熟悉在上位機(jī)界面上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的方法(無上位機(jī)時(shí)不要求)。采用磁場(chǎng)定向控制(FOC)的感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究：觀測(cè)并記錄啟動(dòng)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流和電機(jī)速度波形iv=f⑴與n=f(t)；觀測(cè)并記錄突加與突減負(fù)載時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)子電流和電機(jī)速度波形iv=f⑴與n=f⑴；在默認(rèn)參數(shù)下，觀察轉(zhuǎn)子磁通啟動(dòng)和穩(wěn)定時(shí)的軌跡；研究速度調(diào)節(jié)器參數(shù)(P、I)改變對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能的影響；研究電流調(diào)節(jié)器參數(shù)(P、I)改變對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能的影響；研究電機(jī)參數(shù)R2,分別設(shè)為60%和140%,比較啟動(dòng)過程中磁通的a軸分量達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的時(shí)間及大小，簡(jiǎn)單分析原因；三．實(shí)驗(yàn)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2—1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(gè)IGBT、六個(gè)續(xù)流二極管、柵極驅(qū)動(dòng)電路、邏輯控制電路以及欠壓、過流、短路、過熱等保護(hù)電路，模塊的主電路部分共有5個(gè)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(gè)端子，用于PWM信號(hào)輸入、故障信號(hào)輸出及驅(qū)動(dòng)電源等，驅(qū)動(dòng)電源為4組+15V電源，DSP生成的PWM信號(hào)需通過光耦合器隔離后輸入。該智能功率模塊的應(yīng)用，減小了裝置的體積，提高了變頻系統(tǒng)的性能與可靠性。

控制系統(tǒng)由DSP、信號(hào)檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路等組成，DSP采用美國TI（TexasInstruments）公司于1998年推出的16位數(shù)字信號(hào)處理器（DigitalSignalProcessor簡(jiǎn)稱DSP）TMS320X24x系列芯片，該芯片是專門為電機(jī)的數(shù)字化控制而設(shè)計(jì)的。此外，已為實(shí)驗(yàn)組件配備了與上位計(jì)算機(jī)通訊的接口和上位機(jī)軟件。需要進(jìn)行有關(guān)參數(shù)改變影響的實(shí)驗(yàn)，必須配備上位機(jī)，并在實(shí)驗(yàn)前安裝好上位機(jī)軟件和仔細(xì)閱讀上位機(jī)操作說明。rpu _1—ir i電rpu _1—ir i電i_r_四．實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器MCL—III系列教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主控制屏。MCL-13閉環(huán)變頻系統(tǒng)組件。電機(jī)導(dǎo)軌、直流發(fā)電機(jī)MEL—03三相可調(diào)電阻器（或自配滑線變阻器450,1A）5?異步電動(dòng)機(jī)M04（含高分辨率編碼器）雙蹤示波器上位機(jī)和通訊聯(lián)接線（選件，機(jī)內(nèi)安裝有實(shí)驗(yàn)所需軟件）。五．實(shí)驗(yàn)步驟1．參看圖2-2，連接主電路、起動(dòng)限流、過流保護(hù)、過壓保護(hù)及磁通檢測(cè)等環(huán)節(jié)的連線。2．按下起動(dòng)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．合上主控制屏上的綠色按鈕開關(guān)；4．開環(huán)變頻系統(tǒng)性能測(cè)試必須在接線檢查無誤后，合上MCL—13A組件右下方的電源開關(guān)，這時(shí)系統(tǒng)缺省設(shè)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)。重新設(shè)置控制方式為磁場(chǎng)定向。合上主電源，撳起動(dòng)按鈕，逐漸增大給定(給定電位器向順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn))，觀察系統(tǒng)工作是否正常，確認(rèn)系統(tǒng)工作正常后，再逐漸加大給定直至頻率達(dá)到50HZ。用示波器兩路探頭同時(shí)測(cè)量A，B相對(duì)電機(jī)Y點(diǎn)的波形。5．閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)采用磁場(chǎng)定向控制時(shí)的性能測(cè)試：觀測(cè)并記錄啟動(dòng)時(shí)電機(jī)定子電流和電機(jī)速度波形i二f(t)與n=f(t)v按停止鈕，斷開主控制屏上的主電源開關(guān)。將與M04電機(jī)同軸相連的直流電機(jī)M03的并勵(lì)繞組與“NMMCL-32電源控制屏”上220V直流電源連接，M03的電樞A1、A2之間串聯(lián)直流電流表后分別與MEL-03A掛箱B3,B2與B1并聯(lián)接點(diǎn)連接，將MEL-03A掛箱可調(diào)電阻調(diào)至中間位置，保證M03電機(jī)電樞電流不大于0.5A。合上主控制屏上的主電源開關(guān)，啟動(dòng)名稱為MCL13V12的程序，點(diǎn)擊“系統(tǒng)連接”按鈕，單擊“磁場(chǎng)定向”按鈕，采集數(shù)據(jù)類型中曲線1設(shè)為A相電流，“循環(huán)”顯示，點(diǎn)擊“電機(jī)啟動(dòng)”按鈕，當(dāng)顯示電機(jī)啟動(dòng)電流波形時(shí)，點(diǎn)擊“電機(jī)停止”按鈕，鎖住電機(jī)啟動(dòng)電流波形。重新設(shè)置采集數(shù)據(jù)類型為速度曲線，按上述步驟操作，采集啟動(dòng)速度曲線。觀測(cè)并記錄突加與突減負(fù)載時(shí)的電機(jī)定子電流和電機(jī)速度波形i二f(t)與n=f(t)；v將MEL-03A掛箱可調(diào)電阻調(diào)至中間位置，保證M03電機(jī)電樞電流不大于0.5A，按上述步驟操作，觀測(cè)并記錄突加與突減負(fù)載時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)子電流(A相電流)和電機(jī)速度波形iv=f(t)與n=f(t)(電機(jī)轉(zhuǎn)速須調(diào)到1200轉(zhuǎn)左右)；單擊“電機(jī)停止”按鈕。將采集數(shù)據(jù)類型中曲線1設(shè)為?，曲線2設(shè)為?r,顯示設(shè)為X-Y軸。將測(cè)a B量量程設(shè)為50ms/div。單擊“磁場(chǎng)定向”按鈕，設(shè)置參數(shù)Kpn=1.7605，Kp=0.625，R2=140下。按上述步驟啟動(dòng)電機(jī)，觀察轉(zhuǎn)子磁通啟動(dòng)和穩(wěn)定時(shí)的軌跡。單擊“電機(jī)停止”按鈕。單擊“磁場(chǎng)定向”按鈕，改變速度環(huán)Kpn=1；將曲線1設(shè)為A相電流，曲線2設(shè)為不采集，顯示設(shè)為循環(huán)，不設(shè)X-Y軸。啟動(dòng)電機(jī)，采集A相電流，將采集到的曲線保存到曲線1中，再設(shè)Kpn=2，啟動(dòng)電機(jī)，將采集到的速度曲線與緩存中的曲線1比較，觀察啟動(dòng)過程中電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的時(shí)間及大小，并簡(jiǎn)單分析原因。單擊“電機(jī)停止”按鈕。單擊“磁場(chǎng)定向”按鈕，改變電流環(huán)Kp=0.15，啟動(dòng)電機(jī)，將曲線1設(shè)為采集電機(jī)速度，將采集到的速度曲線保存到曲線1中，再設(shè)Kp=1.2,啟動(dòng)電機(jī)，將采集到的速度曲線與緩存中的曲線1比較，觀察啟動(dòng)過程中速度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的時(shí)間及大小，并簡(jiǎn)單分析原因。單擊“電機(jī)停止”按鈕。雙擊“磁場(chǎng)定向”按鈕，改變電機(jī)參數(shù)R2=60%，量程設(shè)為20ms/div，啟動(dòng)電機(jī)，采集磁通的a軸分量?，將采集到的曲線保存到曲線1中，再設(shè)R2=140