三相異步電機(jī)SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究

PAGEPAGEXX保密類(lèi)別：20110801249編號(hào)：武漢大學(xué)珞珈學(xué)院畢業(yè)論文三相異步電機(jī)SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究系別：電氣工程與自動(dòng)化系專業(yè)：電氣工程與自動(dòng)化年級(jí)：2011級(jí)電氣六班學(xué)號(hào)：20110801249姓名：黃思佳指導(dǎo)教師：肖貞仁武漢大學(xué)珞珈學(xué)院教務(wù)處印制2015年4月5日摘要目前,調(diào)速領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)用的技術(shù)有直接轉(zhuǎn)矩控制、恒定電壓頻率比控制、矢量控制等,在不斷的實(shí)際工程應(yīng)用中矢量控制技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟。本文針對(duì)矢量控制技術(shù)直流電壓利用率高、動(dòng)態(tài)性能和低速性能好以及調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn),采用矢量控制方案進(jìn)行交流電機(jī)調(diào)速。本文的主要工作有:(1) 基于異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,對(duì)其電磁關(guān)系進(jìn)行了分析,建立了不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型,指出其多變量與強(qiáng)耦合的非線性特點(diǎn)。(2)在分析矢量控制技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,搭建仿真模型,進(jìn)行了電壓空間矢量控制的仿真驗(yàn)證。(3) 設(shè)計(jì)了小功率異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng),搭建了矢量控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái),進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)用。關(guān)鍵詞:矢量控制異步電機(jī)SVPWMAbstractAtpresent,directtorquecontrol,constantvoltagefrequencyratiocontrolandvectorcontrolarethepracticaltechnologiesinadjustspeedfield,thevectorcontroltechnologyisalreadyquitematureinthepracticalengineeringapplication.BasedontheadvantagesofvectorcontroltechnologysuchasthehighvoltageutilizationofDC.thegoodperformanceondynamicandlow-speed,andwidespeedregulationrange,thispaperusethevectorcontrolforACmotorspeedcontrol.Themainworksofthispaperare:Firstlybasedonthemathematicalmodelofinductionmotor,theelectromagneticrelationisanalyzed,themathematicalmodelunderdifferentcoordinatesareestablished,themulti-variable,strongcouplingandnonlinearcharacteristicsarepointout.Secondlybasedonthestrongpointanalysisofvectorcontroltechnology,thevoltagespacevectorcontrolstrategyissimulated.Thirdlythespeedcontrolsystemofsmallpowerasynchronousmotorisdesigned,therelativeexperimentsarecarriedthrough,theresultsverifythepracticabilityoftheexperimentalplatform.KeyWords:AsynchronousmotorVectorcontrolSVPWM目錄第一章緒論……………………11.1論文研究背景………………11.2國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀…………11.3國(guó)內(nèi)外脈寬調(diào)制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀…………21.4論文的主要研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排…………21.5本章小結(jié)……………………3第二章交流變頻調(diào)速…………42.1交流調(diào)速的基本控制思想…………………42.2交流變頻調(diào)速的四種控制方式……………42.2.1恒壓頻比(V/F)控制…………………42.2.2轉(zhuǎn)差率控制……………52.2.3直接轉(zhuǎn)矩控制…………62.2.4矢量控制………………62.3矢量控制方式………………72.4本章小結(jié)……………………7第三章電壓空間矢量仿真研究……………83.1矢量控制理論………………83.2坐標(biāo)變換……………………83.2.1坐標(biāo)變換的基本思路…………………83.2.2三相-兩相變換（3S/2S變換）………83.2.3靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交變換（2s/2r變換）……………103.2.4坐標(biāo)變換仿真…………123.3數(shù)學(xué)模型……………………123.3.1在兩相靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型………123.3.2 在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型……133.5本章小結(jié)……………………14第四章系統(tǒng)硬軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)…………154.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與主電路設(shè)計(jì)……………………154.1.1整流電路………………154.1.2濾波電路………………164.1.3逆變電路………………174.2信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)…………184.3控制電路設(shè)計(jì)………………194.4系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)…………194.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果……………………204.6本章小結(jié)……………………21第五章總結(jié)與展望……………225.1總結(jié)…………225.2展望…………22參考文獻(xiàn)…………23致謝…………………25武漢大學(xué)珞珈學(xué)院本科畢業(yè)論文第一章緒論1.1論文的研究背景隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，以及各種新型控制器件和先進(jìn)控制方法在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，交流電機(jī)控制精度得到了極大的提高。為了滿足高性能、節(jié)能和環(huán)保的要求，交流電機(jī)調(diào)速以其特有的優(yōu)點(diǎn)，正逐步取代直流調(diào)速，在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中扮演著重要的角色。 在1970年之前,直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由于滿足高性能的傳動(dòng)系統(tǒng)要求而占了主導(dǎo)地位,交流電機(jī)只應(yīng)用在少量的不變速傳動(dòng)系統(tǒng)中，交流電機(jī)并未被推廣。1970年之后,在電力電子新技術(shù)以及微處理器技術(shù)的大力發(fā)展下,交流調(diào)速的相關(guān)理論、應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的很快,逐漸誕生了一些以交流電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型為前提的控制策略,比如恒定電壓頻率比(V/F)和轉(zhuǎn)差頻率等新的比較先進(jìn)的控制策略,這使交流電機(jī)可以用在一定范圍內(nèi)調(diào)速的傳動(dòng)系統(tǒng)中,但是性能還是不如直流傳動(dòng),在應(yīng)用范圍上有不小限制。但是,交流電機(jī)比直流電機(jī)有很多的優(yōu)點(diǎn),比如說(shuō)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠,效率較高,制造容易，堅(jiān)固耐用等。如果能用交流電機(jī)替代直流電機(jī)應(yīng)用于變速傳動(dòng)系統(tǒng)中,將使傳動(dòng)系統(tǒng)性能得到很大的改善,進(jìn)而擴(kuò)大交流傳動(dòng)的應(yīng)用范圍。然而,交流電機(jī)動(dòng)態(tài)模型的非線性、強(qiáng)耦合特性使之無(wú)法像控制直流電機(jī)一樣加以控制。為了解決這一問(wèn)題,在1968年來(lái)自Darstmder大學(xué)的Hasse博士提出一種全新的理論——矢量控制(VectorControl)理論,這個(gè)理論的核心思想是將交流電機(jī)通過(guò)一系列坐標(biāo)變換進(jìn)行解親合,把交流電機(jī)的定子電流分解成2個(gè)獨(dú)立分量——轉(zhuǎn)矩電流分量和勵(lì)磁電流分量,然后分別進(jìn)行控制就可以使控制交流電機(jī)像控制直流電機(jī)一樣。1.2國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀目前,很多國(guó)家對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)做了深入的研究并投入了大量的人力物力,其中比較突出的包括德國(guó)、意大利、英國(guó)、美國(guó)、日本和加拿大等國(guó)家。這些國(guó)家的很多科研機(jī)構(gòu)和學(xué)者在這個(gè)研究領(lǐng)域的研究工作非常突出,獲得了一定的成就，在1980年到1990年這段時(shí)期內(nèi),歐洲的著名學(xué)術(shù)期刊——?dú)W洲電力電子會(huì)議上就發(fā)表過(guò)大量高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文。國(guó)際知名公司SIEMENS.Aachen大學(xué)研究院、Wleonhard等科研機(jī)構(gòu)和研究學(xué)者做出了杰出的貢獻(xiàn),使矢量控制逐漸應(yīng)用到實(shí)際的工程領(lǐng)域中。日本在變頻調(diào)速的研究領(lǐng)域也做了很多的工作和貢獻(xiàn),日本自1974刊登了Blaschke的譯文后,日本的一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)就開(kāi)始了研究工作并且在1978后申請(qǐng)了很多的專利和公開(kāi)發(fā)表了很多高質(zhì)量的學(xué)術(shù)論文。近些年來(lái)的變頻調(diào)速的研究重點(diǎn)在以下幾點(diǎn)展開(kāi)(1)矢量控制在無(wú)速度傳感器下的應(yīng)用;(2)矢量控制在大功率場(chǎng)合中應(yīng)用;(3)電機(jī)參數(shù)識(shí)別和跟蹤;在以上3個(gè)研究方向上,美國(guó)、德國(guó)和日本都有一定的研究并且各有優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域。日本的優(yōu)勢(shì)在于已經(jīng)將無(wú)速度傳感器的矢量控制技術(shù)應(yīng)用到通用變頻器上，美國(guó)則將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新的技術(shù)應(yīng)用到參數(shù)識(shí)別領(lǐng)域,IEEE上有很多相關(guān)的學(xué)術(shù)論文，德國(guó)在大功率應(yīng)用領(lǐng)域有一定優(yōu)勢(shì),著名公司已將其應(yīng)用到兆瓦級(jí)的場(chǎng)合。我國(guó)在變頻調(diào)速和矢量控制領(lǐng)域的研究相對(duì)較晚,在1982年和1983年出現(xiàn)了一些相關(guān)的學(xué)術(shù)論文,分別由湖南大學(xué)盧驥教授和四川大學(xué)劉競(jìng)成教授發(fā)表。1990年之后,國(guó)內(nèi)掀起了研究變頻調(diào)速技術(shù)的熱潮,主要在無(wú)速度傳感器的矢量控制、電機(jī)參數(shù)識(shí)別與跟蹤等相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行深入研究,但是實(shí)際工程應(yīng)用較少,主要是仿真方面的研究工作,在矢量控制在大功率場(chǎng)合中應(yīng)用領(lǐng)域的研究則很欠缺。1.3國(guó)內(nèi)外脈寬調(diào)制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀目前,在電機(jī)控制技術(shù)中,脈寬調(diào)制技術(shù)是一項(xiàng)主流技術(shù)。Aschonung和Hstemmler兩位學(xué)者在1964年把脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)率先應(yīng)用到交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中,為后來(lái)的正弦脈寬調(diào)制技術(shù)(SPWM)空間矢量調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。調(diào)制信號(hào)從最先由模擬電路來(lái)完成,發(fā)展到后來(lái)用全數(shù)字化來(lái)實(shí)現(xiàn),脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)在很多場(chǎng)合中一直都有大量應(yīng)用,目前仍然是科研人員、工程技術(shù)人員和很多學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。SVPWM調(diào)制技術(shù)一問(wèn)世就受到人們的高度重視，其獨(dú)特的矢量調(diào)制方式，把電動(dòng)機(jī)與PWM逆變器看為一體，著眼于如何使電動(dòng)機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)為目標(biāo)，他以三相對(duì)稱正弦電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)中的理想磁鏈圓為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式所產(chǎn)生的磁鏈有效矢量來(lái)逼近基準(zhǔn)圓；即用多邊形來(lái)近似逼近圓形，理論分析和實(shí)驗(yàn)都表明SVPWM調(diào)制具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，噪音低，直流電壓利用率高(比普通的SPWM調(diào)制約高15％)等優(yōu)點(diǎn)。目前己在通用變頻器產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著PWM,SPWM,SVPWM的不斷發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用的不斷增加,交流傳動(dòng)變頻調(diào)速系統(tǒng)將向更高性能和更快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的趨勢(shì)發(fā)展。1.4論文的主要研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排本論文針對(duì)小功率三相異步電機(jī)的矢量控制調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究,論文的章節(jié)安排如下：第一章:緒論，對(duì)論文研究背景進(jìn)行了說(shuō)明,對(duì)論文內(nèi)容所屬領(lǐng)域及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了概述。第二章:交流變頻調(diào)速，闡述了交流變頻調(diào)速的基本控制思想,對(duì)比了幾種控制方式,指出矢量控制方式的優(yōu)點(diǎn)并選擇矢量控制方式作為交流調(diào)速系統(tǒng)的控制方案。第三章:電壓空間矢量的仿真研究，介紹了矢量控制理論的原理和矢量控制理論的坐標(biāo)變換思想,搭建了坐標(biāo)變換,在不同坐標(biāo)系下分析了電機(jī)數(shù)學(xué)模型。第四章:系統(tǒng)硬軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在前3章理論分析和仿真的基礎(chǔ)上,對(duì)組成系統(tǒng)的各模塊進(jìn)行分塊設(shè)計(jì),在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上作了相關(guān)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)用性。第五章:總結(jié)和展望，對(duì)小功率異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作進(jìn)行總結(jié),提出需要進(jìn)一步優(yōu)化和改善的內(nèi)容。1.5本章小結(jié)本章對(duì)論文的研究背景進(jìn)行了說(shuō)明,對(duì)論文內(nèi)容所涉及領(lǐng)域及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行概述及分析,給出了本文的章節(jié)安排。第二章交流變頻調(diào)速2.1交流調(diào)速的基本控制思想轉(zhuǎn)矩公式：(2-1)式中:S—異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率:P—極對(duì)數(shù);一定子頻率;n0一同步轉(zhuǎn)速;由式(2-1)的轉(zhuǎn)矩公式可知:如果np不變,則轉(zhuǎn)速n與頻率是正比例關(guān)系,將頻率連續(xù)變化就可以平滑改變轉(zhuǎn)速n,這種調(diào)速方式就是變頻調(diào)速。2.2交流變頻調(diào)速的四種控制方式2.2.1恒壓頻比(V/F)控制變頻調(diào)速控制方式有很多種,最早被提出的是恒壓頻比(V/F)控制方式,它也是在實(shí)際工程中應(yīng)用最早的一種，其優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，缺點(diǎn)是系統(tǒng)性能不高。在進(jìn)行異步電機(jī)調(diào)速的過(guò)程中,維持電機(jī)磁通的恒定是一個(gè)十分重要的因素。式2-2為采用恒壓頻比控制方式時(shí)電機(jī)的定子電壓和電源頻率之間的關(guān)系式：(2-2)式中:U——為定子電壓;I——為定子電流;r——為定子電阻;——為電源頻率;Xf——為定子的漏電抗;K——為定子電勢(shì)E與主磁通φ的系數(shù)的乘積。如果忽略式(2-2)中的第一項(xiàng)定子電流在定子電阻上的壓降以及第二項(xiàng)定子的漏電抗上的壓降,只要同時(shí)控制U和,使它們的比為常數(shù),就能保持磁通恒定。從這個(gè)意義來(lái)說(shuō),V/F比恒定也可叫做定磁通調(diào)速,此調(diào)速方式是一種恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速控制方式。但是如果要在基頻以上進(jìn)行調(diào)速時(shí),因?yàn)槎ㄗ拥碾妷翰⒉荒茈S著頻率的上升而上升,所以一般需要弱磁運(yùn)行,這個(gè)階段是恒功率調(diào)速。如果我們考慮式(2-2)中的前兩項(xiàng)的話,當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于額定條件下時(shí),第一項(xiàng)和第二項(xiàng)的壓降較小,U和E(定子感應(yīng)電勢(shì))可以看成近似相等,因此維持U/恒定即可。然而若電機(jī)運(yùn)行在低頻段,這時(shí)的U和E值并不大,不可以忽略式(2-2)中的第一項(xiàng)值,此時(shí),只要提高的電壓值就相當(dāng)于補(bǔ)償了式(2-2)中的第一項(xiàng)的值,從而使主磁通φ恒定。圖2-1所示為控制特性圖,線2為有補(bǔ)償時(shí)V/F特性,線1為無(wú)補(bǔ)償時(shí)V/F特性。U1U1 2U2U1n11 圖2-1恒V/F比特性這種控制方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單,改變電壓就可以調(diào)速,但它是速度開(kāi)環(huán)方式,精度和動(dòng)態(tài)性能不好,而且低速性能差,其原因有兩個(gè)方面:一方面是電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)定子電壓和電勢(shì)近似相等條件己不能滿足,所以仍按V/F比恒定控制就不能保持電機(jī)磁通恒定,然而電機(jī)磁通的減小必然會(huì)使電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩減小;另一方面原因是電機(jī)運(yùn)行在低速時(shí)逆變器橋臂上、下開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間相對(duì)較短,電壓下降,而且它們的互鎖時(shí)間也造成了電壓降低,從而引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),在一定條件下這將會(huì)引起轉(zhuǎn)速、電流的振蕩,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致變頻器不能運(yùn)行。綜上所述,恒壓(V/F)頻比是開(kāi)環(huán)控制的變頻調(diào)速方法,不需要速度傳感器,控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單,但只適合對(duì)速度控制精度要求不高或者負(fù)載變動(dòng)小的情況,例如常見(jiàn)的一些水泵和風(fēng)機(jī)等機(jī)械,對(duì)、于要求較高的變頻調(diào)速系統(tǒng)并不能滿足要求。2.2.2轉(zhuǎn)差率控制轉(zhuǎn)差頻率控制策略由Yamamura,Nabae等日本科研人員提出的,該方法靈活運(yùn)用矢量控制的理論方法,通過(guò)穩(wěn)態(tài)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率來(lái)得到電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的確切位置,其核心是,當(dāng)保持定、轉(zhuǎn)子和氣隙磁場(chǎng)這3個(gè)中的任何一個(gè)不變時(shí),轉(zhuǎn)矩Te就主要取決于轉(zhuǎn)差率。當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí),轉(zhuǎn)矩會(huì)因?yàn)闀簯B(tài)電流的出現(xiàn)而出現(xiàn)一定的偏差,為了避開(kāi)轉(zhuǎn)子磁鏈的實(shí)際計(jì)算,這種方法通過(guò)轉(zhuǎn)子φ的穩(wěn)態(tài)方程式來(lái)得到定子電流的d軸分量后,并形成轉(zhuǎn)差控制,把實(shí)際測(cè)得的轉(zhuǎn)差率加上轉(zhuǎn)速后進(jìn)行積分來(lái)得到定子位置。系統(tǒng)輸入實(shí)際上是一個(gè)誤差信號(hào),這個(gè)誤差信號(hào)是給定速度與實(shí)測(cè)速度之差。一般使用PI調(diào)節(jié)器,其輸出是轉(zhuǎn)差率給定信號(hào),PI調(diào)節(jié)器的幅值直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的最大偏差率。但是,它一般應(yīng)用于低速的系統(tǒng)中,并且控制系統(tǒng)的性能會(huì)受到轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響。轉(zhuǎn)差頻率矢量控制不需要進(jìn)行復(fù)雜的磁通檢測(cè)和繁瑣的坐標(biāo)變換，只要在轉(zhuǎn)子磁鏈大小不變的前提下，通過(guò)檢測(cè)定子電流和轉(zhuǎn)子角速度，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)模型的運(yùn)算就可以間接的磁場(chǎng)定向控制。要提高調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，主要依靠控制轉(zhuǎn)速的變化率，顯然，通過(guò)控制轉(zhuǎn)差角頻率就能達(dá)到控制的目的。轉(zhuǎn)差頻率矢量控制就是通過(guò)控制轉(zhuǎn)差角頻率來(lái)控制轉(zhuǎn)速的變化率，從而間接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。2.2.3直接轉(zhuǎn)矩控制在直接轉(zhuǎn)矩控制中，電機(jī)定子磁鏈的幅值通過(guò)上述電壓的矢量控制而保持為額定值，要改變轉(zhuǎn)矩大小，可以通過(guò)控制定、轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角來(lái)實(shí)現(xiàn)。而夾角可以通過(guò)電壓空間矢量的控制來(lái)調(diào)節(jié)。由于轉(zhuǎn)子磁鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)速度保持不變，因此夾角的調(diào)節(jié)可以通過(guò)調(diào)節(jié)定子磁鏈的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。把逆變器、電機(jī)當(dāng)作一個(gè)整體對(duì)象來(lái)加以控制就是直接轉(zhuǎn)矩控制,逆變器的各種開(kāi)關(guān)組態(tài)切換的基礎(chǔ)是電機(jī)的電磁過(guò)程。該方法通過(guò)估算定子磁鏈進(jìn)行,因?yàn)槎ㄗ哟沛溨簧婕岸ㄗ与娮?所以可以大大減少對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性,其突出優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)和方法都比較簡(jiǎn)單,系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能比較好,轉(zhuǎn)矩響應(yīng)比較快等。但是,這種控制策略也有以下缺點(diǎn)：a、缺少電流閉環(huán),從而給電流飽和控制、保護(hù)帶來(lái)不便;b、這種估算定子磁鏈的方法一般都是純積分或者LPF運(yùn)算,當(dāng)異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速非常低時(shí),因確切磁鏈值的估算非常困難直接導(dǎo)致這種方法在低速運(yùn)行時(shí)性能比較差;c、此策略下系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)一般伴有大的噪音和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。直接轉(zhuǎn)矩控制對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制要通過(guò)滯環(huán)比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)。滯環(huán)比較器的運(yùn)行原理為：當(dāng)前值與給定值的誤差在滯環(huán)比較器的容差范圍內(nèi)時(shí)，比較器的輸出保持不變，一旦超過(guò)這個(gè)范圍，滯環(huán)比較器便給出相應(yīng)的值。2.2.4矢量控制目前,矢量控制技術(shù)已經(jīng)逐漸成為變頻調(diào)速領(lǐng)域中的主流技術(shù),其實(shí)際應(yīng)用也日趨廣泛。簡(jiǎn)而言之,矢量控制是通過(guò)對(duì)電機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并分析得出其電壓、電流等數(shù)學(xué)關(guān)系式,利用坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行解稱。采用這種控制方式的系統(tǒng)一般被分為2種,即有速度傳感器和無(wú)速度傳感器系統(tǒng)。矢量控制可以通過(guò)分別檢測(cè)、控制轉(zhuǎn)矩電流、磁通來(lái)達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)速的目的。直流電機(jī)的受控變量間沒(méi)有耦合關(guān)系,因此它的磁通、轉(zhuǎn)矩這2個(gè)被控變量可以進(jìn)行獨(dú)立檢測(cè)與控制。但是交流電機(jī)的受控變量是存在強(qiáng)親合關(guān)系的,它的轉(zhuǎn)矩、勵(lì)磁電流合成為1個(gè)電流矢量并不能分別被檢測(cè)與控制。解耦也就是如何將定子電流解親成勵(lì)磁電流、轉(zhuǎn)矩電流分量,從而可以像控制直流電機(jī)一樣對(duì)其進(jìn)行分別控制,這就是矢量控制的核心思想。矢量控制的思想是以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)為定向，通過(guò)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩的解耦，從而可以達(dá)到和直流電機(jī)一樣的控制效果。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向有兩種方法：①通過(guò)設(shè)置觀測(cè)器估計(jì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)空間角；②通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)差角頻率和轉(zhuǎn)子角頻率積分得到轉(zhuǎn)子磁鏈的空間位置。第二種方法即轉(zhuǎn)差矢量控制的依據(jù)。轉(zhuǎn)差矢量控制不必檢測(cè)磁通，簡(jiǎn)單易行，受到人們的普遍重視并得到廣泛應(yīng)用。2.3矢量控制方式矢量控制是基于磁場(chǎng)定向控制(FOC)的比較復(fù)雜的幾種調(diào)速方式之一。矢量控制方式有很多種,除了前文所說(shuō)的2種控制方式外,目前在實(shí)際工程領(lǐng)域里應(yīng)用比較多而且比較成熟的還有2種,它們是基于轉(zhuǎn)、定子磁場(chǎng)定向控制。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制(RFOC)的核心理論是:由于異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩Te;與定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)以及它們的夾角間有聯(lián)系,所以如果要控制轉(zhuǎn)矩Te就必然要檢測(cè)到磁鏈ψ并控制磁通φ。一般將通過(guò)傳感器檢測(cè)得到的定子電流進(jìn)行d/q坐標(biāo)系變換計(jì)算后分解為——?jiǎng)?lì)磁分量id,、轉(zhuǎn)矩分量iq。只要在變頻調(diào)速時(shí)維持轉(zhuǎn)子的磁鏈ψ不變,即使id等于常數(shù),這時(shí)交流調(diào)速和直流調(diào)速在變頻調(diào)速的原理上就相同了,也就是說(shuō),控制iq等同于控制直流電機(jī)的電樞電流從而可以平滑調(diào)節(jié)交流電機(jī)輸出Te?？梢酝ㄟ^(guò)電壓方程的軸分量來(lái)確切控制轉(zhuǎn)子的φ,通過(guò)q軸分量來(lái)確切控制電機(jī)的Te。正因?yàn)樗鼘?shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的完全解耦合使這種方案在實(shí)際工程應(yīng)用上應(yīng)用的比其它方案多。定子磁場(chǎng)定向的核心理論是:和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向一樣需要解耦合來(lái)維持定子的磁通不變,即把旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d軸分量放到和定子磁場(chǎng)一致的方向上去,使q軸上的分量為零。只要確保定子磁通為一定值,轉(zhuǎn)矩Te就和q軸的iq,成線性正比例關(guān)系,通過(guò)控制來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)行。但是,因?yàn)樗枰央娏鬟M(jìn)行解耦,所以需要制作電流解耦器來(lái)解決這一問(wèn)題。前文所述的是目前比較成熟、應(yīng)用也較多的幾種控制策略,各有優(yōu)缺點(diǎn),其中轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制策略具有以下優(yōu)點(diǎn):1)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)變量的完全解耦合,不需要再作解耦器;2)控制的具體實(shí)施方法相對(duì)比較簡(jiǎn)單,整個(gè)控制的性能和精度都相對(duì)比較好。所以,本文最后確定了基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的SVPWM控制方法來(lái)作為系統(tǒng)的控制方案。2.4本章小結(jié)本章介紹了變頻調(diào)速的基本控制思想,闡述和對(duì)比了幾種控制策略,給出了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制策略的優(yōu)越性,確定以基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的SVPWM控制方法作為本文系統(tǒng)的控制方案。第三章電壓空間矢量仿真研究3.1矢量控制理論1970年以后,通過(guò)一些學(xué)者和科研人員的研究以及實(shí)際應(yīng)用,使得矢量控制從理論提出到工程實(shí)際應(yīng)用逐漸地發(fā)展成一套比較成熟的體系。它將檢測(cè)得來(lái)的定子電流進(jìn)行坐標(biāo)的d/q系變換計(jì)算后分解為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)的解耦合,使控制交流異步電機(jī)可以近似地像控制直流電機(jī)一樣。在很大程度上降低了系統(tǒng)控制難度并使控制效果有了很大提高。隨著這種矢量控制策略的不斷發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用,使之成為控制異步電機(jī)的一種重要控制方法。矢量控制利用坐標(biāo)變換思想把3個(gè)定子交流電流變換和分解成空間上互相垂直的d/q坐標(biāo)系下的2個(gè)電流分量,即勵(lì)磁電流id和轉(zhuǎn)矩電流iq在變頻調(diào)速的過(guò)程中維持勵(lì)磁分量id,不變,也就是使磁通φd不變,經(jīng)過(guò)這樣的坐標(biāo)變換使實(shí)現(xiàn)了解親后的交流異步電機(jī)控制與直流電機(jī)控制原理相同,只要能確切地控制好轉(zhuǎn)矩電流iq就能控制好電磁轉(zhuǎn)矩Te。3.2坐標(biāo)變換已步電動(dòng)機(jī)三相原始動(dòng)態(tài)模型相當(dāng)復(fù)雜，簡(jiǎn)化的基本方法就是坐標(biāo)變換。異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵是因?yàn)橛幸粋€(gè)復(fù)雜的電感矩陣和轉(zhuǎn)矩方程，它們體現(xiàn)了異步電動(dòng)機(jī)的電磁耦合和能量轉(zhuǎn)換的復(fù)雜關(guān)系。要簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，須從電磁耦合關(guān)系入手。3.2.1坐標(biāo)變換的基本思路不同坐標(biāo)系中電動(dòng)機(jī)模型等效的原則是：在不同坐標(biāo)下繞組所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)相等。三相變量中只有兩相為獨(dú)立變量，完全可以也應(yīng)該消去一相。所以，三相繞組可以用相互獨(dú)立的兩相正交對(duì)稱繞組等效代替，等效的原則是產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相等。兩相繞組，通以兩相平衡交流電流，也能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。當(dāng)三相繞組和兩相繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)大小和轉(zhuǎn)速都相等時(shí)，即認(rèn)為兩相繞組與三相繞組等效，這就是3/2變換。兩個(gè)匝數(shù)相等相互正交的繞組d、q，分別通以直流電流，產(chǎn)生合成磁動(dòng)勢(shì)F，其位置相對(duì)于繞組來(lái)說(shuō)是固定的。如果人為地讓包含兩個(gè)繞組在內(nèi)的鐵心以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，磁動(dòng)勢(shì)F自然也隨之旋轉(zhuǎn)起來(lái)，成為旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。如果旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的大小和轉(zhuǎn)速與固定的交流繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)相等，那么這套旋轉(zhuǎn)的直流繞組也就和前面兩套固定的交流繞組都等效了。3.2.2三相-兩相變換（3S/2S變換）三相繞組A、B、C和兩相繞組之間的變換，稱作三相坐標(biāo)系和兩相正交坐標(biāo)系間的變換，簡(jiǎn)稱3S/2S變換。BB/3C/3βω1FFAA圖3-1三相坐標(biāo)系和兩相正交坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢(shì)矢量ABC和兩個(gè)坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢(shì)矢量，將兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，并使A軸和QUOTE軸重合。按照磁動(dòng)勢(shì)相等的等效原則，三相合成磁動(dòng)勢(shì)與兩相合成磁動(dòng)勢(shì)相等，故兩套繞組磁動(dòng)勢(shì)在αβ軸上的投影應(yīng)相等，因此（3-1）寫(xiě)成矩陣形式（3-2）按照變換前后總功率不變，匝數(shù)比為（3-3）則三相坐標(biāo)系變換到兩相正交坐標(biāo)系的變換矩陣:（3-4）三相-兩相變換（3/2變換）兩相正交坐標(biāo)系變換到三相坐標(biāo)系（簡(jiǎn)稱2/3變換）的變換矩陣:（3-5）3.2.3靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交變換（2s/2r變換）從靜止兩相正交坐標(biāo)系αβ到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系dq的變換，稱作靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交變換，簡(jiǎn)稱2s/2r變換，其中s表示靜止，r表示旋轉(zhuǎn)，變換的原則同樣是產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相等。qqdβFωω1圖3-2靜止兩相正交坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢(shì)矢量旋轉(zhuǎn)正交變（3-6）靜止兩相正交坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的變換陣（2-7）旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系到靜止兩相正交坐標(biāo)系的變換陣:(3-8)定子旋轉(zhuǎn)變換陣:（3-14）轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)變換陣:（3-9）電壓方程:（3-10）磁鏈方程:（3-11）轉(zhuǎn)矩方程:（3-12）旋轉(zhuǎn)變換是用旋轉(zhuǎn)的繞組代替原來(lái)靜止的定子繞組，并使等效的轉(zhuǎn)子繞組與等效的定子繞組重合，且保持嚴(yán)格同步，等效后定、轉(zhuǎn)子繞組間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程與靜止兩相正交坐標(biāo)系中相同，僅下標(biāo)發(fā)生變化。從表面上看來(lái)，旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型還不如靜止兩相正交坐標(biāo)系的簡(jiǎn)單，實(shí)際上旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的優(yōu)點(diǎn)在于增加了一個(gè)輸入量ω1，提高了系統(tǒng)控制的自由度。3.2.4坐標(biāo)變換仿真如前文所述,通過(guò)一系列的變換可以把異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行很大程度的簡(jiǎn)化,這使得坐標(biāo)變換思想成為了矢量控制的核心理論之一。在進(jìn)行異步電動(dòng)機(jī)仿真時(shí)，以QUOTE為狀態(tài)變量的dq坐標(biāo)系中的狀態(tài)方程為內(nèi)核，在外圍加上坐標(biāo)變換和狀態(tài)變換，就可得到在dq坐標(biāo)系下的仿真結(jié)果。仿真原理圖如圖所示：3-phase3-phaseProgrammableSpcurceabcabcabcabcsin0sin0abcabcdq0sin-cosabcdq0sin-cosabcdq0sin-cos314sinsin1a-b×sin1a-b×sincossincosd-q×3s/2sProductd-q×3s/2sProduct3s/2scoscos3s/2scoscosProduct1Product1cos1cos13S/2r3S/2St3S/2r3S/2StClockClock圖3-33S/2S和3S/2r模型變換3.3數(shù)學(xué)模型異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是強(qiáng)耦合、非線性的模型,比較復(fù)雜,為了能對(duì)異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)用矢量控制,在研究模型時(shí)做以下假設(shè):a)繞組之間差120度,對(duì)稱分布,氣隙磁通的密度正弦分布,不考慮磁場(chǎng)的所有的高次諧波;b)電阻、漏感設(shè)為常數(shù);c)不考慮鐵心損耗、磁飽和的影響;3.3.1在兩相靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型經(jīng)3s／2s變換后在兩相靜止坐標(biāo)系α—β上的數(shù)學(xué)模型為：1．電壓方程（3-13）2．磁鏈方程（3-14）3．轉(zhuǎn)矩方程（3-15）4．運(yùn)動(dòng)方程（3-16）式中：LsLr—定子、轉(zhuǎn)子—相的自感；RsRr—定子、轉(zhuǎn)子—相的電阻；Lm—定轉(zhuǎn)子繞組的互感；ω—轉(zhuǎn)子角頻率。3．3．2在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型設(shè)坐標(biāo)軸dq的旋轉(zhuǎn)速度等于定子頻率的同步角轉(zhuǎn)速ω1，而轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為ω，則dq軸相對(duì)于轉(zhuǎn)子的角轉(zhuǎn)速為ωs=ω1一ω，即為轉(zhuǎn)差。將三相異步電機(jī)在αβ坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型經(jīng)2s／2r變換后，得到在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d—q上的數(shù)學(xué)模型為：1．電壓方程（3-17）2．磁鏈方程（3-18）3．轉(zhuǎn)矩方程（3-19）4．運(yùn)動(dòng)方程（3-20）3.5本章小結(jié)本章首先從異步電機(jī)的物理模型出發(fā)，通過(guò)抽象假設(shè)給出了理想的異步電機(jī)原始數(shù)學(xué)模型；然后，詳述了坐標(biāo)變換方法，包括從三相到兩相的靜止坐標(biāo)變換和從兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變換；最后，通過(guò)坐標(biāo)變換將異步電機(jī)原始數(shù)學(xué)模型變換成便于控制的在不同坐標(biāo)系的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型。為將異步電機(jī)作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)控制提供了理論依據(jù)。第四章系統(tǒng)硬軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與主電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由主電路、信號(hào)采集電路、控制電路等模塊組成。主電路部分原理如圖4—1所示，由整流電路、濾波電路、逆變電路和緩沖吸收電路組成。主電路部分功能是完成系統(tǒng)電能的轉(zhuǎn)換和傳遞，它的設(shè)計(jì)好壞關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)被控電機(jī)參數(shù)為：額定功率PN=900W，額定電VN=380V，額定電流IN=2.37A，額定頻率FN=50HZ。下面詳細(xì)介紹各部分電路原理及元件參數(shù)。RRQ3Q2Q1C5Q6Q5R1C2C1AC220VQ3Q2Q1C5Q6Q5R1C2C1AC220VMMC3C4R2C3C4R2Q4Q44-1主電路圖4.1.1整流電路整流電路是把交流電變換為直流電的電路。整流電路因變頻器輸出功率大小不同而不同。一般情況下，小功率的輸入電源多用220V，整流電路用單相全波整流橋；大功率的輸入電源用三相380V，整流電路為三相橋式全波整流電路。本課題所用電機(jī)為900W，屬于小功率范圍，因此采用220V單相整流橋整流。整流橋由四個(gè)整流二極管組成，如圖4—2。通過(guò)整流二極管的峰值電流為：（4-1）流過(guò)二極管電流有效值為：（4-2）二極管的電流定額為：（4-3）考慮濾波電容充電電容的影響，要留有更大的電流裕量，選用IN=20A。整流二極管的電壓定額：（4-4）需選用Un=1000V。因此我們可以選用的單相整流橋規(guī)格為20A、1000V。4.1.2濾波電路經(jīng)典濾波的概念，是根據(jù)富立葉分析和變換提出的一個(gè)工程概念。根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，任何一個(gè)滿足一定條件的信號(hào)，都可以被看成是由無(wú)限個(gè)正弦波疊加而成。換句話說(shuō)，就是工程信號(hào)是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號(hào)的不同頻率的正弦波叫做信號(hào)的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)成分正常通過(guò)，而阻止另一部分頻率成分通過(guò)的電路，叫做經(jīng)典濾波器或?yàn)V波電路。交流電經(jīng)過(guò)整流橋整流以后輸出的電壓是脈動(dòng)的，另外，由于逆變部分產(chǎn)生脈動(dòng)電流及負(fù)載的變化都使直流電壓產(chǎn)生脈動(dòng)，為了得到平滑的直流電，必須在整流輸出端加濾波電路。通常是在整流輸出端并入大電容。濾波電容不僅能夠?yàn)V除整流輸出的電壓紋波，還在整流電路與逆變電器之間起去藕作用，以消除相互干擾，這就給作為感性負(fù)載的電機(jī)提供必要的無(wú)功功率，起到一定的儲(chǔ)能作用。在加入濾波電容之前，單相整流橋輸出平均電壓為：（4-5）加上濾波電容之后，UD的最高電壓可達(dá)到交流線電壓的峰值：(4-6)假設(shè)輸入電壓的波動(dòng)范圍是220V～240V，電源功率因數(shù)為0．9，那么每一個(gè)周期內(nèi)電容吸收的能量為：(4-7)式中POUT為電機(jī)輸出功率，UPK為峰值電壓，Umin為最小交流輸入電壓?？紤]到紋波的需要，最小輸入電壓至少應(yīng)該在200V以上，所以有：(4-8)濾波電容理論上越大越好，一般采用大容量耐壓濾波電解電容，在此我們選擇兩個(gè)1000uF，400V的電容C1、C2串聯(lián)進(jìn)行濾波，等效為一個(gè)耐壓800V的1000uF的電容。并聯(lián)在電容兩邊的電阻R1、R2為均衡電阻，由于每個(gè)電容的參數(shù)不完全相同，此均衡電阻使串聯(lián)的電容分壓相同，同時(shí)在電源關(guān)斷時(shí)給電容提供放電回路。這里我們選擇阻值為47KΩ的電阻。4.1.3逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的過(guò)程稱為逆變。完成逆變功能的裝置叫做逆變器，它是變頻器的主要組成部分。1.智能功率模塊IPM逆變電路的功率器件采用目前最先進(jìn)的智能功率模塊IPM(IntelligentPowrModule)，IPM不僅把功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且還內(nèi)藏有過(guò)電壓，過(guò)電流和過(guò)熱等故障檢測(cè)電路，并可將檢測(cè)信號(hào)送到CPU或DSP作中斷處理。IPM一般使用IGBT作為功率開(kāi)關(guān)元件，并內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路的集成結(jié)構(gòu)。IGBT是壓控器件，柵極輸入阻抗高，所需要驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)較為容易。但必須注意，IGBT的特性與柵極驅(qū)動(dòng)條件密切相關(guān)，隨驅(qū)動(dòng)條件的變化而變化。2.IPM的選用IPM在選用時(shí)，首先是根據(jù)變頻裝置的容量(電動(dòng)機(jī)的額定功率)，同時(shí)也要考慮供電電源容量，確定其額定值和最大值，然后選擇具體型號(hào)。選型時(shí)，有兩個(gè)主要方面需要權(quán)衡。第一：根據(jù)IPM的過(guò)流值以確定峰值電流。峰值電流基于變頻器和電機(jī)工作的效率、功率因數(shù)、最大負(fù)載和電流脈動(dòng)而設(shè)定的。電機(jī)電流最大峰值可由下式計(jì)算：（4-9）式中：P=電機(jī)功率(W)；OL=變頻器最大過(guò)載系數(shù)；λ=電流脈動(dòng)因數(shù)；η=變顙器的效率；ψF=功率因數(shù)；異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型VAC=交流線電壓(V)。第二：適當(dāng)?shù)臒嵩O(shè)計(jì)以保證結(jié)溫峰值永遠(yuǎn)小于最大結(jié)溫額定值，使基扳的溫度永遠(yuǎn)低于過(guò)熱動(dòng)作數(shù)值。下表是根據(jù)電機(jī)峰值電流而給出的交流220V電機(jī)推薦使用的IPM類(lèi)型及其功能簡(jiǎn)介。表4—1IPM選型及功能簡(jiǎn)介額定功率(AC220)IC(峰值)(A)IPM電流可用IPM型號(hào)內(nèi)置功能（內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路，高壓轉(zhuǎn)換電路）0.4KW6.410Ps21563內(nèi)置6單元3相輸出，過(guò)流保護(hù)，欠壓保護(hù)。0.75KW10.715Ps21564內(nèi)置6單元3相輸出，過(guò)流保護(hù)，欠壓保護(hù)。1.5KW1720Ps21865內(nèi)置6單元3相輸出，過(guò)流保護(hù)，欠壓保護(hù)。2.2KW23.330Ps21867內(nèi)置6單元3相輸出，過(guò)流保護(hù)，欠壓保護(hù)。3.7KW3650Ps21869內(nèi)置6單元3相輸出，過(guò)流保護(hù)，欠壓保護(hù)。5.5KW5175PM75RLA060內(nèi)置7單元(含制動(dòng))3相輸出：短路，過(guò)流，過(guò)溫，欠壓保護(hù)。7.5KW7075PM75RLA060內(nèi)置7單元(含制動(dòng))3相輸出：短路，過(guò)流，過(guò)溫，欠壓保護(hù)。11KW98100PM100RLA060內(nèi)置7單元(含制動(dòng))3相輸出：短路，過(guò)流，過(guò)溫，欠壓保護(hù)。15KW129150PM150RLA060內(nèi)置7單元(含制動(dòng))3相輸出：短路，過(guò)流，過(guò)溫，欠壓保護(hù)。18.5KW161200PM200CLA060內(nèi)置6單元3相輸出：短路，過(guò)流，過(guò)溫，欠壓保護(hù)。22KW191200PM200CLA060內(nèi)置6單元3相輸出：短路，過(guò)流，過(guò)溫，欠壓保護(hù)。30KW244300PM300CLA060內(nèi)置6單元3相輸出：短路，過(guò)流，過(guò)溫，欠壓保護(hù)。37KW308400PM400CLA060內(nèi)置6單元3相輸出：短路，過(guò)流，過(guò)溫，欠壓保護(hù)。45KW371400PM400CLA060內(nèi)置6單元3相輸出：短路，過(guò)流，過(guò)溫，欠壓保護(hù)。55KW456600PM600CLA060內(nèi)置6單元3相輸出：短路，過(guò)流，過(guò)溫，欠壓保護(hù)。本課題采用的交流異步電機(jī)功率為900w，因此可以選用智能功率模塊ps21865。4.2信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)在交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，要把直流母線電壓、相電壓、相電流等信號(hào)采集到DSP中，實(shí)現(xiàn)用低壓數(shù)字器件去測(cè)量控制高電壓、強(qiáng)電流等模擬量，如果模擬量與數(shù)字量之間沒(méi)有電氣隔離，那么，高壓強(qiáng)電流很容易串入低壓數(shù)字電路中，將器件燒毀。本系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比較高的模擬光隔離法進(jìn)行光隔，選用Agilent公司的高線性度模擬光耦器件HCNR200對(duì)模擬量和數(shù)字量進(jìn)行隔離，隔離電壓峰值達(dá)8000V，輸出跟隨輸入變化，線性度達(dá)0．01％。4.3控制電路設(shè)計(jì)控制電路是為變頻器的主電路提供通斷信號(hào)的電路，其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)控制?？刂品绞接心M控制和數(shù)字控制兩種。本系統(tǒng)控制電路主要由以TMS320LF2407A為核心的DSP最小系統(tǒng)，外加各種通信及控制電路接口組成。TMS320系列DSP的體系結(jié)構(gòu)是專為實(shí)時(shí)信號(hào)處理而設(shè)計(jì)，該系列DSP控制器將實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，是控制電路的理想控制器。4.4系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)主要程序?yàn)殚]環(huán)主程序、SPWM中斷處理子程序和5ms定時(shí)中斷子程序．主程序分為初始化、參數(shù)修改、刷新SPWM給定值等幾個(gè)模塊；SPWM中斷處理子程序中先根據(jù)人口參數(shù)計(jì)算三相脈寬．然后進(jìn)三相脈寬值到三個(gè)輸出比較器準(zhǔn)備下一次中斷；5ms中斷子程序則根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速給定與轉(zhuǎn)速反饋值計(jì)算出新的SPWM給定值及轉(zhuǎn)向，以供CPU輸出對(duì)應(yīng)的SPWM波形．為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，僅在停車(chē)時(shí)方可修改各參數(shù)，開(kāi)車(chē)狀態(tài)時(shí)該功能自動(dòng)失效．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用模糊控制并結(jié)合PI算法在低速情況下可獲得良好的動(dòng)靜態(tài)特性．中斷開(kāi)始中斷開(kāi)始中斷開(kāi)始中斷開(kāi)始計(jì)算三相脈沖計(jì)算三相脈沖算出新的SPWM的給定值算出新的SPWM的給定值送三相脈沖值到三個(gè)輸出比較器準(zhǔn)備下一次中斷送三相脈沖值到三個(gè)輸出比較器準(zhǔn)備下一次中斷中斷返回中斷返回中斷返回中斷返回SPWM中斷5ms定時(shí)中斷給定變開(kāi)始給定變開(kāi)始初始化初始化刷新轉(zhuǎn)速給定刷新轉(zhuǎn)速給定修改修改新舊SPWM給定值有變化參數(shù)改新舊SPWM給定值有變化參數(shù)改讀給定轉(zhuǎn)向讀給定轉(zhuǎn)向修改SPWM給定值輸出新轉(zhuǎn)向設(shè)SPWM輸出中斷，設(shè)RELOAD寄存器，設(shè)死區(qū)時(shí)間寄存器修改SPWM給定值輸出新轉(zhuǎn)向設(shè)SPWM輸出中斷，設(shè)RELOAD寄存器，設(shè)死區(qū)時(shí)間寄存器開(kāi)中斷啟動(dòng)開(kāi)中斷啟動(dòng)閉環(huán)主程序系統(tǒng)軟件框圖4.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖一所示的SVPWM波形共有6路,它們3路橋臂相位相互差120度,并且每個(gè)橋臂的上、下橋臂是帶死區(qū)互補(bǔ)輸出的。圖一圖二的波形是將DSP輸出的6路信號(hào)送到驅(qū)動(dòng)板模塊后,經(jīng)過(guò)光耦后再送給功率模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖二4.6本章小結(jié)本章主要介紹了異步電機(jī)變頻調(diào)試系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)；詳述了以功率器件IPM為核心的主電路及其外圍接口、保護(hù)電路設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)了DSP最小系統(tǒng)電路及其外圍接口電路。各部分電路都給出了詳細(xì)的原理圖。以及變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法，給出了程序流程圖；簡(jiǎn)要介紹了CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境；詳述了在CCS開(kāi)發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)程序的方法和過(guò)程；給出了比較關(guān)鍵的命令文件和中斷向量文件的配置程序代碼。第五章總結(jié)與展望5.1總結(jié)三相異步電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)有調(diào)速范圍、控制難度、精度、可靠性等方面的要求。本文通過(guò)在查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)論文和文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上,著重研究了目前在實(shí)際工程領(lǐng)域里應(yīng)用比較成熟的矢量控制的相關(guān)內(nèi)容。本論文主要進(jìn)行了以下幾點(diǎn)研究:(D基于異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,對(duì)其電磁關(guān)系進(jìn)行了分析,建立了不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型,指出其多變量與強(qiáng)耦合的非線性特點(diǎn)。(2) 在分析矢量控制技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,用Matlab/Simulink搭建了仿真模型,進(jìn)行了電壓空間矢量控制的仿真驗(yàn)證。(3)設(shè)計(jì)了小功率異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng),用TMS320F2808作為控制主芯片,PM50CXL^M模塊作為功率模塊,搭建了矢量控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái),進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)用性。5.2展望由于經(jīng)驗(yàn)的欠缺和吋間的限制,本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖然符合理論分析,但是和理想的變頻調(diào)速系統(tǒng)在性能上還存在一定的差異。為了改善和優(yōu)化本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng),對(duì)于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)今后將繼續(xù)進(jìn)行以下幾個(gè)方面的研究:1、硬件的相關(guān)保護(hù)、散熱和可靠性設(shè)計(jì);2、系統(tǒng)軟、硬件的優(yōu)化,提高可靠性;3、本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由于對(duì)系統(tǒng)的強(qiáng)、弱電有上電順序的要求,可以單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)控制上電順序的模塊取代本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的3個(gè)插座開(kāi)關(guān),減小系統(tǒng)體積。4、對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行封裝,可以利用單片機(jī)等控制芯片設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制面板,便于通過(guò)控制面板對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)操作和各參數(shù)、波形的觀察。論文主要參考文獻(xiàn)[I] 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