DSP的通用变频器的设计Word下载.docx
- 文档编号:17941857
- 上传时间:2022-12-12
- 格式:DOCX
- 页数:56
- 大小:1.20MB
DSP的通用变频器的设计Word下载.docx
《DSP的通用变频器的设计Word下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《DSP的通用变频器的设计Word下载.docx(56页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
目 录
引 言
电机变频调速是电力电子技术应用的最大领域之一,具有极大的吸引力,同时也具有较强的挑战性。
它的市场异常庞大,据报道,世界上大约有100亿以上各种电机在工作,近年来,我国空调一年的产量已经超过1000万台,仅此一项市场已非常庞大;
另外,其应用面极其广泛,例如机床、电动工具、电力机车、机器人、家用电器、计算机的驱动器、汽车、船舶、轧钢、造纸和纺织行业等等。
而交流异步电机由于结构简单,使用与维护方便,运行可靠、价格低廉,并具有比较满意的运行特性和比较高的效率,在传动领域具有重要的地位。
交流变频调速技术的优越性主要体现在两个方面:
一是节电显著;
二是卓越的调速性能。
通过利用全控型电力电子器件的导通和关断,将直流电压变成一定波形的电压脉冲序列,实现变频器输出电压的调节。
PWM方式能够及时、准确地实现变压变频要求,可以抑制逆变输出电压、电流的谐波分量,降低电机转矩脉动。
目前实际工程中主要采用正弦PWM调制方式,就是所谓的SPWM技术。
TMS320LF2407A是德州仪器公司专门为电机控制开发的一款定点式数字信号处理芯片,运用SPWM技术和DSP技术就可以完成了交一直一交电压源型通用变频器的硬件设计和系统搭建。
1
绪论
1.1本课题的研究背景和研究意义
随着世界经济的不断发展,科学技术不断提高,环保和能源问题日趋成为人们争论的主题。
充分有效地利用能源已成为紧迫的问题,为了寻求高效可用的能源,各个国家都投入了大量人力财力,进行不懈的努力。
就目前而言,电能是全世界消耗最多的能源之一,同时也是浪费最多的能源之一,为解决能源问题必须先从电能着手,其中起代表性的就是电机的控制。
电机是一种将电能转换成机械能的设备,它的用途非常广泛,在现代社会生活中随处可见电机的身影,在发达国家中生产的总电能有一半以上是用于电机的能量转换,这些电机传动系统当中90%左右的是交流异步电机。
在国内,电机的总装机容量已达4亿千瓦,年耗电量达6000亿千瓦时,约占工业耗电量的80%。
并且使用中的电机绝大部分还是中小型异步电机,加之设备的陈旧、管理、控制技术跟不上,所浪费的电能甚多。
能源工业作为国民经济的基础,对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都起着极为重要的作用。
在高速增民的经济环境下,我国能源工业而临着经济增长与环境保护的双重压力。
有资料表明,受资金、技术、能源价格的影响,我国能源利用效率比发达国家低很多。
为此,国家十五计划中,在电机系统节能方而投入的资金高达500亿元左右,由此可见,在我国异步电机的变频调速系统将有巨大的市场潜能。
在电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术迅速发展的今天,电气传动技术正面临着一场历史性的革命。
经过了十多年的发展,近代交流传动逐渐成为电气传动的主流。
在交流电机调速系统中,效率最高、性能最佳的是变频调速系统,因此,对变频调速的研究是当前电气传动研究中最为活跃、最有实际应用价值的工作。
变频器产业的潜力非常巨大,值得强调的是,这里的“变频器产业”应该是变频器技术产业,或者是invertertechnology产业。
正如IT产业不仅限于PC一样,变频器技术产业包括所有与变频器技术相关的产业,如电力电子器件的生产、驱动保护集成电路的生产、电气传动与系统控制技术、工业应用等。
1.2交流变频调速技术发展概况及其运用
近年来,交流调速在国内外发展十分迅速,打破了过去直流拖动在调速领域中的统治地位,交流调速拖动已进入了与直流拖动相媲美、相竞争、相抗衡的时代,并有取而代之的趋势,这是现代电力拖动发展的主要特征。
其主要原因有:
电力电子技术的不断更新、控制策略和电机控制理论的不断完善、以及全数字化高性能高速度的微处理器不断发展等。
1.2.1电力电子技术的发展
由于交流电机的诸多优点和运用广泛,其调速系统早就得到人们的关注,早期的交流电机调速方法,如用绕线式异步电机转子串电阻调速、鼠笼式异步电机变极调速、在定子绕组串电抗器调速等都存在效率低,不经济等缺点。
交流变频调速的优越性旱在20世纪20年代就已被人们所认识,但受到元器件的限制,当时只能用闸流管构成逆变器,由于投资大,效率低,体积大而未能推广。
20世纪50年代中期,晶闸管的研制成功,开创了电力电子技术发展的新时代。
晶闸管具有体积小、重量轻、响应快、管压低等优点,从而使得交流电机调速技术有了飞跃发展,出现了交流异步电机调压调速、串级调速等调速系统。
到20世纪70年代出现了变频调速技术,变频调速具有效率高、精度高和范围宽等特点,是目前运用最广泛且最具有发展前途的调速方式。
交流电机变频调速系统的种类也很多,从早期提出的电压源型变频调速开始,相继发展了电流源型,脉宽调制等各种变频调速控制系统。
目前变频调速的主要方案有:
同步电机自控式变频调速,正弦脉宽调制(SinePulseWidthModulation)变频调速,矢量控制(FieldOrientedControl)变频调速,直接转矩控制(DirectTorqueControl)及无速度传感器控制等。
这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。
随着电力电子技术的发展,特别是可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR、绝缘门极晶体管IGBT,MOS晶闸管及MTC等具有自关断能力全控功率元件的发展,且控制单元也从分离元件发展到大规模数字集成电路及采用微处理器控制,从而使变频装置的快速性、可靠性及经济性不断提高,变频调速系统的性能也得到不断完善。
1.2.2控制策略和控制理论的不断发展
由直流电机的结构可知,直流电机的电枢磁势和电机的励磁是相互正交的,可以对电枢的电流和磁通分别进行控制,从而能够得到较理想的直流电机的转速调节性能和转矩调节控制性能。
由于直流电机本身的结构复杂,还存在着换向器或电刷等器件,使得直流电机的容量受到一定的限制,维护也不方便。
为此,交流异步电机以其独有的结构简单、耐用、运行稳定可靠、转动惯量小、制造成本低、维护少且方便、能够运用于恶劣环境等诸多优点,被广泛运用到工农业生产中。
但是,交流异步电机的数学模型是一个非线性、强耦合、多变量的,不能像直流电机那样对磁通和转矩分别进行控制调节,在一定程度上抑制了交流异步电机的运用范围。
在交流电机变频调速中应用最为广泛的是PWM控制,可以说PWM控制是交流调速系统的控制核心,任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM控制方式来完成的。
目前已经提出并得到实际应用的PWM控制方案就不止十几种,关于PWM控制技术的文章在很多著名的电力电子国际会议上,如PESC,IECON,EPE年会上已形成专题,尤其是微处理器应用于PWM技术并使之数字化以后,花样更是不断翻新。
从最初追求电压波形的正弦,到电流波形的正弦,再到磁通的正弦;
从效率最优,转矩脉动最小,到消除噪音等,PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。
到目前为止,还有新的方案不断提出,进一步证明这项技术的研究方兴未艾。
其中,高性能交流调速系统有:
U/F恒定、速度开环控制的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环控制系统,这些虽然基本上解决了异步电机平滑调速的问题,然而,当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时,上述控制系统还是比直流调速系统略逊一筹。
主要原因在于,其系统控制的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出稳态值控制,完全不考虑过渡过程,系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方而的性能尚不能令人满意。
考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统,很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩,但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标,利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换,则可以把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来,进行分别控制。
通过坐标变换重建异步电机的数学模型,可以使得异步电机等效于直流电机,从而象控制直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制,即矢量控制,又称为磁场定向控制。
与矢量抓子制不同的是,直接转矩控制摒弃了解耦的思想,取消了旋转坐标变换,而是简单地通过检测电机定子电压和电流,借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩,并与给定值比较得出差值,实现磁链和转矩的直接控制。
尽管矢量控制与直接转矩控制使交流调速系统的性能有了较大的提高,但是还有许多领域有待研究,比如:
磁通的准确估计和观测、无速度传感器的控制方法、电机参数的在线辨识、极低转速包括零速下的电机控制、电压重构与死区补偿策略、多电平逆变器的高性能控制策略等更新更优的控制理论和控制策略。
1.2.3全数字化高性能微处理器运用于电机控制
随着计算机技术和电力电子器件制造技术的发展以及新型电路变换器的不断出现,现代控制理论向交流调速领域的不断渗透,特别是微型计算机及大规模集成电路的发展,交流电机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展,为了满足现代人们对数字化信息的依赖,为了使交流调速系统与信息系统紧密结合,为了提高交流调速系统自身的性能,必须实现交流调速系统的全数字化控制。
单片机在交流调速系统中已经得到了广泛地应用。
例如由Intel公司1983年开发生产的MCS-96系列是目前性能较高的单片机系列之一,适用于高速、高精度的工业控制。
其高档型:
8X196KB,8X196KC,8X196MC等在通用开环交流调速系统中的应用较多。
但是由于交流电机控制理论不断发展,控制策略和控制算法也日益复杂,这就需要高性能、高速度的新一代微处理器,于是出现了数字信号处理器DSP(DigitalSignalProcessing)。
因此,DSP芯片在全数字化的高性能交流调速系统中找到大展身手的舞台。
DSP芯片生产商主要有:
Motorola公司、ADI公司和TI公司,本课题采用的是TI公司专为电机控制而研发的TMS320F240芯片。
在交流调速的全数字化的过程当中,各种总线也扮演了相当重要的角色。
STD总线、工业PC总线、现场总线以及CAN总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。
数字化控制或称微机控制,其优点是使硬件设计简化,柔性的控制算法使控制灵活、可靠,更易实现复杂的控制算法,便于故障诊断和监视。
控制系统的软件化对CPU芯片提出了更高的要求,为了实现高性能的交流调速,要进行矢量的坐标变换,磁通矢量的在线计算和自适应参数变化而修正磁通模型,以及内部的加速度、速度、位置的重叠,外环控制的在线实时调节等,都需要存储多种数据和快速实时处理大量信息。
可以顶见,随着计算机芯片容量的增加和运算速度的加快,交流调速系统的性能将得到很大的提高。
1.2.4目前变频技术的发展趋势、展望
近几年来对电力电子装置控制技术的研究十分活跃,各种现代控制理论,如自适应控制、滑模控制和人工神经网络、以及智能控制(如专家系统、模糊控制、遗传算法、采用微分几何理论的非线性解祸、鲁棒观察器,在某种指标意义下的最优控制技术和尼奈奎斯特阵列设计方法等)和无速度传感器等高动态性能控制都是研究的热点,这些研究必将把交流调速技术发展到一个新的水平。
交流变频调速控制系统广泛应用于机械、冶金、矿山、化工、石油、纺织、造纸、印染、船舶、铁路等行业,是最有发展前途的一种调速控制方式。
从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10~15年,就目前而言,尽管变频调速系统的研发在国内还比较活跃,但是市场上的绝大部分产品还是被国外产品所占据,为此,我们需要密切关注国际变频调速技术发展的趋势,紧跟着国内市场的需求,加快国内变频调速系统的发展,努力研制出自己的产品。
1.3本论文的研究内容
本文在掌握交流电机变频调速基本原理的基础上,采用电机控制专用DSP芯片TMS320LF2407A,运用变频调速的U/f控制方式和SPWM控制算法,提出了基于DSP的通用变频器的总体设计方案,并详细阐述了其中关键技术的研究和设计。
U/f控制方式的变频调速系统是转速开环控制,无需速度传感器,控制电路比较简单,电机选择通用标准异步电动机,因此其通用性比较强,性能/价格比比较高。
具体研究工作包括:
Ø
交流电机变频调速原理的研究;
变频调速系统硬件电路的研究和设计,包括主电路、系统保护电路和控制电路等;
变频调速系统控制软件的研究和设计。
2
异步电机变频调速的基本理论
2.1三相交流电机的结构和工作原理
1.三相交流电机的结构
三相交流电机的主要部件如图2.1所示。
它由定子(包括机座)、转子、端盖等组成,其中定子和转子是能量传递的主要部分。
现分别介绍如下:
图2.1三相交流电机的主要部件
(1)定子
定子是电动机的不动部分、它主要由铁心、定子绕组和机座组成。
定子铁心是电动机磁路的一部分,为了减少铁损,定子铁心由表面绝缘的硅钢冲片叠压而成。
硅钢片内圆周表面冲有槽孔,用以嵌置定子绕组,定子绕组是定子中的电路部分,中、小型电动机一般采用漆包线绕制,其三相对称绕组共有六个出线端,每相绕组的首端和末端分别用D1,D2,D3和D4,D5,D6标记,可以根据电源电压和电动机的额定电压把三相绕组接成星形或三角形,参见图2.2:
图2.2三相交流异步电动机接线柱的联接
(2)转子
转子是电动机的旋转部分,由转轴、转子铁心、转子绕组和风扇等组成。
转子铁心是一个圆柱体,也由硅钢片叠压而成,其外圆周表面冲有槽孔,以便嵌置转子绕组。
转子绕组根据其构造分为两种形式:
鼠笼式和线绕式。
(a)鼠笼式
鼠笼式转子是在转子铁心的槽内压进铜条,铜条的两端分别焊接在两个铜环上,因其形状如同鼠笼,故得名。
现在中、小型电动机更多地采用铸铝转子,即把熔化的铝浇铸在转子铁心槽内,两端的圆环及风扇也一并铸成。
用铸铝转子可节省铜材,简化了制造工艺,降低了电机的成本。
(b)线绕式
其转子铁心与鼠笼式相同,不同的是在转子的槽内嵌置对称的三相绕组。
三相绕组接成星形,末端接在一起,首端分别接在转轴上三个彼此绝缘的铜制滑环上。
滑环对轴也是绝缘的,滑环通过电刷将转子绕组的三个首端引到机座上的接线盒里,以便在转子电路中串入附加电阻,用来改善电动机的起动和调速性能。
绕线式电动机结构比较复杂,成本比鼠笼式电动机高、但它有较好的性能,一般只在有特殊需要的场合使用。
2.三相交流电机的工作原理
交流电动机是利用载流导体在磁场中产生电磁力的原理制成的。
因此,我们首先讨论在交流电动机定子绕组中通以三相交流电所产生的旋转磁场。
假设将定子绕组联接成星形,并接在三相电源上,绕组中便通入三相对称电流:
(2.1)
(2.2)
(2.3)
其波形如图2.3所示:
图2.3三相电流波形
三相电流共同产生的合成磁场将随着电流的交变而在空间不断地旋转,即形成所谓的旋转磁场,如图2.4所示:
图2.4三相电流产生的旋转磁场
旋转磁场切割转子导体,便在其中感应出电动势和电流,如图2.5所示。
电动势的方向可由右手定则确定。
转子导体电流与旋转磁场相互作用便产生电磁力F施加于导体上。
电磁力F的方向可由左手定则确定。
由电磁力产生电磁转矩,从而使电动机转子转动起来。
转子转动的方向与磁场旋转的方向相同,而磁场旋转的方向与通入绕组的三相电流的相序有关。
如果将联接三相电源的三相绕组端子中的任意两相对调,就可改变转子的旋转方向。
图2.5转子转动原理图
旋转磁场的转速n0称为同步转速,其大小取决于电流频率f1和磁场的极对数
。
当定子每相绕组只有一个线圈时,绕组的始端之间相差120°
以空间角,如图2.4所示,则产生的旋转磁场具有一对极,即
=1。
当电流交变一次时,磁场在空间旋转一周,旋转磁场的(每分钟)转速n0=60f1。
若每相绕组有两个线圈串联,绕组的始端相差60度空间角,则产生两对极,即
=2。
电流交变一次时,磁场在空间旋转半周,即(每分钟)转速n=60f1/p以此类推,可得
(2.4)
式中n0的单位为r/min。
在我国,工频f1=50Hz,电动机常见极对数
=1~4
由工作原理可知,转子的转速
必然小于旋转磁场的转速n0(即所谓“异步”)。
二者相差的程度用转差率
来表示:
(2.5)
一般交流电动机在额定负载时的转差率约为1%~9%。
2.2交流电机的调速方式
根据电机学原理知识,可以得到交流电机的转速公式为:
(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n0恒定时,调节转差率
,称为变转差率调速;
其二是调节供电电源频率f1,称为变频调速;
三是改变电机定子绕组的极对数,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3种极对数的有级调速,调速范围相当有限。
本方法适用于不需要无级调速的生产机械,如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。
(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PZ的表达式为:
(2.7)
其中
——电磁转矩
ω——电机旋转磁场的速度
ωs——旋转磁场的同步速度
s——转差率
式(2.7)中sPM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
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ωs来调速。
转矩恒定时,
基本不变,交流电动机的输出功率Pz=Mω=Mωs(1-s)与输入电磁功率
成比例变化,损耗基本没有增加,是一种高效的调速方法。
1)效率高,调速过程中没有附加损耗。
2)应用范围广,可用于笼型交流电动机。
3)调速范围大,特性硬,精度高。
4)对于低负载运行时间较多或起停运行较频繁的场合,可以达到节电和保护电动机的目的。
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。
2.3变频调速系统的U/f控制方式
电机定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果,本质上是定子绕组的自感电动势。
其三相交流异步电动机每相电动势的有效值是:
(2.8)
式中:
E1——气隙磁通
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- DSP 通用 变频器 设计