基于DSP的感应电动机变频调速控制系统设计.docx
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基于DSP的感应电动机变频调速控制系统设计
华东交通大学理工学院
InstituteofTechnology.
EastChinaJiaotongUniversity
毕业设计
GraduationThesis
(2011—2015年)
题目基于DSP的感应电动机变频调速控制系统设计
分院:
电气与信息工程分院
专业:
电气工程及其自动化
班级:
学号:
学生姓名:
指导教师:
起讫日期:
华东交通大学理工学院
毕业设计原创性申明
本人郑重申明:
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毕业设计作者签名:
日期:
年月日
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毕业设计作者签名:
指导教师签名:
签字日期:
年月日签字日期:
年月日
摘要
随着微电子技术和交流变频调速技术的迅猛发展,变频调速技术以其高效的调速性能逐渐取代了直流调速被广泛运用,成为交流调速的发展方向。
本文主要介绍了一种以DSP芯片为核心的变频调速控制系统设计。
系统有硬件和软件两部分构成。
硬件部分是:
主电路、保护电路和控制电路等。
主电路用了先进的智能功率模块(IPM);控制电路采用TI公司的TMS320LF2407DSP芯片作为控制芯片。
其中主要内容包括:
TMS320LF2407芯片特性、变频调速原理、IPM结构特点、SPWM脉宽控制原理、直接转矩控制原理、并利用TMS320LF2407芯片构成了控制系统。
所设计的基于DSP的控制系统实现了对感应电动机变频调速的全数字化控制,实现了高性能,高精度,节能又环保的要求,提高了能量利用率。
关键词:
DSP;变频调速;SPWM;感应电动机
-I-
Abstrat
WiththerapiddevelopmentofmicroelectronicstechnologyandACvariablefrequencyspeedcontroltechnology,variablefrequencyspeedcontroltechnologyforitshighspeedperformancewillgraduallyreplacetheDCspeedregulationiswidelyused.Variablefrequencyspeedcontrolcanbeusedtoconstituteahighperformancespeedcontrolsystem,isthedevelopmentdirectionofACspeedcontrolsystem.
ThispapermainlyintroducesthedesignofcontrolsystemofavariablefrequencyspeedregulationbasedonDSPchip.Thesystemhastwoparts:
hardwareandsoftware.Thehardwarepartis:
themaincircuit,protectioncircuitandcontrolcircuit.ThemaincircuitusesadvancedintelligentpowermodulesIPM;thecontrolcircuitusesTMS320LF2407DSPchipofTIcompanyasthecontrolchip.Themaincontentsinclude:
thecharacteristicsofTMS320LF2407chip,theprincipleoffrequencyconversion,IPMstructure,SPWMpulsewidthcontrolprinciple,theprincipleofdirecttorquecontrol,andtheuseofTMS320LF2407chipcontrolsystem.DSPcontrolsystemtorealizethefulldigitalcontrolofvariablefrequencyinductionmotorspeedcontrolbasedonthedesign,toachievehighperformance,highprecision,energysavingandenvironmentalprotectionrequirements,improvetheutilizationrateofenergy.
Keywords:
DigitalSignalProcessor;VVVF;SPWM;Inductionmotor
-II-
摘要.....................................................................IAbstrat....................................................................II目录...................................................................III
引言.....................................................................1
第一章概述................................................................1
1.1DSP的发展趋势.......................................................1
1.2变频调速技术简介.....................................................2
1.3变频调速技术的发展..................................................3
1.4电动机的DSP控制系统................................................3
1.5本论文主要研究内容..................................................4
第二章感应电动机变频调速原理..............................................5
2.1感应电动机的结构....................................................5
2.2交流感应电动机的工作原理.............................................5
2.3变频调速............................................................7
2.3.1变频器.........................................................7
2.3.2变频器的控制...................................................7
2.3.3变频调速原理...................................................8
2.4正弦脉宽(SPWM)控制理论...........................................9
2.4.1SPWM的调制原理...............................................12
2.4.2SPWM的生成方式...............................................13
2.5直接转矩控制理论...................................................14
2.5.1直接转矩控制的基本数学方程....................................15
第三章数字信号处理器......................................................17
3.1数值信号处理器(DSP)简介..........................................17
3.1.1DSP芯片......................................................17
3.1.2DSP芯片的分类和选择..........................................17
3.2DSP系统开发........................................................18
3.3DSP的发展方向......................................................19
第四章变频调速系统硬件电路设计............................................20
4.1系统硬件设计........................................................20
4.2变频主电路设计......................................................21
4.2.1整流电路......................................................21
4.2.2滤波电路......................................................21
4.2.4逆变电路......................................................22
4.3控制电路的设计......................................................23
4.3.1DSP最小系统设计.............................................23
4.3.2DSP外围接口电路设计..........................................23
-III-
4.4系统保护电路设计...................................................24
4.5其它电路设计........................................................25
4.5.1光耦隔离电路..................................................25
4.5.2速度反馈电路..................................................26
第五章系统软件设计........................................................27
总结...................................................................29
参考文献...................................................................30
附录...................................................................31
后记...................................................................34
-IV-
引言
电动机是现代工业生产中主要的动力输出设备,在工业生产,我们往往会对电机进行速度控制,这不但满足了生产需要,还降低了能量能耗。
所以对电机进行调速控制是企业减少能耗,提高经济效益的重要手段。
早期的直流电机以其优良的调速特性被广泛运用,但是因其结构复杂、维修困难、不稳定、造价昂贵、不适用于高压高速的环境等缺点,也就制约了直流调速系统的发展。
交流电机,以其可靠性高、结构简单、维修方便等优点,被广泛运用于工业生产。
但是三十年前,因为电机控制理论和技术的原因,直流调速系统还是优越于交流调速系统。
随着控制技术和控制理论的发展,使得交流调速系统取得了飞跃式的发展,并逐渐代替了直流调速系统。
在众多交流调速中,又以变频调速应用最广。
以DSP为核心的变频调速系统,相对于其它变频调速系统具有控制精度高,可靠方便,成本低,适用性强等优点,是当前高性能调速系统的发展趋势。
本文设计了以TMS32OLF2407定点DSP芯片为核心的变频调速系统对感应电动机进行调速控制。
-1-
第一章概述
1.1DSP的发展趋势
在计算机科学技术不断发展的今天,电力电子技术和数字控制技术也有着突破性发展。
如今应用DSP芯片来控制系统已经成为当前最热门技术,它已成为高等院校,高新技术科研院所研发人员的热门研究性课题。
最近十年随着微电子工业的迅猛发展,由于DSP技术成本大大降低,使得DSP技术成为实用技术,相对于20世纪70年代DSP系统平均每秒完成100万次的运算花费的万元,现在通用DSP处理器费用已降到数十元左右,且会越来越便宜。
DSP运算以其较低的运算成本,使得DSP技术被广泛运用于通信领域和消费电子领域,并且越来越多的家电产品也使用DSP技术。
随着DSP芯片的种类和技术的不断完善和提高,使得DSP技术向着高性能,多功能,低能耗的方向发展。
DSP技术应用前景将十分广阔。
DSP应用产品具有着巨大的市场需求,我们就美国市场而言,据不完全统计,21世纪将会有几亿辆汽车和几千万台个人通信装置,以及数以百万计的工厂会使用DSP系统。
业界专家认为,DSP系统会在IP电话、手持式通信设备的助推下将会有突飞猛进的发展。
DSP系统不仅在传统的工业控制,通信和图象处理领域有十分广泛的应用空间,如智能工控设备、POS/ATM机等,而且在信息家电领域的应用更具有十分广泛的潜力,例如机顶盒、变频冰箱和变频空调等众多家电产品,以及在车载盒和智能交通等领域的应用同样呈现出前所未有的潜力。
(1)智能家电领域,随着变频空调和变频冰箱,数字电视等智能家电产品被广大消费者所亲睐,为特定的DSP操作系统提供了应用发展空间。
智能家居是未来发展的主流方向,估计在未来几年内将得到迅速的发展。
(2)智能汽车领域,随着无线通信技术和全球定位技术的发展与广泛应用,集通信、、导航、各类汽车安全系统于一体的车载盒必定会成为未来汽车的发展方向。
因为目前市场需求很大,所以车载盒必将成为未来几年来发展的热点,增加了该领域未来几年在dsprtos应用市场规模。
(3)智能交通领域,随着当前人们对生活环境要求的不断提高,智能交通系统(ITS)将是一个新世纪快速发展的支柱产业。
应用了DSP控制操作系统将会是发展智能路车交互系统、综合路口控制机、收费综合管理系统、新型停车系统与高速公路的信息监控的重要技术,它的应用将保证智能交通系统的高性能、低成本,系统的可靠性和智能化程度都得到了大大提高。
-1-
(4)其它领域的应用,如视频会议系统、全数字电机控制系统、通信和医疗等领域,都离不开DSP操作系统。
1.2变频调速技术简介
变频调速技术是一种通过改变交流电机的频率来实现对交流电机调速为目的的技术。
我们都知道,目前,不管什么样的机械调速器,都通过电机实现。
从大的范围分,有直流电机和交流电机。
由于直流电机的速度控制很容易实现良好的性能,所以在过去多用直流电机调速。
但其的缺陷是:
由于直流电机用的是直流电源,其滑环和电刷应经常更换,它是不仅费时,而且很昂贵的,带来太多不必要的麻烦。
所以人们希望做一个既简单的又可靠的廉价的笼式交流电机的速度也像直流电机一样轻松实现调速目的。
这就有了定子调速,滑差调速,变极调速,串极调速,转速电阻串等方法。
当然,也就有了滑差电机,同步交流电动机,绕线电机。
随着电力电子技术和微电子技术的发展,才有了变频调速技术的出现,变频调速技术以其优良的性能,使得其它交流电机调速方法被它取代了,以及直流电机的速度,并成为电气传动中枢
变频调速被认为是一种理想的速度的方法。
但如何得到一个单一的向异步电动机供电的既经济又可靠的变频电源,已成为交流变频调速一个主要的问题。
到二十世纪六十年代中期,随着普通晶闸管,功率管被广泛运用,才有了静止变频装置,它是通过变换三相工频电源后,得到可调频率的交流电。
这种改变频率的装置,其体积大,成本高,大多是针对特定的控制对象而研制的,一般都是小容量,控制方式也不是很完善。
调速完成后电机的静态和动态性能有必要再改善,尤其是低速性能不理想,因此只能用于纺织、磨床和其他特殊场合。
随着电力电子技术的发展,变速传动技术也进步迅速,然后就出现了现在的普通变频器。
由于它的功能丰富,所以被应用于不同的负载和场合,尤其是在二十世纪90年代,随着矢量控制技术,半导体开关器件IGBT成熟,微机控制变频调速已经被广泛的运用,通过变频调速后的异步电动机的动态特性和静态特性,已经能够达到直流调速相同的效果了。
由于变频器所用的大规模集成电路,半导体开关装置,传感器等器件的性能不断的提高,使得我们进一步提高改善变频器的性能和功能。
当前,变频的功能不但丰富,而且操作起来也非常方便,其性能越来越稳定,使用寿命也越发长久。
我们所说的变频也就是使用电力电子器件(如GTR功率晶体管、绝缘栅双极型晶体管IGBT)将50赫兹的市电变化为生活中所需的不同频率的电。
它可以分为直流变频和间接变频。
间接变频有谐振和方波两种方式,谐振变频多用于中频加热;方波变频分为等幅等宽和SPWM变频。
我们常用到的方法有正弦波和三角波比较SPWM法,等面积SPWM法和磁跟踪型SPWM法
-2-
1.3变频调速技术的发展
异步电动机的调速方法有很多,常见的有,变压调速、变级对数调速、电磁转差离合器调速、变频调速等。
交流变频调速技术的优点是:
(1)效率高,平滑性好
(2)起动电流低,节能效果明显
(3)调速精度高,范围大
(4)自动化程度高
电力电子变频技术在二十世纪得到很快发展。
20年代,早期交流变频调速原理诞生;60年代,电力电子器件的发展,让变频调速技术更加的实用;70年代,石油危机促使发达工业国家投入大量人力和资金去研究更加高效率的变频器,让变频调速技术迅猛发展和被广泛运用;80年代,变频调速的性能不断的被提高,因其优越性被用于构成高性能的调速系统;90年代,新型电子器件的应用,使变频调速技术更加高效。
随着计算机技术发展和先进的控制理论的提出,使得变频调速技术不断被完善,它在驱动能力,调速范围,动态响应和调速精度等方面,比其交流调速方式更优越,它以其优越性能逐渐取代了直流调速系统。
当前,交流变频调速技术被认为是一种最有发展前景的交流调速方式,它代表了电气传动发展的前进方向。
如今,变频调速理论己较为完善,成为一门相对独立的学科。
变频调速技术为企业改善电机控制性能、节能降耗和提高生产效率提供了重要的手段。
1.4电动机的DSP控制系统
电动机的DSP控制系统绝大多数是模拟部件和数字部件两部分组成的混合系统,当前的发展方向是全数字控制系统。
在电动机的DSP系统中,一般存在数字信号与模拟信号,这些信号可分为连续信号和离散信号两种。
例如:
电机的电压与电流就是连续模拟信号,它们被采样保持后就成为了离散模拟信号了;键盘输入的信号则是数字信号。
因为DSP在处理运算时只能识别和依次处理数字量,所以DSP对外界信息的传递和处理只是一个采样过程,也就可以说电动机的DSP控制系统是离散的系统。
DSP控制的系统相对于传统的单片机和微机控制系统具有更快的运算速度,精度高,大的储存量,具有多种输入输出端口,各种中断处理能力,逻辑控制功能,所有的控制硬件都集成在同一块DSP芯片上。
随着集成电路技术的不断发展,DSP芯片的功能也越来越强大。
以DSP为核心控制系统有以下特点:
1)计算能力强,储存容量大,丰富的逻辑判断能力,可进行复杂的控制你规律。
2)使电机控制器硬件更加轻巧,能耗更低。
3)计算精度高,系统更稳定
4)硬件与软件的有机结合,使系统具有很高的灵活性。
-3-
1.5本论文主要研究内容
本文在掌握变频调速原理的基础上,采用定点的DSP芯片TMS320LF2407,系统开环时采用SPWM控制理论,系统闭环时采用直接转矩控制理论,提出了感应电机变频调速系统的总体设计方案。
具体研究工作包括:
感应电机变频调速原理的研究;感应电机变频调速系统硬件电路和软件电路设计,包括主电路,控制电路,系统保护电路等。
实现了对感应电动机的变频调速控制。
-4-
第二章感应电动机变频调速原理
2.1感应电动机的结构
感应电动机由气隙,定子,转子三部分组成。
根据定子所接交流电源的相数可分为单相、三相、多相。
转子结构可分为绕线式和笼式两种。
例如,三相感应电动机定子上安放了绕组轴线在空间互成120º电角的三相对称绕组。
转子不但可以是同级数的三相对称绕组和两端短路的笼式绕组,所以它们分别称作三相绕线式感应电动机和三相笼式感应电动机。
2.2交流感应电动机的工作原理
当三相感应电动机定子绕组接三相对称交流电压,三相电流就流入定子绕组,气隙中就会产生一个圆形的旋转磁场。
这个旋转磁场相对定子的绕组的转速是由电动机的极对数和电源电压的频率共同决定的。
在定子绕组气隙中形成的旋转磁场F1和B1:
一方面切割定子绕组并产生感应电动势,它的频率与定子绕组电流的频率一样,切割绕组产生的感应电动势与外加电源的电压相等;另一方面旋转磁场同时也会切割转子绕组并产生感应电动势,其频率为f2(转差频率),转差频率与转子的转速和转向有关,如图2-1所示。
因为感应电机的绕组是短路的,所以会在绕组中产生和转子感应电势同频率的转子电流,所以转子电流也会和定子电流一样在气息中产生旋转磁场F2和B2。
推导交流异步电动机转速由下式表示:
n0=60(f1-f2)6
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- 基于 DSP 感应 电动机 变频 调速 控制系统 设计