1、本科生毕业论文存档日期： 存档编号： 徐 州 师 范 大 学 科 文 学 院本科生毕业论文（设计）论 文 题 目： 基于 DSP 的交流变频调速系统的设计 姓 名： 学 号： 专 业 ： 电气工程及其自动化 年 级 ： 指 导 教 师： 科文学院教务部印制本科生毕业论文第 I 页 共 44 页 I摘 要随着工农业生产的发展，人们对调速技术的要求也越来越高，而异步电动机在调速方面一直处于性能不佳的状态。然而，变频技术的出现改善了交流电机的调速性能，同时无速度传感器和基于微处理器的数字调速系统也开始逐渐进入人们研究和讨论的范围。作为高新技术之一的变频技术是重要的节能和环保技术，在各种工业生产、交通
2、运输和家用电器中应用十分广泛，变频器作为变频技术的产品，在我国工农业等各方面有着极其重要的地位。本文以三相交流异步电动机为被控对象 TMS320LF240X 定为处理器，通过SPWM 控制技术对交流电机实现恒压频比控制，电机变频调速的理论。介绍了SPWM 控制技术的原理:包括单极性 SPWM 控制技术、双极性 SPWM 控制技术和 SPWM的调制方式。给出了系统各部分硬件电路的工作原理、参数计算以及各部分器件的选取。系统硬件电路主要由主电路、系统保护电路和控制电路组成。主电路部分包括整流、滤波、逆变器，IPM 驱动电路与吸收电路等;系统保护电路包括过压、欠压保护、限流启动、IPM 故障保护等;
3、控制电路包括 DSP 最小系统电路。最后叙述了具体使用 DSP 编写产生 SPWM 波形程序的步骤以及一些相关寄存器的设置。死区可以防止主电路桥臂短路现象的发生接着给出了 SPWM 波形的死区时间，这些波形说明电机可以稳定运行并实现变频调速。关键词: DSP 智能功率模块 恒压频比控制 SPWM本科生毕业论文第 II 页 共 44 页 IIAbstractAlong with the development of agricultural production and technical requirements of speed, and more and more is also high
4、 in speed asynchronous motor is the poor performance of the state. However, the frequency conversion technology to improve the performance of ac motor speed, speed sensorless and microprocessor-based digital control system is also gradually began to enter the scope of study and discuss people. As on
5、e of the high-tech frequency conversion technology is an important energy saving and environment protection technology, in various industrial production, transportation and widely used in household appliances, inverter frequency conversion technology products, as in all aspects of our agriculture is
6、 very important position.Taking three-phase ac induction motor is accused of TMS320LF240X as processor, through the SPWM control technology to realize constant pressure frequency ac motor control motor speed, the theory. Introduces the principle of SPWM control technology, including single polarity
7、SPWM control technology, the dual polarity SPWM SPWM modulation and control technology. Given the parts hardware circuit principle, parameter calculation and each part of the device. The system hardware circuit consists mainly of main circuit, system protection circuit and control circuit. The main
8、circuit includes rectifier, filtering, inverter, IPM drive circuit and absorbing circuit, etc. System protection circuit including over-voltage, protection, limited flow, fault protection; IPM Control circuit including DSP smallest system circuit. Finally describes specific use DSP write produce SPW
9、M wave process steps and some relevant register setting. Then gives SPWM wave of dead zone, dead zone can prevent the main electric circuit of road arm, After gives different frequencies when the motor running voltage and current waveform, the line that the waveform can stable operation and motor in
10、verter.Keywords : DSP Intelligent power module Constant pressure frequency than control SPWM第 III 页 共 44 页 III目 录摘 要 IAbstract.II1 绪论 11.1 电机变频调速发展现况和趋势 11.2 电力电子技术的发展现况和趋势 21.3 国内外交流调速现状 31.3.1 国外现状 .31.3.2 国内现状 .41.4 本论文的研究内容 42 交流电机变频调速原理 52.1 三相交流电机的结构和工作原理 52.1.1 三相交流电机的结构 .52.1.2 三相交流电机的工作原理 .
11、62.2 交流电机的调速方式 82.3 变频调速系统的 fU控制方式 92.4 SPWM 控制技术原理 .112.4.1 单极性 SPWM 控制技术 .122.4.2 双极性 SPWM 控制技术 .142.4.3 SPWM 的调制方式 .143 变频调速系统的硬件电路设计 173.1 变频调速系统的总体设计 .173.2 主电路的设计 .183.2.1 整流电路 193.2.2 滤波电路 203.2.4 逆变电路 213.2.5 以 IPM 为功率器件的驱动电路 233.2.6 吸收电路 243.3 系统保护电路的设计 .243.4 控制电路的设计 .294 变频调速系统的软件设计 324.1
12、 DSP 生成 SPWM 波形 324.2 系统程序设计 .345 全文总结.37致 谢 .38第 IV 页 共 44 页 IV参考文献.39基于 DSP 交流变频调速系统的设计 第 1 页 共 44 页 11 绪论1.1 电机变频调速发展现况和趋势能源需求正极大地影响着全球经济发展。我国同样也面临着经济增长对能源需求的压力。九十年代我国高耗能产品的耗能量比发达国家高 12-55%，能源综合利用效率仅为 32%。 我国迫切需要提高能源利用效率。电机是能源消耗大户之一。我国电机总装机容量已达 4 亿千瓦，年耗电量达 6000 亿千瓦时，占工业耗电量的 80%，然而直到目前，我国各类在用电机 80
13、%以上还是中小型异步电动机，可见我国在电机节能领域有非常大的潜力。电机节能技术最受瞩目的就是变频调速技术。但是，我国变频调速技术研究虽然非常活跃，然而产业化仍很不理想，外国产品几乎占据了我国变频调速技术市场的 60%。 以下将着重介绍变频调速技术的最新发展概况。1永磁同步电动机及其控制系统的发展具有快速电流跟踪系统的变频装置、DSP 信号处理器以及高性能钕铁硼永磁材料的发展，为各类永磁同步电动机及其控制系统的发展带来生机。 永磁同步无龄轮电动机及控制系统，是新一代的绿色电梯驱动装置。国外该类电梯专用变频装置有十分完善的软件支持，可接受任意位置传感器的反馈信号，具有自学习功能，自动识别电动机参数
14、，在实现磁场定向伺服时，自动进行初始定位，具有和直流电动机一样优良的线性转矩控制特性。其体积小、效率高、功率因数高、振动小、噪声低，平层精度好，在高层建筑、无机房电梯和家庭小梯中都有很大的市场。2.变频调速系统中 PWM 技术的发展 PWM 控制是变频调速系统的核心 1，任何控法几乎都是以各种 PWM 控制方式实现。九十年代以来的产品，正弦形PWM（SPWM）调制方法已逐步为以下方式取代：快速电流跟踪 PWM 技术快速电流跟踪型 PWM 逆变器为电流控制型的电压源逆变器，一般采用滞环电流控制，使三相电流快速跟踪指令电流。该逆变器硬件简单，电流控制响应快，兼有电压和电流控制型逆变器的优点，普遍用
15、于 PMSM 伺服系统和异步电动机矢量变换控制系统。磁链跟踪控制 PWM 技术这种方法把逆变器和电动机视为一体，以三相对称正弦波电压供电时交流电动机理想的圆形磁场为基准，用逆变器不同开关模式所产基于 DSP 交流变频调速系统的设计 第 2 页 共 44 页 2生的实际磁链矢量来跟踪基准磁链园，由跟踪结果决定逆变器的开关模式，形成PWM 波。由于磁链的轨迹是靠空间矢量的选择来实现，因此又称电压空间矢量法。直接转矩的智能控制 PWM 技术常规的直接转矩 PWM 技术无法区别转矩、磁链的非常大的偏差和相对小的偏差，这将造成电机启动期间系统的停滞。而采用智能控制中的模糊控制，可以通过定子磁链的空间位置
16、，由一系列偏差的正大，正小等模糊语言，根据模糊规则推出逆变器的开关模式，使系统性能改善。双 PWM 控制技术交一直一交电压型逆变器是目前最广泛使用的型式，但常对电网构成谐波污染。目前双 PWM 控制技术的研究非常活跃，即由 PWM 整流器和 PWM 逆变器组成的双 PWM 变频器无须任何附加电路就可使电网侧的输入电流接近正弦波，使系统的功率因数约为 1，彻底消除网侧的谐波污染，并实现了四象限运行。1.2 电力电子技术的发展现况和趋势自从 1956 年第一只晶闸管的问世，电力电子技术作为电子技术的一个分支建立以来，电力电子技术已取得了令人注目的发展，早期的半控型电力电子器件SCR 已逐渐被全控型
17、半导体器件所代替，并发展出了多种高电压、大电流、快速(高频)、驱动简单、复合化和智能化的功率半导体开关器件。例如，单极型器件有功率;双极型全控器件有 3:GTR、达林顿管、GTO 等;复合器件有IGBT，MCT，MGT，sITH 等;近几年发展的智能型功率器件IPM，SMARTFET，TOPSwctih 等。其中场效应晶体管作为一种电压控制型多子器件，具有快速、安全工作区大、容易驱动的特点，因此，近些年来复合型器件被广泛应用在高频开关和电机控制中，并随着生产工艺和制造技术的发展，性能不断被改进。例如 MOSFET 的通态内阻不断减小，新的 MOSFET 通态内阻不仅比 PN 结的正向好，甚至比
18、肖特基二极管的正向内阻还小，己成为最佳的整流器件之一;以MOSFET 为基础的复合型器件 IGBT、EIGT、MER(固态继电器)、FETKEY(MOSFET+SCHOTTKY)等器件耐压不断增加，电流逐渐增大。如目前 IGBT 耐压已达到 450V 以上，EIGT 已有 4500v/1000A 的产品。同时由于电压控制型器件的应用，使功率开关管的驱动电路大大简化，例如 IGBT 器件的门极驱动电路比双极型晶体管的基极驱动电路所用的元器件要小得多，而且，所需要的驱动功率也比双极型晶体管的基极驱动电路的要少很多，从而使将驱动电路和功率开关管基于 DSP 交流变频调速系统的设计 第 3 页 共 4
19、4 页 3集成在同一芯片或模块中成为可能，并且经过了近些年来的发展，功率电子器件制造公司以推出了多种有智能特性的复合器件或模块，例如 SMARTFET 和护 M，它们内部不仅集成了各种自保护功能，也将控制芯片集成在里面。其中 SMARTFET是采用了微电子工艺集成的器件，IPM 是一种智能功率模块。从电力电子器件的发展历程，我们可以看出电力电子器件正在向高耐压、大电流、小的正向内阻、智能化的电压控制型器件发展。1.3 国内外交流调速现状1.3.1 国外现状在大功率交一交变频调速技术方面，法国阿尔斯通己能提供单机容量达 3 万的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，
20、意大利 ABB 公司提供了单机容量为 6 万的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司 simovertA 电流型晶闸管变频调速设备单机容量为 10 一 2600kVA，其控制系统己实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。在小功率交流变频调速技术方面，日本富士 BTJ 变频器最大单机容量可达7OkVA，IGBT 变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。国外交流变频调速技术高速发展有以下特点:1)市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和能源的全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等的节能场合，已取得
21、显著的经济效益。2)功率器件的发展。近年来高电压、大电流的 SCR，GTO，IGBT，IGCT 等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。3)控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础，16 位、32 位高速微处理器以及数字信号处理器(DPS)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能提供了硬件手段。4)基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、专业化生基于 DSP 交流变频调速系统的设计 第 4 页 共 44 页 4产。1.3.2 国内现
22、状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 一 15 年。在大功率交一交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当大的差距。在中小功率变频技术方面，国内学者作了大量的变频理论的基础研究，早在二十世纪 80 年代，已成功引入矢量控制的理论，针对交流电机具有多变量、强耦合、非线性的特点，采用了线性解耦合非线性解耦合的方法，探讨交流电机变频调速的控制策略。随着高性能单片机和数字信号处理器的使用，国内学者紧跟国外最新控制策略，针对交流感应电机特点，采用高次谐波注入国内交流变频调速技术产业状况表现如下:1)变频器的整机技术落后，
23、国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模。2)变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。3)相关配套产业及行业落后。4)产销量少，可靠性及工艺水平不高。1.4 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，运用变频调速的价厂控制方式和 SPWM 控制算法，提出了交流电机变频调速系统的总体设计方案，有速度传感器，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: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
24、计，包括主电路、系统保护电路和控制电路;变频调速系统控制软件的研究和设计。基于 DSP 交流变频调速系统的设计 第 5 页 共 44 页 52 交流电机变频调速原理2.1 三相交流电机的结构和工作原理2.1.1 三相交流电机的结构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卜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于电压把三相绕组接成星形或三角形，参见图 2-1。D3 D1 D5 D3 D1 D5D4 D2 D6 D2 D6 D
25、4D2 D1D6D5 D1 D4 D2D3 D4 D3D6 D5图 2-1 三相交流异步电动机接线柱的联接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)鼠笼式基于 DSP 交流变频调速系统的设计 第 6 页 共 44 页 6鼠笼式转子是在转子饮心的槽内压进铜条，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。现在巾、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
26、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。 2.1.2 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。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: iU (2-1)tsinImiv=Imsin( t-1200) (2-2)Iw=Imsin( t+1200) (2-3)
27、其波形如图 2-2 所示。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，iiu iv iw0 1800 3600 t图 2-2 三相电流波形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 2-3 所示。电基于 DSP 交流变频调速系统的设计 第 7 页 共 44 页 7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
28、端子中的任意两相对调，就可改变转子的旋转方向。Fn0F图 2-3 转子转动原理图旋转磁场的转速 no 称为同步转速，其大小取决于电流频率关和磁场的极对数 p,当定子每相绕组只有一个线圈时，绕组的始端之间相差 1200空间角，如图2-3 所示，则产生的旋转磁场具有一对极，即 p=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 no = 60f。若每相绕组有两个线圈串联，绕组的始端相差 600空间角，则产生两对极，即 p=2。电流交变一次时，磁场在空间旋转半周，即(每分钟)转速 以此类推，可得2160f(2-4)pfn0式中: 的单位为 0nmir在我国，工频 Hz，电动机常见
29、极对数 p=1451f由工作原理可知，转子的转速 n 必然小于旋转磁场的转速 所谓“异步” 。二者相差的程度用0n转差率 来表示 :s(2-5)0nsn基于 DSP 交流变频调速系统的设计 第 8 页 共 44 页 8一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)spfsn1600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 恒定时，调节转差率 s，称为变转差0n率调速;其二是调节供电电源频率 ，称为变频调速;三是改变电机定子绕组的极数，1f称为变极调速。(1)
30、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:1 具有较硬的机械特性，稳定性良好。2 无转差损耗，效率高。3 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 2-3 种极对数的有级调速，调速范围相当有限。(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 的表达式为:zp(2-7)MsZ sPMP)1(其中 M电磁转矩。电机旋转磁
31、场的速度。旋转磁场的同步速度ss转差率式(2 一 7)中 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MP基于 DSP 交流变频调速系统的设计 第 9 页 共 44 页 9上。因此，当 s 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 来调速。在转矩恒定时、基本不变，交流电动机的输s与输入电磁功率 。:成比例变化，损耗基本没有增sMPZ1sMP加，是一种高效的调速方法。优点: 效率高，调速过程中无附加损耗。应用范围广，可用于笼型交流电动机。调
32、速范围大，特性硬，精度高。对于低负载运行时间较多或起停运行较频繁的场合，缺点: 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 控制方式fU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。其三相交流异步电机每相电动势的有效值是:(2-8)MINfkE114.式中: 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值;I与绕组结构有关的常数 ;IK定子频率;f定子每相绕组串联匝数 ;IN每极气隙磁通量;M由上式可见，
33、如果定子每相电动势的有效值 不变，改变定子频率时会出现IE下面两种情况:如果 大于电机的额定频率厂 N，那么气隙磁通量中、就会小于If If额定气隙磁通量中、 。其结果是:尽管电机的铁心没有得到充分利用是一种浪费，但是在机械条件允许的情况下长期使用不会损坏电机。(1)基频以下调速由式(2-8) 可知，要保持中 不变，当频率关从额定值 向下调节时，必同时降低MIf使 常数，即采用电动势与频率之比恒定的控制方式。当电动势的值较高时，可以IE1f基于 DSP 交流变频调速系统的设计 第 10 页 共 44 页 10忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 ，则得 常数。这是恒压频IEU1fI比的
34、控制方式。在恒压频比的条件下改变频率 f 时，我们能证明:机械特性基本上是平行下移的，如图 2-4 所示，当转矩 T 增大到最大值后，特性曲线就折回来了。如果电动机在不同转速 n 下都具有额定电流，则电机都能在温升允许条件下长期运行，这时转矩 T 基本上随磁通变化，由于在基频以下调速时磁通恒定，所以转矩 T 也恒定。根据电机与拖动原理，在基频以下调速属于“恒转矩调速”的性质。低频时，和 都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能再忽略。IUIEn f1N f1Nf2f3f4nINf2f3f40 T图 2-4 基频以下调速时的机械特性n f4 f4f3f2f1Nf3f2 恒 Pf1N0T图
35、2-5 基频以上调速时的机械特性(2)基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从 往上增高，但电压 却不能超过额定电Nf1 1U压 , 最多只能保持 = 、 。由式(2-8)可知，这将迫使磁通随频率升高而NU1 1U降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。在基频关 以上变频调速时，由于电Nf1基于 DSP 交流变频调速系统的设计 第 11 页 共 44 页 11压 = 不变，我们不难证明当频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩 T1UN减小，机械特性上移，如图 2-5 所示。由于频率提高而电压不变，气隙磁动势必然减弱，导致转矩 T 减小。由于转速 n 升高了，可以认为输出功率基本不变。把基频以下和基
36、频以上两种情况合起来，可得图 2-6 所示的交流电动机变频调速控制特性。恒转矩调速mU1 恒功率调速U1NU1 m0 fN f1图 2-6 交流电动机变频调速控制特性2.4 SPWM 控制技术原理逆变器的输出波形是一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，这些波形与正弦波等效，等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作 n 等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合。这样，有 n 个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效，称为SPWM 波形。SPWM 波形如图 2-7 所示。
37、产生正弦脉宽调制波 SPWM 的原理是;用一组等腰三角形波与一个正弦波进行比较，如图 2-8 所示，其相交的时刻(即交点)来作为开关管“开”或“关”的时刻。正弦波大于三角波时，使相应的开关器件导通;当正弦波小于三角载波时，使相应的开关器件截止。基于 DSP 交流变频调速系统的设计 第 12 页 共 44 页 12u(a)0 tu0 t图 2-7 与正弦波等效的等幅脉冲序列波101101图 2-8 SPWM 控制的基本原理图2.4.1 单极性 SPWM 控制技术如图 2-9 所示。这时的调制情况是:当正弦调制波电压高于三角载波电压时，相应比较器的输出电压为正电平，反之则为零电平。只要正弦调制波的
38、最大澎氏于三角载波的由图 2-9（A)的调制结果必然形成图 2-9(B)所示的等幅不等宽而且基于 DSP 交流变频调速系统的设计 第 13 页 共 44 页 13两侧窄中间宽的 SPWM 脉宽调制波形。负半周用同样的方法调制后再倒相而成。调制波载波（a）（B）(A)调制波和载波 (B)单极性 SPWM 波形图 2-9 单极性脉宽调制波的形成V1ZV2图 2-10 单极性调制工作特点单极性调制的工作特点:每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断的工作，另一个完全截止;而在另半个周期内，两个器件的工作情况正好相反。流经负载 Z 的便是正、负交替的交变电流，
39、如图 2-10 所示。基于 DSP 交流变频调速系统的设计 第 14 页 共 44 页 142.4.2 双极性 SPWM 控制技术双极性调制技术与单极性相同，只是功率开关器件通断情况不一样。绘出了三相双极式的正弦脉宽调制波形。当 A 相调制波 时，V1 导通，V2 关断，使Aut负载上的相电压为 UA=+U/z(假设交流电机定子绕组为星型联接，其中性点 0 与整流器输出端滤波电容器的中点 0 相连，那么当逆变器任一相导通时在电机绕组上所获得的相电压为 U/2,当，V1 关断而 V2 导通，则 UA=-U/2 )所以 A 相电压 是AU以+U/2 和-U/2 为幅值作正、负跳变的脉冲波形。同理，
40、的 是由 V3 和 V4 交替B导通得到的，的 是由 V5 和 V6 交替导通得到的。由 和 相减，可得逆变器CUAU输出的线电压波形 。 的脉冲幅值为+U 和U。尽管相电压是双极性的，但AB是合成后的线电压脉冲系列与单极性相电压合成的结果一样都是单极性的。综上所述，双极性调制的工作特点:逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，而流过负载 Z 的电流是按线电压规律变化的交变电流，如图 2-11 所示。V1ZV2图 2-11 双极性调制工作特点2.4.3 SPWM 的调制方式SPWM 波毕竟不是真正的正弦波，它仍然含有高次谐波的成分，因此尽量采取措施减少
41、它。图 2-4-7 是通过电动机绕组的 SPWM 电流波形。显然，它仅仅是通过电动机绕组滤波后的近似正弦波。图中给出了载波在不同频率时的 SPWM 电流基于 DSP 交流变频调速系统的设计 第 15 页 共 44 页 15波形，可见载波频率越高，谐波波幅越小，SPWM 波形越好。因此希望提高载波频率来减小谐波。另外，高的载波频率使变频器和电机的噪声进入超声范围，超出人的听觉范围之外，产生“静音”的效果。但是，提高载波的频率要受逆变开关管的最高开关频率限制，而且也形成对周围电路的干扰源。I(a)调制频率较低时的电流波形 (b)载波频率较高时的电流波形图 2-12 SPWM 电流波形SPWM 的调
42、制方式有三种:同步调制、异步调制和分段同步调制。在一个调制信号周期内所包含的三角载波的个数称为载波频率比。在变频过程中艰口调制信号周期变化过程中，载波个数不变的调制称为同步调制，载波个数才应变化的调制称为异步调制。（l)同步调制在改变正弦信号周期的同时成比例地改变载波周期，使载波周期与信号频率的比值保持不变。对于三相系统，为了保证三相之间对称，互差 相位角，通012常取载波频率为 3 的整数倍。而且，为了双极性调制时每相波形正负波形对称，上述倍数必须是奇数，这样在信号波 处，载波的正负半周恰好分布在 处018 08的左右两侧。由于波形的左右对称，这就不会出现偶次谐波问题。但是这种调制，在信号频
43、率较低时，载波的数量显得稀疏，电流波形脉动大，谐波分量剧增，电动机的谐波损耗及脉动转矩也相应增大。而且，此时载波的边频带靠近信号波，容易干扰基波频域。为了克服这个缺点，必须在低频时提高载波比，这就是异步调制方式。(2)异步调制异步调制方式是指在整个变频范围内，载波比都是变化的。一般在改变调制频率时保持三角载波频率不变，因此提高了低频时的载波比，在低频工作时，逆基于 DSP 交流变频调速系统的设计 第 16 页 共 44 页 16变器输出电压半波内的矩形脉冲数可以随着输出频率的降低而增加，相应的减小了负载电机的转矩与噪声，改善了低频时的工作特性。但是由于载波比随着输出频率的降低而连续变化时，逆变
44、器输出电压的波形其相位也会发生变化，很难保持三相输出的对称关系，因此会引起电动机的工作不稳定。（2）分段同步调制为了克服同步调制和异步调制的缺点，可以将他们结合起来，组成分段同步调制方式。分段同步调制是指在一定的频率范围内，采用同步调制，保持输出波形对称的优点，当频率降低较多时，使载波比分段有级的增加，这样就利用了异步调制的优点。具体实现方法是把逆变器整个变频范围划分为若干个频段，在每个频段内都维持载波比恒定，对于不同频段取不同的载波比，频率较低载波比取大点，一般有经验参数可取.基于 DSP 交流变频调速系统的设计 第 18 页 共 44 页 183 变频调速系统的硬件电路设计3.1 变频调速
45、系统的总体设计本文设计的系统以 TI 公司的 TMS320LF2407A 为控制核心，其总体设计图如图 3-1-1 M限流起动 电压检测 IPM 故障保护泵升控制 过欠压保护驱动电路光电耦合频率输入中央处理器故障保护PWMIO 接口IO接口基于 DSP 交流变频调速系统的设计 第 19 页 共 44 页 19图 3-1 基于 DSP 的变频调速系统总体设计图其中主电路部分由整流电路、滤波电路、逆变电路(和 IPM 驱动电路与吸收电路组成。几其工作原理是把单相交流电压通过不可控整流模块变为直流电压，整流后的脉动电压再经过大电容 平滑后成为稳定的基于 DSP 的交流电机变21,C频调速系统的设计直
46、流电压。IPM 逆变电路对该直流电压进行斩波，形成电压和频率均可调的三相交流电，提供给电机。系统保护电路包括过压、欠压保护、限流启动、IPM 故障保护与泵升控制等。过压，欠压保护是利用电阻分压采集母线电压，与规定值相比较;限流启动是由于开启主回路时，大电容充电瞬间引起的电流过大，这样可能会损坏整流桥，因此在主回路上串联限流电阻 R1，当电容电压达到规定值时，启动继电器把 R1 短路，主回路进入正常工作状态;IPM 故障保护是 IPM 内部集成的各种保护功能，包括过电流保护功能、短路保护功能、控制电源欠电压保护和管壳及管芯温度过热保护。把上述各种故障信号进行综合处理后形成总的故障信号送入 DSP
47、 (TMS320LF2407A)的 PDPINTA 故障中断入口，进而封锁 DSP 的 PWM 波输出。控制电路包括 DSP 最小系统电路、频率输入电路、光耦隔离电路等。最小系统由 DSP 本身和外扩的数据 SRAM,程序 SRAM、复位电路、晶振、译码电路、电源转换电路和仿真接口 JTAG 电路组成，仿真接口 JTAG 电路是为了实现在线仿真，同时在调试过程装载数据代码和程序代码;频率输入电路可以设置系统要输出的SPWM 波的频率;光耦隔离电路是为了把 DSP 输出的弱电信号和主电路的强电信号进行可靠隔离。3.2 主电路的设计主电路原理图如图 3-2 所示，由整流电路、滤波电路、逆变电路(IPM)和 IPM的吸收电路组成。主电路采用典型的交一直一交电压源型通用变频器结构，输入功率级采用单相桥式不可控整流电路 RB1，整流输出经中间环节大电容(由 C1 到C4 电容组成)滤波，获得平滑的直流电压。逆变部分通过功率器件 IGBT 的导通和关断，输出交变的脉冲电压序列。由于功率器件开关频率过高，会产生电压尖脉冲，因此需要吸收电路来消除该尖峰。图中 C5 为 C 型吸收电路，R6 到 R11 和 C6到 C11 组成 RC 型
