基于DSP的双PWM变频调速系统的研究与实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 3.58MB 60 页 15积分

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .......................................................... 1

§1.1 课题背景与意义 .............................................. 1

§1.2 国内外发展现状 ............................................. 2

§1.3 双 PWM 变频调速系统原理 ..................................... 3

§1.4 课题的研究内容 ............................................. 3

第二章网侧电压型 PWM 整流器控制原理及控制策略 ........................ 5

§2.1 网侧电压型 PWM 整流器控制原理 ............................... 5

§2.2 三相电压型 PWM 整流器的数学模型 ............................. 6

§2.3 三相电压型 PWM 整流器控制系统设计 .......................... 11

§2.3.1 电流内环设计 ......................................... 11

§2.3.2 电压外环设计 ......................................... 12

§2.4 本章小结 .................................................. 14

第三章异步电机 PWM 逆变器数学模型及控制策略 ......................... 14

§3.1 PWM 逆变器的数学模型 ....................................... 14

§3.2 交流异步电机的 DQ 轴数学模型 ............................... 14

§3.3 交流电机的控制策略 ........................................ 18

§3.3.1 矢量控制的基本思想 ................................... 18

§3.3.2 转子磁场定向矢量控制 ................................. 18

§3.4 本章小结 ................................................... 20

第四章双 PWM 变频调速系统组成 ....................................... 19

§4.1 双 PWM 变频调速系统 ........................................ 19

§4.2 双 PWM 变频调速系统结构 .................................... 22

§4.3 双 PWM 变频调速系统特点 .................................... 22

§4.3.1 网侧功率因数控制和直流电压可控 ....................... 22

§4.3.2 电机四象限调速 ....................................... 22

§4.4 系统硬件结构 ............................................... 22

§4.5 本章小结 ................................................... 22

第五章系统硬件设计与实现 ........................................... 23

§5.1 主电路的设计 .............................................. 23

§5.1.1 IGBT 的选择 .......................................... 23

§5.1.2 直流电压的确定 ....................................... 24

§5.1.3 交流侧电感和直流侧电容的设计与计算 ................... 24

§5.2 基于 TI2812 开发板的控制器 ................................. 26

§5.3 信号处理及保护电路的设计 .................................. 27

§5.3.1 传感器及采样电路 ..................................... 27

§5.3.2 缓冲吸收电路 ......................................... 29

§5.3.3 驱动隔离电路设计 ..................................... 29

§5.4 本章小结 .................................................. 30

第六章系统软件设计与实现 ........................................... 31

§6.1 控制软件结构 ............................................... 31

§6.2 SVPWM 波形的实现 ........................................... 33

§6.3 坐标变换 .................................................. 40

§6.4 数字 PI 调节器 ............................................. 42

§6.5 监控软件的设计 ............................................ 43

§6.6 本章小结 .................................................. 44

第七章系统仿真及实验结果 ........................................... 45

§7.1 MATLAB/SIMULINK 简介 ....................................... 45

§7.2 系统仿真模型的建立 ........................................ 45

§7.2.1 PWM 整流器系统仿真 ................................... 45

§7.2.2 PWM 逆变器系统仿真 ................................... 46

§7.2.3 双 PWM 系统同运行状态仿真 ............................. 45

§7.3 实验结果及分析 ............................................ 45

§7.4 本章小结 .................................................. 53

第八章总结与展望 ................................................... 54

§8.1 总结 ....................................................... 54

§8.2 展望 ....................................................... 55

第一章绪论

§1.1 课题背景与意义

在当今社会生产生活中，电机得到了广泛的应用。其用电量大概占总用电量

的 65%到 70%。电机是能量转换的主要设备，电能转化为机械能（电动机）或者机

械能转化为电能（发电机），所以一方面要使其具有比较高的能量转换效率；另一

方面要根据实际生产要求对电机进行调速。所以电机调速性能的好坏直接决定了

工业产品的质量和工农业生产的效率。电机调速的发展历史经历了从直流调速到

交流调速。交流调速系统的核心技术是变频器。

随着开关器件的广泛应用，为交流调速技术的发展起到了重要的推动作用。

早期的开关器件属于半控型，而现在的全控型功率开关器件类型很多，IGBT 的应

用最广，且智能型功率模块(Intelligent Power Module，IPM)发展迅速，包含 6

个 IGBT 开关管和驱动电路，而且里面还有过电压，过电流和过热等故障检测电路，

可将检测信号直接引出送到中央处理器。本文采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)进

行系统设计。TI 的数字信号处理器 (digital signal processor,DSP)芯片也开

始广泛使用。由于这些先进技术的发展，交流调速系统的性能已经接近于直流调

速系统，工农业生产和社会生活中都取得较好的经济效益。

交流调速系统有很多种控制方式，在科技研究中广泛采用的是交直交主电路，

前端整流侧采用二极管不控整流方式，后端逆变侧采用可控开关器件进行 PWM 控

制。主电路简单，控制技术成熟，而且开关器件的制作技术越来越先进，提高了

开关频率，使交流侧波形基本趋近正弦波。但是这种调速系统不能适应较高要求

的调速场合，缺陷如下：

1、降低了电网的输电和供电的质量。如果采用二极管不可控整流方式，电网

侧的电流为非正弦，含有高次谐波。在网侧如果没有滤波器，其电流高次谐波的

含量为四分之一，甚至更高。对供电电网附近的用电设备造成很大危害。

2、产生的谐波电流会使用电系统的控制装置、保护或者测量装置出错。还会

引发用电系统的电气和机械震荡，进而有可能使某些电气和机械器件损坏。

3、由于不可控二极管的单向导电性，电能不能从负载侧回馈到电网，调速系

统就不能实现四象限的运行，电能不可再生重复利用。

在上述的传统异步交流电机调速系统中，当电机处于发电状态时，即第二象

限和第四象限，其产生的机械能通过异步电机转变为电能，逆变桥的开关器件在

PWM 波的控制下动作，使电能回馈到直流侧。如果返回的电能比较小，可以直接

被直流侧电容吸收。但是如果返回的电能比较大，直流侧就会出现过电压的情况，

这样就会损坏开关器件。

因此有一些调速场合就不能使用这种电压型交直交主电路结构的变频器，比

如在需要快速起动或者制动，还有频繁正转反转的调速场合。定义

为电机达到

最高转速时产生的再生电能功率，

mon

为电机的额定功率，在实际应用中，如果

第一章绪论

/ 0.1

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P P 

，那么就要考虑再生电能对调速系统的影响。否则会使变频器中的直

流侧过压，制动保护器动作，使系统不能正常运行，甚至损坏变频器。

那么如何才能解决传统交直交变频器带来的谐波污染的问题呢？通常有两种

方法：一种就是安装可以进行谐波补偿的装置，这也是最普遍应用的方法；另一

种是对功率变换器重新进行设计制造，这样就可以不产生谐波，使功率因数接近

于 1。如何解决再生能量利用的问题呢？基本方法有三种：一种是将再生能量消

耗在“制动电阻”上；第二种时在直流侧并联向多个逆变器，给负载供电，即多

重化逆变结构；第三种是增加设备使能量回馈到电网。上述提出的解决问题的几

种方案可以在一定程度上弥补通用变频器的缺陷，但是增加设备会加大变频器体

积，增加了复杂程度。

本文采用双 PWM 变频器来构建异步电机调速系统。双 PWM 变频器是指整流器

和逆变器都采用全控型开关器件，IGBT 在价格和性能方面均满足要求。通过 PWM

整流技术进行控制，能使网侧电流基本为正弦波，实现整流环节运行于单位功率

因数，并且可以实现能量的双向流动。

因为开关器件采用的是全控型，开通和关断状态均为可控，所以 PWM 整流器

的输入电流波形也是可控的。当交流侧的输入电压电流保持相同相位或反相位，

即功率因数为+1 或-1 时，输入电流的谐波含量几乎为零。在进行闭环控制时，需

要对 PWM 整流器直流侧电压采样，所以可以对直流侧电压进行调节，而且在负载

变化的时候，响应速度较快，根据设定值稳定直流侧输出电压。

双 PWM 变频器就是采用 PWM 整流器取代传统交-直-交变频器中的二极管不可

控整流部分，不仅可以克服传统变频器的缺点，还使网侧电流为正弦波，功率因

数接近于 1，较快的动态响应和电能可以双向流动等许多优点。

§1.2 国内外发展现状

双 PWM 调速系统的发展历史，从二十世纪八十年代到现在已经有二十余年，

其中的关键技术为 PWM 整流器，如今技术已日渐成熟，其主电路拓扑有电压型整

流器(VSR)和电流型整流器(CSR)两种,其中多采用电压型 PWM 整流器，具有结构简

单、损耗低和控制方便等优点。

国外对于双PWM调速系统的研究比较早，在1987年，Kohlmier等研究并制造出

基于GTO（门极关断晶闸管）的双PWM调速系统，但是GTO的开关频率在1.5KHz以下。

之后直到1993年，Blabjerg等开发了基于IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的双PWM调

速系统，其开关频率可以达到5KHz。现在，国外的相关产品已经陆续研制成功，

由日本富士公司生产的RHC系列双PWM交流调速系统，交流输入侧的功率因数接近

于1，再生能量可以高效地反馈回电网，而美国AB公司研发的中大功率的双PWM交

流调速系统，其功率可以从2.2KW做到5MW，节能高效，多应用在新能源开发方面。

还有德国西门子和英飞凌等公司都相继开始了对于双PWM交流调速系统的研制，控

制核心都是基于DSP和FPGA芯片。本文中的高频开关管多来自英飞凌，性价比比较

高。

相对国外，国内高校和企业的研究起步较晚，大多都是处于研发调试阶段，

不能很好的应用在实际社会生产生活中。其中湖南大学对于双PWM的研究较早，在

实验室条件下搭建了双PWM调速系统，包括PWM整流器和异步电机矢量控制系统。

第一章绪论

广东工业大学基于TI公司TMS320LF2407的DSP控制技术的双PWM调速系统也取得了

一定的成果。清华大学、上海大学和沈阳工业大学等学校也相继开始了双PWM调速

系统的研究。

§1.3 双PWM 变频调速系统原理

双PWM调速系统在结构和功能上如图1-1主要有两部分:PWM整流器和PWM逆变

器。图1-1为双PWM变频器主电路拓扑。前端电网侧主要有电感L、电路等效电阻R

和PWM整流器。中间直流侧电容滤波。后端为PWM逆变器和异步交流电动机。

图1-1 双PWM变频调速的主电路拓扑

DSP产生的PWM波对整流桥开关管进行控制，电网侧的输入电流就接近于正弦

波，实现了单位功率因数。对产生的高次谐波进行滤除，就可以消除对电网的谐

波污染，其中关于高次谐波的内容详见第六章第二节。后端逆变侧，通过以DSP为

核心建立的控制系统对电机进行矢量控制。电机为三相异步交流电机，即鼠笼电

机。

§1.4 课题的研究内容

本文对异步电机双PWM调速系统的研究工作，按照主体结构主要分成两个部分

进行，一部分是连接电网的PWM整流侧主电路和控制系统，另一部分是PWM逆变侧

的主电路和控制系统。这部分所作的主要研究工作有如下几点:

1. 主电路设计：对整个系统的数学模型进行推导，然后根据具体参数对主电

路器件进行选型和搭建硬件平台。

2. 控制电路设计：前期结合PWM整流器和PWM逆变器的控制系统数学模型，搭

建matlab仿真系统，通过系统仿真确定了整流侧双闭环和异步电机矢量控制系统

结构。

3. SVPWM 控制策略的优选：SVPWM 控制策略相对于 SPWM 控制策略，提高了电

压型逆变器的电压利用率，而且使电机动态响应能力增强，同时还可以减小电机

的转矩脉动。然后就 SVPWM 基本问题加以展开，进一步对三相 VSR 空间电压矢量

控制进行研究。

4. 系统仿真：基于 MATLAB/SIMULINK 仿真平台，结合系统控制策略搭建了双

PWM 变频调速系统，并对调压、电机的四象限运行等各种性能进行了比较详细的

验证。结果证明了主电路参数选择正确性和控制策略的可行性。

5. 软件编程：在基于 TI 公司 TMS320F2812 的 DSP【1】为控制核心的基础上，

第一章绪论

设计双 PWM 调速系统的控制系统。用 DSP 支持的 CCS 工作平台，通过 C 语言编程

对整个控制系统进行设计。

6. 试验与调试：最后对双 PWM 调速系统的的性能进行实测以及对实验波形

分析。

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目录摘要ABSTRACT第一章绪论..........................................................1§1.1课题背景与意义..............................................1§1.2国内外发展现状.............................................2§1.3双PWM变频调速系统原理.....................................3§1.4课题的研究内容...............................................

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