基于DSP的空间矢量变频器的研究与实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 4.7MB 69 页 15积分
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目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 引言 ...................................................................................................................1
§1.2 变频器的发展过程 ...........................................................................................1
§1.2.1 电力电子器件的发展 .............................................................................1
§1.2.2 微处理器技术的发展 .............................................................................2
§1.2.3 控制方式的发展 .....................................................................................2
§1.2.4 变频器的总体发展趋势 .........................................................................3
§1.3 课题研究意义和研究内容 ...............................................................................4
第二章 变频器的工作原理与矢量控制策略 .................................................................5
§2.1 变频器基本构成 ...............................................................................................5
§2.2 变频器的分类 ...................................................................................................6
§2.3 变频器控制方式与基本原理 ...........................................................................6
§2.3.1 U/f 恒定控制 ........................................................................................... 6
§2.3.2 转差频率控制 .........................................................................................7
§2.3.3 矢量控制 .................................................................................................8
§2.4 矢量控制基本原理 ...........................................................................................9
§2.4.1 Clarke 变换（3s/2s 变换） ...................................................................10
§2.4.2 park 变换（2s/2r 变换） ...................................................................... 12
第三章 变频器控制系统硬件电路设计 .......................................................................14
§3.1 变频器的硬件总体设计 .................................................................................14
§3.2 主电路设计 .....................................................................................................14
§3.2.1 整流电路 ...............................................................................................16
§3.2.2 滤波电路 ...............................................................................................16
§3.2.3 逆变电路 IGBT 的选择 ....................................................................... 17
§3.3 控制电路 .........................................................................................................19
§3.3.1 TI 的DSP 芯片 TMS320F2812 介绍 ................................................... 19
§3.3.2 电平转换电路 .......................................................................................22
§3.3.3 光纤隔离电路 .......................................................................................24
§3.3.4 驱动电路 ...............................................................................................27
§3.3.5 缓冲电路 ...............................................................................................30
§3.3.6 保护电路的设计 ...................................................................................31
第四章 变频器系统控制策略以及软件设计 ...............................................................32
§4.1 SPWM 技术原理 .............................................................................................32
§4.1.1 SPWM 的调制方式 ...............................................................................32
§4.1.2 SPWM 波形实现方法 ...........................................................................33
§4.2 基于 TMS320F2812 的SPWM 的实现 ........................................................ 35
§4.2.1 DSP 中各寄存器的设置 ....................................................................... 35
§4.2.2 各频率载波周期中 CMPR 值的计算 ................................................. 38
§4.3 空间矢量 PWM 技术原理 ............................................................................. 39
§4.3.1 电压空间矢量与磁链矢量的关系 ...................................................39
§4.3.2 基本电压空间矢量 ...............................................................................41
§4.4 SVPWM 技术在 DSP 上的实现 .....................................................................50
§4.4.1 矢量控制的整体实现 ...........................................................................50
§4.4.2 系统初始化以及系统自检模块 ...........................................................51
§4.4.3 基于事件管理器的 SVPWM 波形的生成模块 ..................................53
§4.4.4 人工智能模块 .......................................................................................56
§4.5 结果分析 .........................................................................................................56
§4.5.1 调频输出波形对比 ...............................................................................56
§4.5.2 带负载电压波形 ...................................................................................59
第五章 总结与展望 .......................................................................................................61
附录一：试验硬件电路 .................................................................................................62
附录二：各扇区划分程序 .............................................................................................63
参考文献 .........................................................................................................................66
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................68
致 谢 .............................................................................................................................69
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 引言
变频器出现于 20 世纪 60 年代，到 20 世纪 80 年代，变频器已在主要的工业
化国家广泛使用。随着人们环保节能意识的不断加强，现在变频器的应用已经相
当普及。当前，我们国家的电机总装机容量已经超过四亿千瓦，年耗电量占全国
用电量的 60%以上，而我国电动机驱动系统的能源利用率却非常低，目前我国的
交流电动机使用变频调速运行的仅有 10%左右，而在发达工业国家已经达到了 60%
——70%；日本在风机、水泵上采用变频器调速的已达到 10%，而我国却少于 0.1%，
国外发达国家 70%空调系统采用了变频调速，我国变频空调普及较低。
由于变频技术的逐步成熟以及电力电子器件的优化，变频器的总体发展趋势
是向小型化、专用化、网络化的方向发展。目前，国内变频器市场品牌繁多，流
行的通用变频器厂家包括：德国西门子、法国施耐德、芬兰 ABB、美国的爱默生，
国产品牌有英威腾、森兰、安邦信，日本品牌有安川、日立、三菱、松下、东芝
等。
随着变频器在各行各业的设备中不断普及以及应用，变频调速在改造工艺水
平、降低生产成本、提高产品质量、改造传统工业以及技术革新方面发挥了巨大
作用，成为国民经济生产中不可或缺的技术[1,2]。
§1.2 变频器的发展过程
变频技术的发展,得力于电力电子技术的发展、微处理器技术的发展以及控制
方式的发展。
§1.2.1 电力电子器件的发展
电力电子器件是变频调速的基础，其发展直接决定和影响了交流调速技术的
发展。
20 世纪六七十年代，第一代功率器件以晶闸管为主流，其开关频率最高仅为
几百赫兹。20 世纪 80 年代，由于微电子技术与电力电子技术的发展，出现了高
频化、全控型的功率器件，主要包括可关断晶闸管 GTO、大功率晶体管 GTR，
其开关频率达到 1~10KHz，功率场效应管 MOSFET、静电感应晶体管 SIT、绝缘
栅极晶体管 IGBT 等器件，其开关频率可达几百千赫。20 世纪 90 年代，形成了
以IGBT 和智能功率模块的 IPM(Intelligent Power Module)为主导地位的局面，是
当前通用变频器最为广泛应用的器件，由于这类器件具有高频、功率大和容易驱
动等特点，因此在长时间内占据一定的主导地位。下表 1-1 为常用功率器件的主
基于 DSP 的空间矢量变频器的研究与实现
2
要特性。
表1-1 功率器件主要特性参数
器件类型
最高电压(V)
最大电流(mA)
开关电压(V)
二极管
7000
10000
1.0
半导体闸流管
7000
10000
1.25
晶体管
1400
1200
2.5
GTO
6000
3000
2.5
IGBT
3300
1800
2.5
I/SGCT
6000
3000
2.0
智能功率模块（IPM）不仅具有一定的功率输出能力，同时具有逻辑、传感、
检测、控制、保护和自诊断等功能，内含驱动电路和保护电路，甚至还有的把光
耦集成与一体，可实现过流、短路、欠电压和过电压保护等，外界只需提供 PWM
信号给智能功率模块，就可以实现以往复杂的主电路以及外围辅助电路的功能。
由于 IPM 在工业变频器中的大量使用，经济型的 IPM 在近几年内开始应用在民
用产品，如家用空调变频器、冰箱变频器、洗衣机变频器。同时，IPM 也向更高
水平发展，三菱的专用智能功率快 ASIPM 无需外接光耦，通过内部自举电路可
单电源供电，并采用低电感封装技术，在实现系统小型化、专用化、高性能、低
成本方面推进了一大步。
§1.2.2 微处理器技术的发展
微处理技术的进步使得数字控制成为现代控制器的发展方向。由于变频调速
系统需要系统快速反应，大容量存储器存储实时处理的数据。随着电子技术的发
展，变频调速控制由最初的分立元件模拟电路发展到以 DSP 为核心的专用集成电
路，这些电路大大提高了变频调速的可靠性和抗干扰能力，缩短了产品研发周期。
由美国 TI 公司（德州仪器）推出的 DSP 芯片 TMS320LF2407、
TMS320F2812
是专门针对电动机、逆变控制器设计的，其事件管理器模块 EVA 和EVB，每个
包括 8个脉宽调制 PWM 通道。它们能够实现 PWM 的对称和非对称波形的输出，
可编程的 PWM 死区控制以防止上下桥臂同时输出脉冲，为三相 PWM 逆变器功
率元件提供了易于实现的驱动信号和特殊的电压空间矢量状态。
§1.2.3 控制方式的发展
20 世纪 70 年代，德国西门子公司的 F.Blashke 等提出了“感应电动机磁场定
向的控制原理”，美国的 P.C.Custman 和A.A.Clark 申请的专利“感应电动机定子
电压的坐标变换控制”，经过不断实践和改进，形成了现在普遍应用的矢量控制变
频调速系统。其原理是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个
分量进行独立控制，通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而
获得转矩和磁场两个分量，经过坐标变换，实现正交或解耦控制。这样，通过坐
第一章 绪论
3
标变换构建的电动机模型可以等效为直流电动机。由于采用了坐标变换，需要快
速的、复杂的数学运算，因此，对控制器的运算速度、处理能力等要求较高，而
微处理技术的进步发展为矢量控制的实现提供了良好的外部条件，近年来，矢量
变换控制的变频调速方法已广泛用于电气传动系统中。
1985 年德国鲁尔大学的德彭布罗克（M.Depenbrock）首次提出了直接转矩控
制理论，这种理论的出现很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受
电动机参数变化的影响等问题。控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子
电阻就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁
链需要知道电动机转子电阻和电感。因此，直接转矩控制技术大大减少了矢量控
制中控制性能易受参数变换影响的缺陷。由于该控制思想新颖，控制结构简单，
控制手段直接，基于以上优点，ABB 公司于 1995 年首先推出了 ACS600 直接转
矩控制系列变频器。
§1.2.4 变频器的总体发展趋势
随着电力电子器件的自关断化、模块化，交流电路开关模式的高频化，以及
全数字化控制技术和微控制技术的应用，变频器的体积趋于小型化，功能不断加
强。当前，600kVA 以下的一般用途变频器已经实现了通用化。交流变频器是强
弱电结合，机电一体化的综合性调速装置，既要进行电能转换，还要进行数据的
收集、变换和传输。目前，变频器主要朝着以下方向发展。
(1)高水平的控制
通用变频器的控制技术主要有：V/f 恒定控制，转差频率控制、矢量控制和
直接转矩控制。除了以上几种，还有基于现代控制理论的滑模变频结构技术、模
型参考自适应技术、非线性解耦和鲁棒观测技术，基于智能控制的模糊控制、神
经网络、专家系统以及各种优化和自诊断技术等。
(2)集成化、高频化
集成化主要是把功率元件、保护元件、驱动元件、检测元件进行集成，其优
点是体积小，可靠性高，价格低。高频化主要体现在功率开关元件的开关频率上。
当前的开关频率已经达到 10~15KHz，基本上满足了消除电动机运行噪声的条件。
(3)专用化
通用变频器可以用来驱动通用型交流电动机，在使用时，它同时具有多种可
供选择的功能，能适应多种不同性质的负载。专用型变频器是相对通用变频器而
言的，目的是针对有特殊要求的负载更好的发挥变频器的独特功能并尽可能的方
便用户。如：电梯专用变频器可以四象限运行，其他还有用于提升机、恒压供水、
纺织专用、空调专用、机车牵引等专用系列。
基于 DSP 的空间矢量变频器的研究与实现
4
(4)控制电路向全数字化发展
在变频器控制中，采样的频率较高，一般高于 1KHz，需要完成复杂的操作
控制、数学运算和逻辑判断，因此，需要较大存储容量和较强实时处理数据的单
片机，全数字控制方式使信息处理能力大幅度增强。32 位数字信号处理器的应用
将通用变频器性能提高了很大一步[3,4]。
§1.3 课题研究意义和研究内容
由于变频器的广泛应用以及变频器的需求量越来越大，作为变频器技术基础
的电力电子技术和微电子技术都经历了飞越性的发展，新型电力电子器件和高性
能微处理器的应用以及控制技术的不断提高，变频器的性能价格比越来越高，体
积越来越小，而我国的变频器产业起步比较晚，基础比较差，国外的变频器技术
已经非常成熟，我国的变频器市场有 80%～90%被国外产品所占领，所以开发经
济的、高性能的变频器对我国的变频产业具有重要意义，本课题基于 DSP 技术实
现空间矢量变频器的研究设计，正是基于上述思想而开展的。
由于变频器是一个整体的复杂的系统，涉及的学科门类比较多，本文重点研
究以下内容：
（1）空间矢量变频器机理分析
本文从变频器的基本结构、分类特点以及控制方式等方面分析研究空间矢量
变频器的原理，同时阐述矢量控制思想以及坐标变换在变频器设计中的应用。
（2）变频器硬件电路的设计与实现
设计了变频器的主电路，采用德国英飞凌公司的 IGBT 开关器件 FF50R12RT4
设计了逆变电路；采用三菱公司的 IGBT 集成驱动芯片 M57962L 设计了驱动电路；
设计了以 TI 公司生产的数字信号处理芯片 TMS320F2812 为核心的控制电路，包
括供电电源电路、复位电路、A/D 转换电路以及采样电路、电平转换电路，同时
辅以光纤传输电路。
（3）软件方面
文章详细分析了 SPWM 和SVPWM 调制方法的原理、波形生成算法，并且
编写各个模块的程序，在 CCS2.2 程序调试环境中经过编译、加载程序到 DSP 的
Flash 中，得到正确的驱动信号。同时将产生的驱动信号加载到硬件电路，进行分
析调试。
（4）连接硬件电路，加载各频率下的驱动信号，进行调试试验。
摘要：

目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论.....................................................................................................................1§1.1引言...................................................................................................................1§1.2变频器的发展过程................................

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