專(zhuān)業(yè)組_先進(jìn)控制_浙江大學(xué)_空間矢量異步電機(jī)變頻器

1、DSP芯片原理與開(kāi)發(fā)學(xué) 院：電子與控制工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè)：控制理論與控制工程姓 名：朱進(jìn)玉學(xué) 號(hào)：2014132003指導(dǎo)教師：周熙煒完成時(shí)間：2015年7月3日二一五年七月空間矢量?jī)?yōu)化算法控制的異步電機(jī)變頻調(diào)速器1. 引言由于地下水位下降，農(nóng)村和山區(qū)的水井需要打得更深才能打到水。一般的水泵的抽水深度只有五到六米，遇到深井就力不從心。水的初速等于葉片轉(zhuǎn)速，設(shè)為v，根據(jù)自由落體定理，水的上升高度為0.5*v2/g，可以得出水上升高度和速度平方成正比。葉片速度正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速和葉片半徑的乘積，想要提高葉片速度可以通過(guò)增大葉輪半徑或者增加電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。但是葉片半徑受到水井直徑的限制無(wú)法增加，所能改變的只有

2、電機(jī)轉(zhuǎn)速。如果電機(jī)轉(zhuǎn)速增加一倍，抽水深度就變?yōu)樵瓉?lái)的四倍，深水井抽水的問(wèn)題就可以解決了。由于異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速×(1轉(zhuǎn)差率)，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速。同步轉(zhuǎn)速由頻率決定：n0=60f/p。因此在工頻電下，兩極電機(jī)轉(zhuǎn)速小于3000轉(zhuǎn)，四極電機(jī)小于1500轉(zhuǎn)。再想增加電機(jī)轉(zhuǎn)速只能通過(guò)使用變頻器發(fā)出高于工頻的三相電驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于打井的位置常常遠(yuǎn)離輸電線(xiàn)路，一般水泵的供電線(xiàn)路有5001000m長(zhǎng)，線(xiàn)路的壓降很大，據(jù)測(cè)算電機(jī)的端電壓往往只有150V。于是電機(jī)的正常啟動(dòng)變得困難。因此需要設(shè)計(jì)一款能夠適用于惡劣電網(wǎng)環(huán)境，可以在低電壓條件下啟動(dòng)的電機(jī)變頻調(diào)速器。2. 系統(tǒng)方案2.1 性能指標(biāo)

3、所選異步電動(dòng)機(jī)的主要性能參數(shù)：三相2極鼠籠異步電機(jī)，額定功率1.1KW，額定線(xiàn)電壓220V，額定頻率50Hz，最大頻率110Hz。根據(jù)所要驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求，本著發(fā)揮硬件最深潛力，又要以實(shí)用為主的原則，為變頻器定下如下性能指標(biāo)：額定電源電壓額定電源頻率額定功率過(guò)負(fù)荷能力輸入電壓范圍輸出頻率范圍輸出頻率變化精度1PH*220V50Hz3KW150% 30秒90230V0200Hz1Hz開(kāi)關(guān)頻率頻率變化速度再生制動(dòng)力矩控制方式1控制方式2PWM方式<=10KHz2Hz/s20%恒V/F比恒功率控制空間矢量2.2 總體介紹本設(shè)計(jì)以穩(wěn)定，高效，智能化為設(shè)計(jì)目標(biāo)，在高穩(wěn)定性硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，極力發(fā)揮F

4、2812的運(yùn)算機(jī)能和控制能力。本系統(tǒng)由四個(gè)主要模塊組成， 1、上位機(jī)控制軟件，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。 2、處理芯片TMS320F2812，即主控制器。 3、智能功率模塊IPM。 4、三相異步電動(dòng)機(jī)。各模塊之間的關(guān)系見(jiàn)下圖。上位機(jī)使用RS-232串口將配置參數(shù)和運(yùn)行方式發(fā)送給DSP，DSP產(chǎn)生SVPWM開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制智能功率模塊IPM。IPM將整流得到的直流電壓逆變?yōu)槿嗫臻g矢量電壓，加載在三相異步電機(jī)上，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，DSP上的ADC模塊將時(shí)刻監(jiān)測(cè)直流電壓和電流，經(jīng)過(guò)程序運(yùn)算，組成過(guò)欠壓和過(guò)流保護(hù)模塊。使用GPIO輸入引腳測(cè)量三相反電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，組成速度閉環(huán)。（圖1 系統(tǒng)整體

5、方案）2.3 SVPWM空間矢量算法SVPWM的基本原理是空間伏秒平衡原理。由于異步電機(jī)的三個(gè)開(kāi)關(guān)量只能夠組成8種離散狀態(tài)，引入“單位時(shí)間內(nèi)平均空間矢量電壓”的概念，通過(guò)組合這8種矢量，合成一個(gè)在空間內(nèi)以一定速度、一定幅值旋轉(zhuǎn)的矢量調(diào)制波形。設(shè)Uu、Uv、Uw為異步電機(jī)三相a、b、c的電壓空間矢量，則如圖1 圖2 圖3有 Uout = 由八種開(kāi)關(guān)狀態(tài)構(gòu)成空間矢量圖，即圖2。其中U000和U111為零矢量?？臻g矢量表這里省略。根據(jù)伏秒平衡原理，得到其中Uref 為希望得到的電壓矢量；T是采樣周期；Tx、Ty、T0分別是兩個(gè)非零電壓矢量 Ux、Uy 和零電壓矢量 U 0在一個(gè)采樣周期的作用時(shí)間；其

6、中U0可以是U000或者U111 。本設(shè)計(jì)采用七段式SVPWM，如下面左圖 圖4 圖5由右圖可以根據(jù)伏秒平衡原理，推導(dǎo)出在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)，相鄰兩個(gè)空間電壓矢量為合成期望的電壓矢量所分別作用的時(shí)間。U1 = 式中, Uav為期望的電壓矢量; U1和U2為兩個(gè)相鄰的空間電壓矢量,幅值上U1 = 。由此可得sin () T t1 = sin (60°-)T ，t2 = 在空間坐標(biāo)系中，每隔60°劃分一個(gè)扇區(qū)，從0°到360°分別為1、2、3、4、5、6扇區(qū)。經(jīng)過(guò)電壓合成公式推導(dǎo)，得到這六個(gè)扇區(qū)的時(shí)間占空比公式：扇區(qū)1：， 扇區(qū)2：， 扇區(qū)3：， 扇區(qū)4：， 扇

7、區(qū)5：， 扇區(qū)6：， 其中T = Ta * Uav / Ud，Ta為PWM計(jì)數(shù)周期，Uav為期望的空間矢量電壓長(zhǎng)度，Ud為直流電壓。而由這六個(gè)扇區(qū)的占空比公式，就可以得到六路PWM波的具體占空比了。例如在扇區(qū)1，將尾標(biāo)有兩個(gè)1的t認(rèn)為是t1，尾標(biāo)有一個(gè)1的認(rèn)為是t2，則a、b、c三相PWM的具體占空比為T(mén)a = t0 + t1 + t2；Tb = t0 + t1；Tc = t02.4 智能變頻算法為了使異步電機(jī)能夠不需要手動(dòng)變頻地達(dá)到一個(gè)最快的運(yùn)行速度，發(fā)揮電機(jī)的安全穩(wěn)定極限功率，提出了一個(gè)基于恒轉(zhuǎn)矩控制恒功率控制的智能變頻算法。在這個(gè)算法中，輸入量是當(dāng)前發(fā)出的SVPWM頻率，三相電壓電流值，

8、電機(jī)轉(zhuǎn)速等，輸出量是更新后的目標(biāo)頻率和目標(biāo)調(diào)制度。在恒轉(zhuǎn)矩控制中，根據(jù)交流異步電機(jī)定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)公式：，為保證磁通恒定，等速增加SVPWM頻率，同時(shí)等比增加調(diào)制度。當(dāng)SVPWM的頻率值達(dá)到恒轉(zhuǎn)矩控制恒功率控制的拐點(diǎn)時(shí)，進(jìn)入恒功率控制模式。在該模式中重點(diǎn)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速隨頻率增加的速度（即轉(zhuǎn)速變化率），滑差系數(shù)和三相電流值。這三個(gè)參數(shù)經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算后，超過(guò)設(shè)定的閾值，或者嚴(yán)重超過(guò)閾值時(shí)，變頻器將停止增加SVPWM頻率或者降低頻率。3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由TMS320F2812控制芯片IPM,智能模塊，整流橋，穩(wěn)壓電容，光耦芯片，電機(jī)組成。（圖6 硬件電路結(jié)構(gòu)圖 ）3.1 主要元器

9、件選擇3.1.1DSP選擇本電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用TMS320F2812作為控制芯片，該芯片支持浮點(diǎn)運(yùn)算，EPWM單元，12位精度AD，SCI模塊，符合系統(tǒng)需求。同時(shí)價(jià)格比較低，有利于控制成本。TMS320F2812芯片具有浮點(diǎn)運(yùn)算單元，在需要浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的時(shí)候可以大大增加效率。電機(jī)的高性能控制方法如矢量控制都需要大量的浮點(diǎn)計(jì)算。對(duì)于定點(diǎn)DSP必須采用很多技巧來(lái)回避浮點(diǎn)運(yùn)算，但仍然力不從心，而且容易出錯(cuò)。具有浮點(diǎn)功能的這款芯片可以輕松地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜算法，提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。3.1.2智能功率模塊的選擇設(shè)計(jì)的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)功率為3KW，適用電網(wǎng)電壓為110250V。估算IPM的額定電流應(yīng)大于3000/22

10、0=13.6A?？紤]到工作時(shí)的電流裕量應(yīng)選擇額定電流為20A的IPM。載波頻率越高，諧波次數(shù)越高。由于電機(jī)繞組類(lèi)似于電感，諧波次數(shù)越高，諧波電流越小。因此越高的載波頻率越有利于減少諧波電流，使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，噪音更小。設(shè)計(jì)的載波頻率為10KHz，因此應(yīng)該選擇最大頻率大于10KHz的IPM。死區(qū)會(huì)導(dǎo)致電流波形惡化，諧波增加，所以越小越好，但很小的死區(qū)會(huì)導(dǎo)致成本增加。平衡成本和質(zhì)量，死區(qū)應(yīng)該小于等于2微秒。根據(jù)以上要求，對(duì)比了FSBB20CH60B，PS21964，SCM1110MF等幾款智能功率模塊，最終選擇了FDBB20CH60B。他的性能指標(biāo)如下：IPM適應(yīng)電網(wǎng)電壓額定電流最大載波頻率死區(qū)

11、時(shí)間FSBB20CH60B10025020A20KHz2微秒此外這款功率模塊還具有內(nèi)置自舉電路，只需要一個(gè)15V電源供電。簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。3.1.3光耦芯片選擇雖然中小功率智能模塊的PWM信號(hào)可直接有DSP提供，但是為了穩(wěn)定起見(jiàn)，采用了光耦芯片將IPM和DSP隔離。常用的低成本光耦芯片有TLP-521和6N137。由于使用光耦隔離的是PWM信號(hào)，頻率為10KHz，同時(shí)為了保證控制的實(shí)時(shí)性，應(yīng)選擇上升下降時(shí)間小，速度快的高速光耦芯片。由此選擇了6N137。在測(cè)試情況下為15ns，而TLP-521為15微秒左右。由于6N137光電管的驅(qū)動(dòng)電流為7.5mA，超過(guò)了2812GPIO的驅(qū)動(dòng)能力正負(fù)4mA

12、，因此選用74lvc07驅(qū)動(dòng)6N137。74LVC07的延時(shí)為2.2ns，符合對(duì)低延時(shí)的要求。3.2 硬件電路設(shè)計(jì)3.2.1 上位機(jī)和按鍵與顯示（圖7 上位機(jī)控制和矩陣鍵盤(pán)+數(shù)碼管控制）本異步電機(jī)變頻調(diào)速器采用了兩種控制方式，一種是實(shí)驗(yàn)室配置模式即使用電腦上位機(jī)進(jìn)行控制，另一種是產(chǎn)品控制方式即使用矩陣鍵盤(pán)+數(shù)碼管控制。電腦上位機(jī)與2812最小系統(tǒng)板的連接采用SCI通訊。最小系統(tǒng)板的SCI信號(hào)SCIRXDA和SCITXDA經(jīng)MAX232芯片處理后通過(guò)串口線(xiàn)與電腦的串口連接。由于筆記本電腦沒(méi)有串口，可以使用USB轉(zhuǎn)串口模塊。此外還尋找到一種采用PL2303的模塊，可以將SCI信號(hào)轉(zhuǎn)換為USB信號(hào)，

13、直接使用筆記本上的USB與單片機(jī)連接，大大方便了使用。數(shù)碼管和矩陣鍵盤(pán)使用了單片機(jī)的GPIO引腳。為節(jié)約引腳，采用了MAX7219芯片驅(qū)動(dòng)4位7段數(shù)碼管。它只需要3根信號(hào)線(xiàn)，且具有鎖存功能，大大減少了單片機(jī)顯示所需工作時(shí)間，降低了編程難度。3.2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)板與驅(qū)動(dòng)板的連接驅(qū)動(dòng)板主要由IPM智能模塊，整流橋，穩(wěn)壓電容，光耦芯片組成，單片機(jī)的信號(hào)通過(guò)排線(xiàn)與驅(qū)動(dòng)板連接，這里簡(jiǎn)單介紹一下信號(hào)線(xiàn)的內(nèi)容。（圖8 驅(qū)動(dòng)板連接排線(xiàn)）左半部分為單片機(jī)的信號(hào)輸出：UH0、UL0、VH0、VL0、WH0、WL0為PWM波信號(hào)線(xiàn)。RELAY0為繼電器控制信號(hào)。LED1LED3為信號(hào)燈。右半部分為單片機(jī)的信號(hào)

14、輸入：FAULT0為智能功率模塊的故障信號(hào)經(jīng)74HC14電平轉(zhuǎn)換出的3.3V信號(hào)。IDC0和UDC0分別為直流母線(xiàn)電流信號(hào)和直流母線(xiàn)電壓信號(hào)，都經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)板上的運(yùn)放隔離放大。PWMU、PWMV、PWMW為電壓比較器處理的反電勢(shì)信號(hào)，為數(shù)字量，用于檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速。SC為IPM短路保護(hù)輸入，IDC2時(shí)直流母線(xiàn)電流經(jīng)運(yùn)放放大的信號(hào)，放大倍數(shù)可調(diào)。在需要使用IPM短路保護(hù)功能時(shí)可以將SC和IDC2短接。3.2.3 驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)（圖9 驅(qū)動(dòng)板原理圖）6n137光耦隔離芯片內(nèi)部有發(fā)光二極管和感光元件構(gòu)成。當(dāng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮?xí)r感光元件導(dǎo)通輸出低電平，反之由上拉電阻上拉輸出5V。由于驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管電流要7.5mA，超

15、過(guò)GPIO最大電流4mA，因此需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片。74LVC07芯片集成了6個(gè)集電極開(kāi)路的三態(tài)緩沖器。當(dāng)輸出低電平時(shí)灌電流可達(dá)50mA，滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)6n137需求，而輸出高阻態(tài)時(shí)雖然不是高電平，卻依然可以達(dá)到使發(fā)光二極管不發(fā)光的效果。從而使用74LVC07和6n137實(shí)現(xiàn)了將單片機(jī)和功率模塊隔離的功能。220V交流電源經(jīng)橋式整流芯片3504整流后為300V脈動(dòng)的直流。使用兩個(gè)450V耐壓470uF的電容進(jìn)行穩(wěn)壓，輸出直流母線(xiàn)。為了在上電瞬間保護(hù)穩(wěn)壓電容，所以在電容前串接功率電阻，而在母線(xiàn)電壓上升到工作值時(shí)，使用繼電器短接功率電阻，節(jié)約電能。這一點(diǎn)是通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)直流母線(xiàn)電壓，向繼電器發(fā)出信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。

16、由于繼電器需要12V，75mA的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所以采用IRF7805mosfet對(duì)單片機(jī)信號(hào)進(jìn)行放大。（圖10 LMV324運(yùn)放）直流母線(xiàn)電壓和電流的模擬信號(hào)需要運(yùn)放進(jìn)行隔離和放大。考慮到TMS320F2812是一個(gè)3.3V的單片機(jī)，GPIO只能接受03.3V的信號(hào)。于是選擇了低壓差的運(yùn)放LMV324，使用3.3V的電源電壓，這樣運(yùn)放的輸出電壓為03.0V，對(duì)單片機(jī)永遠(yuǎn)是安全的。運(yùn)放使用了標(biāo)準(zhǔn)的電壓放大器接法。在輸入端使用了Ds15和DS16兩個(gè)肖基特二極管對(duì)輸入信號(hào)限幅。同時(shí)用一個(gè)0.01uF的旁路電容C87。4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，主要分為上位機(jī)（PC）軟件設(shè)計(jì)和下位機(jī)（DSP）程

17、序設(shè)計(jì)。上位機(jī)的監(jiān)控軟件使用C+編寫(xiě)，采用開(kāi)源Qt By Nokia v4.7.3庫(kù)，擁有柔和的界面，直觀的波形輸出功能，和全面的控制能力；下位機(jī)程序和上位機(jī)通過(guò)USB轉(zhuǎn)232串口連接，具有雙向通訊功能。下位機(jī)程序設(shè)計(jì)包括具有熱啟動(dòng)熱配置功能的系統(tǒng)主框架設(shè)計(jì)；通過(guò)對(duì)由SCI發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包解碼從而可重復(fù)初始化的，初始化模塊程序設(shè)計(jì)；全部模塊化封裝的算法實(shí)現(xiàn)部分；全局宏定義和全局參數(shù)組設(shè)計(jì)。本文將詳細(xì)介紹主框架流程、SVPWM算法流程、SCI熱配置流程和智能變頻模塊流程。由于異步電機(jī)無(wú)傳感器測(cè)速尚在算法研究階段，本文只在前面介紹其基本思想。其余的模塊非主要模塊，代碼中有詳細(xì)注解，此處省略。對(duì)與上位機(jī)

18、，其結(jié)構(gòu)符合Qt程序規(guī)范，由于代碼量較大，而且只起到輔助實(shí)驗(yàn)功能，所以這里只介紹其功能、用法與特點(diǎn)。注：上位機(jī)軟件可在winXP、winVista、win7系統(tǒng)下運(yùn)行，需要在運(yùn)行前裝載vs最小運(yùn)行庫(kù)。4.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì) 下位機(jī)程序各模塊的聯(lián)系如下圖。初始化模塊包含三部分，一部分是系統(tǒng)剛開(kāi)始運(yùn)行就立即執(zhí)行，包括系統(tǒng)初始化、GPIO初始化、SCI初始化和CPUTimer0的初始化；一部分是在SCI配置過(guò)程中的初始化，包括ADC初始化和EPWM初始化；除此以外PIE中斷向量的初始化在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)和SCI配置時(shí)都要進(jìn)行。算法模塊包括SVPWM演算、智能變頻、智能調(diào)壓、無(wú)傳感器轉(zhuǎn)速計(jì)算。功能模塊包括一

19、些功能函數(shù)（如各種延時(shí)函數(shù)）、串口通信借口、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)、異步電機(jī)失速保護(hù)、全局宏定義、全局結(jié)構(gòu)體（參數(shù)組）定義等。 （圖11 DSP程序模塊關(guān)系總覽）4.1.1 主框架流程圖系統(tǒng)的主框架如下圖所示。程序啟動(dòng)后開(kāi)始系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)入主循環(huán)，但此時(shí)EPWM和ADC模塊都是閉鎖狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)并不會(huì)運(yùn)行。如果dsp芯片已經(jīng)通過(guò)USB轉(zhuǎn)232串口連接好電腦，那么可以打開(kāi)ExMainWindow.exe，設(shè)置好串口參數(shù)（波特率9600，校驗(yàn)位NONE，數(shù)據(jù)位8，停止位1），打開(kāi)串口，設(shè)置好配置參數(shù)（初始頻率值，設(shè)定頻率值，是否反饋，正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)），單擊“配置下發(fā)”鍵。此時(shí)SCI中斷程序?qū)⒏鶕?jù)不同的包頭標(biāo)志

20、解包，將參數(shù)配置進(jìn)全局參數(shù)組，此時(shí)EPWM初始化，ADC根據(jù)指令決定是否初始化，系統(tǒng)進(jìn)入等待運(yùn)行的狀態(tài)。如果這時(shí)點(diǎn)擊“開(kāi)機(jī)”，EPWM的TBCLK將開(kāi)啟，電機(jī)啟動(dòng)。（圖12 主框架流程圖）4.1.2 SVPWM算法流程圖SVPWM算法流程如下圖。SVPWM占空比計(jì)算為典型的實(shí)時(shí)算法，需要放在中斷函數(shù)中進(jìn)行，其效率較低，但其刷新頻率而又很高，所以需要盡量減少計(jì)算量。（圖13 EPWM中斷流程）4.1.3 SCI熱配置流程SCI熱配置在本程序中是一大特點(diǎn)。其流程如上圖。SCI參數(shù)配置模式只有在電機(jī)真正停轉(zhuǎn)的時(shí)候才會(huì)有效，表現(xiàn)為只有在全局參數(shù)trueStop = true時(shí)，解碼模塊才會(huì)接受參數(shù)配置

21、包。在該中斷函數(shù)中，如果進(jìn)入配置模式，程序會(huì)對(duì)全局參數(shù)組進(jìn)行配置，或者對(duì)其他外設(shè)進(jìn)行初始化；如果進(jìn)入運(yùn)行模式，程序僅會(huì)對(duì)允許修改的參數(shù)進(jìn)行更新。（圖14 SCI熱配置流程圖）4.1.4 智能變頻模塊流程智能變頻模塊的設(shè)計(jì)方案，完全是針對(duì)本文引言中所提到的情況。偏遠(yuǎn)缺水地區(qū)地下水位很低，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將決定井泵的實(shí)際揚(yáng)程；但越偏遠(yuǎn)的地區(qū)，他拉過(guò)去的電壓越低。希望電動(dòng)機(jī)在使用時(shí)能夠達(dá)到環(huán)境允許的安全穩(wěn)定極限轉(zhuǎn)速，但是在本來(lái)就欠壓的環(huán)境下，單純提高同步磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速有可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩?zé)o法維持從而電動(dòng)機(jī)失速，滑差系數(shù)瞬間變大，電流陡增，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒壞電動(dòng)機(jī)和變頻器等附屬設(shè)備。設(shè)計(jì)該模塊，就是為了使電動(dòng)機(jī)在恒定負(fù)

22、載的情況下，能夠安全地加速到極限功率。該變頻模塊的控制手段屬于經(jīng)過(guò)改進(jìn)的恒轉(zhuǎn)矩控制恒功率控制，恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)控制較為常見(jiàn)，這里省略；恒功率控制，會(huì)在監(jiān)控電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)的情況下，逐步加快電機(jī)運(yùn)行速度。如下圖，每增加1Hz頻率，將會(huì)面對(duì)三個(gè)分支選擇：1）繼續(xù)增加頻率，2）停止增加頻率，3）減小頻率。判斷的方法是對(duì)滑差系數(shù)、轉(zhuǎn)速變化率、三相電流值的進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，然后將其和自動(dòng)生成的閾值進(jìn)行邏輯比較，以此決定下一變頻周期的目標(biāo)頻率值。特點(diǎn)：無(wú)需手動(dòng)調(diào)試，達(dá)到安全穩(wěn)定極限轉(zhuǎn)速。（圖15 智能變頻流程）4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件的主要功能是控制和監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。特點(diǎn)：1、在軟件中，一切向下位機(jī)輸出的指

23、令，都是自動(dòng)生成的，有效地防止了發(fā)送端誤碼的產(chǎn)生。2、 在軟件中，未被允許的操作按鈕都是灰色不可點(diǎn)擊的（Disabled狀態(tài)），這種性質(zhì)和下位機(jī)的糾錯(cuò)功能一起，有效斷絕了誤操作的影響。3、 軟件中有三個(gè)波形監(jiān)控窗口，分別是電壓波形、電流波形、頻率轉(zhuǎn)速波形，它所監(jiān)控的都是最大值或有效值，可以直觀的看出電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化。（圖16 上位機(jī)界面）5. 系統(tǒng)創(chuàng)新系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)在上文中均有提到，這里簡(jiǎn)要復(fù)述一遍。1、采用異步電機(jī)無(wú)傳感器測(cè)速方法，節(jié)省了昂貴的測(cè)速裝置，也使變頻器更加通用，運(yùn)行穩(wěn)定性更高。2、具有熱啟動(dòng)、熱關(guān)機(jī)、熱配置的功能，在SCI中斷程序中對(duì)其他外設(shè)初始化和去初始化，無(wú)需頻繁啟停DSP。

24、3、無(wú)級(jí)調(diào)頻，當(dāng)前頻率到目標(biāo)頻率的變化緩慢，不會(huì)發(fā)生頻率跳變。4、將算法區(qū)分為實(shí)時(shí)算法和非實(shí)時(shí)算法，合理使用運(yùn)算單元。5、可以閉環(huán)運(yùn)行，但在沒(méi)有ADC采樣接口的功率板上也可以完全開(kāi)環(huán)運(yùn)行。6. 評(píng)測(cè)與結(jié)論變頻器是向需要進(jìn)行調(diào)速的三相交流異步電動(dòng)機(jī)提供頻率與電壓均可變的電源設(shè)備，因此變頻器的性能指標(biāo)應(yīng)能滿(mǎn)足電動(dòng)機(jī)的調(diào)速要求。在評(píng)測(cè)中所使用的電動(dòng)機(jī)就是2.1性能指標(biāo)中所介紹的深井水泵用異步電動(dòng)機(jī)，在進(jìn)行性能測(cè)試的時(shí)候，由于本變頻器正處于實(shí)驗(yàn)品開(kāi)發(fā)階段，現(xiàn)階段只做了空載測(cè)試，還未做負(fù)載測(cè)試和極限參數(shù)測(cè)試。和變頻器最初設(shè)計(jì)時(shí)的目標(biāo)參數(shù)相比，現(xiàn)在已經(jīng)有一些參數(shù)達(dá)到了要求?？梢栽?0V低壓時(shí)啟動(dòng)目標(biāo)電動(dòng)機(jī)，變頻范圍遠(yuǎn)超0200Hz，500Hz時(shí)輸出波形完全沒(méi)有畸變?？紤]實(shí)際應(yīng)用，我們?cè)陬l率輸出上還是做了數(shù)值限制，即最大200Hz。同樣考慮到實(shí)用因素，輸出頻率精度和頻率變化速度完全按照實(shí)際指標(biāo)定做，分別為1Hz和2Hz/s。在控制方式上，現(xiàn)階段已完全采用SVPWM輸出，恒轉(zhuǎn)矩控制到恒功率控制無(wú)縫銜接。當(dāng)前狀況下，我們分別選用了50V，150V，220V三種電壓規(guī)格做空載測(cè)試，開(kāi)關(guān)頻率2KHz，PWM死區(qū)時(shí)間2.5us