基于DSP和SVPWM的交流调速系统设计与实现

论文摘要

随着工业自动化的发展,人们对电机控制系统的性能要求越来越高。矢量控制、直接转矩控制等先进的控制理论不断提出,而微处理器和控制器的更新换代特别是数字信号处理器(DSP)的出现,使得理论成为实践。但是,当人们在追求性能与成本、实用与安全的时候会发现,成熟的变频调速技术仍然是作为首选。智能化功率模块(IPM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的出现,极大地改善了电机的控制性能,保证了传统变频调速技术在世界工业特别是发展中国家工业控制中的广泛应用。因此,在这个科技理论与电子器件日新月异的今天,如何接受并应用它们来实现电机调速,如何使它们在实际应用中更实用、更安全、更节约成本等方面都是值得关注与研究的问题。本文就是针对上述问题应用功能强大的DSP、智能化的IPM和先进的SVPWM技术实现交流异步电机的变频调速。详细介绍了基于DSP的硬件控制平台的结构组成、设计过程以及理论依据和性能保障。分析了SVPWM技术原理、产生PWM波的控制算法和程序实现中的定标运算。运用传统PID控制技术和现代模糊智能控制技术分别进行了速度闭环控制系统的设计与实现,在DSP控制平台上对其控制性能进行了验证。最后,又从降低成本角度考虑,给出了一种新颖的电机控制技术——单片DSP的多电机控制技术,以单片DSP控制两台异步电机为例讲述了整个系统的设计过程;并通过实验验证了其切实可行性,为对于成本敏感或多电机应用场合提供了理想的解决方案。本文所有硬件电路设计和程序编写基于TMS320LF2407A。硬件电路中的数据采集电路、速度传感电路、单片DSP的双电机控制板、保护电路等主要部分都经过实际的焊制和调试。软件设计中的SVPWM程序、速度闭环程序、双电机控制程序等主要程序都是采用C语言和汇编语言套用格式,使用CCS(C2000)编译环境在DSP控制平台上进行过实际调试和验证。试验证明,闭环调速系统的超调量可控制在12%之内、稳态误差小于1.26%、上升时间不超过6.5s;单片DSP的双电机控制系统可实现电机1与电机2分别在150r/min～1400r/min和300r/min～2750r/min内同时自由控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.1.1 交流调速发展状况
• 1.1.2 选题意义
• 1.2 课题主要研究内容
• 第二章 硬件电路设计
• 2.1 硬件控制平台总体设计
• 2.2 DSP 与IPM 介绍
• 2.2.1 DSP（TMS320LF2407A）资源特点
• 2.2.2 IPM（PM50RSA120）结构、特性及技术参数
• 2.3 DSP 基本外围电路设计
• 2.3.1 电源电路
• 2.3.2 时钟和锁相环滤波电路
• 2.3.3 复位电路
• 2.4 PWM 传输电路设计
• 2.4.1 PWM 缓冲电路
• 2.4.2 PWM 隔离电路
• 2.5 数据采集与整理电路
• 2.5.1 速度、电压、电流采集及整理电路
• 2.5.2 采样电阻的选取
• 2.6 带实时LED 显示的速度传感电路设计
• 2.6.1 速度传感电路构成
• 2.6.2 速度传感电路参数设计
• 2.6.3 由IC7107 构成的LED 显示电路
• 2.7 系统硬件保护电路设计
• 2.7.1 电压、电流过载保护电路
• 2.7.2 抑制直流输出电路
• 2.7.3 泵升电压限制电路
• 2.7.4 IPM 的硬件互锁保护电路
• 本章小结
• 第三章 空间矢量PWM 波实现
• 3.1 SVPWM 波产生原理
• 3.2 SVPWM 波算法实现
• 3.2.1 扇区判断
• 3.2.2 时间计算
• 3.2.3 切换顺序
• 3.3 SVPWM 波产生的硬件基础
• 3.4 SVPWM 波软件设计
• 3.4.1 定点DSP 的Q 格式及优势
• 3.4.2 SVPWM 控制参数的Q 格式及代码实现
• 3.4.3 SVPWM 程序流程图
• 3.5 SVPWM 波实验室实现
• 3.5.1 PWM 端口的SVPWM 波形
• 3.5.2 SVPWM 的硬件切换模式
• 3.5.3 浮点数法和定点数法波形分析
• 本章小结
• 第四章 速度闭环交流调速系统实现
• 4.1 速度闭环调速系统的总体设计
• 4.2 速度闭环调速系统的参数设计与计算
• 4.2.1 U/F 曲线
• 4.2.2 VREFHI、VREFLO端参考电压选取
• 4.2.3 A/D 结果寄存器（RESULTx）中的转速计算
• 4.3 控制器设计
• 4.3.1 PI 控制器设计
• 4.3.2 模糊控制器设计
• 4.3.3 PI 控制器和模糊控制器的MATLAB 验证
• 4.4 闭环调速系统的软件设计
• 4.4.1 系统初始化设计
• 4.4.2 主程序及分支程序设计
• 4.5 速度闭环调速系统实验结果
• 4.5.1 实验用异步电机参数及RVO-2100L 虚拟示波器参数
• 4.5.2 DSP 端口SVPWM 波形与IPM 逆变波形
• 4.5.3 PI 调速系统的电压、电流及速度波形
• 4.5.4 模糊调速系统的电压、电流及速度波形
• 4.5.5 实验结果比较与总结
• 本章小结
• 第五章 基于单片DSP 的双异步电机控制系统实现
• 5.1 单片DSP 的双异步电机控制系统硬件配置
• 5.2 单片DSP 的双异步电机控制系统软件设计
• 5.2.1 两路SVPWM 波软件实现机理及DSP 带宽
• 5.2.2 控制系统软件流程
• 5.3 试验结果
• 5.3.1 实验参数及实验波形
• 5.3.2 实验结果分析
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 硬件电路原理图
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢