基于DSP及虛擬儀器的高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)

1、實(shí)驗(yàn)五基于DSP及虛擬儀器的高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解以TMS320F240為核心構(gòu)成的全數(shù)字控制感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件與軟件組成。2掌握采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）和空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）的感應(yīng)電機(jī)開(kāi)環(huán)變壓變頻（VVVF）調(diào)速系統(tǒng)的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合。3掌握采用磁場(chǎng)定向控制（FOC）與直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合。4掌握不同控制方式時(shí)的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)特性以及有關(guān)控制參數(shù)變化的影響（注意無(wú)上位機(jī)時(shí)不能改變有關(guān)控制參數(shù)）。5掌握感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究方法，包括虛擬儀器的使用（注意無(wú)上位機(jī)時(shí)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)無(wú)虛擬

2、儀器功能，有關(guān)虛擬儀器的取消）。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1熟悉變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的配置與結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上完成實(shí)驗(yàn)接線。并通過(guò)仔細(xì)閱讀“MCL-13(V1.1)上位機(jī)程序使用說(shuō)明”，熟悉在上位機(jī)界面上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的方法（無(wú)上位機(jī)時(shí)不要求）。2采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）的開(kāi)環(huán)VVVF調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究：（1）分別在不同調(diào)制方式（同步、異步和分段同步）下，觀測(cè)不同調(diào)制方式與有關(guān)參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響，作比較研究：在同步調(diào)制時(shí)，觀測(cè)載波比變化對(duì)不同速度下，定子磁通軌跡的影響；在異步調(diào)制時(shí)，觀測(cè)載波頻率變化對(duì)不同速度下，定子磁通軌跡的影響；在分段同步調(diào)制時(shí)，改變頻率分段與各段載波比，觀測(cè)不同速度下定子磁通軌跡的變化

3、。比較不同調(diào)制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)參數(shù)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。注意，無(wú)上位機(jī)時(shí)可以在面板上用按鈕選擇調(diào)制方式，但涉及改變參數(shù)的研究將不能進(jìn)行。（2）測(cè)取系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)機(jī)械特性n=f (M)；（3）觀測(cè)并記錄啟動(dòng)時(shí)電機(jī)定子電流和電機(jī)速度波形iv=f (t)與n=f (t)；（4）觀測(cè)并記錄突加與突減負(fù)載時(shí)的電機(jī)定子電流和電機(jī)速度波形iv=f (t)與n=f (t)；（5）觀測(cè)低頻補(bǔ)償程度改變對(duì)系統(tǒng)性能的影響。3采用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）的開(kāi)環(huán)VVVF調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究：（1）（5）同前2。4采用磁場(chǎng)定向控制（FOC）的感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究：（1）在默認(rèn)參數(shù)下，測(cè)取系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)機(jī)械特性n=f (M)，觀察定

4、子磁通軌跡；（2）觀測(cè)并記錄啟動(dòng)時(shí)電機(jī)定子電流和電機(jī)速度波形iv=f (t)與n=f (t)；（3）觀測(cè)并記錄突加與突減負(fù)載時(shí)的電機(jī)定子電流和電機(jī)速度波形iv=f (t)與n=f (t)；（4）研究速度調(diào)節(jié)器參數(shù)（P、I）改變對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能的影響；（5）研究電流調(diào)節(jié)器參數(shù)（P、I）改變對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能的影響；（6）研究轉(zhuǎn)子回路時(shí)間常數(shù)（T2=Lr/Rr）改變對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能的影響；以上（4）（6）涉及參數(shù)改變，只能在有上位機(jī)時(shí)才能進(jìn)行。5采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究：（1）（4）同磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)；（5）研究轉(zhuǎn)矩與磁通調(diào)節(jié)器滯環(huán)寬度改變對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性

5、能的影響；（6）研究定子電阻變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能的影響；以上（4）（6）涉及參數(shù)改變，只能在有上位機(jī)時(shí)才能進(jìn)行。6對(duì)以上不同控制方式下感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能進(jìn)行比較研究。三實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成及工作原理基于DSP的高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖75所示：系統(tǒng)主電路采用交-直-交電壓源型變頻器，功率器件采用智能功率模塊IPM，該模塊包含了由六個(gè)IGBT、六個(gè)續(xù)流二極管、柵極驅(qū)動(dòng)電路、邏輯控制電路以及欠壓、過(guò)流、短路、過(guò)熱等保護(hù)電路，模塊的主電路部分共有5個(gè)端子，即直流電壓輸入端+、-，三相交流電壓輸出端U、V、W，控制部分共有15個(gè)端子，用于PWM信號(hào)輸入、故障信號(hào)輸出及驅(qū)動(dòng)電源等，驅(qū)動(dòng)電源為4

6、組+15V電源，DSP生成的PWM信號(hào)需通過(guò)光耦合器隔離后輸入。該智能功率模塊的應(yīng)用，減小了裝置的體積，提高了變頻系統(tǒng)的性能與可靠性?？刂葡到y(tǒng)由DSP、信號(hào)檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路等組成，DSP采用美國(guó)TI(Texas Instruments)公司于1998年推出的16位數(shù)字信號(hào)處理器 (Digital Signal Processor簡(jiǎn)稱(chēng)DSP)TMS320X24x系列芯片，該芯片是專(zhuān)門(mén)為電機(jī)的數(shù)字化控制而設(shè)計(jì)的，它集DSP的信號(hào)高速處理能力及適用于電機(jī)控制的優(yōu)化外圍電路于一體，為電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個(gè)理想的解決方案，從而成為傳統(tǒng)的多微處理器單元和昂貴的多片設(shè)計(jì)的理想替代，每秒執(zhí)行

7、20兆條指令的運(yùn)算能力，使該系列芯片能提供比傳統(tǒng)16位微處理器強(qiáng)大得多的性能。該系列芯片的16位定點(diǎn)DSP內(nèi)核為模擬設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)數(shù)字解決方案，并且不會(huì)犧牲原有系統(tǒng)的精度和性能，事實(shí)上，由于可以采用諸如自適應(yīng)控制、卡爾曼濾波和狀態(tài)控制等先進(jìn)的控制算法，因而增強(qiáng)了系統(tǒng)性能。高速CPU允許數(shù)字控制設(shè)計(jì)者能夠?qū)崟r(shí)處理算法而不需通過(guò)查表只能獲得近似值，幾乎所有的指令都可在50ns的單周期內(nèi)完成，如此高的性能可以對(duì)非常復(fù)雜的控制算法進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，此外，還可支持非常高的采樣率，以減小循環(huán)延時(shí)。作為系統(tǒng)管理器，DSP必須具備強(qiáng)大的片內(nèi)I/O和其它外設(shè)功能，該系列芯片內(nèi)的事件管理器可以為所有電機(jī)類(lèi)型用戶提供

8、高速、高效和全變速的先進(jìn)控制技術(shù)。在該事件管理器中，包括特殊的PWM產(chǎn)生功能，特殊的附加功能包括可編程的死區(qū)功能和空間矢量PWM，后者可為三相電機(jī)在功率管逆變器控制中提供最高的功效，三個(gè)獨(dú)立的向上/下計(jì)數(shù)器，每一個(gè)都有屬于它自己的比較寄存器，可以支持產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)的和對(duì)稱(chēng)的PWM波形，四路捕獲輸入中的兩路可以直接連至光電編碼器的正交編碼脈沖信號(hào)。該系列芯片的應(yīng)用，大大簡(jiǎn)化了高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具有高的性能價(jià)格比，該系列芯片，除適用于工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)外，還可廣泛地應(yīng)用于功率變換器和控制器、汽車(chē)系統(tǒng)，如電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置、剎車(chē)和溫度控制、儀表電機(jī)控制、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)等辦公產(chǎn)品、磁帶驅(qū)動(dòng)、機(jī)器

9、人和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)機(jī)械等。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中使用的DSP為T(mén)MS320F240，其內(nèi)部包含16K字的Flash(閃速)EEPROM。此外，已為實(shí)驗(yàn)組件配備了與上位計(jì)算機(jī)通訊的接口和上位機(jī)軟件。需要進(jìn)行有關(guān)參數(shù)改變影響的實(shí)驗(yàn)，必須配備上位機(jī)，并在實(shí)驗(yàn)前安裝好上位機(jī)軟件和仔細(xì)閱讀上位機(jī)操作說(shuō)明。圖75四實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器1MCL系列教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主控制屏。2MCL-13閉環(huán)變頻系統(tǒng)組件。3電機(jī)導(dǎo)軌、直流發(fā)電機(jī)4 可調(diào)電阻器掛箱 5異步電動(dòng)機(jī)（含高分辨率編碼器）6雙蹤示波器7上位機(jī)和通訊聯(lián)接線五實(shí)驗(yàn)步驟1參看圖7-6，連接主電路、起動(dòng)限流、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)及磁通檢測(cè)等環(huán)節(jié)的連線。（有上位機(jī)時(shí)，連接上位機(jī)

10、與組件間的串口通訊線。）2按下起動(dòng)按鈕前，檢查給定電位器是否放在零位(要求電位器左旋到底)。3三相調(diào)壓器逆時(shí)針調(diào)到底，合上主控制屏上的綠色按鈕開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)三相調(diào)壓器的輸出，使Uuv、Uvw、Uwu均為220V。4開(kāi)環(huán)變頻系統(tǒng)性能測(cè)試（1）必須在接線檢查無(wú)誤后，合上MCL13組件左下方的電源開(kāi)關(guān)，這時(shí)系統(tǒng)缺省設(shè)置為開(kāi)環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)的SPWM控制同步調(diào)制方式狀態(tài)。（2）撳起動(dòng)按鈕，逐漸增大給定(給定電位器向順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn))，觀察系統(tǒng)工作是否正常，確認(rèn)系統(tǒng)工作正常后，再逐漸加大給定直至頻率達(dá)到50HZ。（3）用示波器測(cè)定電機(jī)線電壓、線電流波形。（測(cè)試孔iv或iw與地之間波形）（4）用示波器測(cè)定定子磁通

11、分量波形。（5）將端與地線接到雙蹤示波器Y軸輸入端與地端，再將端接到示波器的X軸輸入端，觀測(cè)定子磁通的軌跡。（6）用示波器測(cè)定突加或突減給定時(shí)的iv=f (t)與n=f (t)： 撳停止按鈕，觀察并記錄iv=f (t) 給定電位器仍在上述位置，撳起動(dòng)按鈕，即可測(cè)得突加給定時(shí)的iv=f (t) 同上步驟，觀察并記錄n=f (t)（7）系統(tǒng)機(jī)械特性測(cè)試：在上述給定條件下，負(fù)載從輕載按一定間隔加至額定負(fù)載，測(cè)出機(jī)械特性曲線n=f (M)（8）突加與突減負(fù)載時(shí)的iv=f (t)與n=f (t)測(cè)試：負(fù)載加至1/2額定負(fù)載，在突加與突減負(fù)載條件下，觀察并描繪iv=f (t)與n=f (t)波形（9）改變

12、調(diào)制方法、方式和有關(guān)的調(diào)制參數(shù)（注意改變參數(shù)只能在上位機(jī)界面上進(jìn)行），觀察對(duì)系統(tǒng)性能的影響。5閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)采用磁場(chǎng)定向控制時(shí)的性能測(cè)試：撳磁場(chǎng)定向控制按鈕，使系統(tǒng)工作在閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)的磁場(chǎng)定向控制狀態(tài)，先調(diào)節(jié)給定電位器使系統(tǒng)工作在50HZ，然后進(jìn)行以下測(cè)試：（1）測(cè)量電動(dòng)機(jī)線電壓、線電流、氣隙磁通分量和氣隙磁通的波形。（2）觀察與描繪突減與突加給定時(shí)的iv=f (t)與n=f (t)波形。（3）在50Hz與5Hz時(shí)的閉環(huán)變頻系統(tǒng)的靜特性測(cè)試。（4）觀察與描繪突加與突減負(fù)載時(shí)的iv=f (t)與n=f (t)波形。（5）改變速度和電流環(huán)PID調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)（注意：改變參數(shù)只能在上位機(jī)界面

13、上進(jìn)行），觀察對(duì)系統(tǒng)性能的影響。6閉環(huán)變頻系統(tǒng)采用直接轉(zhuǎn)矩控制時(shí)的性能測(cè)試：撳直接轉(zhuǎn)矩控制按鈕，使系統(tǒng)工作在閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制狀態(tài)，先調(diào)節(jié)給定電位器使系統(tǒng)工作在50HZ，然后進(jìn)行以下測(cè)試：（1）測(cè)量電動(dòng)機(jī)線電壓、線電流、氣隙磁通分量和氣隙磁通的波形。（2）觀察與描繪突減與突加給定時(shí)的iv=f (t)與n=f (t)波形。（3）在50Hz與5Hz時(shí)的閉環(huán)變頻系統(tǒng)的靜特性測(cè)試。（4）觀察與描繪突加與突減負(fù)載時(shí)的iv=f (t)與n=f (t)波形。（5）改變速度環(huán)PID調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)與轉(zhuǎn)矩、磁通滯環(huán)控制器的容差（注意：改變參數(shù)只能在上位機(jī)界面上進(jìn)行），觀察控制參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。注意：有上位機(jī)時(shí)，上述的部分操作必須在上位機(jī)界面上進(jìn)行，有關(guān)操作步驟請(qǐng)參看“MCL-13(V1.1)上位機(jī)程序使用說(shuō)明”。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1分別畫(huà)出50HZ時(shí)開(kāi)環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)，磁場(chǎng)定向控制變頻調(diào)速系統(tǒng)及直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的下述波形：（1）電動(dòng)機(jī)線電壓、線電流波形；（2）定子磁通分量和定子磁通的軌跡；（3）突加與突減給定時(shí)的iv=f (t) 與n=f (t)；（4）突加與突