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第一篇：淺談三相異步電動機調速與制動問1

淺談三相異步電動機調速與制動問題

【摘要】：當前,三相異步電動機由于其成本低,結構簡單，性能可靠性高和維護方便等優點，在各種工業領域中得到了廣泛的應用。但其調速性能和制動性能都不能和直流電動機相比，因此如何改進異步電動機的調速性能和制動問題，以提高調速性能和制動問題，就顯得特別重要。本文主要對三相異步電動機調速與制動方法作了簡單介紹，并針對不同場合適用的電機做出了說明。【關鍵詞】：調速旋轉磁場反接制動一、三相異步電動機調速

60f1根據三相異步電動機的轉速公式：n= n1(1-s)=p(1-s)，可得交流電動機的三種調速的方法：（1）改變供電頻率f1；（2）改變電動機的磁極對數p;（3）改變轉差率s。從調速的本質來看,不同的調速方式無非是改變交流電動機的同步轉速n1或不改變同步轉速n1兩種

具體來講,三相異步電動機的調速主要有以下幾種方法:

（一）改變轉差率調速

改變轉差率調速的方法有：改變轉子回路電阻調速，改變電源電壓調速等。1.改變轉子回路電阻

改變繞線式轉子異步電動機轉子電路（在轉子回路中接入一變阻器），使電動機的轉差率加大，電動機在較低的轉速下運行。接入的電阻越大，電動機的轉速越低。此方法設備簡單，控制方便，但轉差功率以發熱的形式消耗在電阻上，損耗較大，屬于有級調速，調速范圍有限，機械特性較軟。主要應用于小型電動機調速中（例如起重機的提升設備）。2.改變定子電壓調速方法

當異步電動機定子與轉子回路的參數為恒定時，在一定的轉差率下，電動機的電磁轉矩與加在其定子繞組上電壓的平方（即輸入電壓）成正比，因此，改變電動機的

定子電壓就可改變其機械特性的函數關系，從而改變電動機在一定輸出轉矩下的轉速。由于電動機的轉矩與電壓平方成正比，因此最大轉矩下降很多，其調速范圍較小，使一般籠型電動機難以應用。為了擴大調速范圍，調壓調速應采用轉子電阻值大的籠型電動機，如專供調壓調速用的力矩電動機。調壓調速的主要裝置是一個能提供電壓變化的電源，目前常用的調壓方式有串聯飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調壓等幾種。晶閘管調壓方式為最佳。調壓調速的特點是：調壓調速線路簡單，易實現自動控制；調壓過程中轉差功率以發熱形式消耗在轉子電阻中，效率較低。調壓調速系統一般適用于100KW以下的生產機械。目前，已成功地大量使用在電梯、卷揚機械與化纖機械等工業裝置中。

（二）、變極調速方法

這種調速方法是用改變定子繞組的接線方式來改變籠型電動機定子極對數達到調速目的。變極調速的異步電動機一般采用鼠籠式轉子，因為鼠籠式轉子的極對數能自動地隨著定子極對數的改變而改變使定、轉子磁場的極對數總是相等而產生平均電磁轉矩。若為繞線型轉子，則定子極對數改變時，轉子繞組必須相應地改變接法以得到與定子相同的極對數，所以很不方便。

變極調速的特點如下：具有較硬的機械特性，穩定性良好；無轉差損耗，效率高；接線簡單、控制方便、價格低；但屬于有級調速，級差較大。本方法適用于自動化程度要求不高，不需要無級調速的生產機械，如金屬切削機床、升降機、風機等

（三）、變頻調速方法

變頻調速是用改變電動機定子電源的頻率f，從而改變電動機同步轉速的調速方法。其調速系統主要設備是變頻器，變頻器可分成交流-直流-交流變頻器和交流-交流變頻器兩大類，目前國內大都使用交-直-交變頻器。

交-直-交變頻器通過改變脈沖的寬度可以控制逆變器輸出交流基波電壓的幅值，通過改變調制周期可以控制其輸出頻率，從而同時實現變壓和變頻。其特點：效率高沒有附加損耗；應用范圍較廣，可用于籠型異步電動機；調速范圍大，精度高；造價高，維護檢修困難。

從調速范圍、平滑性以及調速過程中電動機的性能等方面來看，變頻調速很優越，可以和直流電動機調速相媲美但要使頻率和端電壓同時可調，但需要一套專門的變頻裝置，使投入的設備增多，成本增大。此外還有其他的調速的方法:

（四）、串級調速方法

串級調速是指繞線式電動機轉子回路中串入可調節的附加電阻來改變電動機的轉差，達到調速的目的。大部分轉差功率被串入的附加電阻所吸收，再利用產生附加的裝置，把吸收的轉差功率返回電網或轉換能量加以利用。本方法主要適合于風機、水泵及軋鋼機、礦井提升機擠壓機等。二、三相異步電動機的制動

所謂制動是指電動機產生的電磁轉矩和轉子的旋轉方向相反。和直流電動機一樣，異步電動機在拖動生產機械時也有制動要求，如起重機把重物下降時，電氣機車下坡時就需要制動。具體來說，異步電動機的制動方法主要有以下三種方法：

（一）、反接制動

反接制動就是指異步電動機作電磁制動狀態運行時的制動，由于這時轉子的轉向與定子旋轉磁場的轉向相反，故稱為反接制動。實現反接制動可用下述兩種方法： 1.正轉反接制動。

設電動機帶反抗性負載運行于電動狀態，為迅速停車或反轉，將電動機的定子兩相反接，并同時在繞線式電動機轉子回路接入電阻，由于定子相序改變，使旋轉磁場方向與電機的運動方向相反，此時電動機的轉子電流I2和Tem都與電動狀態時相反，即電機轉矩變負，與負載轉矩共同作用，使電機轉速迅速下降，當轉速降至零時，立即切除電源。從而實現了反轉。2.倒拉反接制動

當電動機帶位能性負載用兩相反接時，負載轉矩不變，但電磁轉矩Tem和負載轉矩TL的共同作用下，使電動機減速，直至轉速為零。在Tem和TL的作用下，電動機反向起動并加速。隨轉子反向加速，電磁轉矩仍為負，但絕對值減小，直到轉速達

-n1時，Tem=0。

定子兩相反接制動，無論負載性質如何，都是指兩相反接開始到轉速為零這個過程。兩相反接制動的優點是制動效果好，缺點是能耗大，制動準確度差，如要停車，還須由控制線路及時切除電源。這種制動適用于要求迅速停車并迅速反轉的生產機械。

（二）、回饋制動

當電機做電動機運行時，如果由于外來因素，使轉子轉速高于其旋轉磁場轉速（即同步轉速），則電機進入回饋制動狀態（亦稱發電機制動）。例如前述的起重機放下重物時，如果仍按電動機狀態運行，即轉子轉向和定子旋轉磁場轉向相同，則在電動機的電磁轉矩和重物的重力產生的轉矩雙重作用下，重物以越來越快的速度下降，當轉子轉速由于重力的作用超過同步轉速電機就進入發電機制動狀態運行，電磁轉矩方向開始轉變，一直到電磁轉矩與重力轉矩平衡時，轉子轉速以及重物下降速度才穩定不變，使重物恒速下降。

（三）、能耗制動

將正在運行中的異步電動機的定子繞組從電網斷開，而接到而接到一個直流電源上，由直流電流勵磁而在氣隙中建立一個靜止磁場。于是從正在旋轉的轉子上來看此磁場將是向后旋轉的，因此由它在轉子中產生的感應電流所產生的電磁轉矩方向應為向后轉，即對轉子起制動作用。這時轉子的動能全部消耗于轉子的銅耗和鐵耗中，故稱為能耗制動。

三、結束語

異步電動機的調速有很多方法，其中常用的是變極調速（籠型電動機）和在轉子回路中串入電阻調速（繞線型電動機），當然，變頻調速的優勢將隨著電力電子技術的發展也必將得到廣泛的應用。【參考文獻】：

[1]: 周希章(編者)《電動機的起動制動和調速》機械工業出版社;第2版 [2]: 李發海、王巖《電機與拖動基礎》清華大學出版社，2006 年

[3]: 顧繩谷《電機與拖動基礎》機械工業出版社，2006 年

[4]:方偉樊曉華《三相電動機調速與制動問題的研究》科技創新導報 2009第6期

【作者簡介】王春山（1974----），男，四川省達縣人，長期從事《電機與變壓器》、《電機與電機控制》等課程教學與研究。

第二篇：關于三相異步電動機調速與制動問題的研究

網絡高等教育

專

科

生

畢

業

大

作

業

題

目：關于三相異步電動機調速與制動問題的研究

學習中心：浙江電大奧鵬學習中心

層次：高中起點專科專業：電力系統自動化技術

年級： 2010年秋季學號： 201011852184 學生：胡天飛指導教師：王凱

完成日期： 2012年08月30日

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內容摘要

目前，電力拖動是各行業生產機械的主要拖動形式；因此，三相異步電動機已經被廣泛應用在各行各業和日常生活等領域。隨著生產機械的不斷更新和發展，對電動機的調速性能與制動問題要求越來越高。三相異步電動機由于三相異步電動機因其成本低，結構簡單，可靠性高和維護少等優點在各種工業領域中得到廣泛的應用，但其調速性能和制動性能都不如直流電動機，因此如何改進異步電動機的調速性能和制動問題，以提高調速性能和制動問題，就顯得特別重要。本篇文章通過對鼠籠式三相異步電動機工作過程的分析，著重討論了三相異步電動機的調速和制動性能，介紹了三相異步電動機常用的調速和制動方法。

關鍵詞：三相異步電動機；調速；制動

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內容摘要...........................................................................................................................I 引言..............................................................1 第1章三相異步電動機工作原理.......................................2 第2章三相異步電動機的調速方法.....................................4 2.1繞線式電動機轉子串電阻調速..................錯誤！未定義書簽。2.2液力耦合器調速..............................錯誤！未定義書簽。2.3變極對數調速................................錯誤！未定義書簽。2.4串級凋速....................................錯誤！未定義書簽。2.5電磁轉差離合器調速..........................錯誤！未定義書簽。2.6改變定子電壓調速............................錯誤！未定義書簽。2.7變頻調速....................................錯誤！未定義書簽。第3章三相異步電動機的制動方法.....................................5 3.l 反接制動.....................................................5 3.2發電機制動..................................錯誤！未定義書簽。3.3能耗制動....................................錯誤！未定義書簽。第4章結語........................................錯誤！未定義書簽。

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引

言

三相異步電機主要用作電動機，拖動各種生產機械。三相異步電動機的調速方法有變極調速，變頻調速和變轉差率調速。其中變轉差串調速包括繞線轉子異步電動機的轉子串接電阻調速、串級調速和降壓調速。三相異步電動機有三種削動狀態：能耗制動、反接制動(電源兩相反接和倒拉反轉)和回饋這三種制動狀態的機械特性曲線、能量轉換關系及用途．特點等均與直流電動機制動狀態。本文主要針對變頻調速及能耗制動作出了詳細研究。

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第1章三相異步電動機工作原理

當電動機的三相定子繞組（各相差120度電角度），通入三相對稱交流電后，將產生一個旋轉磁場，該旋轉磁場切割轉子繞組，從而在轉子繞組中產生感應電流（轉子繞組是閉合通路），載流的轉子導體在定子旋轉磁場作用下將產生電磁力，從而在電機轉軸上形成電磁轉矩，驅動電動機旋轉，并且電機旋轉方向與旋轉磁場方向相同。當導體在磁場內切割磁力線時，在導體內產生感應電流，“感應電機”的名稱由此而來。感應電流和磁場的聯合作用向電機轉子施加驅動力。我們讓閉合線圈ABCD在磁場B內圍繞軸xy旋轉。如果沿順時針方向轉動磁場，閉合線圈經受可變磁通量，產生感應電動勢，該電動勢會產生感應電流(法拉第定律)。根據楞次定律，電流的方向為:感應電流產生的效果總是要阻礙引起感應電流的原因。因此，每個導體承受相對于感應磁場的運動方向相反的洛侖茲力F。確定侮個導體力F方向的一個簡單的方法是采用右手三手指定則(磁場對電流作用將拇指置于感應磁場的方向，食指為力的方向。將中指置于感應電流的方向。這樣一來，閉合線圈承受一定的轉矩，從而沿與感應子磁場相同方向旋轉，該磁場稱為旋轉磁場。閉合線圈旋轉所產生的電動轉矩平衡了負載轉矩。

旋轉磁場的產生:三組繞組問彼此相差120度，每一組繞組都由三相交流電源中的一相供電.繞組與具有相同電相位移的交流電流相互交叉，每組產生一個交流正弦波磁場。此磁場總是沿相同的軸，當繞組的電流位于峰值時，磁場也位于峰值。每組繞組產生的磁場是兩個磁場以相反方向旋轉的結果，這兩個磁場值都是恒定的，相當于峰值磁場的一半。此磁場.在供電期內完成旋轉。其速度取決于電源頻率(f)和磁極對數(P)。這稱作“同步轉速”轉差率只有當閉合線圈有感應電流時，才存在驅動轉矩。轉矩由閉合線圈的電流確定，且只有當環內的磁通量發生變化時才存在。因此，閉合線圈和旋轉磁場之間必須有速度差。因而，遵照上述原理工作的電機被稱作“異步電機”。同步轉速(ns)和閉合線圈速度(n)之問的差值稱作“轉差”，用同步轉速的百分比表示。運行過程中，轉子電流頻率為電源頻率乘以轉差率。當電動機起動時，轉子電流頻率處于最大值，等于定子電流頻率。轉子電流頻率隨著電機轉速的增加而逐步降低。處于恒穩態的轉差率與電機負載有關系。它受電源電壓的影響，如果負載較低，則轉差率較小，如果電機供電電壓低于額定值，則轉差率增大。同步轉速三相異步電動機的同步轉速與電源頻率成正比，與定子的對數成反比。

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實際上，即使電壓.正確無誤，如果供電頻率高于異步電機的額定頻率，一也未必能夠提高電機轉速。必須首先確定其機械和電氣容量。由于存在轉差率，帶負載的異步電機的轉速稍稍低于表格中給出的同步轉速。改變電動機的旋轉方向,改變電源的相序即可實現,即交換通入到電機的三相電壓接到電機端子中任意兩相就行.完整論文加QQ:1479352057

第2章三相異步電動機的調速方法

在電力拖動調速系統中，特別是在寬調速和快速可逆拖動系統中，多采用直流電動機拖動，其原因是直流電動機具有良好的調速性能。但是，直流電動機存在價格高、維護困難、需要專門的直流電源等一系列缺點。相比之下，交流電動機具有價格低、遠行可靠、維護方便等一系列優點，因此在各個應用領域都希望盡可能采用交流電動機拖動。近年來，由于電力電子技術和計算機技術的發展，使得交流調速技術II益成熟，交流調運裝置的容量不斷擴大，性能不斷提高，使得交流調速已顯示出逐步取代直流調速的趨勢。下面就三相異步電動機的幾種調速方法做了一一介紹。

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第3章三相異步電動機的制動方法

和直流電動機一樣，異步電動機在拖動生產機械時也有制動要求，如起重機把重物下降時，電氣機車下坡時就需要制動。所謂制動是指電動機產生的電磁轉矩和轉子的旋轉方向相反。具體來說，異步電動機的制動方法主要有以下三種方法。

3.l 反接制動

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參考文獻

[1]何秀偉.電機測試技術.北京:機械工業出版社，1988 [2]崔淑梅，鄭萍，朱春波.多功能實用電機測試線路.微電機，1995(4)[3]姚立海，姚立敏，黃進.基于DAQ的電機測試系統.電測與儀表，1997(4)[4]陳伯時編，電力拖動自動控制系統，北京，機械工業出版社，[5]滿木李編，電機原理及驅動，北京，潔華出版社，1997.2000.6

第三篇：三相異步電動機變頻調速的特點

三相異步電動機變頻調速的特點?

1)從基速向下調速，為恒轉矩調速方式;從基速向上調速，為恒功率調速方式。

2)調速范圍大。

3)轉速穩定性好。

4)運行時轉差率小，效率高。

5)頻率可以連續調節，為無級調速。

第四篇：異步電動機調速論文

摘要：通過遠端計算機控制變頻器來使電動機變頻調速

Abstract：through Remote terminal to control the inverter to change the frequency control of motor speed

關鍵詞：電動機，變頻器，變頻調速，遠程控制

Key words:motor,inverter,frequency control，remote contorl

目前交流異步電動機的調速系統已經廣泛應用于數控機床風機，泵類，電梯，空調等一系列民用，工用設備的電力源和動力源，并起到了節能省電，提高設備自動化，提高產品質量，改善生活水平的良好效果。三相異步電動的原理

右圖是電動機的基本結構:

三相異步電動機的兩個最基本組成部分分為定子（固定部分）和轉子（旋轉部分）。其中電動機之所以能夠轉動，很重要的原因是因為電機在通三相交流電的時候，定子上會產生一個旋轉地磁場。當磁場與導體發生相對運動的時候，鼠籠式導體切割磁力線而在其內部產生感應電動勢和感應電流。感應電流又使導體受到一個電磁力的作用，于是導體就沿磁鐵的旋轉方向轉動起來，這就是電動機的基本原理，且旋轉的磁場和閉合的轉子繞組的轉速不同，這也是異步的含義。如何讓電動機反轉：

閉合的轉子是跟著磁場旋轉地方向運動的，要使電動機反轉，可以改變旋轉磁場的方向。旋轉磁場的方向是由定子中三相繞組中電流相序決定的，若想改變旋轉磁場的方向，只要改變通入定子繞組的電流相序，即將三根電源線中的任意兩根對調即可。這時，轉子的旋轉方向也跟著改變，這時，電動機就處于反轉狀態。另外，電動機的轉速n=

60f，其中f表示輸入的三相電的頻率，p表示電動機的p極數。所以我們可以通過控制頻率來達到控制電動機轉速的目的。

變頻器的原理：

下圖為交-直-交變頻器的簡易主電路，它先把從電網上接進來的頻率和電壓都固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率，電壓都可連續可調的三相交流電源。

在圖中的整流部分是由二極管構成的橋式電路，他的輸出電壓的平均值Ud不變，如果要是Ud連續并且可調，則可使用晶閘管代替二極管來控制起關斷。整流之后，是濾波，濾波電路可分為電容濾波和電感濾波。如果用電容濾波就構成電壓源變頻器，如果是電感濾波則構成電流濾波器。

當然，想要控制電動機，逆變出來的電壓才是控制的關鍵。通過改變開關的狀態，可以逆變出不同頻率和電壓的交流電，從而控制電動機的變頻調速。

變頻調速原理：

在異步電動機調速時，總希望保持主磁通φm為額定值，有異步電動機定子每相電動勢有效值Es?4.44f1N1KΦm可知，如果略去定子阻抗下降，有 Us?Es?4.44f1N1KΦm

(1)有上式可知，若定子端電壓不變，隨著f1升高，φm將減小，如果在電流相同的情況下，φm減小會導致電動機輸出轉矩下降，嚴重時會是電動機堵轉。因此，在變頻器調速過程中應該同時改變定子電壓和頻率，以保持磁通不變。實驗所用的是通用變頻器，是變壓變頻（VVVF）裝置。調節頻率的時候電動機的電壓也會變化。電動機額定電壓對應的是基頻，在基頻下進行調速時，電壓與頻率滿足電動機的V/F曲線，有恒轉矩和恒定壓比調速，如圖1。但是在基頻以上是，由于電壓將不會再上升，屬于恒功率調速，如下圖。

電機變頻遠程控制：

在自動化的工業生產中，變頻控制往往與計算機遠程控制相聯系在一起，從而實現電機的遠程變頻控制。對三相異步電動機的遠程變頻控制有2種方案：開環控制和閉環控制。

在控制理論中，定義能夠自動追蹤，將輸出信號的一部分反饋回輸入端，進行自動有差調節的控叫做閉環控制；輸出與輸入無反饋關系，即不能進行自動調整的控制方式叫做開環控制。

在開環控制中，通過計算機的串行口發出指令，經過D/A（數字信號模擬信號轉換器）信號轉換，將計算機的指令送入變頻器，從而控制電機。在閉環控制中，通過計算機的串行口發出指令，經過D/A 信號轉換，將計算機的指令送入變頻器，帶動電機，同時利用速度傳感器將電機的轉速通過A/D（模擬信號數字信號轉換器）轉換，反饋給輸入端，計算機將電機的實際運行轉速與發出指令應達到的轉速相比較，實現有差調節，從而達到電機轉速的精確控制。

在電機的變頻遠程控制中，無論是采用開環控制還是采用閉環控制，都存在利用計算機的串口發送數據的問題。發送數據時可以握手，也可以沒有握手，握手可以是硬件握手，也可以是軟件握手。如果不使用握手，則接收器必須能在發送器發送下一個數據之前讀取當前數據30 6。接收器可以緩沖接收到的字符，在該字符被讀取之前將它保存在一個特殊的地址里。通常，這可能只保留單個字符。如果在下一個字符到來時，這個緩存沒有被清空，則緩存內以前的任何字符都會被覆蓋，下圖顯示了這樣的一個例子。

在這個例子里，接收器成功地讀取了緩沖區的2個字符，但是當第4 個字符來到的時候它還沒有讀取第3個字符，這樣第4 個字符就覆蓋了第3個字符。如果發生這種情況則必須采取一定的握手措施，在接收器讀取數據之前讓發送器停止發送數據。硬件握手由發送器向接收器詢問是否準備好接收數據。如果接收緩存是空的，則接收器通知發送器可以發送。數據一旦到達接收緩存，接收器立即通知發送器停止發送，直到緩存中的數據被取走。用于這一目的幾個硬件信號包括：

(1）CTS 清除發送（CLEAR TO SEND）；(2)RTS 準備接收（TEADY TO SEND）；

(3)DTR數據終端準備好（DATA TERMINAL READY）；(4)DSR數據裝置準備好（DATA SET READY）。

軟件握手使用特定的控制字符。即DC-1~ DC-4控制字符。

結語：

交流變頻調速具有系統體積小，重量輕、控制精度高、保護功能完善、工作安全可靠、操作過程簡單，通用性強，使傳動控制系統具有優良的性能，同時節能效果明顯，產生的經濟效益顯著。尤其當與計算機通信相配合時，使得變頻控制更加安全可靠，易于操作（由于計算機控制程序具有良好的人機交互功能），變頻技術必將在工業生產發揮巨大的作用，讓工業自動化程度得到更大的提高

參考文獻：

[1]張劍杰，王樹林.三相異步電動機變頻調速的實現 2004.01 [2]肖朋生.張文.王建輝.變頻器及其控制技術機械工業出版社 2008.2

第五篇：基于DSP的三相異步電動機變頻調速系統研究與設計

論文題目：基于 DSP 的三相異步電動機變頻調速系統研究與設計研究生姓名：羅輝

導師姓名：胡澤（教授）

學科專業：測試計量技術及儀器研究方向：智能化儀器及計算機測控 2008 年 4 月 28 日

電機節能問題一直是廣大學者研究的熱點，在電機節能技術中最受矚目的是變頻調速技術。本文研究一種基于數字信號處理器（DSP）的三相異步電動機變頻調速系統。

論文首先闡述三相異步電動機的脈寬調制技術和矢量控制原理。脈寬調制技術中重點分析正弦波脈寬調制技術（SPWM）和電壓空間矢量脈寬調制技術

（SVPWM）的基本原理和控制算法。矢量控制思想是將異步電機模擬成直流電機，通過坐標變換，將定子電流矢量分解為按轉子磁場定向的兩個直流分量，實現磁通和轉矩的解耦控制。論文用Matlab/Simulink 軟件對三相異步電動機矢量控制系統進行仿真研究，并在此基礎上對矢量控制變頻調速系統進行硬件和軟件設計。在硬件設計方面，系統以TI 公司的TMS320LF2407A DSP 芯片為控制電路核心，以三菱公司智能功率模塊（IPM）PM25RSB-120 為主電路核心，對三相交流整流濾波電路、IPM 驅動和保護電路、相電流檢測電路、轉速檢測電路、顯示電路以及DSP 與PC 機通信電路等模塊進行設計。在軟件設計方面，本文用匯編語言編寫基于TMS320LF2407A DSP 的三相異步電動機矢量控制程序，整個矢量控制程序由主程序和中斷服務子程序組成。最后構建三相異步電動機變頻調速實驗裝置，在該裝置上進行變頻調速實驗研究。

實驗結果表明用SVPWM 技術和矢量控制技術可以成功實現三相異步電動機變頻調速功能。采用矢量控制技術后，系統穩態精度高，動態調節時間短、超調量小、抗擾能力強。該變頻調速系統的研究與設計為今后開發更高性能的變頻調速系統創造了條件。

關鍵詞：三相異步電動機數字信號處理器智能功率模塊矢量控制電壓空間矢量脈寬調制

CopyRight ?2008 Library of SouthWest Petroleum University II Abstract The topic of Energy saving on motor system has always being researched by scholars, and the variable frequency variable speed technology has been paid the focus attention among the researches.The variable frequency variable speed system of three-phase asynchronous motor based on DSP has been researched in this paper.First of all, the pulse width modulation technology and the vector control principle for three-phase asynchronous motor were analyzed in the paper.The basic principles and control methods of SPWM & SVPWM were mainly analyzed.By transforming coordinate, the stator current is decomposing two DC parts which orientated as the rotator magnetic field and controlled respectively.So magnetic flux and torque are decoupled, and the asynchronous motor was controlled as a DC motor.Then, the vector control simulation system were analyzed by using Matlab/Simulink, and the hardware and software of the system were designed based on the simulation.In hardware, the TMS320LF2407A DSP of TI and PM25RSB-120 of MITSUBISHI were taken as the key controller of the system.At the same time, the paper has analyzed the three-phase AC-DC circuit, the filter circuit, the drive circuit and the protection circuit of the IPM,the current and the speed measurement circuit,the display circuit,the communication circuit between DSP and PC and so on.In software, a set of assembly language for main program and interrupt subprograms were established based on TMS320LF2407A.At the last, the experimental device which was made according to the design of variable frequency variable speed system has been established,and the experiments were carried on.The experimental results show that the vector control and SVPWM technology used in the system is successful.And the whole system run well with high accuracy of steady-state, quick dynamic response, small overshoots and strong anti-interference capability by using vector control technology.It offers helps for high performance motor control systems which would be studied aftertime.Keywords: Three-phase Asynchronous Motor Digital Signal Processor Intelligent Power Module Vector Control Space Vector Pulse Width Modulation CopyRight ?2008 Library of SouthWest Petroleum University III 目錄

摘要................................................................................................................................................I Abstract................................................................................................................................................II 1 緒論................................................................................................................................................1 1.1 前言.......................................................................................................................................1 1.2 國內外研究現狀....................................................................................................................1 1.3 研究背景和研究內容............................................................................................................3 2 三相異步電動機的脈寬調制和矢量控制技術.............................................................................5 2.1 變頻調速的基本控制方式....................................................................................................5 2.2 脈寬調制技術........................................................................................................................6 2.2.1 正弦波脈寬調制（SPWM）技術.............................................................................6 2.2.2 電壓空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術..............................................................8 2.3 矢量控制技術......................................................................................................................11 2.3.1 矢量控制原理...........................................................................................................11 2.3.2 坐標變換及變換矩陣...............................................................................................12 三相異步電動機矢量控制系統Simulink 仿真..........................................................................14 3.1 磁鏈觀測模型的建立..........................................................................................................14 3.2 矢量控制系統的Simulink 仿真模型.................................................................................16 3.3 矢量控制系統的Simulink 仿真結果.................................................................................20 4 基于DSP 的三相異步電動機變頻調速系統硬件設計.............................................................24 4.1 系統硬件設計概述..............................................................................................................24 4.2 系統主電路設計..................................................................................................................25 4.2.1 整流濾波電路設計...................................................................................................25 4.2.2 逆變電路設計...........................................................................................................26 4.2.2.1 智能功率模塊的選擇....................................................................................26 4.2.2.2 逆變電路設計................................................................................................29 4.2.2.3 泵升電路設計................................................................................................30 4.3 系統控制電路設計..............................................................................................................30 4.3.1 TMS320LF2407A DSP 芯片簡介.............................................................................30 4.3.2 TMS320LF2407A 核心電路設計.............................................................................33 4.3.3 基于核心電路的外部擴展電路設計.......................................................................34 4.3.3.1 轉速檢測電路設計........................................................................................34 4.3.3.2 電流檢測電路設計........................................................................................35 4.3.3.3 顯示電路設計................................................................................................36 CopyRight ?2008 Library of SouthWest Petroleum University IV 4.3.3.4 串行通信電路設計........................................................................................37 4.3.3.5 故障綜合入口電路設計................................................................................38 5 基于DSP 的三相異步電動機變頻調速系統軟件設計.............................................................39 5.1 系統軟件設計概述..............................................................................................................39 5.2 變頻調速系統中主要模塊的DSP 軟件實現....................................................................42 5.2.1 轉子磁鏈位置計算...................................................................................................42 5.2.2 坐標變換...................................................................................................................44 5.2.3 轉速和電流采樣參數規格化處理...........................................................................45 5.2.4 數字PI 調節器.........................................................................................................46 5.2.5 電壓空間矢量脈寬調制波形生成...........................................................................48 6 調試結果及分析..........................................................................................................................52 6.1 系統調試.............................................................................................................................52 6.2 實驗結果分析......................................................................................................................56 7 結論..............................................................................................................................................59 謝辭............................................................................................................................................60 參考獻............................................................................................................................................61

文攻讀碩士學位期間所發表的學術論文.............................................................................................64 附錄A TMS320LF2407A 核心電路原理圖..................................................................................65

附錄B 基于DSP 核心電路的外部擴展電路原理圖....................................................................67 附錄C 三相異步電動機矢量控制變頻調速源程序.....................................................................69 CopyRight ?2008 Library of SouthWest Petroleum University 西南石油大學2008 屆碩士學位論文 1 1 緒論

1.1 前言

交流變頻調速技術是集電力電子、自動控制、微電子、電機學等技術之大成的一項高技術。它以其優異的調速性能、顯著的節電效果和在國民經濟各領域的廣泛應用而被國內外公認為是世界上應用最廣、效率最高、最理想的電氣傳動方案，代表著電氣傳動的發展方向。它為提高產品質量、節約能源、降低消耗和提高企業經濟效益提供了重要的新手段[1]。

在電力電子技術、計算機技術以及自動控制技術迅速發展的今天，電氣傳動技術正面臨著一場歷史性的革命[4]。經過了二十多年的發展，近代交流傳動逐漸成為電氣傳動的主流。目前交流拖動系統的應用領域主要包括三個方面，一是一般性能的節能調速系統和按工藝要求調速系統，如一般的風機、水泵系統；二是高性能的交流調速系統和伺服系統，如精密機床拖動系統和火炮伺服系統；三是特大容量和極高轉速的交流調速系統，直流電機由于換向能力的限制不適宜這些調速場合，如厚板軋機、礦井卷揚機和高速離心機等系統都以采用交流調速為宜[1]。變頻調速研究是當前電氣傳動研究中最為活躍、最有實際應用價值的工作。變頻器產業的潛力非常巨大，它包括所有與變頻器技術相關的產業，如電力電子器件的生產、驅動保護集成電路的制造、電氣傳動技術、系統控制技術和工業現場應用技術等[7]。1.2 國內外研究現狀

近年來，交流調速在國內外發展十分迅速，打破了過去直流拖動在調速領域

中的統治地位。交流拖動已進入了與直流拖動相媲美、相競爭、相抗衡的時代，并有取而代之的趨勢，這是現代電力拖動技術發展的主要特征[1]，其主要原因有電力電子技術的不斷發展、電機控制理論和控制策略的不斷完善以及全數字化高性能微處理器技術的不斷更新等。

（1）電力電子技術的革新為變頻調速技術提供了發展平臺

由于交流電機的諸多優點，其調速系統早就得到了人們的關注，早期的交流電機調速方法，如繞線式異步電機的轉子串電阻調速、鼠籠式異步電機的變極調速、定子繞組串電抗器調速等方式都存在效率低、不經濟等缺點。交流變頻調速的優越性早在 20 世紀 20 年代就已被人們所認識，但受到元器件的限制，當時只能用閘流管構成逆變器，由于投資大，效率低，體積大而未能推廣[8]。20 世紀 50 年代中期，晶閘管的研制成功，開創了電力電子技術發展的新時代。晶閘管具 CopyRight ?2008 Library of SouthWest Petroleum University 基于DSP 的三相異步電動機變頻調速系統研究與設計有體積小、重量輕、響應快、管壓低等優點[3]，從而使得交流電機調速技術有了飛躍發展，出現了交流異步電機調壓調速、串級調速等調速系統。

到 20 世紀 70 年代出現了變頻調速技術，變頻調速具有高效率、高精度和

寬范圍等特點，是目前運用最廣泛且最具有發展前途的調速方式。交流電機變頻

調速系統的種類也很多，從早期提出的電壓源型變頻調速開始，相繼發展了電流源型、脈寬調制型等各種變頻調速控制系統。目前變頻調速的主要方案有脈寬調

制（Pulse Width Modulation，簡稱PWM）變頻調速、矢量控制（Field Oriented Control，簡稱FOC）變頻調速和直接轉矩控制（Direct Torque Control，簡稱DTC）變頻調速等。這些變頻調速技術的發展很大程度上依賴于大功率半導體器件的制造水平。隨著電力電子技術的發展，特別是門極可關斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）、絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）以及MOS 控制晶閘管（MCT）等具有自關斷能力的全控型功率元件的發展，變頻裝置的快速性、可靠性及經濟性得到不斷提高，變頻調速系統的性能也得到不斷完善。

（2）控制理論和控制策略的完善為變頻調速技術提升了發展空間

現代化的電機控制系統的核心技術是如何控制功率開關元件的開關狀態，控制方式依據控制理論的不同而不同[9]。交流調速中采用的SPWM(正弦波PWM)、SVPWM(電壓空間矢量PWM)以及矢量控制、直接轉矩控制等技術，其最終目的都是產生一系列幅值不同脈寬不同的脈沖列來控制電機的運行[10]。

在交流電機變頻調速中應用最為廣泛的是PWM 控制。可以說 PWM 控制是

交流調速系統的控制核心，任何控制算法的最終實現幾乎都是以各種PWM 控制方式來完成的，尤其是微處理器應用于PWM 技術并使之數字化以后，花樣更是不斷翻新。從最初追求的正弦電壓波形，到正弦電流波形，再到圓形磁場；從效率最優，到轉矩脈動最小，再到消除噪音等，PWM 控制技術的發展經歷了一個不斷創新和完善的過程。世紀70 年代西德的F.Blasschke 等人首先提出矢量控制理論，其目的是把定子電流中勵磁電流分量與轉矩電流分量變成標量獨立開來，進行分別控制,通過坐標變換重建異步電機的數學模型，可以使得異步電機等效于直流電機，從而像控制直流電機那樣進行快速的轉矩和磁通控制[20]。

1985 年德國魯爾大學Depenbrock 教授首先提出直接轉矩控制理論。與矢量控制不同的是，直接轉矩控制摒棄了解耦的思想，取消了旋轉坐標變換，而是簡單地通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉矩，并與給定值比較得出偏差值，實現磁鏈和轉矩的直接控制。

近年來,智能控制研究很活躍。典型的如模糊控制、神經網絡控制和基于專家

系統的控制。由于智能控制無需對象的精確數學模型并具有較強的魯棒性,因而許多學者將智能控制方法引入到電機控制系統的研究中[25]。比較成熟的是模糊控制, 它具有不依賴被控對象精確的數學模型，能克服非線性因素的影響，對調節對象 CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 西南石油大學2008 屆碩士學位論文的參數變化具有較強的魯棒性等優點。模糊控制已在交、直流調速系統和伺服系統中取得了滿意的效果。它的典型應用有：用于電機速度控制的模糊控制器；模糊邏輯在電機模型及參數辨識中的應用；基于模糊邏輯的異步電動機效率優化控制；基于模糊邏輯的智能逆變器的研究等。近年來已有一些文獻探討將神經網絡或專家系統引入到異步電動機的直接轉矩控制系統中。

有專家預測，智能控制將在今后的電機控制領域內占據主導地位。

（3）數字化高性能微處理器的應用為變頻調速技術提高了發展速度

隨著計算機技術和電力電子器件制造技術的不斷發展，新型電路變換器的不

斷出現，現代控制理論向交流調速領域的不斷滲透，特別是微型計算機及大規模

集成電路的發展，交流電機調速技術正向高頻化、數字化和智能化方向發展。單片機在交流調速系統中已經得到了廣泛的應用。例如由Intel 公司開發生產的MCS-96 系列的8×196KB、8×196KC、8×196MC 等型號的單片機，在通用開環交流調速系統中應用較多[5]。

由于交流電機控制理論不斷發展，控制策略和控制算法也日益復雜，控制系統的軟件化對 CPU 芯片提出了更高的要求，為了實現高性能的交流調速，要進行矢量的坐標變換、磁通矢量的在線計算和外環控制的在線實時調節等，都需要存儲多種數據和快速實時處理大量信息。因此，DSP 芯片在高性能交流調速系統中找到大展身手的舞臺[6]，如TI 公司的TMS320LF2407A 和 TMS320C2812 就是兩塊用于電機控制的高性能DSP 芯片。

由于高性能微處理器的應用，各種總線也在電機控制領域內扮演了相當重要的角色。STD 總線、工業 PC 總線、現場總線以及CAN 總線等在交流調速系統的自動化應用領域起到了重要的作用。可以預見，隨著計算機芯片容量的增加和運算速度的加快，交流調速系統的性能將得到很大的提高。

從總體上看我國電氣傳動的技術水平較國際先進水平差距10～15 年，就目前而言，盡管變頻調速系統的研發在國內比較活躍，但是市場上的絕大部分產品還是被國外產品所占據[11]。1.3 研究背景和研究內容（1）研究背景

隨著世界經濟的不斷發展、科學技術的不斷提高，環保和能源問題日趨成為

人們爭論的主題。充分有效地利用能源已成為緊迫的問題，為了尋求高效可用的能源，各個國家都投入了大量人力財力，進行不懈的努力。就目前而言，電能是全世界消耗最多的能源之一，同時也是浪費最多的能源之一，為解決能源問題必須先從電能著手，其中有代表性的就是電機的節能。

電機是一種將電能轉換成機械能的設備，它的用途非常廣泛，在現代社會生 CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 基于DSP 的三相異步電動機變頻調速系統研究與設計活中隨處可見電機的身影，在發達國家中生產的總電能有一半以上是用于電機的能量轉換，這些電機傳動系統當中，80%左右的是交流異步電機[1]。在國內，電機的總裝機容量已達4 億千瓦，年耗電量達6000 億千瓦時，約占工業耗電量的80%。并且使用中的電機絕大部分是中小型異步電機，加之設備的陳舊，管理、控制技術跟不上，所浪費的電能甚多。有資料表明，受資金、技術、能源價格的影響，我國能源利用效率比發達國家低很多。為此，國家十五計劃中，在電機系統節能方面投入的資金高達500 億元左右[12][13]。

在石油石化行業，石油鉆井中的鉆機，生產現場的抽油機、風機、水泵、輸油泵和泥漿泵等電機的運行都要消耗大量的電能，如何充分合理地利用電能顯得非常重要。而采用變頻調速技術后，節能效果非常明顯。新疆克拉瑪依油田多處輸油泵采用了變頻調速裝置，如采油三廠在輸油泵上應用一臺變頻器，運行后效果良好，經儀表測試，采用變頻調速后，有功節電為65.73%，無功節電為78.79%，功率因數達到0.99。據實際運行統計，變頻調速輸油節電率為46.83%，316 天后可收回全部投資。湖南岳陽長嶺煉油廠催化劑廠微球裝置高壓泵采用100kVA 變頻器后，輸出功率由18.6kW 降至7.2kW，節電61.3%。廣東茂名石化將變頻器大量應用到生產過程中，減輕了工人的勞動強度并大量節約了電能，如糖醛生產線原

有12 臺泵，每天耗電8000kW.h，將其中9 臺采用變頻調速后，每天耗電只有 4000kW.h[14]。

由此可見，在我國，異步電機變頻調速系統有巨大的市場潛能，本課題的研究也具有很強的現實意義。（2）研究內容

本文完成三相異步電動機變頻調速系統研究與設計，具體包括以下內容： 1）依據三相異步電動機脈寬調制與矢量控制原理，設計轉速、磁鏈雙閉環矢量控制變頻調速系統電氣原理圖。

2）用Matlab/Simulink 軟件對三相異步電動機矢量控制系統進行仿真研究。3）以TMS320LF2407A DSP 芯片為控制核心，對變頻調速系統進行硬件設計。硬件設計主要包括：○1 三相交流整流濾波電路設計；○2 以智能功率模塊（IPM）PM25RSB-120 為核心的逆變電路設計；○3 泵升電路設計；○4 轉速檢測電路設計； ○5 電流檢測電路設計；○6 顯示電路設計○7 DSP 與PC 機串行通信電路設計。4）用TMS320LF2407A 匯編語言編寫矢量控制變頻調速軟件。軟件內容主要

包括：○1 光電編碼轉速檢測；○2 相電流檢測；○3 坐標變換；○4 轉子磁鏈位置計算； ○5 電流、速度PI 調節；○6 電壓空間矢量SVPWM 波形生成。5）構建變頻調速實驗裝置，對實驗裝置進行硬件和軟件調試。6）在實驗裝置上進行變頻調速實驗研究。

依據交流異步電動機工作原理，從定子側輸入的電磁功率m P 可以分成兩部分，一部分mech m P =(1? s)P 是拖動負載的有效功率，稱為機械功率；另外一部分s m P = sP 為傳輸給轉子電路的轉差功率，與轉差率成正比[1]。異步電機轉速公式為：(1)(1)60 0 1 s n s p n = f ? = ?（2.1）

式（2.1）中，n 為異步電機轉子機械轉速； 0 n 為同步轉速； 1 f 為異步電機定子側輸入電源頻率； p 為異步電機極對數； s 為異步電機轉差率。

由式（2.1）可知，對異步電動機采用變頻調速可以使電動機的轉差功率保持不變。變頻調速系統是一種轉差功率不變的調速系統，因此它的調速范圍寬，在高速和低速時效率都很高，采用較好的技術措施后能夠實現高的動態性能。2.1 變頻調速的基本控制方式

在電動機調速時，常需考慮的一個重要因素就是希望保持電動機中每極磁通

量m Φ 為額定值不變。在交流異步電機中，磁通由定子和轉子磁動勢合成產生，三相異步電動機定子每相電動勢的有效值是： 1 m E 4.44 f N k Φ g s Ns =（2.2）

式（2.2）中，g E 為氣隙磁通在定子每相中感應電動勢有效值； 1 f 為定子電源

頻率； s N 為定子繞組串聯匝數； Ns k 為定子基波繞組系數； m Φ 為每極氣隙磁通量。由式（2.2）可知，只要控制好g E 和1 f，就可以達到控制磁通m Φ 的目的。由

此可知，變頻系統實際上是變壓變頻（Variable Voltage Variable Frequency）系統的簡稱，在改變電源頻率的同時，必須也要相應地改變電源電壓。由于電機定子電壓不能超過額定電壓，所以需要考慮基頻（額定頻率）以上和基頻以下兩種情況。（1）基頻以下調速

由（2.2）式可知，要保持m Φ 不變，當頻率1 f 從額定值N f1 向下調節時，必須同時降低g E，使得1 E f g 為常數，即采用電動勢頻率比為恒值的控制方式。然而，繞組中的感應電動勢是難以直接控制的。當電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，從而認為定子相電壓s g U ≈ E，則可得1 U f s 為常數，這就是恒壓頻比(即V/F)的控制方式。

然而在低頻時，s U 和g E 都較小，定子漏磁阻抗壓降所占的份量就比較明顯，不能忽略。這時，可以人為地把電壓s U 抬高一些，以便近似地補償定子壓降。帶定子壓降補償的恒壓頻比控制特性如圖2.1 中的b 線所示，無補償的控制特性則 CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 基于DSP 的三相異步電動機變頻調速系統研究與設計 6 為a 線所示。

mN Φ m Φ

圖2.1 恒壓頻比控制特性圖 2.2 異步電機變頻調速的控制特性

（2）基頻以上調速

在基頻以上調速時，頻率應該從N f1 向上升高，但是定子電壓s U 卻不能超過額定電壓UsN，最多只能保持s sN U =U，這將迫使磁通與頻率成比例地降低，相當于直流電動機弱磁升速的情況。

把基頻以下和基頻以上的兩種情況的控制特性畫在一起，如圖2.2 所示。如果電動機在不同轉速時所帶的負載都能使電流達到額定值，即都能在允許溫升下長期運行，則轉矩基本上隨磁通變化。按照電力拖動原理，在基頻以下，磁通恒定時轉矩也恒定，屬于“恒轉矩調速”性質，而在基頻以上，轉速升高時轉矩降低，基本上屬于“恒功率調速”性質。

從整體結構上來看，電力電子變壓變頻器可以分成直—交、交—直—交和交

—交變頻器三大類型。其中，交—交變頻器由于輸入功率因數低、諧波電流含量大、頻譜復雜等原因，主要應用在大容量、低轉速的調速系統中。交—直—交變頻器在各種調速場合中應用較為廣泛。

2.2 脈寬調制技術

脈寬調制技術（PWM）是變頻調速技術的核心技術之一，在各種應用場合仍占主導地位。由于PWM 可以同時實現變壓變頻的特點，所以在交流傳動乃至其它能量變換系統中得到廣泛應用。現在應用比較成熟的PWM 控制技術大致可以分為正弦波PWM 法（SPWM）、消除指定次數諧波的PWM 法（SHEPWM）、電流滯環跟蹤PWM 法（CHBPWM）和電壓空間矢量（也稱磁鏈追蹤）PWM 法（SVPWM）等四種。下面具體來介紹SPWM 技術和SVPWM 技術的基本原理。2.2.1 正弦波脈寬調制（SPWM）技術

西南石油大學2008 屆碩士學位論文效。SPWM 控制技術有單極性控制和雙極性控制兩種方式。

在圖2.3 所示的單相橋式PWM 逆變電路中，四個全控型電力電子器件

VT1~VT4 的控制信號由PWM 控制器產生。在模擬電子電路中，PWM 控制器采用正弦波發生器、三角波發生器和比較器來實現上述SPWM 控制。在數字控制電路中，PWM 控制器由硬件和軟件實現，通過“自然采樣法”和“規則采樣法” 等采樣方式，控制電力電子器件的通斷時間，就可以方便地實現各種PWM 控制。圖2.3 單相橋式PWM 逆變電路

圖 2.4 為單相橋式PWM 逆變器的雙極性SPWM 波形，其中r u 為調制信號，c u 為載波信號。在調制信號與載波信號的交點處控制電力電子開關的開關狀態，使得負載兩端的電壓uo在±Ud兩種狀態之間變化，通斷時間變化則脈沖寬度也隨之變化，改變調制波的頻率，則負載兩端的電壓PWM 波形的頻率也跟著變化。圖2.4 單相橋式PWM 逆變器的雙極性SPWM 波形

三相橋式電路的SPWM 控制原理和單相電路是一樣的，它主要是從電源角度出發，追求一個頻率和電壓可調、三相對稱的正弦波供電電源，但是在諧波抑制和電源電壓利用率方面都不太理想。

2.2.2 電壓空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術

由于交流電機需要輸入三相正弦電流的最終目的是為了在電動機空間形成圓形旋轉磁場，從而產生恒定的電磁轉矩。如果將逆變器和電動機看成一個整體，按照跟蹤圓形旋轉磁場的方式來控制逆變器的工作，則控制效果會更好。而磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的，所以這種控制方法又叫做電壓空間矢量法，即SVPWM 法[2]。SVPWM 方法有較高的直流電壓利用率以及較少的諧波等優點，下面具體講述SVPWM 的基本原理。

交流電動機繞組的空間位置如圖2.5所示，將電壓定義為空間矢量A0 u、B0 u 和

C0 u。定子電壓空間矢量A0 u、B0 u 和C0 u 的方向始終處于各相繞組的軸線上，而大小則隨時間按正弦規律脈動，時間相位互相錯開的角度也是120°，因此由三相定

子電壓空間矢量相加合成的空間矢量S u（S A0 B0 C0 u = u + u + u）是一個旋轉的空間矢量，它的幅值不變，是每相電壓值的3/2 倍，旋轉的速度為電源角頻率1 ω。1 ω 2 d U 2 d U O' O 圖2.5 電壓空間矢量圖2.6 三相電壓型逆變電路

電機轉速不是很低時，可近似忽略定子電阻壓降，則電壓空間矢量可表示為：)2(1 1 1 1(1)π ω ω ω ωψ ωψ ψ ψ + = = = = j t m j t m j t m S j e e dt d e dt u d（2.3）

式（2.3）中，m ψ 為磁鏈矢量ψ 的幅值，該式表明，當磁鏈幅值一定時，電壓空間矢量的大小與供電電源的頻率成正比，其方向與磁鏈矢量正交。所以，電機旋轉磁場的軌跡問題可以轉化為電壓空間矢量的運動軌跡來求取。

圖2.6 是一個典型的三相電壓型逆變電路。利用該逆變電路的開關狀態的順

序組合以及開關時間的調整，以保證電壓空間矢量圓形運行軌跡為目標，就可以產生諧波較少且直流電源電壓利用較高的輸出。該圖中的VT1~VT6 是6 個功率開關管，a、b、c 分別代表3 個橋臂的開關狀態。規定當上橋臂開關管“開”狀態時（為了保護功率器件，此時下橋臂開關管必然處于“關”狀態）開關狀態為1，當下橋臂開關管“開”狀態時開關狀態為0。三個橋臂只有“1”或“0”兩種狀態，因此a、b、c 形成000、001、010、011、100、101、110、111 共8 種開關模式。CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 西南石油大學2008 屆碩士學位論文其中000和111開關模式使得逆變器輸出電壓為零，故稱這兩種開關模式為零狀態。可以推導出，三相逆變器輸出的相電壓矢量T A B C [U U U ] 與開關狀態矢量 [a b c]T的關系為： ? ? ? ? ?

? ? ? ?

? ???? ? ?

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? ? ? ? ? ? ? ? = ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? c b a U U U U d C B A 1 1 2 1 2 1 2 1 1 3 1（2.4）

式（2.4）中，d U 為直流側電源電壓。

表2.1 列出了8 種開關狀態與電壓及電壓矢量的關系，用表中的八組相電壓矢量相加計算S u，則可以分別求出其電壓矢量S u 的幅值與相位角。表 2.1 開關狀態與電壓及電壓矢量關系對應表 a b c A U B U C U AB U BC U CA U α U β U 矢量符號

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 000 0 1 0 0 d U 3 2d U 3 1 d U 0d U 3 2 0 d Ud U 3 1 d U 3 2d U d U 0d U 3 2 d U 3 d U 3 1d U 3 2 0 180 U 0 0 1d U 3 1 d U 3 2 0d U 6 1d U 3 2 d U 3 1 d Ud U 2 1 300 U 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 111 0 表2.1 中八個矢量就稱為基本電壓空間矢量，依據其相位角的特點依次命名

為000 0、0 U、60 U、120 U、180 U、240 U、300 U 和111 0。其中000 0 和111 0 稱為零矢量。

圖2.7 給出了八個基本電壓空間矢量的大小和位置，六個非零矢量組成一個正六邊形，兩個零矢量坐落在正六邊形的中心。為了討論方便，可以把逆變器的一個

工作周期用六個非零矢量劃分成6 個區域，稱為扇區（Sector），在圖2.7 中用1~6 來表示，每個扇區對應的時間都是π 3。

表2.1 中的線電壓和相電壓都是在圖2.5 中所示的三相ABC 坐標系中所得到的，在DSP中進行程序計算時，為了計算方便，需要將其轉換到Oαβ 兩相直角坐標系中。依據在每個坐標系下電動機的總功率不變的轉換原則，將三相ABC 坐標 CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 基于DSP 的三相異步電動機變頻調速系統研究與設計系中的相電壓轉換到Oαβ 直角坐標系中去，其轉換結果見表2.1中的α U 和β U 項。α β(110)60 U(100)0 U(010)120 U(011)180 U(001)240 U(101)300 U 圖2.7 基本電壓空間矢量圖

由式（2.3）可知電壓空間矢量的方向與磁鏈矢量正交，沿著磁鏈圓的切線方向，如圖2.8 所示，這是希望得到的理想圓形磁場磁鏈矢量和電壓空間矢量。而如果逆變器在一個周期內只輸出圖2.7 中所示八個基本電壓空間矢量時，顯然定子磁鏈矢量S ψ 的矢端的運動軌跡是一個正六邊形，電機定子的旋轉磁場就是一個正六邊形磁場而不是希望的圓形磁場。為了得到圓形磁場，一種方法就是用正多邊形磁場去逼近圓形磁場，顯然正多邊形的邊數越多近似程度就越好。

由于通過增加電力電子器件的數量來增加開關狀態的做法不可取，所以非零

電壓空間矢量的數量還是只有六個。想獲得盡可能多的多邊形旋轉磁場就必須有更多逆變器開關狀態，可以通過非零電壓空間矢量的線性組合來得到更多的開關

狀態。圖2.9 中，1 U 和2 U 代表相鄰的兩個基本電壓空間矢量，S U 是輸出的參考相電壓矢量，其幅值代表相電壓的幅值，其旋轉的角速度1 ω 就是輸出正弦電壓的角頻率。S U 可由1 U 和2 U 的線性組合來表示，它等于1 0 t T 倍1 U 和2 0 t T 倍2 U 的矢

量和，其中1 t 和2 t 分別是1 U 和2 U 矢量作用的時間，0 T 是一個換相周期。S ψ 1 ω S u S u S u S u o 1 u 2 u 600 θ S u 1 0 u T t 2 0 2 u T t cosθ S u sinθ S u 圖2.8 旋轉磁場和電壓空間矢量的運動軌跡圖2.9 電壓空間矢量的線性組合按照這種方式，在下一個0 T 期間，仍然用1 U 和2 U 的線性組合，但是作用時間 CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 西南石油大學2008 屆碩士學位論文 11 改為' 1t 和' 2 t，但是它們必須保證新合成的電壓空間矢量' S U 和原來的電壓空間矢量

S U 的幅值相等。如此下去，在每一個扇區的每一個0 T 期間內，都改變相鄰基本矢量作用的時間，當0 T 取到足夠小時，電壓空間矢量的軌跡就是一個近似圓形的正多邊形，定子磁鏈矢量矢端軌跡也就是一個近似的圓形了。

這樣，就可以用電壓空間矢量脈寬調制技術來控制三相異步電機的運行，采用SVPWM 控制時，逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側電壓，這比一般的 SPWM 逆變器輸出電壓提高了15%[2]。

2.3 矢量控制技術

基于穩態數學模型的異步電機變頻調速系統雖然能夠在一定范圍內實現平滑調速，但是遇到動態性能要求高的場合就不能滿足技術指標了。異步電機是一個多變量（多輸入多輸出）系統，而電壓、電流、頻率、磁通、轉速之間又互相都有影響，所以是強耦合的多變量系統，要簡化其數學模型須從簡化磁鏈關系入手。直流電機的主磁通基本上唯一地由勵磁繞組的勵磁電流決定，這是直流電機的數學模型及其控制系統比較簡單的根本原因。如果能將交流電機的物理模型（見圖2.10）等效地變換成類似直流電機的模式，分析和控制就可以大大簡化。2.3.1 矢量控制原理

任意多相繞組通以多相平衡的電流，都能產生旋轉磁場[1]。交流電機三相對稱的靜止繞組 A、B、C 通以三相平衡的正弦電流時，所產生的合成磁動勢是旋轉磁動勢FS，它在空間呈正弦分布，以同步轉速ω

1（即電流的角頻率）順著 A-B-C 的相序旋轉，如圖2.10 中的a 圖所示。圖2.10 的b 圖中繪出了兩相靜止繞組α 和 β，它們在空間互差90°，通以時間上互差90°的兩相平衡交流電流，也產生旋轉磁動勢FS。當圖a 和圖b 的兩個旋轉磁動勢大小和轉速都相等時，即認為圖b 的兩相繞組與圖a 的三相繞組等效。o A B

C FS a i c i b i 1 ω o FS α β α i β i 1 ω d q O sm i st i a)b)c)FS 1 ω

流電流 ism 和ist，產生合成磁動勢FS，其位置相對于繞組來說是固定的。如果讓包含兩個繞組在內的整個鐵心以同步轉速ω 1 旋轉，則磁動勢FS 自然也隨之旋轉起

來，成為旋轉磁動勢。把這個旋轉磁動勢的大小和轉速也控制成與圖a 和圖b 中的磁動勢一樣，那么這套旋轉的直流繞組也就和前面兩套固定的交流繞組都等效了。當觀察者也站到鐵心上和繞組一起旋轉時，在觀察者看來d 和q 就是兩個通以直流而相互垂直的靜止繞組。如果控制磁通的位置在d 軸上，就和直流電機物理模型沒有本質上的區別了，繞組d 相當于勵磁繞組，繞組q 相當于電樞繞組。矢量控制也叫磁場定向控制，在磁場定向坐標系上，將電流矢量分解成產生

磁通的勵磁電流分量ism 和產生轉矩的轉矩電流分量ist，并使兩分量互相垂直，彼此獨立，然后分別進行調節。這樣，交流電動機的控制，從原理和特性上就與直流電動機相似了，這就是矢量控制的核心思想。2.3.2 坐標變換及變換矩陣

矢量控制的目的是為了改善轉矩控制性能，而最終實現仍然是落實到對定子

電流（交流量）的控制上。由于在定子側的各物理量（電壓、電流、電動勢、磁動勢）都是交流量，其空間矢量在空間上以同步轉速旋轉，調節、控制和計算均不方便。因此，需借助于坐標變換，使各物理量從靜止坐標系轉換到同步旋轉坐標系，站在同步旋轉的坐標系上觀察，電動機上的各空間矢量都變成了靜止矢量，在同步旋轉坐標系上空間矢量就都變成了直流量。可以根據轉矩公式，找到轉矩和被控矢量的各分量之間的關系，實時地計算出轉矩控制所需的被控矢量的各分量值（直流給定量）。按這些給定量實時控制，就能達到直流電動機的控制性能。由于這些直流給定量在物理上是不存在的、虛構的，因此，還必須再經過坐

標的逆變換過程，從旋轉坐標系回到靜止坐標系，把上述直流給定量變換成實際的交流給定量，在三相定子坐標系上對交流量進行控制，使其實際值等于給定值。矢量控制中所用的坐標系有兩種，一種是靜止坐標系，一種是旋轉坐標系。下面具體來講述矢量控制中的坐標變換。（1）Clarke（3/2）變換

Clarke 變換是三相靜止繞組A、B、C 和兩相靜止繞組α、β 之間的變換，或稱三相靜止坐標系ABC 和兩相靜止坐標系oαβ 之間的變換，簡稱 3/2 變換。設三相繞組軸線設定如圖2.11 示，A 相繞組軸線與α 相繞組軸線重合，都是

靜止坐標系。它們分別對應的交流電流為a i、b i、c i 和α i、β i。采用磁動勢分布和

? ?

? ? ? ? ?

? ? ? ? ? ? ? ? ? = ?? ? ?? ? C B A β 2 3 2

0 3 2 1 2 1 1 3 2 i i i i iα（2.5）

其逆變換(Clarke-1，也稱2/3變換)公式為： ?? ? ??

? ? ? ? ? ? ?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? = ?

? ? ? ? ?

? ? ? ? ? β α i i i i i C B A 2 3 2 2 3 2 1 1 0 3 2（2.6）

（2）Park（2s/2r）變換

由兩相靜止坐標系到兩相旋轉坐標系的變換稱為Park 變換。oαβ 為靜止坐標系，odq 為以任意角速度1 ω 旋轉的旋轉坐標系。oαβ 靜止坐標系變換為odq 旋轉坐

標系時，坐標軸的設定如圖2.12 所示，圖中? 為α 軸與d 軸之間的夾角。d、q 繞組在空間垂直放置，且分別加上直流id 和iq，并讓odq 坐標以同步轉速1 ω 旋轉，則其產生的磁動勢與oαβ 坐標系下的磁動勢等效。d 軸和α 軸的夾角? 是一個變量，隨負載、轉速等變化而變化，在不同的時刻有不同的值。600 600 α β α i a i β i c i b i ? 1 ω α β α i β i d i q i ? cos? d i sin? d i

sin? q i cos? q i

圖2.11 三相靜止繞組圖2.12 兩相靜止繞組

與兩相靜止繞組的坐標關系和兩相旋轉繞組的坐標關系 Park 變換可以寫成矩陣形式，其公式如下： ?? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?

= ?? ? ?? ? β α q d sin cos cos sin i i i i ? ? ? ?

（2.7）

Park逆變換（Park-1，也稱2r/2s 變換）的公式如下： ?? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?

= ?? ?

?? ? β q α sin cos cos sin i i i i d ? ? ? ?（2.8）

電壓和磁鏈的Clarke 和Park 變換矩陣也和電流（磁動勢）的旋轉變換矩陣一樣。經過坐標變換后，三相異步電動機的數學模型就可以大大簡化，為實現電動機的精確矢量控制提供了條件。

通過上一章對三相異步電動機矢量控制調速原理的分析，可以建立一個完整的矢量控制變頻調速系統。矢量控制系統的原理框圖如圖3.1 所示，圖中為一個帶轉矩內環的轉速、磁鏈閉環矢量控制系統。ASR ATR AΨR 2r/2s park ?1 * st i * sβ i 2/3 * sA i * sm i clarke?1 M FBS * sα i *

sB i * sC i ω ω* ω +T-PI PI 三相逆變橋

M，T M，T a,b,c VDC smref i stref i smref v stref v s ref v α s ref v β st i sm i sα i sβ i cm θ a i b i ref n

park α ,β α ,β

n n 圖5.1 DSP 實現異步電機矢量控制結構框圖

在圖 5.1 中，通過電流傳感器測量IPM 輸出的定子電流a i 和b i，經過DSP 的

A/D轉換器轉換后變成數字量，并利用()c a b i = ? i + i 計算出c i。經過Clarke 變換和 Park 變換后，三相電流a i、b i 和c i 變成兩相同步旋轉坐標系中的直流分量sm i 和st i，sm i 和st i 作為電流環的負反饋量。通過2048 線的增量式旋轉編碼器測量電動機的機械轉角位移并將其轉換成電動機轉速n。利用轉子磁鏈位置計算模塊算出轉子磁鏈位置，用于參與Park 變換和Park 逆變換的計算。給定轉速ref n 與轉速反饋量n 的偏差經過速度PI 調節器，其輸出作為用于轉矩控制的電流T 軸參考分量stref i。stref i 和smref i 與其反饋量st i 和sm i 的偏差經過電流PI 調節器后，分別輸出OMT 坐標系下的相電壓分量stref v 和smref v，stref v 和smref v 再通過Park逆變換轉換成oαβ 坐標系下的

定子相電壓矢量分量s ref v α 和s ref v β。當定子相電壓矢量分量s ref v α、s ref v β 和其所在的

PWM 信號去控制逆變器的運行。

圖5.2 矢量控制變頻調速系統主程序流程圖

本設計中，主程序模塊主要包括系統初始化和 DSP 與PC 機通信兩部分。其中初始化部分包括系統配置初始化、中斷初始化、各個矢量控制算法模塊的初始化、各個控制寄存器置初值、運算過程中使用的各個變量分配地址和設置相應的初值等。主程序完成的工作相對較少，其程序流程圖如圖5.2 所示，當開啟定時

器中斷后，主程序就負責循環讀取PC 機傳送過來的轉速（或頻率）和磁通給定量，在循環的過程中等待中斷。當系統出現故障時，程序禁止PWM 口輸出SVPWM 波，同時將故障情況通過串口傳送給PC 機顯示出來。

TMS320LF2407A DSP 除了可以通過硬件中斷源來引發中斷，還可以通過軟件來實現中斷。中斷可分為不可屏蔽中斷和可屏蔽中斷，對于不可屏蔽中斷，一旦有中斷請求，CPU 立即響應。中斷子程序的多數中斷都是可屏蔽中斷[2]。TMS320LF2407A DSP 的可屏蔽中斷結構比較復雜，它采用CPU 中斷和外設 CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 西南石油大學2008 屆碩士學位論文

中斷兩級中斷結構。它有6 個CPU 中斷源（INT1~INT6），這些CPU 中斷源作為頂層中斷，還有38 個外設中斷源，它們作為底層中斷。實際上外設中斷才是真正的中斷源，它們必須通過頂層中斷向CPU 發出中斷申請，即通過6 個CPU 中斷來擴展38 個外設中斷，幾個外設中斷共用一個CPU 中斷作為中斷入口。當這幾個外設中的某幾個中斷源同時產生中斷申請時，它們中優先級最高的獲得CPU 中斷的響應，硬件自動地轉向這個CPU 中斷入口地址（中斷向量地址），同時將這個

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第二篇：關于三相異步電動機調速與制動問題的研究

第三篇：三相異步電動機變頻調速的特點

第四篇：異步電動機調速論文

第五篇：基于DSP的三相異步電動機變頻調速系統研究與設計

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