基于DSP的异步电动机SVPWM系统研究
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摘要
在国民经经济建设和国防科技事业的进程当中，电气传动的应用极为重要。为满足运行、生产、工艺上的性能要求和能明显节约电能的需要，许多生产机械都需要进行调速。20世纪80年代以前，要求调速的设备多用直流电动机调速，但由于直流电动机结构复杂，制造费时以及需要经常性维护等缺点，使得人们一直努力寻找能替代直流电动机调速的交流电动机调速。随着电力电子技术、PWM调制技术、计算机控制技术、交流电动机的控制技术的发展，交流调速系统由于其坚固耐用、运行可靠等众多优点，正在逐步取代以前直流调速系统，在传动领域占据主导地位。
本文在介绍了交流调速系统的种种主流技术后，较为详细地讨论了电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术，并对恒压频比且为同步调制时的SVPWM矢量的选择，进行了细致地推导。在分析了常用的SVPWM技术方案基础上，提出了一种在低频时转矩脉动更小的空间矢量PWM技术，并对比SVPWM调制分析了其优缺点，结论得到了仿真研究的证实。本文给出了电压型PWM变换器和电动机的仿真组态模型，详细讨论了如何用MATLAB中的SIMULINK进行仿真的具体步骤及注意要项。
本研究设计了采用DSP芯片TMS320F243和智能功率模块IPM的功率硬件平台，编程实现了整个调制过程实验，实测了电机侧电压、电流波形。仿真与实验结果，为应用TMS320F243 DSP实现SVPWM变频调速的产品化提供了经验和借鉴。
Electric drives are very important application in the economy, national defense science and technology. Lots of production mechanics need regulate speed for the need of running, producing, transporting and saving energy. Before the eighties of the twentieth century, many devices mostly use DC motor speed regulation system. But because of DC motor's complicated structure, manufacture consuming time, constant maintenance and so on, people try to replace the DC motor speed regulation with AC motor speed regulation .By the development of power electronics, PWM technology, computer control and AC motor control, AC speed regulation system is replacing AC speed regulation system by its many faults such as solidity, safety and so on.
After introduce the main technologies of AC regulation speed, the paper deduces in details the voltage space vector pulse width modulation (SVPWM) technology and SVPWM's vector selection of constant ratio of voltage and frequency. Following the analysis of the ordinary SVPWM technology project, the paper presents a new space vector PWM with smaller torque purple running low frequency. The simulation proves the conclusion, after faults and defaults are analyzed in contrast of traditional SVPWM. The paper shows the simulation configuration model of voltage PWM inverter and motor and discusses the simulation steps and items with MATLAB/SIMULINK.
The power hardware system is based on DSP TMS320F243 and intelligent power module (IPM), and the DSP software is programmed to realize the modulation. The voltage and current of motor side are measured in the experiment. Experience and reference are provided in applying the TMS320F243 in SVPWM variable frequency speed regulation.
本文在介绍了交流调速系统的种种主流技术后，较为详细地讨论了电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术，并对恒压频比且为同步调制时的SVPWM矢量的选择，进行了细致地推导。在分析了常用的SVPWM技术方案基础上，提出了一种在低频时转矩脉动更小的空间矢量PWM技术，并对比SVPWM调制分析了其优缺点，结论得到了仿真研究的证实。本文给出了电压型PWM变换器和电动机的仿真组态模型，详细讨论了如何用MATLAB中的SIMULINK进行仿真的具体步骤及注意要项。
本研究设计了采用DSP芯片TMS320F243和智能功率模块IPM的功率硬件平台，编程实现了整个调制过程实验，实测了电机侧电压、电流波形。仿真与实验结果，为应用TMS320F243 DSP实现SVPWM变频调速的产品化提供了经验和借鉴。
Electric drives are very important application in the economy, national defense science and technology. Lots of production mechanics need regulate speed for the need of running, producing, transporting and saving energy. Before the eighties of the twentieth century, many devices mostly use DC motor speed regulation system. But because of DC motor's complicated structure, manufacture consuming time, constant maintenance and so on, people try to replace the DC motor speed regulation with AC motor speed regulation .By the development of power electronics, PWM technology, computer control and AC motor control, AC speed regulation system is replacing AC speed regulation system by its many faults such as solidity, safety and so on.
After introduce the main technologies of AC regulation speed, the paper deduces in details the voltage space vector pulse width modulation (SVPWM) technology and SVPWM's vector selection of constant ratio of voltage and frequency. Following the analysis of the ordinary SVPWM technology project, the paper presents a new space vector PWM with smaller torque purple running low frequency. The simulation proves the conclusion, after faults and defaults are analyzed in contrast of traditional SVPWM. The paper shows the simulation configuration model of voltage PWM inverter and motor and discusses the simulation steps and items with MATLAB/SIMULINK.
The power hardware system is based on DSP TMS320F243 and intelligent power module (IPM), and the DSP software is programmed to realize the modulation. The voltage and current of motor side are measured in the experiment. Experience and reference are provided in applying the TMS320F243 in SVPWM variable frequency speed regulation.
引文
1 陈伯时主编 电力拖动自动控制系统 机械工业出版社 1992
2 冯垛生等主编 电力拖动自动控制系统 广东高等教育出版社出版发行 1998
3 陈坚主编 交流电动机的数学模型及调速系统 国防工业出版社 1989
4 许大中主编 交流电动机调速理论 浙江大学出版社 1991
5 吴守箴主编 电气传动的脉宽调制控制技术 机械工业出版社 1996
6 李夙主编 异步电动机直接转矩控制 机械工业出版社 1996
7 薛峰 异步电机无速度传感器直接转矩控制系统的研究 华南理工大学硕士论文 1996
8 TMS320C24XDSP控制器参考手册 武汉力源电子股份有限公司 2001．5
9 葛燕燕 基于DSP的SVPWM变频控制技术 变频器世界 1999．7
10 王潞钢、陈林康 基于新型空间矢量选择模式的PWM逆变器 中小型电动机 2001．6
11 王潞钢、陈林康 基于MATLAB的电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)逆变器的仿真 电动机电器技术 2001．4
12 王沣浩等 变频空调器控制系统的技术现状与发展趋势 制冷学报 2002．2
13 周子成 日本房间空调器的新技术 制冷 1998．4
14 冯江华等 用8098单片机实现电压空间矢量脉宽调制 机车电传动 1995．4
15 张晓华等 电压空间矢量PWM你变器—异步电机仿真模型的分析 电器传动自动化 2001．10
16 张桂斌等 不对称电压空间矢量PWM的研究与仿真 电工技术学报 2001．6
17 冯江华 多模式电压空间矢量脉宽调制的理论分析及微机实现 1996．7
18 李刚等 基于DSP的SVPWM波实时生成方法 现代电子技术 2001．7
19 崔军国等 IGBT三点式逆变器电压空间矢量控制方法 同济大学学报 2001．2
20 韩英桃等 混合型电压空间矢量PWM变频调速器 微电机 1996．2
21 朱典旭等 电压空间矢量控制的大容量变频调速装置研究 电工技术学报 1996．6
22 谢运祥等 无速度传感器感应电动机直接转矩控制系统的研究 电工技术学报 1997．12(1)
23 唐中琦等 直接转矩控制技术发展综述 微电动机 1998．1
24 姬志艳等 电工技术学报 无速度传感器异步电动机直接转矩控制系统的研究 1997Vol．12 No．4
25 潘峰等 异步电动机的直接转矩控制及其数字仿真 太原重型机械学院学报 1999Vol．20 No．3
26 Thomas G Direct Torque Control of Induction Machines Using Space Vector Modkulation IEEE Trans on IA 1992 vol28(5)
27 Depenbrock M.Direct self-control(DSC)of inverter fed induction machine IEEE-P.E.Specialists Conf(PESC)1987 p632-641
28 Takahashi I.A new quick response and high efficiency control strategy of an induction motor IEEE Trans I.A.1986 vol22(5)
29 Takahashi I.High-performance Direct Torque Control of an Induction Motor IEEE Trans on IA 1989 vol25(2)
30 Uwe Baader Direct Self Control(DSC)of invert-fed induction machine:A Basis for Speed Control without Speed Measurement IEEE Trans on IA 1992,vol28(3)
31 Yoshihiro Murai New PWM Method for Fully Digitized Inverters IEEE Trans on IA 1987 vol23(5)
32 Yoshihiro Murai High-Frequency Split Zero-Vevtor PWM with Harmonic Reduction for Induction Motor Drive IEEE Trans on IA 1992 vol28(1)
33 Thomas G Control Strategies for Direct Torque Control Using Discrete Pulse Modulation IEEE Trans on IA 1991 vol27(5)
34 Jong-Woo Choi A New Compensatin Strategy Reducing Voltage/Current Distortion in PWM VSI systems Operating with Low Output Votages IEEE Trans on IA 1993 vol31(5)
35 曾岳南 无速度传感器矢量控制异步电动机调速的研究与实践 上海大学博士学位论文 1998
36 张志涌等 掌握和精通MATLAB 北京航空航天大学出版社 1997
37 ABB ACS600标准传动变频器技术样本 1999．7
2 冯垛生等主编 电力拖动自动控制系统 广东高等教育出版社出版发行 1998
3 陈坚主编 交流电动机的数学模型及调速系统 国防工业出版社 1989
4 许大中主编 交流电动机调速理论 浙江大学出版社 1991
5 吴守箴主编 电气传动的脉宽调制控制技术 机械工业出版社 1996
6 李夙主编 异步电动机直接转矩控制 机械工业出版社 1996
7 薛峰 异步电机无速度传感器直接转矩控制系统的研究 华南理工大学硕士论文 1996
8 TMS320C24XDSP控制器参考手册 武汉力源电子股份有限公司 2001．5
9 葛燕燕 基于DSP的SVPWM变频控制技术 变频器世界 1999．7
10 王潞钢、陈林康 基于新型空间矢量选择模式的PWM逆变器 中小型电动机 2001．6
11 王潞钢、陈林康 基于MATLAB的电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)逆变器的仿真 电动机电器技术 2001．4
12 王沣浩等 变频空调器控制系统的技术现状与发展趋势 制冷学报 2002．2
13 周子成 日本房间空调器的新技术 制冷 1998．4
14 冯江华等 用8098单片机实现电压空间矢量脉宽调制 机车电传动 1995．4
15 张晓华等 电压空间矢量PWM你变器—异步电机仿真模型的分析 电器传动自动化 2001．10
16 张桂斌等 不对称电压空间矢量PWM的研究与仿真 电工技术学报 2001．6
17 冯江华 多模式电压空间矢量脉宽调制的理论分析及微机实现 1996．7
18 李刚等 基于DSP的SVPWM波实时生成方法 现代电子技术 2001．7
19 崔军国等 IGBT三点式逆变器电压空间矢量控制方法 同济大学学报 2001．2
20 韩英桃等 混合型电压空间矢量PWM变频调速器 微电机 1996．2
21 朱典旭等 电压空间矢量控制的大容量变频调速装置研究 电工技术学报 1996．6
22 谢运祥等 无速度传感器感应电动机直接转矩控制系统的研究 电工技术学报 1997．12(1)
23 唐中琦等 直接转矩控制技术发展综述 微电动机 1998．1
24 姬志艳等 电工技术学报 无速度传感器异步电动机直接转矩控制系统的研究 1997Vol．12 No．4
25 潘峰等 异步电动机的直接转矩控制及其数字仿真 太原重型机械学院学报 1999Vol．20 No．3
26 Thomas G Direct Torque Control of Induction Machines Using Space Vector Modkulation IEEE Trans on IA 1992 vol28(5)
27 Depenbrock M.Direct self-control(DSC)of inverter fed induction machine IEEE-P.E.Specialists Conf(PESC)1987 p632-641
28 Takahashi I.A new quick response and high efficiency control strategy of an induction motor IEEE Trans I.A.1986 vol22(5)
29 Takahashi I.High-performance Direct Torque Control of an Induction Motor IEEE Trans on IA 1989 vol25(2)
30 Uwe Baader Direct Self Control(DSC)of invert-fed induction machine:A Basis for Speed Control without Speed Measurement IEEE Trans on IA 1992,vol28(3)
31 Yoshihiro Murai New PWM Method for Fully Digitized Inverters IEEE Trans on IA 1987 vol23(5)
32 Yoshihiro Murai High-Frequency Split Zero-Vevtor PWM with Harmonic Reduction for Induction Motor Drive IEEE Trans on IA 1992 vol28(1)
33 Thomas G Control Strategies for Direct Torque Control Using Discrete Pulse Modulation IEEE Trans on IA 1991 vol27(5)
34 Jong-Woo Choi A New Compensatin Strategy Reducing Voltage/Current Distortion in PWM VSI systems Operating with Low Output Votages IEEE Trans on IA 1993 vol31(5)
35 曾岳南 无速度传感器矢量控制异步电动机调速的研究与实践 上海大学博士学位论文 1998
36 张志涌等 掌握和精通MATLAB 北京航空航天大学出版社 1997
37 ABB ACS600标准传动变频器技术样本 1999．7