基于稳态模型的恒压频比控制的交流调速系统的仿真与设计.docx

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1、信息与电气工程学院课程设计报告题目：基于稳态模型的恒压频比控制的交流调速系统的仿真与设计专业：电气工程及其自动化班级：姓名，Z学号：二指导教师：Z2023年6月26日信息与电气工程学院课程设计任务书2023-2023学年第2学期专业：电气工程及其自动化班级:学号：姓名:课程设计名称：运动控制系统课程设计设计题目：设于稳态模型的恒压频比控制的交流调速系统的仿速与设计完成期限：自2023年6月15日至2023年6月26日共2周设计依据、要求及主要内容：交流电动机控制系统设计参数（选择设计任务中第一组设计参数）1）交流电动机参数：额定输出电压7.5KW定子绕组每相电阻0.5C转子形式：鼠笼式额定功率

2、因素：0.75定了绕组额定线电压38OV定子绕组接线形式Y转子每相折算电阻：3Q电机机电时间常数:2S定子绕组额定相电流12A转子额定转速980rmp转自折算后额定电流30A电枢允许过载系数1.5（2）环境条件：电网额定电压:38O/22OV;电网电压波动10%;环境温度M0+40摄氏度；环境相对湿度:1090%.（3）控制系统性能指标：调速范围：D=20:电流超调量小于等于5%;空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%;稳速精度：0.03.（基于稳态模型的系统稳速精度为0.1）指导教师（签字）：批准日期：2023年6月26日摘要：转速开环恒压频比控制是交流电动机变频调速最根本的控制方式

3、，是通用变频器的根本模式。作为一种常用的变频调速方法，恒压频比控制（简称U/F控制）在改变输出频率和电压的同时保持磁通不变，实现电机在较大范围内的平滑调速运行。该方法能够满足大多数场合交流电动机调速控制的要求，并且使用方便，从而得到广泛的应用。本文通过介绍恒压频比变频调速的原理，应用MATLAB仿真软件,应用SPWM控制技术实现了异步电动机变频调速系统的仿真,并且详细分析了其仿真结果。并根据仿真要求，设计出以C2000系列DSP为核心、IPM智能功率模块为主要功率器件的实际控制系统。该系统可以通过基于LabVIEW的上位机监控系统进行实时监控。关键字：变频调速，恒压频比，异步电机，MATLAB

4、仿真，DSP,IPM智能功率模块，上位机监控，SPWM目录课程设计任务书摘要目录第一章、概论11.1 变频调速技术的开展11.2 变频调速系统的方案21.3 本文研究内容31.4 设计目的3第二章、恒压频比交流调速原理42.1 原理概述42.2 正弦脉宽调制（SPWM）控制理论4第三章、MATLAB仿真局部63.1 电动机参数计算63.2 逆变器传递函数83.3 恒压频比变频调速系统模型93.4 系统仿真波形103.5 仿真分析12第四章、硬件设计134.1 变频调速系统的整体设计134.2 主电路设计144.3 系统保护电路设计194.4 控制电路的设计20第五章、变频调速系统的软件设计22

5、DSP生成SPWM波形22系统程序设计25第六章、总结26参考文献27附录28第一章、概论1.1、 变频调速技术的开展交流变频调速技术相对于变压调速等其它方法有着明显的优点:调速时平滑性好，效率高;调速范围较大，精度高;起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显;变频器体积小，便于安装、调试、维修简便;易于实现过程自动化等优异特性，在实际中得到了广泛的应用。20世纪是电力电子变频技术由诞生到开展的一个全盛时期。最初的交流变频调速理论诞生于20世纪20年代，直到60年代，由于电力电子器件的开展，才促进了变频调速技术向实用方向的开展。70年代，席卷工业兴旺国家的石油危机，促使他们投入大量的人力、

6、物力、财力去研究高效率的变频器，使变频调速技术有了很大的开展并得到推广应用。80年代，变频调速己产品化，性能也不断提高，充分发挥了交流调速的优越性，广泛的应用于工业各部门，并且局部取代了直流调速。进入90年代，由于新型电力电子器件的开展及性能的提高、计算机技术的开展以及先进控制理论和技术的完善和开展等原因，极大地提高了变频调速的技术性能,促进了变频调速技术的开展，使变频调速装置在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率及使用的方便性等方面大大超过了其他常规交流调速方式，其性能指标亦己超过了直流调速系统，到达取代直流调速系统的地步。目前，交流变频调速技术以其卓越的调速

7、性能、显著的节电效果以及在国民经济各领域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的交流调速方式，代表了电气传动开展的主流方向。变频调速技术为节能降耗、改善控制性能、提高产品的产量和质量提供了至关重要的手段。变频调速理论己形成较为完整的科学体系，成为一门相对独立的学科。变频装置按变换环节分有交一直一交系统和交一交系统两大类，交一直一交系统又分为电压型和电流型，其中，电压型变频器在工业中应用最为广泛;按电压的调制方式分为脉幅调制PAM(PUISeAltitudeModulation)和脉宽调制PWM(PUIseWidthModulation)两大类，前者己几近绝迹,目前普遍采用的是后者。1.2、 变

8、频调速系统的方案目前典型的变频调速控制类型主要有四种:恒压频比(V均控制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制。下面分别对这四种调速控制类型进行介绍。早期的变频系统都是采用开环恒压比的控制方式，U/f控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电动机，所以通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式，普遍应用在风机、泵类的调速系统中。但是由于这种控制方法是开环控制，调速精度不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降、稳定性变差。异步电动机转差频率控制是一种转速闭环控制。利用异步电动机的转矩与转差频率成正比的关系来控制电机的转矩，就可以

9、到达与直流恒磁通调速系统相似的性能。它的优点在于频率控制环节的输入频率信号是由转差信号和实测转速信号相加后得到的，在转速变化过程中，实际频率随着实际转速同步上升或下降，因此加、减速更平滑，容易稳定。其缺点是由于转差频率控制规律是从异步电动机稳态等效电路和稳态转矩公式推得的，所以存在动态时磁通的变化不能得到控制、电流相位没有得到控制等差距，使其不能到达与直流恒磁通调速系统同样的性能。本世纪70年代西德F.Blaschke等人首先提出矢量控制(FOC)理论，由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河1习。矢量控制也称为磁场定向控制，它着眼于电机磁场的直接控制。其主要思想是将异步电动机模拟成直流电

10、动机，通过坐标变换的方法分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，实现正交或解祸控制，从而获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。因为这种方法采用了坐标变换，所以对控制器的运算速度、处理能力等性能要求较高。但在实际上矢量控制运算及转子磁链估计中要使用电动机参数，其控制的精确性受到参数变化的影响，所以精确的矢量控制系统要对电动机的参数进行估计。这种控制方式需要解祸计算和坐标旋转变换，计算量较大，实现起来困难。在矢量控制系统中，给定量要从直流变为交流，而反应量要从交流变为直流再加上转子磁链模型、转子参数的辨识与校正等;因此电机的速度辨识及磁链观测器的实现是矢量控制系统实现的关键所在。1985年德国

11、鲁尔大学DePenbroCk教授首先提出直接转矩控制理论(DTC)o直接转矩控制与矢量控制不同，DTC摒弃了解祸的思想，取消了旋转坐标变换，简单的通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比拟所得的差值，实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制技术是用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助离散的两点式调节器产生脉宽调制(PWM)信号，直接对逆变器的开关状态进行最正确控制，以获得转矩的高动态性能。这种方法的优点在于:直接在定子坐标系上分析交流电动机的数学模型、控制电动机的转矩和磁链，省掉了矢量旋转变换等复杂的

12、变换和计算。大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。但是由于直接转矩控制系统是直接进行转矩的砰一砰控制，避开了旋转坐标变换，控制定子磁链而不是转子磁链，不可防止地产生转矩脉动，降低调速性能，因此只能用在对调速要求不高的场合。同时，直接转矩系统的控制也较复杂，造价较高。1.3、 本论文的研究内容本文在掌握交流电机变频调速根本原理的根底上，对该转速开环恒压频比的交流调速系统进行基于MATLAB的仿真，采用电机控制专用DSP芯片TMS320F2812,运用恒压频比调速的根本原理，提出了交流电机变频调速系统的总体设计方案。1.4、 设计目的A应用所学的交、直流调速系统的根本知识与工程设

13、计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。A应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。A在原理设计与仿真研究的根底上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的根底。第二章、恒压频比交流调速原理2.1、 原理概述变频调速系统一般要求在变频时保持电机气隙磁通中,不变，这样可在允许的电流下获得最大的转矩，使电机具有良好的调速性能。交流电机每相定子感应电动势为式中，C是由电动机结构决定的常数。从式中可见，在改变频率工时要保持气隙磁通中.不变，就

14、需要同时改变E,使E,随工变化并保持反/为固定的常数Ce-因为E,不能直接检测和控制，在忽略定子绕组电阻时E,近似等于电动机端电压U,。而和/,都可以方便地通过变频器控制，因此仅要求稳态时转速的调节，异步电动机变频调速系统常采用UJf,=常数的控制，也称为VVVF控制或恒压频比控制。图2.1恒压频比变频调速系统原理图恒压频比变频调速系统的根本原理结构如图1所示，系统由升降速时间设定Gl,U/f曲线，SPwM调制和驱动等环节组成。2.2、 正弦脉宽调制(SPwM)控制理论我们期望变频器输出的电压波形是纯粹的正弦波形，但就目前的技术，还不能制造功率大、体积小、输出波形如同正弦波发生器那样标准的可变

15、频变压的逆变器。目前很容易实现的一种方法是：逆变器的输出波形是一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，这些波形与正弦波等效，等效的原那么是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合。这样，有n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效，称为SPWM波形。SPWM波形如图2.1所示：产生正弦脉宽调制波SPWM的原理是：用一组等腰三角形波与一个正弦波进行比拟，如图2.2所示，其相交的时刻(即交点)作为开关管开或关的时刻。正弦波大于三角波时，使相应的开关器件导通；当正弦波小于三角载波时，使相应的开关器件截止。图2.2与正弦波等效的等幅脉冲序列波图2.3SPWM控制的根本原理图第三章、MATLAB仿真局部3.1、 电动机参数计算额定转差率：临界转差率：额定相电压U,与额定转子折算相电流忆之间相位差角2e正切为额定理想空载电流的标幺值乙为:定子与转子的电压变比/为：修正系数G为：C1G 30KeE2e 1.3310 260= 1.098电动机的短路漏抗Xd,为:定子的每项电阻为：折算到定子侧的转子每相电组用为：定子每相漏抗X和折算到定子侧的转