摘 要

工业和农业的生产都离不开交流异步电动机，电动机的转速性能决定了生产效率，所以对电动机调速技术的研究是有必要的。变频调速因在工作效率、调速精度、输出性能、频率范围、低频转矩、动态响应、功率因数等方面优点突出，已经成为了交流异步电动机的主流调速方法。

本文针对鼠笼式异步电动机的变频调速进行了研究，为了提高静、动态性能，实现稳定无静差调速，设计了一个基于DSP的异步电动机转速闭环SPWM变频调速系统。本文分析了国内外交流电机调速的现状，异步电动机变频调速的原理和基频以上、下的控制方法以及各控制方式下异步电动机的机械特性，转差控制转速闭环调速系统原理，TMS320LF2407A DSP技术的工作原理，IPM的结构及特点和SPWM控制技术的原理。基于以上内容的研究，设计了可以提高风机、水泵等电动机静、动态性能的电路简单，控制灵活的变频调速系统。完成了包括整流、滤波、逆变在内的主电路，包括DSP电源、时钟、IPM驱动和转速测量的控制电路，和包括IPM故障、泵升电压的保护电路的硬件设计。在软件方面完成了DSP生成SPWM的程序流程设计、转速检测的程序流程设计和转速调节器的程序流程设计。还对该系统进行了MATLAB软件仿真，并对结果进行了分析研究，证明了该设计的可行性。

关键词：交流异步电动机；变频调速；DSP；SPWM；仿真

Abstract

The production of industrial and agricultural can not be separated from the AC synchronous motor, and the speed performance of motor determines the production efficiency, so the research of control technology in the motor’s speed is necessary. Variable-frequency speed regulation has become the mainstream control method of AC asynchronous motor’s speed because of its outstanding advantages in terms of the efficiency, control precision, output performance, range of frequency, torque of low frequency, dynamic response, power factor, etc.

In this thesis, the variable frequency speed regulation of squirrel cage asynchronous motor is studied, in order to improve static performance and dynamic performance, to achieve stable speed regulation without static error, I design a speed closed-loop SPWM VVVF System of asynchronous motor based on DSP. This thesis analyzes the present situation of AC motor’s speed control in the country and a foreign, the theory of asynchronous motor variable frequency speed regulation, the control method above and below the base frequency and the mechanical characteristics of asynchronous motor at each control, the theory of speed closed-loop speed regulation system controlled by slip, the working principle of TMS320LF2407A DSP technology, the structure and characteristics of IPM and the theory of SPWM control technology. Based on the research above, I design a VVVF System with sample electric circuit and flexible control which can improve the static performance and dynamic performance of the fan and water pump. The thesis completes the main circuit including Rectifier, Filter and Inverter, the control circuit including the DSP power, clock, IPM drive and speed measurement, and the hardware design including the IPM fault, pump voltage protection circuit. In the software, completes the program flow design of SPWM generated by DSP, speed detection and speed controller. It also completes the simulation of this system by MATLAB software, analyzes the results and proves the feasibility of the design.

Key Words: AC asynchronous motor;variable frequency speed regulation;SPWM;

DSP;simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 选题的背景和意义 1

1.2 国内外交流电机调速概况 1

1.2.1 国外交流调速现状 1

1.2.2 国内交流调速现状 1

1.3 论文研究的内容 2

第2章 异步电动机变频调速系统的设计 3

2.1 变频调速系统总体结构的设计 3

2.2 变频调速基本控制方法的比较 4

2.2.1 控制方法的比较 4

2.2.2 不同控制方式下机械特性的比较 5

2.3 转速开环变频调速控制方案的确定 7

2.4 转速闭环变频调速系统的设计 7

第3章 异步电动机变频调速系统的硬件设计 10

3.1 主电路的设计 10

3.1.1 整流电路的设计 11

3.1.2 滤波电路的设计 12

3.1.3 逆变电路的设计 12

3.2 控制电路的设计 14

3.2.1 DSP控制芯片的选择 14

3.2.2 驱动电路的设计 17

3.2.3 SPWM控制技术的实现 19

3.2.4 速度检测电路的设计 20

3.3 保护电路的设计 21

3.3.1 IPM故障保护电路 21

3.3.2 泵升保护电路 22

第4章 异步电动机变频调速系统的软件设计 24

4.1 DSP生产SPWM的程序设计 25

4.2 转速检测的程序设计 26

4.3 转速调节器的程序设计 27

第5章 异步电动机变频调速系统的MATLAB仿真 30

5.1 MATLAB/Simulink仿真平台简介 30

5.2 异步电动机变频调速系统的建模 30

5.2.1 系统基本模块的仿真模型设计 31

5.2.2 SPWM的仿真模型设计 31

5.2.3 调节器的仿真模型设计 31

5.3 转速闭环变频调速系统仿真结果与分析 32

第6章 总结 34

参考文献 35

致 谢 36

第1章 绪论

1.1 选题的背景和意义

工业和农业的生产都离不开电机，基于直流电动机良好的性能，在很长一段时间内生产上主要使用的都是直流电机。随着现代科技不断的进步，生产的要求越来越高，早先的直流电机已经无法满足性能要求。异步电动机调速系统中新型设备的出现和控制方法的改良使得其性能水平不断提高，最终使异步电动机取代了直流电机。

电机转速的性能在劳动生产率，节能环保以及产品质量等方面有显著的影响。从20世纪30年代以来，交流调速技术逐步成为人们研究的热点，变频调速在工作效率、调速精度、输出性能、频率范围、低频转矩、动态响应、功率因数等方面优点突出，被广泛地用于电力、制造、运输等国民经济领域^[1]。因此，本论文通过对变频调速的研究，进行交流异步电动机变频调速系统的设计与仿真，有着实际的意义和一定的应用价值。

1.2 国内外交流电机调速概况