基于DSP的电机变频调速装置的研究_开题报告

（一）国内外现状

我国在变频调速技术上尚处于初级阶段，目前国内变频调速技术产业中变频器的控制策略基础研究与国外差距不大，但是变频器的整体技术落后。国内虽有很多单位对该产业进行了投入，但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模。另外变频器产品所用的半导体功率器件的制造业几乎是空白，相关配套产业及行业落后，可靠性及工艺水平不高。

国外发达国家在高性能大容量交流电机传动技术的研究和应用上远远走在我们前面，交流变频调速技术已被他们广泛应用，例如船舰电力推进、电力机车、轧钢、供水及造纸等领域。目前，直流传动装置在国外先进的工业国家的使用率基本呈下降趋势，而交流变频调速装置的生产大幅度上升。以日本为例，1975年在调速领域，直流调速占 80%，交流调速占 20%；1985年交流调速占80%，直流调速占20%。到目前为止，日本除了个别的地方还继续采用直流电机驱动外，几乎所有的调速系统都采用交流变频装置。

调速技术涉及到电力、电子、控制与信息等多个学科领域。随着电力电子技术、自动控制技术和计算机技术的发展以变频调速为代表的近代交流调速技术有了飞速的发展。交流变频调速技术克服了直流调速的一些缺点，充分发挥了交流电机坚固耐用、结构简单、经济可靠、动态响应好等优点，并且很好地解决了交流电机调速性能先天不足的问题。

变频器首次出现于上个世纪80年代末，初期的变频器由晶闸管等分立电子元器件组成，输出频率低、电压电流不平滑、可靠性差。随着电力晶体管（GTR）和可关断晶闸管（GTO）的出现逐步代替晶闸管，脉冲宽度调制（PWM）技术也进入成熟阶段，这时的逆变电路输出电压电流波形接近正弦波，同时高数字运算能力的数字信号处理器（DSP）成为变频器的控制核心，按压频比（V/F）控制原理实现异步电动机的变频调速，在工作性能上有了很大提高。近年来人们陆续研制出了绝缘栅双极晶体管（IGBT）和集成门极换流晶闸管（IGCT），以及性能更为完善的智能功率模块（IPM），使得变频器的容量和电压等级不断提高。

现代控制理论对变频器的发展起到了重要的支撑作用。在继续完善压频比控制技术的同时，推出了直接转矩控制、矢量控制、无位置传感器控制、滑模控制、自适应控制、非线性控制、神经网络、遗传控制等多种控制技术。这些控制策略从原理上改进了传统比例积分微分（PID）控制器无法自动跟踪变频器运行工况以及负载变化带来的扰动影响，具有很强的鲁棒性和自适应性。当运行工况发生变化时,变频器通过自我调节，仍然能够达到最佳的运行性能。

（二）研究的内容

变频器是通过改变电机工作电源频率和电压方式来控制交流异步电动机的电力控制设备。普通变频器大都采用二极管整流桥将交流电转换成直流，然后采用IGBT逆变技术将直流转化成电压频率皆可调整的交流电控制交流电动机。这种变频器只能工作在电动状态，所以称之为两象限变频器。由于两象限变频器采用二极管整流桥，无法实现能量的双向流动，所以没有办法将电动机回馈系统的能量送回电网。在一些电动机要回馈能量的应用中，比如电梯、提升机、离心机系统、抽油机等，只能在两象限变频器上增加电阻制动单元，将电动机回馈的能量消耗掉，造成电能的浪费。另外，二极管整流桥会对电网产生严重谐波污染。

四象限变频器采用IGBT做整流桥，一方面可以调整输入的功率因数，消除对电网的谐波污染，让变频器真正成为“绿色产品”。另一方面可以将电动机回馈产生的能量反送到电网，达到节能的效果。

在上个世纪80年代末，交流变频调速逐渐登上了工业传动调速方式的历史舞台。变频调速在调速范围、调速精度、控制灵活、工作效率、使用方便等方面都有很大的优点，这使变频调速成为最有发展前途的一种交流调速方式。通用变频器采用二极管整流桥，无法实现能量的双向流动，所以没有办法将电机回馈系统的能量送回电网。在一些电动机要回馈能量的应用中，只能在两象限变频器上增加电阻制动单元，不但浪费电能而且对电网产生严重的谐波污染。

其次，通用变频器还存在下面几点不足：

1. 变频器输入电流谐波很大，对电网造成谐波污染，对附近用电设备造成严重干扰，严重时甚至不能工作。

2. 其前端二极管整流器在深度相控状态调节时，功率因数很低，影响发电和输电线路的设备的利用率，并在输电线路上引起很大的有功损耗，影响设备的正常运行，造成能量的浪费。

3. 输出侧需要较大的平波电抗和滤波电容以滤除纹波，造成装置体积增大，损耗也随之上升。

4. 相控滤波器的调节周期长，响应速度慢，在一些场合难以满足用电设备要求。

同传统的变频器不同，四象限变频器整流侧采用三相 BOOST 架构。这样当能量回馈的时候，三相逆变桥将能量泵升到电解电容，电网侧的三相 BOOST 电路此时充当逆变桥的作用，将电解电容上的能量逆变至电网，实现能量的回收，供给挂在同一电网上的其他负载使用。

四象限变频器的优点如下：

1. 无论电动机是电动运行还是发电回馈运行，功率因数都接近1，对电网的干扰减至最小。这是因为电动及发电时刻，与电网连接的电抗器起到储能滤波的效果（配合PWM 控制）。

2. 节能环保，传统变频器将制动能量通过电阻变为热量散掉，而能量再生变频器是把能量返回电网。当电机发电时，电机侧的 IGBT 作为BOOST 电路将电机输出电压升高至直流母线电压，然后网侧的 IGBT 作为逆变桥，将直流电转化为与电网同步的三相电将能量灌回电网。这样使得和电机相同电网的设备和用户就可以使用这些能量了。

3. 不需要传统的制动电阻，因此散热设计更为简单，同时系统的占用空间体积可以缩小。

4. 不需要像通用变频器那样大容量的直流母线电容。因为无论电动模式还是发电回馈模式直流环节都将成为 CPU 的控制对象，使得直流电压稳定在控制精度内。而不像是传统变频器那样直流电压是不可控的。这样可以使用相比于同功率的传统变频器小得多的电容，从而使得空间设计更加紧凑。

二、^范文提纲

一、引言

二、变频调速装置的设计原理

（一）变频调速的基本原理

（二）四象限变频调速的拓扑结构

三、变频调速装置的控制策略

（一）PWM调制技术

（二）整流控制系统的设计

（三）逆变控制系统的设计

（四）Matlab仿真分析

四、变频调速装置的硬件设计

（一）主要硬件选型

（二）控制电路设计

（三）功率器件驱动电路设计

五、变频调速装置的软件设计

（一）软件主程序设计

（二）PWM程序设计

（三）信号采集程序设计

六、结论

三、参考文献

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