基于双CPU的变频调速沟通电机的节能控制系统.docx

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1、基于双CPU的变频调速沟通电机的节能控制系统基于双CPU的变频调速沟通电机的节能控制系统mahaiyan导语：文设计了调压/频比即调磁通节能装置和以大功率电力电子器件IPM为开关组件的三相沟通控制电路，解决了IPM的过流、过压保护问题摘要：本文设计了调压/频比即调磁通节能装置和以大功率电力电子器件IPM为开关组件的三相沟通控制电路，解决了IPM的过流、过压保护问题。控制装置是基于双CPU的TMS320LF2407和AT89C51，其主要功能是实现变频调速异步电机的节能控制及运行状态显示功能。关键词：电动机；最优磁通；节能；SVPWM；IPMalign=centerSystemofEnergyS

2、avingcontrolofVVVFInductionMotorBaseonDoubleCPU/alignYuBin1JiaYaqiong1,2align=center1HumanInstituteofTechnology,Hengyang421008，China；2GuilinUniversityofElectronicTechnology541004，China/alignAbstract：Thetextdesignsadevicewhichcansupervisetherunningofmotorsandadjustratioofthevoltagetofrequencyofferedt

3、othem.TheComputeristheDSPthatisusedtocontrolmotor.Inaddition,wedesignacircuitwhosemaincomponentsareIPM.ItisthiscircuitthatisusedtoadjustratioofthevoltagetofrequencybyusingtheSVPWMwave.Keywords：Motor；AdjustingRatioofVoltageToFrequency；SVPWM；EconomizingonElectricity；IPM电动机是实现全国电气化的主要动力机械，而异步电动机又是工农业消费

4、中应用最为广泛的一种电动机。例如：中小型车L钢设备、矿山机械、起重机、鼓风机、水泵、以及脱粒、磨粉等农副产品的加工机械，都大局部采用异步电动机来拖动。在人民日常生活和医疗器械中，异步电动机的应用也日益增多。据不完全统计，至2000年，我国中小型三相异步电动机负荷占电网总负荷的85%，年用电量超过3750亿KWh，占全部工业用电的65%。异步电动机之所以得到如此广泛的应用，是由于和其它电动机比拟，它具有构造简单，运行可靠，效率较高，制造轻易，本钱较低，而且巩固耐用等优点。据不完全统计，我国目前在使用的电动机中，尚有4亿KW的高能耗电动机，这些电动机的损耗占额定出力的10%23%，具有极大的节能降

5、耗潜力。例如：我国风机和水泵的用电量占全国总用电量的31%，占工业总用电量的50%，而运行效率在70%以下，一般低于世界平均程度的5%一10%，仅此一项节电潜力每年约为300亿KWh。而缺电是我国绝大局部地区普遍存在的严重问题。据电力部门统计：:全国每年缺电约为15%20%，1998年因缺电全国近30%的工业消费才能被迫停滞，年工业产值减少5473亿元。而电力部门的负荷资料那么说明，电动机负荷占整个负荷的80%以上，因此，异步电动机的节电研究是非常重要的。1异步电动机的节能方案选择在电动机应用方面的节能技术，固然根据电动机的种类、用处或者系统等有各种各样的方法，但在作为当代企业动力源所使用的范

6、围内，有以下几个方面：1用高效系列电动机取代一般的高耗能电动机。但这种电动机造价较高，而且经济效果极大地取决于负载的情况，即对于长期工作于接近额定负载70%以上连续运行的应用场合，其节能效果到达最正确。2采用功率因素控制器即异步电动机节电器和制动器。3电动机的调速节能。高性能沟通电动机变频调速器。采用微机控制的大功率晶体管逆变技术，利用交一直一交方式，用于沟通异步电动机的调速，节能效果可高达55%以上。转子串电阻调速。4对老式高耗能异步电动机进展节能改造。5开展永磁电动机。6公道选择异步电动机。其中采用变频器实现的节能方式，可获得明显的节能效果，并易于对老设备进展技改，是国家重点推广的节能工程

7、。2变频节能的原理三相异步电机运行效率是由它的力能指标表示，所谓力能指标是指电动机的效率和功率因数。异步电机的效率公式为：上式讲明，异步电机的效率与总损耗有关，进步效率的唯一方法是降低总损耗。沟通电机的总损耗为：其中：Psubcu/sub定转子铜损之和；Psubfe/sub定子铁心损耗；Psubm/sub机械损耗；Psubz/sub杂散损耗。一般铜损占电机总损耗的56%，铁损占总损耗的30%，此两相是决定电机效率的主要因素。由等值电路知电动机的定转子铜损为：电动机的铁心损耗为：电动机的电磁转矩为：电动机的总损耗为：其中：PsubM/sub为电磁功率；sub1/sub为机械同步角速度；Nsubp

8、/sub为极对数。由于同步转速，所以由于电机在稳态运行时，电机转子本身的功率因数很高，可以近似以为，在此条件下立方程：以定子频率fsub1/sub和为自变量对其求偏倒并令其为零，可求解得损耗最小时的定子频率为：由式1可知，变频调速沟通电机运行时最小损耗的定子频率fsub1min/sub只与转速有关，而与负载无关。在给定转速定负载的情况下式1和式2就构成变频器电压/频率比控制时的节能控制算法，只要根据要求转速就可知道节能频率，然后对电机施以节能频率并调节电压到给定转速就可找到变频调速沟通电机运行时的节能点，进而实现最优控制。3系统硬件设计为了实现对三相异步电动机变频调速的节能控制，本文设计了节能

9、控制装置。系统的总体控制思想是搜索节能工作点，即在稳态点按照节能算法求出给定转矩和转速的节能定子频率，然后以此频率为输入频率，调节输入电压来控制转速到要求值。因此系统中有主电路和控制压频比电路。收集电路包括电压信号的收集、电流信号的收集和速度信号的收集。系统原理框图如图1所示。图1系统总体框图3.1主电路主电路局部包括整流、滤波和逆变。系统功率变换环节采用AC/DC整流电路和IGBT逆变电路，三相沟通电压经二极管整流模块整流，大电容滤波后送到三相逆变模块。本文中三相逆变模块采用的是IGBT智能功率模块IPMIntelligentPowerModule。IGBT智能功率模块IPMIntellig

10、entPowerModule是一种由几个高速、低功耗的IGBT和门极驱动电路集成为一体的混合电路器件。它通过采用先进的电流检测型IGBT和与之相匹配的门控电路，实现高效的自保护功能。智能功率模块的使用能缩短系统的设计时间和进步系统的可靠性，并使系统硬件电路简单紧凑，减小系统尺寸。为了让CPU有更充裕的资源来处理控制的主要功能检测电压、电流和产生SVPWM波形等，本文采用一片TMS320F2407作为主处理器，一片89C51以下简称C51单片机作为辅处理器，如图2所示。图2系统主控板构造图3.2智能功率模块IPM由于本系统直流电压为537V，5KVA，满载时额定电流为9.3A，考虑到20%的过载

11、余量和20%的电流尖峰因素，最大电流为20.46A。本文中选用了日本三菱公司消费的电压为1200V、电流为25A的IPM模块PM25RSB120。IPM集成了最正确的IGBT驱动电路和自己保护电路，但必须为它提供隔离的驱动电源和匹配的控制信号。因此要设计一块接口电路板，该接口电路板将直接安装在IPM模块上，如图3所示。接口电路板要到达以下要求：提供4路绝缘电压为模块额定电压两倍以上的15V10%隔离电源，上桥臂三路，下桥臂和制动共一路。电源必须能提供在工作开关频率下所需的最大电流；具有信号输入隔离功能而且其传输延迟时间不超过0.8s，隔离电压足够大，还应具有故障信号输出隔离功能；接口电路板的布

12、局一定要设计公道，尽量防止将噪声藕合到控制电路。图3IPM的接口电路3.3单片机与液晶显示的接口电路显示器采用内藏T6963C控制器的图形液晶显示模块M-240128T。T6963C是点阵式液晶图形显示控制器，它能直接与51或者96系列微处理器接口。内藏T6963C控制器的液晶显示模块上已经实现了T6963C与行、列驱动器及显示器缓冲区RAM的接口，同时也已用硬件设置了液晶屏的构造、数据传输方式、显示窗口的长宽等等。240128表示该模块的长宽为240x128点其构造框图如图4所示。图4液晶显示模块内部构造框图3.4测量电路设计要测量的原始信号都是高电压、大电流的正弦沟通电或者带有毛刺尖峰的高

13、压直流电，必须将它们作模拟信号处理后才能送给DSP。a沟通电压经电压互感器PT本质上是一个小型特殊变压器变成隔离的1mA左右电流信号，再经电流变电压电路和滤波电路形成波形良好的正弦波。整流后送到主控板进展A/D转换得到电压幅值；b沟通电流经电流互感器CT后也得到1mA左右电流信号，之后也送入电流变电压电路和滤波电路。4软件系统设计DSP主控制程序主要有数据收集、数据处理、节能算法、生成SVPWM波形，此外还包括自检、初始化、与C51通讯、故障处理等子程序。DSP主程序流程图如图5所示。系统启动以后，首先经过自检、初始化，然后等待启动电机命令。当接收到启动命令后，执行启动模块，当电机到达要求转速

14、且到达稳态时，系统开场搜索节能运行点，节能模块是一个循环程序，当CPU不执行任何中断效劳程序时，就在这个循环中运行。此外，还包含几个相对独立的循环作为子程序，除了波形发生循环模块外，还有AD转换的中断效劳程序构成的独立循环模块。几个相对独立的循环模块之间的信息传递是修改标志变量的方法来完成的，由发出控制的模块修改相应的标志变量，而承受控制的模块采用查询的方式响应标志变量的改变。图5DSP主程序流程图5结果分析由于采用了SVPWM调制方式，进步了直流电压利用率，降低了开关损耗，但输出波形仍然和SPWM调制方式差不多。图6是SPWM和SVPWM的实验波形的比照波形均为电阻分压后用数字示波器观察的结

15、果。从图6可以看出SVPWM调制方式下IGBT在一个周期内有三分之一的时间总是处于导通或者关断状态，即开关损耗要减小33%。SPWM调制方式IGBT波形SVPWM调制方式IGBT波形图6实验波形比拟参考文献：1陈王璋等.电动机节能技术M.北京：科学出版社，20022齐义禄等.节能降损技术手册M.北京：中国电力出版，19953高景德等.沟通电机及其系统的分析M.北京：清华大学出版社，20034赵勇等.DSP应用系统设计M.北京：电子工业出版社，20025孙云莲等.利用双CPU方式的PWM消谐三相沟通调压及电路实现J.武汉水利电力大学学报，2000.26房小翠等.单片机实用系统设计技术M.北京：国防工业出版社，1996作者简介：俞斌1979-，男，江苏扬州人，讲师，主要研究方向：信息处理和DSP。EMAIL：gliet_99021626163联络：0734-7134306/8434290通讯地址：湖南省衡阳市雷公塘14#电气与信息工程系邮政编码：421008