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实训四 基于DSP的变频调速系统实训四 基于DSP的变频调速系统
实训四 基于DSP的变频调速系统
一.实验目的
1.了解以TMS320F240为核心构成的全数字控制感应电机变频调速实验系统的硬件与软件组成。
2.掌握采用正弦脉宽调制(SPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)的控制的开环变压变频(VVVF)调速系统的工作原理、优缺点及应用场合。
3. 了解采用磁场定向控制(FOC)与直接转矩控制(DTC)的感应电机变频调速闭环控制系统的工作原理、优缺点及应用场合。
4.掌握不同控制方式时的控制参数调节方法。
二.实验内容
1.熟悉变频调速实验系统的配置与结构,在此基础上完成实验接线。
2.分别在不同调制方式(同步、异步和分段同步)下,采用正弦脉宽调制(SPWM)的开环VVVF调速系统的实验研究:
3.采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)的开环VVVF调速系统的实验研究:
4. 采用磁场定向控制(FOC)的感应电机变频调速系统的研究;
5. 闭环变频系统采用直接转矩控制时的性能测试研究。
三.实验系统组成及工作原理
基于DSP的高性能变频调速系统原理框图如图4—1所示:
系统主电路采用交-直-交电压源型变频器,功率器件采用智能功率模块IPM,该模块包含了由六个IGBT、六个续流二极管、栅极驱动电路、逻辑控制电路以及欠压、过流、短路、过热等保护电路,模块的主电路部分共有5个端子,即直流电压输入端+、-,三相交流电压输出端U、V、W,控制部分共有15个端子,用于PWM信号输入、故障信号输出及驱动电源等,驱动电源为4组+15V电源,DSP生成的PWM信号需通过光耦合器隔离后输入。
该智能功率模块的应用,减小了装置的体积,提高了变频系统的性能与可靠性。
控制系统由DSP、信号检测电路、驱动与保护电路等组成,DSP采用美国TI(Texas Instruments)公司于1998年推出的16位数字信号处理器 (Digital Signal Processor简称DSP)TMS320X24x系列芯片,该芯片是专门为电机的数字化控制而设计的,它集DSP的信号高速处理能力及适用于电机控制的优化外围电路于一体,为电动机数字控制系统应用提供了一个理想的解决方案,从而成为传统的多微处理器单元和昂贵的多片设计的理想替代品,每秒执行20兆条指令的运算能力,使该系列芯片能提供比传统16位微处理器强大得多的性能。
该系列芯片的16位定点DSP内核为模拟设计者提供了一个数字解决方案,并且不会牺牲原有系统的精度和性能,事实上,由于可以采用诸如自适应控制、卡尔曼滤波和状态控制等先进的控制算法,因而增强了系统性能。
高速CPU允许数字控制设计者能够实时处理算法而不需通过查表只能获得近似值,几乎所有的指令都可在50ns的单周期内完成,如此高的性能可以对非常复杂的控制算法进行实时运算,此外,还可支持非常高的采样率,以减小循环延时。
作为系统管理器,DSP必须具备强大的片内I/O和其它外设功能,该系列芯片内的事件管理器可以为所有电机类型用户提供高速、高效和全变速的先进控制技术。在该事件管理器中,包括特殊的PWM产生功能,特殊的附加功能包括可编程的死区功能和空间矢量PWM,后者可为三相电机在功率管逆变器控制中提供最高的功效,三个独立的向上/下计数器,每一个都有属于它自己的比较寄存器,可以支持产生非对称的和对称的PWM波形,四路捕获输入中的两路可以直接连至光电编码器的正交编码脉冲信号。
该系列芯片的应用,大大简化了高性能变频调速系统的硬件设计,使系统具有高的性能价格比,该系列芯片,除适用于工业电机驱动外,还可广泛地应用于功率变换器和控制器、汽车系统,如电子动力转向装置、刹车和温度控制、仪表电机控制、打印机、复印机等办公产品、磁带驱动、机器人和计算机数字控制(CNC)机械等。
实验系统中使用的DSP为TMS320F240,其内部包含16K字的Flash(闪速)EEPROM。
此外,已为实验组件配备了与上位计算机通讯的接口和上位机软件。需要进行有关参数改变影响的实验,必须配备上位机,并在实验前安装好上位机软件和仔细阅读上位机操作说明。
图4—1 基于DSP的高性能变频调速系统原理框图
四.实验设备和仪器
1.教学实验台主控制屏
2.NMCL-13A闭环变频系统组件
3.电机导轨、直流发电机
4.NMEL—03A三相可调电阻器
5.异步电动机M04A(含高分辨率编码器)
6.上位机和通讯联接线(自备)
五.实验步骤
1.参看图4-2,连接主电路、起动限流、过流保护、过压保护及磁通检测等环节的连线。连接上位机与组件间的串口通讯线。
2.按下起动按钮前,检查给定电位器是否放在零位(要求电位器左旋到底)。
3.合上主控制屏上的绿色按钮开关。
4.开环变频系统(SPWM控制方式)
(1)必须在接线检查无误后,合上NMCL-13组件左下方的电
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