浅论三相异步电动机的机械特性、启动、制动与调速(胡军波)

第一篇：浅论三相异步电动机的机械特性、启动、制动与调速(胡军波)

浅论三相异步电动机的机械特性、启动、制动与调速

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胡君波

浅论三相异步电动机的机械特性、启动、制动与调速

摘要：阐述了异步电动机结构，运行可靠、价格低、维护方便等一系列的优点，目前，异步电动机的电力拖动已被广泛地应用在各个工业电气自动化领域中。就三相异步电动机的机械特性出发，主要简述电动机的启动、制动、调速等技术问题。

关键词：三相异步电动机；电力拖动；机械特性；启动；制动；调速

异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格低、维护方便等一系列的优点，因此，异步电动机被广泛应用在电力拖动系统中。尤其是随着电力电子技术的发展和交流调速技术的日益成熟，使得异步电动机在调速性能方面大大提高。目前，异步电动机的电力拖动已被广泛地应用在各个工业电气自动化领域中。就三相异步电动机的机械特性出发，主要简述电动机的启动，制动、调速等技术问题。一、三相异步电动机的机械特性文

三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩Tem之间的关系。由于转速n与转差率S有一定的对应关系，所以机械特性也常用Tem＝f（s）的形式表示。三相异步电动机的电磁转矩表达式有三种形式，即物理表达式、参数表达式和实用表达式。物理表达式反映了异步电动机电磁转矩产生的物理本质，说明了电磁转矩是由主磁通和转子有功电流相互作用而产生的。参数表达式反映了电磁转矩与电源参数及电动机参数之间的关系，利用该式可以方便地分析参数变化对电磁转矩的影响和对各种人为特性的影响。实用表达式简单、便于记忆，是工程计算中常采用的形式。

电动机的最大转矩和启动转矩是反映电动机的过载能力和启动性能的两个重要指标，最大转矩和启动转矩越大，则电动机的过载能力越强，启动性能越好。

三相异步电动机的机械特性是一条非线性曲线，一般情况下，以最大转矩（或临界转差率）为分界点，其线性段为稳定运行区，而非线性段为不稳定运行区。固有机械特性的线性段属于硬特性，额定工作点的转速略低于同步转速。人为机械特性曲线的形状可用参数表达式分析得出，分析时关键要抓住最大转矩、临界转差率及启动转矩这三个量随参数的变化规律。

二、三相异步电动机的启动

小容量的三相异步电动机可以采用直接启动，容量较大的笼型电动机可以采用降压启动。降压启动分为定子串接电阻或电抗降压启动、Y-D降压启动和自耦变压器降压启动。定子串电阻或电机降压启动时，启动电流随电压一次方关系减小，而启动转矩随电压的平方关系减小，它适用于轻载启动。Y-D降压启动只适用于正常运行时为三角形联结的电动机，其启动电流和启动转矩均降为直接启动时的1/3，它也适用于轻载启动。自耦变压器降压启动时，启动电流和启动转矩均降为直接启动时的l/k2（k为自耦变压器的变比），适合带较大的负载启动。

绕线转子异步电动机可采用转子串接电阻或频敏变阻器启动，其启动转矩大、启动电流小，适用于中、大型异步电动机的重载启动。软启动器是一种集电机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新型电动机控制装置，国外称为Soft Starter。它的主要构成是串接于电源与被控电动机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路。运用串接于电源与被控电动机之间的软启动器，以不同的方法，控制其内部晶闸管的导通角，使电动机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至启动结束，赋予电动机全电压，即为软启动。在软启动过程中，电动机启动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。软启动器实际上是个调压器，用于电动机启动时，输出只改变电压并没有改变频率。三、三相异步电动机的制动

三相异步电动机也有三种制动状态：能耗制动、反接制动（电源两相反接和倒拉反转）和回馈制动。这三种制动状态的机械特性曲线、能量转换关系及用途、特点等均与直流电动机制动状态类似。四、三相异步电动机的调速

三相异步电动机的调速方法有变极调速、变频调速和变转差率调速。其中变转差率调速包括绕线转子异步电动机的转子串接电阻调速、串级调速和降压调速。

变极调速是通过改变定子绕组接线方式来改变电机极数，从而实现电机转速的变化。变极调速为有级调速，变极调速时的定子绕组联结方式有三种：Y-YY、顺串Y-反串Y、D-YY。其中Y-YY联结方式属于恒转矩调速方式，另外两种属于恒功率调速方式。变极调速时，应同时对调定子两相接线，这样才能保证调速后电动机的转向不变。

变频调速是现代交流调速技术的主要方向，它可实现无级调速，适用于恒转矩和恒功率负载。

绕线转子电动机的转子串接电阻调速方法简单，易于实现，但调速是有级的，不平滑，且低速时特性软，转速稳定性差，同时转子铜损耗大，电动机的效率低。串级调速克服了转子串接电阻调速的缺点，但设备要复杂得多。

异步电动机的降压调速主要用于风机类负载的场合，或高转差率的电动机上，同时应采用速度负反馈的闭环控制系统。

把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC），这个过程叫整流。再把直流电（DC）变换为交流电（AC），这个过程叫逆变，把直流电变换为交流电的装置叫逆变器（inverter）。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。变频器输出的波形是模拟正弦波，主要用在三相异步动机的调速，又叫变频调速器。

第二篇：关于三相异步电动机调速与制动问题的研究

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专

科

生

毕

业

大

作

业

题

目：关于三相异步电动机调速与制动问题的研究

学习中心：浙江电大奥鹏学习中心

层次：高中起点专科专业：电力系统自动化技术

年级： 2010年秋季学号： 201011852184 学生：胡天飞指导教师：王凯

完成日期： 2012年08月30日

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内容摘要

目前，电力拖动是各行业生产机械的主要拖动形式；因此，三相异步电动机已经被广泛应用在各行各业和日常生活等领域。随着生产机械的不断更新和发展，对电动机的调速性能与制动问题要求越来越高。三相异步电动机由于三相异步电动机因其成本低，结构简单，可靠性高和维护少等优点在各种工业领域中得到广泛的应用，但其调速性能和制动性能都不如直流电动机，因此如何改进异步电动机的调速性能和制动问题，以提高调速性能和制动问题，就显得特别重要。本篇文章通过对鼠笼式三相异步电动机工作过程的分析，着重讨论了三相异步电动机的调速和制动性能，介绍了三相异步电动机常用的调速和制动方法。

关键词：三相异步电动机；调速；制动

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内容摘要...........................................................................................................................I 引言..............................................................1 第1章三相异步电动机工作原理.......................................2 第2章三相异步电动机的调速方法.....................................4 2.1绕线式电动机转子串电阻调速..................错误！未定义书签。2.2液力耦合器调速..............................错误！未定义书签。2.3变极对数调速................................错误！未定义书签。2.4串级凋速....................................错误！未定义书签。2.5电磁转差离合器调速..........................错误！未定义书签。2.6改变定子电压调速............................错误！未定义书签。2.7变频调速....................................错误！未定义书签。第3章三相异步电动机的制动方法.....................................5 3.l 反接制动.....................................................5 3.2发电机制动..................................错误！未定义书签。3.3能耗制动....................................错误！未定义书签。第4章结语........................................错误！未定义书签。

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引

言

三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。三相异步电动机的调速方法有变极调速，变频调速和变转差率调速。其中变转差串调速包括绕线转子异步电动机的转子串接电阻调速、串级调速和降压调速。三相异步电动机有三种削动状态：能耗制动、反接制动(电源两相反接和倒拉反转)和回馈这三种制动状态的机械特性曲线、能量转换关系及用途．特点等均与直流电动机制动状态。本文主要针对变频调速及能耗制动作出了详细研究。

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第1章三相异步电动机工作原理

当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。当导体在磁场内切割磁力线时，在导体内产生感应电流，“感应电机”的名称由此而来。感应电流和磁场的联合作用向电机转子施加驱动力。我们让闭合线圈ABCD在磁场B内围绕轴xy旋转。如果沿顺时针方向转动磁场，闭合线圈经受可变磁通量，产生感应电动势，该电动势会产生感应电流(法拉第定律)。根据楞次定律，电流的方向为:感应电流产生的效果总是要阻碍引起感应电流的原因。因此，每个导体承受相对于感应磁场的运动方向相反的洛仑兹力F。确定侮个导体力F方向的一个简单的方法是采用右手三手指定则(磁场对电流作用将拇指置于感应磁场的方向，食指为力的方向。将中指置于感应电流的方向。这样一来，闭合线圈承受一定的转矩，从而沿与感应子磁场相同方向旋转，该磁场称为旋转磁场。闭合线圈旋转所产生的电动转矩平衡了负载转矩。

旋转磁场的产生:三组绕组问彼此相差120度，每一组绕组都由三相交流电源中的一相供电.绕组与具有相同电相位移的交流电流相互交叉，每组产生一个交流正弦波磁场。此磁场总是沿相同的轴，当绕组的电流位于峰值时，磁场也位于峰值。每组绕组产生的磁场是两个磁场以相反方向旋转的结果，这两个磁场值都是恒定的，相当于峰值磁场的一半。此磁场.在供电期内完成旋转。其速度取决于电源频率(f)和磁极对数(P)。这称作“同步转速”转差率只有当闭合线圈有感应电流时，才存在驱动转矩。转矩由闭合线圈的电流确定，且只有当环内的磁通量发生变化时才存在。因此，闭合线圈和旋转磁场之间必须有速度差。因而，遵照上述原理工作的电机被称作“异步电机”。同步转速(ns)和闭合线圈速度(n)之问的差值称作“转差”，用同步转速的百分比表示。运行过程中，转子电流频率为电源频率乘以转差率。当电动机起动时，转子电流频率处于最大值，等于定子电流频率。转子电流频率随着电机转速的增加而逐步降低。处于恒稳态的转差率与电机负载有关系。它受电源电压的影响，如果负载较低，则转差率较小，如果电机供电电压低于额定值，则转差率增大。同步转速三相异步电动机的同步转速与电源频率成正比，与定子的对数成反比。

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实际上，即使电压.正确无误，如果供电频率高于异步电机的额定频率，一也未必能够提高电机转速。必须首先确定其机械和电气容量。由于存在转差率，带负载的异步电机的转速稍稍低于表格中给出的同步转速。改变电动机的旋转方向,改变电源的相序即可实现,即交换通入到电机的三相电压接到电机端子中任意两相就行.完整论文加QQ:1479352057

第2章三相异步电动机的调速方法

在电力拖动调速系统中，特别是在宽调速和快速可逆拖动系统中，多采用直流电动机拖动，其原因是直流电动机具有良好的调速性能。但是，直流电动机存在价格高、维护困难、需要专门的直流电源等一系列缺点。相比之下，交流电动机具有价格低、远行可靠、维护方便等一系列优点，因此在各个应用领域都希望尽可能采用交流电动机拖动。近年来，由于电力电子技术和计算机技术的发展，使得交流调速技术II益成熟，交流调运装置的容量不断扩大，性能不断提高，使得交流调速已显示出逐步取代直流调速的趋势。下面就三相异步电动机的几种调速方法做了一一介绍。

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第3章三相异步电动机的制动方法

和直流电动机一样，异步电动机在拖动生产机械时也有制动要求，如起重机把重物下降时，电气机车下坡时就需要制动。所谓制动是指电动机产生的电磁转矩和转子的旋转方向相反。具体来说，异步电动机的制动方法主要有以下三种方法。

3.l 反接制动

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参考文献

[1]何秀伟.电机测试技术.北京:机械工业出版社，1988 [2]崔淑梅，郑萍，朱春波.多功能实用电机测试线路.微电机，1995(4)[3]姚立海，姚立敏，黄进.基于DAQ的电机测试系统.电测与仪表，1997(4)[4]陈伯时编，电力拖动自动控制系统，北京，机械工业出版社，[5]满木李编，电机原理及驱动，北京，洁华出版社，1997.2000.6

第三篇：浅谈三相异步电动机调速与制动问1

浅谈三相异步电动机调速与制动问题

【摘要】：当前,三相异步电动机由于其成本低,结构简单，性能可靠性高和维护方便等优点，在各种工业领域中得到了广泛的应用。但其调速性能和制动性能都不能和直流电动机相比，因此如何改进异步电动机的调速性能和制动问题，以提高调速性能和制动问题，就显得特别重要。本文主要对三相异步电动机调速与制动方法作了简单介绍，并针对不同场合适用的电机做出了说明。【关键词】：调速旋转磁场反接制动一、三相异步电动机调速

60f1根据三相异步电动机的转速公式：n= n1(1-s)=p(1-s)，可得交流电动机的三种调速的方法：（1）改变供电频率f1；（2）改变电动机的磁极对数p;（3）改变转差率s。从调速的本质来看,不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速n1或不改变同步转速n1两种

具体来讲,三相异步电动机的调速主要有以下几种方法:

（一）改变转差率调速

改变转差率调速的方法有：改变转子回路电阻调速，改变电源电压调速等。1.改变转子回路电阻

改变绕线式转子异步电动机转子电路（在转子回路中接入一变阻器），使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。接入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上，损耗较大，属于有级调速，调速范围有限，机械特性较软。主要应用于小型电动机调速中（例如起重机的提升设备）。2.改变定子电压调速方法

当异步电动机定子与转子回路的参数为恒定时，在一定的转差率下，电动机的电磁转矩与加在其定子绕组上电压的平方（即输入电压）成正比，因此，改变电动机的

定子电压就可改变其机械特性的函数关系，从而改变电动机在一定输出转矩下的转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点是：调压调速线路简单，易实现自动控制；调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。调压调速系统一般适用于100KW以下的生产机械。目前，已成功地大量使用在电梯、卷扬机械与化纤机械等工业装置中。

（二）、变极调速方法

这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的。变极调速的异步电动机一般采用鼠笼式转子，因为鼠笼式转子的极对数能自动地随着定子极对数的改变而改变使定、转子磁场的极对数总是相等而产生平均电磁转矩。若为绕线型转子，则定子极对数改变时，转子绕组必须相应地改变接法以得到与定子相同的极对数，所以很不方便。

变极调速的特点如下：具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低；但属于有级调速，级差较大。本方法适用于自动化程度要求不高，不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、风机等

（三）、变频调速方法

变频调速是用改变电动机定子电源的频率f，从而改变电动机同步转速的调速方法。其调速系统主要设备是变频器，变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类，目前国内大都使用交-直-交变频器。

交-直-交变频器通过改变脉冲的宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率，从而同时实现变压和变频。其特点：效率高没有附加损耗；应用范围较广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，精度高；造价高，维护检修困难。

从调速范围、平滑性以及调速过程中电动机的性能等方面来看，变频调速很优越，可以和直流电动机调速相媲美但要使频率和端电压同时可调，但需要一套专门的变频装置，使投入的设备增多，成本增大。此外还有其他的调速的方法:

（四）、串级调速方法

串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电阻来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电阻所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。本方法主要适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机挤压机等。二、三相异步电动机的制动

所谓制动是指电动机产生的电磁转矩和转子的旋转方向相反。和直流电动机一样，异步电动机在拖动生产机械时也有制动要求，如起重机把重物下降时，电气机车下坡时就需要制动。具体来说，异步电动机的制动方法主要有以下三种方法：

（一）、反接制动

反接制动就是指异步电动机作电磁制动状态运行时的制动，由于这时转子的转向与定子旋转磁场的转向相反，故称为反接制动。实现反接制动可用下述两种方法： 1.正转反接制动。

设电动机带反抗性负载运行于电动状态，为迅速停车或反转，将电动机的定子两相反接，并同时在绕线式电动机转子回路接入电阻，由于定子相序改变，使旋转磁场方向与电机的运动方向相反，此时电动机的转子电流I2和Tem都与电动状态时相反，即电机转矩变负，与负载转矩共同作用，使电机转速迅速下降，当转速降至零时，立即切除电源。从而实现了反转。2.倒拉反接制动

当电动机带位能性负载用两相反接时，负载转矩不变，但电磁转矩Tem和负载转矩TL的共同作用下，使电动机减速，直至转速为零。在Tem和TL的作用下，电动机反向起动并加速。随转子反向加速，电磁转矩仍为负，但绝对值减小，直到转速达

-n1时，Tem=0。

定子两相反接制动，无论负载性质如何，都是指两相反接开始到转速为零这个过程。两相反接制动的优点是制动效果好，缺点是能耗大，制动准确度差，如要停车，还须由控制线路及时切除电源。这种制动适用于要求迅速停车并迅速反转的生产机械。

（二）、回馈制动

当电机做电动机运行时，如果由于外来因素，使转子转速高于其旋转磁场转速（即同步转速），则电机进入回馈制动状态（亦称发电机制动）。例如前述的起重机放下重物时，如果仍按电动机状态运行，即转子转向和定子旋转磁场转向相同，则在电动机的电磁转矩和重物的重力产生的转矩双重作用下，重物以越来越快的速度下降，当转子转速由于重力的作用超过同步转速电机就进入发电机制动状态运行，电磁转矩方向开始转变，一直到电磁转矩与重力转矩平衡时，转子转速以及重物下降速度才稳定不变，使重物恒速下降。

（三）、能耗制动

将正在运行中的异步电动机的定子绕组从电网断开，而接到而接到一个直流电源上，由直流电流励磁而在气隙中建立一个静止磁场。于是从正在旋转的转子上来看此磁场将是向后旋转的，因此由它在转子中产生的感应电流所产生的电磁转矩方向应为向后转，即对转子起制动作用。这时转子的动能全部消耗于转子的铜耗和铁耗中，故称为能耗制动。

三、结束语

异步电动机的调速有很多方法，其中常用的是变极调速（笼型电动机）和在转子回路中串入电阻调速（绕线型电动机），当然，变频调速的优势将随着电力电子技术的发展也必将得到广泛的应用。【参考文献】：

[1]: 周希章(编者)《电动机的起动制动和调速》机械工业出版社;第2版 [2]: 李发海、王岩《电机与拖动基础》清华大学出版社，2006 年

[3]: 顾绳谷《电机与拖动基础》机械工业出版社，2006 年

[4]:方伟樊晓华《三相电动机调速与制动问题的研究》科技创新导报 2009第6期

【作者简介】王春山（1974----），男，四川省达县人，长期从事《电机与变压器》、《电机与电机控制》等课程教学与研究。

第四篇：基于DSP的三相异步电动机变频调速系统研究与设计

论文题目：基于 DSP 的三相异步电动机变频调速系统研究与设计研究生姓名：罗辉

导师姓名：胡泽（教授）

学科专业：测试计量技术及仪器研究方向：智能化仪器及计算机测控 2008 年 4 月 28 日

电机节能问题一直是广大学者研究的热点，在电机节能技术中最受瞩目的是变频调速技术。本文研究一种基于数字信号处理器（DSP）的三相异步电动机变频调速系统。

论文首先阐述三相异步电动机的脉宽调制技术和矢量控制原理。脉宽调制技术中重点分析正弦波脉宽调制技术（SPWM）和电压空间矢量脉宽调制技术

（SVPWM）的基本原理和控制算法。矢量控制思想是将异步电机模拟成直流电机，通过坐标变换，将定子电流矢量分解为按转子磁场定向的两个直流分量，实现磁通和转矩的解耦控制。论文用Matlab/Simulink 软件对三相异步电动机矢量控制系统进行仿真研究，并在此基础上对矢量控制变频调速系统进行硬件和软件设计。在硬件设计方面，系统以TI 公司的TMS320LF2407A DSP 芯片为控制电路核心，以三菱公司智能功率模块（IPM）PM25RSB-120 为主电路核心，对三相交流整流滤波电路、IPM 驱动和保护电路、相电流检测电路、转速检测电路、显示电路以及DSP 与PC 机通信电路等模块进行设计。在软件设计方面，本文用汇编语言编写基于TMS320LF2407A DSP 的三相异步电动机矢量控制程序，整个矢量控制程序由主程序和中断服务子程序组成。最后构建三相异步电动机变频调速实验装置，在该装置上进行变频调速实验研究。

实验结果表明用SVPWM 技术和矢量控制技术可以成功实现三相异步电动机变频调速功能。采用矢量控制技术后，系统稳态精度高，动态调节时间短、超调量小、抗扰能力强。该变频调速系统的研究与设计为今后开发更高性能的变频调速系统创造了条件。

关键词：三相异步电动机数字信号处理器智能功率模块矢量控制电压空间矢量脉宽调制

CopyRight ©2008 Library of SouthWest Petroleum University II Abstract The topic of Energy saving on motor system has always being researched by scholars, and the variable frequency variable speed technology has been paid the focus attention among the researches.The variable frequency variable speed system of three-phase asynchronous motor based on DSP has been researched in this paper.First of all, the pulse width modulation technology and the vector control principle for three-phase asynchronous motor were analyzed in the paper.The basic principles and control methods of SPWM & SVPWM were mainly analyzed.By transforming coordinate, the stator current is decomposing two DC parts which orientated as the rotator magnetic field and controlled respectively.So magnetic flux and torque are decoupled, and the asynchronous motor was controlled as a DC motor.Then, the vector control simulation system were analyzed by using Matlab/Simulink, and the hardware and software of the system were designed based on the simulation.In hardware, the TMS320LF2407A DSP of TI and PM25RSB-120 of MITSUBISHI were taken as the key controller of the system.At the same time, the paper has analyzed the three-phase AC-DC circuit, the filter circuit, the drive circuit and the protection circuit of the IPM,the current and the speed measurement circuit,the display circuit,the communication circuit between DSP and PC and so on.In software, a set of assembly language for main program and interrupt subprograms were established based on TMS320LF2407A.At the last, the experimental device which was made according to the design of variable frequency variable speed system has been established,and the experiments were carried on.The experimental results show that the vector control and SVPWM technology used in the system is successful.And the whole system run well with high accuracy of steady-state, quick dynamic response, small overshoots and strong anti-interference capability by using vector control technology.It offers helps for high performance motor control systems which would be studied aftertime.Keywords: Three-phase Asynchronous Motor Digital Signal Processor Intelligent Power Module Vector Control Space Vector Pulse Width Modulation CopyRight ©2008 Library of SouthWest Petroleum University III 目录

摘要................................................................................................................................................I Abstract................................................................................................................................................II 1 绪论................................................................................................................................................1 1.1 前言.......................................................................................................................................1 1.2 国内外研究现状....................................................................................................................1 1.3 研究背景和研究内容............................................................................................................3 2 三相异步电动机的脉宽调制和矢量控制技术.............................................................................5 2.1 变频调速的基本控制方式....................................................................................................5 2.2 脉宽调制技术........................................................................................................................6 2.2.1 正弦波脉宽调制（SPWM）技术.............................................................................6 2.2.2 电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术..............................................................8 2.3 矢量控制技术......................................................................................................................11 2.3.1 矢量控制原理...........................................................................................................11 2.3.2 坐标变换及变换矩阵...............................................................................................12 三相异步电动机矢量控制系统Simulink 仿真..........................................................................14 3.1 磁链观测模型的建立..........................................................................................................14 3.2 矢量控制系统的Simulink 仿真模型.................................................................................16 3.3 矢量控制系统的Simulink 仿真结果.................................................................................20 4 基于DSP 的三相异步电动机变频调速系统硬件设计.............................................................24 4.1 系统硬件设计概述..............................................................................................................24 4.2 系统主电路设计..................................................................................................................25 4.2.1 整流滤波电路设计...................................................................................................25 4.2.2 逆变电路设计...........................................................................................................26 4.2.2.1 智能功率模块的选择....................................................................................26 4.2.2.2 逆变电路设计................................................................................................29 4.2.2.3 泵升电路设计................................................................................................30 4.3 系统控制电路设计..............................................................................................................30 4.3.1 TMS320LF2407A DSP 芯片简介.............................................................................30 4.3.2 TMS320LF2407A 核心电路设计.............................................................................33 4.3.3 基于核心电路的外部扩展电路设计.......................................................................34 4.3.3.1 转速检测电路设计........................................................................................34 4.3.3.2 电流检测电路设计........................................................................................35 4.3.3.3 显示电路设计................................................................................................36 CopyRight ©2008 Library of SouthWest Petroleum University IV 4.3.3.4 串行通信电路设计........................................................................................37 4.3.3.5 故障综合入口电路设计................................................................................38 5 基于DSP 的三相异步电动机变频调速系统软件设计.............................................................39 5.1 系统软件设计概述..............................................................................................................39 5.2 变频调速系统中主要模块的DSP 软件实现....................................................................42 5.2.1 转子磁链位置计算...................................................................................................42 5.2.2 坐标变换...................................................................................................................44 5.2.3 转速和电流采样参数规格化处理...........................................................................45 5.2.4 数字PI 调节器.........................................................................................................46 5.2.5 电压空间矢量脉宽调制波形生成...........................................................................48 6 调试结果及分析..........................................................................................................................52 6.1 系统调试.............................................................................................................................52 6.2 实验结果分析......................................................................................................................56 7 结论..............................................................................................................................................59 谢辞............................................................................................................................................60 参考献............................................................................................................................................61

文攻读硕士学位期间所发表的学术论文.............................................................................................64 附录A TMS320LF2407A 核心电路原理图..................................................................................65

附录B 基于DSP 核心电路的外部扩展电路原理图....................................................................67 附录C 三相异步电动机矢量控制变频调速源程序.....................................................................69 CopyRight ©2008 Library of SouthWest Petroleum University 西南石油大学2008 届硕士学位论文 1 1 绪论

1.1 前言

交流变频调速技术是集电力电子、自动控制、微电子、电机学等技术之大成的一项高技术。它以其优异的调速性能、显著的节电效果和在国民经济各领域的广泛应用而被国内外公认为是世界上应用最广、效率最高、最理想的电气传动方案，代表着电气传动的发展方向。它为提高产品质量、节约能源、降低消耗和提高企业经济效益提供了重要的新手段[1]。

在电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术迅速发展的今天，电气传动技术正面临着一场历史性的革命[4]。经过了二十多年的发展，近代交流传动逐渐成为电气传动的主流。目前交流拖动系统的应用领域主要包括三个方面，一是一般性能的节能调速系统和按工艺要求调速系统，如一般的风机、水泵系统；二是高性能的交流调速系统和伺服系统，如精密机床拖动系统和火炮伺服系统；三是特大容量和极高转速的交流调速系统，直流电机由于换向能力的限制不适宜这些调速场合，如厚板轧机、矿井卷扬机和高速离心机等系统都以采用交流调速为宜[1]。变频调速研究是当前电气传动研究中最为活跃、最有实际应用价值的工作。变频器产业的潜力非常巨大，它包括所有与变频器技术相关的产业，如电力电子器件的生产、驱动保护集成电路的制造、电气传动技术、系统控制技术和工业现场应用技术等[7]。1.2 国内外研究现状

近年来，交流调速在国内外发展十分迅速，打破了过去直流拖动在调速领域

中的统治地位。交流拖动已进入了与直流拖动相媲美、相竞争、相抗衡的时代，并有取而代之的趋势，这是现代电力拖动技术发展的主要特征[1]，其主要原因有电力电子技术的不断发展、电机控制理论和控制策略的不断完善以及全数字化高性能微处理器技术的不断更新等。

（1）电力电子技术的革新为变频调速技术提供了发展平台

由于交流电机的诸多优点，其调速系统早就得到了人们的关注，早期的交流电机调速方法，如绕线式异步电机的转子串电阻调速、鼠笼式异步电机的变极调速、定子绕组串电抗器调速等方式都存在效率低、不经济等缺点。交流变频调速的优越性早在 20 世纪 20 年代就已被人们所认识，但受到元器件的限制，当时只能用闸流管构成逆变器，由于投资大，效率低，体积大而未能推广[8]。20 世纪 50 年代中期，晶闸管的研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代。晶闸管具 CopyRight ©2008 Library of SouthWest Petroleum University 基于DSP 的三相异步电动机变频调速系统研究与设计有体积小、重量轻、响应快、管压低等优点[3]，从而使得交流电机调速技术有了飞跃发展，出现了交流异步电机调压调速、串级调速等调速系统。

到 20 世纪 70 年代出现了变频调速技术，变频调速具有高效率、高精度和

宽范围等特点，是目前运用最广泛且最具有发展前途的调速方式。交流电机变频

调速系统的种类也很多，从早期提出的电压源型变频调速开始，相继发展了电流源型、脉宽调制型等各种变频调速控制系统。目前变频调速的主要方案有脉宽调

制（Pulse Width Modulation，简称PWM）变频调速、矢量控制（Field Oriented Control，简称FOC）变频调速和直接转矩控制（Direct Torque Control，简称DTC）变频调速等。这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。随着电力电子技术的发展，特别是门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）以及MOS 控制晶闸管（MCT）等具有自关断能力的全控型功率元件的发展，变频装置的快速性、可靠性及经济性得到不断提高，变频调速系统的性能也得到不断完善。

（2）控制理论和控制策略的完善为变频调速技术提升了发展空间

现代化的电机控制系统的核心技术是如何控制功率开关元件的开关状态，控制方式依据控制理论的不同而不同[9]。交流调速中采用的SPWM(正弦波PWM)、SVPWM(电压空间矢量PWM)以及矢量控制、直接转矩控制等技术，其最终目的都是产生一系列幅值不同脉宽不同的脉冲列来控制电机的运行[10]。

在交流电机变频调速中应用最为广泛的是PWM 控制。可以说 PWM 控制是

交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM 控制方式来完成的，尤其是微处理器应用于PWM 技术并使之数字化以后，花样更是不断翻新。从最初追求的正弦电压波形，到正弦电流波形，再到圆形磁场；从效率最优，到转矩脉动最小，再到消除噪音等，PWM 控制技术的发展经历了一个不断创新和完善的过程。世纪70 年代西德的F.Blasschke 等人首先提出矢量控制理论，其目的是把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制,通过坐标变换重建异步电机的数学模型，可以使得异步电机等效于直流电机，从而像控制直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制[20]。

1985 年德国鲁尔大学Depenbrock 教授首先提出直接转矩控制理论。与矢量控制不同的是，直接转矩控制摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，而是简单地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，并与给定值比较得出偏差值，实现磁链和转矩的直接控制。

近年来,智能控制研究很活跃。典型的如模糊控制、神经网络控制和基于专家

系统的控制。由于智能控制无需对象的精确数学模型并具有较强的鲁棒性,因而许多学者将智能控制方法引入到电机控制系统的研究中[25]。比较成熟的是模糊控制, 它具有不依赖被控对象精确的数学模型，能克服非线性因素的影响，对调节对象 CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 西南石油大学2008 届硕士学位论文的参数变化具有较强的鲁棒性等优点。模糊控制已在交、直流调速系统和伺服系统中取得了满意的效果。它的典型应用有：用于电机速度控制的模糊控制器；模糊逻辑在电机模型及参数辨识中的应用；基于模糊逻辑的异步电动机效率优化控制；基于模糊逻辑的智能逆变器的研究等。近年来已有一些文献探讨将神经网络或专家系统引入到异步电动机的直接转矩控制系统中。

有专家预测，智能控制将在今后的电机控制领域内占据主导地位。

（3）数字化高性能微处理器的应用为变频调速技术提高了发展速度

随着计算机技术和电力电子器件制造技术的不断发展，新型电路变换器的不

断出现，现代控制理论向交流调速领域的不断渗透，特别是微型计算机及大规模

集成电路的发展，交流电机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展。单片机在交流调速系统中已经得到了广泛的应用。例如由Intel 公司开发生产的MCS-96 系列的8×196KB、8×196KC、8×196MC 等型号的单片机，在通用开环交流调速系统中应用较多[5]。

由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂，控制系统的软件化对 CPU 芯片提出了更高的要求，为了实现高性能的交流调速，要进行矢量的坐标变换、磁通矢量的在线计算和外环控制的在线实时调节等，都需要存储多种数据和快速实时处理大量信息。因此，DSP 芯片在高性能交流调速系统中找到大展身手的舞台[6]，如TI 公司的TMS320LF2407A 和 TMS320C2812 就是两块用于电机控制的高性能DSP 芯片。

由于高性能微处理器的应用，各种总线也在电机控制领域内扮演了相当重要的角色。STD 总线、工业 PC 总线、现场总线以及CAN 总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。可以预见，随着计算机芯片容量的增加和运算速度的加快，交流调速系统的性能将得到很大的提高。

从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10～15 年，就目前而言，尽管变频调速系统的研发在国内比较活跃，但是市场上的绝大部分产品还是被国外产品所占据[11]。1.3 研究背景和研究内容（1）研究背景

随着世界经济的不断发展、科学技术的不断提高，环保和能源问题日趋成为

人们争论的主题。充分有效地利用能源已成为紧迫的问题，为了寻求高效可用的能源，各个国家都投入了大量人力财力，进行不懈的努力。就目前而言，电能是全世界消耗最多的能源之一，同时也是浪费最多的能源之一，为解决能源问题必须先从电能着手，其中有代表性的就是电机的节能。

电机是一种将电能转换成机械能的设备，它的用途非常广泛，在现代社会生 CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 基于DSP 的三相异步电动机变频调速系统研究与设计活中随处可见电机的身影，在发达国家中生产的总电能有一半以上是用于电机的能量转换，这些电机传动系统当中，80%左右的是交流异步电机[1]。在国内，电机的总装机容量已达4 亿千瓦，年耗电量达6000 亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。并且使用中的电机绝大部分是中小型异步电机，加之设备的陈旧，管理、控制技术跟不上，所浪费的电能甚多。有资料表明，受资金、技术、能源价格的影响，我国能源利用效率比发达国家低很多。为此，国家十五计划中，在电机系统节能方面投入的资金高达500 亿元左右[12][13]。

在石油石化行业，石油钻井中的钻机，生产现场的抽油机、风机、水泵、输油泵和泥浆泵等电机的运行都要消耗大量的电能，如何充分合理地利用电能显得非常重要。而采用变频调速技术后，节能效果非常明显。新疆克拉玛依油田多处输油泵采用了变频调速装置，如采油三厂在输油泵上应用一台变频器，运行后效果良好，经仪表测试，采用变频调速后，有功节电为65.73%，无功节电为78.79%，功率因数达到0.99。据实际运行统计，变频调速输油节电率为46.83%，316 天后可收回全部投资。湖南岳阳长岭炼油厂催化剂厂微球装置高压泵采用100kVA 变频器后，输出功率由18.6kW 降至7.2kW，节电61.3%。广东茂名石化将变频器大量应用到生产过程中，减轻了工人的劳动强度并大量节约了电能，如糖醛生产线原

有12 台泵，每天耗电8000kW.h，将其中9 台采用变频调速后，每天耗电只有 4000kW.h[14]。

由此可见，在我国，异步电机变频调速系统有巨大的市场潜能，本课题的研究也具有很强的现实意义。（2）研究内容

本文完成三相异步电动机变频调速系统研究与设计，具体包括以下内容： 1）依据三相异步电动机脉宽调制与矢量控制原理，设计转速、磁链双闭环矢量控制变频调速系统电气原理图。

2）用Matlab/Simulink 软件对三相异步电动机矢量控制系统进行仿真研究。3）以TMS320LF2407A DSP 芯片为控制核心，对变频调速系统进行硬件设计。硬件设计主要包括：○1 三相交流整流滤波电路设计；○2 以智能功率模块（IPM）PM25RSB-120 为核心的逆变电路设计；○3 泵升电路设计；○4 转速检测电路设计； ○5 电流检测电路设计；○6 显示电路设计○7 DSP 与PC 机串行通信电路设计。4）用TMS320LF2407A 汇编语言编写矢量控制变频调速软件。软件内容主要

包括：○1 光电编码转速检测；○2 相电流检测；○3 坐标变换；○4 转子磁链位置计算； ○5 电流、速度PI 调节；○6 电压空间矢量SVPWM 波形生成。5）构建变频调速实验装置，对实验装置进行硬件和软件调试。6）在实验装置上进行变频调速实验研究。

依据交流异步电动机工作原理，从定子侧输入的电磁功率m P 可以分成两部分，一部分mech m P =(1− s)P 是拖动负载的有效功率，称为机械功率；另外一部分s m P = sP 为传输给转子电路的转差功率，与转差率成正比[1]。异步电机转速公式为：(1)(1)60 0 1 s n s p n = f − = −（2.1）

式（2.1）中，n 为异步电机转子机械转速； 0 n 为同步转速； 1 f 为异步电机定子侧输入电源频率； p 为异步电机极对数； s 为异步电机转差率。

由式（2.1）可知，对异步电动机采用变频调速可以使电动机的转差功率保持不变。变频调速系统是一种转差功率不变的调速系统，因此它的调速范围宽，在高速和低速时效率都很高，采用较好的技术措施后能够实现高的动态性能。2.1 变频调速的基本控制方式

在电动机调速时，常需考虑的一个重要因素就是希望保持电动机中每极磁通

量m Φ 为额定值不变。在交流异步电机中，磁通由定子和转子磁动势合成产生，三相异步电动机定子每相电动势的有效值是： 1 m E 4.44 f N k Φ g s Ns =（2.2）

式（2.2）中，g E 为气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值； 1 f 为定子电源

频率； s N 为定子绕组串联匝数； Ns k 为定子基波绕组系数； m Φ 为每极气隙磁通量。由式（2.2）可知，只要控制好g E 和1 f，就可以达到控制磁通m Φ 的目的。由

此可知，变频系统实际上是变压变频（Variable Voltage Variable Frequency）系统的简称，在改变电源频率的同时，必须也要相应地改变电源电压。由于电机定子电压不能超过额定电压，所以需要考虑基频（额定频率）以上和基频以下两种情况。（1）基频以下调速

由（2.2）式可知，要保持m Φ 不变，当频率1 f 从额定值N f1 向下调节时，必须同时降低g E，使得1 E f g 为常数，即采用电动势频率比为恒值的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的。当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，从而认为定子相电压s g U ≈ E，则可得1 U f s 为常数，这就是恒压频比(即V/F)的控制方式。

然而在低频时，s U 和g E 都较小，定子漏磁阻抗压降所占的份量就比较明显，不能忽略。这时，可以人为地把电压s U 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性如图2.1 中的b 线所示，无补偿的控制特性则 CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 基于DSP 的三相异步电动机变频调速系统研究与设计 6 为a 线所示。

mN Φ m Φ

图2.1 恒压频比控制特性图 2.2 异步电机变频调速的控制特性

（2）基频以上调速

在基频以上调速时，频率应该从N f1 向上升高，但是定子电压s U 却不能超过额定电压UsN，最多只能保持s sN U =U，这将迫使磁通与频率成比例地降低，相当于直流电动机弱磁升速的情况。

把基频以下和基频以上的两种情况的控制特性画在一起，如图2.2 所示。如果电动机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化。按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”性质。

从整体结构上来看，电力电子变压变频器可以分成直—交、交—直—交和交

—交变频器三大类型。其中，交—交变频器由于输入功率因数低、谐波电流含量大、频谱复杂等原因，主要应用在大容量、低转速的调速系统中。交—直—交变频器在各种调速场合中应用较为广泛。

2.2 脉宽调制技术

脉宽调制技术（PWM）是变频调速技术的核心技术之一，在各种应用场合仍占主导地位。由于PWM 可以同时实现变压变频的特点，所以在交流传动乃至其它能量变换系统中得到广泛应用。现在应用比较成熟的PWM 控制技术大致可以分为正弦波PWM 法（SPWM）、消除指定次数谐波的PWM 法（SHEPWM）、电流滞环跟踪PWM 法（CHBPWM）和电压空间矢量（也称磁链追踪）PWM 法（SVPWM）等四种。下面具体来介绍SPWM 技术和SVPWM 技术的基本原理。2.2.1 正弦波脉宽调制（SPWM）技术

西南石油大学2008 届硕士学位论文效。SPWM 控制技术有单极性控制和双极性控制两种方式。

在图2.3 所示的单相桥式PWM 逆变电路中，四个全控型电力电子器件

VT1~VT4 的控制信号由PWM 控制器产生。在模拟电子电路中，PWM 控制器采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述SPWM 控制。在数字控制电路中，PWM 控制器由硬件和软件实现，通过“自然采样法”和“规则采样法” 等采样方式，控制电力电子器件的通断时间，就可以方便地实现各种PWM 控制。图2.3 单相桥式PWM 逆变电路

图 2.4 为单相桥式PWM 逆变器的双极性SPWM 波形，其中r u 为调制信号，c u 为载波信号。在调制信号与载波信号的交点处控制电力电子开关的开关状态，使得负载两端的电压uo在±Ud两种状态之间变化，通断时间变化则脉冲宽度也随之变化，改变调制波的频率，则负载两端的电压PWM 波形的频率也跟着变化。图2.4 单相桥式PWM 逆变器的双极性SPWM 波形

三相桥式电路的SPWM 控制原理和单相电路是一样的，它主要是从电源角度出发，追求一个频率和电压可调、三相对称的正弦波供电电源，但是在谐波抑制和电源电压利用率方面都不太理想。

2.2.2 电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术

由于交流电机需要输入三相正弦电流的最终目的是为了在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。如果将逆变器和电动机看成一个整体，按照跟踪圆形旋转磁场的方式来控制逆变器的工作，则控制效果会更好。而磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以这种控制方法又叫做电压空间矢量法，即SVPWM 法[2]。SVPWM 方法有较高的直流电压利用率以及较少的谐波等优点，下面具体讲述SVPWM 的基本原理。

交流电动机绕组的空间位置如图2.5所示，将电压定义为空间矢量A0 u、B0 u 和

C0 u。定子电压空间矢量A0 u、B0 u 和C0 u 的方向始终处于各相绕组的轴线上，而大小则随时间按正弦规律脉动，时间相位互相错开的角度也是120°，因此由三相定

子电压空间矢量相加合成的空间矢量S u（S A0 B0 C0 u = u + u + u）是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，是每相电压值的3/2 倍，旋转的速度为电源角频率1 ω。1 ω 2 d U 2 d U O' O 图2.5 电压空间矢量图2.6 三相电压型逆变电路

电机转速不是很低时，可近似忽略定子电阻压降，则电压空间矢量可表示为：)2(1 1 1 1(1)π ω ω ω ωψ ωψ ψ ψ + = = = = j t m j t m j t m S j e e dt d e dt u d（2.3）

式（2.3）中，m ψ 为磁链矢量ψ 的幅值，该式表明，当磁链幅值一定时，电压空间矢量的大小与供电电源的频率成正比，其方向与磁链矢量正交。所以，电机旋转磁场的轨迹问题可以转化为电压空间矢量的运动轨迹来求取。

图2.6 是一个典型的三相电压型逆变电路。利用该逆变电路的开关状态的顺

序组合以及开关时间的调整，以保证电压空间矢量圆形运行轨迹为目标，就可以产生谐波较少且直流电源电压利用较高的输出。该图中的VT1~VT6 是6 个功率开关管，a、b、c 分别代表3 个桥臂的开关状态。规定当上桥臂开关管“开”状态时（为了保护功率器件，此时下桥臂开关管必然处于“关”状态）开关状态为1，当下桥臂开关管“开”状态时开关状态为0。三个桥臂只有“1”或“0”两种状态，因此a、b、c 形成000、001、010、011、100、101、110、111 共8 种开关模式。CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 西南石油大学2008 届硕士学位论文其中000和111开关模式使得逆变器输出电压为零，故称这两种开关模式为零状态。可以推导出，三相逆变器输出的相电压矢量T A B C [U U U ] 与开关状态矢量 [a b c]T的关系为： ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤

⎢ ⎢ ⎢ ⎣

⎡ ⎥⎦⎤⎢ ⎥ ⎥

⎢ ⎢

⎣ ⎡ − − − − − − = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ c b a U U U U d C B A 1 1 2 1 2 1 2 1 1 3 1（2.4）

式（2.4）中，d U 为直流侧电源电压。

表2.1 列出了8 种开关状态与电压及电压矢量的关系，用表中的八组相电压矢量相加计算S u，则可以分别求出其电压矢量S u 的幅值与相位角。表 2.1 开关状态与电压及电压矢量关系对应表 a b c A U B U C U AB U BC U CA U α U β U 矢量符号

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 000 0 1 0 0 d U 3 2d U 3 1 d U 0d U 3 2 0 d Ud U 3 1 d U 3 2d U d U 0d U 3 2 d U 3 d U 3 1d U 3 2 0 180 U 0 0 1d U 3 1 d U 3 2 0d U 6 1d U 3 2 d U 3 1 d Ud U 2 1 300 U 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 111 0 表2.1 中八个矢量就称为基本电压空间矢量，依据其相位角的特点依次命名

为000 0、0 U、60 U、120 U、180 U、240 U、300 U 和111 0。其中000 0 和111 0 称为零矢量。

图2.7 给出了八个基本电压空间矢量的大小和位置，六个非零矢量组成一个正六边形，两个零矢量坐落在正六边形的中心。为了讨论方便，可以把逆变器的一个

工作周期用六个非零矢量划分成6 个区域，称为扇区（Sector），在图2.7 中用1~6 来表示，每个扇区对应的时间都是π 3。

表2.1 中的线电压和相电压都是在图2.5 中所示的三相ABC 坐标系中所得到的，在DSP中进行程序计算时，为了计算方便，需要将其转换到Oαβ 两相直角坐标系中。依据在每个坐标系下电动机的总功率不变的转换原则，将三相ABC 坐标 CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 基于DSP 的三相异步电动机变频调速系统研究与设计系中的相电压转换到Oαβ 直角坐标系中去，其转换结果见表2.1中的α U 和β U 项。α β(110)60 U(100)0 U(010)120 U(011)180 U(001)240 U(101)300 U 图2.7 基本电压空间矢量图

由式（2.3）可知电压空间矢量的方向与磁链矢量正交，沿着磁链圆的切线方向，如图2.8 所示，这是希望得到的理想圆形磁场磁链矢量和电压空间矢量。而如果逆变器在一个周期内只输出图2.7 中所示八个基本电压空间矢量时，显然定子磁链矢量S ψ 的矢端的运动轨迹是一个正六边形，电机定子的旋转磁场就是一个正六边形磁场而不是希望的圆形磁场。为了得到圆形磁场，一种方法就是用正多边形磁场去逼近圆形磁场，显然正多边形的边数越多近似程度就越好。

由于通过增加电力电子器件的数量来增加开关状态的做法不可取，所以非零

电压空间矢量的数量还是只有六个。想获得尽可能多的多边形旋转磁场就必须有更多逆变器开关状态，可以通过非零电压空间矢量的线性组合来得到更多的开关

状态。图2.9 中，1 U 和2 U 代表相邻的两个基本电压空间矢量，S U 是输出的参考相电压矢量，其幅值代表相电压的幅值，其旋转的角速度1 ω 就是输出正弦电压的角频率。S U 可由1 U 和2 U 的线性组合来表示，它等于1 0 t T 倍1 U 和2 0 t T 倍2 U 的矢

量和，其中1 t 和2 t 分别是1 U 和2 U 矢量作用的时间，0 T 是一个换相周期。S ψ 1 ω S u S u S u S u o 1 u 2 u 600 θ S u 1 0 u T t 2 0 2 u T t cosθ S u sinθ S u 图2.8 旋转磁场和电压空间矢量的运动轨迹图2.9 电压空间矢量的线性组合按照这种方式，在下一个0 T 期间，仍然用1 U 和2 U 的线性组合，但是作用时间 CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 西南石油大学2008 届硕士学位论文 11 改为' 1t 和' 2 t，但是它们必须保证新合成的电压空间矢量' S U 和原来的电压空间矢量

S U 的幅值相等。如此下去，在每一个扇区的每一个0 T 期间内，都改变相邻基本矢量作用的时间，当0 T 取到足够小时，电压空间矢量的轨迹就是一个近似圆形的正多边形，定子磁链矢量矢端轨迹也就是一个近似的圆形了。

这样，就可以用电压空间矢量脉宽调制技术来控制三相异步电机的运行，采用SVPWM 控制时，逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，这比一般的 SPWM 逆变器输出电压提高了15%[2]。

2.3 矢量控制技术

基于稳态数学模型的异步电机变频调速系统虽然能够在一定范围内实现平滑调速，但是遇到动态性能要求高的场合就不能满足技术指标了。异步电机是一个多变量（多输入多输出）系统，而电压、电流、频率、磁通、转速之间又互相都有影响，所以是强耦合的多变量系统，要简化其数学模型须从简化磁链关系入手。直流电机的主磁通基本上唯一地由励磁绕组的励磁电流决定，这是直流电机的数学模型及其控制系统比较简单的根本原因。如果能将交流电机的物理模型（见图2.10）等效地变换成类似直流电机的模式，分析和控制就可以大大简化。2.3.1 矢量控制原理

任意多相绕组通以多相平衡的电流，都能产生旋转磁场[1]。交流电机三相对称的静止绕组 A、B、C 通以三相平衡的正弦电流时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势FS，它在空间呈正弦分布，以同步转速ω

1（即电流的角频率）顺着 A-B-C 的相序旋转，如图2.10 中的a 图所示。图2.10 的b 图中绘出了两相静止绕组α 和 β，它们在空间互差90°，通以时间上互差90°的两相平衡交流电流，也产生旋转磁动势FS。当图a 和图b 的两个旋转磁动势大小和转速都相等时，即认为图b 的两相绕组与图a 的三相绕组等效。o A B

C FS a i c i b i 1 ω o FS α β α i β i 1 ω d q O sm i st i a)b)c)FS 1 ω

流电流 ism 和ist，产生合成磁动势FS，其位置相对于绕组来说是固定的。如果让包含两个绕组在内的整个铁心以同步转速ω 1 旋转，则磁动势FS 自然也随之旋转起

来，成为旋转磁动势。把这个旋转磁动势的大小和转速也控制成与图a 和图b 中的磁动势一样，那么这套旋转的直流绕组也就和前面两套固定的交流绕组都等效了。当观察者也站到铁心上和绕组一起旋转时，在观察者看来d 和q 就是两个通以直流而相互垂直的静止绕组。如果控制磁通的位置在d 轴上，就和直流电机物理模型没有本质上的区别了，绕组d 相当于励磁绕组，绕组q 相当于电枢绕组。矢量控制也叫磁场定向控制，在磁场定向坐标系上，将电流矢量分解成产生

磁通的励磁电流分量ism 和产生转矩的转矩电流分量ist，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样，交流电动机的控制，从原理和特性上就与直流电动机相似了，这就是矢量控制的核心思想。2.3.2 坐标变换及变换矩阵

矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实现仍然是落实到对定子

电流（交流量）的控制上。由于在定子侧的各物理量（电压、电流、电动势、磁动势）都是交流量，其空间矢量在空间上以同步转速旋转，调节、控制和计算均不方便。因此，需借助于坐标变换，使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，站在同步旋转的坐标系上观察，电动机上的各空间矢量都变成了静止矢量，在同步旋转坐标系上空间矢量就都变成了直流量。可以根据转矩公式，找到转矩和被控矢量的各分量之间的关系，实时地计算出转矩控制所需的被控矢量的各分量值（直流给定量）。按这些给定量实时控制，就能达到直流电动机的控制性能。由于这些直流给定量在物理上是不存在的、虚构的，因此，还必须再经过坐

标的逆变换过程，从旋转坐标系回到静止坐标系，把上述直流给定量变换成实际的交流给定量，在三相定子坐标系上对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。矢量控制中所用的坐标系有两种，一种是静止坐标系，一种是旋转坐标系。下面具体来讲述矢量控制中的坐标变换。（1）Clarke（3/2）变换

Clarke 变换是三相静止绕组A、B、C 和两相静止绕组α、β 之间的变换，或称三相静止坐标系ABC 和两相静止坐标系oαβ 之间的变换，简称 3/2 变换。设三相绕组轴线设定如图2.11 示，A 相绕组轴线与α 相绕组轴线重合，都是

静止坐标系。它们分别对应的交流电流为a i、b i、c i 和α i、β i。采用磁动势分布和

⎢ ⎢

⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦

⎤

⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − − = ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ C B A β 2 3 2

0 3 2 1 2 1 1 3 2 i i i i iα（2.5）

其逆变换(Clarke-1，也称2/3变换)公式为： ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣

⎡

⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦

⎤

⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − = −

⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤

⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ β α i i i i i C B A 2 3 2 2 3 2 1 1 0 3 2（2.6）

（2）Park（2s/2r）变换

由两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换称为Park 变换。oαβ 为静止坐标系，odq 为以任意角速度1 ω 旋转的旋转坐标系。oαβ 静止坐标系变换为odq 旋转坐

标系时，坐标轴的设定如图2.12 所示，图中ϕ 为α 轴与d 轴之间的夹角。d、q 绕组在空间垂直放置，且分别加上直流id 和iq，并让odq 坐标以同步转速1 ω 旋转，则其产生的磁动势与oαβ 坐标系下的磁动势等效。d 轴和α 轴的夹角ϕ 是一个变量，随负载、转速等变化而变化，在不同的时刻有不同的值。600 600 α β α i a i β i c i b i ϕ 1 ω α β α i β i d i q i ϕ cosϕ d i sinϕ d i

sinϕ q i cosϕ q i

图2.11 三相静止绕组图2.12 两相静止绕组

与两相静止绕组的坐标关系和两相旋转绕组的坐标关系 Park 变换可以写成矩阵形式，其公式如下： ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ −

= ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ β α q d sin cos cos sin i i i i ϕ ϕ ϕ ϕ

（2.7）

Park逆变换（Park-1，也称2r/2s 变换）的公式如下： ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ −

= ⎥⎦ ⎤

⎢⎣ ⎡ β q α sin cos cos sin i i i i d ϕ ϕ ϕ ϕ（2.8）

电压和磁链的Clarke 和Park 变换矩阵也和电流（磁动势）的旋转变换矩阵一样。经过坐标变换后，三相异步电动机的数学模型就可以大大简化，为实现电动机的精确矢量控制提供了条件。

通过上一章对三相异步电动机矢量控制调速原理的分析，可以建立一个完整的矢量控制变频调速系统。矢量控制系统的原理框图如图3.1 所示，图中为一个带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统。ASR ATR AΨR 2r/2s park −1 * st i * sβ i 2/3 * sA i * sm i clarke−1 M FBS * sα i *

sB i * sC i ω ω* ω +T-PI PI 三相逆变桥

M，T M，T a,b,c VDC smref i stref i smref v stref v s ref v α s ref v β st i sm i sα i sβ i cm θ a i b i ref n

park α ,β α ,β

n n 图5.1 DSP 实现异步电机矢量控制结构框图

在图 5.1 中，通过电流传感器测量IPM 输出的定子电流a i 和b i，经过DSP 的

A/D转换器转换后变成数字量，并利用()c a b i = − i + i 计算出c i。经过Clarke 变换和 Park 变换后，三相电流a i、b i 和c i 变成两相同步旋转坐标系中的直流分量sm i 和st i，sm i 和st i 作为电流环的负反馈量。通过2048 线的增量式旋转编码器测量电动机的机械转角位移并将其转换成电动机转速n。利用转子磁链位置计算模块算出转子磁链位置，用于参与Park 变换和Park 逆变换的计算。给定转速ref n 与转速反馈量n 的偏差经过速度PI 调节器，其输出作为用于转矩控制的电流T 轴参考分量stref i。stref i 和smref i 与其反馈量st i 和sm i 的偏差经过电流PI 调节器后，分别输出OMT 坐标系下的相电压分量stref v 和smref v，stref v 和smref v 再通过Park逆变换转换成oαβ 坐标系下的

定子相电压矢量分量s ref v α 和s ref v β。当定子相电压矢量分量s ref v α、s ref v β 和其所在的

PWM 信号去控制逆变器的运行。

图5.2 矢量控制变频调速系统主程序流程图

本设计中，主程序模块主要包括系统初始化和 DSP 与PC 机通信两部分。其中初始化部分包括系统配置初始化、中断初始化、各个矢量控制算法模块的初始化、各个控制寄存器置初值、运算过程中使用的各个变量分配地址和设置相应的初值等。主程序完成的工作相对较少，其程序流程图如图5.2 所示，当开启定时

器中断后，主程序就负责循环读取PC 机传送过来的转速（或频率）和磁通给定量，在循环的过程中等待中断。当系统出现故障时，程序禁止PWM 口输出SVPWM 波，同时将故障情况通过串口传送给PC 机显示出来。

TMS320LF2407A DSP 除了可以通过硬件中断源来引发中断，还可以通过软件来实现中断。中断可分为不可屏蔽中断和可屏蔽中断，对于不可屏蔽中断，一旦有中断请求，CPU 立即响应。中断子程序的多数中断都是可屏蔽中断[2]。TMS320LF2407A DSP 的可屏蔽中断结构比较复杂，它采用CPU 中断和外设 CopyRight 2008 Library of SouthWest Petroleum University 西南石油大学2008 届硕士学位论文

中断两级中断结构。它有6 个CPU 中断源（INT1~INT6），这些CPU 中断源作为顶层中断，还有38 个外设中断源，它们作为底层中断。实际上外设中断才是真正的中断源，它们必须通过顶层中断向CPU 发出中断申请，即通过6 个CPU 中断来扩展38 个外设中断，几个外设中断共用一个CPU 中断作为中断入口。当这几个外设中的某几个中断源同时产生中断申请时，它们中优先级最高的获得CPU 中断的响应，硬件自动地转向这个CPU 中断入口地址（中断向量地址），同时将这个

浅论三相异步电动机的机械特性、启动、制动与调速(胡军波)

第一篇：浅论三相异步电动机的机械特性、启动、制动与调速(胡军波)

第二篇：关于三相异步电动机调速与制动问题的研究

第三篇：浅谈三相异步电动机调速与制动问1

第四篇：基于DSP的三相异步电动机变频调速系统研究与设计

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