实验九 基于DSP的
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）的感应电机开环变压变频（VVVF）调速系统的工作原理、优缺点及应用场合。
3．掌握采用磁场定向控制（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系统稳态与动态特性以及有关控制参数变化的影响。
5．掌握感应电机变频调速系统的实验研究方法，包括虚拟仪器的使用。
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。并通过仔细阅读“MCL-13(V1.1)上
位机程序使用说明”，熟悉在上位机界面上进行实验操作的方法。
2．采用正弦脉宽调制（SPWM）的开环VVVF调速系统的实验研究：
（1）分别在不同调制方式（同步、异步和分段同步）下，观测不同调制方式与有关参数变化对系统性能的影响，作比较研究：
①在同步调制时，观测载波比变化对不同速度下，定子磁通轨迹的影响；
②在异步调制时，观测载波频率变化对不同速度下，定子磁通轨迹的影响；
③在分段同步调制时，改变频率分段与各段载波比，观测不同速度下定子磁通轨迹的变化。
④比较不同调制方式的优缺点，总结参数调试经验。
（2）测取系统稳态机械特性n=f (M)；
（3）观测并记录启动时电机定子电流和电机速度波形i v=f (t)与n=f (t)；
（4）观测并记录突加与突减负载时的电机定子电流和电机速度波形i v=f (t)与n=f (t)；
（5）观测低频补偿程度改变对系统性能的影响。
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：
（1）~（5）同前2。
4．采用磁场定向控制（FOC）的感应电机变频调速系统的研究：
（1）在默认参数下，测取系统的稳态机械特性n=f (M)，观察定子磁通轨迹；
（2）观测并记录启动时电机定子电流和电机速度波形i v=f (t)与n=f (t)；
（3）观测并记录突加与突减负载时的电机定子电流和电机速度波形i v=f (t)与n=f (t)；
（4）研究速度调节器参数（P、I）改变对系统稳态与动态性能的影响；
（5）研究电流调节器参数（P、I）改变对系统稳态与动态性能的影响；
（6）研究转子回路时间常数（T2=L r/R r）改变对系统稳态与动态性能的影响；
5．采用直接转矩控制（DTC）的感应电机变频调速系统的研究：
面包包装袋（1）~（4）同磁场定向控制系统；
（5）研究转矩与磁通调节器滞环宽度改变对系统稳态与动态性能的影响；
（6）研究定子电阻变化对系统稳态与动态性能的影响；
6．对以上不同控制方式下感应电机变频调速系统的性能进行比较研究。
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7—5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，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7—5
四．实验设备和仪器
1．MCL系列教学实验台主控制屏。
2．MCL-13闭环变频系统组件。
3．电机导轨、直流发电机
4．MEL—03三相可调电阻器(或自配滑线变阻器450Ω，1A)
5．异步电动机M04（含高分辨率编码器）
6．双踪示波器
7．上位机和通讯联接线（选件，机内安装有实验所需软件）。
五．实验步骤
1．参看图7-6，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。（有上位机时，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(要求电位器逆时针旋到底)。
3. 连接PC与DSP之间的串口线，开启PC机。启动MCL-13(V1.1)软件
3．开环变频系统性能测试
（1）必须在接线检查无误后，合上MCL－13组件左下方的电源开关，联机。这时系统缺省设置为开环变频调速系统的SPWM控制同步调制方式状态。
（2）使用上位机软件对电机进行控制。
（3）测定电机线电压、线电流波形。（测试孔i v或i w与地之间波形）
（4）测定定子磁通分量φαφβ波形(X-Y轴显示)。
（5）测定突加或突减给定时的i v=f (t)与n=f (t)
（6）突加与突减负载时的i v=f (t)与n=f (t)测试：
负载加至1/2额定负载，在突加与突减负载条件下，观察并描绘i v=f (t)与n=f (t)波形5．闭环变频调速系统采用磁场定向控制时的性能测试：
停机，选择磁场定向控制按钮，使系统工作在50HZ，然后进行以下测试：
（1）测量电动机线电压、线电流、气隙磁通分量φα和气隙磁通φ的波形。
（2）观察与描绘突减与突加给定时的i v=f (t)与n=f (t)波形。
（3）观察与描绘突加与突减负载时的i v=f (t)与n=f (t)波形。无胆饮水机
（4）改变速度和电流环PID调节器的控制参数，观察对系统性能的影响。
6．闭环变频系统采用直接转矩控制时的性能测试：
停机，选择磁场定向控制按钮，使系统工作在50HZ，然后进行以下测试：
（1）测量电动机线电压、线电流、气隙磁通分量φα和气隙磁通φ的波形。
（2）观察与描绘突减与突加给定时的i v=f (t)与n=f (t)波形。
（3）观察与描绘突加与突减负载时的i v=f (t)与n=f (t)波形。
（4）改变速度环PID调节器的控制参数与转矩、磁通滞环控制器的容差，观察控制参数变化对系统性能的影响。
六、实验报告
1．分别画出50HZ时开环变频调速系统，磁场定向控制变频调速系统及直接转矩控制变频调速系统的下述波形：
（1）电动机线电压、线电流波形；
（2）定子磁通分量φα和定子磁通φ的轨迹；
（3）突加与突减给定时的i v=f (t)与n=f (t)；
（4）突加与突减负载时的i v=f (t)与n=f (t)。
2．根据实验数据，试分别对开环变频调速系统、磁场定向控制变频调速系统以及直接转矩控制变频调速系统的优缺点与适用场合，作一分析比较。
3．分别对磁场定向控制变频调速系统及直接转矩控制变频调速系统，分析有关参数改变对系统性能的影响。
4．实验的收获、体会与改进意见。
七．附图
上位机控制面板图：
拳击架
手指假肢
三相马达
平板显示
各类控制策略内部参数给定:
SPWM模式同步调制下: 载波比
异步调制下: 开关频率
混合调制下: 三段同步调制的频率切换值，每一段的载波比 空间矢量模式同步调制下: 载波比
异步调制下: 开关频率
混合调制下: 三段同步调制的频率切换值，每一段的载波比 磁场定向模式下：速度环抗饱和PI调节器:P参数I参数
电流环抗饱和PI调节器: P参数I参数
转子电阻
直接转矩模式下: 速度环抗饱和PI调节器:P参数I参数
转矩滞环容差
磁通滞环容差
定子电阻
各类波形捕捉
SPWM模式下的A相电流波形、B相电流波形和转速波形
空间矢量模式下的A相电流波形、B相电流波形和转速波形
磁场定向模式下的A相电流波形、B相电流波形、转速波形、α相磁通、β相磁通。
直接转矩模式下的A相电流波形、B相电流波形、转速波形、α相磁通、β相磁通。
波形捕捉最多可以同时显示两条曲线，可以选择一条或者选择不显示曲线。
波形捕捉可以选择为循环显示或者只显示单次
波形捕捉可以选择为X-Y或者Y-t显示，在X-Y模式下可以观察磁通轨迹圆图。
豫公网安备41160202000603
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