修改后矿山带式输送机变频控制系统设计(...完成5

矿山带式输送机变频操作系统设计摘要第三次科技革命被称之为电子革命。电子设备运用到社会生活的各个方面。工厂、矿山等重工业生产的产品在利用传统的生产工具的基础之上与现代电子生产设备相结合。变频器是一种数字式变频运转设备及相关的散热技术为一体的高新技术产品。用在链式运转器上能够降低对输送带带强的要求，减少先期投入，可延长运转器使用使用周期。变频器具有明显的节能效应，实现经济运行，变频器工作时，可根据电机的负荷变化，调整电机工作电源电压和周期，达到所需转矩。用变频器对矿井下-845主运传输带运输机变频器机继电操作系统的改造阐述变频器在产品性能、运行周期的功率、及后期正常维护的优越性，希望本文的研究对后期这方面的研究提供一定的可行性文献。关键词：带式输送机、变频器、改造、干扰Abstract: drive (mine flameproof and intrinsically safe AC inverter) Rated voltage 660V AC 50Hz, or 1140V asynchronous motor heavy-duty soft start, soft stop and running speed control, starting current, stable starting speed, start time is adjustable, small impact on power, reliable starting performance. Is a digital frequency control devices and related cooling technology as one of the high-tech products. Used in belt conveyor can reduce conveyor belt requirements, reduce upfront investment to extend the conveyor life. Converter with energy-saving effect, economic operation, the inverter operates according to the motor load changes, adjust the motor supply voltage and frequency to achieve the required torque. Explained the transformation of the mine -845 main transport belt conveyor AC motor relay control system with inverter inverter in product performance, the efficiency of the running cycle, and the superiority of the latter part of normal maintenance, and hoped that this paper late provide feasibility Document.Keywords: belt conveyor, the drive, the transformation of interference目 录摘要1Abstract11. 矿山带式输送机变频操作技术及其应用32. 矿山带式输送机变频操作系统的主要特点及工作要求43.矿山带式输送机变频操作运转方式63.1 V/f协调操作63.2变量操作73.3直接转矩操作73.4静止传感器变量操作74. 矿山带式输送机变频操作操作策略分析84.1 Uf操作.84.1.1异步传感器的工作原理及其等效电路84.1.2维持Uf常数的简单开环操作104.2静止传感器变量操作124.2.1基本原理124.2.2静止变电器变量操作总体方案134.2.3有速度变电器变量操作方案164.3建模与仿真174.3.1静止变电器变量操作系统仿真175. 矿山带式输送机变频操作功率平衡及设计方法185.1 常用计算比较185.2 等效范围法195.3 操作规律 215.4 硬件结构： 215.5 系统软件设计 225.6实验及结论 235.7计算的原理 245.8 计算的分析及其在DSP上的实现 255.9变频系统的最终实现 276.矿山链式运转器变频操作运转自动操作系统总体设计376.1总体说明376.2设计依据及设计原则376.2.1本电控系统设备符合下列标准的规定和要求：376.3系统技术参数386.3.1主要技术参数386.3.2工作生态条件386.3.3贮运气候生态条件386.4电控设备总体技术方案386.4.1总体技术方案386.4.2操作系统396.4.3主要操作单元396.5系统特点396.6主要电控设备的主要特点406.7运行效果及分析417结语42参考文献42第一章 矿山带式运转器变频操作技术及其应用利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一周期的电能操作设备称为双逆变电运转技术，是一种无附加转差损耗的高效运转方式，将工频变频器压变为恒定电流压则通过整流桥，再由逆变器转换为周期、电压可调的变频器压作为变频器机的驱动电源，让传感器在不可以工作情况下获得所需电压和电流，根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速、减速来实现变频器提高工作功率。结合了微机技术、电力电子技术和电机传动技术的应用，将强弱电混合、机电一体的综合性技术，在能源危机中从而卓越发展。链式运转器的最新发展方向时一呈现长距离、大运量、高速度、集中操作等特点。同其他运输设备(如机车类)比较，其特点不仅具有长距离、大运量、连续运输，并且运行可靠，方便实现自动化和集中操作，经济效益尤为显著。作为煤矿最理想的高效连续运输设备链式运转器，尤其是大型矿井的煤矿高产高效现代化，在煤炭高效开采机电一体化技术与装备中链式运转器己成为关键设备。理论研究和产品开发为煤矿现代化发展和需求提供了技术支持，如大倾角固定链式运转器、高产高效工作面顺槽可伸缩链式运转器及长运距、大运量链式运转器及其关键技术、关键零部件，利用动态分析技术和中间驱动与智能化操作等技术，成功的研发软启动和制动设备以及DRA操作为核心的电控设备，同时井下大功率防爆变频器也已经进入研发、试制阶段。链式运转器各项技术的提高直接推动了高产高效矿井的发展.本文在对常规上运链式运转器驱动及制动方案的理论研究的基础上，提出长运距、大运量上运链式运转器常见驱动方式和制动方法，通过系统的动态建模评价和仿真分析，结合了静态设计结论和动态分析结果，指出长运距、大运量上运链式运转器启动、运行和制动过程中出现的状况，提出可行性操作理论和解决方案。在井下上运链式运转器原理及应用了解基础上，在煤矿中目前最理想的运输工具链式运转器，其特点是距离、大运量、连续运输、运行可靠、易于实现自动化和集中操作，同其他机械设备毫无可比性，在今后总体设计、CAD画图等方面做了充足的准备。煤矿的经济效益和生产功率随着我国经济迅速健康发展在提升，作业危险降低，煤矿实现现代化生产的重要目标便是发展链式运转器。 第二章 矿山带式输送机变频操作系统的主要特点及工作要求变频运转是近年来兴起的一门新技术，它是通过改变电源周期来实现速度的调节，因其具有运转平稳、瞬态稳定性高、节能等特性越来越被人们所重视。随着变频运转技术的不断成熟，变频运转设备在传输带运输设备上的应用也越来越广泛。传输带运输变频运转操作设备具有以下特点：1）真正实现了链式运转器系统的软起动。运用变频器的软起动功能，将电机的软起动和传输带机的软起动合二为一，通过电机的慢速起动，带动运转器缓慢起动，将传输带内部贮存的能量缓慢释放，使运转器在起动过程中形成的张力波极小，几乎对传输带不造成损害。2） 实现链式运转器多电机驱动时的功率平衡。应用变频器对运转器进行驱动时，一般采用一拖一操作。当多电机驱动时，采用主从操作，实现功率平衡。传输带运转器综合保护系统能够很好的与变频器实现接口操作，通过功率平衡调节软件能够使一条传输带运转器上的多台变频器的外传功率保持一个稳定的状态，使传输带运转器的运行功率得到提高，而且能够及时发现传输带运行过程中的机械磨损问题。3）降低传输带强要求。采用变频器驱动之后，由于变频器的起动时间在1S3600S可调，通常运转器起动时间在60S200S内根据现场设定，运转器的起动时间延长，大大降低对传输带带强的要求，降低设备初期投资。4） 降低设备的维护量。变频器是一种电子器件的集成，它将机械的使用周期转化为电子的使用周期，使用周期很长，大大降低设备维护量。同时，利用变频器的软起动功能实现链式运转器的软起动，起动过程中对机械基本无冲击，也大大减少了传输带运转器系统机械部份的检修量。5） 启动平滑，转矩大，没有冲击电流，可实现重载启动。6）节能。在链式运转器上采用变频驱动后的节能效果主要体现在系统功率因数和系统功率两个方面。（1）提高系统功率因数通常情况下，煤矿用电机在设计过程中放的裕量比较大，工作时绝大部分不能满载运行，电机工作于满电压、满速度而负载经常很小，也有部分时间空载运行。由电机设计和运行特性知道，电机只有在接近满载时才是功率最高、功率因数最佳，轻载时降低，造成不必要的电能损失。这是因为当轻载时，定子电流有功分量很小，主要是磁场的无功分量，因此功率因数很低。采用双逆变电驱动后，在整个过程中功率因数达0.9以上，大大节省了无功功率。（2）提高系统功率采用双逆变电驱动之后，电机与减速器之间是直接硬联接，中间减少了液力耦合器这个环节。而液力耦合器本身的传递功率是不高的，且主要是通过液体来传动，液体的传动功率比直接硬联接的传动功率要低许多，因而采用双逆变电驱动后，系统总的传递功率要比液力耦合器驱动的功率要高5%10%。另外，矿井通常离变电站距离较远，不同时段电压波动较大，利用双逆变电的自动稳压功能，也有部份节能作用.综上所述，采用链式输送变频运转操作技术来改造传统的链式运转器驱动系统，不仅在技术的先进性还是带来的社会及经济效益方面都是巨大的，随着变频运转技术的不断成熟，在链式运转器的驱动上双逆变电将占主导地位。红阳三矿井下-845主运链式运转器是矿井理想的高效连续运输设备,对矿井生产起决定性作用。工艺要求:1）实现快速的起制动。2）平滑的无级运转特性。3）电力拖动操作系统在最高转速和最低转速的范围内自动调节速度,并要求在不同转速下工作时,速度稳定。4）系统在某一转速上稳定运行时,能克服负载的扰动、电源电压波动等因素对系统的影响。在20世纪90年代,由于变频器操作技术及市场产品还没有得到推广应用,因此选用了高压直起对-845主运链式运转器进行运转操作。但在多年的运行中,高压直起操作系统存在动态特性差,故障率高,维护困难等缺点,主要表现在以下方面:（1）操作系统集成化程度低、分立元器件多,体积大,元器件易受生态温度、粉尘、振动等因素的影响,操作精度低。（2）操作单元插件板常出现接触不良故障。（3）系统操作回路为继电操作回路,故障率高。（4）高压真空电磁起动器结构复杂,维修成本高、维护故障量大。（5）系统运行的可靠性和稳定性差。因此，为了解决以上问题,提出了-845主运链式运转器采用变频器操作的改造要求。第三章 矿山带式输送机变频操作运转方式第一节 V/f协调操作 双逆电源器的感应电势E=4.44Nf（N为绕组有效匝数）。忽略定子绕组的阻抗，定子电压UE=4.44Nf。当改变周期f运转时，如电压U不变，则会影响磁通。例如，当变频器供电周期降低时，若保持变频器的端电压不变，那末变频器中的匝数将增大。由于变频器设计时的磁通选为接近饱和值，匝数的增大将导致变频器铁心饱和。铁心饱和后将造成变频器中流过很大的磁场电流，增加铜耗和铁耗。而当供电周期增加，变频器将出现欠磁场。因为T=CmI2cos2（Cm为变频器结构决定的转矩系数，I2为转子电流折算值，cos2为转子功率因数），磁通的减小将会引起变频器外传转矩的下降。因此，在改变变频器的周期时，应对变频器的电压或电势同时进行操作，即变压变频（VVVF）。 V/f协调操作可近似保持稳态磁通恒定，方法简单，可进行变频器的开环速度操作。主要问题是低速性能较差。因为低速时，异步传感器定子电阻压降所占比重增加，已不能忽略，不能认为UE，这时V/f协调操作已不能保持恒定。 由于V/f协调操作是依据稳态关系得出，因而动态性能较差。如欲改善V/f协调操作的性能，需对磁通进行闭环操作。第二节 变量操作 根据T=CmIa，磁场和电枢绕组在空间位置上互差90各自独立性，将机械能转化为电能是导致恒定传感器的优良启动性和运转性能恒定传感器的作用，而恒定传感器的性能与其磁场方式紧密相联，当磁场与电枢绕组在没有电情况下，那么另外恒定电流源供给磁场绕组，所以，电枢端电压或电枢电流对磁场电流不造成影响。由于恒定传感器存在电磁转矩，因此改变转矩只要操作点数电流或电枢电压。由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩是异步传感器,转子绕组不需与其他电源相连是它主要特点，其定子电流直接取自变频器力系统。以一种变频器机，它负载时的转速与所接电网的周期之比不存在恒定关系，因此电磁转矩与定子电流并不成比例。依照恒定传感器的操作原理是变量操作的思路，将变频器机的动态数学方程式进行坐标变换，包括三相至二相的变换（3/2）和静止坐标与旋转坐标的变换，将定子电流从而分解成磁场分量和转矩分量（解耦），则可以根据可测定的传感器定子电压、电流的实际值通过评价得出，然后闭环操作分别和设定值一起构成，通过调节器的作用，再经过坐标反变换，变成定子电压的设定值，做到了逆变器的PWM操作。所以变量操作和恒定传感器同样有着优异操作性能。第三节 直接转矩操作 分别操作异步传感器的转矩和磁链也是直接转矩操作，只是它选择定子磁链作为被操作的对象，并不像变量操作系统那样选择了转子磁链，因此可以直接在定子坐标上评价与操作交流传感器的转矩。即通过实时检测磁通幅值和转矩值，分别与给定值比较，通过磁通和转矩调节器直接外传，PWM逆变器的空间电压变量同时形成，对磁链和转矩的直接闭环操作实现了。电压操作和周期操作它不可以分开，也不追求单相电压的正弦，而是把逆变器和电机视为一体，前提是以三相波形总体生成，使磁通、转矩跟踪给定值，磁链逼近圆形旋转磁场。 坐标变换直接转矩操作不可以，转子参数变化对其也没影响，结构简单的操作器，却依旧有良好的静、动态性能。第四节 静止传感器变量操作 1) 转子磁通的变换必须根据定向的坐标进行；2) 由传感器电压模型(即电压指令给定)保证磁场方向和转矩的设定值外传；3) 转速闭环、磁通开环、间接磁场定向的系统设置操作简单，易于完成；4) 在转速环中，传感器电压的静态模型与电流的动态调节分离，可以减低传感器参数变化对电流动态调节的影响，提高系统的鲁棒性；5)通过对电流进行PI调节来补偿电压外传，在低频段切入电流环，来降低动态过程中负载和传感器参数对动态特性的影响，增加响应的快速性：6) 传感器转速推算基于对转子磁通在两相静止坐标系下相位的观测。 整个操作过程比较容易，具体的操作效果取决于传感器参数设置的精确性，以及对传感器参数的温度补偿设计，同时由于磁通的开环，系统操作有其局限性。大体上，该方案简单且易于操作，具体的精度设置提高改进，整体方案的性能也会进一步得到提升，以下为具体的推论：只有满足变换前后功率守恒，坐标方可变换。在电压和电流选取系统变换阵的条件下，功率守恒的坐标变换属于正交变换，也可证明。先在规定好3s2s坐标中变换标记好可以两组坐标的相对位置，通常规定口轴与A轴重合同向，如图45所示。设三相系统每相绕组的有效匝数为M，二相系统每相绕组的有效匝数为，有效匝数及其瞬时电流的乘积极为各相所求磁动势，其空间变量则位于相对应的坐标轴上。第四章 矿山带式输送机变频操作策略分析高压变频有两种主要方法可进行操作：一，标量操技术是基于交流传感器稳态数学模型中建立的；二，交流传感器动态数学模型可以建立使用变量操作技术。在操作标量时，则采用传感器的压频比来对其操作，在风机水泵等负载选择的高压变频运转此技术也经常得到应用。高压变频产品指标系数要求较高时，则采用变量操作方案：其变量操作技术在耦操作的静止传感器有一定了解方可采用。第一节 Uf操作 第一小节 异步变电器的工作原理及其等效电路旋转磁场的产生，是当三相异步传感器定子的三相电流通入三相对称绕组内获得平衡输出时，便有恒定的三相合成磁动势的幅值，磁动势幅值是每相脉变的32倍，以此看来旋转磁场则是圆形的，当传感器定子电流达到最大值时与合成磁动势的方向其绕组轴线相互重合，就可以判断电流相位顺序与磁场旋转方向有关，如果随意调整将两相电源线那么相对的旋转磁场转向都会改变。旋转磁场的转速即为传感器的同步转速)(rmin） （4.1）式中，可见到传感器的极对数；Z为定子电流周期(Hz)。感应电动势在定子相绕组中的有效值为 （4.2）式中，lk。为定子相绕组等效匝数；Q。为每极气隙磁通量(wb)。感应电动势中转子相绕组，转子不动时 （4.3）当转子旋转时，转子相绕组中的感应电动势 （4.4）式中，正为转子绕组感应电动势的周期(Hz)： s为转差率； （4.5）式中n为转子转速(rmin)。将转子侧折算到定子侧后可以得到异步传感器每相的等效电路，异步传感器的电磁转矩 (4.6)式中，五口为定子相绕组漏抗(Q):U为电子相电压(v)；将定子每相电阻和转子折合到定子侧的转子每相电阻(Q)。一般运行过程中交流传感器转差率s较小，此时可以忽略式(46)分母中所有含有s的项，则该式可以简化为 （4.7） 在额定电压和基频产生联系时，图42所示即表示了传感器机械特性曲线。式(47)是该图曲线中右侧的直线段的数学描述，传感器正常工作时，如果不在对应的区域内，传感器则容易进入不稳定的工作状态。第二小节 维持Uf：常数的简单开环操作无论是恒定传感器还是交流传感器以及交流传感器的标量和变量操作技术中，传感器的磁场操作都是必须考虑的因素，一般情况下，在运转的过程中保持传感器的每极气隙磁通量。通过设定具体的额定值，从而保证传感器铁心的充分利用。 由式(42)可知，如要保持两极系数不变，则在调节传感器定子电源周期Z的同时，必须保持UZ=常数。异步传感器定子电路的电压平衡方程为 (4.8)式中，输入对应的定子阻抗，在周期较高时，可以忽略定子阻抗上的数值变化影响，因而近似有 （4.9）由式(49)可知，为不使传感器的磁通过小或饱和，在改变周期的同时，必须对端电压进行操作。对于恒转矩负载，若保持U1 =常数，则可同时保证气隙磁通、外部转矩和过载能力都不变。但是在周期较低时，由于传感器的反电动势巨较小，式(48)中的电阻的影响不可忽略，此时可以把传感器的端电压U适当提高，以补偿定子电阻数值变化的影响，这种方式成为转矩提升。采用u厂操作时，传感器的特性如图43所示。将式(41)、式(45)代入式(47)，并化简可以得到 （4.10）当采用U1方式操作拖动恒转矩负载时，传感器带载后的转速降落，基本上不会随着在不同输入周期点上而发生改变，所以U1操作方式的传感器外传机械特性具体呈现是在图42相平行的曲线。 传感器拖动的类别和用途不同，对于风机和泵类的负载，其负载转矩随着转速的降低大多是以二次方的关系下降，对这类负载，在运转的同时，从系统的功率最高的角度将，其在低周期时可以采用弱磁操作方式，此时设定的U厂不再是一个常数，根据实际可以的产生设计出相对应的产品。 一般标量操作的高压变频器设备均设有自备几套压频曲线供用户选择，有些还可以由用户自行设计压频曲线。高压变频器在实际操作过程中考虑到可能带来的问题和危险需要由专业人员在一旁进行指导。第二节 静止变电器变量操作经过多年的开发研究，在低压变频器领域中，变量操作的技术的成熟应用已经极为广泛。在目前的高压变频器应用中，大多数都还在采用标量操作的方法，那么在此基础上不断的研发进步，并通过市场和产品的统一规划来看，对变量操作的应用已经逐步接近于目前较为成熟的恒定传感器，但由于三相异步传感器其原理是一个多变量、强耦合的复杂系统，相对较难操作。而变量操作则在这一基础上解决了难题，其原理是通过一系列坐标变换将异步传感器的数学模型从三相静止坐标系下变换到两相旋转坐标系下，与通过分别操作传感器的磁通和转矩外传来实现交流异步传感器的高性能操作的恒定传感器原理相类似。其坐标的变换还是依附于动态数学模型的变换，而坐标变换则基于磁通等效原理。事实上，三相静止绕组与三相变频器相通，两相静止绕组与正交变频器相通的方式其实都能产生旋转磁场，以此看来，两相旋转的绕组中与恒定电流相通必然也能产生磁场。那么在两相旋转坐标系中传感器电流电压都变为恒定电流时，传感器模型就简单化了。在国内外变频器变量操作方案中，多采用定向于转子磁链并随之同速旋转的MT坐标系。在这个坐标系中，规定传感器的d轴沿转子总磁链变量甲，方向，称之为M轴(磁通轴)；传感器的q轴则逆时针旋转90。垂直于甲，称之为T轴(转矩轴)。通过推算可以得到MT坐标系下三相异步传感器的数学模型如下： (4.11)考虑笼型异步传感器转子短路，故有 UM2=UT2=0 (4.12)由于转子总磁链变量甲：本身以同步转速旋转，并与M轴重合，显然有展开式（4.11）的第三项，得第二小节 静止传感器变量操作总体方案4221方案框图说明图44所示为静止传感器变量操作的总体框图。1) 转子磁通的变换必须根据定向的坐标进行；2) 由传感器电压模型(即电压指令给定)保证磁场方向和转矩的设定值外传；3) 转速闭环、磁通开环、间接磁场定向的系统设置操作简单，易于完成；4) 通过对在转速环中，传感器电压的静态模型与电流的动态调节分离，可以减低传感器参数变化对电流动态调节的影响，提高系统的操作性；5)通过对电流进行PI调节来补偿电压外传，在低频段切入电流环，来降低动态过程中负载和传感器参数对动态特性的影响，增加响应的快速性：6) 传感器转速推算基于对转子磁通在两相静止时相关坐标系数下相位的观测。在整个操作过程中比较容易，具体的操作效果取决于传感器参数设置的精确性来决定，以及对传感器参数的温度补偿设计，同时由于磁通的开环，系统操作有其局限性，大体上，该方案简单且易于操作，具体的精度设置可以提高改进，整体方案的性能也会进一步得到提升，以下为具体的推论：只有满足变换前后功率守恒，坐标方可变换。在电压和电流选取系统变换阵的条件下，功率守恒的坐标变换属于正交变换，也可证明。先在规定好3s2s坐标中变换标记好可以两组坐标的相对位置，通常规定口轴与A轴重合同向，如图45所示。设三相系统每相绕组的有效匝数为M，二相系统每相绕组的有效匝数为，有效匝数及其瞬时电流的乘积极为各相所求磁动势，其空间变量则位于相对应的坐标轴上。设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与两相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在与之对应的轴上的投影应相等，即为了寻求正交变换阵，在两相系统中，通过外部加入的方式，单独加入一相零轴磁动势，并定义为将上面三式合并为矩阵形式，得式中，C3，：即为三相坐标系变换到两相坐标系的变换阵，满足功率守恒条件，应为正交矩阵，所以有第三小节 有速度传感器变量操作方案图47所示为有速度传感器变量操作框图。通过比较不难发现，该操作方案中磁通是闭环的，此外反馈电流L、经3s2r变换成L。后与I。比较，经PI调节后，直接外传定子电压的磁通分量和转矩分量的补偿对应值，代替了原电压给定模型的第一项，电压给定方程的第二项保留，事实上，在很多应用实例中，电压给定方程的第二项不保留也是可行的。其余部分基本与前面介绍的静止传感器变量操作方案相同。第三节 建模与仿真 图47有速度传感器变量操作框图下面将对静止传感器变量操作系统进行仿真研究。第一小节 静止变电器变量操作系统仿真1.静止变电器变量操作系统建模静止变电器变量操作系统仿真如图48所示。主电路由恒定电流源()、逆变桥(IGBT Invener)、感应传感器(Induction Motor)和传感器测量环节(Demux)组成。操作电路由以下几个系统组成：(1)Speedcontroller系统， 速度操作器采用PI调节器，外传定子电流的转矩分量C。(2)calculation系统根据给定的转子磁通评价出定子电流的磁场分量给定值，。(3) PWM Generator系统 根据定子电流的磁场分量值0，定子电流的转矩分量为C，及同步转速给定信号，按照旋转坐标dq轴系统下的传感器电压模型，评价定子电压分量和转子分量补偿值。(4)MT-ABC系统 将定子电压从MT坐标系到ABC坐标系的变换，得到传感器定子的三相绕组电压的给定值。(5) calculation系统 评价转差角速度q。(6)PWM Generator系统 产生三相逆变器的6路操作脉冲。(7)SpeedIdentijfication系统 速度辨识环节，采用磁通转速推计算来推算速度。速度辨识的实现SpeedIdentilfication系统如图所示。4个输入变量为Ula、U1b、11a、Ilb。它们通过Mux系统合并为一个变量，经过cpplmSFunction系统得到一个变量外传，再通过Demux系统分解出两个外传变量，Fcn系统实现上述两个变量的除法计划，将计划结果作反正切计划和求导计划。第五章 矿山带式运转器变频操作功率平衡及设计方法第一节 常用计算比较 微机操作的SPWM计算有多种，常用的有自然取样法和规则取样法。自然取样法（图1a）采用评价的方法寻找三角载波U与参考正弦波UR的交点作为开关值以确定SPWM的脉冲宽度，这种方法误差小、精度高，但是评价量大，难以做到实时操作，用查表法将占用大量内存，运转范围有限，一般不采用。规则取样法（图1b）采用近似求U和UR交点的方法，通过两个三角波峰之间中线与UR的交点作水平线与两个三角波分别交于A和B点，由交点确定SPWM的脉宽，这种方法评价量相对自然取样法小的多，但存在一定误差。本文采用等效范围法。第二节 等效范围法把一个正弦半波分为N等分，每一等分的正弦曲线与横轴所包围的范围都用一个与此范围相同的等高矩形脉冲代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合，这样，由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所构成的波形就与正弦半波等效，显然这一系列脉冲波形的宽的和开关时刻可以严格地用数学方法评价得到。 如图2所示，在区间t,t+t，正弦波范围为S1,则有： 式中M为调制深度，US为恒定电流源电压。 对应图中脉冲范围 (2) 将正弦信号的正半周N等分，则每份为/N弧度，由图知脉冲高度为US/2,设脉冲宽度为K，则第K份正弦波范围与对应的第K个SPWM脉冲范围相等，解得： 如图2所示，IGBT的开关时间按如下评价： IGBT开启时刻： (4) IGBT关断时刻： (5) 2 AVR电路芯片操作系统2.1 AVR电路芯片结构特点： AT90系列电路芯片为ATMEL公司生产的新一代基于AVR增强功能、RISC结构的、低功耗CMOS技术的微处理器。 1) 哈佛双总线结构，使体系备份器和数据备份器分开。使用RISC指令集，指令周期绝大部分为单周期指令。有相当高的执行速度，8MHz周期下工作的AVR相当于224MHz周期下工作的普通MCS51。 2) AVR核为32个通用工作寄存器与丰富指令集的组合，32个寄存器全部直接地与计划逻辑单元连接，这种组合机构具备的代码功率比完成同样处理能力的常规CICS微处理器要快10倍以上，从而解决了MCS51的累加器A的瓶颈问题。 3) 内置晶振的可编程看门狗定时器、片内模拟比较器、SPI串口和UART串口，有几种产品有810位的AD转换器。有带比较和捕获模式的定时计数器，且具有PWM功能，PWM可以在双8值、9位或10位下自运行、抗误、节拍修正操作。同时还有一路输入捕获口，可以捕获引脚ICP上的上升和下降沿。 4) AVR电路芯片内置可重复编程的FLASH体系备份器和EEPROM数据备份器，最大可达256K的EEPROM，可用于保存运动参数，便于现场参数修改，这使得它用在运动操作方面有很大的灵活性。同时AVR电路芯片还支持对备份器的在系统编程。 这些特点使得AT90系列电路芯片成为一种满足许多可以的、具有高度灵活性和低成本的嵌入式操作应用的高效微操作器。本文采用AT90LS8535芯片，8K可重复编程FLASH,512字节的SRAM,三路PWM通道，8路10位A/D。第三节 操作规律 采用恒功率操作在高频段（f50Hz）和低频段（f10Hz）情况下，运转范围加大，采用恒转矩操作中频段。为使外传波形对称性好、谐波分量小，系统采用分段同步调制，来确保整个变频范围内的开关周期没有太大变化。每个频段载波比N为恒定值，不同频段的N不同，为了快速评价，余弦采用查表方式，在0360范围内余弦三角函数表，每隔0.1度存一个余弦值，16位二进制构成每个余弦值，符号位为其中最高位，后15位表示数值位。EPROM中预先存在整个余弦函数表，占用了近8K字节的寄存器。为确保三相互差120，N应设为3的整数倍。第四节 硬件结构： 系统框图SPWM变频运转系统结构图，IGBT的驱动系统采用富士电机公司的EXB841驱动器，AT90LS8535外传的三相脉宽调制SPWM波经分相与开通延时电路分为六路外传，分别操作EXB841的光耦，以驱动6个IGBT功率器件；40脚的PA0作为A/D采样输入口，采样电位器给定周期；16脚的INT0外部中断作为电路故障信号（过流、过压等）的输入脚； 当AT90LS8535芯片复位时，端口的原始状态是“高”，所以无效状态为封锁信号和驱动信号均设为“低”电平；片内定时器T0将PWM的载波周期完成。第五节 系统软件设计 采用系统化设计思想，包括主体系、T/C0中断服务子体系、外部中断服务子体系、键盘显示子体系等。 主体系的主要任务是对逆变器的外传周期进行采样，评价调制深度M、载波比N、载波周期定时常数T,确定正弦时标。评价脉冲宽度，根据(4)、（5）式评价出三相开关点TonU,TonV,TonW,ToffU,ToffV,ToffW，主体系流程图略可向作者索取。 T/C0中断服务体系:定时时间到达载波周期T后，CPU执行T/C0中断服务体系，读开关点数据，评价各相占空比，备份在相应PWM操作寄存器中，PWM使能，向端口发送驱动信号。体系流程图3所示。 外部中断服务体系：当IGBT上发生过流时，EX841立即向电路芯片申请中断，CPU发出指令封锁所有外传，有效地保护各功率器件。第六节 实验及结论 由上述理念，研发电路芯片操作系统的软硬件，该体系通过ICCAVR编写，并通过了SL-AVR实验开发机上的调试，由结果看出SPWM波形线性度较好，给定周期发生变动时，三相线电压基本上对称。2SPWM波形生成用了等效范围法，精度与正弦波相接近，并且谐波分量小，在CPU的计划功率上有了更高要求。SPWM脉冲序列与专门的操作芯片比较来看，相对速度精度计算都要进步，其原理利用高速嵌入式AVR电路芯片，其优势是价格低廉，编程开发方便，因此在变频运转系统发展中有良好前景。而对链式运转器而言，交流异步传感器只是一般配置，不易操作，主要体现在复杂的高阶、非线性、多变量、强耦合以及参数时变等方面，数学模型对此都很难做出精确叙述。传统直接转矩操作速度调节器中，PID 操作技术还不够完善，即使在运转范围内将PI 参数操作在最好状态也无法实现，所以它是满足不了高性能运转要求。如何提高交流运转系统的动态抗扰动能力，利用遗传计算来对PI 调节器进行优化。第七节 计算的原理 （1）何为遗传计算？它是一种全局优化搜索计算，在模拟物种遗传思想和自然选择原理基础上，有了最理想答案。基于遗传计算的速度调节器参数寻优过程如下：编码。在PID 操作中首先优化kp、ki、kd这三个参数，运用实数编码的方式，将这3个元素合并成向量，成为一个染色体。 （2）染色体的起初会形成初始种群。通过上述了解，初始种群则运用 Ziegler-Nichols 整定法获得 kp、ki和 kd的初始数值，在此基础上向左右两边延伸，形成一个初始种群。 （3）参数选取。在遗传计算中，交叉概率 Pc和变异概率 Pm的选择将直接影响到计算行为和性能关键以及计算的收敛性。本文采用自适应变化状态的评价公式：式中 fm所有群体中最大适应度值；fa每代群体的平均适应度值；f变异个体的适应度值；f 交叉个体中较大的适应度值。通过设置 Pc1，Pc1,Pm1,Pm2的值就可以调整交叉概率和变异概率。 （4）从交叉和变异概率的评价看出，群体中每个个体间相互交换的部分染色体，这便使染色体中的元素发生各种变化，从而产生了新的个体，即PID 的新参数。 （5）适应度函数设计。设置系统的要求，参照适应度大小，保留新种群中最好的个体，将最差的个体更换。该系统的原理，是采用ITAE(时间乘绝对误差积分)指标作为参数选择的最小目标函数。在国内DSP的厂家居多但实际应用还是以TI公司为主，基本上都是TMS320系列。其公司的TMS320C2000 DSP是基于320C2xLP核。 为了实现小数的数学计划和验证小数的乘积，C2xLP的乘积寄存器的外传通过乘积移位器，以抑制计划中产生的多出来的Bit。该乘积定标移位器允许作128个乘积累加而不会产生溢出。基本的乘积累加（MAC）周期，包括将一个数据备份器的值乘以一个程式备份器的值，并将结果加给累加器。当C2000循环执行MAC，则程式计数器自动增量，并将程式总线释放给第二个操作数，从而达到单周期执行MAC。 C2000系列中的C24x系列的芯片具备事件操作器。该事件操作器具备3个加/减定时器和9个比较器，能够和波形产生逻辑配合产生12 PWM的外传。支持同步的和异步的PWM产生。他还支持一个空间向量PWM状态机，用开关功率晶体管来实现，以延长晶体管的使用周期和降低功耗。一个关机段产生单元也有助于保护功率晶体管。其原理如图2所示。式中 e（t）系统误差；u（t）操作器外传；tu上升时间；1、2、3权值。 为了避免超调， 用了惩罚功能， 即一旦产生超调，将超调量作为最优指标的一项，此时最优指标为第八节 计算的分析及其在DSP上的实现 (1)计算的分析 在SPWM波形生成时，通常有两种方法查表和实时评价，其实际运用时通常都是将两种方法结合，进行必要评价存入内存即离线状态下，运行时再进行较为简单的在线评价，这样既确保了快速性，内存上也不会占太多量。 规则采样法通常事先存入正弦函数表和不同载波周期时的Tz/2,运行时根据可以的Tz,M和即可算出开关器件的导通时间（详见公式1）。这种方法的评价量很小且波形的幅值和周期都是能够持续变化的。直接范围等效法通常事先存入不同周期下的余弦函数表，运行时也只要进行简单的乘法和减法计划（详见公式2）。这种方法的评价量适中且波形的幅值和周期也是持续变化的。 (2)DSP的特点 由规则采样法的原理可知他是用一近似的阶梯波来代替正弦波和三角波进行比较，因此他的精度较低，但由于简单评价，在使用电路芯片和微机生成SPWM波的时代便被广泛的应用了。伴随着DSP的出现具备强大计划能力，在兼顾评价的精度和速度这一问题有了希望去解决。因此解决这一问题便是结合采用具备较高精度且评价量适中的直接范围等效法和DSP。如下图所示： 能够看到，为了实现实时的变压和变频，可以根据当前载波所在时间T做大量的计划，而这些计划都可以在一个载波周期内完成。以载波周期为15625Hz为例，其周期为64s，若可以三相外传，则任何这些计划都可以在32s内完成。这对于电路芯片而言，是完全不可能的。而对于DSP而言，其指令周期为50ns，且多为单周期指令，并且有单周期的乘法指令。因此，充分利用了DSP的强大计划能力，才最终实现了上述评价的实时完成。 （3）直接范围等效法的实现 根据直接范围等效法的公式，在Flash中存入1个cosX/2的表，这样就能够尽可能简化不必要的计划。在实际评价时只需评价1次减法、1次乘法、1次除法即可。 程式流程图见图3。第九节 变频系统的最终实现 双传感器拖动功率，平衡操作系统结构如图5-9所示。 根据上述设计，使用IPM（智能功率系统）及相应的整流，滤波电路搭建了一变频实验系统。出于扩展的可以，使用电路芯片扩展了其的输入外传接口，使其具备更好的通用性。其硬件结构如图4所示。如图4所示，通过DSP的SPWM操作系统中，包括三大系统：IPM智能功率系统、DSP处理器和电路芯片。PWM脉冲信号由DSP处理器用于实时产生，以操作IPM产生外传信号。外部操作信号接受用于电路芯片系统，负载端电压、电流的采样信号，各种电路保护信号等输入信号，一方面进行实时显示工作状态，另一方面对实时采样的电压电流信号进行处理后，向DSP系统传送相应信号，使DSP在线调整SPWM信号，闭环工作的技术指标可以得以满足。这样的系统构成模式使系统功能系统化，可最大限度地发挥DSP的评价能力，便于调试，便于系统的功能扩充，为以后系统的升级换代提供了较为方便的条件。 通过该实验系统，实现了外传周期可在11000Hz内变化的SPWM波形的生成。 其主要波形如图5所示。 结论 研究表明，实验系统的成功是以DSP为核心基于直接范围等效法生成SPWM波的变频。并得到广泛应用其较宽的变频范围和扩展的输入外传接口使其在变频电源、变频器等方面。基于PIC电路芯片的SPWM操作技术在UPS等电力电子设备中，操作方法是核心技术。早期的操作方法使得外传为矩形波，谐波含量较高，滤波困难。SPWM技术较好地克服了这些缺点。目前SPWM的产生方法很多，汇总如下。 1）利用分立元件，采用模拟、数字混和电路生成SPWM波。此方法电路复杂，实现困难且不易改进； 2）由SPWM专用芯片SA828系列与微处理器直接连接生成SPWM波，SA828是由规则采样法产生SPWM波的，相对谐波较大且无法实现闭环操作； 3）利用CPLD（复杂可编程逻辑器件）设计，实现数字式SPWM发生器； 4）基于电路芯片实现SPWM，此方法操作电路简单可靠，利用软件产生SPWM波，减轻了对硬件的要求，且成本低，受外界干扰小。 而当今电路芯片的应用已经从单纯依赖于51系列电路芯片向其它多种电路芯片发展，尤其以嵌入式PIC电路芯片的发展应用更为广泛。PIC电路芯片含具有PWM功能的外围功能系统（CCP），利用此系统更容易通过软件实现SPWM，且具有更快的执行速度。本文采用软硬件结合设计的方法，利用范围等效法，并且基于PIC电路芯片实现对试验逆变系统的SPWM操作。 1 范围等效的SPWM操作计算 目前生成SPWM波的操作计算主要有4种。 1）自然采样法； 2）对称规则采样法； 3）不对称规则采样法； 4)范围等效法。 理论分析后知自然采样法和范围等效法相对于规则采样法谐波较小，对谐波的抑制能力较强。又因为PIC电路芯片片内无较大空间实现在线计划，所以自然采样法不利于软件实现。本文的试验系统采用范围等效法实现SPWM操作，其原理如图1所示。 图1 SPWM范围等效计算 利用正弦波小块范围S1与脉冲范围S2相等原则，将正弦波的正半周分为N等分，则每一等分的宽度为/N弧度，利用范围等效法评价出半个周期内N个不同的脉宽值，将产生的脉宽数列以列表形式存于PIC电路芯片的ROM中，以供体系调用。 脉宽产生的基本公式为 式中：M为调制度； N为载波比，即半个周期内的脉冲个数，实验中N取64； k取值为063。 由式（1）评价出的实际脉宽转换成计时步阶后生成64个值的正弦表存入PIC的ROM中以供调用。产生的SPWM脉宽表是一个由窄到宽，再由宽到窄的64个值的表。 软硬件结合试验系统 以PIC电路芯片内部的两个外围功能系统（CCP）为基础，利用该系统具有的PWM功能，软件操作两路SPWM波形的外传。再将这两路SPWM波利用互补导通原则变换成4路，经隔离放大后驱动IGBT逆变器，实现对外传的操作。 硬件设计 试验硬件系统如图2所示。选择PIC电路芯片的中档系列，该系列电路芯片的主要特点有： 1）具有高性能的RISCCPU； 2）除体系分支指令为两个周期外，其余均为单周期指令，且仅有35条单字指令； 3）8K14个FLASH体系备份器，3688个数据备份器（RAM）字节； 4）中断能力强，达到14个中断源； 5）外围功能系统丰富，含2个16位寄存器的CCP系统，具有PWM功能； 6）含3个定时器，其中与PWM功能相关的定时器2（即TMR2）带有8位周期寄存器，且带有8位预分频器和后分频器。图2 硬件试验系统 逆变部分采用自关断器件IGBT实现单相全桥逆变。IGBT是全控型电力电子器件，它的操作级为绝缘栅场效应晶体管，外传级为双级功率晶体管，因而它具有两者的优点而克服了两者的缺点。它开关周期相对高，驱动功率小，构成的功率交换器外传电压纹波小，线路简单，是当今最具有应用前景的功率器件。 软件设计 PIC电路芯片的设置 试验中设置SPWM的周期为20kHz，并外接20MHz晶振信号，评价得指令周期即计时步阶为0.2s。PIC电路芯片CCP外围功能系统的PWM功能实现主要依靠相关寄存器值的设定，且以定时器2（TMR2）作为PWM的时基。相关寄存器的设置如下。 1）SPWM周期的设定由寄存器PR2设定 (PWM)周期=（PR21）4Tosc（TMR2）预分频（4） 试验中Tosc为20MHz，为提高分辨率，TMR2预分频设为1：1，由此评价得PR2=0XF9； 2）定时器TMR2的操作寄存器T2CON设定 因为SPWM周期高，周期短，在每个周期内完成脉宽的调整比较困难，故在此寄存器中设置后分频为1：3，这样每外传3个相同脉宽的SPWM波后改变一次脉宽值； 3）2个CCP系统的操作寄存器CCP1CON及CCP2CON的设定 两个CCP系统操作寄存器的设置类似，选择CCP系统作用于PWM功能模式，即bit3：0=11。 4）CCPR1L脉宽写入寄存器 写入的脉宽值在下个TMR2周期开始时转至CCPR1H，通过读CCPR1H的脉宽值来改变PWM脉宽。 5）寄存器TRISC 对应于CCP1和CCP2的输入外传设置，应设置为外传形式，即TRISC的bit2：1=00。 SPWM波形产生的实现过程 软件操作PIC电路芯片使之产生SPWM波形?首先将之前设置的寄存器值写入相关寄存器，当PIC的PWM功能开启后TMR2从0开始计数，同时CCP系统引脚外传高电平。 当TMR2CCPR1L时，PWM功能引脚开始外传低电平。 当TMR2PR2时，则TMR2=0，重新开始另一个周期计数，PWM功能引脚开始外传高电平。同时TMR2的中断标志位被系统置高，即TMR2IF=1，转去执行中断服务体系。 因实验中设置TMR2后分频为1：3，故在3个PR2周期后体系才转去执行中断服务体系。在中断服务体系中查找脉宽表，将下一个脉宽值写入寄存器CCPR1L中。下个周期外传的PWM的脉宽即为刚写入CCPR1L中的脉宽值，也就是说脉宽的变化在中断体系中实现，中断体系流程如图3所示。 图3 中断服务体系流程图 体系中利用标志位F实现SPWM外传在CCP1和CCP2中的转换。在F=1时，CCP1外传PWM波形，CCP2设置外传为0电平；在F=0时，CCP2外传PWM波形，CCP1设置外传为0电平。 试验结果与分析 由PIC电路芯片产生的SPWM波可由示波器测出。由于SPWM周期为20kHz，体系中又设置每3个脉宽相等，故在示波器中不能清楚地看到脉宽从最小到最大的完整的变化过程。由PIC电路芯片的CCP1引脚外传SPWM波形的一段如图4所示。这段波形中的脉宽由窄逐渐变宽，符合SPWM的变化规律。 图4 SPWM波形的一段 试验中由PIC电路芯片的两个CCP系统产生两路SPWM波，将这两路SPWM波变换成4路后经隔离驱动逆变系统的IGBT。产生的两路SPWM波形分别对应正弦波的正负半波，完整周期的两路SPWM互补波形如图5所示。 图5 两路互补的SPWM波 试验系统在恒定电流压为30V时负载运行所得正弦波如图6所示，可知周期为19.9ms，满足工频要求。 图6 负载正弦波 试验系统为单相全桥逆变系统，这种工作模式有明显的倍频效应。倍频效应有利滤波，也可以降低器件的开关周期，减小开关损耗。又因为本试验系统采用范围等效法，相对于规则采样法谐波抑制能力较强。谐