電力牽引交流傳動及其控制系統(tǒng)實驗指導書

實驗一基于DSP的異步電機SPWM變頻調速系統(tǒng)一．實驗目的1．通過實驗掌握交流電機變頻調速系統(tǒng)的組成及工作原理；2?理解用單片機通過軟件生成SPWM波形的工作原理與特點。以及不同調制方式對系統(tǒng)性能的影響；3．熟悉掌握交流變頻調速系統(tǒng)中主要電量的測試方法。4.熟悉變頻調速實驗系統(tǒng)的配置與結構，在此基礎上完成實驗接線。并通過仔細閱讀“MCL-13(V1.1)上位機程序使用說明”，熟悉在上位機界面上進行實驗操作的方法。二．實驗內容1．連接有關線路，構成一個實用的交流電機變頻調速系統(tǒng)。采用SPWM數(shù)字控制時，不同輸出頻率、不同調制方式(同步、異步、混合調制)時定子電流、IGBT兩端電壓波形測試。3．低頻補償特性測試。三．實驗系統(tǒng)組成及工作原理基于DSP的高性能變頻調速系統(tǒng)原理框圖如圖2—1所示：系統(tǒng)主電路采用交-直-交電壓源型變頻器，功率器件采用智能功率模塊IPM,該模塊包含了由六個IGBT、六個續(xù)流二極管、柵極驅動電路、邏輯控制電路以及欠壓、過流、短路、過熱等保護電路，模塊的主電路部分共有5個端子，即直流電壓輸入端+、-三相交流電壓輸出端U、V、W,控制部分共有15個端子，用于PWM信號輸入、故障信號輸出及驅動電源等，驅動電源為4組+15V電源，DSP生成的PWM信號需通過光耦合器隔離后輸入。該智能功率模塊的應用，減小了裝置的體積，提高了變頻系統(tǒng)的性能與可靠性?？刂葡到y(tǒng)由DSP、信號檢測電路、驅動與保護電路等組成，DSP采用美國TI(TexasInstruments)公司于1998年推出的16位數(shù)字信號處理器(DigitalSignalProcessor簡稱DSP)TMS320X24x系列芯片，該芯片是專門為電機的數(shù)字化控制而設計的，它集DSP的信號高速處理能力及適用于電機控制的優(yōu)化外圍電路于一體，為電動機數(shù)字控制系統(tǒng)應用提供了一個理想的解決方案，從而成為傳統(tǒng)的多微處理器單元和昂貴的多片設計的理想替代，每秒執(zhí)行20兆條指令的運算能力，使該系列芯片能提供比傳統(tǒng)16位微處理器強大得多的性能。該系列芯片的16位定點DSP內核為模擬設計者提供了一個數(shù)字解決方案，并且不會犧牲原有系統(tǒng)的精度和性能，事實上，由于可以采用諸如自適應控制、卡爾曼濾波和狀態(tài)控制等先進的控制算法，因而增強了系統(tǒng)性能。高速CPU允許數(shù)字控制設計者能夠實時處理算法而不需通過查表只能獲得近似值，幾乎所有的指令都可在50ns的單周期內完成，如此高的性能可以對非常復雜的控制算法進行實時運算，此外，還可支持非常高的采樣率，以減小循環(huán)延時。作為系統(tǒng)管理器，DSP必須具備強大的片內I/O和其它外設功能，該系列芯片內的事件管理器可以為所有電機類型用戶提供高速、高效和全變速的先進控制技術。在該事件管理器中，包括特殊的PWM產生功能，特殊的附加功能包括可編程的死區(qū)功能和空間矢量PWM,后者可為三相電機在功率管逆變器控制中提供最高的功效，三個獨立的向上/下計數(shù)器，每一個都有屬于它自己的比較寄存器，可以支持產生非對稱的和對稱的PWM波形，四路捕獲輸入中的兩路可以直接連至光電編碼器的正交編碼脈沖信號。該系列芯片的應用，大大簡化了高性能變頻調速系統(tǒng)的硬件設計，使系統(tǒng)具有高的性能價格比，該系列芯片，除適用于工業(yè)電機驅動外，還可廣泛地應用于功率變換器和控制器、汽車系統(tǒng)，如電子動力轉向裝置、剎車和溫度控制、儀表電機控制、打印機、復印機等辦公產品、磁帶驅動、機器人和計算機數(shù)字控制(CNC)機械等。實驗系統(tǒng)中使用的DSP為TMS320F240,其內部包含16K字的Flash(閃速)EEPROM。此外，已為實驗組件配備了與上位計算機通訊的接口和上位機軟件。需要進行有關參數(shù)改變影響的實驗，必須配備上位機,并在實驗前安裝好上位機軟件和仔細閱讀上位機操作說明。圖2—1四．實驗設備和儀器MCL—III型電力電子與電氣傳動教學實驗臺2．上微機電機導軌及測速發(fā)電機雙蹤示波器五．實驗方法按圖1—1連接線路，經檢查無誤后，合上NMCL-32面板上的漏電斷路器，合上掛箱NMCL-13A的電源，按下NMCL-32面板上的閉合開關。實驗系統(tǒng)缺省設置為SPWM控制，同步調制方式，對應指示燈亮。按起動按鈕，電動機即可起動，起動后可調節(jié)頻率設定電位器，即可改變電動機轉速。在電動機運行中，如按了空間矢量、異步調制，混合調制等按鈕，系統(tǒng)將不會響應，必須先按停止按鈕，使電動機停止運行，才能轉到空間矢量控制以及其它調制方式。低頻補償電位器在電機運行時，可按需要任意調節(jié)。系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可先斷主電源，再斷控制電復位。1? 首先合上NMCL-13A掛箱電源開關，調節(jié)給定電位器確認電機輸出設定頻率為零，合上主回路開關。電機PWM控制方式設為SPWM，然后按啟動按鈕，右旋電位器旋紐，輸出頻率隨之增大，電機開始旋轉。按停止按鈕。啟動MCL-13上位機控制程序，單擊界面右下角的“系統(tǒng)連接”按鈕，把控制方式設為SPWM，雙擊“SPWM”按鈕，彈出SPWM控制方式下參數(shù)設置對話框，調制方式選為同步調制,載波比設為48,轉速設為1200RPM，點擊“確定”按鈕，退出參數(shù)設置對話框?！安杉瘮?shù)據(jù)類型”設為A相電流波形，點擊“電機啟動”按鈕啟動電機，此時，A相電流波形顯示在屏幕上，點擊“電機停止”按鈕，將A相電流波形以.bmp格式存于電腦中。重新設置同步調制載波比為24，重復上述步驟，比較不同調制比下A相電流波形的平滑度。點擊“電機停止”按鈕，控制方式仍然設為SPWM方式，“采集數(shù)據(jù)類型”設為A相電流，波形顯示設為“循環(huán)”轉速設為500RPM，同步調制載波比設為24,異步調制載波比設為24,啟動電機，用上位機測量并比較在這兩種情況下A相電流的波形，觀察電機運行的平穩(wěn)與噪聲大小。控制方式仍然設為SPWM方式，“采集數(shù)據(jù)類型”設為A相電流，波形顯示設為“循環(huán)”，轉速設為1200RPM，調制方式設為混合調制：分三段進行。第一段OHz?12.5Hz,載波比N「100；第二段12.5Hz?25Hz，載波比N2=80；第三段，25Hz?50Hz，載波比比=48。啟動電機，觀察電機運行的平穩(wěn)與噪聲大小。低頻補償性能測試低頻時定子壓降的補償度可通過電位器連續(xù)調節(jié)，在輸出頻率為1?2Hz時，調節(jié)補償度直到電動機能均勻旋轉時為止。實驗報告列出在SPWM控制時，在同步調制不同調制比時A相電流波形。2．調節(jié)低頻補償度，列出電機能均勻旋轉的最低工作頻率。思考題低頻時定子壓降的補償度是否越大越好？過大了會造成何種不良結果？應該如何調節(jié)才算恰到好處？注意事項轉換不同控制與調制方式時，要等到電動機轉速接近于零時，再按起動按鈕，以免對電動機造成沖擊。主回路中的保險絲為1A,不要任意放大。實驗二基于DSP的磁場定向矢量控制變頻調速系統(tǒng)一．實驗目的1?了解以TMS320F240為核心構成的全數(shù)字控制感應電機變頻調速實驗系統(tǒng)的硬件與軟件組成。掌握采用磁場定向控制(FOC)感應電機變頻調速閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理、優(yōu)缺點及應用場合。3．改變有關控制參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動態(tài)特性變化的影響(注意無上位機時不能改變有關控制參數(shù))。二．實驗內容熟悉變頻調速實驗系統(tǒng)的配置與結構，在此基礎上完成實驗接線。并通過仔細閱讀“MCL-13(V1.1)上位機程序使用說明”，熟悉在上位機界面上進行實驗操作的方法(無上位機時不要求)。采用磁場定向控制(FOC)的感應電機變頻調速系統(tǒng)的研究：觀測并記錄啟動時電機轉子電流和電機速度波形iv=f⑴與n=f(t)；觀測并記錄突加與突減負載時的電機轉子電流和電機速度波形iv=f⑴與n=f⑴；在默認參數(shù)下，觀察轉子磁通啟動和穩(wěn)定時的軌跡；研究速度調節(jié)器參數(shù)(P、I)改變對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能的影響；研究電流調節(jié)器參數(shù)(P、I)改變對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能的影響；研究電機參數(shù)R2,分別設為60%和140%,比較啟動過程中磁通的a軸分量達到穩(wěn)態(tài)時的時間及大小，簡單分析原因；三．實驗系統(tǒng)組成及工作原理基于DSP的高性能變頻調速系統(tǒng)原理框圖如圖2—1所示：系統(tǒng)主電路采用交-直-交電壓源型變頻器，功率器件采用智能功率模塊IPM,該模塊包含了由六個IGBT、六個續(xù)流二極管、柵極驅動電路、邏輯控制電路以及欠壓、過流、短路、過熱等保護電路，模塊的主電路部分共有5個端子，即直流電壓輸入端+、-三相交流電壓輸出端U、V、W,控制部分共有15個端子，用于PWM信號輸入、故障信號輸出及驅動電源等，驅動電源為4組+15V電源，DSP生成的PWM信號需通過光耦合器隔離后輸入。該智能功率模塊的應用，減小了裝置的體積，提高了變頻系統(tǒng)的性能與可靠性。

控制系統(tǒng)由DSP、信號檢測電路、驅動與保護電路等組成，DSP采用美國TI（TexasInstruments）公司于1998年推出的16位數(shù)字信號處理器（DigitalSignalProcessor簡稱DSP）TMS320X24x系列芯片，該芯片是專門為電機的數(shù)字化控制而設計的。此外，已為實驗組件配備了與上位計算機通訊的接口和上位機軟件。需要進行有關參數(shù)改變影響的實驗，必須配備上位機，并在實驗前安裝好上位機軟件和仔細閱讀上位機操作說明。rpu _1—ir i電rpu _1—ir i電i_r_四．實驗設備和儀器MCL—III系列教學實驗臺主控制屏。MCL-13閉環(huán)變頻系統(tǒng)組件。電機導軌、直流發(fā)電機MEL—03三相可調電阻器（或自配滑線變阻器450,1A）5?異步電動機M04（含高分辨率編碼器）雙蹤示波器上位機和通訊聯(lián)接線（選件，機內安裝有實驗所需軟件）。五．實驗步驟1．參看圖2-2，連接主電路、起動限流、過流保護、過壓保護及磁通檢測等環(huán)節(jié)的連線。2．按下起動按鈕前，檢查給定電位器是否放在零位(要求電位器左旋到底)；3．合上主控制屏上的綠色按鈕開關；4．開環(huán)變頻系統(tǒng)性能測試必須在接線檢查無誤后，合上MCL—13A組件右下方的電源開關，這時系統(tǒng)缺省設置為開環(huán)變頻調速系統(tǒng)的SPWM控制同步調制方式狀態(tài)。重新設置控制方式為磁場定向。合上主電源，撳起動按鈕，逐漸增大給定(給定電位器向順時針方向旋轉)，觀察系統(tǒng)工作是否正常，確認系統(tǒng)工作正常后，再逐漸加大給定直至頻率達到50HZ。用示波器兩路探頭同時測量A，B相對電機Y點的波形。5．閉環(huán)變頻調速系統(tǒng)采用磁場定向控制時的性能測試：觀測并記錄啟動時電機定子電流和電機速度波形i二f(t)與n=f(t)v按停止鈕，斷開主控制屏上的主電源開關。將與M04電機同軸相連的直流電機M03的并勵繞組與“NMMCL-32電源控制屏”上220V直流電源連接，M03的電樞A1、A2之間串聯(lián)直流電流表后分別與MEL-03A掛箱B3,B2與B1并聯(lián)接點連接，將MEL-03A掛箱可調電阻調至中間位置，保證M03電機電樞電流不大于0.5A。合上主控制屏上的主電源開關，啟動名稱為MCL13V12的程序，點擊“系統(tǒng)連接”按鈕，單擊“磁場定向”按鈕，采集數(shù)據(jù)類型中曲線1設為A相電流，“循環(huán)”顯示，點擊“電機啟動”按鈕，當顯示電機啟動電流波形時，點擊“電機停止”按鈕，鎖住電機啟動電流波形。重新設置采集數(shù)據(jù)類型為速度曲線，按上述步驟操作，采集啟動速度曲線。觀測并記錄突加與突減負載時的電機定子電流和電機速度波形i二f(t)與n=f(t)；v將MEL-03A掛箱可調電阻調至中間位置，保證M03電機電樞電流不大于0.5A，按上述步驟操作，觀測并記錄突加與突減負載時的電機轉子電流(A相電流)和電機速度波形iv=f(t)與n=f(t)(電機轉速須調到1200轉左右)；單擊“電機停止”按鈕。將采集數(shù)據(jù)類型中曲線1設為?，曲線2設為?r,顯示設為X-Y軸。將測a B量量程設為50ms/div。單擊“磁場定向”按鈕，設置參數(shù)Kpn=1.7605，Kp=0.625，R2=140下。按上述步驟啟動電機，觀察轉子磁通啟動和穩(wěn)定時的軌跡。單擊“電機停止”按鈕。單擊“磁場定向”按鈕，改變速度環(huán)Kpn=1；將曲線1設為A相電流，曲線2設為不采集，顯示設為循環(huán)，不設X-Y軸。啟動電機，采集A相電流，將采集到的曲線保存到曲線1中，再設Kpn=2，啟動電機，將采集到的速度曲線與緩存中的曲線1比較，觀察啟動過程中電流達到穩(wěn)態(tài)時的時間及大小，并簡單分析原因。單擊“電機停止”按鈕。單擊“磁場定向”按鈕，改變電流環(huán)Kp=0.15，啟動電機，將曲線1設為采集電機速度，將采集到的速度曲線保存到曲線1中，再設Kp=1.2,啟動電機，將采集到的速度曲線與緩存中的曲線1比較，觀察啟動過程中速度達到穩(wěn)態(tài)時的時間及大小，并簡單分析原因。單擊“電機停止”按鈕。雙擊“磁場定向”按鈕，改變電機參數(shù)R2=60%，量程設為20ms/div，啟動電機，采集磁通的a軸分量?，將采集到的曲線保存到曲線1中，再設R2=140