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NMCL-13B实验指导书.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.28M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    实验一 采用SPWM的开环VVVF调速系统实验
    实验一 采用 SPWM 的开环 VVVF 调速系统实验 一、实验目的 （1） 加深对 SPWM 生成机理和过程的理解 （2） 熟悉 SPWM 变频调速系统中直流回路、逆变桥器件和微机控制电路之间的连接 （3） 了解 SPWM 变频器运行参数和特性 二、实验内容 一、在不同调制方式下，观测不同调制方式与相关参数变化对系统性能的影响，并作比较研究： 1.同步调制方式时，在不同的速度下，观测载波比变化对定子磁通轨迹的影响； 2.异步调制方式时，在不同的速度下，观测载波比变化对定子磁通轨迹的影响； 3.分段同步调制时，在不同的速度下，观测载波比变化对定子磁通轨迹的影响； 二、观测并记录启动时电机定子电流和电机速度波形 iv  f )(t 与 三、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 f n  iv  )(t f ； )(t 与 n  f )(t ； 四、观测低频补偿程度改变对系统性能的影响 五、测取系统稳态机械特性 ； n  (Mf ) 三、实验原理 1、异步电动机恒压频比控制基本原理 由异步电动机的工作原理可知，电机转速 n满足： n  f 60 p 1(  s ) 其中 f为定子电源频率，p为电机定子极对数，s为电机转差率。从上式中可以得到，通过改变定子 绕组交流供电电源频率，即可实现异步电机速度的改变。但是，在对异步电机调速时，通常需要保持电机 中每极磁通保持恒定，因为如果磁通太弱，铁心的利用率不充分，在同样的转子电流下，电磁转矩小，电 动机的带负载能力下降；如果磁通过大，可能造成电动机的磁路过饱和，从而导致励磁电流过大，电动机 的功率因数降低，铁心损耗剧增，严重时会因发热时间过长而损坏电机。 如果忽略电机定子绕组压降的影响，三相异步电动机定子绕组产生的感应电动势有效值 E与电源电压 U可认为近似相等，为：   EU 其中 E为气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值，f为定子电压频率，N为定子每相绕组匝 fNk mN 44.4 数， Nk 为基波绕组系数，Φm 为每极气隙磁通量。 由上式可知，在基频电压以下改变定子电源频率 f进行调速时，若要保持气隙磁通Φm 恒定不变， 只需相应的改变电源电压 U即可。我们称这种保持电动机每极磁通为额定值的控制策略为恒压频比（U/f） 控制。 在恒压频比控制方式中，当电源频率比较低时，定子绕组压降所占的比重增大，不能忽略不计。 为了改善电机低频时的控制性能，可以适当提高低频时的电源电压，以补偿定子绕组压降的影响。我们称 此时的控制方式为带低频补偿的恒压频比控制。以上两种控制特性简单示意图如图 1-1 所示。
    需要指出的是，恒压频比控制的优点是系统结构简单，缺点是系统的静态、动态性能都不高，应用范 图 1-1 恒压频比控制特性 围有限。 2、异步电动机变频调速系统基本构成 在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，其特点是调速范围广、平滑性好、 运行效率高，已成为异步电动机调速系统的主流调速方式。 异步电动机变频调速系统实验原理如图 1-2 所示，调速系统由不可控整流桥、滤波电路、三相逆变桥、 DSP2812 数字控制系统以及其它保护、检测电路组成。 图 1-2 异步电动机变频调速系统原理图 工作原理：三相交流电源由二极管整流桥整流，所得电流经滤波电路进行滤波后，输出直流电 压；再由高频开关器件组成的逆变桥，将直流电逆变后输出三相交流电作为电机供电电源，其中通过对开 关器件通断状态的控制，实现对电机运行状态的控制。 二极管整流桥，阻容滤波，三相逆变桥工作的基本原理，SPWM 生成的基本原理不在赘述，作为实 验预习内容，参考教材相关章节。 3、基于 DSP 的 SPWM 调速系统基本原理 Ti DSP2812 是一款功能强大，专门用于运动控制开发的芯片。其片内有可以用来专门生成 PWM 波 的事件管理单元 EVA、EVB，配套的 12 位 16 通道的 AD 数据采集，丰富的 CAN、SCI 等外设接口，为电机控 制系统的开发提供了极大地便利。基于 DSP 的 SPWM 调速系统框图如图 1-3 所示。 系统上位机发送转速设定值及其他运行参数到 DSP 片内，其中载波周期值设置在定时器 1 周期寄 存器（T1PR）内，将脉冲宽度比较值放置在比较单元的比较寄存器（CMPRx）中，通过定时器 1 控制寄存 器（T1CON）设置定时器工作方式为连续增/减方式，通过比较控制寄存器 A（COMCONA）设置比较值重载方
    式，通过死区控制寄存器（DBTCONA）进行死区控制使能。进行比较操作时，计数器寄存器（T1COUNT）的 值与比较单元比较寄存器的值相比较，当两个值相等时，延时一个时钟周期后，输出 PWM 逻辑信号。 对于脉宽比较值的生成程序以及 DSP2812 生成 PWM 的详细过程这里不再详述，有兴趣的同学可以 查找资料进行更深入的了解。 图 1-3 基于 DSP 的 SPWM 调速系统基本原理框图 4、系统的参数 （1） 交流电源为标准工频电源，故电源运行频率设定 f可在 1~50HZ 的范围内连续可调。 （2） 调制方式 同步调制：载波比可以在 30-500 连续可调。 异步调制（默认调制方式）：载波频率可以在 1500-4000Hz 连续可调； 分段同步调制：当运行频率 1Hz＜f＜25Hz 时，系统以异步方式运行；当运行频率 f ≥25Hz 时，系统以同 步方式运行。 (3) V/f曲线 三条 V/f曲线可供选择，以满足不同的低频电压补偿要求 1．无低频补偿； 2．当运行频率 1Hz＜f＜5Hz 时，补偿电压为 21.5V； 3．当运行频率 1Hz＜f＜10Hz 时，补偿电压为 43V； （4）电流校正在-500 到 500 连续可调。（电流校正主要是补偿电流信号采集系统的零点漂移） 四、实验设备： NMCL－13B 电机研究型变频调速系统实验平台及其相关组件 1. 2. 异步电动机 M04，他励直流发电机 M03 3. 直流电机励磁电源、电阻负载等相关挂箱 4. 万用表、示波器等 五、实验步骤： 1. 按照实验要求，连接硬件电路。检查无误后，给系统驱动部分供电。 2. 运行上位机调速系统软件，如图 1-4，观察右下角软件状态指示灯状态，若为红色，请重启软件；若 为绿色，选择“感应电动机开环 VVVF 调速实验”。此时弹出面板为开环变频调速实验面板（四个虚拟 示波器从左到右，从上到下依次显示的是三相调制波、实际转速、线电流、模拟定子磁通轨迹）。系 统默认状态为异步调制方式；载波频率 f＝3000Hz；系统电源频率 f设定为 f＝30Hz。由于 DSP 内程 序未运行，USB 接口无数据，故界面中各虚拟示波器波形中为无规则波形，如图 1-5。 3. 保持上位机的“运行”状态，在下位机 DSP 中加载开环 SPWM 变频调速程序，加载完成后可从上位机
    前面板上看到虚拟示波器中有三路规则正弦调制波，如图 1-6 所示。将示波器探针连接至 SPWM 输出 引出端口，观测端口是否有脉冲输出（如果示波器性能满足要求，可以看到脉冲频率 f＝3000Hz），并 且两两比较观测面板上 1-2，3-4，5-6，观察其相位是否相反，死区是否存在。 4. 改变“电流校正”输入框中的校正值，使“ABC 三相电流采样值曲线图”中三条电流曲线均值到零值。 电流采样校正前后的上位机界面如图 1-7、1-8 所示。 5. 完成上述系统初始化检测及校正后，即可进行以下实验。（此时用手旋转电动机转子，可在上位机转 速显示图中观测到小幅曲线，转速指示转盘观察到指针摆动） 6. 接通电源，缓慢旋转调压器使变频器供电电压为 220V，使电机在默认设定参数下运行起来。 (一) a. 在“载波频率”输入框中输入载波频率，在“频率设置”调节条中设置预设值（1-50Hz 的整数），从 选择异步调制方式，在不同的速度下，观测载波比变化对定子磁通轨迹的影响； 上位机中观测定子磁通曲线。 b. 上位机界面中保持“频率设置”值不变，更改“载波频率”的值（注意载波频率的变化范围），重新 观测新的载波比下的定子磁通轨迹。通过对比前后磁通轨迹曲线，研究载波比变化对定子磁通轨迹的 影响。对于实际实验操作可规定特定的频率、载波比等参数让学生进行实验观察；也可以由依据相关 参数的限定关系自行设计。 c. 在不同的“频率设置下”重复进行上述实验。 (二) 在同步调制时，在不同的速度下，观测载波比变化对定子磁通轨迹的影响；点击上位机中“电机 运行”按钮切换到“电机停止”状态，使电机停止运行。在“调制方式选择”面板中选择“同步调制 方式”，设定载波比和电源频率。，完成后上述给定后再切换回“电机运行”状态，使电机按照给定状 态运行。选定不同的“频率设置”改变不同频率下的载波比，观察其对定子磁通轨迹和转速的影响（注 意载波频率的变化范围）。在给定频率较低，并且载波比给定较小的情况下，电机会出现停转。 (三) 当分段同步调制时，在不同的速度下，观测载波比变化对定子磁通轨迹的影响；按照（二）中步 骤修改调制方式为“分段同步调制”。此时系统设定为 1Hz＜f＜25Hz，为低频状态，该频率段系统将 以异步方式运行；当 f >25Hz 时，系统以同步方式运行。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 。在上位机界面中设定一种电机运行状态（建议以异步方式启动，同步方 式在小载波比的条件下可能不能正常启动）。使用“电机运行”按钮是电机停止旋转，使用“数据保 存”按钮启动数据保存。然后点击“电机停止”使电机快速启动，观察并记录启动时电机定子电路和 转速的变化过程。当电机完成启动后，点击“停止保存”，停止数据的保存。数据保存和查看保存数 据的界面如图 1-9、1-10 所示。 7. 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 。为变频器供电 至电机运行至稳定状态，使用前面板中“数据保存”功能，快速增加（减小）负载用发 电机的负载， 观测并记录该过程中转速及定子电流的波形。 8. 观测低频补偿程度改变对系统性能的影响。 a. 从“低频补偿方式”中选择不同的补偿曲线，（“无补偿”即无低频补偿；补偿方式一指以电源频率为 低频段，此时补偿电压为 21.5V；补偿方式二指以电源频率为 1-10Hz 时为低频段，此时补偿电压为 43V）。 b. 设定低频频率，观察不同的低频补偿方式下，电机启动过程的区别。 9. 测取系统稳态机械特性 n  (Mf ) 。设定频率给定值为 3000Hz，选取异步调制方式，调节负载用发电 机 M03 的功率输出，当电机达到稳态时记录转速值，依次取点，根据所得数据在坐标纸上绘制出系统 的稳态机械特性。 10. 实验完毕，首先为逆变器退电，电机“返回”按钮返回实验选取界面。从启动界面中“实验历史数据 查看”可查看前面个步骤所保存的实验数据。
    11. 关闭其余各器件电源，完成实验。 注意事项： 1. 注意操作顺序，首先运行上位机程序，用示波器观测到正确的 PWM 波形后，再在上位机上进行观察是 否有预期的调制波产生，同时进行电流校正，方可进行变频器上电操作。 2. 在上位机中修改调制方式时，需停止电机旋转，完成修改后方可重新运行（空载或轻载时，可以直接 修改），以防电机波动过大，对器件造成冲击。 3. 在设置参数时，还要注意参数间的相互影响关系，以保证系统运行状态的良好。控制载波频率，无论 同步还是异步在 SPWM 开环变频调速实验中载波频率都应该在一定的范围内，载波频率受到 DSP 事件 管理器中周期寄存器 T1PR 位数的限制，程序中载波频率必须保持在 1500HZ 以上，当载波频率太小电 压利用率不足电机转速降低甚至停转，电机频率太高会影响程序的执行。实验测定载波频率 4000Hz 以下。当给定载波频率超出 1.5K-4KHz 范围，上位机会进行报警，载波频率在底层程序中也进行了限 制。 4. 注意为变频器供电时，需缓慢增加电源供电，以免由于上位机参数写入、读取延迟造成的系统故障。 5. 在进行实验操作时，要注意电机上电以及旋转中的声音变化，当出现异常声音时，要及时切断变频器。 6. 电源。
    图 1-4 实验选择面板
    图 1-5 程序加载前面板（程序加载前） 图 1-6 程序加载前面板（程序加载后）
    图 1-7 电流校正前面板 图 1-8 电流校正后面板
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