基于DSP的交流电机的控制

文中主要阐述了交流电机控制的电路制作、探索交流电机控制的捷径，阐述了矢量控制的基本思路，完成了交流电机矢量控制系统的硬件结构设计。了解交流系统的发展概况、使用领域，以及交流调速系统的国内外研究现状，针对我国能源消耗大的现实，在传统直流电机调速系统中大力推广。

本设计主要采用Protel 99 SE制作原理图和PCB，利用MULITSIM仿真工具对逆变电路、保护电路、电压采集、电流采集等电路进行有效地仿真，充分利用手头资源对交流电机控制进行了理论和阶段性的实现。

从仿真和试验的波形可以看出，该系统可以实现较大范围内的平滑调速，有很强的控制精度和良好的动态性能，实验结果验证了系统设计的有效性，可行性，为新的实验设备的进一步开发和利用奠定了坚实的基础。

关键词：交流调速，Protel 99 SE，电路制作，MULITSIM仿真

ABSTRACT

The paper described the production of circuit AC motor control, explore a shortcuts control of AC motor. Elaborate how to make vector control, and have finished the AC motor vector control system hardware architecture. I have grasped the development overview of AC system and its working space. I have also know that the research status at home and abroad. According to the large reality of China's energy consumption, promoting the traditional DC motor speed control system.

This design used Protel 99 SE to make PCB and schematic, make use of MULITSIM to simulate the Inverter circuit, protection circuit, voltage acquisition, current acquisition. Make full use of the resources at hand to the AC motor control theory and the stage of implementation.

As can be seen from the simulation and experimental waveforms, the system allows a large range of smooth speed. It has strong control accuracy and good dynamic performance. The experimental results verify the effectiveness and feasibility of the system design, and laid a solid foundation for further development and utilization of new laboratory equipment.

KEY WORDS: AC variable speed, Protel 99 SE, Circuit production,MULITSIM simulation

第1章 绪论

1.1研究的意义和目的

进入21世纪，在各国经济快速发展的今天，能源的短缺也逐渐成为经济发展的重要因素。就目前而言，全球大多数的电能消耗在工业上，而这部分电能有约一半消耗在交流电机的驱动上。因此可见电能在生产和使用中，电机起着重要作用 。从能量转换角度看，电机中有发电机和电动机之分。在国民经济的各行各业中使用的生产机械，诸如各种机床、轧钢机、矿井提升机、球磨机乃至家用电器等，数不胜数。在电力拖动自动控制系统系统中，要大量应用控制电机。因此，获得高性能的交流控制技术，无疑会提高电机的运行效率，提升我们的节能效果。而且，高性能的交流控制系统在军事、机器人及精密机床等领域有着广泛的应用。  

    伺服电机是一种控制电机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。伺服电机主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。 

    在直接转矩控制中，如果能获得任意相位的空间电压矢量，将有助于减小低速下的转矩脉动，达到矢量控制在低速下的稳态性能。获得任意相位的空间电压矢量的简单、容易掌握的方法是使用PI调节器。　

1.2国内外发展现状

交流伺服电机因其结构牢固、运行稳健可靠、成本低廉和高效率等而被广泛使用。但是交流电机的可控制性不如直流电机，而在很多应用中有精确定位、转距控制、速度控制等要求。为了实现此功能并提高控制精度，需要采用闭环控制系统和较为复杂、有效的控制算法，这些复杂的控制算法中包含了大量的数据运算及系统的实时性要求，对微处理器运算能力和速度要求更高。

由于直流伺服电动机存在机械结构复杂, 维修工作量大包括电刷、换向器等则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。随着微处理技术、大功率电力电子技术的成熟和电机永磁材料的发展和成本降低, 交流伺服系统得到长足发展并将逐步取代直流伺服系统。

1990年以前，由于技术成本等原因，国内伺服电机以直流永磁有刷电机和步进电机为主，而且主要集中在机床和国防军工行业。1990年以后，进口永磁交流伺服电机系统逐步进入中国，此期间得益于稀土永磁材料的发展、电力电子及微电子技术日新月异的进步，交流伺服电机的驱动技术也很快从模拟式过渡到全数字式。由于交流伺服电机的驱动装置采用了先进全数字式驱动控制技术，硬件结构简单，参数调整方便，产品生产的一致性可靠性增加，同时可集成复杂的电机控制算法和智能化控制功能，如增益自动调整、网络通讯功能等，大大拓展了交流伺服电机的适用领域；另外随着各行业，如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等，对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求不断提高，这些领域对交流伺服电机的需求将迅猛增长，交流伺服将逐步替代原有直流有刷伺服电机和步进电机[1]。

正弦波交流伺服系统综合了伺服电动机、角速度和角位移传感器的最新成就，与采用新型电力电子器件、专用集成电路和专用控制算法的交流伺服驱动器相匹配，组成新型高性能机电一体化产品。使原有的直流伺服系统面临淘汰的危机，成为当今世界伺服驱动的主流及发展方向。正弦波交流伺服广泛使用于航空、航天、兵器、船舶、电子及核工业等领域，如自行火炮、卫星姿态控制、雷达驱动、机载吊舱定位系统、战车火控及火力系统、水下灭雷机器人等。

交流伺服控制系统的研究国外开始与70年代，80年代进入实用阶段，90年代技术趋于成熟，其中以美国的ABB公司、Getts公司、KOLLMORGEN公司、德国的Siemens公司，日本的三菱、三洋、松下电器、东芝、安川电机等为代表。而高性能电力、电子器件的应用更是推动了交流调速系统的发展，例如在通用变频器方面，针对中、低压应用领域的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的高开关频率使得高性能的变频器成为可能，而在以后出现的智能功率模块(IPM)，更加简化了通用变频器的设计。与国外发达国家相比，我国的交流伺服控制的研究起步较晚，80年代末研究和引进交流伺服控制技术，到90年代逐渐形成研究热点，在控制理论上各国家的差距很小，但实际应用上，同国外相比，在调速范围，控制精度等主要指标方面还有很大差距[2]。

1.5 本文研究的主要内容

（1）交流变频调速系统的发展，也是追求异步电机矢量控制系统及通用变频器的高性能、高精度、高稳定性的一个过程，异步电机的矢量控制是技术发展的趋势。本文在阐述交流电机工作原理的同时对基于PWM 的异步电机矢量控制系统的数字化实现的各方面做一些探讨。

（2）对基于异步电机此外，很多变频器需要适用于通用负载电机，但高性能的异步电机矢量控制系统需要异步电机的转子电阻、电感等参数才能达到高精度控制，需要对电机进行参数的自学习和参数辨识，如何在最小的硬件成本下实现电机参数的辨识，本文试图做些理论分析和仿真。

（3）随着电机控制系统市场的越来越大，如何在追求高性能和设计方便程度、系统的成本之间，找个一个平衡点，也是人们关心的话题之一。本文应用Protel制作原理图，并应用MULTISIM仿真软件实现逆变、保护电路的仿真。 

第2章 交流电机的工作原理和控制方法

2.1 交流电机的工作原理

2.1.1三相异步电动机的旋转原理

    三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。我们知道，但相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。旋转磁场的转速为：n=60f/P 式中f为电源频率、P是磁场的磁极对数、n的单位是：每分钟转数。根据此式我们知道，电动机的转速与磁极数和使用电源的频率有关，为此，控制交流电动机的转速有两种方法：1、改变磁极法；2、变频法。以往多用第一种方法，现在则利用变频技术实现对交流电动机的无级变速控制[3]。

2.1.2单相交流电动机的旋转原理

单相交流电动机只有一个绕组，转子是鼠笼式的。当单相正弦电流通过定子绕组时，电动机就会产生一个交变磁场，这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化，但在空间方位上是固定的，所以又称这个磁场是交变脉动磁场[4]。这个交变脉动磁场可分解为两个以相同转速、旋转方向互为相反的旋转磁场，当转子静止时，这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等、方向相反的转矩，使得合成转矩为零，所以电动机无法旋转。当我们用外力使电动机向某一方向旋转时（如顺时针方向旋转），这时转子与顺时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变小；转子与逆时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变大。这样平衡就打破了，转子所产生的总的电磁转矩将不再是零，转子将顺着推动方向旋转起来[5]。

2.2 交流电机的结构

2.2.1高速电主轴的动平衡结构介绍

电主轴的最高转速高达60000～180000r/min，旋转部分的任何微小不平衡量都可能引起巨大的离心力，造成机床的振动，从而影响零件的加工质量。因此，必须对电主轴进行十分严格的校动平衡，使得动平衡精度达到ISO标准G0.4级，即在最高转速时，由于残余动不平衡引起振动的速度最大允许值为0.4mm/s[6]。

为此，在电主轴结构设计时，必须严格遵守结构对称的原则。高速电主轴的动平衡结构如下图所示，电动机转子与主轴之间通过过盈套筒产生的过盈配合来传递扭矩，尽量避免采用键、螺纹和其他零件连接；在拆卸主轴时，用高压泵将高压油从转子内套左端小孔a压入环形内孔e，过盈套筒1的内径在高压油的压力作用下要胀大，这样就可以方便地将转子拆下。为了保证主轴单元结构的对称性，转子内过盈套筒1的左端面上对称地加工出另一个小孔b（加工后用螺塞堵死），该小孔就是出于平衡而考虑的[7]。

图2.1 高速电主轴的动平衡结构图[8]

2.2 电机光电编码器的结构和原理

2.2.1光电编码器的介绍

　　光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的电机转子的位置信息的。根据光电编码器的工作原理可以将光电编码器分为绝对式光电编码器与增量式光电编码器，下面我就这两种光电编码器的结构与工作原理做介绍。

　 （1）绝对式光电编码器

　　绝对式光电编码器如图所示，他是通过读取编码盘上的二进制的编码信息来表示绝对位置信息的。

　　编码盘是按照一定的编码形式制成的圆盘。图1是二进制的编码盘，图中空白部分是透光的，用“0”来表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”来表示。通常将组成编码的圈称为码道，每个码道表示二进制数的一位，其中最外侧的是最低位，最里侧的是最高位。如果编码盘有4个码道，则由里向外的码道分别表示为二进制的23、22、21和20，4位二进制可形成16个二进制数，因此就将圆盘划分16个扇区，每个扇区对应一个4位二进制数，如0000、0001、…、1111[9]。

图2.2 编码器示意图[10]

　　（2）增量式光电编码器

　　增量式光电编码器的工作原理是是由旋转轴转动带动在径向有均匀窄缝的主光栅码盘旋转，在主光栅码盘的上面有与其平行的鉴向盘，在鉴向盘上有两条彼此错开90°相位的窄缝，并分别有光敏二极管接收主光栅码盘透过来的信号。工作时，鉴向盘不动，主光栅码盘随转子旋转，光源经透镜平行射向主光栅码盘，通过主光栅码盘和鉴向盘后由光敏二极管接收相位差90°的近似正弦信号，再由逻辑电路形成转向信号和计数脉冲信号。为了获得绝对位置角，在增量式光电编码器有零位脉冲，即主光栅每旋转一周，输出一个零位脉冲，使位置角清零。利用增量式光电编码器可以检测电机的位置和速度[11]。

2.2.2、光电编码器的测量方法

　　光电编码器在电机控制中可以用来测量电机转子的磁场位置和机械位置以及转子的磁场和机械位置的变化速度与变化方向。下面就我就光电编码器在这几方面的应用方法做一下介绍。

　  使用光电编码器来测量电机的转速：可以利用定时器/计数器配合光电编码器的输出脉冲信号来测量电机的转速。具体的测速方法有M法、T法和M/T法3种。

M法又称之为测频法，其测速原理是在规定的检测时间内，对光电编码器输出的脉冲信号计数的测速方法，如图2所示，例如光电编码器是N线的，则每旋转一周可以有4N个脉冲，因为两路脉冲的上升沿与下降沿正好使编码器信号4倍频。现在假设检测时间是，计数器的记录的脉冲数是，则电机的每分钟的转速为 [12] ：

                           (2-1)

　　在实际的测量中，时间内的脉冲个数不一定正好是整数，而且存在最大半个脉冲的误差。如果要求测量的误差小于规定的范围，比如说是小于百分之一，那么就应该大于50。在一定的转速下要增大检测脉冲数以减小误差，可以增大检测时间单考虑到实际的应用检测时间很短，例如伺服系统中的测量速度用于反馈控制，一般应在0.01秒以下。

　　M法测速适用于测量高转速，因为对于给定的光电编码器线数N机测量时间条件下，转速越高，计数脉冲越大，误差也就越小。

　　T法也称之为测周法，该测速方法是在一个脉冲周期内对时钟信号脉冲进行计数的方法，如图3所示。例如时钟频率为,计数器记录的脉冲数为，光电编码器是N线的，每线输出4N个脉冲，那么电机的每分钟的转速为

　　M/T法测速是将M法和T法两种方法结合在一起使用，在一定的时间范围内，同时对光电编码器输出的脉冲个数和进行计数，则电机每分钟的转速为：

                                                                           (2-2)

　　实际工作时，在固定的时间内对光电编码器的脉冲计数，在第一个光电编码器上升沿定时器开始定时，同时开始记录光电编码器和时钟脉冲数，定时器定时时间到，对光电编码器的脉冲停止计数，而在下一个光电编码器的上升沿到来时刻，时钟脉冲才停止记录。采用M/T法既具有M法测速的高速优点，又具有T法测速的低速的优点，能够覆盖较广的转速范围，测量的精度也较高，在电机的控制中有着十分广泛的应用。

第三章 空间矢量PWM

空间矢量PWN(SVPWM)是实现三相逆变器的功率管控制的一种方法。这种方法能够保证在电机的定绕组中产生较小的电流谐波，与采用正弦调制的方法相比空间矢量PWM能过保证直流侧电压的高利用率。

3.1 三相逆变电路设计

3.1.1 脉宽调制

PWM脉宽调制，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率。而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来实现。这样，使调压和调频两个作用配合一致，且于中间直流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能。由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电，可用不可控整流器取代相控整流器，使电网侧的功率因数大大改善。利用PWM逆变器能够抑制或消除低次谐波。加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波。PWM变频电路具有以下特点：

（1）可以得到相当接近正弦波的输出电压

（2） 整流电路采用二极管，可获得接近1的功率因数

（3） 电路结构简单

（4）通过对输出脉冲宽度的控制可改变输出电压，加快了变频过程的动态响应

现在通用变频器基本都再用PWM控制方式， PWM控制的原理 PWM基本原理如下[13]：

    脉宽调制（PWM），控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次斜波谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

本文所使用的空间矢量SVPWM就是居于PWM的基本原理的基础上，通过DSP芯片产生6个相关连的PWM信号来控制电机的转动。这6个相关联的PWM信号就是我们所说的SVPWM信号，PWM经过光耦提高驱动能力来驱动开关管，当PWM信号为高电平时晶闸管打开，低电平时晶闸管关断。这6个晶闸管就构成一个三相逆变器。可以说，三相逆变器就是连接SVPWM信号和电机的桥梁，是一个电机驱动模块。

图 3.1 PWM控制简易流程

3.1.2 逆变器工作原理

图3.2给出了一个典型的三相逆变器的结构。其中、、是电机转子

绕组的控制电压。a、b、c和、、控制逆变器的6个开关管，当一个桥

臂的上管导通时(a、b或c=1)，同一个桥臂的下管关断(、或=0)；反之当上管关断时(a、b或c=O)，下管导通(、或=1)。所以，可以根据上臂桥(、、)的状态，计算出电机的控制电压[14]。   

图3.2 典型逆变器结构示意图

当逆变器的一个上桥臂开关导通时，电压 (x=a、b或c)等于直流侧电压；当上臂桥关断时，电压为0。逆变器的3个桥臂的6个开关管有8种可能的开关组合。我们定义当上臂桥导通时为1，当下臂桥导通时为0。于是我们可以得到000、001、010、011、100、101、110、11l这8种组合。这8种状态和电机的线电压、相电压的关系如表3．1所示。

这时，我们就可以用空间矢量去逼近电机的电压，任何时候逆变器输出电

压都只能是8种矢量中的一种。但我们可以用脉宽调制的方法(PWM)去改变逆变器输出电压的大小，那样我们就可以得到大小可调的8个固定方向的矢量电压，然后运用矢量合成的原理，我们就可以得到在圆周内任意大小任意方向的矢量电压。因此，若需要任意位置和大小的电机电压可以用相邻的两个矢量的组合来逼近(见图3.3)。

               =                  (3-1)

其中，T是PWM载波周期。

    上面的计算说明，在和时间内，功率模块的开关状态必须分别对应和向量。作为零向量作用时间，对电机的电压不会产生影响，但可平衡开关光的开关周期[15]。

图3.3 空间矢量合成示意图

第4章 硬件系统的设计及实现

4.1 驱动电路的设计 

4.1.1 主要流程

基于DSP的交流电机控制是一个有转速反馈的闭环系统。DSP控制器负责A/D转换、计算电机的转速和位置，最后运用矢量控制算法，得到电压空间矢量的PWM控制信号，再经过光耦隔离电路后，驱动IGBT功率开关器件。DSP控制器还负责系统的保护和监控，当系统出现过压、过流、欠压等故障时，DSP将封锁PWM输出信号，以保护IPM模块。基于2812电机控制硬件结构框图如图4.1所示。

图4.1 主控流程

本系统的主要硬件功能特色为：

●380V7．5kW功率变换器(三相整流滤波，光耦隔离驱动，开关电源，电流电压检测)

●三路集电极开路的开关量输出

●一路故障信号继电器输出，高速光电编码盘接口

●十二路(六组)PWM驱动输出接口

●十二路(六组)PWM驱动输出接口皆有死区时间设置

●RS232串行接口

●RS485串行接口

●串行EEPROM及其读写程序

●多种保护功能：硬件输出过流保护、IPM故障保护、输入缺相保护、主电路过热保护。

4.1.2 逆变电路

本课题主要是研究中小型电机的变频调速控制系统，为此，在硬件系统设计中采用的是交－直－交电压源型变频器主电路，主电路采用整流电路、滤波电路以及功率开关器件组成的逆变电路等构成。在实验中采用的是220V的交流电经过 0～250V的自耦变压器调压，将滤波后的交流电输给整流桥进行整流，由于整流电路中输出电压是脉动的，因而在输出的直流电中仍然存在交流分量，为了获得干净的直流电源一般需要加入一个由大电容组成的低通滤波器。经过计算可知，250V 的交流电经过整流滤波后的直流电压为350V左右，再乘上因电压波动而考虑的安全系数，从而选用耐压 450V，电容量为 470uF的电解电容。为了启动冲量电流，保护电路中选用大功率电阻的同时，增加了滤波电容的数量。

逆变器是由六个IGBT组成的，见图4.2。IGBT主要参数有：耐压1200V，最大电流25A，应用频率硬开关5KHz～40KHz，软开关40KHz～150KHz。用 PWM 控制信号来驱动这六个功率开关管，将直流母线电压转换成按照一定规律变化的脉冲电压序列，以此来驱动电机。

图4.2 逆变电路

图 4.3 逆变电路电源保护电路

图4.4 电源继电保护

4.1.3 驱动电路

由于从DSP发出的 PWM驱动信号只有 5V的电压， 而整流逆变电路选用的是IGBT型号的MOSFET功率开关管，其栅极驱动电压为 15～18V，必须放大PWM控制信号的驱动能力，同时还要保证转换速度和转换精度。因此，在设计驱动电路的时候运用了TLP250光耦，可以获得15V以上的电压信号，成功驱动IGBT开关，其驱动电路如图4.3所示。

图4.5 驱动电路

4.1.4 保护电路

从电路的原理图可知，由于高压的存在，为了保护元器件、保证电路的正常运行，还必须在系统设计中加入保护电路，比如：限流、限压、温度控制等。在本课题的实验系统中加入了交流异步电机控制的过流检测电路和过压检测电路。系统的电压采样和保护见图 4.6，电流保护见图4.7。其中在设计电流采样的过程中用到了闭环霍尔电流传感器（HCNR201）见图4.8。

图4.6 电压采样和保护电路图（图中LM358D的1端口接下图5端口）

HCNR201光电耦合器是一种由三个光电元件组成的器件，主要技术指标如下：

　　●具有±5％的传输增益误差和±0．05％的线性误差；

    ●具有DC～1MHz的带宽；

　　●绝缘电阻高达1013Ω，输入与输出回路之间的分布电容为0．4pF；

　　●耐压能力为一分钟5000V，最大绝缘工作电压为1414V；

    ●具有0～15V的输入／输出范围。

　　HCNR201光电耦合器的内部结构如图4.7所示，其中LED为铝砷化镓发光二极管，PD1、PD2是两个相邻匹配的光敏二极管，这种封装结构决定了每一个光敏二极管都能从LED得到近似的光照，因而消除了LED的非线性和偏差特性所带来的误差。当电流流过LED时，LED发出的光被耦合到PD1与 PD2，从而在器件输出端产生与光强成正比的输出电流。

图 4.7 HCNR201内部结构[16]

图4.7 过电流保护电路图

图4.8 电流采集

4.1.5 硬件电路设计中的抗干扰措施

系统的可靠性是由多种因素决定的，其中系统的抗干扰性能是系统可靠性的重要指标。如果抗干扰性不好，将引起诸如测量数据精度不够、所测数据值不稳定、系统电压偏移无法正常工作以及可能导致系统软件无法运行等问题，甚至还会造成元件损坏。硬件电路的抗干扰措施，主要是指在原理设计过程中所采取的抗干扰措施和在设计电路板时所采取的抗干扰措施。它主要是从接地、电源线布置、去藕电容配置等三方面加以防止：

（1）接地。

机系统中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地和模拟地等，在微机实时控制系统中，接地是抑制干扰的重要方法，如能将接地和屏蔽正确结合起来使用是可以解决大部分干扰问题。接地线应尽量加粗，若接地用线条很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使微机的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。因此应将接地线条加粗，使它能通过三倍于印刷电路板上的允许电流。接地线构成闭环路[17]。只用数字电路组成的印刷电路板接地时，根据经验，将接地回路做成闭环路能明显提高抗噪声能力。

（2）电源线布置

电源线的布置除了要根据电流的大小，尽量加粗导体宽度外，采取使电源线、地线的走向与数据传递的方向一致，将有助于增强抗噪声能力。

（3）去藕电容、滤波配置

在印刷电路板的各个关键部件配置去藕电容应视为印刷电路板设计的一项常规做法。电源输入端跨接10~100uF的电解电容器。原则上每个集成电路芯片都应安置一个0．01uF的陶瓷电容器，这种器件的高频阻抗特别小，在500KHz～20MHz范围内阻抗小于10，而且漏电流很小。控制器复位端子“RESET”在强干扰现场会出现尖峰电压干扰，可能会改变部分寄存器状态，因此可以在“RESET”端配以0．01uF去藕电容[18]。同时在电源端配以0.1uF的滤波电容，防止电源出现大的波动。

图4.9 滤波电容

4.2 设计软件应用简介

4.2.1 Multisim仿真的应用

Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。本设计采用Multisim作为仿真软件，对逆变电路部分进行仿真，达到了不错的效果。验证了电路的理论可行性。

图4.10 仿真图形

图4.7中channel A为交流电源波形，channel B为逆变之后单相电路波形。

图4.11 仿真原理图

图 4.12 电流跟踪图

图4.13 电压滞后波形相差120°

4.2.2 Protel的应用

本设计主要应用Protel作为作图软件，在Protel设计时的注意事项和遇到的问题及解决方案：

（1）.制作原理图时，电气结点一定要连接到位，否则在生成PCB时会找不到；

（2）.在制作PCB时，由于之前修改了库文件而忘记更新，于是找不到原件；

（3）.在设计PCB时，在考虑到电气距离的同时，还要注意版面的美观性；

（4）应尽量避免飞线和过孔。

（5）完成设计应认真仔细检查电气连结。

（6）尽量建立自己的库文件，方便设计。

图4.14  PCB设计图

第5章 实验结果分析、总结和展望

5.1实验结果分析

通过软件仿真、系统的总体分析设计，以及硬件的设计调试和相配套的软件编程，到目前为止已经取得了阶段性的成功。本课题是基于 DSP 的交流异步电机变频调速系统的研究和实现， 在实验中采用的三相交流异步电机是：（型号：JW5624、额定电压：380V、额定功率：120W、额定电流：0.3A、频率：50Hz、转速：1400 r/min、极对数：2极、电机定子连接：Y形接法）。实验中采用的是 220V、50Hz 的交流电，经过交流电源滤波器，将滤波后的交流电输给整流滤波电路进行整流滤波，由此可以获得 0～350V 的可调直流母线电压，并以此传给逆变器，再将DSP产生的PWM控制信号经过光耦隔离、功率放大，对逆变器进行开关控制，从而生成电机变频调速所需要的脉宽电压，实现了交流异步电机的变频调速。

5.2 全文总结及后续工作 

5.2.1 工作总结

本论文的课题是基于 DSP 的交流异步电机变频调速系统的硬件研究和实现，文中分析了交流异步电机变频调速的发展以及实际运用领域，着重介绍了如何设计和制作交流调速控制的硬件系统，包括器件的选用和软件的使用，并结合软件部分分析了实验结果，实现了交流电机的调速控制。在设计过程中，运用 Protel99 制作原理图和PCB图，利用Multisim实现电路的仿真，最终完成交流异步电机变频调速控制系统。

但是，由于多方面的原因，如个人能力的等，本课题完成了交流电机调速控制的硬件系统设计和开发，但是交流逆变电路仿真效果始终不理想，在同软件部分的结合上不是很好，导致实验结果偏差较大。同时我感觉到DSP在工业控制尤其是电机控制上有着绝对的优势，对于我没能学习DSP算是一种遗憾。

5.2.2 展望

个人认为，交流电机控制的发展还是要向着无桥电路、简化传感器方向发展，毕竟开关管的精度不能完全一致，传感器的精度也不能达到精准的地步。因此，硬件电路的简化必然是交流电机控制的发展趋势。由于能力有限，本文还存在许多的不足之处，本人必将在以后的学习工作中更加努力，以祢补不足，在理论和动手能力上更上一层楼。

致    谢

在本论文结束之际，我首先向我的导师林旭梅副教授致衷心的感谢和由衷的敬意。四年以来，林老师给予我在学习和生活上严格的要求和精心指导。本文从开始的选题、中间的研究工作直到论文的撰写都凝聚了林老师大量的心血。林老师严谨的治学态度、不断创新的科研精神和对工作勤勉踏实的作风都使我受益终生，时刻激励着我不断学习、不断进步。在大学四年的求学生涯中，感谢舍友魏文建、学弟李家富等给予我在学习和科研工作上的帮助和指导。感谢自动化学院08电管1班的所有老师和兄弟姐妹们，是他们给了我一个团结协作、互帮互助、关系融洽的学习和生活氛围。我还要感谢实验室的老师们，是你们激发了我对电子设计方面的兴趣，让我找到了自己的兴趣爱好，我今天取得的成绩离不开你们的辛苦培养。最后我要深深感谢我的父母，在我这么多年的求学生涯中给予我学习、生活上无微不至的关心、大力的鼓励和默默的支持，这都是我不断前进的动力，感谢各位专家和老师的评阅！

王晓鹏 

2012年 06月 18日 

于青岛理工大学自动化工程学院

参考文献

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附录