【正文】 述了變頻調(diào)速的基本原理。2. 變頻器控制系統(tǒng)的控制策略及功能實(shí)現(xiàn)。3. 介紹了控制器的硬、軟件結(jié)構(gòu)。4. 三相 PWM 技術(shù)及變頻調(diào)速的仿真研究。第2章 通用變頻器的結(jié)構(gòu)及工作原理 通用變頻器的基本結(jié)構(gòu)變頻器分為交交和交直交兩種形式。交交變頻器可將工頻交流直接變換成頻率、電壓均可控的交流，又稱為直接式變頻器。而交直交變頻器則是先把工頻交流點(diǎn)通過整流器變成直流電，然后把直流電變成頻率、電壓均可控的交流電，它又稱之為間接式變頻器。本文的目的是研究通用變頻器，所以主要是交直交變頻器。這種結(jié)構(gòu)主要包括整流環(huán)節(jié)、中間環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)。其中間直流環(huán)節(jié)是儲(chǔ)能元件，用于負(fù)載和直流電源之間的無功功率交換，根據(jù)此儲(chǔ)能元件是電容還是電感，將變頻器分為電壓型和電流型兩大類。變頻器的基本構(gòu)成如21所示，由主電路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制電路組成，分述如下：1. 整流器：電網(wǎng)側(cè)的變流器Ⅰ是整流器，它的作用是把三相（也可以是單相）交流電整流成直流電。2. 逆變器：負(fù)載側(cè)的變流器Ⅱ?yàn)槟孀兤?。最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用六個(gè)半導(dǎo)體主開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路。有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)器件的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流電輸出。3. 中間直流環(huán)節(jié)：由于逆變器的負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載。無論電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)或者發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會(huì)為1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無功功率的交換。這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件（電容器或者電抗器）來緩沖。所以又稱中間直流環(huán)節(jié)為中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。4. 控制電路：控制電路常由運(yùn)算電路、檢測(cè)電路、控制信號(hào)的輸入、輸出電路和驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成。其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器的開關(guān)控制、對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能等。控制方法可以采用模擬控制或數(shù)字控制。高性能的變頻器目前已經(jīng)采用模擬控制或數(shù)字控制。高性能的變頻器目前已經(jīng)采用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行全數(shù)字控制，采用盡可能簡(jiǎn)單的硬件電路，主要靠軟件來完成各種功能。由于軟件的靈活性，數(shù)字控制方式?？梢酝瓿赡M控制方式難以完成的功能。圖21 變頻器基本結(jié)構(gòu)當(dāng)交－直－交變煩器的中間環(huán)節(jié)用大電感作為儲(chǔ)能和濾波時(shí)，直流電流波形比較平直，電源內(nèi)阻較大，對(duì)負(fù)載來說相當(dāng)于是恒流源，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖22所示。其顯著的優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，便于四象限運(yùn)行，不需附加任何設(shè)備。適合于需要頻繁快速加減速和可逆運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)負(fù)載，但由于電流源型變頻器屬于恒流源，對(duì)系統(tǒng)負(fù)載電流的變化反應(yīng)慢，不適合帶多臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行，只能帶單臺(tái)電機(jī)運(yùn)行。 圖22 電流型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 電壓型變頻器 電壓源型變頻器主電路的中間環(huán)節(jié)主要采用大電容進(jìn)行儲(chǔ)能、濾波。其直流電壓波形比較平直，理想狀態(tài)下電源內(nèi)阻為零，對(duì)負(fù)載而言是恒壓源，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖23所示，其電壓無法迅速反向。由于大電容的平波作用，主電路的直流電壓比較平穩(wěn)。因此，電壓源型變頻器無法實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。而對(duì)于負(fù)載而言，電壓型變頻器相當(dāng)于一個(gè)電壓源，電壓控制相應(yīng)慢，可以同時(shí)帶多臺(tái)電機(jī)運(yùn)行。本文所研究與實(shí)現(xiàn)的通用變頻器是電壓源型變頻器。圖23 電壓型逆變器拓?fù)渚蛪?通用變頻器工作原理異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，既旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為： (21)式中，n—同步轉(zhuǎn)速（r/min）；f—定子頻率（Hz）；p—磁極對(duì)數(shù)。而一步電動(dòng)機(jī)的軸轉(zhuǎn)速為： 式中s—異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，s=(/。改變一步電動(dòng)機(jī)的供電頻率，可以改變其同步轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行。對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，希望電動(dòng)機(jī)的主磁通保持額定值不變。磁通太弱，貼心利用不充分，同樣的轉(zhuǎn)子電流下，電磁轉(zhuǎn)矩小，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力下降；磁通太強(qiáng)，則處于過勵(lì)磁狀態(tài)，使勵(lì)磁電流過大，這就限制了定子電流的負(fù)載分量，為使電動(dòng)機(jī)不過熱，負(fù)載能力也要下降。異步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通（主磁通）是定、轉(zhuǎn)子合成磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的，下面說明怎樣才能使氣隙磁通保持恒定。由電機(jī)理論知道，三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值為 = (22)式中—定子每相由氣隙磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)的方均根值(V)；—定子頻率(Hz)； —定子相繞組有效匝數(shù)； —每極磁通量(Wb)。由上式可見，是由和共同決定的，對(duì)和進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲涂梢允箽庀洞磐ū３诸~定值不變。下面分兩種情況說明：1. 基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速這是考慮從基頻（電動(dòng)機(jī)額定頻率）向下調(diào)速的情況。為了保持電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力，應(yīng)保持氣隙主磁通不變，這就要求降低供電頻率的同時(shí)降低感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，保持/=常數(shù)，即保持電動(dòng)勢(shì)與頻率之比為常數(shù)進(jìn)行控制。這種控制又稱之為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。如圖24所示。圖24 基頻以下變頻調(diào)速機(jī)械特性但是,難于直接檢測(cè)盒直接控制。當(dāng)和的值較高時(shí)，定子的漏阻抗壓降相對(duì)比較小，如忽略不計(jì)，則可以近似地保持定子相電壓和頻率的比值為常數(shù)，即認(rèn)為=，保持/=常數(shù)即可。這就是恒壓頻比控制方式，是近似的恒磁通控制。當(dāng)頻率較低時(shí)，和都變小，定子漏阻抗壓降（主要是定子電阻壓降）不能再忽略。這種情況下，可以認(rèn)為的適當(dāng)提高定子電壓比補(bǔ)償定子電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。如圖25所示，其中1為/=C時(shí)的電壓、頻率關(guān)系，2為有電壓補(bǔ)償時(shí)（近似的C）的電壓、頻率關(guān)系。實(shí)際裝置中與的函數(shù)關(guān)系并不簡(jiǎn)單的如曲線2所示。通用變頻器中與之間的函數(shù)關(guān)系有很多種，可以根據(jù)負(fù)載性質(zhì)和運(yùn)行狀況加以選擇。圖25 恒壓頻比控制特性2. 基頻以上的弱磁變頻調(diào)速 這是考慮由基頻開始向上調(diào)速的情況。頻率有額定值向上增大，但電壓受額定電壓的限制不能再升高，只能保持=不變。必然會(huì)使主磁通隨著的上升而減小，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速的情況，屬于近似的恒功率調(diào)速方式。如圖26所示。圖26 基頻以上變頻調(diào)速機(jī)械特性綜合上述兩種情況，異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的基本控制方式如圖27所示。由上面的討論可知，異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速必須按照一定的規(guī)律同時(shí)改變其定子電壓和頻率，即必須通過變頻裝置獲得電壓、頻率均可調(diào)節(jié)的供電電源，實(shí)現(xiàn)所謂的VVVF(Variable Voltage Variable frequency)調(diào)速控制。通用變頻器可適應(yīng)這種異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的基本要求。圖27 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速機(jī)械特性 本章小結(jié)本章介紹了變頻器的常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、分類，分析了他們各自的特定及應(yīng)用場(chǎng)合。同時(shí)又闡述了變頻調(diào)速的原理以及不同情況下變頻調(diào)速的機(jī)械特性。第 3章 通用變頻器的硬件電路和軟件設(shè)計(jì) 通用變頻器設(shè)計(jì)指標(biāo)變頻器是一種新穎的可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)無級(jí)調(diào)速的裝置，衡量系統(tǒng)性能的技術(shù)指標(biāo)與傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)也有較大不同，如變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器的速度調(diào)節(jié)總是連續(xù)的，故無需考慮平滑性指標(biāo)；而系統(tǒng)對(duì)指令的影響性能則反映了系統(tǒng)的跟蹤能力，因此，必須作為衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。變頻器的主要技術(shù)指標(biāo)如下。1. 調(diào)速范圍調(diào)速范圍是衡量系統(tǒng)變速能力的指標(biāo)。調(diào)速范圍有兩種表述方式：一是以調(diào)速系統(tǒng)實(shí)際可以達(dá)到的最低轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速之比表示，如1:100等；二是以最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速的比值(D)表示，如D=100等，兩者本質(zhì)相同。需要注意的是：定義變頻調(diào)速的調(diào)速范圍時(shí)，應(yīng)以電動(dòng)機(jī)能夠帶動(dòng)額定負(fù)載的最低與最高轉(zhuǎn)速作為計(jì)算調(diào)速范圍的依據(jù)，它與變頻器技術(shù)參數(shù)中的頻率控制范圍是完全不同的兩個(gè)概念。2. 調(diào)速精度調(diào)速精度是衡量系統(tǒng)調(diào)速穩(wěn)定性的指標(biāo)。變頻器的調(diào)速精度計(jì)算方法與傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)不同，計(jì)算式如下： (31)調(diào)速精度與調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，一般而言，調(diào)速系統(tǒng)采用閉環(huán)控制后，調(diào)速精度可比開環(huán)控制提高10倍左右。3. 最大輸出頻率變頻器最大輸出頻率是決定調(diào)速范圍與衡量高速性能的指標(biāo)。對(duì)于同樣極對(duì)數(shù)的電機(jī)，頻率越高，可以達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速也越大；當(dāng)最低頻率不變時(shí)，其調(diào)速范圍也就越大。4. 速度響應(yīng)與頻率響應(yīng)“速度響應(yīng)”是衡量變頻器對(duì)指令的跟隨性能與靈敏度的重要指標(biāo)。速度響應(yīng)是調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載慣量與電動(dòng)機(jī)慣量相等的情況下，電機(jī)可以完全跟蹤給定變化的最大指令變化率。“速度響應(yīng)”可以用角速度或頻率值表示。用角速度表示的“速度響應(yīng)”值直接稱為“速度響應(yīng)”，單位為rad/s；而將用頻率表示的“速度響應(yīng)”稱為“頻率響應(yīng)”，單位Hz。“響應(yīng)速度”與“頻率響應(yīng)”的實(shí)質(zhì)相同，兩者可以用1Hz=2(rad/s)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。5. 調(diào)速效率調(diào)速效率是衡量調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能的技術(shù)指標(biāo)，它以調(diào)速系統(tǒng)的輸出功率與輸入功率之比進(jìn)行標(biāo)示，即 (32) 控制器的選型 TMS320F2812是美國(guó)得克薩斯州儀器公司(TI)最新推出的基于代碼兼容C28x內(nèi)核的新型高性能32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，它專門為數(shù)字控制設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高性能DSP與高精度模擬及閃存的完美結(jié)合。F2812具有高集成度，從而提供了整套的片上系統(tǒng)，同時(shí)降低了板級(jí)空間及系統(tǒng)成本，實(shí)現(xiàn)了更簡(jiǎn)單、更高效和更經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)。F2812有如下特點(diǎn)：1. 具有EVA、EVB兩個(gè)時(shí)間管理其，每個(gè)EV都有8個(gè)16位的脈沖調(diào)制通道，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部時(shí)間定時(shí)的捕獲、16個(gè)通道A/D轉(zhuǎn)換、可編程PWM死區(qū)功能等。2. 片內(nèi)高達(dá)128K16位的Flash存儲(chǔ)器，1K16位的一次性編程存儲(chǔ)器(OTPROM)、M0和M1兩個(gè)1K16位的存儲(chǔ)器(SARAM)、L0和L1兩個(gè)4K16位的存儲(chǔ)器(SARAM)。3. 片外可擴(kuò)展高達(dá)1M的存儲(chǔ)內(nèi)容，并有讀/寫信號(hào)選通時(shí)序可編程、編程等待狀態(tài)和3個(gè)獨(dú)立的片選信號(hào)。4. 內(nèi)置有兩個(gè)8選1多路切換器和雙采樣保持器的12位ADC內(nèi)核，最快轉(zhuǎn)換時(shí)間80ms。ADC模塊具有16個(gè)模擬通道，并可以配置為用于ePWM模塊的2個(gè)獨(dú)立的8通道模塊。可將兩個(gè)獨(dú)立的8通道模塊級(jí)練成一個(gè)通道。5. 多達(dá)56個(gè)獨(dú)立可編程服用的通路I/O引腳(GPIO)。6. 包含串行外設(shè)借口(SPI)、兩個(gè)串行通信端口(SCI)即標(biāo)準(zhǔn)的UART、增強(qiáng)的區(qū)域控制網(wǎng)(eCAN)及多通道緩沖串口(McBSP)。 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)總系統(tǒng)以TI公司的TM320F2812DSP芯片為控制核心，設(shè)計(jì)相應(yīng)主電路、驅(qū)動(dòng)電路采樣電路、保護(hù)電路等。其框圖如圖32所示。圖32 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)總圖 主電路設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)主電路采用交—直—交拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖33所示。圖33 交直交拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)先將三相交流電(50Hz)經(jīng)三相不可控整流橋整流成直流電，再經(jīng)電容濾波成平滑直流電，最后經(jīng)三相逆變橋逆變成復(fù)制和頻率都可變的交流電，來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，達(dá)到調(diào)速的目的。 信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)現(xiàn)代電氣測(cè)量、控制中，常常需要用低壓器件去測(cè)量、控制高電壓、強(qiáng)電流等模擬量，如果模擬量與數(shù)字量之間沒有電氣隔離，那么，高電壓、強(qiáng)電流很容易串入低壓器件，并將其燒毀。本實(shí)驗(yàn)中從輸出端采樣的模擬信號(hào)由于要連入DSP端口，為了使電源輸入和輸出之間進(jìn)行絕緣，同時(shí)也為穩(wěn)定控制回路提供一條信號(hào)通道[5]，:方案一：最常用到的就是利用光耦元件對(duì)所采樣的電壓、電流進(jìn)行采樣。光電耦合器因其良好的性能和抗干擾能力而被廣泛地應(yīng)用于輸入和輸出信號(hào)的電氣隔離。但是,在利用光電耦合器的線性耦合直接對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行隔離傳輸時(shí), 由于光電耦合器內(nèi)部發(fā)光二級(jí)管和光敏三級(jí)管的伏安特性, 使得光電耦合器的“線性區(qū)”實(shí)際上比較小并且存在一定程度的非線性失真。由于光電耦合器件非線性的輸入輸出特性所限,一般來講, 光耦器件主要應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)的隔離, 而較少用于模擬信號(hào)的隔離。方案二：采用諸如霍爾器件等特殊傳感器,其線性度高，頻率響應(yīng)速度快， 但其價(jià)格較貴。且硬件電路較為簡(jiǎn)單，因此在精度等要求比較高的情況下可以予以考慮。方案三：首先進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換或V/F轉(zhuǎn)換, 再用光耦進(jìn)行隔離的方法, 但處理過程較為復(fù)雜, 并且如果能夠使用霍爾器件完成對(duì)模擬信號(hào)的隔離, 無疑是很有意義的。系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)直流母線的電壓，以供整流器構(gòu)成電壓閉環(huán)并為母線過壓保護(hù)提供開啟信號(hào)。常用的電壓檢測(cè)方法有電阻分壓法，電壓互感器法和霍爾電壓傳感器法。電阻分壓法檢測(cè)精度低，電壓互感器則只能測(cè)交流量，雖然霍爾電壓傳感器價(jià)格較高但檢測(cè)性能非常好。本系統(tǒng)采用具有高度電絕緣(2500V)的霍爾電壓傳感器 HNV025A，HNV025A型是利用磁補(bǔ)償原理的一種霍爾電壓傳感器，能夠測(cè)量直流、交流以及各種波形電壓，同時(shí)在電氣上是高度絕緣的，其原理圖如圖34所示。測(cè)量時(shí)強(qiáng)、弱電隔離，避免用電阻分壓法測(cè)電阻方法帶來的電氣干擾，具有高過載容量、體積小、全封閉、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。誤差在177。%，非線性度%，響應(yīng)時(shí)間40μS。輸入端分別接母線電容的正負(fù)極。為使傳感器達(dá)到最佳精度初級(jí)電阻R應(yīng)盡量選擇使得輸入電流為10mA。本系統(tǒng)直流電壓為540V，忽略初級(jí)線圈的電阻，選擇阻值為40K，10W的水泥電阻。測(cè)量電阻選用精密電阻，根據(jù)需要的輸出電壓和公式確定阻值。如圖34 HNV025A外接電路輸出調(diào)理電路如圖35所示。第一級(jí)是低通濾波；第二級(jí)是由LM35