【正文】 制系統(tǒng)對(duì)定子電流的檢測(cè)對(duì)精度和速度的要求非常高，在本課題中采用萊姆公司 LTS 系列的 LEM霍爾電流傳感器進(jìn)行電流的檢測(cè)。 本設(shè)計(jì)是將來(lái)自 LEM 霍爾電流互感器電壓信號(hào)先后施加到 TLC2274 的兩個(gè)減法電路上，第一路以互感器輸出電壓減去互感器采樣結(jié)果的中值參考電壓()，再線性放大到 ADS8364 采樣所要求的電壓范圍 (0~5V)。兩路輸出中只有一路輸出值有效，但可以通過(guò) DSP編程區(qū)分出有用信號(hào)。 在本設(shè)計(jì)中， B 相與 A 相的采樣電路完全相同，兩相電流采樣就需要 4 路 A/D 通道，那么一片 TLC2274 就可以滿足需求。 直流母線電壓的大小與系統(tǒng)的安全直接相關(guān)，在每一個(gè)中斷周期檢測(cè)直流電壓大小很有必要。 1122334455667788991010111112121313141415151616D DC CB BA AT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eA0D a t e : 20xx/ 4/ 8 S 。此外，在不考慮逆變器死區(qū)效應(yīng)的情況下，交流側(cè)電壓可由直流電壓和開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息共同得到。 22 電壓采樣調(diào)理電路設(shè)計(jì) 在本課題中，功率驅(qū)動(dòng)器的逆變部分選用集保護(hù)電路和功率開(kāi)關(guān)于一體的智能功率模塊 IPM。 A 相電流信號(hào)的采樣調(diào)理如圖 312 所示。當(dāng)輸出電壓大于中值參考電壓時(shí)， TLC2274 的輸出端為 0~5V 的正電壓，在此采用二極管使電流不能注入到運(yùn)放中，這樣第二路運(yùn)放不能輸出負(fù)電壓，而是鉗位在 0V；當(dāng)互感器輸出電壓值小于中值參考電 壓時(shí)， TLC2274 的輸出為0~5V 正電壓，同樣可以采用二極管使第一路運(yùn)放不能輸出負(fù)電壓，鉗位在 0V。該芯片是 TI 公司用先進(jìn)的 LinCMOS 工藝制造、具有 RailtoRail 輸出能力、滿電源輸出幅度的高性能四運(yùn)算放大器，它比目前常用的 CMOS 運(yùn)放有更好的噪聲、功耗和輸入失調(diào)電壓性能。 1122334455667788D DC CB BA AC 1+1C 13C 2+4C 25T 1I N11T 2I N10R 1I N13R 2I N8R 2O U T9R 1O U T12T 2O U T7T 1O U T14V s +2V s 6V c c16GND15M A X 232U 10V C C+.1uFC 36+C 42+C 40+C 38+C 41162738495D B 7J2S C I T X D / I O P A 0S C I R X DB I OW / R / I O P C 0 圖 310 RS232 接口電路 調(diào)理板電路設(shè)計(jì) 本課題中，信號(hào)調(diào)理電路板就是接受來(lái)自傳感器及編碼器信號(hào)的電路板，該電路板將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制板 A/D 能夠直接識(shí)別的信號(hào)后，送給控制板進(jìn) 21 行處理。本設(shè)計(jì)中采用 MAX232 芯片作為控制器的異步串行通信轉(zhuǎn)換接口。 TMS320LF2812 提供了串行通信接口 SCI 模塊，包括兩個(gè) I/O 引腳，分別是串行接收數(shù)據(jù)輸入引腳 (SCIRXD)和串行數(shù) 據(jù)輸出引腳 (SCITXD)。 RS 引腳為該收發(fā)器的方式選擇引腳，只需將 RS 接邏輯低電平就可以使其工作在高速模式，此時(shí)的通信速率達(dá)到最高，沒(méi)有內(nèi)部 輸出上升斜率和下降斜率的限制，但最大速率的限制與電纜的長(zhǎng)度有關(guān)，本設(shè)計(jì)中將 RS 接地。本設(shè)計(jì)可擴(kuò)展性強(qiáng)，只需要在 CAN 總線上掛接帶有 CAN 模塊的控制器即可增加節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。 X5043 和 DSP 的接口如圖 38 所示。在此只介紹其 EEPROM 功能。 RAM 擴(kuò)展電路如圖 37 所示。所以要將使能信號(hào)和 DS(數(shù)據(jù)空間選通 )進(jìn)行一個(gè)邏輯選擇，接著就可以對(duì)外擴(kuò)展空間進(jìn)行程序或者數(shù)據(jù)的操作。當(dāng)輸入信號(hào) CE 以及 WE 同時(shí)為低電平的時(shí)候，選通該芯片并進(jìn)行寫(xiě)操作。 本設(shè)計(jì)選用了 CY7C1021VC33(44)同時(shí)作為 DSP 的外擴(kuò)數(shù)據(jù)、程序儲(chǔ)存器，該芯片是一個(gè) 64K16 的靜態(tài) SRAM，在這里將該芯片分為兩個(gè) 32K 的空間來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)存。 TPS7333 具有極低的靜態(tài)電流，典型值為 285mA，輸出電流可達(dá) 500mA，具有 Power Good(電源好 )指 示功能，電源電路如圖 35 所示。 GEL 文件的功能同 的功能基本相同，用于初始化 DSP，但它的功能比 emuinit的功能有所增強(qiáng)， GEL 在 CC20xx 下有一個(gè)菜單，可以根據(jù) DSP 的對(duì)象不同，設(shè)置不同的初始化程序。將編寫(xiě)好的源程序和命令文件放在同一文件夾，然后新建一個(gè) Project 文件，將源程序 (.asm或者 .c)和命令文件 (.cmd 文件 )添加進(jìn)來(lái)，同時(shí)將應(yīng)用的頭文件 (.h)放在 Project 目錄下 ， 若有 C 編寫(xiě)的程序，還要添加庫(kù)文件 (.lib)， 設(shè)定系統(tǒng)的 16 GEL(.gel)文件，從而就可以進(jìn)行編譯產(chǎn)生目標(biāo)文件 (.obj)和匯編列表文件 (.lst)。 TI 公司提供的 CC20xx 開(kāi)發(fā)環(huán)境可以進(jìn)行軟件仿真，在 PC 機(jī)上正確安裝好CC20xx 的 版本仿真軟件，在桌面上將會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)快捷方式，先配置“SetupCC’ C20xx” 選擇編譯器的運(yùn)行環(huán)境 (C2xx Simulator)； 而 “ CC’ C20xx”則是程序調(diào)試的仿真環(huán)境。本課題采用的是 TMS320F2812 的 32bit 定點(diǎn) DSP，它將實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，它可產(chǎn)生 PWM 信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向，可支持指令的產(chǎn)生、控制算法的處理、數(shù)據(jù)的交流和系統(tǒng)控制等功能，因此被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化系統(tǒng)、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。 則扇區(qū) N=A+2B+4C， N 與所屬扇區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 21所示。此方法在電壓利用率、電流諧 波和過(guò)調(diào)制等方面具有優(yōu)勢(shì)，而對(duì)零矢量的合理控制可以明顯地降低逆變器的開(kāi)關(guān)損耗。 二相靜止 /二相旋轉(zhuǎn)變換 (2s/2r變換 ) 二相靜止坐標(biāo)系 α、 β和二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 M、 T 之間的變換稱作二相 /二相旋轉(zhuǎn)變換，簡(jiǎn)稱 2s/2r 變換，其中 s 表示靜止， r 表示旋轉(zhuǎn)。 間接型矢量控制系統(tǒng)的磁場(chǎng)定向由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的給定信號(hào)和速度檢測(cè)值確 11 定、靠無(wú)靜差的電流環(huán)保證，并沒(méi)有采用磁鏈模型實(shí)際計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈及其相位，所以屬于間接的磁場(chǎng)定向。 **** )1( sMsTrs iiT?? (215) **2* esMmp rsT TiLn Li ? (216) (4) 檢測(cè)出的定子電流經(jīng) 3/2 變換和旋轉(zhuǎn)變換后得到 MT 軸上的 [isM isT]T，并由此構(gòu)成電流反饋控制。 10 整 流 器V S II MA / DS V P W M2 r / S VA C RMA C RT1 / Lm3 s / 2 r??? ?erMmprsT TLnLi?A S RA P Rnp∫∫ωs*= ( Lm/ Tr*) is T*/ ψr M*+uA , B , C iA , B , C 速 度傳 感 器交 流 電 源ψr M*is M*+++++us M*is T*us T*is Tis MT e*ωr*ωrωs*ωrθr* 圖 24 間接矢量控制框圖 (1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出是轉(zhuǎn)矩指令 Te*，由矢量控制方程式可求出定子電流轉(zhuǎn)矩分量轉(zhuǎn)差頻率給定信號(hào) ωs*可由式 (211)計(jì)算，而轉(zhuǎn)矩電流分量 isT*由式的變形即式 (214)得到： *** erMmprsT TLn Li ?? (214) (2) 由式 (211)用轉(zhuǎn)差頻率給定信號(hào) ωs*與測(cè)得的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，可以計(jì)算出轉(zhuǎn)子磁鏈的位置 θr*。設(shè)電機(jī)的 Tr 已知，則可在控制器中設(shè)定 Tr*=Tr，由于電機(jī)的定子電流 is 可測(cè)，由式可得轉(zhuǎn)差角頻率： ? ? rMsTrmS iTL ?? // ?? (29) T M1? *r?*r?T*sTi sMi M1? r?r?sTi sMi (a) 控制器中的模型示意 (b) 實(shí)際電機(jī)模型示意 圖 23 電機(jī)中的 MT 坐標(biāo)和控制器中的 MT 坐標(biāo) 此外，在系統(tǒng)中一般設(shè)計(jì)定制電流閉環(huán)以使得： ss ii?* ， 即 sTsT ii ?* ， sMsM ii ?* (210) 所以一般在工程上有： **** )( rMsTrms iTL ?? ? (211) 式中， ψrM*為轉(zhuǎn)子磁鏈幅值的指令值，其額定值可根據(jù)電機(jī)的參數(shù)求得。在 MT 坐標(biāo)系下電機(jī)電壓方程仍有 4 個(gè)獨(dú)立狀態(tài)變量，即定子電流 {isT， isM}轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆?ψrM 和位置 θr。 (1) 由電壓分量 usM 作為輸入、定子電流的勵(lì)磁分量 isM 決定的勵(lì)磁子系統(tǒng)。由式 (24)可知， Te 同時(shí)受到變量 isT 和 ΨrM 的影響，仍然 8 是耦合的。 如果取 d 軸沿轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?ψr 的方向，稱之為 M(magization)軸，而 q軸為逆時(shí)針轉(zhuǎn) 90176。 異 步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的控制方式比較復(fù)雜，首先建立一個(gè)適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行分析。 本論文的章節(jié)安排：第一章緒論，介紹了本課題研究的背景、方法及發(fā)展趨勢(shì)；第二章介紹了 矢量控制 的原理及實(shí)現(xiàn)， 以及 SVPWM 原理 ； 第三章 主要講了變頻系統(tǒng)控制板的硬件設(shè)計(jì)，介紹了電源電路、通信接口電路以及調(diào)理板 電路設(shè)計(jì) ；第四章 對(duì)控制板的 PCB 進(jìn)行設(shè)計(jì) ；第五章 對(duì)硬件 和軟件 抗干擾做了簡(jiǎn)要介紹 。 目前變頻技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)、展望 近幾年來(lái)對(duì)電力電子裝置控制技術(shù)的研究十分活躍，各種現(xiàn)代控制理論，如自適應(yīng)控制、滑?？刂坪腿斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)、以 及智能控制 (如專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊控制、遺傳算法、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器，在某種指標(biāo)意義下的最優(yōu)控制技術(shù)和逆奈奎斯特陣列設(shè)計(jì)方法等 )和無(wú)速度傳感器等高動(dòng)態(tài)性能控制都是研究的熱點(diǎn)，這些研究必將把交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展到一個(gè)新的水平。 STD 總線、工業(yè) PC 總線、現(xiàn)場(chǎng)總線以及 CAN 總線等在交流調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域起到了重要的作用。但是由于交流電機(jī)控制理論不斷發(fā)展，控制策略和控制算法也日益復(fù)雜，這就需要高性能、高速度的新一代微處理器，于是出現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)處理器 DSP(Digital Signal Processing)[7][8][9]。 全數(shù)字化高性能微處理器運(yùn)用于電機(jī)控制 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子器件制造技術(shù)的發(fā)展以及新型電路變換器的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代控制理論向交流調(diào)速領(lǐng)域的不斷滲透，特別是微型計(jì)算機(jī)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)正向高頻化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展，為了滿足現(xiàn)代人們對(duì)數(shù)字化信息的依賴，為了使交流調(diào) 速系統(tǒng)與信息系統(tǒng)緊密結(jié)合，為了提高交流調(diào)速系統(tǒng)自身的性能，必須實(shí)現(xiàn)交流調(diào)速系統(tǒng)的全數(shù)字化控制?？紤]到異步電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過(guò)外加信號(hào)準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩，但若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利用從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換，則可以把定子電流中勵(lì) 磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量變成標(biāo)量獨(dú)立開(kāi)來(lái)，進(jìn)行分別控制。從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；從效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，到消除噪音等， PWM 控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新和不斷完善的過(guò)程。為此，交流異步電機(jī)以其獨(dú)有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐用、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、制造成本低、維護(hù)少且方便、能夠運(yùn)用于惡劣環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。 這些變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展很大程度上依賴于大功率半導(dǎo)體器件的制造水平。晶閘管具有體積小、重量輕、響應(yīng)快、管壓低等優(yōu)點(diǎn)，從而使得交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)有了飛躍發(fā)展，出現(xiàn)了交流異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng)。其主要原因有：電力電子技術(shù)的不斷出新、控制策略和電機(jī)控制理論的不斷完善、以及全數(shù)字化高性能高速度的微處理器不斷發(fā)展等 [3]。在交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，效率最高、性能最佳的是變頻調(diào)速系統(tǒng)，因此，對(duì)變頻調(diào)速的研究是當(dāng)前電氣傳動(dòng)