【正文】 物力，但由于力量分散，并沒有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模。 本論文的研究?jī)?nèi)容 本文在掌握交流電機(jī)變頻調(diào)速基本原理的基礎(chǔ)上，采用電機(jī)控制專用 DSP 芯片 TMS320LF2407A，運(yùn)用變頻調(diào)速的價(jià)廠控制方式和 SPWM 控制算法，提出了交流電機(jī)變 頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 ，有 速度傳感器，控制電路比較簡(jiǎn)單，電機(jī)選擇通用標(biāo)準(zhǔn)異步電動(dòng)機(jī)，因此其通用性比較強(qiáng)，性能 /價(jià)格比比較高。 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 5 頁 共 43 頁 5 2交流電機(jī)變頻調(diào)速原理 三相交流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 定子是電動(dòng)機(jī)的不動(dòng)部分、它主要由鐵心、定子繞組和機(jī)座組成。轉(zhuǎn)子繞組根據(jù)其構(gòu)造分為兩種形式 :鼠籠式和線繞式。 (b)線繞式 其轉(zhuǎn)子鐵心與鼠籠式相同，不同的是在轉(zhuǎn)子的槽內(nèi)嵌置對(duì)稱的三相繞組。 假設(shè)將定子繞組聯(lián)接成星形，并接在三相電源上，繞組中便通入三相對(duì)稱電流 : iU t?sinIm? (21) iv=Imsin(? t1200) (22) Iw=Imsin(? t+1200) (23) 其波形如圖 22所示。電磁力 F 的方向可由左手定則確定。 F n0 F 圖 23轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)原理圖 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速 no 稱為同步轉(zhuǎn)速，其大小取決于電流頻率關(guān)和磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)p,當(dāng)定子每相繞組只有一個(gè)線圈時(shí)，繞組的始端之間相差 1200 空間角，如圖 23所示，則產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)具有一對(duì)極，即 p=，磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)一周，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的 (每分鐘 )轉(zhuǎn)速 no = 60f。 n ＋ 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 43 頁 8 交流電機(jī)的調(diào)速方式 根據(jù)電機(jī)學(xué)原理知識(shí)，可以得到交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為 : ? ? ? ?spfsnn ???? 116010 (26) 由式 (26)可以看出，交流電機(jī)調(diào)速方法主要有三大類 : 其一是在電機(jī)中旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速 0n 恒定時(shí)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率 s，稱為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 。它既不是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，也不是恒功率調(diào)速方式。 缺點(diǎn) : 有級(jí)調(diào)速，級(jí)差較大，不能獲得平滑調(diào)速，且由于受到電動(dòng) 機(jī)結(jié)構(gòu)和制造工藝的限制，通常只能實(shí)現(xiàn) 23種極對(duì)數(shù)的有級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍相當(dāng)有限。 s? — 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步速度 s— 轉(zhuǎn)差率 式 (2 一 7)中 MsP 稱為交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率，這一部分功率主要消耗在轉(zhuǎn)子阻抗上。在轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)、基本不變，交流電動(dòng)機(jī)的輸 ?????? ??? sMMP sZ 1??與輸入電磁功率 sM MP ?? 。調(diào)速范圍大，特性硬，精度高。其三相交流異步電機(jī)每相電動(dòng)勢(shì)的有效值是 : MI NfkE ????? (28) 式中 : IE — 氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值 。 M? — 每極氣隙磁通量 。當(dāng)電動(dòng)勢(shì)的值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓 II EU? ，則得 ?1fUI 常數(shù)。根據(jù)電機(jī)與拖動(dòng)原理，在基頻以下調(diào)速屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的性質(zhì)。在基頻關(guān) Nf1 以上變頻調(diào)速時(shí)，由于電壓1U = NU1 不變，我們不難證明當(dāng)頻率提高時(shí)，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩 T 減小，基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 11 頁 共 43 頁 11 機(jī)械特性上移，如圖 25所示。 m? 恒 轉(zhuǎn)矩調(diào)速 U1 恒功率調(diào)速 U1N U1 m? 0 fN f1 圖 26交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性 SPWM 控制技術(shù)原理 逆變器的輸出波形是一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，這些波形與正弦波等效，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。 產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制波 SPWM 的原理是 。 u 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 12 頁 共 43 頁 12 (a) 0 t? u 0 t? 圖 27 與正弦波等效的等幅脈沖序列波 ＋ 1 0 － 1 ＋ 1 0 － 1 圖 28 SPWM 控制的基本原理圖 單極性 SPWM 控制技術(shù) 如圖 29所示。 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 13 頁 共 43 頁 13 調(diào)制波 載波（ a） （ B） (A)調(diào)制波和載波 (B)單極性 SPWM 波形 圖 29單極性脈寬調(diào)制波的形成 V1 Z V2 圖 210 單極性調(diào)制工作特點(diǎn) 單極性調(diào)制的工作特點(diǎn) :每半個(gè)周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個(gè)逆變器件中，只有一個(gè)器件按脈沖系列的規(guī)律時(shí)通時(shí)斷的工作，另一個(gè)完全截止 。繪出了三相雙極式的正弦脈寬調(diào)制波形。 ABU 的脈沖幅值為 +U 和－ U。圖 247是通過電動(dòng)機(jī)繞組的 SPWM 電流波形。另外，高的載波頻率使變頻器和電機(jī)的噪聲進(jìn)入超聲范圍，超出人的聽覺范圍之外，產(chǎn)生“靜音”的效果。在變頻過程中艱口調(diào)制信號(hào)周期變化過程中，載波個(gè)數(shù)不變的調(diào)制稱為同步調(diào)制，載波個(gè)數(shù)才應(yīng)變化的調(diào)制稱為異步調(diào)制。由于波形的左右對(duì)稱，這就不會(huì)出現(xiàn)偶次諧波問題。 (2)異步調(diào)制 異步調(diào)制方式是指在整個(gè)變頻范圍內(nèi)，載波比都是變化的。分段同步調(diào)制是指在一定的頻率范圍內(nèi)，采用同步調(diào)制，保持輸出波形對(duì)稱的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)頻率降低較多時(shí)，使載波比分段有級(jí)的增加，這樣就利用了異步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。 系統(tǒng)保護(hù)電路包括過壓、欠壓保護(hù)、限流啟動(dòng)、 IPM 故障保護(hù)與泵升控制等。把上述各種故障信號(hào)進(jìn)行綜合處理后形成總的故障信號(hào)送入 DSP (TMS320LF2407A)的 PDPINTA 故障中斷入口，進(jìn)而封鎖 DSP的 PWM 波輸出。光 耦 隔離電路是為了把 DSP輸出的弱電信號(hào)和主電路的強(qiáng)電信號(hào)進(jìn)行可靠隔離。由于功率器件開關(guān)頻率過高，會(huì)產(chǎn)生電壓尖脈沖，因此需要吸收電路來消除該尖峰。整流電路因變頻器輸出功率大小不同而異。 整流二極管的計(jì)算，通過二極管的峰值電流 : AI N m ???? (31) 流過二極管電流的有效值 : AtdII mD )(3601 m1800 2 ??? ? ? (32) 二極管電流定額 : AII Dn ~)3~2( ?? = 一 (33) 考慮濾波電容的充電電流影響，要有更大的電流裕量，選用 AIN 10? 整流二極管的電壓定額 : )(933~6222202)3~2()3~2( VUU mn ????? (34) 選用認(rèn) = 1000V。因而，中間直流電路電容器的電容量必須較大，起到儲(chǔ)能作用，所以中間直流電路的電容器又稱儲(chǔ)能電容器。并聯(lián)在 電容兩端的為均衡電阻，由于電容的各個(gè)參數(shù)不是完全相同，此均衡電阻使串聯(lián)的電容分壓相同，同時(shí)在電源關(guān)斷時(shí)，給電容提供一個(gè)放電回路，此基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 21 頁 共 43 頁 21 電阻阻值選用 47 ?k 。 逆變電路 逆變電路的功率開關(guān)器件選用的是以絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)為核心的智能功率模塊 (IPM) 。目前的 IPM 一般采用 IGBT 作為大功率開關(guān)器件。 采用單電源邏輯電壓輸入優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)，實(shí)行 RTC(實(shí)時(shí)邏輯柵區(qū) )控制模式。只要有一個(gè)保護(hù)電路起作用， IGBT 的門極驅(qū)動(dòng)電路即關(guān)閉，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)故障信號(hào)，可送至 DSP進(jìn)行相應(yīng)處理。 (2) IPM 的選取 IGBT 正反向峰值電壓為 : 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 22 頁 共 43 頁 22 AUU m 3 1 12 2 022 ???? (39) IGBT 電壓定額為 : AUmU d 5 6 03 1 ??????? (310) 式中 :— 安全裕量 — 考慮大電容濾波后的電感升高系數(shù) IGBT 通態(tài)峰值電流為 : AI N m ???? (311) IGBT 電流定額為 : ???dI = = (312) 式中 :— 安全裕量 — 考慮電機(jī)的過載倍數(shù) 故可選用 l0A/600V 的 IPM 模塊，型號(hào)為 PM10RSH120 (3)續(xù)流電路 續(xù)流二極管的主要功能有 : 電動(dòng)機(jī)的繞組是電感性的，其電流具有無功分量。在這交替導(dǎo)通和截止的換相過程中，也不時(shí)地需要續(xù)流二極管提供通路。因此，必須全面衡量后再確定采用 IPM 的逆變電路的開關(guān)頻率。上橋臂每相各用一組電源，下橋臂三相共用一組。典型的工作電壓一般取 15V. 制作驅(qū)動(dòng)電源時(shí)，應(yīng)盡量降低紋波電壓，還要使電源的附加噪聲降到最小。 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 24 頁 共 43 頁 24 故障信號(hào) F 使用時(shí)必須注意，當(dāng) TFO= 典型值 )有效時(shí)， IPM 會(huì)關(guān)斷開關(guān)并使輸入無效。 (3) IPM 的自保護(hù)功能 IPM 內(nèi)部集成自保護(hù)功能，共有 4 路保護(hù)，分別是上橋臂三路保護(hù) UFO,VFO I WFO，下橋臂公用保護(hù) F。 系統(tǒng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 雖然在 保 護(hù)模塊中己經(jīng)設(shè)有過流、過熱等保護(hù)，但為了提高系統(tǒng)的可靠性及更好的保護(hù) IGBT 管，我們?nèi)皂氃O(shè)置一套快速而準(zhǔn)確的保護(hù)環(huán)節(jié)以防止各種故障。 由于保護(hù)電路屬于系統(tǒng)的弱電控制部分，而故障信號(hào)又是從主電路中取出的，為保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定應(yīng)實(shí)行弱電和強(qiáng)電隔離，即使兩者之間既保持控制信號(hào)聯(lián)系，又要隔絕電氣方面的聯(lián)系。因?yàn)?IGBT 集射極耐壓及承受反壓的能力有限，而我國(guó)電網(wǎng)電壓的線性度較差，電壓會(huì)有一定的波動(dòng)范圍，這會(huì)導(dǎo)致直流回路過壓或欠壓，因此應(yīng)設(shè)置直流電壓過壓、欠壓保護(hù)電路，如圖 36所示。被測(cè)信號(hào)通過光電 耦 合獲得通路，而共模干擾由于不能形成回路而得到有效抑制。 欠壓保護(hù)電壓 :U1 = ?DCPU (110%} = 311? (110%) = 280V ( 316） 過壓保護(hù)電壓 ?？刂菩盘?hào)也是從主回路濾波電器兩端取出，經(jīng)電阻 EZ2。如果丁 M 模塊其中有一種保護(hù)電路動(dòng)作， IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷電流，并輸出一個(gè)故障信號(hào) Fo。同時(shí)還具有防止誤動(dòng)作閉鎖功能，在保護(hù)動(dòng)作閉鎖期間，即使有控制信號(hào)輸入， IGBT 也不工作。短路保護(hù)及過電流保護(hù)實(shí)際上均是對(duì) IGBT 的集電極電流進(jìn)行檢測(cè)，無論哪個(gè) IGBT發(fā)生異常都可保護(hù)，由于電流檢測(cè)內(nèi)置，故無需另加檢測(cè)元件。欠壓保護(hù)采用滯環(huán)控制方式，即當(dāng) Vcc 恢復(fù)至上限值時(shí)，且輸入信號(hào)為 OFF，則解除報(bào)警。 (5)抱警輸出功能 在下橋臂側(cè)各種保護(hù)動(dòng)作閉鎖期間，輸出報(bào)警信號(hào)，如控制輸入為 ON 狀態(tài)，即使閉鎖期已結(jié)束，報(bào)警輸出功能也不復(fù)位，等到控制輸入變?yōu)?OFF 時(shí)，報(bào)警復(fù)位，保護(hù)動(dòng)作解除。如果先加主電源，則可能在保護(hù)功能還未起作用時(shí)， IPM 已損壞。其中 TMS320LF2407A 是 TI公司面向電機(jī)控制推出的一款定點(diǎn)型 DSP 處理器，其特點(diǎn)可歸結(jié)如下 : (1)采用高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)，使得供電電壓降為 3. 3V，減小了處理器的功耗 。 (4) SCI/SPI 引導(dǎo) ROM. (5)兩個(gè)事件管理器模塊 EVA 和 EVB，每個(gè)管理器模塊包括 :兩個(gè) 16 位通用定時(shí)器， 8 個(gè) 16 位的脈寬調(diào)制 PWM 通道，可以實(shí)現(xiàn)三相反相控制、 PWM 的中心或邊緣校正、當(dāng)外部引腳 PDPINTX 出現(xiàn)低電平時(shí)快速關(guān)閉 PWM 通道 。16 通道的同步 A/D 轉(zhuǎn)換器。 (8) 模塊，即控制器局域網(wǎng) 模塊。 (12)高達(dá) 41個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入輸出引腳。 DSP 最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是 DSP 硬件設(shè)計(jì)中的最基本，也是最重要的一步。 MAX232 是雙路驅(qū)動(dòng) /接收器，內(nèi)部包括電容型的電壓生成器，可以將 5V電源轉(zhuǎn)換成符合 EIA/T工 A232E 的電壓等級(jí)