【正文】 物力，但由于力量分散，并沒有形成一定的技術和生產規(guī)模。 本論文的研究內容 本文在掌握交流電機變頻調速基本原理的基礎上，采用電機控制專用 DSP 芯片 TMS320LF2407A，運用變頻調速的價廠控制方式和 SPWM 控制算法，提出了交流電機變 頻調速系統(tǒng)的總體設計方案 ，有 速度傳感器，控制電路比較簡單，電機選擇通用標準異步電動機，因此其通用性比較強，性能 /價格比比較高。 基于 DSP 交流變頻調速系統(tǒng)的設計 第 5 頁 共 43 頁 5 2交流電機變頻調速原理 三相交流電機的結構 定子是電動機的不動部分、它主要由鐵心、定子繞組和機座組成。轉子繞組根據(jù)其構造分為兩種形式 :鼠籠式和線繞式。 (b)線繞式 其轉子鐵心與鼠籠式相同，不同的是在轉子的槽內嵌置對稱的三相繞組。 假設將定子繞組聯(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轉子轉動原理圖 旋轉磁場的轉速 no 稱為同步轉速，其大小取決于電流頻率關和磁場的極對數(shù)p,當定子每相繞組只有一個線圈時，繞組的始端之間相差 1200 空間角，如圖 23所示，則產生的旋轉磁場具有一對極，即 p=，磁場在空間旋轉一周，旋轉磁場的 (每分鐘 )轉速 no = 60f。 n ＋ 基于 DSP 交流變頻調速系統(tǒng)的設計 第 8 頁 共 43 頁 8 交流電機的調速方式 根據(jù)電機學原理知識，可以得到交流電機的轉速公式為 : ? ? ? ?spfsnn ???? 116010 (26) 由式 (26)可以看出，交流電機調速方法主要有三大類 : 其一是在電機中旋轉磁場的同步轉速 0n 恒定時，調節(jié)轉差率 s，稱為變轉差率調速 。它既不是恒轉矩調速方式，也不是恒功率調速方式。 缺點 : 有級調速，級差較大，不能獲得平滑調速，且由于受到電動 機結構和制造工藝的限制，通常只能實現(xiàn) 23種極對數(shù)的有級調速，調速范圍相當有限。 s? — 旋轉磁場的同步速度 s— 轉差率 式 (2 一 7)中 MsP 稱為交流電動機的轉差功率，這一部分功率主要消耗在轉子阻抗上。在轉矩恒定時、基本不變，交流電動機的輸 ?????? ??? sMMP sZ 1??與輸入電磁功率 sM MP ?? 。調速范圍大，特性硬，精度高。其三相交流異步電機每相電動勢的有效值是 : MI NfkE ????? (28) 式中 : IE — 氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值 。 M? — 每極氣隙磁通量 。當電動勢的值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓 II EU? ，則得 ?1fUI 常數(shù)。根據(jù)電機與拖動原理，在基頻以下調速屬于“恒轉矩調速”的性質。在基頻關 Nf1 以上變頻調速時，由于電壓1U = NU1 不變，我們不難證明當頻率提高時，同步轉速隨之提高，最大轉矩 T 減小，基于 DSP 交流變頻調速系統(tǒng)的設計 第 11 頁 共 43 頁 11 機械特性上移，如圖 25所示。 m? 恒 轉矩調速 U1 恒功率調速 U1N U1 m? 0 fN f1 圖 26交流電動機變頻調速控制特性 SPWM 控制技術原理 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。 產生正弦脈寬調制波 SPWM 的原理是 。 u 基于 DSP 交流變頻調速系統(tǒng)的設計 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 如圖 29所示。 基于 DSP 交流變頻調速系統(tǒng)的設計 第 13 頁 共 43 頁 13 調制波 載波（ a） （ B） (A)調制波和載波 (B)單極性 SPWM 波形 圖 29單極性脈寬調制波的形成 V1 Z V2 圖 210 單極性調制工作特點 單極性調制的工作特點 :每半個周期內，逆變橋同一橋臂的兩個逆變器件中，只有一個器件按脈沖系列的規(guī)律時通時斷的工作，另一個完全截止 。繪出了三相雙極式的正弦脈寬調制波形。 ABU 的脈沖幅值為 +U 和－ U。圖 247是通過電動機繞組的 SPWM 電流波形。另外，高的載波頻率使變頻器和電機的噪聲進入超聲范圍，超出人的聽覺范圍之外，產生“靜音”的效果。在變頻過程中艱口調制信號周期變化過程中，載波個數(shù)不變的調制稱為同步調制，載波個數(shù)才應變化的調制稱為異步調制。由于波形的左右對稱，這就不會出現(xiàn)偶次諧波問題。 (2)異步調制 異步調制方式是指在整個變頻范圍內，載波比都是變化的。分段同步調制是指在一定的頻率范圍內，采用同步調制，保持輸出波形對稱的優(yōu)點，當頻率降低較多時，使載波比分段有級的增加，這樣就利用了異步調制的優(yōu)點。 系統(tǒng)保護電路包括過壓、欠壓保護、限流啟動、 IPM 故障保護與泵升控制等。把上述各種故障信號進行綜合處理后形成總的故障信號送入 DSP (TMS320LF2407A)的 PDPINTA 故障中斷入口，進而封鎖 DSP的 PWM 波輸出。光 耦 隔離電路是為了把 DSP輸出的弱電信號和主電路的強電信號進行可靠隔離。由于功率器件開關頻率過高，會產生電壓尖脈沖，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 = 1000V。因而，中間直流電路電容器的電容量必須較大，起到儲能作用，所以中間直流電路的電容器又稱儲能電容器。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，同時在電源關斷時，給電容提供一個放電回路，此基于 DSP 交流變頻調速系統(tǒng)的設計 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 作為大功率開關器件。 采用單電源邏輯電壓輸入優(yōu)化的柵極驅動，實行 RTC(實時邏輯柵區(qū) )控制模式。只要有一個保護電路起作用， IGBT 的門極驅動電路即關閉，同時產生一個故障信號，可送至 DSP進行相應處理。 (2) IPM 的選取 IGBT 正反向峰值電壓為 : 基于 DSP 交流變頻調速系統(tǒng)的設計 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 — 考慮電機的過載倍數(shù) 故可選用 l0A/600V 的 IPM 模塊，型號為 PM10RSH120 (3)續(xù)流電路 續(xù)流二極管的主要功能有 : 電動機的繞組是電感性的，其電流具有無功分量。在這交替導通和截止的換相過程中，也不時地需要續(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. 制作驅動電源時，應盡量降低紋波電壓，還要使電源的附加噪聲降到最小。 基于 DSP 交流變頻調速系統(tǒng)的設計 第 24 頁 共 43 頁 24 故障信號 F 使用時必須注意，當 TFO= 典型值 )有效時， IPM 會關斷開關并使輸入無效。 (3) IPM 的自保護功能 IPM 內部集成自保護功能，共有 4 路保護，分別是上橋臂三路保護 UFO,VFO I WFO，下橋臂公用保護 F。 系統(tǒng)保護電路的設計 雖然在 保 護模塊中己經(jīng)設有過流、過熱等保護，但為了提高系統(tǒng)的可靠性及更好的保護 IGBT 管，我們仍須設置一套快速而準確的保護環(huán)節(jié)以防止各種故障。 由于保護電路屬于系統(tǒng)的弱電控制部分，而故障信號又是從主電路中取出的，為保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定應實行弱電和強電隔離，即使兩者之間既保持控制信號聯(lián)系，又要隔絕電氣方面的聯(lián)系。因為 IGBT 集射極耐壓及承受反壓的能力有限，而我國電網(wǎng)電壓的線性度較差，電壓會有一定的波動范圍，這會導致直流回路過壓或欠壓，因此應設置直流電壓過壓、欠壓保護電路，如圖 36所示。被測信號通過光電 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。 欠壓保護電壓 :U1 = ?DCPU (110%} = 311? (110%) = 280V ( 316） 過壓保護電壓 ?？刂菩盘栆彩菑闹骰芈窞V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電路動作， IGBT 柵極驅動單元就會關斷電流，并輸出一個故障信號 Fo。同時還具有防止誤動作閉鎖功能，在保護動作閉鎖期間，即使有控制信號輸入， IGBT 也不工作。短路保護及過電流保護實際上均是對 IGBT 的集電極電流進行檢測，無論哪個 IGBT發(fā)生異常都可保護，由于電流檢測內置，故無需另加檢測元件。欠壓保護采用滯環(huán)控制方式，即當 Vcc 恢復至上限值時，且輸入信號為 OFF，則解除報警。 (5)抱警輸出功能 在下橋臂側各種保護動作閉鎖期間，輸出報警信號，如控制輸入為 ON 狀態(tài)，即使閉鎖期已結束，報警輸出功能也不復位，等到控制輸入變?yōu)?OFF 時，報警復位，保護動作解除。如果先加主電源，則可能在保護功能還未起作用時， IPM 已損壞。其中 TMS320LF2407A 是 TI公司面向電機控制推出的一款定點型 DSP 處理器，其特點可歸結如下 : (1)采用高性能靜態(tài) CMOS 技術，使得供電電壓降為 3. 3V，減小了處理器的功耗 。 (4) SCI/SPI 引導 ROM. (5)兩個事件管理器模塊 EVA 和 EVB，每個管理器模塊包括 :兩個 16 位通用定時器， 8 個 16 位的脈寬調制 PWM 通道，可以實現(xiàn)三相反相控制、 PWM 的中心或邊緣校正、當外部引腳 PDPINTX 出現(xiàn)低電平時快速關閉 PWM 通道 。16 通道的同步 A/D 轉換器。 (8) 模塊，即控制器局域網(wǎng) 模塊。 (12)高達 41個可單獨編程或復用的通用輸入輸出引腳。 DSP 最小系統(tǒng)的設計是 DSP 硬件設計中的最基本，也是最重要的一步。 MAX232 是雙路驅動 /接收器，內部包括電容型的電壓生成器，可以將 5V電源轉換成符合 EIA/T工 A232E 的電壓等級