【正文】 ........ 37 泵升控制電路 ....................................................................................... 38 控制電路的設計 ............................................................................................. 39 DSP(TMS320LF2407A)的最小系統(tǒng)電路 .............................................. 39 頻率信號輸入電路 ................................................................................ 44 光耦隔離電路 ....................................................................................... 45 4 通用變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件設計 ................................................................................ 46 TMS320LF240xA 芯片特點概述 .................................................................... 46 TMS320LF2407A 的事件管理器 (EV)............................................................. 47 SPWM波形生成原理與控制算法 .................................................................. 50 DSP 生成 SPWM 波形 .................................................................................... 54 結(jié) 論 ...................................................................................................................... 61 附錄 A 基于 DSP 的通用變頻器硬件設計原理圖 ................................................... 62 參 考 文 獻 ................................................................................................................. 63 致 謝 ...................................................................................................................... 65 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 1 － 引 言 電機變頻調(diào)速是電力電子技術應用的最大領域之一，具有極大的吸引力，同時也具有較強的挑戰(zhàn)性。 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 2 － 1 緒論 本課題的研究背景和研究意義 隨著世界經(jīng)濟的不斷發(fā)展，科學技術不斷提高，環(huán)保和能源問題日趨成為人們爭論的主題。有資料表明，受資金、技術、能源價格的影響，我國能源利用效率比發(fā)達國家低很多。其主要原因有：電力電子技術的不斷北華大學畢業(yè)設計（論文） － 3 － 更新、控制策略和電機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。這些變頻調(diào)速技術的發(fā)展很大程度上依賴于大功率半導體器件的制造水平。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)矩脈動最小，到消除噪音等， PWM 控制技術的發(fā)展經(jīng)歷了一個不 斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。 全數(shù)字化高性能微處理器運用于電機控制 隨著計算機技術和電力電子器件制造技術的發(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)速領域的不斷滲透 ，特別是微型計算機及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，交流電機調(diào)速技術正向高頻化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展，為了滿足現(xiàn)代人們對數(shù)北華大學畢業(yè)設計（論文） － 5 － 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，必須實現(xiàn)交流調(diào)速系統(tǒng)的全數(shù)字化控制。 STD 總線、工業(yè) PC 總線、現(xiàn)場總線以及 CAN 總線等在交流調(diào)速系統(tǒng)的自動化 應用領域起到了重要的作用。 U/f 控制方式 的變頻調(diào)速系統(tǒng)是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無需速度傳感器，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。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。 交流電動機是利用載流導體在磁場中產(chǎn)生電磁力的原理制成的。電動勢的方向可由 右手定則確定。以空間角，如圖 所示，則產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場具有一對極，即 p =1。 (1)變極調(diào)速：變極調(diào)速一般是通過改變定子繞組的接線方式來改變電動機的定子繞組極對數(shù)，從而達到調(diào)速的目的。 交流電動機的輸出功率 PZ 的表達式為： MM sPPsMM ????? )1(n 0 ?? () 其中 M —— 電磁轉(zhuǎn)矩 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 12 － ω —— 電機旋轉(zhuǎn)磁場的速度 ω s—— 旋轉(zhuǎn)磁場的同步速度 s —— 轉(zhuǎn)差率 式 ()中 sPM 稱為交流電動機的轉(zhuǎn)差功率，這一部分功率主要消耗在轉(zhuǎn)子阻抗上。 4) 對于低負載運行時間較多或起停運行較頻繁的場合，可以達到節(jié)電和保護電動機的目的。 因此，要實現(xiàn)變頻調(diào)速，在不損壞電機的條件下，充分利用鐵心，發(fā)揮電機轉(zhuǎn)矩的能力，應在變頻時保持每極磁通量φ MN 為額定值不變。這時，可以人為地把電壓 U1抬高一些，以便近似地補償定子壓降。 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 15 － U1f1fN0U1U1 N恒 轉(zhuǎn) 矩 調(diào) 速恒 功 率 調(diào) 速φmφm 圖 交流 電動機變頻調(diào)速控制特性 正弦脈寬調(diào)制 (SPWM)控制理論 我們期望變頻器輸出的電壓波形是純粹的正弦波形，但就目前的技術，還不能制造功率大、體積小、輸出波形如同正弦波發(fā)生器那樣標準的可變頻變壓的逆變器。只要正弦調(diào)制波的最大值低于三角載波的幅值，由圖 (A)的調(diào)制結(jié)果必然形成圖 (B)所示的等幅不等寬而且兩側(cè)窄中間寬的 SPWM 脈寬調(diào)制波形。同理，圖 (c)的 UB是由 V3和 V4 交替導通得到的，圖 (d)的 UC 是由 V5和 V6 交替導通得到的。因此希望提高載波頻率來減小諧波。相位角，通常取載波頻率為 3 的整數(shù)倍。 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 22 － (2)異步調(diào)制 異步調(diào)制方式是指在整個變頻范圍內(nèi)，載波比都是變化的。其工作原理是把單相交流電壓通過不可控整流模塊變?yōu)橹绷麟妷?，整流后的脈北華大學畢業(yè)設計（論文） － 24 － 動電壓再經(jīng)過大電容 C1， C2 平滑后成為穩(wěn)定的直流電壓。主電路采用典型的交－直－交電壓源型通用變頻器結(jié)構(gòu)，輸入功率級采用單相橋式不可控整流電路 RB1，整流輸出經(jīng)中間環(huán)節(jié)大電容 (由 C1 到 C4 電容組成 )濾波，獲得平滑的直流電壓。整流電路因變頻器輸出功率大小不同而異。濾波電容除了濾除整流后的電壓紋波外，還在整流電路與逆變器之間起去禍作用，以消除相互干擾，這就給作為感性負載的電動機提供必要的無功功率。又由于濾波電容上的電壓較高，如電 荷不放完，將對人身安全構(gòu)成威脅。同時飽合壓降和開關速度之間的關系達到最優(yōu)化，具有足夠的安全工作區(qū)，能很好地滿足由控制 IC 給出的保護范圍。 (4)續(xù)流電路 續(xù)流二極管的主要功能有： 1)電動機的繞組是電感性的，其電流具有無功分量。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。若電源電壓低于 ， IGBT 驅(qū)動電源電壓不足，這時控制信號為無效操作。在 Fo 結(jié)束后自動復位，同時輸入有效。所有的保護電路的故障信號輸出相與，所得的信號送入 DSP 的 /PDPINTA 中斷口，當 DSP 的/PDPINTA 管腳接收到低電平信號， DSP 將做出相應的中斷處理，立即封鎖 PWM 輸出及停止運行。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 所示： 直流電壓保護信號取自主回路濾波電。 系統(tǒng)保護電路的設計 雖然在 IPM 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?nèi)皂氃O置一套快速而準確的保護環(huán)節(jié)以防止各種故障。 表 控制端電流與開關頻率的關系 單位 mA N 端 P 端 DC 20kHz DC 20kHz 型號 Typ. Max. Typ. Max. Typ. Max. Typ. Max. PM10CSJ060 18 25 23 32 7 10 8 12 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 32 － 圖 IPM 接口電路 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 33 － 在 PWM 信號輸入端必須用高速光耦進行隔離，一般取光耦的開關速度 tPLH、tPHL、共模抑比 CMRl0kV/us，通常的型號有： HCPL4504， TLP559， 6N136，并且在光耦輸出端接一個 的退耦電容。 2)驅(qū)動電源電壓在 ~ 之間， IPM 能夠正常工作。 諧波的減少取決于逆變電路功率元件的開關頻率，而開關頻率則受器件開關時間的限制。 (2)IPM 的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu) IPM 的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)如圖 所示，其基本結(jié)構(gòu)為 IGBT 單元組成的三相橋臂； 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 28 － 圖 IPM 內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)原理圖 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 29 － 內(nèi)含續(xù)流二極管；內(nèi)置驅(qū)動電路、保護電路和報警輸出電路。 (1)IPM 的主要特性 1)采用低飽和壓降，高開關速度，內(nèi)設低損耗電流傳感器的 IGBT 功率器件。 電源指示 發(fā)光二極管 DS1 除了表示電源是否接通以外，還有一個十分重要的功能，即在主電路切斷電源后，顯示濾波電容上的電荷是否已經(jīng)釋放完畢。 濾波電路 在整流電路中輸出電壓是脈動的，另外，在逆變部分產(chǎn)生的脈動電流和負載變化也使得直流電壓產(chǎn)生脈 動，為了將其中的交流成分盡可能的濾除掉，使之變成平滑的直流電，必須在其后加上一個低通濾波電路。 (被控電動機參數(shù)為：△聯(lián)接，額定功率為 PN=60W，額定電壓 UN=220V，額定電流 IN=，額定頻率 fN=50Hz，額定轉(zhuǎn)速nN=1400r/min。最小系統(tǒng)由DSP 本身和外擴的數(shù)據(jù) SRAM、程序 SRAM、復位電路、晶振、譯碼電路、電源轉(zhuǎn)換電路和仿真接口 JTAG 電路組成，仿真 接口 JTAG 電路是為了實現(xiàn)在線仿真，同時在調(diào)試過程裝載數(shù)據(jù)代碼和程序代碼；頻率輸入電路可以設置系統(tǒng)要輸出的 SPWM 波的頻率；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。 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 23 － 3 通用變頻器的硬件電路設計 通用變頻器的總體設計 本文設計的系統(tǒng)以 TI 公司的 TMS320LF2407A 為控制核心，由主電路、系統(tǒng)保護電路和控制電路組成，其總體設計圖如圖 所示。而且，此時載波的邊頻帶靠近信號波，容易干擾基波頻域。 (1)同步調(diào)制 在改變正弦信號周期的同時成比例地改變載波周期，使載波周期與信號頻率的比值保持不變。顯然，它僅僅是通過電動機繞組濾波后的近似正弦波。當 A 相調(diào)制波 uAut 時， V1 導通， V2 關斷，使負載上的相電壓為 UA=+U/2(假設交流電機定子繞組為星型聯(lián)接，其中性點 0 與整流器輸出端濾波電容器的中點 0 相連，那么當逆變器任一相導通時在電機繞組上所獲得的相電壓為 U/2，見圖 (b)；當 uAut時， V1關斷而 V2導通，則 UA=－ U/2。 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 16 － ω tω tuu00( a )( b ) 圖 與正弦波等效的等幅脈沖序列波 + 10 1+ 1 10 圖 SPWM 控制的基本原理圖 單極性 SPWM控制技術 采用單極性控制時在正弦波的半個周期內(nèi)每相只有一個開關器件開通或關斷，例如A 相的 V1 反復通斷，如圖 所示。所以，基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速。 根據(jù)電機與拖動原理，在基頻以下調(diào)速屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的性質(zhì)。 如果 f1 小于電機的額定頻率 f1N，那么氣隙磁通量中φ M 就會大