【正文】 電機調速廣泛應用于我們的生活、生產的各個領域中，例如：機床、電動工具、電動機車、機器人、家用電器、計算機驅動器、汽車、輪船、軋鋼、造紙和紡織行業(yè)等等。就目前而言，電能是全世界消耗最多的能源之一，同時也是浪費最多的能源之一，為解決能源問題必須先從電能著手，其中起代表性的就是電機的控制。1．2．1電力電子技術的發(fā)展 電力電子器件是現(xiàn)代交流調速裝置的基礎，其發(fā)展直接決定和影響交流調速的發(fā)展。因此這種控制方式比較適合應用在風機、水泵調速場合。然而矢量控制在實際系統(tǒng)中存在很多問題，即轉子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電機參數(shù)變化影響較大，以及在模擬直流電動機控制過程中所用的矢量旋轉坐標變換的復雜性，使得實際控制效果難以達到理論分析的結果，雖然傳動領域的專家們針對矢量控制上的缺陷做過諸如參數(shù)的實時辨識(補償)以及使用狀態(tài)觀測器等現(xiàn)代控制理論進行研究，但是這些方案的引入使得系統(tǒng)復雜化，控制的實時性和可靠性降低了。 近幾年，直接轉矩控制不斷得到完善和發(fā)展，特別是隨著各種智能控制理論的引入，又涌現(xiàn)了許多基于模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制的直接轉矩控制系統(tǒng)，控制性能得到進一步的改善和提高。有代表性的電機控制芯片有：單片機方面有Intel的80C196MC、Motorola的MC9S12H25Phi1 ips的 LPC2210／22Renesas公司的M16C和SH2系列；DSP方面有AD公司的ADMC40Microchip公司的dsPIC30F60TI公司的TMS320LF2407／F2812等。1．3本課題研究的內容本課題綜合國內外電機變頻調速技術的發(fā)展情況，在掌握交流電機變頻調速基本原理的基礎上，設計了一套基于DSP芯片TMS320LF2407A和電壓空間矢量SVPWM的交流異步電機變頻調速系統(tǒng)的軟硬件解決方案。第二章 交流異步電機的數(shù)學模型三相交流異步電機是一個多變量、高階、非線性、強耦合的復雜系統(tǒng)，為了方便對三相交流異步電機進行分析研究，抽象出理想化的電機模型，通常對實際電機作如下假設 ：1)忽略磁路飽和的影響，認為各繞組的自感和互感都是恒定的。A軸和轉子a軸間的電角度θ即為空間角位移變量圖21異步電機物理模型2．1異步電機的原始數(shù)學模型異步電機的原始數(shù)學模型可由以下四組方程表示： 1．電壓方程 三相定子繞組的電壓方程為： (21)三相轉子繞組折算到定子側后的電壓方程為： （22）式中uA，uB，uC，ua，ub，uc——定子、轉子相電壓的瞬時值； iA，iB，iC，ia，ib，ic——定子、轉子相電流的瞬時值； ψA，ψB，ψC，ψa，ψb，ψc——各繞組的全磁鏈； R1 ，R2——定子、轉子繞組電阻。因此，異步電機三相原始數(shù)學模型相當復雜，不易求解。 2．2．1從三相到兩相的靜止坐標變換(3s／2s)圖22 3s／2s變換圖22是A、B、C為三相對稱靜止繞組，圖2．1中A軸與口軸重合，通以三相平衡的J下弦電流，產生合成磁動勢F，以同步轉速旋轉，三相靜止坐標系與兩相靜止坐標系在空間上相差90。 如圖2—3所示，α—β為兩相靜止坐標系(2s)，d—q為兩相旋轉坐標系(2r)。2．3．2在兩相旋轉坐標系的數(shù)學模型 設坐標軸dq的旋轉速度等于定子頻率的同步角轉速ω1，而轉子的轉速為ω，則dq軸相對于轉子的角轉速為ωs=ω1一ω，即為轉差。3．1 V／F控制原理由電機學理論，交流異步電機的定子繞組的感應電動勢是定子繞組切割旋轉磁場磁力線的結果，其有效值計算如下：E=KfΦ (32)式中K一與電機結構有關的常數(shù)；Φ一磁通。即設法滿足： E／f=KΦ=常數(shù) (35)這就要求，當電機調速改變電源頻率f時，E也應該相應的變化，來維持它們的比值不變。必須采取相應的補償措施—U/f轉矩補償法。Q1，Q3和Q5這三個功率管的開關狀態(tài)，即a、b或c為0或1的狀態(tài)，將決定Va 、Vb 和Vc 三相輸出電壓的波形情況。他們的對應關系同樣如表3—1所示。1和零矢量U0或U7合成的。 圖35軟件方法實現(xiàn)的Uref在扇區(qū)0的SVPWM波形2．硬件生成SVPWM方案 TMS320LF2407A中具有兩個事件管理器EVA和EVB，每事件管理器中都有一個空間矢量狀態(tài)機器件。3)當同等丌關頻率條件時，方案二可以具有更短的中斷周期T電機電流諧波好于軟件方案。本系統(tǒng)被控電機參數(shù)為：額定功率PN=900W，額定電VN=380V，額定電流IN =2．37A，額定頻率FN=50HZ。因此我們可以選用的單相整流橋規(guī)格為20A、1000V。4．2．3逆變電路 4．2．3．1智能功率模塊 IPM 逆變電路的功率器件采用目前最先進的智能功率模塊IPM(Intelligent Powr Module)，IPM不僅把功率開關器件和驅動電路集成在一起，而且還內藏有過電壓，過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到CPU或DSP作中斷處理。IPM內部的IGBT導通壓降低，開關速度快，故IPM功耗小。6)抗干擾能力強。10)大大減少了元件數(shù)目。例如：電源Vac =220V交流，電機P=3．7kW，OL =150％，λ=120％，η=0．9，ψF =0．76，則IC(峰值)=。5175PM75RLA060內置7單元(含制動)3相輸出：短路，過流，過溫，欠壓保護。45KW371400PM400CLA060內置6單元3相輸出：短路，過流，過溫，欠壓保護。防止這一現(xiàn)象的辦法是一只IPM打開的時候必須確保他的對管已經(jīng)完全關閉。缺點是價格昂貴，設計成本增加。當VS處電位上升至接近P處電位時，Cl停止充電。另外，還應給計算出的電容值增加一定的裕量。當檢測到下臂(Nside)直流母線的電流過大時，短路保護通過RC濾波器開始工作。當D1通過驅動電流If時，發(fā)出紅外光(伺服光通量)。A2構成電流電壓轉換電路，A2和R2將I2轉換為電壓輸出。 (4) SCI／SPI引導ROM。(11) 看門狗定時器模塊基于鎖相環(huán)PLL的時鐘發(fā)生器。它們的代表性芯片及其性能表述如下：◆線性穩(wěn)壓器： 雙路輸出 TPS767D318：5V 3．3V／1．8V 1A／1A EN PS767D301：5V 3．3V／可調 1～1A EN 單路輸出 TPS76333： 5V 3．3V 150mA ENTPS7333： 5V 3．3V 500mA EN TPS76801： 5V 可調 1A EN PG TPS76833： 5V 3．3V 1A EN PG TPS75701： 5V 可調 3A EN PG TPS75733： 5V 3．3V 3A EN PG TPS75501： 5V 可調 5A EN PG TPS75533： 5V 3．3V 5A EN PG ◆開關電源控制器： 單路輸出 TPS40K系列：最大輸出電流取決于MOS管TPS40000： 2．25—5．5V —4V 15A ◆帶MOS管的DC／DC控制器：TPS54K系列，最大輸出電流可達14A TPS54310： 3～6V 0．94．5V 3A TPS62K系列，最大輸出電流可達1．2A，轉換效率95％ TPS62040： 2．5V一6V 0．7V6V 1．2A ◆開關電源模塊：雙路輸出 PT6931： 5V 3．3V／1．8V 5．5A／1．75APT6932： 5V 3．3V／1．5V 5．5A／1．45A TMS320LF2407A的內核電壓和I／O端口電壓都是3．3V，而控制系統(tǒng)整體是由一個外接5V的電源供電，因此只需單路輸入5V、輸出3．3V的電源器件，考慮到電路對電流要求不是太高，500mA的電流就夠了，我們選擇了TPS7333穩(wěn)壓器件來為DSP供電。其優(yōu)點有：頻率范圍寬(1HZ~400MHZ)、驅動能力強(可提供多個器件使用)。5)DSP時鐘信號電平為1．8V的，建議采用晶體時鐘電路 6)盡量使用片內PLL，降低片外時鐘頻率，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。外部復位電路如圖4一17所示：圖417復位電路 圖418 JTAG仿真接口電路4．JTAG仿真接口本系統(tǒng)采用聞亭EPP5100硬件仿真器，其仿真信號采用JTAG標準 ，有14個引腳，通過JTAG接口可將仿真器與目標系統(tǒng)相連。這樣在訪問程序或數(shù)據(jù)空間的時候，CY7C1021都會被選通。接收器的典型臨界值是1．3V，典型磁滯是0．5V。本系統(tǒng)軟件采用了自上而下、從整體到局部的設計思想，采用模塊化設|十方案，使程序恩路清晰，可讀性強。二、將電機轉速、母線電壓、IPM狀態(tài)等信息傳給上位機顯示。使用DSP／BIOS后，還能增強對代碼執(zhí)行效率的監(jiān)控。qmath．1ib是TI公司提供的數(shù)學庫函數(shù)，是有匯編語言編寫的函數(shù)庫，可被C調用。在配置．CMD文件時，必須對DSP的數(shù)據(jù)和程序存儲空間以及匯編偽指令。由于我們用到了其中的求正弦函數(shù)qsinlt()，所以將該庫文件包含到工程中。日前，可支持TI的幾乎所有系列和型號的DSP。二、根據(jù)當前頻率值實時完成SVPWM算法的計算和波形輸出。上位機負責電機參數(shù)的設定、電機及IPM運行狀態(tài)的顯示；下位機主要負責串口通信、空間矢量算法的計算、PWM輸心、電壓電流采集、故障監(jiān)控等。這樣就可以實現(xiàn)下位機與上位機之間的通信。當開發(fā)完成后可修改映像文件，將64K RAM全部用作數(shù)據(jù)存儲器，而將程序寫入內部FLASH中，系統(tǒng)即可脫離開發(fā)環(huán)境獨立運行。仿真電路如圖4—18所示：5．外擴數(shù)據(jù)和程序存儲器TMS320LF2407A中集成了32K字的FLASH和1．5k字的RAM，片內的FLASH可用作程序存儲器，但在開發(fā)階段使用FLASH作為程序存儲極為不便，因為每一次程序的修改都需要對FLASH進行清除、擦除和編程操作，而且進行CCS調試時只能設置硬件斷點，故從調試的角度考慮，應該至少擴充一塊程序RAM。晶體、晶振時鐘及鎖相環(huán)電路如圖415所示晶振時鐘電路的第三引腳輸出端還要串接一個10~500的電阻以減小輸出電流，可減少時鐘毛刺，避免時序工作異常。 可編程時鐘芯片優(yōu)點是：多個時鐘輸出，可產生特殊的頻率值，驅動能力強，頻率范圍寬(最高達200MHZ)。如果時鐘質量不好，那么系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性就很難保證。(13) 5個外部中斷，其中2個驅動保護，1個復位中斷和兩個可屏蔽中斷。時間管理器模塊適用于控制交流異步電動機、無刷直流電機、步進電機、開關磁阻電機、多級電機和逆變器。根據(jù)運放“虛短和“虛斷”的特性，有： (4．14) (4．15) (4．16)因此，可以通過調整R1和R2的值，使輸出電壓調整在DSP所能接受的電壓范圍內。I1 =0．005If。因為短路保護是非重復的，所以在故障信號輸出后系統(tǒng)應立即中斷DSP的PWM信號輸出。R2能夠滿足放電電壓ΔV能在IGBT2的最小導通脈寬T2內被充電至Cl上。當IGBT2關斷FWD2導通時，C1上的充電電壓Vc1可通過下式來計算： （）式中：VEC2一FWD2的順方向壓降?？紤]到成本問題，本設計采用單電源驅動方案。公式：tPLHmax tPHLmin不僅定義了光耦需要多少時間延時來防止直通短路，而且還能設置最佳死區(qū)狀態(tài)。本課題采用的交流異步電機功率為900w，因此可以選用智能功率模塊 ps21865。11KW98100PM100RLA060內置7單元(含制動)3相輸出：短路，過流，過溫，欠壓保護。下表是根據(jù)電機峰值電流而給出的交流220V電機推薦使用的IPM類型及其功能簡介。4．2．3．2 IPM的選用 IPM在選用時，首先是根據(jù)變頻裝置的容量(電動機的額定功率)，同時也要考慮供電電源容量，確定其額定值和最大值，然后選擇具體型號。7)驅動電源欠壓保護。IPM實時檢測IGBT電流，當發(fā)生嚴重過載或直接短路時，IGBT將被軟關斷，同時送出一個故障信號。即使發(fā)生負載事故或使用不當，也可以IPM自身不受損壞。通常是在整流輸出端并入大電容。圖42主電路圖4．2．1整流電路整流電路因變頻器輸出功率大小不同而不同。第四章 變頻調速系統(tǒng)的硬件電路設計4．1系統(tǒng)硬件結構系統(tǒng)的總體結構如圖4．1所示，主要由整流電路、濾波電路、逆變電路、DSP 控制電路、電壓電流檢測電路、保護電路及上位機控制部分組成。其實現(xiàn)方案為：將每個PWM周期分成5段，分別用Ux、Ux177。有兩種對稱的開關方案可供選擇，一種是用軟件實現(xiàn)SVPWM方案，另一種是用硬件實現(xiàn)SVPm4方案。 圖33基本的電壓空間矢量與開關狀態(tài)示意圖空間矢量PWM的目的是，通過與基本的空間矢量對應的開關狀態(tài)的組合，得到一個給定的定子參考電壓矢量Uref。 () ()上式中，由于開關變量矢量[a b c ]t有8個不同的組合值(a、b或c只能取0或1)，即逆變橋上半部分3個功率管的開關狀態(tài)有8種不同的組合，故其輸出的相電壓和線電壓也有8中對應的組合。當頻率高于額定頻率時，為了避免電機繞組絕緣破壞的情況發(fā)生，電源電壓不能超過電機的額定電壓值，這樣可得壓頻控制原理圖如圖3—1所示：圖31恒壓頻比控制原理圖3．2電壓空間矢量(SVPWM)控制原理空