【正文】 電機(jī)調(diào)速廣泛應(yīng)用于我們的生活、生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中，例如：機(jī)床、電動工具、電動機(jī)車、機(jī)器人、家用電器、計(jì)算機(jī)驅(qū)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(shí)也是浪費(fèi)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(jī)的控制。1．2．1電力電子技術(shù)的發(fā)展 電力電子器件是現(xiàn)代交流調(diào)速裝置的基礎(chǔ)，其發(fā)展直接決定和影響交流調(diào)速的發(fā)展。因此這種控制方式比較適合應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)速場合。然而矢量控制在實(shí)際系統(tǒng)中存在很多問題，即轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電機(jī)參數(shù)變化影響較大，以及在模擬直流電動機(jī)控制過程中所用的矢量旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的復(fù)雜性，使得實(shí)際控制效果難以達(dá)到理論分析的結(jié)果，雖然傳動領(lǐng)域的專家們針對矢量控制上的缺陷做過諸如參數(shù)的實(shí)時(shí)辨識(補(bǔ)償)以及使用狀態(tài)觀測器等現(xiàn)代控制理論進(jìn)行研究，但是這些方案的引入使得系統(tǒng)復(fù)雜化，控制的實(shí)時(shí)性和可靠性降低了。 近幾年，直接轉(zhuǎn)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(luò)控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，控制性能得到進(jìn)一步的改善和提高。有代表性的電機(jī)控制芯片有：單片機(jī)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(nèi)容本課題綜合國內(nèi)外電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展情況，在掌握交流電機(jī)變頻調(diào)速基本原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套基于DSP芯片TMS320LF2407A和電壓空間矢量SVPWM的交流異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟硬件解決方案。第二章 交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型三相交流異步電機(jī)是一個(gè)多變量、高階、非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，為了方便對三相交流異步電機(jī)進(jìn)行分析研究，抽象出理想化的電機(jī)模型，通常對實(shí)際電機(jī)作如下假設(shè) ：1)忽略磁路飽和的影響，認(rèn)為各繞組的自感和互感都是恒定的。A軸和轉(zhuǎn)子a軸間的電角度θ即為空間角位移變量圖21異步電機(jī)物理模型2．1異步電機(jī)的原始數(shù)學(xué)模型異步電機(jī)的原始數(shù)學(xué)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(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為： （22）式中uA，uB，uC，ua，ub，uc——定子、轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值； iA，iB，iC，ia，ib，ic——定子、轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)值； ψA，ψB，ψC，ψa，ψb，ψc——各繞組的全磁鏈； R1 ，R2——定子、轉(zhuǎn)子繞組電阻。因此，異步電機(jī)三相原始數(shù)學(xué)模型相當(dāng)復(fù)雜，不易求解。 2．2．1從三相到兩相的靜止坐標(biāo)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(chǎn)生合成磁動勢F，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，三相靜止坐標(biāo)系與兩相靜止坐標(biāo)系在空間上相差90。 如圖2—3所示，α—β為兩相靜止坐標(biāo)系(2s)，d—q為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(2r)。2．3．2在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型 設(shè)坐標(biāo)軸dq的旋轉(zhuǎn)速度等于定子頻率的同步角轉(zhuǎn)速ω1，而轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為ω，則dq軸相對于轉(zhuǎn)子的角轉(zhuǎn)速為ωs=ω1一ω，即為轉(zhuǎn)差。3．1 V／F控制原理由電機(jī)學(xué)理論，交流異步電機(jī)的定子繞組的感應(yīng)電動勢是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場磁力線的結(jié)果，其有效值計(jì)算如下：E=KfΦ (32)式中K一與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；Φ一磁通。即設(shè)法滿足： E／f=KΦ=常數(shù) (35)這就要求，當(dāng)電機(jī)調(diào)速改變電源頻率f時(shí)，E也應(yīng)該相應(yīng)的變化，來維持它們的比值不變。必須采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施—U/f轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法。Q1，Q3和Q5這三個(gè)功率管的開關(guān)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(yīng)關(guān)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(shí)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(gè)事件管理器EVA和EVB，每事件管理器中都有一個(gè)空間矢量狀態(tài)機(jī)器件。3)當(dāng)同等丌關(guān)頻率條件時(shí)，方案二可以具有更短的中斷周期T電機(jī)電流諧波好于軟件方案。本系統(tǒng)被控電機(jī)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(jìn)的智能功率模塊IPM(Intelligent Powr Module)，IPM不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起，而且還內(nèi)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(nèi)部的IGBT導(dǎo)通壓降低，開關(guān)速度快，故IPM功耗小。6)抗干擾能力強(qiáng)。10)大大減少了元件數(shù)目。例如：電源Vac =220V交流，電機(jī)P=3．7kW，OL =150％，λ=120％，η=0．9，ψF =0．76，則IC(峰值)=。5175PM75RLA060內(nèi)置7單元(含制動)3相輸出：短路，過流，過溫，欠壓保護(hù)。45KW371400PM400CLA060內(nèi)置6單元3相輸出：短路，過流，過溫，欠壓保護(hù)。防止這一現(xiàn)象的辦法是一只IPM打開的時(shí)候必須確保他的對管已經(jīng)完全關(guān)閉。缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，設(shè)計(jì)成本增加。當(dāng)VS處電位上升至接近P處電位時(shí)，Cl停止充電。另外，還應(yīng)給計(jì)算出的電容值增加一定的裕量。當(dāng)檢測到下臂(Nside)直流母線的電流過大時(shí)，短路保護(hù)通過RC濾波器開始工作。當(dāng)D1通過驅(qū)動電流If時(shí)，發(fā)出紅外光(伺服光通量)。A2構(gòu)成電流電壓轉(zhuǎn)換電路，A2和R2將I2轉(zhuǎn)換為電壓輸出。 (4) SCI／SPI引導(dǎo)ROM。(11) 看門狗定時(shí)器模塊基于鎖相環(huán)PLL的時(shí)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(diào) 1～1A EN 單路輸出 TPS76333： 5V 3．3V 150mA ENTPS7333： 5V 3．3V 500mA EN TPS76801： 5V 可調(diào) 1A EN PG TPS76833： 5V 3．3V 1A EN PG TPS75701： 5V 可調(diào) 3A EN PG TPS75733： 5V 3．3V 3A EN PG TPS75501： 5V 可調(diào) 5A EN PG TPS75533： 5V 3．3V 5A EN PG ◆開關(guān)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(dá)14A TPS54310： 3～6V 0．94．5V 3A TPS62K系列，最大輸出電流可達(dá)1．2A，轉(zhuǎn)換效率95％ TPS62040： 2．5V一6V 0．7V6V 1．2A ◆開關(guān)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(nèi)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(gè)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(diǎn)有：頻率范圍寬(1HZ~400MHZ)、驅(qū)動能力強(qiáng)(可提供多個(gè)器件使用)。5)DSP時(shí)鐘信號電平為1．8V的，建議采用晶體時(shí)鐘電路 6)盡量使用片內(nèi)PLL，降低片外時(shí)鐘頻率，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。外部復(fù)位電路如圖4一17所示：圖417復(fù)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(biāo)準(zhǔn) ，有14個(gè)引腳，通過JTAG接口可將仿真器與目標(biāo)系統(tǒng)相連。這樣在訪問程序或數(shù)據(jù)空間的時(shí)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(shè)計(jì)思想，采用模塊化設(shè)|十方案，使程序恩路清晰，可讀性強(qiáng)。二、將電機(jī)轉(zhuǎn)速、母線電壓、IPM狀態(tài)等信息傳給上位機(jī)顯示。使用DSP／BIOS后，還能增強(qiáng)對代碼執(zhí)行效率的監(jiān)控。qmath．1ib是TI公司提供的數(shù)學(xué)庫函數(shù)，是有匯編語言編寫的函數(shù)庫，可被C調(diào)用。在配置．CMD文件時(shí)，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(dāng)前頻率值實(shí)時(shí)完成SVPWM算法的計(jì)算和波形輸出。上位機(jī)負(fù)責(zé)電機(jī)參數(shù)的設(shè)定、電機(jī)及IPM運(yùn)行狀態(tài)的顯示；下位機(jī)主要負(fù)責(zé)串口通信、空間矢量算法的計(jì)算、PWM輸心、電壓電流采集、故障監(jiān)控等。這樣就可以實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信。當(dāng)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?qū)懭雰?nèi)部FLASH中，系統(tǒng)即可脫離開發(fā)環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行。仿真電路如圖4—18所示：5．外擴(kuò)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(nèi)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?yàn)槊恳淮纬绦虻男薷亩夹枰獙LASH進(jìn)行清除、擦除和編程操作，而且進(jìn)行CCS調(diào)試時(shí)只能設(shè)置硬件斷點(diǎn)，故從調(diào)試的角度考慮，應(yīng)該至少擴(kuò)充一塊程序RAM。晶體、晶振時(shí)鐘及鎖相環(huán)電路如圖415所示晶振時(shí)鐘電路的第三引腳輸出端還要串接一個(gè)10~500的電阻以減小輸出電流，可減少時(shí)鐘毛刺，避免時(shí)序工作異常。 可編程時(shí)鐘芯片優(yōu)點(diǎn)是：多個(gè)時(shí)鐘輸出，可產(chǎn)生特殊的頻率值，驅(qū)動能力強(qiáng)，頻率范圍寬(最高達(dá)200MHZ)。如果時(shí)鐘質(zhì)量不好，那么系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性就很難保證。(13) 5個(gè)外部中斷，其中2個(gè)驅(qū)動保護(hù)，1個(gè)復(fù)位中斷和兩個(gè)可屏蔽中斷。時(shí)間管理器模塊適用于控制交流異步電動機(jī)、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、多級電機(jī)和逆變器。根據(jù)運(yùn)放“虛短和“虛斷”的特性，有： (4．14) (4．15) (4．16)因此，可以通過調(diào)整R1和R2的值，使輸出電壓調(diào)整在DSP所能接受的電壓范圍內(nèi)。I1 =0．005If。因?yàn)槎搪繁Ｗo(hù)是非重復(fù)的，所以在故障信號輸出后系統(tǒng)應(yīng)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(dǎo)通脈寬T2內(nèi)被充電至Cl上。當(dāng)IGBT2關(guān)斷FWD2導(dǎo)通時(shí)，C1上的充電電壓Vc1可通過下式來計(jì)算： （）式中：VEC2一FWD2的順方向壓降。考慮到成本問題，本設(shè)計(jì)采用單電源驅(qū)動方案。公式：tPLHmax tPHLmin不僅定義了光耦需要多少時(shí)間延時(shí)來防止直通短路，而且還能設(shè)置最佳死區(qū)狀態(tài)。本課題采用的交流異步電機(jī)功率為900w，因此可以選用智能功率模塊 ps21865。11KW98100PM100RLA060內(nèi)置7單元(含制動)3相輸出：短路，過流，過溫，欠壓保護(hù)。下表是根據(jù)電機(jī)峰值電流而給出的交流220V電機(jī)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(shí)，首先是根據(jù)變頻裝置的容量(電動機(jī)的額定功率)，同時(shí)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(qū)動電源欠壓保護(hù)。IPM實(shí)時(shí)檢測IGBT電流，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重過載或直接短路時(shí)，IGBT將被軟關(guān)斷，同時(shí)送出一個(gè)故障信號。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，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(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)4．1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)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(hù)電路及上位機(jī)控制部分組成。其實(shí)現(xiàn)方案為：將每個(gè)PWM周期分成5段，分別用Ux、Ux177。有兩種對稱的開關(guān)方案可供選擇，一種是用軟件實(shí)現(xiàn)SVPWM方案，另一種是用硬件實(shí)現(xiàn)SVPm4方案。 圖33基本的電壓空間矢量與開關(guān)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(yīng)的開關(guān)狀態(tài)的組合，得到一個(gè)給定的定子參考電壓矢量Uref。 () ()上式中，由于開關(guān)變量矢量[a b c ]t有8個(gè)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(gè)功率管的開關(guān)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(yīng)的組合。當(dāng)頻率高于額定頻率時(shí)，為了避免電機(jī)繞組絕緣破壞的情況發(fā)生，電源電壓不能超過電機(jī)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