【正文】 D 10D9D8NCA8A9A 10A 11NCN 302C Y 7C 1021V 33V C CWPS C LS D AA0A1A2G N D87651234V C CI O P E O100IOPA7 （ 1）外部程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展 （ 2） EEPROM 連接圖 圖 RAM 和 ROM 外部存儲(chǔ)器 由于變頻器具有修改參數(shù)的功能。 2 2 k1 u f+ 3 .3 vR E S E T3 . 3 v1 0 k 1 0 kV C C3 . 3 vT A S TE M D AE M D 0J T A G1357911132468121416T M 1T D 1T D 0T C R 圖 復(fù)位電路 圖 JTAG 方針接口電路 JTAG 仿真接口用來(lái)在線調(diào)試 DSP 硬件和軟件，其硬件連接如圖 所示。由于光耦 TLP559 的典型驅(qū)動(dòng)工作電流 IF為 25MMA，為防止 DSP 的 PWM 輸出驅(qū)動(dòng)能力不足，經(jīng) PNPA1015 型三極管倒向放大輸出電流，更穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)光耦 TLP559 工作。由于 IGBT 開關(guān)時(shí) DV／ DT 較大，因此要確保充分的絕緣距離 (大于 2 m m)。對(duì)于不同的輸出電壓 要求，只須改變穩(wěn)壓管和限流電阻 R237 的大小即可。 E214 為旁路電容。交流電源經(jīng)整流、濾波獲得的平滑直流電輸入到 IPM 的 P、 N 端。 死區(qū)引起的干擾信號(hào)是與電流同步并近似為方 波的信號(hào)，那么在此基礎(chǔ)上進(jìn)行反調(diào)制即可抵消死區(qū)引起的干擾，反調(diào)制的方法即 為在式 ()中增加與電流同步并與干擾信號(hào)極性相反的方波信號(hào)如式 ()所示。特別當(dāng)輸出電壓或頻率很低的情況下，這種影響 將會(huì)變得十分嚴(yán)重，定子銅耗、鐵耗顯著增加，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致調(diào)速 系統(tǒng)的不穩(wěn)定，由于該系統(tǒng)經(jīng)常運(yùn)行在低頻狀 態(tài)，因此必須采取一定的補(bǔ)償措施 來(lái)消除死區(qū)效應(yīng)的影響。 1 次諧波，特別是 5， 7， 11， 13 等一些低次諧波的存在，會(huì)使得輸出電壓發(fā)生 很大的畸變，低次諧波 的幅值隨死區(qū)時(shí)間的增加而線性增加，這些將 引起輸出電壓波形的畸變，并終導(dǎo)致電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)量的增加。只要存在電流的滯后功率因數(shù)角， 其相位一定超前于理想基波電壓；而幅值則與功率因數(shù)角的大小有關(guān)。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 第 15 頁(yè) 根據(jù)傅氏級(jí)數(shù)分析可得偏差電壓以，的基波分 量幅值為： dse f. 1 e f 12 2 T U N22U = U = T? ? () 上式表明，在一定的直流側(cè)電壓與變壓變頻其 輸出頻率下，偏差電壓基波值與死區(qū)時(shí)間 和載波比 N 的乘積成正比。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 第 14 頁(yè) 3 變頻系統(tǒng)死區(qū)效應(yīng)分析及其補(bǔ)償 3． 1 死區(qū)效應(yīng)原理 在具體實(shí)現(xiàn) PWM 控制方案時(shí)，其應(yīng)用效果往往不如預(yù)期的那么 理想，重要原因之一是 PWM 逆變器主電路中的功率 開 關(guān)元件本身不是理想開關(guān)。 (2) SVPWM 的實(shí)現(xiàn)方法 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 第 12 頁(yè) SVPWM 的常規(guī)實(shí)現(xiàn)方法有磁鏈圓軌跡法、電壓矢量合 成法等。根據(jù)脈沖電壓對(duì)三角載波的對(duì)稱性， 1T 和 3T 等， 則 有 ? ?C2re1eC rmTt U24 = = M sin w tT U4 () 由式 ()可得脈寬時(shí)間和間隙時(shí)間分別為： ? ?? ?C2 1 eTT = 1 + M s in w t2 () ? ?121 3 C 2t = t = T t () 式 ()、 ()便是實(shí)時(shí)計(jì)算 SPWM 波形脈寬時(shí)間的基本公式。 CU 和 CT 是三角載波及其周期， RU 是正弦調(diào)制波， ET 時(shí)刻采樣值為 REU 。 2． 3 SPWM 技術(shù)原理 通過(guò) PWM 控制方式對(duì)異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主電路進(jìn)行控 制，是進(jìn)行能量控制并實(shí)現(xiàn) VVVF 控制思想的有效手段。如果仍然按照 Vf一定來(lái)控制，就不能保持電機(jī)磁通恒定。當(dāng)電機(jī)的頻率變化時(shí)，若繼續(xù)保持電機(jī)端電壓不變，那么 電機(jī)的磁通就會(huì)出現(xiàn)飽和或欠勵(lì)磁的情況。當(dāng)反組處于整流狀態(tài)而正組封鎖時(shí)， U 為上 ()下 (+)兩組交 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 第 7 頁(yè) 替工作就使負(fù)載上得到交流電壓，如圖 3)所示，其輸出頻率即為兩組整流器的交替工作切換頻率。 +U0 Z正組 反組L L+U0 Z正組 反組U0 U 0wt正觸通反觸通（ 1 ）（ 2 ）（ 3 ） 1)電流源型 2)電壓源型 3)輸出電壓波形 圖 交 交變頻器原理圈 交 交變頻裝置可直接將電網(wǎng)頻率交流電變成頻率 可調(diào)交流電，無(wú)需中間直流環(huán)節(jié)，從而可提高整個(gè)變頻裝置的變換效率。間接變頻器先 將工頻交流電整流成電壓大小可控的直流電，再經(jīng)過(guò)逆變器變換成可變頻率的交流電。 (3)分析了死區(qū)對(duì)逆變器輸出電壓、轉(zhuǎn)矩的影響， 并提出了一種新型的死區(qū)補(bǔ)償方法，該方法軟硬件結(jié)合，硬件成本低廉，軟件 實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，對(duì)死區(qū)帶來(lái)的影響進(jìn)行了有效的補(bǔ)償。專用化 通用變頻器中出現(xiàn)專用型產(chǎn)品是近年來(lái)的事。 (6) 邏輯運(yùn)算能力強(qiáng) 容易實(shí)現(xiàn)自診斷、故障記錄等功能，是變頻裝 置可靠性、使用性大大提高。 1． 1． 4 數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用 隨著各類高性能的微處理器和微控制器的出現(xiàn) ，數(shù)字控制技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬控制已經(jīng)成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。 1． 1． 2 PWM 技術(shù)及其發(fā)展 交流電機(jī)調(diào)速性能的不斷提高在很大程度上是 由于 PWM 技術(shù)的不斷進(jìn)步。死區(qū)是變頻設(shè)計(jì)中必須解決的問題，本文分析 了功率因數(shù)角、載波頻率、死區(qū)時(shí)間、調(diào)制比與死區(qū)效應(yīng)的關(guān)系，提出了一種新型的 軟硬件結(jié)合的死區(qū)補(bǔ)償方法，該方法硬件成本低，實(shí)時(shí)性高，有效改善了死區(qū)引起 的電流 畸變。 IGBT集中了 GTR 的低飽和電壓特性和 MOSFET 的高頻開關(guān)特性，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、保護(hù)容易、開關(guān)頻率高，是目前電機(jī)變頻控制中應(yīng)用最為 廣泛的主流功率器件。目的，幾乎所有的變頻調(diào)速裝置都采用這一技術(shù)。 (2) 穩(wěn)定性好 由于控制信號(hào)為數(shù)字量，不會(huì)隨時(shí)間發(fā)生漂移 ，也很少受溫度和環(huán)境的 條件而發(fā)生變化。 而這方面產(chǎn)品在諸如抽水蓄能電站機(jī)組啟動(dòng)及運(yùn)行、大容量風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和軋機(jī)傳動(dòng)、 礦井卷?yè)P(yáng)方面有很大需求。 1． 3 課題的研究方法及研究?jī)?nèi)容 本課題結(jié)合電機(jī)控制理論、電力電子技術(shù)、微 處 理器及計(jì)算機(jī)軟硬件等技術(shù)開發(fā)了一套性能較好、價(jià)格低廉的交流變頻調(diào)速系統(tǒng) 。選用 TMS320LF2407A 作為控制電路核心控制芯片。 2． 1． 1 交 直 交變壓變頻裝置 按照電壓、頻率的控制方式，交 直 交變頻器有三種結(jié)構(gòu)形式： 可控整流 逆變不控整流 逆波器 逆變不控整流 P W M 逆變調(diào)壓 調(diào)頻調(diào)頻調(diào)壓調(diào)頻5 0 HZ5 0 HZ5 0 HZfffDCAC ACACDC DCACACDCAC調(diào)壓（ 1 ）（ 2 ）（ 3 ） 圖 交 直 交變頻器結(jié)構(gòu) (1)可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻方式。交 交變頻器輸出的每一相都是由兩組晶閘管可控整流器反并聯(lián) 的可逆線路構(gòu)成。當(dāng)電機(jī)在負(fù)載條件下運(yùn)行時(shí)，電機(jī) 轉(zhuǎn)速低于電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，兩者的差值就是轉(zhuǎn) 差，轉(zhuǎn)差的大小與電機(jī)的負(fù)載有關(guān)。由于電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)， 電機(jī)在額定情況下的磁通通常接近飽和值，磁通的進(jìn)一步 增大將導(dǎo)致磁通飽和，磁通出現(xiàn)飽和后將會(huì)造成電機(jī)中的 勵(lì)磁電流過(guò)大，增加電機(jī)的銅耗和鐵耗，使電 機(jī)溫升過(guò)高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀電機(jī)。這樣可以使電機(jī)磁通大體上保持恒定 。 SPWM 變頻調(diào)速控制實(shí)現(xiàn)的方法就是以正弦波作為基 準(zhǔn)波 (調(diào)制波 )， 用一系列等腰三角波 (載波 )與其相交，由交點(diǎn)來(lái)確定逆變器的開關(guān)模式。正弦調(diào)制 波的幅值和三角載波的幅值之比。 (1) SVPWM 基本原理 電機(jī)的理想供電電壓為三相正弦，其表達(dá)式如 下； ambmcmU = U sin( t)U = U sin( t 2 / 3)U = U sin( t + 2 / 3)?????????? () 其中 : aU 、 bU 、 cU ： 三相定子繞組相電壓 ； mU ： 相電壓最大值 ； 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 第 11 頁(yè) ? ： 電源角頻率。 U 1 ( 1 0 0 )U 2 ( 1 1 0 )U 3 ( 0 1 0 )U 4 ( 0 1 1 )U 5 ( 0 1 1 ) U 6 ( 1 0 1 )β 軸α 軸U r e fU 0 ( 0 0 0 )U 7 ( 1 1 1 )T1T2 圖 在 PWM 逆變橋中，每個(gè)橋臂上的晶體管可以看作是一 個(gè)開關(guān)，對(duì)于 180。死區(qū)效應(yīng)是影響逆變器電壓和電流輸出的重要非線性因素，會(huì)使得低速輕載 時(shí)的電壓及電流發(fā)生嚴(yán)重畸變，引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和諧波。 由前面的分析已知，死區(qū)所產(chǎn)生的偏差電壓 Uｅ ｆ 始終與變壓變頻器輸出電流相反。從向量圖可以看出，隨著 ? 的增大，死區(qū)的影響逐漸減小， 即 A0u 逐漸增大。 3． 2． 3 死區(qū)對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響 死區(qū)時(shí)間 不僅對(duì)逆變器輸出的基波電壓、低次諧波有影 響，對(duì)逆變器的輸出轉(zhuǎn)矩 有影響。因此 DSP 死區(qū)時(shí)間對(duì)高、低電平開通均有效。 M整流逆波檢測(cè)及保護(hù)電路電源模塊380v輸入輸出電路電壓保護(hù)電流保護(hù)P D P I N TD S PT M S 3 2 0 L F 2 4 0 7光電隔離I P MA L M 圖 變頻系統(tǒng)硬件框圖 主電路采用交 直 交電壓源型變壓變頻裝置，主要由整流、濾波 、逆變、 IPM 驅(qū)動(dòng)電路組成，其工作原理是將三相交流電通過(guò)不 可控整流變?yōu)橹绷鳎捎谡麟娐份敵龅闹绷麟妷汉忻}動(dòng)成分，逆變部分產(chǎn)生的脈動(dòng) 電流及負(fù)載變化也使直流電壓脈動(dòng)，因此加入大電容濾波，最后逆變器 (IPM)將經(jīng)過(guò)濾波的直流變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相 交流提供給電機(jī)。它內(nèi)含脈寬調(diào)制器 、 MOSFET、自動(dòng)偏置電路、保護(hù)電路、高壓?jiǎn)?dòng)電路和環(huán)路補(bǔ)償 電路，通過(guò)高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)工頻變壓器、隔離式開 關(guān)電源的單片集成化，使用安全可靠。 當(dāng) 0V 由于某種原因 (如交流電壓升高或負(fù)載變輕 )升高時(shí)， fV 隨之升高，使得 LED的工作電流后增大，它通過(guò)光耦使 TOPSWITCH 的控制端電流 cI 增大。根據(jù) UM317 的調(diào)壓原理： ( ) ( )1 5 1 1 5 10 a d j 1 5 21 5 2 1 5 2RRV = 1 . 2 5 V 1 + + I R 1 . 2 5 V 1 +? () 151R 和 15R２ 分別選用 560Ω 和 910Ω 的電阻即可輸出 電壓。電壓不滿 0V或已經(jīng)超過(guò) 20V 時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路、主芯片會(huì)損壞。倍頻數(shù)可由軟件編程設(shè)定為 ～ 4 倍。當(dāng)軟件執(zhí)行過(guò)程中的程 序地址為片外存儲(chǔ)器地址時(shí)， PS 引腳被系統(tǒng)拉低，選通外部程序存儲(chǔ)空間。 IOPE0、 IOPA7 與 DSP 相應(yīng)的引腳連接，其電路圖如圖 所示 4． 4 檢測(cè)及保護(hù)電路 (1)電壓檢測(cè)及保護(hù) 我國(guó)電網(wǎng)電壓的線性度較差，電壓變化范圍大 ，會(huì)導(dǎo)致控制器直流回路的過(guò)壓或者欠壓。如果模塊其中一種保護(hù)電路動(dòng)作， IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷電源，同時(shí)輸出一個(gè)故 障信號(hào) ALM。在軟件中設(shè)定輸入電壓值與頻率的線性關(guān)系，通過(guò)調(diào) 節(jié)電位器阻值即可方便的實(shí)現(xiàn)輸入頻率源的設(shè)置 。 5 號(hào)按鍵為電機(jī)啟動(dòng)按鍵， 6 號(hào)按鍵與 DSP 的復(fù)位端相連，按鍵按 F， DSP 復(fù)位，電機(jī)停車。 (3)特殊的單片機(jī)特性：上電復(fù)位電路 POR、上電延時(shí)定時(shí)器 PWRT 和振蕩器起振定時(shí)器 OST：帶有片內(nèi) RC 振蕩器的監(jiān)視定時(shí)器 WDT； 可編程代碼保護(hù)功能；休眠省電模式 SLEEP；振蕩器工作方式的不同選擇，包括 4 鎖相環(huán) (主振蕩器 )和 2 路振蕩器(32KHZ)時(shí)鐘輸入；可進(jìn)行在線串行編程 ICSP。本程序中設(shè)定 控制位高