【正文】 司)專為IPM等功率器件設(shè)計(jì)的光耦HCPL一4504。當(dāng)IGBT2和IGBTl都關(guān)斷時(shí)，通過FWD2保持續(xù)流模式。 一般RC時(shí)間常數(shù)設(shè)定為1．5一2us，旁路電阻阻值為16毫歐。 圖411 電壓電流采集電路4．4控制電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)控制電路主要由以TMS320LF2407A為核心的DSP最小系統(tǒng)，外加各種通信及控制電路接口組成。 (14) 電源管理，具有3種低功耗模式，能獨(dú)立地將外同器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。 另外系統(tǒng)中還要加鎖相環(huán)電路PLL用于對(duì)輸入時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻或倍頻。同時(shí)為了滿足系統(tǒng)大容量數(shù)據(jù)計(jì)算和交換的需要擴(kuò)展外部RAM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也是必不可少的。圖421串口電路圖2．CAN總線接口UC5350是CAN協(xié)議控制器和物理總線的接口，對(duì)總線提供不同的發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器提供不同的接收能力，完全和IS011898標(biāo)準(zhǔn)兼容，并具有對(duì)電池和地的短路保護(hù)功能。三、電壓電流及溫度信號(hào)的采集和A／D轉(zhuǎn)換。2．頭文件，以．h為后綴，其中定義了DSP系統(tǒng)用到的一些寄存器映射地址，用戶自己定義的寄存器和所用到的常量定義都在此文件中。RTS2XX．LIB包括：1)ANSIC標(biāo)準(zhǔn)庫；2)系統(tǒng)啟動(dòng)程序_c_int0；3）允許C訪問特殊指令的函數(shù)和宏。 串口通信中斷服務(wù)程序的主要任務(wù)是：一、接收上位機(jī)發(fā)送的參數(shù)給定信息。接收器將EIA／TIA232E標(biāo)準(zhǔn)的輸入電平轉(zhuǎn)換成5VTTL／CMOS電平。復(fù)位電阻一般選10K，電容一般選10uF47uF。晶振將晶體、震蕩器和負(fù)載電容集成在一起，其輸出直接為一方波時(shí)鐘信號(hào)。(10) 16位串行外部設(shè)備接口SPI模塊。運(yùn)放Al構(gòu)成負(fù)反饋放大電路，D2 接在Al的輸入端，完成對(duì)LED輸出光信號(hào)的檢測(cè)，并自動(dòng)調(diào)整通過LED的電流，以補(bǔ)償LED光強(qiáng)隨溫度變化引起的非線性，因此此反饋放大器主要用于穩(wěn)定LED的光輸出并使其線性化。3)．短路保護(hù) 圖49 IPM短路保護(hù)電路圖4．9是IPM外部短路保護(hù)電路。然后，IGBT2被關(guān)斷，此時(shí)上下臂同時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)，馬達(dá)電流通過FWDl進(jìn)入續(xù)流模式。即使在高速開關(guān)狀態(tài)下稍有交迭也會(huì)潛在威脅功率管和周遍電路，特別是在大電流狀態(tài)下。3650Ps21869內(nèi)置6單元3相輸出，過流保護(hù)，欠壓保護(hù)。9)無須采取防靜電措施。2)功耗低。整流二極管的電壓定額： （4. 4）需選用Un=1000V。2)硬件方案中SVPWM狀態(tài)機(jī)硬件完成了很多工作，減少了軟件編程難度。將上式分別在α，β軸投影得： （）由表3l可知基本空間矢量的幅值都是Vdc即Ul=Um=Vdc代入式(3．11)可得矢量作用時(shí)間： （）3．2．3用DSP實(shí)現(xiàn)SVPWM的兩種方案 前面我們已經(jīng)知道，定子參考電壓矢量Uref，耐是由它所在扇區(qū)中的兩個(gè)基本空 間矢量Ux、Ux177。當(dāng)逆變橋上半部分的一個(gè)功率管開通時(shí)(即a、b或C為1時(shí))，其下半部分相對(duì)的功率管被關(guān)閉(即a’、 b’或C’為0)。 為解決機(jī)械特性下降的問題，一種解決方案是設(shè)法保持磁通量恒定不變。其變換矩陣為 （212）其逆變換矩陣為 （213）圖23 2s／2r變換 2．3交流異步電動(dòng)機(jī)在不同坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型 2．3．1在兩相靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型 三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型經(jīng)3s／2s變換后在兩相靜止坐標(biāo)系α—β上的數(shù)學(xué)模型為：1．電壓方程 （214）2．磁鏈方程 （215）3．轉(zhuǎn)矩方程 （216）4．運(yùn)動(dòng)方程 （217）式中：Ls Lr —定子、轉(zhuǎn)子—相的自感； Rs Rr —定子、轉(zhuǎn)子—相的電阻； Lm—定轉(zhuǎn)子繞組的互感； ω—轉(zhuǎn)子角頻率。對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)變換有：從三相到兩相的靜止坐標(biāo)變換(3s／2s)；從兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(2s／2r)等。設(shè)A軸為參考坐標(biāo)軸，轉(zhuǎn)子繞組軸線a、b、c隨轉(zhuǎn)子以∞速度旋轉(zhuǎn)。通過比較我們選用性價(jià)比較高的TMS320LF2407A，它是TI公司專為電機(jī)控制推出的一款DSP。同時(shí)，直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的控制也較復(fù)雜，造價(jià)較高。具體來說，其控制曲線會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電壓利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降穩(wěn)定性變差等。充分有效地利用能源已成為緊迫的問題。本課題主要針對(duì)交流異步電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究和探討，提出了相應(yīng)的軟、硬件設(shè)計(jì)方案，以TI公司的電機(jī)專用控制芯片DSP TMS320LF2407A為控制核心，采用V／F控制和空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)相結(jié)合的控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流異步電機(jī)變頻調(diào)速控制。因此，電機(jī)的變頻調(diào)速控制越來引起人們的重視，同時(shí)對(duì)變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也提出了高效率、高精度、高可靠性、多功能、智能化、小型化、低成本等要求。二 矢量控制 交流傳動(dòng)理論在70年代獲得了突破性的發(fā)展。SVPWM調(diào)制技術(shù)一問世就受到人們的高度重視，其獨(dú)特的矢量調(diào)制方式，把電動(dòng)機(jī)與PWM逆變器看為一體，著眼于如何使電動(dòng)機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)為目標(biāo)，他以三相對(duì)稱正弦電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)中的理想磁鏈圓為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的磁鏈有效矢量來逼近基準(zhǔn)圓；即用多邊形來近似逼近圓形，理論分析和實(shí)驗(yàn)都表明SVPWM調(diào)制具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，噪音低，直流電壓利用率高(比普通的SPWM調(diào)制約高15％)等優(yōu)點(diǎn)。 3．設(shè)計(jì)一臺(tái)900W的小功率異步電機(jī)變頻裝置。 由以上方程可知，異步電機(jī)的非線性強(qiáng)耦合主要表現(xiàn)在磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程中，既存在定子和轉(zhuǎn)子之間的耦合，也存在三相繞組間的交叉耦合?？梢杂珊?jiǎn)單的三角函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)出從三相到兩相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣： （29）若為三相平衡系統(tǒng)，uA+ uB+ uC =0，則矩陣的第三行系數(shù)為0，于是可寫成為 (210)即 (211)變換后的兩相電流有效值為三相電流有效值的倍，因此，每相功率為三相繞組每相功率的3/2倍，但相數(shù)由原來3變成2，所以變換前后總功率不變。由式(31)可見，影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有：電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)P，轉(zhuǎn)差率s和電源頻率f。即 E／f≈U／f=常數(shù) (36)所以，在變頻的同時(shí)也需要變壓，這就是所謂的VVVF或VF。表31功率管開關(guān)狀態(tài)與線、相電壓以及與相電壓在αβ坐標(biāo)系分量的關(guān)系表矢量UVW狀態(tài)相電壓線電壓αβ坐標(biāo)系VaVbVcVabVbcVcaVsαVsβU000000000000U11002Vdc /3Vdc /3Vdc /3Vdc0 Vdc0U2110Vdc /3Vdc /32Vdc /30VdcVdc U3010Vdc /32Vdc /3Vdc /3Vdc Vdc 0U40112Vdc/3Vdc /3Vdc /3Vdc 0Vdc 0U5001Vdc /3Vdc /32Vdc /30VdcVdcU6101Vdc /32Vdc/3Vdc /3VdcVdc0U711100000000在該表中Va 、 Vb 和 Vc表示3個(gè)輸出的相電壓，Vab、 Vbc 和 Vca表示3個(gè)輸出的線電壓，Vsα、Vsβ是空間矢量分解得到的子軸分量。UUx177。檢測(cè)電路將檢測(cè)到的信號(hào)傳給DSP，DSP做出相應(yīng)處理后將各種信息再經(jīng)串口傳送到上位機(jī)顯示出來，使我們可以很清楚的看到系統(tǒng)運(yùn)行狀況。在加入濾波電容之前，單相整流橋輸出平均電壓為： （）加上濾波電容之后，UD的最高電壓可達(dá)到交流線電壓的峰值： ()假設(shè)輸入電壓的波動(dòng)范圍是220V～240V，電源功率因數(shù)為0．9，那么每一個(gè)周期內(nèi)電容吸收的能量為： ()式中POUT為電機(jī)輸出功率，UPK為峰值電壓，Umin為最小交流輸入電壓。在靠近IGBT的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器，當(dāng)基板過熱時(shí)，IPM內(nèi)部控制電路將截止柵級(jí)驅(qū)動(dòng)，不響應(yīng)輸入控制信號(hào)。 第一：根據(jù)IPM的過流值以確定峰值電流。161200PM200CLA060內(nèi)置6單元3相輸出：短路，過流，過溫，欠壓保護(hù)。HCPL4504內(nèi)部集成高靈敏度光傳感器，極短的寄生延時(shí)為IPM應(yīng)用中的高速開關(guān)的死區(qū)時(shí)間確保了安全，是功率器件接口的完美解決方案。因此，當(dāng)VS處的電位下降到VEC2時(shí)，C1開始充電以恢復(fù)其下降的電位。 4．3信號(hào)采集電路設(shè)計(jì) 在交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，要把直流母線電壓、相電壓、相電流等信號(hào)采集到DSP中，實(shí)現(xiàn)用低壓數(shù)字器件去測(cè)量控制高電壓、強(qiáng)電流等模擬量，如果模擬量與數(shù)字量之間沒有電氣隔離，那么，高壓強(qiáng)電流很容易串入低壓數(shù)字電路中，將器件燒毀?？刂葡到y(tǒng)功能框圖如圖412所示：圖412控制系統(tǒng)功能框圖4．4．1主控芯片TMS320LF2407A介紹TMS320系列DSP的體系結(jié)構(gòu)是專為實(shí)時(shí)信號(hào)處理而設(shè)計(jì)，該系列DSP控制器將實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了理想的解決方案。 4．4．2 DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)DSP最小系統(tǒng)是指既沒有輸入通道，也沒有輸出通道，同時(shí)也不與其它系統(tǒng)進(jìn)行通信的DSP系統(tǒng)。時(shí)鐘電路選擇原則有：1)系統(tǒng)中要求多個(gè)不同頻率時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，首選可編程時(shí)鐘芯片。我們選擇了CY7C1021作為外部存儲(chǔ)器。圖422是CAN總線接口電路。其程序流程如圖5—4所示： 故障中斷服務(wù)程序主要任務(wù)是：當(dāng)TMS320LF2407的功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)引腳接收到過流、欠壓、過熱、短路等故障信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生中斷，立刻封鎖PWM輸出，斷開主電路并顯示相應(yīng)的故障，避免系統(tǒng)和IPM功率模塊燒壞。頭文件代碼比較長，可以從TI的例程中復(fù)制到工程中，再根據(jù)自己需要做適當(dāng)修改即可。工程的整體結(jié)構(gòu)如圖57所示：圖57工程的整體結(jié)構(gòu)5．3．2程序說明1．庫文件RTS2XX．LIB是C語言必須用到的系統(tǒng)庫，不需要用戶編寫，可以在CCS 安裝目錄下的C2400\cgtools\lib中找到。中斷服務(wù)子程序包括：串口通信中斷服務(wù)程序、PWM中斷服務(wù)程序、故障中斷服務(wù)程序。MAX232是雙路驅(qū)動(dòng)／接收器，內(nèi)部包括電容型的電壓生成器，可以將5V電源轉(zhuǎn)換成符合 EIA／TIA232E的電壓等級(jí)。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撒銷復(fù)位信號(hào)，以防電源開關(guān)或電源插頭分一合過程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。由晶體組成的時(shí)鐘電路價(jià)格便宜，但驅(qū)動(dòng)能力差，不能同時(shí)給其他器件使用，頻率范圍小(20K一60MHZ)。(9) 串行通信接口SCI模塊。圖410 HCNR200結(jié)構(gòu)示意圖4．3．2電壓電流采集電路設(shè)計(jì)圖411是一典型的電壓或電流采集電路。再考慮給出l00V裕量，那么二極管的耐壓應(yīng)在 600V，最好選用耐壓超過600V的具有快速恢復(fù)特性的二極管。 圖48自舉電路及工作時(shí)序圖(1)變頻運(yùn)行時(shí)自舉電容的充放電：當(dāng)IGBT2處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，C1上的充電電壓(VCl)可通過下式來計(jì)算： （ ）式中： Vcc一控制電源電壓；VF1 —二極管D1的順方向壓降；Vsatt2 —IGBT2的飽和壓降。而功率管IPM開關(guān)工作時(shí)，原則上是絕對(duì)不能使上下兩臂同時(shí)導(dǎo)通的。30Ps21867內(nèi)置6單元3相輸出，過流保護(hù)，欠壓保護(hù)?？s短開發(fā)時(shí)間，加快產(chǎn)品上市。IPM內(nèi)的IGBT芯片都選用高速型，而且驅(qū)動(dòng)電路緊靠 IGBT芯片，驅(qū)動(dòng)延時(shí)小，所以IPM開關(guān)速度快，損耗小。通過整流二極管的峰值電流為： （）流過二極管電流有效值為： （）二極管的電流定額為： （）考慮濾波電容充電電容的影響，要留有更大的電流裕量， 選用IN =20A。圖36硬件方法實(shí)現(xiàn)的Uref所在扇區(qū)0的SVPWM波形硬件方案相對(duì)于軟件方案具有以下優(yōu)勢(shì)：1)硬件方案的開關(guān)頻率低，大大降低了開關(guān)損耗。于是有：（）式中，Tl和Tm分別是在周期時(shí)間T內(nèi)基本空間矢量Ul和Um各自的作用時(shí)間；To是0矢量的作用時(shí)間。圖中Va、Vb、Vc 是逆變器的電壓輸出，Q1—— Q6 是六個(gè)功率管，它們分別被a、a’、b、b’、c和c’這6個(gè)控制信號(hào)所控制。因此當(dāng)磁通量增加時(shí)，將產(chǎn)生磁飽和，造成實(shí)際磁通量增加不上去，產(chǎn)生電流波形畸變，削弱電磁力矩，影響機(jī)械特性。d—q和α—β軸的夾角θ是一個(gè)變量，隨著負(fù)載、轉(zhuǎn)速而變。 在研究電機(jī)矢量控制時(shí)定義有三種坐標(biāo)系統(tǒng)，即三相靜止坐標(biāo)系(3s)、兩相靜止坐標(biāo)系(2s)和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(2r)。圖中，定子三相繞組軸線A、B、C在空間是固定的，故定義為三相靜止坐標(biāo)系。 我們將目前常用的一些電機(jī)控制專用芯片的性能做了一下比較，如表11所示。 直接轉(zhuǎn)矩方法缺點(diǎn)在于：由于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是直接進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的砰一砰控制，避開了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，降