【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 8構(gòu)成的電壓跟隨器，起緩沖隔離作用；第三級(jí)是同相比例及電平上移電路，使輸出UACOUT在DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的電壓輸入范圍0～+3V之間。圖35 輸出調(diào)理電路設(shè)HNV025A的輸入電壓有效值為U，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路輸出到DSP的ADC端口的電壓為Ux，HNV025A等效為電流控制電流源的電流增益為β，傳感器達(dá)到最佳精度初級(jí)電阻R，次級(jí)測(cè)量電阻為，上移電壓為V，同相放大電路增益為α，則有： (33) 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要15V電壓的，即=15V。，因此需要IGBT驅(qū)動(dòng)電路將其轉(zhuǎn)化成能夠控制IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該電路是低電平有效，就是當(dāng)其中一露輸入為低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出為高電平。這里的驅(qū)動(dòng)芯片選用INTERNATIONGAL PECTIFIER公司的專門為高速、高壓的功率MOS管和IGBT而設(shè)計(jì)的。其內(nèi)部集成了相互獨(dú)立的3組半橋驅(qū)動(dòng)電路，而且該芯片中的輸入控制邏輯電路還為同一橋臂的高端和低端提供了死區(qū)時(shí)間，以避免同一橋臂上的被驅(qū)動(dòng)功率元件(IGBT)在開關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)度期間發(fā)生同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)導(dǎo)通時(shí)就相當(dāng)于將+DC于DC連在了一起，就短路了。如果同一橋臂的高端和低端輸入信號(hào)同時(shí)為低電平，則輸入控制邏輯電路可關(guān)閉同一橋臂的高端和低端驅(qū)動(dòng)輸出。除了提供死區(qū)之外，IR223J還有故障電路保護(hù)和欠壓保護(hù)功能，一旦出現(xiàn)故障，便會(huì)輸出故障信號(hào)，且故障信號(hào)可有外部信號(hào)清除。其具體控制電路如圖36驅(qū)動(dòng)電路為單電源+15V供電，供電電壓經(jīng)超快回復(fù)二極管BYT54MV隔離后又分別作為其三路高端驅(qū)動(dòng)輸出的供電電源。電容C20為高端輸出的供電電源的自舉電容。驅(qū)動(dòng)芯片的ITRIP端為流過(guò)檢測(cè)管教，如母線電流過(guò)大或者供電電源出現(xiàn)欠壓IR2233J將關(guān)閉其6路驅(qū)動(dòng)輸出，并從FAULT腳向控制器發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)(FAULT信號(hào))并鎖存，只有FLTCLR管腳檢測(cè)到故障清理信號(hào)后才會(huì)正常工作。值得注意的是驅(qū)動(dòng)電路輸出串接電阻一般應(yīng)在10～33，而對(duì)于小功率器件，串接電阻應(yīng)該增加到30～50；或者如果要求驅(qū)動(dòng)電路輸出的正沿脈沖寬度較寬，則必須加大自舉電容容量，否則會(huì)造成欠壓保護(hù)電路工作。圖36 IR2233IGBT驅(qū)動(dòng)控制電路 電源電路的設(shè)計(jì)TM320F2812DSP內(nèi)核跟外圍I/O口供電電壓是不同的，(當(dāng)工作頻率大于130MHz時(shí)，），外圍I/，且上電是有先后順序要求的，I/。為蠻族系統(tǒng)要求，選用TI公司專為DSP供電而設(shè)計(jì)的電源芯片TPS73HD318，該芯片可以同時(shí)輸出兩路電壓，且輸出電壓可調(diào)。具體電路如圖37。圖37 供電電路 檢測(cè)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)為保證系統(tǒng)能在惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，防止電路因?yàn)檫^(guò)熱、過(guò)載等問(wèn)題而失控，造成經(jīng)濟(jì)損失。系統(tǒng)內(nèi)部必須有精準(zhǔn)的檢測(cè)保護(hù)電路，比如電源監(jiān)控電路、IGBT溫度監(jiān)控電路、電機(jī)溫度監(jiān)控電路。 電源監(jiān)控電路圖38為電源監(jiān)控電路，當(dāng)24V、16V、5V中的摸一個(gè)電源工作不正常時(shí)，該電路后端的發(fā)光二極管就能通過(guò)閃爍或者亮暗來(lái)進(jìn)行指示。電路中的TL431是一種穩(wěn)壓集成電路，為后級(jí)比較器提供精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓，通過(guò)比較器就可以準(zhǔn)確檢測(cè)電壓是否工作正常。一旦其中一路電壓工作不正常，則輸出為低電平，指示燈H1熄滅，該報(bào)警信號(hào)便傳達(dá)到CPU，達(dá)到檢測(cè)目的。圖38 電源監(jiān)控電路 IGBT溫度監(jiān)測(cè)電路圖39為IGBT溫度監(jiān)控電路，是通過(guò)溫敏電阻T+T對(duì)溫度敏感，其在25℃和100℃時(shí)的電阻值分別為1000Ω和1670Ω，再通過(guò)運(yùn)放TSH221組成比較器，當(dāng)TSH22I的2腳電壓高于3腳電壓時(shí)，也就是溫敏電阻值增大，即IGBT溫度過(guò)高，運(yùn)放輸出低電平，CPU隨即停止IGBT工作指導(dǎo)溫度降到安全范圍內(nèi)。圖39 IGBT溫度檢測(cè)電路 母線電流和轉(zhuǎn)矩檢測(cè)電路一旦母線電流過(guò)高，就有可能造成IGBT的永久性損壞，所以過(guò)流檢測(cè)盒和快速保護(hù)電路是必須的。而母線電流的大小是判斷力矩大小和一個(gè)最直接的參數(shù)，因此可以通過(guò)檢測(cè)母線電流大小從而判斷力矩大小。，圖中的DC為IGBT下橋臂與地之間的采樣電壓。功率驅(qū)動(dòng)芯片IR2233J的電路檢測(cè)管腳ITRIP就是通過(guò)圖中的R4R43分壓而來(lái)的。DC另一側(cè)利用運(yùn)放TSH221組成的反向輸入一階有源低通濾波器將采樣電壓信號(hào)放大與CPU輸出鋸齒波電壓相疊加并通過(guò)積分電路產(chǎn)生頻率隨母線電流變化的三角波信號(hào)，控制器通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的頻率即可感知輸出轉(zhuǎn)矩的大小，從而保護(hù)了電機(jī)。圖310母線電流和轉(zhuǎn)矩檢測(cè)電路 軟件結(jié)構(gòu)軟件主程序流程如圖311所示，由初始化程序、主程序、PWM中斷、T0中斷服務(wù)子程序組成。1. 初始化程序初始化程序初始化系統(tǒng)配置寄存器、外設(shè)、變量、變頻器的運(yùn)行參數(shù)、功率版的軟起動(dòng)、從PROM讀取參數(shù)。在變頻器未運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)鍵盤來(lái)設(shè)置參數(shù)，這些參數(shù)可以被存儲(chǔ)在PROM上，待斷電下次起動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)在初始化中自動(dòng)讀入上次用戶設(shè)定的參數(shù)。2. 故障中斷服務(wù)程序故障中斷服務(wù)程序的功能是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)進(jìn)行診斷，并作出相應(yīng)的處理措施。本文涉及的系統(tǒng)主要有過(guò)呀故障過(guò)流故障IGBT故障，一旦出現(xiàn)故障時(shí)，故障信號(hào)就會(huì)被傳送到CPU,判斷是否關(guān)斷PWM波輸出。具體中斷服務(wù)程序看流程圖312所示。故障中斷服務(wù)程序的功能是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)進(jìn)行診斷，并作出相應(yīng)的處理措施。本文涉及的系統(tǒng)主要故障有過(guò)流故障、IGBT故障，一旦出現(xiàn)故障時(shí)，故障信號(hào)就會(huì)被傳送到CPU，判斷是否關(guān)斷PWM波輸出。開始初始化系統(tǒng)配置寄存器初始化外設(shè)初始化參數(shù)啟動(dòng)上強(qiáng)電開中斷進(jìn)入程序圖311 主程序流程中斷入口保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)封鎖PWM信號(hào)判斷故障類型設(shè)置故障標(biāo)志恢復(fù)保護(hù)退出中斷圖312 中斷服務(wù)程序 本章小結(jié)本章主要介紹變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)，對(duì)硬件系統(tǒng)的各部分的電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析。最后完成系統(tǒng)硬件電路的搭建及軟件設(shè)計(jì)。第4章 通用變頻器控制算法研究變頻調(diào)速的主要工作原理是借助于控制技術(shù)、電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，使系統(tǒng)獲得需要的電壓、電流和頻率。各類變頻器輸出一般為可變電壓、可變頻率的形式。在磁通恒定時(shí)，不同頻率異步電機(jī)的機(jī)械特性硬度變化很小，所以在調(diào)速時(shí)氣隙磁通保持為恒定值至關(guān)重要。磁通太弱，鐵芯不能充分利用，造成浪費(fèi)；磁通太強(qiáng)，使電機(jī)電流上升，異步電機(jī)發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象。定子頻率控制是異步電機(jī)獲得平穩(wěn)調(diào)速的關(guān)鍵。其控制方式主要有以下幾種：恒壓頻比控制方式、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制[6]。由于恒壓頻比控制方式在前面已經(jīng)作了詳細(xì)介紹，這里不在贅述。 轉(zhuǎn)差頻率控制由電機(jī)學(xué)可知，改變轉(zhuǎn)差率s亦可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n，轉(zhuǎn)差頻率控制就是通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的頻率與轉(zhuǎn)差頻率的和來(lái)給定變頻器的輸出，能控制與轉(zhuǎn)差率有直接關(guān)系的轉(zhuǎn)矩和電流。該方式往往包含電流控制環(huán)節(jié)，由于轉(zhuǎn)差頻率和電流共同被控制，因而穩(wěn)定性較好，能承受急劇的加減速和負(fù)載波動(dòng)，并因采用了速度反饋環(huán)節(jié)，大大提高了轉(zhuǎn)速控制精度。它將轉(zhuǎn)速放大器的輸出轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)差頻率的電流指令，在各自的控制環(huán)節(jié)中變成變頻器頻率指令和異步電機(jī)定子端電壓指令。從頻率指令和定子端電壓指令后，其線路結(jié)構(gòu)和恒壓頻比控制方式相同。該方式必須進(jìn)行閉環(huán)控制，因此常用于單機(jī)運(yùn)行，能得到恒定輸出特性，并且高低轉(zhuǎn)速時(shí)都能輸出較大轉(zhuǎn)矩。其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)差頻率變化能反映負(fù)荷變化，能適應(yīng)于系統(tǒng)急劇加速時(shí)及負(fù)載變化大的情況，大大提高了加速控制精度，但其機(jī)械特性同恒壓頻比控制方式一樣都是非線性的，因而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩受到限制。 空間矢量控制 SVPWM 的基本原理空間矢量 PWM[7][8][9][10][11][12](SVPWM，也稱磁通正弦PWM)，是從電機(jī)的角度出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。它以三相對(duì)稱正弦電壓供電時(shí)電機(jī)的理想圓形磁通軌跡為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)磁通圓，并由它們比較的結(jié)果決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，形成PWM波形。由于該控制方法把逆變器和電機(jī)看成一個(gè)整體來(lái)處理，所得模型簡(jiǎn)單，便于微處理器實(shí)時(shí)控制，并具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、噪聲低、電壓利用率高的優(yōu)點(diǎn)[13]。逆變器輸出的開關(guān)電壓矢量為 (41)式中， 、 、 分別是逆變器三相橋臂的開關(guān)狀態(tài)。 一共有8種開關(guān)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)8種開關(guān)電壓矢量，如圖41所示，6個(gè)非零矢量將空間分成六個(gè)區(qū)域，另外兩個(gè)矢量為零矢量(111) 、 (000)。PWM調(diào)制的基本原理是用若干個(gè)開關(guān)電壓矢量去逼近給定的參考空間電壓矢量 [14]。圖41 空間電壓矢量控制圖由圖41可以看出，參考空間矢量Vref可以由與之最接近的兩個(gè)開關(guān)電壓矢量合成。不失一般性，假設(shè)Vref處于扇區(qū)Ⅲ，則Vref可以由V4和V6合成。設(shè)在一個(gè)PWM中斷周期T4內(nèi)，V4，V6作用的時(shí)間分別為T4和T6，兩個(gè)零矢量作用的時(shí)間分別為T0和T7則有 (42) (43)式(43)中，零矢量V0=V7=0。又因?yàn)镻WM中斷周期TS很小，認(rèn)為在一個(gè)周期內(nèi)Vref是不變的。于是有 (44)將式42與44聯(lián)立得 (45)注意式中的Vref、VV6都是矢量。把用矢量表示的式(45)分解到α?β坐標(biāo)軸上，如圖42所示，寫成標(biāo)量形式：圖42 矢量分解 (46)式中由上式解得兩個(gè)矢量的作用時(shí)間： (47)然后計(jì)算零矢量的作用時(shí)間:1. 若+，則=2. 若+，則要采用過(guò)調(diào)制的方法。開關(guān)矢量的作用時(shí)間分配圖如圖43所示。仿照上述的計(jì)算方法，同理可推得Vref處于其它扇區(qū)時(shí)的開關(guān)矢量作用時(shí)間。圖43 開關(guān)矢量作用時(shí)間分配圖 SVPWM的軟件實(shí)現(xiàn)通過(guò)上一節(jié)論述可知，只要得到了空間電壓矢量，就可以計(jì)算各開關(guān)矢量的作用時(shí)間，進(jìn)而確定各個(gè)橋臂的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間。在本論文中，是通過(guò)給定角度來(lái)確定空間電壓矢量的。每進(jìn)一次PWM 中斷，就增加一個(gè)角度來(lái)改變系統(tǒng)的空間電壓矢量，這個(gè)增加的角度稱之為一個(gè)步長(zhǎng)，步長(zhǎng)大小由載波比N來(lái)確定，當(dāng)大2π時(shí)，系統(tǒng)將之清零。為了提高代碼的效率，論文采用了TI公司提供的QMATH數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)，該數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)為定點(diǎn)數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)，它包括所有的三角函數(shù)、求平方根函數(shù)、除法等用C代碼實(shí)現(xiàn)效率比較低的函數(shù)。它的輸入輸出數(shù)據(jù)格式都為Q格式。以正弦函數(shù)為例，它的輸入數(shù)據(jù)為Q15，任何?π和π之間的數(shù)可以表示為，數(shù)據(jù)被放大了近10430倍，因此精度大大的提高。輸出就數(shù)據(jù)格式也為Q15，右移15位就得到實(shí)際的正弦函數(shù)值。 直接轉(zhuǎn)矩控制由于矢量控制對(duì)電機(jī)參數(shù)變化的依賴性較大，特別當(dāng)電機(jī)參數(shù)變化較大時(shí)，難以保證動(dòng)態(tài)過(guò)程完全解耦。為解決這個(gè)問(wèn)題，前西德學(xué)者于1985年發(fā)明了直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)。它以異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量，強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，并不極力追求正弦波。它與矢量控制技術(shù)并行發(fā)展但又有所不同，避免了矢量控制中二次坐標(biāo)變換及求模和相角的復(fù)雜計(jì)算，直接在靜止坐標(biāo)系（定子坐標(biāo)系）上借助三相定子電壓和電流計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁，并與給定轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁相比較，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩的BangBang 控制，使轉(zhuǎn)矩相應(yīng)在一拍內(nèi)完成且無(wú)超調(diào)。這種直接轉(zhuǎn)矩控制方法不僅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)電機(jī)參數(shù)變化不敏感，而且控制性能比矢量控制還要好，這是目前最先進(jìn)的控制方式。轉(zhuǎn)矩矢量控制直接取交流電機(jī)參數(shù)進(jìn)行控制，控制簡(jiǎn)單，精確度高，處理速度非?？?，但是處理器DSP及很多硬件都是高速器件，價(jià)格較貴，較難推廣。直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，DTC)變頻調(diào)速，是繼矢量控制技術(shù)之后又一新型的高效變頻調(diào)速技術(shù)。20 世紀(jì)80 年代中期。1987年，直接轉(zhuǎn)矩控制理論又被推廣到弱磁調(diào)速范圍。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)(BandBand)產(chǎn)生PWM 波信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。它省去了復(fù)雜的矢量變換與電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化處理，沒有通常的PWM 信號(hào)發(fā)生器。它的控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制手段直接，信號(hào)處理的物理概念明確。直接轉(zhuǎn)矩控制也具有明顯的缺點(diǎn)即：轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)。針對(duì)其不足之處，現(xiàn)在的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)相對(duì)于早期的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)有了很大的改進(jìn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1. 無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究在實(shí)際應(yīng)用中，安裝速度傳感器會(huì)增加系統(tǒng)成本，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，此外，速度傳感器不實(shí)用于潮濕、粉塵等惡劣的環(huán)境下。因此，無(wú)速度傳感器的研究便成了交流傳動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)重要的研究方向，且取得了一定的成果。對(duì)轉(zhuǎn)子速度估計(jì)的方法有很多，常用的有卡爾曼濾波器位置估計(jì)法、模型參考自適應(yīng)法、磁鏈位置估計(jì)法、狀態(tài)觀測(cè)器位置估計(jì)法和檢測(cè)電機(jī)相電感變化法等。有的學(xué)者從模型參考自適應(yīng)理論出發(fā)，利用轉(zhuǎn)子磁鏈方程構(gòu)造了無(wú)