【文章內容簡介】 8構成的電壓跟隨器，起緩沖隔離作用；第三級是同相比例及電平上移電路，使輸出UACOUT在DSP模數轉換模塊的電壓輸入范圍0～+3V之間。圖35 輸出調理電路設HNV025A的輸入電壓有效值為U，經過調理電路輸出到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，傳感器達到最佳精度初級電阻R，次級測量電阻為，上移電壓為V，同相放大電路增益為α，則有： (33) 驅動電路的設計IGBT模塊的驅動信號需要15V電壓的，即=15V。，因此需要IGBT驅動電路將其轉化成能夠控制IGBT的驅動信號。該電路是低電平有效，就是當其中一露輸入為低電平時，對應輸出為高電平。這里的驅動芯片選用INTERNATIONGAL PECTIFIER公司的專門為高速、高壓的功率MOS管和IGBT而設計的。其內部集成了相互獨立的3組半橋驅動電路，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)時間，以避免同一橋臂上的被驅動功率元件(IGBT)在開關轉換過度期間發(fā)生同時導通，同時導通時就相當于將+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同時為低電平，則輸入控制邏輯電路可關閉同一橋臂的高端和低端驅動輸出。除了提供死區(qū)之外，IR223J還有故障電路保護和欠壓保護功能，一旦出現故障，便會輸出故障信號，且故障信號可有外部信號清除。其具體控制電路如圖36驅動電路為單電源+15V供電，供電電壓經超快回復二極管BYT54MV隔離后又分別作為其三路高端驅動輸出的供電電源。電容C20為高端輸出的供電電源的自舉電容。驅動芯片的ITRIP端為流過檢測管教，如母線電流過大或者供電電源出現欠壓IR2233J將關閉其6路驅動輸出，并從FAULT腳向控制器發(fā)出錯誤信號(FAULT信號)并鎖存，只有FLTCLR管腳檢測到故障清理信號后才會正常工作。值得注意的是驅動電路輸出串接電阻一般應在10～33，而對于小功率器件，串接電阻應該增加到30～50；或者如果要求驅動電路輸出的正沿脈沖寬度較寬，則必須加大自舉電容容量，否則會造成欠壓保護電路工作。圖36 IR2233IGBT驅動控制電路 電源電路的設計TM320F2812DSP內核跟外圍I/O口供電電壓是不同的，(當工作頻率大于130MHz時，），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供電而設計的電源芯片TPS73HD318，該芯片可以同時輸出兩路電壓，且輸出電壓可調。具體電路如圖37。圖37 供電電路 檢測和保護電路的設計為保證系統(tǒng)能在惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定運行，防止電路因為過熱、過載等問題而失控，造成經濟損失。系統(tǒng)內部必須有精準的檢測保護電路，比如電源監(jiān)控電路、IGBT溫度監(jiān)控電路、電機溫度監(jiān)控電路。 電源監(jiān)控電路圖38為電源監(jiān)控電路，當24V、16V、5V中的摸一個電源工作不正常時，該電路后端的發(fā)光二極管就能通過閃爍或者亮暗來進行指示。電路中的TL431是一種穩(wěn)壓集成電路，為后級比較器提供精準的基準電壓，通過比較器就可以準確檢測電壓是否工作正常。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，該報警信號便傳達到CPU，達到檢測目的。圖38 電源監(jiān)控電路 IGBT溫度監(jiān)測電路圖39為IGBT溫度監(jiān)控電路，是通過溫敏電阻T+T對溫度敏感，其在25℃和100℃時的電阻值分別為1000Ω和1670Ω，再通過運放TSH221組成比較器，當TSH22I的2腳電壓高于3腳電壓時，也就是溫敏電阻值增大，即IGBT溫度過高，運放輸出低電平，CPU隨即停止IGBT工作指導溫度降到安全范圍內。圖39 IGBT溫度檢測電路 母線電流和轉矩檢測電路一旦母線電流過高，就有可能造成IGBT的永久性損壞，所以過流檢測盒和快速保護電路是必須的。而母線電流的大小是判斷力矩大小和一個最直接的參數，因此可以通過檢測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。功率驅動芯片IR2233J的電路檢測管腳ITRIP就是通過圖中的R4R43分壓而來的。DC另一側利用運放TSH221組成的反向輸入一階有源低通濾波器將采樣電壓信號放大與CPU輸出鋸齒波電壓相疊加并通過積分電路產生頻率隨母線電流變化的三角波信號，控制器通過檢測信號的頻率即可感知輸出轉矩的大小，從而保護了電機。圖310母線電流和轉矩檢測電路 軟件結構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、變量、變頻器的運行參數、功率版的軟起動、從PROM讀取參數。在變頻器未運行時，可以通過鍵盤來設置參數，這些參數可以被存儲在PROM上，待斷電下次起動時，系統(tǒng)在初始化中自動讀入上次用戶設定的參數。2. 故障中斷服務程序故障中斷服務程序的功能是對系統(tǒng)運行情況進行檢測，當故障發(fā)生時進行診斷，并作出相應的處理措施。本文涉及的系統(tǒng)主要有過呀故障過流故障IGBT故障，一旦出現故障時，故障信號就會被傳送到CPU,判斷是否關斷PWM波輸出。具體中斷服務程序看流程圖312所示。故障中斷服務程序的功能是對系統(tǒng)運行情況進行檢測，當故障發(fā)生時進行診斷，并作出相應的處理措施。本文涉及的系統(tǒng)主要故障有過流故障、IGBT故障，一旦出現故障時，故障信號就會被傳送到CPU，判斷是否關斷PWM波輸出。開始初始化系統(tǒng)配置寄存器初始化外設初始化參數啟動上強電開中斷進入程序圖311 主程序流程中斷入口保護現場封鎖PWM信號判斷故障類型設置故障標志恢復保護退出中斷圖312 中斷服務程序 本章小結本章主要介紹變頻調速系統(tǒng)的硬件總體結構，對硬件系統(tǒng)的各部分的電路進行了詳細的分析。最后完成系統(tǒng)硬件電路的搭建及軟件設計。第4章 通用變頻器控制算法研究變頻調速的主要工作原理是借助于控制技術、電力電子技術和計算機技術的結合，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，不同頻率異步電機的機械特性硬度變化很小，所以在調速時氣隙磁通保持為恒定值至關重要。磁通太弱，鐵芯不能充分利用，造成浪費；磁通太強，使電機電流上升，異步電機發(fā)生過熱現象。定子頻率控制是異步電機獲得平穩(wěn)調速的關鍵。其控制方式主要有以下幾種：恒壓頻比控制方式、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制[6]。由于恒壓頻比控制方式在前面已經作了詳細介紹，這里不在贅述。 轉差頻率控制由電機學可知，改變轉差率s亦可以改變電動機的轉速n，轉差頻率控制就是通過檢測電機的轉速相對應的頻率與轉差頻率的和來給定變頻器的輸出，能控制與轉差率有直接關系的轉矩和電流。該方式往往包含電流控制環(huán)節(jié)，由于轉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載波動，并因采用了速度反饋環(huán)節(jié)，大大提高了轉速控制精度。它將轉速放大器的輸出轉換成轉差頻率的電流指令，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，其線路結構和恒壓頻比控制方式相同。該方式必須進行閉環(huán)控制，因此常用于單機運行，能得到恒定輸出特性，并且高低轉速時都能輸出較大轉矩。其優(yōu)點是轉差頻率變化能反映負荷變化，能適應于系統(tǒng)急劇加速時及負載變化大的情況，大大提高了加速控制精度，但其機械特性同恒壓頻比控制方式一樣都是非線性的，因而產生的動態(tài)轉矩受到限制。 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)，是從電機的角度出發(fā)，著眼于如何使電機獲得幅值恒定的圓形旋轉磁場。它以三相對稱正弦電壓供電時電機的理想圓形磁通軌跡為基準，用逆變器不同的開關模式產生的實際磁通去逼近基準磁通圓，并由它們比較的結果決定逆變器的開關狀態(tài)，形成PWM波形。由于該控制方法把逆變器和電機看成一個整體來處理，所得模型簡單，便于微處理器實時控制，并具有轉矩脈動小、噪聲低、電壓利用率高的優(yōu)點[13]。逆變器輸出的開關電壓矢量為 (41)式中， 、 、 分別是逆變器三相橋臂的開關狀態(tài)。 一共有8種開關狀態(tài)，對應8種開關電壓矢量，如圖41所示，6個非零矢量將空間分成六個區(qū)域，另外兩個矢量為零矢量(111) 、 (000)。PWM調制的基本原理是用若干個開關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開關電壓矢量合成。不失一般性，假設Vref處于扇區(qū)Ⅲ，則Vref可以由V4和V6合成。設在一個PWM中斷周期T4內，V4，V6作用的時間分別為T4和T6，兩個零矢量作用的時間分別為T0和T7則有 (42) (43)式(43)中，零矢量V0=V7=0。又因為PWM中斷周期TS很小，認為在一個周期內Vref是不變的。于是有 (44)將式42與44聯立得 (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坐標軸上，如圖42所示，寫成標量形式：圖42 矢量分解 (46)式中由上式解得兩個矢量的作用時間： (47)然后計算零矢量的作用時間:1. 若+，則=2. 若+，則要采用過調制的方法。開關矢量的作用時間分配圖如圖43所示。仿照上述的計算方法，同理可推得Vref處于其它扇區(qū)時的開關矢量作用時間。圖43 開關矢量作用時間分配圖 SVPWM的軟件實現通過上一節(jié)論述可知，只要得到了空間電壓矢量，就可以計算各開關矢量的作用時間，進而確定各個橋臂的導通與關斷時間。在本論文中，是通過給定角度來確定空間電壓矢量的。每進一次PWM 中斷，就增加一個角度來改變系統(tǒng)的空間電壓矢量，這個增加的角度稱之為一個步長，步長大小由載波比N來確定，當大2π時，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數學函數庫，該數學函數庫為定點數學函數庫，它包括所有的三角函數、求平方根函數、除法等用C代碼實現效率比較低的函數。它的輸入輸出數據格式都為Q格式。以正弦函數為例，它的輸入數據為Q15，任何?π和π之間的數可以表示為，數據被放大了近10430倍，因此精度大大的提高。輸出就數據格式也為Q15，右移15位就得到實際的正弦函數值。 直接轉矩控制由于矢量控制對電機參數變化的依賴性較大，特別當電機參數變化較大時，難以保證動態(tài)過程完全解耦。為解決這個問題，前西德學者于1985年發(fā)明了直接轉矩控制(DTC)。它以異步電動機的轉矩直接作為被控制量，強調轉矩的直接控制效果，并不極力追求正弦波。它與矢量控制技術并行發(fā)展但又有所不同，避免了矢量控制中二次坐標變換及求模和相角的復雜計算，直接在靜止坐標系（定子坐標系）上借助三相定子電壓和電流計算電機的轉矩和勵磁，并與給定轉矩和勵磁相比較，通過對轉矩的BangBang 控制，使轉矩相應在一拍內完成且無超調。這種直接轉矩控制方法不僅系統(tǒng)結構簡單，對電機參數變化不敏感，而且控制性能比矢量控制還要好，這是目前最先進的控制方式。轉矩矢量控制直接取交流電機參數進行控制，控制簡單，精確度高，處理速度非?？欤翘幚砥鱀SP及很多硬件都是高速器件，價格較貴，較難推廣。直接轉矩控制(Direct Torque Control，DTC)變頻調速，是繼矢量控制技術之后又一新型的高效變頻調速技術。20 世紀80 年代中期。1987年，直接轉矩控制理論又被推廣到弱磁調速范圍。直接轉矩控制技術用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系下計算與控制電動機的轉矩，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調節(jié)(BandBand)產生PWM 波信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉矩的高動態(tài)性能。它省去了復雜的矢量變換與電動機的數學模型簡化處理，沒有通常的PWM 信號發(fā)生器。它的控制思想新穎，控制結構簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確。直接轉矩控制也具有明顯的缺點即：轉矩和磁鏈脈動。針對其不足之處，現在的直接轉矩控制技術相對于早期的直接轉矩控制技術有了很大的改進，主要體現在以下幾個方面：1. 無速度傳感器直接轉矩控制系統(tǒng)的研究在實際應用中，安裝速度傳感器會增加系統(tǒng)成本，增加了系統(tǒng)的復雜性，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，此外，速度傳感器不實用于潮濕、粉塵等惡劣的環(huán)境下。因此，無速度傳感器的研究便成了交流傳動系統(tǒng)中的一個重要的研究方向，且取得了一定的成果。對轉子速度估計的方法有很多，常用的有卡爾曼濾波器位置估計法、模型參考自適應法、磁鏈位置估計法、狀態(tài)觀測器位置估計法和檢測電機相電感變化法等。有的學者從模型參考自適應理論出發(fā)，利用轉子磁鏈方程構造了無