【文章內容簡介】 和軟件設計 通用變頻器設計指標 變頻器是一種新穎的可以實現(xiàn)連續(xù)無級調速的裝置，衡量系統(tǒng)性能的技術指標與傳統(tǒng)的調速系統(tǒng)也有較大不同，如變頻器、伺服驅動器的速度調節(jié)總是連續(xù)的，故無需考慮平滑性指標；而系統(tǒng)對指令的影響性能則反映了系統(tǒng)的跟蹤能力，因此，必須作為衡量系統(tǒng)性能的重要指標。 變頻器的主要技術指標如下。 1. 調速范圍 調速范圍是衡量系統(tǒng)變速能力的指標。調速范圍有兩種表述方式：一是以調速系統(tǒng)實際可以達到的最低轉速與最高轉速之比表示，如 1:100 等；二是以最高轉速與最低轉速的比值 (D)表示，如 D=100 等，兩者本質相同。 需要注意的是：定義變頻 調速的調速范圍時，應以電動機能夠帶動額定負載的最低與最高轉速作為計算調速范圍的依據，它與變頻器技術參數中的頻率控制范圍是完全不同的兩個概念。 2. 調速精度 調速精度是衡量系統(tǒng)調速穩(wěn)定性的指標。變頻器的調速精度計算方法與傳統(tǒng)調速系統(tǒng)不同，計算式如下： (31) 調速精度與調速系統(tǒng)的結構密切相關，一般而言，調速系統(tǒng)采用閉環(huán)控制后，調速精度可比開環(huán)控制提高 10 倍左右。 3. 最大輸出頻率 變頻器最大輸出頻率是決定調速范圍與衡量高速性能的指標。對于同樣極對數的電機，頻率越高，可以達到的 最高轉速也越大；當最低頻率不變時，其調速范圍也就越大。 4. 速度響應與頻率響應 “速度響應 ”是衡量變頻器對指令的跟隨性能與靈敏度的重要指標。速度響應是調速系統(tǒng)在負載慣量與電動機慣量相等的情況下，電機可以完全跟蹤給定變化的最大指令變化率。 “速度響應 ”可以用角速度或頻率值表示。用角速度表示的 “速度響應 ”值直接稱為 “速度響應 ”，單位為 rad/s；而將用頻率表示的 “速度響應 ”稱為 “頻率響應 ”，單位 Hz。 “響應速度 ”與 “頻率響應 ”的實質相同，兩者可以用1Hz=2(rad/s)進行相互轉化。 5. 調速效率 哈爾濱理工大學學士學位論文 12 調速效率是衡量調速系統(tǒng)經濟性能的技術指標，它以調速系統(tǒng)的輸出功率與輸入功率之比進行標示，即 (32) 控制器的選型 TMS320F2812是美國得克薩斯州儀器公司 (TI)最新推出的基于代碼兼容 C28x 內核的新型高性能 32 位定點數字信號處理器，它專門為數字控制設計，可實現(xiàn)高性能 DSP 與高精度模擬及閃存的完美結合。 F2812 具有高集成度，從而提供了整套的片上系統(tǒng)，同時降低了板級空間及系統(tǒng)成本，實現(xiàn)了更簡單、更高效和更經濟的設計。 F2812 有如下特點： 1. 具有 EVA、 EVB 兩個時間管理其，每個 EV 都有 8 個 16 位的脈沖調制通道，可以實現(xiàn)對外部時間定時的捕獲、 16 個通道 A/D 轉換、可編程PWM 死區(qū)功能等。 2. 片內高達 128K16 位的 Flash 存儲器， 1K16 位的一次性編程存儲器(OTPROM)、 M0和 M1兩個 1K16 位的存儲器 (SARAM)、 L0 和 L1 兩個 4K16位的存儲器 (SARAM)。 3. 片外可擴展高達 1M 的存儲內容，并有讀 /寫信號選通時序可編程、編程等待狀態(tài)和 3 個獨立的片選信號。 4. 內置有兩個 8 選 1 多路切換器和雙采樣保持器的 12 位 ADC 內 核，最快轉換時間 80ms。 ADC 模塊具有 16 個模擬通道，并可以配置為用于ePWM 模塊的 2 個獨立的 8 通道模塊?？蓪蓚€獨立的 8 通道模塊級練成一個通道。 5. 多達 56 個獨立可編程服用的通路 I/O 引腳 (GPIO)。 6. 包含串行外設借口 (SPI)、兩個串行通信端口 (SCI)即標準的 UART、增強的區(qū)域控制網 (eCAN)及多通道緩沖串口 (McBSP)。 硬件系統(tǒng)總體設計 總系統(tǒng)以 TI 公司的 TM320F2812DSP 芯片為控制核心，設計相應主電路、驅動電路采樣電路、保護電路等。其框圖如 圖 32 所示。 哈爾濱理工大學學士學位論文 13 三 相 整 流 濾波 電 路I G B T 逆 變 電路T M S 3 2 0 F 2 8 1 2三 相 電 機采 樣 電 路人 機 界 面 和按 鍵 電 路3 8 0 V A C 圖 32 系統(tǒng)硬件結構總圖 主電路設計 控制系統(tǒng)主電路采用交 —直 —交拓撲結構，如圖 33 所示。 圖 33 交 直 交拓撲結構 先將三相交流電 (50Hz)經三相不可控整流橋整流成直流電，再經電容濾波成平滑直流電，最后經三相逆變橋逆變成復制和頻率都可變的交流電，來驅動電機，達到調速的目的。 哈爾濱理工大學學士學位論文 14 信號采集電路的設計 現(xiàn)代電氣測量、控制中，常常需要用低壓器件去測量、控制高電壓、強電流等模擬量，如果模擬量與數字量之間沒有電氣隔離，那么，高電壓、強電流很容易串入低壓器件，并將其燒毀。本實驗中從輸出端采樣的模擬信號由于要連入 DSP 端口，為了使電源輸入和輸出之間進行絕緣，同時也為穩(wěn)定控制回路提供一條信號通道 [5]，所以需要采用隔離器對采樣控制電路和主電路進行隔離 .以下簡單分析一下常用的一些隔離電路的方案 : 方案一 ： 最常用到的就是利用光耦元件對所采樣的電壓、電流進行采樣。光電耦合器因其良好的性能和抗干擾能力而被廣泛地應用于輸入和輸出信號的電氣隔離。但是 ,在利用光電耦合器的線性耦合直接對模擬信號進行隔離傳輸時 , 由于光電耦合器內部發(fā)光二級管和光敏三級管的伏安特性 , 使得光電耦合器的 “線性區(qū) ”實際上比較小并且存在一定程度的非線性失真。由于光電耦合器件非線性的輸入輸出特性所限 ,一般來講 , 光耦器件主要應用于數字信號的隔離 , 而較少用于模擬信號的隔離。 方案二 ： 采用諸如霍爾器件等特殊傳感器 ,其線性度高，頻率響應速度快， 但其價格較貴 。且硬件電路較為簡單，因此在精度等要求比較高的情況下可以予以考慮。 方案三 ： 首先進行 A/D 轉換或 V/F 轉換 , 再用光耦進行隔離的方法 , 但處理過程較為復雜 , 并且如果能夠使用霍爾器件完成對模擬信號的隔離 , 無疑是很有意義的。 電壓隔離采樣電路設計 系統(tǒng)需要實時檢測直流母線的電壓，以供整流器構成電壓閉環(huán)并為母線過壓保護提供開啟信號。常用的電壓檢測方法有電阻分壓法，電壓互感器法和霍爾電壓傳感器法。電阻分壓法檢測精度低，電壓互感器則只能測交流量，雖然霍爾電壓傳感器價格較高但檢測性能非常好。本系統(tǒng)采用具有高度電絕緣 (2500V)的霍爾電壓傳感器 HNV025A， HNV025A 型是利用磁補償原理的一種霍爾電壓傳 感器，能夠測量直流、交流以及各種波形電壓，同時在電氣上是高度絕緣的，其原理圖如圖 34 所示。 測量時強、弱電隔離，避免用電阻分壓法測電阻方法帶來的電氣干擾，具有高過載容量、體積小、全封閉、高可靠性等優(yōu)點。誤差在 177。%，非線性度 %，響應時間 40μS。輸入端分別接母線電容的正負極。為使傳感器達到最佳精度初級電阻 R 應盡量選擇使得輸入電流為 10mA。本系統(tǒng)直哈爾濱理工大學學士學位論文 15 流電壓為 540V，忽略初級線圈的電阻，選擇阻值為 40K， 10W 的水泥電阻。測量電阻選用精密電阻，根據需要的輸出電壓和公式確定阻值。 如圖 34 HNV025A外接電路 輸出調理電路如圖 35 所示。第一級是低通濾波；第二級是由 LM358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。但是 CPU 輸出的是 的高地電平信號，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，哈爾濱理工大學學士學位論文 16 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(xiàn)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(xiàn)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，內核供電電壓為 (當工作頻率大于 130MHz 時，內核供電電壓為 ） ，外圍 I/O 為哈爾濱理工大學學士學位論文 17 ，且上電是有先后順序要求的， I/O 口 ，內核 上電。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。 哈爾濱理工大學學士學位論文 18 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 哈爾濱理工大學學士學位論文 19 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 310 中在母線負載端串接了一個阻值為 的大功率水泥電阻來采樣母線電流，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 R4 R43 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。