【文章內(nèi)容簡介】 （）L包括整流變壓器的漏感、電樞電感和平波電抗器的電感，前者數(shù)值都可以忽略，一般取電動機(jī)的額定電流的；=300mh。由于電動機(jī)額定電流為3A，其最大電流不超過5A，故整流橋直流側(cè)回路電流大概為4A，電動機(jī)空載時，輸出電壓平均值最大為 （） 由于整流橋交流側(cè)相電壓值為130V，二極管兩端最大輸出電壓為： 當(dāng)負(fù)載加重，輸出電壓平均值減小，至電流連續(xù)時，其平均值為: （）為了是選用的二極管留有一定裕量，我們選擇反向擊穿電壓為600V,額定電流為6A的二極管。針對低頻整流電路，我們可以直接采用符合參數(shù)的耐高壓普通二極管。整流電路的輸出電壓仍有較大的脈動成分，為此還需要進(jìn)行濾波處理，減少輸出電壓的脈動，使最后的輸出電壓平滑的接近直流。直流電源中濾波電路的顯著特點(diǎn)為：均采用無源電路，即采用電容、電感等儲能元件完成濾波。整流橋交流側(cè)為三相交流電，是經(jīng)過整流變壓器而來，其額定工作時相電壓為130V，由公式（）計算可知，直流側(cè)平均輸出電壓為：經(jīng)過濾波電路，輸出的電壓平均值可以根據(jù)如下公式計算： （）經(jīng)計算的出，即主電路中電容MC1兩端需要承受的電壓為365V。我們在設(shè)計時，在整流橋直流側(cè)兩端并聯(lián)一個2個電解電容，利用電容的充、放電作用，使輸出電壓趨于平滑。根據(jù)上述計算可知，利用2個電解電容的分壓，則每個電解電容需要承受的電壓值為182V。電容充電時，回路電阻為整流電路的內(nèi)阻，即變壓器內(nèi)阻和二極管的導(dǎo)通內(nèi)阻，其數(shù)值很小，因而時間常數(shù)很小，充電很快。電容放電時，回路電阻為導(dǎo)線電阻與電機(jī)繞組電阻，其中為導(dǎo)線繞組，可近似約為，電機(jī)繞組電阻包括轉(zhuǎn)子繞組和定子等效繞組，電容放電時間常數(shù)為,遠(yuǎn)大于充電時間常數(shù)。一般，在橋式全波整流的情況下，根據(jù)下式選擇濾波電容的容量： （）此處計算選取5倍。由于采用三相全波整流電路，每個正弦波周期有6個對稱整流波。C=5T(2*Rloop)=3703uF （）根據(jù)電容串聯(lián)，我們選用2個電容為10000uF，耐壓值為400V的電解電容。，其作用為防止電機(jī)突加給定啟動時，產(chǎn)生的大電流造成對啟動瞬間回路中器件的損壞，尤其是整流橋與變壓器。因為突加給定瞬間，濾波電容等效短路，此時整流橋與電容構(gòu)成一個短路回路，回路中瞬間電流很大，合上電源后，延時開關(guān)將MR1短路，以免在運(yùn)行中造成附加損耗。根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計，電機(jī)額定工作電流為3A，啟動時整流橋直流側(cè)輸出電壓加在限流電阻MR1兩端，根據(jù)歐姆定律： （）根據(jù)功率計算公式： （）根據(jù)計算，我們選取電阻值為300，功率為2kw散熱性能好的繞線電阻。對于PWM變換器的濾波電容MC1，不僅具有濾波作用，還有當(dāng)電機(jī)制動時吸收系統(tǒng)的動能的作用。由于調(diào)速系統(tǒng)直流電源靠整流二極管供電，不可能回饋電能，這是因為二極管的單向?qū)щ娦詻Q定的，電機(jī)能耗制動時只好對濾波電容充電，這將使得電容兩端的電壓升高，稱作為“泵升電壓”，根據(jù)能量守恒關(guān)系式： （）式（）中為電機(jī)制動前電容MC1電壓，為電機(jī)制動后最終停止電容MC1兩端電壓，為電動機(jī)的線速度。根據(jù)上式可知，在大容量或負(fù)載較大的慣性系統(tǒng)中，不可能只靠電容器來限制泵升電壓。MR2的分流電路靠開關(guān)器件的開通與關(guān)斷，從而實現(xiàn)卸流處理。在實際應(yīng)用過程當(dāng)中，當(dāng)主回路電流過大時，也可以開通，實現(xiàn)卸流處理。假設(shè)IGBT導(dǎo)通壓降為0則： （） （）根據(jù)上述計算，選擇阻值為歐姆的大功率陶瓷電阻。 IPM選型及介紹根據(jù)前面計算得出，整流電路整流后輸出直流電壓為314V，出于安全考慮，我們選用日本三菱公司推出的50 A/1200 V智能功率模塊PM50RSA120，其基本參數(shù)：峰值電流100A，直流側(cè)額定輸入電壓1200V，內(nèi)部自帶卸流管，開關(guān)頻率20 kHz。 智能功率模塊原理圖：該模塊共包含7個IGBT子模塊，其中4路用于本系統(tǒng)構(gòu)成H橋?qū)崿F(xiàn)脈寬調(diào)速，剩余3路任選一路用于控制主電路中的卸流電阻MR2的接入與斷開。P、N為模塊輸入端子，直接接入整流電路直流側(cè)的輸出，其輸入電壓安全范圍為0~800V；U、V、W為功率驅(qū)動模塊的輸出端子；BP間接入卸流電阻，在能耗制動過程為制動能量的消耗提供回路；VUP1VUPC，VVP1VVPC，VWP1 VWPC，VN1VNC間接入15V直流電源，為功率驅(qū)動模塊提供電源；UPVUPC，VPVVPC，WPVWPC，UNVNC，VNVNC，WNVNC，BrVNC間接入用于控制IGBT的放大的PWM控制信號。，當(dāng)其兩端電壓高于4V時IGBT截止，該IPM模塊具有過壓、欠壓、過流、過溫等故障檢測電路，并具有功率驅(qū)動保護(hù)中斷，通過輸入DSP故障信號?？刂破魍ㄟ^檢測來判斷是否發(fā)生了過溫、過流、欠壓或短路故障，并確定故障類型，作出相應(yīng)的處理，保護(hù)IPM模塊。正常情況下，IPM使用單一的15V供電，并持續(xù)時間達(dá)到10ms后，發(fā)生欠壓保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號。同理當(dāng)發(fā)生過流（流過IGBT的電流過大）、過溫、短路故障時，IPM內(nèi)部的保護(hù)電路保護(hù)IGBT不受損害，輸出故障信號。 區(qū)別以上故障的依據(jù)是檢測錯誤指示信號維持時間。 ms。 在使用PM50RSA120模塊過程中，W、V、U的三相上橋臂驅(qū)動電源必須由3個相互隔離的獨(dú)立電源供電，W、V、U的三相下橋臂可以共用1個驅(qū)動電源。驅(qū)動電源電壓均為+15V。直流母線電壓即P、N間的電壓推薦不高于800V。 控制器選型根據(jù)本設(shè)計要求，本系統(tǒng)采用高速數(shù)字處理器完成直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速，實現(xiàn)如下基本功能：1）：具有高精度、高采樣速率的A/D轉(zhuǎn)換功能。2）：以控制器為核心設(shè)計具有CAN通訊組網(wǎng)能力的電路。3）：設(shè)計具有SCI、SPI串行通信能力的通訊電路。4）：擴(kuò)展外圍接口電路，實現(xiàn)存儲器擴(kuò)展、打印機(jī)接口、上位機(jī)通訊接口電路的設(shè)計。根據(jù)上述基本設(shè)計要求，本系統(tǒng)采用TI公司專用于電動機(jī)控制的高速數(shù)字處理器TMS320LF2407A。由于該芯片集成度極高，運(yùn)算速度快，大大簡化外圍電路設(shè)計，功能強(qiáng)大，其功能特點(diǎn)如下。TMS32LF2407A采用了高性能靜態(tài)CMOS制造技術(shù)，具有4種低功耗工作方式，降低了處理器的功耗。該處理器體系結(jié)構(gòu)上采用了哈佛結(jié)構(gòu)，具有四級指令執(zhí)行流水線，片內(nèi)部具有六條16位總線，其程序存儲器總線和數(shù)據(jù)存儲器總線相互獨(dú)立，支持并行的程序和操作數(shù)尋址，具有最高40MIPS的執(zhí)行速度，從而為各種復(fù)雜控制算法的實現(xiàn)提供堅實的基礎(chǔ)。 TMS320LF2407A的CPU是基于TMS320C2XX的16位定點(diǎn)低功耗內(nèi)核。體系結(jié)構(gòu)采用四級流水線技術(shù)加快程序的執(zhí)行，可在一個處理周期內(nèi)完成乘法、加法和移位運(yùn)算；其具有較高的指令執(zhí)行速率，單周期指令執(zhí)行時間為50ns、33ns或25ns，即CPU時鐘為20MIPS、30MIPS或40MIPS。TMS320LF2407A片內(nèi)集成了豐富的外設(shè)，大大的減少了系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計，提高系統(tǒng)的集成度，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。其內(nèi)部集成的外設(shè)模塊包括：2個事件管理器EVA和EVB、A/D轉(zhuǎn)換電路（2個帶保持/采樣的8路10位A/D轉(zhuǎn)換器）、一個異步串行通訊外設(shè)模塊SCI、一個同步串行外設(shè)模塊SPI、CAN控制器模塊、數(shù)字I/O口、外部存儲器接口、鎖相環(huán)電路、看門狗定時器以及中斷模塊。 系統(tǒng)功能模塊電路設(shè)計 系統(tǒng)電源電路設(shè)計 電源模塊電路，由上圖可知該模塊主要包括三個模塊，即濾波電路、穩(wěn)壓電路和電源工作指示電路。系統(tǒng)電源模塊輸入電壓分為為+12V、12V、+5V三個等級，經(jīng)濾波穩(wěn)壓變換后得到的輸出電壓分為模擬電壓+12VA、12VA、3VA、+12VD、VCC(+5V)、。主要用于給系統(tǒng)模擬電路、數(shù)字電路、通訊模塊以及DSP控制器供電。,其功耗小、穩(wěn)定性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)實惠。由穩(wěn)壓芯片REF5030組成的穩(wěn)壓電路主要為系統(tǒng)A/D模塊提供偏置電壓。 正交編碼脈沖電路設(shè)計 正交編碼脈沖檢測電路 系統(tǒng)測速裝置選擇光電編碼器，采用DSP內(nèi)部EV模塊的正交編碼脈沖模塊進(jìn)行速度采樣。通過編碼器測速輸出兩路相互正交的編碼脈沖。由上圖可知，經(jīng)編碼器輸出的A、B兩路正交脈沖經(jīng)過光耦隔離和脈沖整形后，得到合適的脈沖信號，輸入DSP的QEP1端口，產(chǎn)生4倍于輸入脈沖的的時鐘頻率，并把這個時鐘作為定時器2的輸入時鐘。正交編碼脈沖電路的方向檢測邏輯決定了兩個脈沖序列中哪一個是先導(dǎo)系列。 此電路中的芯片6N137為光電隔離芯片，主要起隔離作用；電路右半部分為轉(zhuǎn)速方向檢測和指示電路。當(dāng)電動機(jī)軸上的光電編碼脈沖產(chǎn)生時，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向可以通過檢測兩個脈沖序列的哪一列先到來確定，而脈沖頻率決定電機(jī)轉(zhuǎn)速大小。 傳感器檢測及保護(hù)電路設(shè)計 系統(tǒng)采樣和檢測電路，其上半部分為過壓報警檢測電路，輸入電壓為回路中電壓、電流、溫度檢測信號，然后輸出過壓報警信號。由圖可知，二極管DM6和UM4A構(gòu)成的反相器構(gòu)成邏輯‘或’，使得過壓報警輸出信號始終為一個非負(fù)的電壓信號。圖中下半部分為信號調(diào)制電路，由于DSP引腳輸入電壓需為正，因此，傳感器信號經(jīng)過一級反向放大器之后，需經(jīng)過升壓電路將負(fù)的電壓信號轉(zhuǎn)換為正的電壓信號，然后經(jīng)過限幅電路限幅，最后經(jīng)過電壓跟隨器進(jìn)行功率放大之后，輸入DSP的AD轉(zhuǎn)換接口。其電路原理如下：當(dāng)電路發(fā)生故障時，比如短路、過溫、程序跑飛等故障造成系統(tǒng)發(fā)熱、電流急劇升高時，然后經(jīng)過光耦的光電隔離和功率放大后輸出低電平信號，低電平信號經(jīng)過與非門輸出高電平，置位D觸發(fā)器，輸出高電平。此時XINT處電位為4V，即TTL電平中的高電平，此電平輸入DSP的XINT引腳引起外部中斷，啟動保護(hù)程序，保護(hù)系統(tǒng)。于此同時ERROR處輸出低電平，正常情況下QM1不能導(dǎo)通，ERROR處電平即為VCC電平。 故障綜合處理保護(hù)電路由于系統(tǒng)中有4路檢測信號，其中兩路為電流傳感器檢測信號，一路為電壓傳感器檢測信號，另一路為溫度檢測信號，故上述原理圖中需設(shè)置4路檢測電路和故障綜合處理保護(hù)電路。 通訊模塊接口電路設(shè)計，包括RS485和RS232通訊接口電路。本設(shè)計采用臺灣維綸公司生產(chǎn)的型號為MT506觸摸屏設(shè)計人機(jī)交互界面。設(shè)計應(yīng)用中采用RS485通訊接口電路利用Modbus ASCII通訊協(xié)議進(jìn)行通訊。圖中芯片SN75176為RS485差分雙向通訊芯片。SN75176的功能表如下： SN75176功能表(發(fā)送、接收)(a).發(fā)送輸入(D)使能(DE)輸出AB高高高低低高低高X低高阻高阻(b).接收差動輸入(AB)使能(RE)輸出(R)VID=低高VID低不定VID=低低X高高阻開路低不定 RS23RS485接口電路MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,使用+5V單電源供電。圖中MAX232為RS232電平轉(zhuǎn)換芯片，能實現(xiàn)TTL電平和CMOS電平的轉(zhuǎn)換，采用光耦隔離芯片6N137隔離信號，并需采用隔離的電源作為通訊接口供電電源。圖中采用B0505LS作為電源轉(zhuǎn)換芯片。 通訊電源電路 IPM驅(qū)動與保護(hù)電路設(shè)計 IPM驅(qū)動電路。采用三極管組成的開關(guān)電路對輸入電壓進(jìn)行處理，經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形，輸出4路PWM波，最終輸入IPM智能功率模塊的PWM控制端口。 IPM故障綜合處理電路上圖為IPM故障保護(hù)及報警電路，輸入故障為過壓、欠壓、過流、過溫等故障信號，當(dāng)出現(xiàn)過壓、欠壓、過流、過溫時，IPM智能模塊輸出高電壓，經(jīng)過三極管控制電路控制與非門的輸入端輸，使得與非門的輸入為0，輸出為1，此時，置位D觸發(fā)器，控制D觸發(fā)器輸出端Q輸出高電平，輸出ERROR信號，其電平為低電平，封鎖SN74LS640，即IPM的輸出；與此同時PDPINTA輸出為低電平，產(chǎn)生DSP高級別功率驅(qū)動保護(hù)中斷，將PWM輸出引腳（EVA）置為高阻態(tài)。 外部擴(kuò)展電路設(shè)計TMS320LF2407A片內(nèi)僅有32K字的FLASH程序存儲器、544字雙口RAM（DARAM）和2K字的單口RAM（SARAM），其存儲空間較小，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計到大量數(shù)據(jù)的存儲和讀取時，往往需要擴(kuò)展系統(tǒng)的片內(nèi)程序存儲器空間。通過擴(kuò)展內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器記錄系統(tǒng)運(yùn)行時出現(xiàn)的故障或異常信息供用戶參考，以便提高故障檢測效率，更好的維護(hù)系統(tǒng)。由于故障檢測時一般采樣的數(shù)據(jù)量較少，可以選擇訪問數(shù)據(jù)快、使用壽命長的小容量非易失性的RAM。本設(shè)計選用Ramtron公司推出的新一代多功能系統(tǒng)監(jiān)控和非易失性鐵電存儲芯片F(xiàn)M31256。它具有讀/寫速度快、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。其擦寫使用壽命長，芯片的擦寫次數(shù)可以多達(dá)100億次。FM31256 器件主要包括如下幾個功能模塊：256KB的非易失FRAM、實時時鐘（RTC）、處理器監(jiān)控器、非易失性事件計數(shù)器。其功能強(qiáng)大可以滿足用戶大多數(shù)需要，性價比高。： FM31256擴(kuò)展電路由上圖可知，F(xiàn)M31256需要外部電池供電，外接晶振，產(chǎn)生時鐘信號。由于該芯片采用二線制的總線接口，二線協(xié)議由芯片引腳SDA、SCL的狀態(tài)決定。具有總線的接口設(shè)備都是工作在主從方式，其通信之間具有如下4種狀態(tài)：開始、停止、數(shù)據(jù)傳輸及應(yīng)答。 總線的數(shù)據(jù)傳輸時序圖目前市場上出現(xiàn)多種接口打印機(jī)，主要有并行接口、串行接口、USB