【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ? ????? ?? ??? ?????? 213 由式 (213)可知異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，本質(zhì)上因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)是高階、非線性、多變量和強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，我們希望通過(guò)坐標(biāo)變換使之簡(jiǎn)化。式（ 213)的異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是建立在三相靜止 A、 B、 C坐標(biāo)系上的，現(xiàn)在把它變換到任意二相旋轉(zhuǎn) d、 q坐標(biāo)系上，比原來(lái)的模型簡(jiǎn)單。 8 ABCdq ?1?2? 圖 2 異步電機(jī)坐標(biāo)模型 該電機(jī)模型已經(jīng)由實(shí)踐所證實(shí)，圖 2 顯示了它的坐標(biāo)模型。其中 A、 B、 C為三相定子繞組軸線， d、 q 為等效兩相電機(jī)模型軸線。由此物理模型，可推導(dǎo)得到任意速度旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下異步電機(jī)的狀態(tài)方程為： 電壓方程式 (214): q1d1q22U R i p psd s sd sd sU R i p psq s sq sq sU R i p prd r rd rd rU R i p prq r rq rq rd? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?????? ???? ????????———— 214 磁鏈方程式 (215)： L i L isd s sd m rdL i L isq s sq m rqL i L ird r rd m sdL i L irq r rd m sq????????????? ???? ???? 215 電磁轉(zhuǎn)矩方程式 (216)： ()dT n i ie p sq s sd sq??? — 216 機(jī)電運(yùn)動(dòng)方程式 (217) JdTTeL n dtp??? 217 9 將式（ 215）代入（ 214）式中，得： + k k m+k k m= + k r k r +k r k r rR L p L L p LUis s s msd sdL R L p L L psq sqs s s mL p L R L p Lrd rdm m r r mrq rqL L p L R L pm m r r????? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???—（ ） （ ）（ ） （ ） 218 式中 =k p?? d、 q系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速度 當(dāng) =k1??時(shí)為同步旋轉(zhuǎn) d、 q系統(tǒng)；當(dāng) =0k? 時(shí)為定子靜止坐標(biāo)系統(tǒng)。 =r p?? 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度 1? 同步旋轉(zhuǎn)角速度，即定子角頻率 = = 2 k r 1p? ? ? ? ?（ ） 轉(zhuǎn)差角速度 sR 定子電阻 sL 定子電感 rR 轉(zhuǎn)子電阻 rL 轉(zhuǎn)子電感 pn 極對(duì)數(shù) mL 定轉(zhuǎn)子互感 J 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 eT 電磁轉(zhuǎn)矩 LT 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 p 微分算子 下標(biāo) s、 r分別表示定子、轉(zhuǎn)子側(cè)的物理量。 從電機(jī)統(tǒng)一理論可知，在靜止坐標(biāo)系上的異步電動(dòng)機(jī)的 等值電路如圖 3 所示。 10 si sR sL rLrisu sp? rp?mL rR rj??rj?? 圖 3 異步電機(jī)空間矢量等效電路 對(duì)于鼠籠式異步電機(jī)而言， Ur=0，為了方便下面對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制的理論分析，現(xiàn)將α β定子坐標(biāo)系下的鼠籠式異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型改用復(fù)數(shù)空間向量的形式表示如下 [9]： =0 = j rd sU R is s s dtd rRir r rdt?????????? ??? 219 = mL i L is s s r? ? 220 = rL i L ir m s r? ? 221 ( ) ( )T n i n i ie p s s p s s s s? ? ?? ? ? ?? ? ? 222 電壓空間矢量 直接轉(zhuǎn)矩控制一般采用三相二點(diǎn)式電壓逆變器供電，如圖 4用 A B CSSS、 、 表示上橋臂 3個(gè)功率器件的開關(guān)狀態(tài)， AS =1 表示 A橋臂 上邊閉合，下邊斷開 , AS =O則相反。 BCSS、 表示法與 AS 相似。因在任意時(shí)刻同一橋臂只能有一個(gè)開關(guān)元件導(dǎo)通，這就決定 A、 B、 C三相共有 8個(gè)開關(guān)狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng) 8 個(gè)電壓空間矢量。0~su s7u ，其中 6 個(gè)非零電壓矢量 1~su s6u ，和兩個(gè)零電壓矢量 0su s u 。 8個(gè)電壓矢量在復(fù)平面的空間分布如圖 5所示。利用電壓逆變器的開關(guān)特點(diǎn)，正確地選擇電壓空間矢量不斷切換電壓狀態(tài)，使定子磁鏈逼近圓形，并通過(guò)零電壓矢量的穿插調(diào)節(jié)來(lái)改變轉(zhuǎn)差頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩同時(shí)按 11 要求快速變化 [10]。 2dcu2dcuNABCaUbUcUAS BS CSCSBSAS 圖 4 電壓型逆變器理想模型 S 1S 2S 3S 4S 5S6( 1 0 0 )( 1 1 0 )( 0 1 0 )( 0 1 1 )( 0 0 1 )( 1 0 1 )??1su2su3su4su5su6su 0 0 01 1 12()t? 1()t? ()2tr?()2t? ? ()1t? ? ()t? ?()1tr? 圖 5 電壓空間矢量表示法 12 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)各部分的結(jié)構(gòu)和 計(jì)算方法己經(jīng)確定，這些方法將在以 TI 公司的 DSP(TMS320F2407A)為主體構(gòu)成的系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)。所有控制算法的實(shí)現(xiàn)和實(shí)用化均不能離開硬件系統(tǒng)，本節(jié)主要介紹系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?；?DSP 的無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 6所示 [11]。 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 AP C 機(jī)故障檢測(cè)與保護(hù)驅(qū) 動(dòng)電 路P W M輸 出電 流 測(cè) 量 電 壓 測(cè) 量M 圖 6 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 主電路的設(shè)計(jì) 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的主電路采用交一直一交電壓型變頻器結(jié)構(gòu)，由整流電路、限流電路、濾波電路、能耗制動(dòng)電路和逆變電路這幾個(gè)部分組成的 [12]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主電路如圖 7： 13 圖 7 主電路 整流及濾波電路 整流電路的任務(wù)是把三相交流電變換成直流電。本系統(tǒng)屬于中、小容量變頻器，整流器可采用不可控整流二極管成的橋式全波整流，再經(jīng)大容量電解電容 C，構(gòu)成的濾波環(huán)節(jié)進(jìn)行濾波，為逆變器提供恒定的直流電壓。中間電容 C 的作用主要有兩點(diǎn)： （ 1） 消除二極管整流器的輸出電壓的波紋，盡量保持直流電壓的輸出的恒定波形； （ 2）電機(jī)屬于感性負(fù)載，故中間直流環(huán)節(jié)總和電機(jī)之間存在能量轉(zhuǎn)換，而逆變器的電力電子器件無(wú)法儲(chǔ)能，因此電容的另一個(gè)作用就是作為儲(chǔ)能元件實(shí)現(xiàn)能量的緩沖。 限流電路及 安全保護(hù)電路 當(dāng)變頻器通電時(shí)瞬時(shí)沖擊電流較大，為了保護(hù)電路元件并減小通電瞬間電路對(duì)電網(wǎng)的沖擊，在電路中加入了限流電阻，通過(guò)限流電阻（即圖中的充電電阻）減小通電瞬間電流對(duì)元件的沖擊，并通過(guò)延時(shí)控制，在通電一段時(shí)間后觸發(fā)繼電器，切除限流電阻，這樣既不影響電路正常工作時(shí)的電路整體性能，又可提高電路的啟動(dòng)瞬時(shí)性能。當(dāng)電路不工作時(shí)由于電容 C 上有大量的電荷所以電容上的電壓很高，對(duì)人的安全造成一定的威脅，所以在電路不工作的時(shí)候?qū)⒎烹婋娮杞尤腚娐分信浜侠^電器對(duì)電容 C 進(jìn)行放電 [13]。 能耗制動(dòng)電路 14 當(dāng)能耗制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)再生 的電能經(jīng)續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路，在濾波電容上會(huì)有短時(shí)間大量電荷堆積，這就是所謂的“泵生電壓”，使得直流電壓升高。過(guò)高的直流電壓將會(huì)使各部分器件受到損害。因此，當(dāng)直流電壓達(dá)到的一定值，就要求提供一條放電回路 —— 即能耗制動(dòng)電路，將再生的電能消耗掉。 逆變電路。 逆變電路的功能是在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下把直流電變換到幅值恒定、頻率可調(diào)的三相交流電，由功率器件和驅(qū)動(dòng)電路組成。 功率器件 用于逆變器的常見(jiàn)功率器件有如下幾種： （ 1） 大功率晶體管（ BJT 或 GTR） 電流控制型器件，優(yōu)點(diǎn)是擊穿電壓和集電極最大飽和電流都較 大，缺點(diǎn)是開關(guān)頻率較低，最高為 2KHz 左右。因而以 BJT 為逆變器件的載波頻率也較低，電動(dòng)機(jī)有較大的電磁噪聲。另外控制電路的驅(qū)動(dòng)功率也較大 [14]。 （ 2） 功率效應(yīng)管漏極電流的大小受控制級(jí)與源級(jí)間的電壓控制，屬電壓控制性器件，開關(guān)頻率較高，最高答 20KHz 以上。因此，以 MOSFET 為逆變器件的變頻器載波頻率也較高，電動(dòng)機(jī)基本無(wú)電磁噪聲。此外，控制電路所需的驅(qū)動(dòng)功率極小。但迄今為止，其擊穿電壓和漏極最大飽和電流都較小，難以滿足多數(shù)變頻器的要求。 （ 3） 絕緣柵雙極型晶體管（ IGBT） IGBT 是 MOSFET 和 BJT 結(jié)合的產(chǎn)物 ，主體部分與晶體管相同，但驅(qū)動(dòng)部分卻和場(chǎng)效應(yīng)管相同。電壓控制型功率器件。主要優(yōu)點(diǎn)是擊穿電壓和集電極飽和電流也較大。由 IGBT 模塊作為逆變器的變頻器容量已達(dá) 250KVA 以上。而且開關(guān)頻率也可達(dá) 20KHz，電機(jī)的電流波形比價(jià)平滑，基本無(wú)電磁噪聲。目前絕大部分中、小容量變頻器的逆變模塊都在用 IGBT 管。其驅(qū)動(dòng)電路也都已模塊化 [15]。 （ 4） 智能功率模塊（ IPM） 智能功率模塊是把與逆變管配套的驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路與保護(hù)電路以及某些接口電路等和功率模塊集成到一起的集成功率模塊。 本系統(tǒng)是中、小型系統(tǒng)采用 IGBT 作為逆變?cè)?件。 IGBT 的等效電路及開關(guān)特 15 性見(jiàn)圖 8。 0t 1t 2t3t0t 1t2t 3tGEU GEUciCEU CEUci圖 8 IGBT 等效電路及開關(guān)特性 [16] 驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路的作用是： （ 1） 實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動(dòng) IGBT 柵極的電隔離； （ 2） 提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖。 實(shí)現(xiàn)電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。 驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖 9所示。輸入部分為雙路 PWM 及對(duì)應(yīng)控制電源信號(hào)，經(jīng)獨(dú)立或互鎖設(shè)定單元確定電路工作模式，可設(shè)定為普通全橋模式或無(wú)死區(qū)控制全橋模式。普通全橋應(yīng)用時(shí)，上下兩管信號(hào)互鎖，用戶可以設(shè)置死區(qū)時(shí)間，確保不直通。 無(wú)死區(qū)全橋模式應(yīng)用時(shí)，上下兩管可以同時(shí)導(dǎo)通，因此可用于電流型全橋電路的驅(qū)動(dòng)。通過(guò) DC/DC 輔助開關(guān)電源，可得到四路相互獨(dú)立的 24V 電壓輸出，于四片驅(qū)動(dòng)芯片的供電。與傳統(tǒng)的四路變壓器隔離供電相比，減小了體積，節(jié)省了成本，且使用更加方便，當(dāng)主控板電源電壓為 15V 供電時(shí)，可與之使用同一電源。驅(qū)動(dòng)單元輸出四路隔離驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng) IGBT，同時(shí)對(duì) IGBT 起保護(hù)作用。當(dāng)IGBT 的電流過(guò)大，集電極對(duì)發(fā)射極的電壓達(dá)到閾值電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)內(nèi)部的保護(hù)機(jī)制。因?yàn)楦鞣N尖峰干擾的存在，為避免頻繁的保護(hù)影響開關(guān)電源的正常工作，設(shè)立 盲區(qū)是很有必要的；當(dāng)過(guò)流信號(hào)時(shí)間大于設(shè)定的盲區(qū)時(shí)間時(shí)，開始軟關(guān)斷。軟關(guān)斷開始后，驅(qū)動(dòng)器封鎖輸入 PWM 信號(hào)，即使 PWM 信號(hào)變成低電平，也不 16 會(huì)立即將輸出拉到正常的負(fù)電平，而要將軟關(guān)斷過(guò)程進(jìn)行到底。軟關(guān)斷開始后經(jīng)過(guò)短暫延遲，驅(qū)動(dòng)板經(jīng)光耦隔離輸出互補(bǔ)的故障報(bào)警信號(hào)，由主控板處理。 IGBT的短路保護(hù)動(dòng)作閾值、保護(hù)盲區(qū)時(shí)間、軟關(guān)斷時(shí)間等參數(shù)可通過(guò)用戶保護(hù)參數(shù)設(shè)置單元靈活設(shè)置，也可以使用默認(rèn)值 [17]。 獨(dú) 立 或 互 鎖 設(shè) 定光 耦 隔 離D C / D C驅(qū) 動(dòng)用 戶 保 護(hù) 參 數(shù) 設(shè)置4 路 隔 離驅(qū) 動(dòng) 輸 出輸 入 雙 路P W M 信 號(hào)輸 出 互 補(bǔ)故 障 信 號(hào)控 制 電 源1 5 1 8 V 圖 9 驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)框圖 GNDV11V12AohAo1GND12/15V5V輸入PWM故障輸出主板電源D A 8 4 1 H D