【導(dǎo)讀】國內(nèi)外研究動態(tài)和發(fā)展方向.........錯(cuò)誤!

　　

【正文】 0”，遮光的碼道對應(yīng)的光敏二極管不導(dǎo)通，輸出高電平“ 1”，這樣形成與編碼方式一致的高、低電平輸出，從而獲得扇區(qū)的位置腳。 增量式光電編碼器：增量式光電編碼器是碼盤隨位置 的變化輸出一系列的脈沖信號，然后根據(jù)位置變化的方向用計(jì)數(shù)器對脈沖進(jìn)行加 /減計(jì)數(shù)，以此達(dá)到位置檢測的目的。華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 25 頁 共 74 頁 它是由光源、透鏡、主光柵碼盤、鑒向盤、光敏元件和電子線路組成。增量式光電編碼器的工作原理是是由旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動帶動在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤旋轉(zhuǎn)，在主光柵碼盤的上面有與其平行的鑒向盤，在鑒向盤上有兩條彼此錯(cuò)開 090 相位的窄縫，并分別有光敏二極管接收主光柵碼盤透過來的信號。工作時(shí)，鑒向盤不動，主光柵碼盤隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，光源經(jīng)透鏡平行射向主 光柵碼盤，通過主光柵碼盤和鑒向盤后由光敏二極管接收相位差 090 的近似正弦信號，再由邏輯電路形成轉(zhuǎn)向信號和計(jì)數(shù)脈沖信號。為了獲得絕對位置角，在增量式光電編碼器有零位脈沖，即主光柵每旋轉(zhuǎn)一周，輸出一個(gè)零位脈沖，使位置角清零。利用增量式光電編碼器可以檢測電機(jī)的位置和速度。 光電編碼器的測量方法：光電編碼器在電機(jī)控制中可以用來測量電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場位置和機(jī)械位置以及轉(zhuǎn)子的磁場和機(jī)械位置的變化速度與變化方向。下面就我就光電編碼器在這幾方面的應(yīng)用方法做一下介紹。 使用光電編碼器來測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速：可以利用定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器配 合光電編碼器的輸出脈沖信號來測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。具體的測速方法有 M 法、 T 法和 M/T 法 3 種。 M 法又稱之為測頻法，其測速原理是在規(guī)定的檢測時(shí)間 Tc 內(nèi)，對光電編碼器輸出的脈沖信號計(jì)數(shù)的測速方法，例如光電編碼器是 N 線的，則每旋轉(zhuǎn)一周可以有 4N 個(gè)脈沖，因?yàn)閮陕访}沖的上升沿與下降沿正好使編碼器信號 4 倍頻?，F(xiàn)在假設(shè)檢測時(shí)間是 Tc，計(jì)數(shù)器的記錄的脈沖數(shù)是 M1，則電機(jī)的每分鐘的轉(zhuǎn)速為： NTMTC 41? 14MNTT C? T 為轉(zhuǎn)一圈所用的時(shí)間。綜上得： CNTMn 115? 在實(shí)際的測量中，時(shí)間 Tc 內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)不一定正好是整數(shù)，而且存在最大半個(gè)脈沖的誤差。如果要求測量的誤差小于規(guī)定的范圍，比如說是小于百分之一，那么 M1 就應(yīng)該大于 50。在一定的轉(zhuǎn)速下要增大檢測脈沖數(shù) M1 以減小誤差，可以增大檢測時(shí)間Tc 單考慮到實(shí)際的應(yīng)用檢測時(shí)間很短，例如伺服系統(tǒng)中的測量速度用于反饋控制，一般應(yīng)在 秒以下。由此可見，減小測量誤差的方法是采用高線數(shù) 的光電編碼器。 M 法測速適用于測量高轉(zhuǎn)速，因?yàn)閷τ诮o定的光電編碼器線數(shù) N 機(jī)測量時(shí)間 Tc基于 DSP的永磁同步電機(jī)控制 第 26 頁 共 74 頁 條件下，轉(zhuǎn)速越高，計(jì)數(shù)脈沖 M1 越大，誤差也就越小。 T 法也稱之為測周法，該測速方法是在一個(gè)脈沖周期內(nèi)對時(shí)鐘信號脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法，如圖 3 所示。例如時(shí)鐘頻率為 fclk,計(jì)數(shù)器記錄的脈沖數(shù)為 M2，光電編碼器是N 線的，每線輸出 4N 個(gè)脈沖，那么電機(jī)的每分鐘的轉(zhuǎn)速，為了減小誤差，希望盡可能記錄較多的脈沖數(shù)，因此 T 法測速適用于低速運(yùn)行的場合。但轉(zhuǎn)速太低，一個(gè)編碼器輸出脈沖的時(shí)間太長，時(shí)鐘脈沖數(shù)會超過計(jì)數(shù)器最大計(jì)數(shù)值而產(chǎn)生溢出 。另外 ，時(shí)間太長也會影響控制的快速性。與 M 法測速一樣，選用線數(shù)較多的光電編碼器可以提高對電機(jī)轉(zhuǎn)速測量的快速性與精度。 M/T 法測速是將 M 法和 T 法兩種方法結(jié)合在一起使用，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，同時(shí)對光電編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù) M1 和 M2 進(jìn)行計(jì)數(shù)，則電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速為2115NMfMn clk? 實(shí)際工作時(shí)，在固定的 Tc 時(shí)間內(nèi)對光電編碼器的脈沖計(jì)數(shù)，在第一個(gè)光電編碼器上升沿定時(shí)器開始定時(shí)，同時(shí)開始記錄光電編碼器和時(shí)鐘脈沖數(shù)，定時(shí)器定時(shí) Tc 時(shí)間到，對光電編碼器的脈沖停止計(jì) 數(shù)，而在下一個(gè)光電編碼器的上升沿到來時(shí)刻，時(shí)鐘脈沖才停止記錄。采用 M/T 法既具有 M 法測速的高速優(yōu)點(diǎn)，又具有T 法測速的低速的優(yōu)點(diǎn)，能夠覆蓋較廣的轉(zhuǎn)速范圍，測量的精度也較高，在電機(jī)的控制中有著十分廣泛的應(yīng)用。 使用增量式光電編碼器來判別電機(jī)轉(zhuǎn)速方向的原理：增量式光電編碼器輸出兩路相位相差 090 的脈沖信號 A 和 B，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖信號 A 的相位超前脈沖信號 B 的相位 090 ，此時(shí)邏輯電路處理后可形成高電平的方向信號 Dir。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖信號 A的相位滯后脈沖信號 B 的相位 090 ，此時(shí)邏輯電路處理后的方向信號 Dir 為低電平。因此根據(jù)超前與滯后的關(guān)系可以確定電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 光耦隔離電路的原理 光耦合器亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（ LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 27 頁 共 74 頁 探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電 — 光 — 電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離 ，電信號傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。 光耦合器的性能及類型 ： 用于傳遞模擬信號的光耦合器的發(fā)光器件為二極管、光接收器為光敏三極管。當(dāng)有電流通過發(fā)光二極管時(shí)，便形成一個(gè)光源，該光源照射到光敏三極管表面上，使光敏三極管產(chǎn)生集電極電流，該電流的大小與光照的強(qiáng)弱，亦即流 過二極管的正向電流的大小成正比。由于光耦合器的輸入端和輸出端之間通過光信號來傳輸，因而兩部分之間在電氣上完全隔離，沒有電信號的反饋和干擾，故性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。發(fā)光管和光敏管之間的耦合電容?。?2pf 左右）、耐壓高 ( 左右 )，故共模抑制比很高。輸入和輸出間的電隔離度取決于兩部分供電電源間的絕緣電阻。此外，因其輸入電阻小（約 10Ω），對高內(nèi)阻源的噪聲相當(dāng)于被短接。因此，由光耦合器構(gòu)成的模擬信號隔離電路具有優(yōu)良的電氣性能。 本文選擇了 TLP521 光耦隔離器件 TLP521 的原邊相當(dāng)于一個(gè)發(fā)光二極管， 原邊電流 If 越大，光強(qiáng)越強(qiáng)，副邊三極管的電流 Ic 越大。副邊三極管電流 Ic 與原邊二極管電流 If 的比值稱為光耦的電流放大系數(shù)，該系數(shù)隨溫度變化而變化，且受溫度影響較大。做反饋用的光耦正是利用“原邊電流變化將導(dǎo)致副邊電流變化”來實(shí)現(xiàn)反饋，因此在環(huán)境溫度變化劇烈的場合，由于放大系數(shù)的溫漂比較大，應(yīng)盡量不通過光耦實(shí)現(xiàn)反饋。此外，使用這類光耦必須注意設(shè)計(jì)外圍參數(shù)，使其工作在比較寬的線性帶內(nèi)，否則電路對運(yùn)行參數(shù)的敏感度太強(qiáng)，不利于電路的穩(wěn)定工作。 基于 DSP的永磁同步電機(jī)控制 第 28 頁 共 74 頁 49 光耦反饋電路 Vo 為輸出電壓， Vd 為芯片的供電電壓。 信號接 芯片的誤差放大器輸出腳，或者把 PWM 芯片的內(nèi)部電壓誤差放大器接成同相放大器形式， 信號則接到其對應(yīng)的同相端引腳。注意左邊的地為輸出電壓地，右邊的地為芯片供電電壓地，兩者之間用光耦隔離。圖 49 所示接法的工作原理如下：當(dāng)輸出電壓升高時(shí)， TL521 的 1 腳 (相當(dāng)于電壓誤差放大器的反向輸入端 )電壓上升， 3 腳 (相當(dāng)于電壓誤差放大器的輸出腳 )電壓下降，光耦 TLP521 的原邊電流 If 增大，光耦的另一端輸出電流 Ic 增大，電阻 R4 上的電壓降增大， 引腳電壓下降，占空比減小，輸出電壓減??；反之，當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，調(diào)節(jié) 過程類似。接到電壓誤差放大器輸出端的電壓是外部電壓經(jīng)電阻 R4 降壓之后得到，不受電壓誤差放大器電流輸出能力影響，光耦的工作點(diǎn)選取可以通過其外接電阻隨意調(diào)節(jié)。 逆變器原理 逆變電路選用的是智能功率模塊 IPM，智能功率模塊的設(shè)計(jì)思想就是為降低在設(shè)計(jì)開發(fā)和制造上的成本，而把 IGBT 模塊進(jìn)行集成 IPM 與普通 IGBT 模塊相比，在系統(tǒng)性能和可靠性上有進(jìn)一步的提高，使設(shè)計(jì)和開發(fā)變得簡單。由于 IPM 通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都比較低，使得散熱器減小，因而系統(tǒng)尺寸也減小尤其 IPM 集成了驅(qū)動和保護(hù)電路，使系統(tǒng)的硬件電路簡單可靠，并 提高了故障情況下的自保護(hù)能力。 三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理 三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相橋式逆變電路 ,如下圖 43： 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 29 頁 共 74 頁 圖 43三相橋式逆變電路 負(fù)載線電壓： VN39。UN39。UV uuu ?? W N 39。V N 39。VW uuu ?? UN39。W N 39。WU uuu ?? 負(fù)載相電壓： N N 39。 U N 39。UN uuu ?? N N 39。 V N 39。VN uuu ?? 39。 NN W N 39。WN uuu ?? 負(fù)載中點(diǎn)電壓： 3 39。39。39。39。 WNVNNNNNuuuu ??? 負(fù)載三相對稱時(shí)有 :39。 39。 39。 0N N V N W Nu u u? ? ? 開關(guān)動作與輸出電壓關(guān)系如表 1： 表 1 開關(guān)動作與輸出電壓關(guān)系 基于 DSP的永磁同步電機(jī)控制 第 30 頁 共 74 頁 基本工作方式 —— 180176。導(dǎo)電： U 相 上 開 關(guān) 管 驅(qū) 動 波 形U 相 下 開 關(guān) 管 驅(qū) 動 波 形V 相 上 開 關(guān) 管 驅(qū) 動 波 形V 相 下 開 關(guān) 管 驅(qū) 動 波 形W 相 上 開 關(guān) 管 驅(qū) 動 波 形W 相 下 開 關(guān) 管 驅(qū) 動 波 形 圖 44 180176。導(dǎo)電方式 每橋臂導(dǎo)電 180176。，即：在一個(gè)正弦周期中，每個(gè)橋臂上開關(guān)管開通半個(gè)周期；各橋臂上下開關(guān)管交替導(dǎo)通；各橋臂開始導(dǎo)電的角度差 120176。；任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。 IGBT 驅(qū)動的作用 : 在電力電子裝置中的一個(gè)重要組成部分 ,輸入連接到控制電路的 PWM 信號輸出端，輸出連接到裝置各 IGBT 的門極和發(fā)射極，將裝置中的控制電路產(chǎn)生的 數(shù)字 PWM 信號進(jìn)行隔離傳輸和電平轉(zhuǎn)換和功率放大 ,實(shí)現(xiàn)控制電路對 IGBT 進(jìn)行開通和關(guān)斷動作的控制，從而實(shí)現(xiàn)裝置的功率變換功能。 為了保護(hù)弱電控制系統(tǒng)遠(yuǎn)離高壓，電氣隔離是必須的。隔離可以通過以下方式實(shí)現(xiàn)光藕脈沖變壓器小功率逆變器采用自舉驅(qū)動電路時(shí)，必須把控制板的地和功率地隔離開。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 31 頁 共 74 頁 IPM（ Intelligent Power Module），即 智能功率模塊 ，不僅把功率開關(guān)器件和 驅(qū)動電路 集成在一起。而且還內(nèi)藏有過電壓，過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到 CPU。它由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門極 IPM 內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測和保護(hù)電路，使用起來方便，不僅減少了系統(tǒng)的體積，縮短了開發(fā)時(shí)間，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，適應(yīng)了當(dāng)今功率器件的發(fā)展方向， IPM 在功率電子領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 驅(qū)動電路以及 快速保護(hù)電路構(gòu)成。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可以保證 IPM自身不受損壞。 IPM 一般使用 IGBT 作為功率開關(guān)元件，內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動電路的集成結(jié)構(gòu)。 IPM 以其高可靠性，使用方便贏得越來越大的市場，尤其適合于驅(qū)動電機(jī)的變頻器和各種逆變電源，是變頻調(diào)速，冶金機(jī)械，電力牽引，伺服驅(qū)動，變頻家電的一種非常理想的 電力電子器件 。 IPM 與以往 IGBT 模塊及 驅(qū)動 電路的組件相比具有如下特點(diǎn)： （ 1）控制電壓欠壓保護(hù)（ UV）： IPM 使用單一的＋ 15V 供電，若供電電壓低于 ,且時(shí)間超過 toff＝ 10ms，發(fā)生欠壓保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號。 （ 2）過溫保護(hù)（ OT）：在靠近 IGBT 芯片的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器，當(dāng)IPM 溫度傳感器測出其基板的溫度超過溫度值時(shí)，發(fā)生過溫保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出 故障信號。 （ 3）過流保護(hù) (OC)：若流過 IGBT 的電流值超過過流動作電流，且時(shí)間超過 toff，則發(fā)生過流保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號。為避免發(fā)生過大的 di/dt，大多數(shù)IPM 采用兩級關(guān)斷模式。其中， VG 為內(nèi)部門極驅(qū)動電壓， ISC 為短路電流值， IOC 為過流電流值， IC 為集電極電流， IFO 為故障輸出電流。 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用典型的交直交電壓型變頻系統(tǒng)將交流電先整流成直流 ,再由 IPM 逆變器生成頻率可變的交流電驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)。硬件電路主要分為電源主電路和控制電路兩個(gè) 模塊，電源電路主要由整流濾波和智能功率模塊 IPM 構(gòu)成的逆變器組成，而控制電路由DSP 芯片 TMS320F2812 控制，包括信號檢測模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊等?；?DSP的永磁同步電機(jī)控制 第 32 頁 共 74 頁 由這些構(gòu)成了一套功能完善的數(shù)字變頻調(diào)速控制系統(tǒng)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 41 如下： 圖 31 系統(tǒng)硬件電路圖 該系統(tǒng)由 DSP 芯片負(fù)責(zé)電流和轉(zhuǎn)速采樣，通過核心控制算法生成電壓空間矢