【正文】 硬件電路主要分為電源主電路和控制電路兩個模塊，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。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。 （ 3）過流保護 (OC)：若流過 IGBT 的電流值超過過流動作電流，且時間超過 toff，則發(fā)生過流保護，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號。 IPM 與以往 IGBT 模塊及 驅(qū)動 電路的組件相比具有如下特點： （ 1）控制電壓欠壓保護（ UV）： IPM 使用單一的＋ 15V 供電，若供電電壓低于 ,且時間超過 toff＝ 10ms，發(fā)生欠壓保護，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號。 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)。 驅(qū)動電路以及快速保護電路構(gòu)成。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。隔離可以通過以下方式實現(xiàn)光藕脈沖變壓器小功率逆變器采用自舉驅(qū)動電路時，必須把控制板的地和功率地隔離開。 IGBT 驅(qū)動的作用 : 在電力電子裝置中的一個重要組成部分 ,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 信號進行隔離傳輸和電平轉(zhuǎn)換和功率放大 ,實現(xiàn)控制電路對 IGBT 進行開通和關(guān)斷動作的控制，從而實現(xiàn)裝置的功率變換功能。即：在一個正弦周期中，每個橋臂上開關(guān)管開通半個周期；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。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。 39。 WNVNNNNNuuuu ??? 負載三相對稱時有 :39。39。WN uuu ?? 負載中點電壓： 3 39。VN uuu ?? 39。UN uuu ?? N N 39。WU uuu ?? 負載相電壓： N N 39。VW uuu ?? UN39。UV uuu ?? W N 39。 三相逆變電路 結(jié)構(gòu)和工作原理 三個單相逆變電路可組合成一個三相橋式逆變電路 ,如下圖 43： 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 29 頁 共 74 頁 圖 43三相橋式逆變電路 負載線電壓： VN39。 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)計思想就是為降低在設(shè)計開發(fā)和制造上的成本，而把 IGBT 模塊進行集成 IPM 與普通 IGBT 模塊相比，在系統(tǒng)性能和可靠性上有進一步的提高，使設(shè)計和開發(fā)變得簡單。圖 49 所示接法的工作原理如下：當輸出電壓升高時， TL521 的 1 腳 (相當于電壓誤差放大器的反向輸入端 )電壓上升， 3 腳 (相當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，當輸出電壓降低時，調(diào)節(jié)過程類似。 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。此外，使用這類光耦必須注意設(shè)計外圍參數(shù)，使其工作在比較寬的線性帶內(nèi)，否則電路對運行參數(shù)的敏感度太強，不利于電路的穩(wěn)定工作。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。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。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。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。 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。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。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，因而具有良好的電絕 緣能力和抗干擾能力。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 第 27 頁 共 74 頁 探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。因此根據(jù)超前與滯后的關(guān)系可以確定電機的轉(zhuǎn)向。 使用增量式光電編碼器來判別電機轉(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，當電機正轉(zhuǎn)時，脈沖信號 A 的相位超前脈沖信號 B 的相位 090 ，此時邏輯電路處理后可形成高電平的方向信號 Dir。 M/T 法測速是將 M 法和 T 法兩種方法結(jié)合在一起使用，在一定的時間范圍內(nèi)，同時對光電編碼器輸出的脈沖個數(shù) M1 和 M2 進行計數(shù)，則電機每分鐘的轉(zhuǎn)速為2115NMfMn clk? 實際工作時，在固定的 Tc 時間內(nèi)對光電編碼器的脈沖計數(shù)，在第一個光電編碼器上升沿定時器開始定時，同時開始記錄光電編碼器和時鐘脈沖數(shù)，定時器定時 Tc 時間到，對光電編碼器的脈沖停止計數(shù)，而在下一個光電編碼器的上升沿到來時刻，時鐘脈 沖才停止記錄。另外，時間太長也會影響控制的快速性。例如時鐘頻率為 fclk,計數(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 個脈沖，那么電機的每分鐘的轉(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行的場合。 M 法測速適用于測量高轉(zhuǎn)速，因為 對于給定的光電編碼器線數(shù) N 機測量時間 Tc基于 DSP的永磁同步電機控制 第 26 頁 共 74 頁 條件下，轉(zhuǎn)速越高，計數(shù)脈沖 M1 越大，誤差也就越小。在一定的轉(zhuǎn)速下要增大檢測脈沖數(shù) M1 以減小誤差，可以增大檢測時間Tc 單考慮到實際的應(yīng)用檢測時間很短，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。綜上得： CNTMn 115? 在實際的測量中，時間 Tc 內(nèi)的脈沖個數(shù)不一定正好是整數(shù)，而且存在最大半個脈沖的誤差。 M 法又稱之為測頻法，其測速原理是在規(guī)定的檢測時間 Tc 內(nèi)，對光電編碼器輸出的脈沖信號計數(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 個脈沖，因為兩路脈沖的上升沿與下降沿正好使編碼器信號 4 倍頻。 使用光電編碼器來測量電機的轉(zhuǎn)速：可以利用定時器 /計數(shù)器配合光電編碼器的輸出脈沖信號來測量電機的轉(zhuǎn)速。 光電編碼器的測量方法：光電編碼器在電機控制中可以用來測量電機轉(zhuǎn)子的磁場位置和機械位置以及轉(zhuǎn)子的磁場和機械位置的變化速度與變化方向。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，輸出一個零位脈沖，使位置角清零。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。 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 向用計數(shù)器對脈沖進行加 /減計數(shù)，以此達到位置檢測的目的。 圖 212絕對式光電編碼器 按照碼盤上形成的碼道配置相應(yīng)的光電傳感器，包括光源、透鏡、碼盤、光敏二極管和驅(qū)動電子線路。通常將組成編碼的圈稱為碼道，每個碼道表示二進制數(shù)的一位，其中最外側(cè)的是最低位，最里側(cè)的是最高位。圖 1 是二進制的編碼盤，圖中空白部分是透光的，用“ 0”來表示 。 絕對式光電編碼器：絕對式光電編碼器如圖 212 所示，他是通過讀取編碼盤上的二進制的編碼信息來表示絕對位置信息的。 光電編碼器的介紹：光電編碼器是通過讀取光電編碼盤上的圖案或編碼信息來表示與光電編碼器相連的電機轉(zhuǎn)子的位置信息的。這些位置檢測傳感器或者與電機的非負載端同軸連接，或者直接安裝在電機的特定的部位。選擇零矢量是遵循功率開關(guān)次數(shù)最小原則，由此得到： T0=TpwmT1T2， 電機的位置檢測原理 光電編碼器在電機控制中的應(yīng)用： 電機的位置檢測在電機控制中是十分重要的，特別是需要根據(jù)精確轉(zhuǎn)子位置控制電機運動狀態(tài)的應(yīng)用場合，如位置伺服系統(tǒng)。所以要產(chǎn)生三相正弦波電壓，可以利用以上電壓向量合成的技術(shù)，在電壓空間向量上，將設(shè)定的電壓向量由U4(100)位置開始，每一次增加一個小增量，每一個小增量設(shè)定電壓向量可以用該區(qū)中相鄰的兩個基本非零向量與零電壓向量予以合成，如此所得到的設(shè)定電壓向量就等效于一個在電壓空間向量平面上平滑旋轉(zhuǎn)的電壓空間向量，從而達到電壓空間向量脈寬調(diào)制的目的。 矢量 Uref 在 T 時間內(nèi)所產(chǎn)生的積分效果值和 Ux、 Uy、 U0 分別在時間Tx、 Ty、 T0 內(nèi)產(chǎn)生的積分效果相加總和值相同。 基于 DSP的永磁同步電機控制 第 22 頁 共 74 頁 圖 210電壓空間矢量圖 其中非零矢量的 幅值相同（模長為 2Udc/3） ，相鄰的矢量間隔 60 度，而兩個零矢量幅值為零位于中心。這八個矢量和就稱為基本電壓空間矢量，根據(jù)其相位角的特點分別命名為 U000、 U0、 U60、 U1 U180、U2 U300、 U111，其中 U000 和 U111 稱為零矢量。 圖 29逆變電路 由于逆變器三相橋臂共有 6 個開關(guān)管，為了研究各相上下橋臂不同開關(guān)組合時逆變器輸出的空間電壓矢量，特定義開關(guān)函數(shù) Sx ( x = a、 b、 c) 為：???? 下橋臂導(dǎo)通上橋臂導(dǎo)通01xS (Sa、 Sb、 Sc)的全部可能組合共有八個，包括 6 個非零矢量 Ul(001)、 U2(010)、華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 21 頁 共 74 頁 U3(011)、 U4(100)、 U5(101)、 U6(110)、和兩個零矢量 U0(000)、 U7(111)，下面以其中一種開關(guān)組合為例分析，假設(shè) Sx ( x=a、 b、 c)= (100)，此時： ????????????????0,0,cNbNaNcdcNaNdcbNaNdccabcdcabUUUUUUUUUUUUUU （ ） 求解上述方程可得： Uan=2Ud / UbN=U d/ UcN=Ud /3。的三相平面靜止坐標系上，可以定義三個電壓空間矢量 UA(t)、UB(t)、 UC(t)，它們的方向始終在各相的軸線上，而大小則隨時間按正弦規(guī)律做變化，時間相位互差 120176。兩個矢量的作用時間在一個采樣周期內(nèi)分多次施加，從而控制各個電壓矢量的作用時間，使電基于 DSP的永磁同步電機控制 第 20 頁 共 74 頁 壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn)，通過逆變器的不同開關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結(jié)果來決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，從而形成 PWM 波形。 SVPWM 的理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個開關(guān)周期內(nèi)通過對基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。 圖 28三相逆變器 異步電動機調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖 開關(guān)工作狀態(tài) :如果圖中的逆變器采用 180176。這樣電動機旋轉(zhuǎn)磁場的軌跡問題就可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運動軌跡問題。 tΨ 1jms e ??Ψ （ ） 其中 Ψ m 是磁鏈Ψ s W1 為其旋轉(zhuǎn)角速度。 當電動機轉(zhuǎn)速不是很低時，定子電阻壓降在式（ ）中所占的成分很小，可忽略不計，則定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關(guān)系為： tdd ss Ψu ? （ ） ?? tdss uΨ （ ） 磁鏈軌跡 :當電動機由三相平衡正弦電壓供電時，電 動機定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈矢量頂端的運動軌跡呈圓形（一般簡稱為磁鏈圓）。當某一相電壓為最大值時，合成電壓矢量 us 就落在該相的軸線上。合成空間矢量：由三相定子電壓空間矢量相加合成的空間矢量 us 是一個旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值不變，是每相電壓值的 3/2 倍 。 空間矢量的定義 交流電動機繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時間變化的，分析時常用時間相量來表示，但如果考慮到它們所在繞組的空間位置，也可以如圖所示，定義為空間矢量 uA0， uB0， uC0。以上即是永磁同步電機在同步旋轉(zhuǎn)坐標 dq 軸系下的數(shù)學(xué)模型。由式 ()和式 ()得到永磁同步電機在 dq 坐標系下的電流方程： ????????????????????????????????????CBAqdiiiii)32si n()32si n(si n)32co s()32co s(co s32?????????? () 其中 di