【正文】 電感變化法等。針對(duì)其不足之處，現(xiàn)在的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)相對(duì)于早期的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)有了很大的改進(jìn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1. 無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究在實(shí)際應(yīng)用中，安裝速度傳感器會(huì)增加系統(tǒng)成本，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，此外，速度傳感器不實(shí)用于潮濕、粉塵等惡劣的環(huán)境下。它的控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制手段直接，信號(hào)處理的物理概念明確。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)(BandBand)產(chǎn)生PWM 波信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。20 世紀(jì)80 年代中期。轉(zhuǎn)矩矢量控制直接取交流電機(jī)參數(shù)進(jìn)行控制，控制簡(jiǎn)單，精確度高，處理速度非?？?，但是處理器DSP及很多硬件都是高速器件，價(jià)格較貴，較難推廣。它與矢量控制技術(shù)并行發(fā)展但又有所不同，避免了矢量控制中二次坐標(biāo)變換及求模和相角的復(fù)雜計(jì)算，直接在靜止坐標(biāo)系（定子坐標(biāo)系）上借助三相定子電壓和電流計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁，并與給定轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁相比較，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩的BangBang 控制，使轉(zhuǎn)矩相應(yīng)在一拍內(nèi)完成且無(wú)超調(diào)。為解決這個(gè)問(wèn)題，前西德學(xué)者于1985年發(fā)明了直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)。輸出就數(shù)據(jù)格式也為Q15，右移15位就得到實(shí)際的正弦函數(shù)值。它的輸入輸出數(shù)據(jù)格式都為Q格式。每進(jìn)一次PWM 中斷，就增加一個(gè)角度來(lái)改變系統(tǒng)的空間電壓矢量，這個(gè)增加的角度稱之為一個(gè)步長(zhǎng)，步長(zhǎng)大小由載波比N來(lái)確定，當(dāng)大2π時(shí)，系統(tǒng)將之清零。圖43 開關(guān)矢量作用時(shí)間分配圖 SVPWM的軟件實(shí)現(xiàn)通過(guò)上一節(jié)論述可知，只要得到了空間電壓矢量，就可以計(jì)算各開關(guān)矢量的作用時(shí)間，進(jìn)而確定各個(gè)橋臂的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間。開關(guān)矢量的作用時(shí)間分配圖如圖43所示。于是有 (44)將式42與44聯(lián)立得 (45)注意式中的Vref、VV6都是矢量。設(shè)在一個(gè)PWM中斷周期T4內(nèi)，V4，V6作用的時(shí)間分別為T4和T6，兩個(gè)零矢量作用的時(shí)間分別為T0和T7則有 (42) (43)式(43)中，零矢量V0=V7=0。圖41 空間電壓矢量控制圖由圖41可以看出，參考空間矢量Vref可以由與之最接近的兩個(gè)開關(guān)電壓矢量合成。 一共有8種開關(guān)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)8種開關(guān)電壓矢量，如圖41所示，6個(gè)非零矢量將空間分成六個(gè)區(qū)域，另外兩個(gè)矢量為零矢量(111) 、 (000)。由于該控制方法把逆變器和電機(jī)看成一個(gè)整體來(lái)處理，所得模型簡(jiǎn)單，便于微處理器實(shí)時(shí)控制，并具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、噪聲低、電壓利用率高的優(yōu)點(diǎn)[13]。 空間矢量控制 SVPWM 的基本原理空間矢量 PWM[7][8][9][10][11][12](SVPWM，也稱磁通正弦PWM)，是從電機(jī)的角度出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。該方式必須進(jìn)行閉環(huán)控制，因此常用于單機(jī)運(yùn)行，能得到恒定輸出特性，并且高低轉(zhuǎn)速時(shí)都能輸出較大轉(zhuǎn)矩。它將轉(zhuǎn)速放大器的輸出轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)差頻率的電流指令，在各自的控制環(huán)節(jié)中變成變頻器頻率指令和異步電機(jī)定子端電壓指令。 轉(zhuǎn)差頻率控制由電機(jī)學(xué)可知，改變轉(zhuǎn)差率s亦可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n，轉(zhuǎn)差頻率控制就是通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的頻率與轉(zhuǎn)差頻率的和來(lái)給定變頻器的輸出，能控制與轉(zhuǎn)差率有直接關(guān)系的轉(zhuǎn)矩和電流。其控制方式主要有以下幾種：恒壓頻比控制方式、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制[6]。磁通太弱，鐵芯不能充分利用，造成浪費(fèi)；磁通太強(qiáng)，使電機(jī)電流上升，異步電機(jī)發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象。各類變頻器輸出一般為可變電壓、可變頻率的形式。最后完成系統(tǒng)硬件電路的搭建及軟件設(shè)計(jì)。本文涉及的系統(tǒng)主要故障有過(guò)流故障、IGBT故障，一旦出現(xiàn)故障時(shí)，故障信號(hào)就會(huì)被傳送到CPU，判斷是否關(guān)斷PWM波輸出。具體中斷服務(wù)程序看流程圖312所示。2. 故障中斷服務(wù)程序故障中斷服務(wù)程序的功能是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)進(jìn)行診斷，并作出相應(yīng)的處理措施。1. 初始化程序初始化程序初始化系統(tǒng)配置寄存器、外設(shè)、變量、變頻器的運(yùn)行參數(shù)、功率版的軟起動(dòng)、從PROM讀取參數(shù)。DC另一側(cè)利用運(yùn)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(hào)放大與CPU輸出鋸齒波電壓相疊加并通過(guò)積分電路產(chǎn)生頻率隨母線電流變化的三角波信號(hào)，控制器通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的頻率即可感知輸出轉(zhuǎn)矩的大小，從而保護(hù)了電機(jī)。，圖中的DC為IGBT下橋臂與地之間的采樣電壓。圖39 IGBT溫度檢測(cè)電路 母線電流和轉(zhuǎn)矩檢測(cè)電路一旦母線電流過(guò)高，就有可能造成IGBT的永久性損壞，所以過(guò)流檢測(cè)盒和快速保護(hù)電路是必須的。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(bào)警信號(hào)便傳達(dá)到CPU，達(dá)到檢測(cè)目的。 電源監(jiān)控電路圖38為電源監(jiān)控電路，當(dāng)24V、16V、5V中的摸一個(gè)電源工作不正常時(shí)，該電路后端的發(fā)光二極管就能通過(guò)閃爍或者亮暗來(lái)進(jìn)行指示。圖37 供電電路 檢測(cè)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)為保證系統(tǒng)能在惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，防止電路因?yàn)檫^(guò)熱、過(guò)載等問(wèn)題而失控，造成經(jīng)濟(jì)損失。為蠻族系統(tǒng)要求，選用TI公司專為DSP供電而設(shè)計(jì)的電源芯片TPS73HD318，該芯片可以同時(shí)輸出兩路電壓，且輸出電壓可調(diào)。值得注意的是驅(qū)動(dòng)電路輸出串接電阻一般應(yīng)在10～33，而對(duì)于小功率器件，串接電阻應(yīng)該增加到30～50；或者如果要求驅(qū)動(dòng)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(huì)造成欠壓保護(hù)電路工作。電容C20為高端輸出的供電電源的自舉電容。除了提供死區(qū)之外，IR223J還有故障電路保護(hù)和欠壓保護(hù)功能，一旦出現(xiàn)故障，便會(huì)輸出故障信號(hào)，且故障信號(hào)可有外部信號(hào)清除。其內(nèi)部集成了相互獨(dú)立的3組半橋驅(qū)動(dòng)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(shí)間，以避免同一橋臂上的被驅(qū)動(dòng)功率元件(IGBT)在開關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)度期間發(fā)生同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)導(dǎo)通時(shí)就相當(dāng)于將+DC于DC連在了一起，就短路了。該電路是低電平有效，就是當(dāng)其中一露輸入為低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出為高電平。圖35 輸出調(diào)理電路設(shè)HNV025A的輸入電壓有效值為U，經(jīng)過(guò)調(diào)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(dá)到最佳精度初級(jí)電阻R，次級(jí)測(cè)量電阻為，上移電壓為V，同相放大電路增益為α，則有： (33) 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要15V電壓的，即=15V。如圖34 HNV025A外接電路輸出調(diào)理電路如圖35所示。測(cè)量電阻選用精密電阻，根據(jù)需要的輸出電壓和公式確定阻值。為使傳感器達(dá)到最佳精度初級(jí)電阻R應(yīng)盡量選擇使得輸入電流為10mA。%，非線性度%，響應(yīng)時(shí)間40μS。測(cè)量時(shí)強(qiáng)、弱電隔離，避免用電阻分壓法測(cè)電阻方法帶來(lái)的電氣干擾，具有高過(guò)載容量、體積小、全封閉、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。電阻分壓法檢測(cè)精度低，電壓互感器則只能測(cè)交流量，雖然霍爾電壓傳感器價(jià)格較高但檢測(cè)性能非常好。系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)直流母線的電壓，以供整流器構(gòu)成電壓閉環(huán)并為母線過(guò)壓保護(hù)提供開啟信號(hào)。且硬件電路較為簡(jiǎn)單，因此在精度等要求比較高的情況下可以予以考慮。由于光電耦合器件非線性的輸入輸出特性所限,一般來(lái)講, 光耦器件主要應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)的隔離, 而較少用于模擬信號(hào)的隔離。光電耦合器因其良好的性能和抗干擾能力而被廣泛地應(yīng)用于輸入和輸出信號(hào)的電氣隔離。 信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)現(xiàn)代電氣測(cè)量、控制中，常常需要用低壓器件去測(cè)量、控制高電壓、強(qiáng)電流等模擬量，如果模擬量與數(shù)字量之間沒(méi)有電氣隔離，那么，高電壓、強(qiáng)電流很容易串入低壓器件，并將其燒毀。圖32 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)總圖 主電路設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)主電路采用交—直—交拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖33所示。 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)總系統(tǒng)以TI公司的TM320F2812DSP芯片為控制核心，設(shè)計(jì)相應(yīng)主電路、驅(qū)動(dòng)電路采樣電路、保護(hù)電路等。5. 多達(dá)56個(gè)獨(dú)立可編程服用的通路I/O引腳(GPIO)。ADC模塊具有16個(gè)模擬通道，并可以配置為用于ePWM模塊的2個(gè)獨(dú)立的8通道模塊。3. 片外可擴(kuò)展高達(dá)1M的存儲(chǔ)內(nèi)容，并有讀/寫信號(hào)選通時(shí)序可編程、編程等待狀態(tài)和3個(gè)獨(dú)立的片選信號(hào)。F2812有如下特點(diǎn)：1. 具有EVA、EVB兩個(gè)時(shí)間管理其，每個(gè)EV都有8個(gè)16位的脈沖調(diào)制通道，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部時(shí)間定時(shí)的捕獲、16個(gè)通道A/D轉(zhuǎn)換、可編程PWM死區(qū)功能等。5. 調(diào)速效率調(diào)速效率是衡量調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能的技術(shù)指標(biāo)，它以調(diào)速系統(tǒng)的輸出功率與輸入功率之比進(jìn)行標(biāo)示，即 (32) 控制器的選型 TMS320F2812是美國(guó)得克薩斯州儀器公司(TI)最新推出的基于代碼兼容C28x內(nèi)核的新型高性能32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，它專門為數(shù)字控制設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高性能DSP與高精度模擬及閃存的完美結(jié)合。用角速度表示的“速度響應(yīng)”值直接稱為“速度響應(yīng)”，單位為rad/s；而將用頻率表示的“速度響應(yīng)”稱為“頻率響應(yīng)”，單位Hz。速度響應(yīng)是調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載慣量與電動(dòng)機(jī)慣量相等的情況下，電機(jī)可以完全跟蹤給定變化的最大指令變化率。對(duì)于同樣極對(duì)數(shù)的電機(jī)，頻率越高，可以達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速也越大；當(dāng)最低頻率不變時(shí)，其調(diào)速范圍也就越大。變頻器的調(diào)速精度計(jì)算方法與傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)不同，計(jì)算式如下： (31)調(diào)速精度與調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，一般而言，調(diào)速系統(tǒng)采用閉環(huán)控制后，調(diào)速精度可比開環(huán)控制提高10倍左右。需要注意的是：定義變頻調(diào)速的調(diào)速范圍時(shí)，應(yīng)以電動(dòng)機(jī)能夠帶動(dòng)額定負(fù)載的最低與最高轉(zhuǎn)速作為計(jì)算調(diào)速范圍的依據(jù)，它與變頻器技術(shù)參數(shù)中的頻率控制范圍是完全不同的兩個(gè)概念。1. 調(diào)速范圍調(diào)速范圍是衡量系統(tǒng)變速能力的指標(biāo)。第 3章 通用變頻器的硬件電路和軟件設(shè)計(jì) 通用變頻器設(shè)計(jì)指標(biāo)變頻器是一種新穎的可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)無(wú)級(jí)調(diào)速的裝置，衡量系統(tǒng)性能的技術(shù)指標(biāo)與傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)也有較大不同，如變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器的速度調(diào)節(jié)總是連續(xù)的，故無(wú)需考慮平滑性指標(biāo)；而系統(tǒng)對(duì)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(biāo)。圖27 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速機(jī)械特性 本章小結(jié)本章介紹了變頻器的常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、分類，分析了他們各自的特定及應(yīng)用場(chǎng)合。由上面的討論可知，異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速必須按照一定的規(guī)律同時(shí)改變其定子電壓和頻率，即必須通過(guò)變頻裝置獲得電壓、頻率均可調(diào)節(jié)的供電電源，實(shí)現(xiàn)所謂的VVVF(Variable Voltage Variable frequency)調(diào)速控制。如圖26所示。頻率有額定值向上增大，但電壓受額定電壓的限制不能再升高，只能保持=不變。通用變頻器中與之間的函數(shù)關(guān)系有很多種，可以根據(jù)負(fù)載性質(zhì)和運(yùn)行狀況加以選擇。如圖25所示，其中1為/=C時(shí)的電壓、頻率關(guān)系，2為有電壓補(bǔ)償時(shí)（近似的C）的電壓、頻率關(guān)系。當(dāng)頻率較低時(shí)，和都變小，定子漏阻抗壓降（主要是定子電阻壓降）不能再忽略。當(dāng)和的值較高時(shí)，定子的漏阻抗壓降相對(duì)比較小，如忽略不計(jì)，則可以近似地保持定子相電壓和頻率的比值為常數(shù)，即認(rèn)為=，保持/=常數(shù)即可。如圖24所示。為了保持電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力，應(yīng)保持氣隙主磁通不變，這就要求降低供電頻率的同時(shí)降低感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，保持/=常數(shù)，即保持電動(dòng)勢(shì)與頻率之比為常數(shù)進(jìn)行控制。由上式可見，是由和共同決定的，對(duì)和進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，就可以使氣隙磁通保持額定值不變。異步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通（主磁通）是定、轉(zhuǎn)子合成磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的，下面說(shuō)明怎樣才能使氣隙磁通保持恒定。對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，希望電動(dòng)機(jī)的主磁通保持額定值不變。而一步電動(dòng)機(jī)的軸轉(zhuǎn)速為： 式中s—異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，s=(/。本文所研究與實(shí)現(xiàn)的通用變頻器是電壓源型變頻器。因此，電壓源型變頻器無(wú)法實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。其直流電壓波形比較平直，理想狀態(tài)下電源內(nèi)阻為零，對(duì)負(fù)載而言是恒壓源，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖23所示，其電壓無(wú)法迅速反向。適合于需要頻繁快速加減速和可逆運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)負(fù)載，但由于電流源型變頻器屬于恒流源，對(duì)系統(tǒng)負(fù)載電流的變化反應(yīng)慢，不適合帶多臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行，只能帶單臺(tái)電機(jī)運(yùn)行。圖21 變頻器基本結(jié)構(gòu)當(dāng)交－直－交變煩器的中間環(huán)節(jié)用大電感作為儲(chǔ)能和濾波時(shí)，直流電流波形比較平直，電源內(nèi)阻較大，對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō)相當(dāng)于是恒流源，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖22所示。高性能的變頻器目前已經(jīng)采用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行全數(shù)字控制，采用盡可能簡(jiǎn)單的硬件電路，主要靠軟件來(lái)完成各種功能?？刂品椒梢圆捎媚M控制或數(shù)字控制。4. 控制電路：控制電路常由運(yùn)算電路、檢測(cè)電路、控制信號(hào)的輸入、輸出電路和驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成。這種無(wú)功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件（電容器或者電抗器）來(lái)緩沖。無(wú)論電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)或者發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會(huì)為1。有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)器件的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流電輸出。2. 逆變器：負(fù)載側(cè)的變流器Ⅱ?yàn)槟孀兤鳌Ｆ渲虚g直流環(huán)節(jié)是儲(chǔ)能元件，用于負(fù)載和直流電源之間的無(wú)功功率交換，根據(jù)此儲(chǔ)能元件是電容還是電感，將變頻器分為電壓型和電流型兩大類。本文的目的是研究通用變頻器，所以主要是交直