【正文】 接的參數(shù)，因此可以通過(guò)檢測(cè)母線(xiàn)電流大小從而判斷力矩大小。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 圖 38 電源監(jiān)控電路 IGBT 溫度監(jiān)測(cè)電路 圖 39 為 IGBT 溫度監(jiān)控電路，是通過(guò)溫敏電阻 T+T 對(duì)溫度敏感，其在 25℃ 和 100℃ 時(shí)的電阻值分別為 1000Ω 和 1670Ω，再通過(guò)運(yùn)放 TSH221組成比較器，當(dāng) TSH22I 的 2 腳電壓高于 3 腳電壓時(shí)，也就是溫敏電阻值增大，即 IGBT 溫度過(guò)高，運(yùn)放輸出低電平， CPU隨即停止 IGBT 工作指導(dǎo)溫度降到安全范圍內(nèi)。電路中的 TL431 是一種穩(wěn)壓集成電路，為后級(jí)比較器提供精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓，通過(guò)比較器就可以準(zhǔn)確檢測(cè)電壓是否工作正常。系統(tǒng)內(nèi)部必須有精準(zhǔn)的檢測(cè)保護(hù)電路，比如電源監(jiān)控電路、 IGBT 溫度監(jiān)控電路、電機(jī)溫度監(jiān)控電路。具體電路如圖 37。 圖 36 IR2233IGBT 驅(qū)動(dòng)控制電路 電源電路的設(shè)計(jì) TM320F2812DSP 內(nèi)核跟外圍 I/O 口供電電壓是不同的，內(nèi)核供電電壓為 (當(dāng)工作頻率大于 130MHz 時(shí)，內(nèi)核供電電壓為 ） ，外圍 I/O 為哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 ，且上電是有先后順序要求的， I/O 口 ，內(nèi)核 上電。驅(qū)動(dòng)芯片的 ITRIP 端為流過(guò)檢測(cè)管教，如母線(xiàn)電流過(guò)大或者供電電源出現(xiàn)欠壓 IR2233J 將關(guān)閉其 6路驅(qū)動(dòng)輸出，并從 FAULT 腳向控制器發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào) (FAULT 信號(hào) )并鎖存，只有 FLTCLR 管腳檢測(cè)到故障清理信號(hào)后才會(huì)正常工作。其具體控制電路如圖 36 驅(qū)動(dòng)電路為單電源 +15V供電，供電電壓經(jīng)超快回復(fù)二極管 BYT54MV 隔離后又分別作為其三路高端驅(qū)動(dòng)輸出的供電電源。如果同一橋臂的高端和低端輸入信號(hào)同時(shí)為低電平，則輸入控制邏輯電路可關(guān)閉同一橋臂的高端和低端驅(qū)動(dòng)輸出。 這里的 驅(qū)動(dòng)芯片選用 INTERNATIONGAL PECTIFIER公司的專(zhuān)門(mén)為高速、高壓的功率 MOS 管和 IGBT 而設(shè)計(jì)的。但是 CPU 輸出的是 的高地電平信號(hào)，因此需要 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路將其轉(zhuǎn)化成能夠控制IGBT 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。第一級(jí)是低通濾波；第二級(jí)是由 LM358構(gòu)成的電壓跟隨器，起緩沖隔離作用；第三級(jí)是同相比例及電平上移電路，使輸出 UACOUT 在 DSP 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的電壓輸入范圍 0～ +3V 之間。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(xiàn)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。 電壓隔離采樣電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)直流母線(xiàn)的電壓，以供整流器構(gòu)成電壓閉環(huán)并為母線(xiàn)過(guò)壓保護(hù)提供開(kāi)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(xiàn)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。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 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。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 三 相 整 流 濾波 電 路I G B T 逆 變 電路T M S 3 2 0 F 2 8 1 2三 相 電 機(jī)采 樣 電 路人 機(jī) 界 面 和按 鍵 電 路3 8 0 V A C 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(xiě)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 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 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(zhuān)門(mén)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(chēng)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(chēng)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(kāi)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)。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 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)。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 0恒 轉(zhuǎn) 矩 調(diào) 速恒 功 率 調(diào) 速U s ,ΦmU sNf sN f sΦm NΦmU s 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(lèi)，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(jiàn)，是由和共同決定的，對(duì)和進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲涂梢允箽庀洞磐ū３诸~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。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 M整 流 器逆 變 器D C控制指令控制指令控 制 電 路A C A C運(yùn) 行 指 令網(wǎng) 側(cè) 變 流 器 Ⅰ 中 間 直 流 環(huán) 節(jié) Ⅲ 負(fù) 載 側(cè) 變 流 器 Ⅱ圖 21 變頻器基本結(jié)構(gòu) 電流型變頻器 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(kāi)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 為逆變器。其中間直流環(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(lèi)。本文的目的是研究通用變頻器，所以主要是交 直 交變頻器。交 交變頻器可將工頻交流直接變換成頻率、電壓均可控的交流，又稱(chēng)為直接式變頻器。 4. 三相 PWM 技術(shù)及變頻調(diào)速的仿真研究。 2. 變頻器控制系統(tǒng)的控制策略及功能實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)自行開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)品能力弱，對(duì)國(guó)外公司的依賴(lài)很?chē)?yán)重。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 國(guó)外由于技術(shù)起步早，并具有相當(dāng)大的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，各大品牌的變頻器生產(chǎn)商，均形成了系列化產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。前者要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問(wèn)題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題，后者要解決硬、軟件開(kāi)發(fā)問(wèn)題。知道 70年以來(lái)，隨著新型自關(guān)斷器件、智能功率模塊的出現(xiàn)，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，新的控制策略的不斷涌現(xiàn)，交流調(diào)速以顯著的調(diào)速性能正在逐步取代直流調(diào)速的地位，已經(jīng)成為電氣傳 動(dòng)領(lǐng)域發(fā)展的主流方向。而且，過(guò)去的電動(dòng)機(jī)主要以提供動(dòng)力為目的，進(jìn)行簡(jiǎn)單的啟?？刂?，隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展對(duì)其位置、轉(zhuǎn)矩、速度等參數(shù)進(jìn)行精確控制，使被驅(qū)動(dòng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)符合預(yù)想的要求。 20 世紀(jì) 60 年代以前，直流調(diào)速一直以控制能力強(qiáng)、可靠性高、噪聲低、控制電路簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)良的性能在傳動(dòng)領(lǐng)域中占據(jù)著主導(dǎo)地位 [4]。然而，這種控 制依賴(lài)于精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型和對(duì)電機(jī)參數(shù)的自動(dòng)識(shí)別，通過(guò)自動(dòng)識(shí)別運(yùn)行自動(dòng)確立電機(jī)實(shí)際的定子阻抗互感、飽和因素、電動(dòng)機(jī)慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)精確的電動(dòng)機(jī)模型估算出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈和轉(zhuǎn)子速度，并由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的 Band－ Band 控制產(chǎn)生 PWM 信號(hào)對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過(guò)控制電流、磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來(lái)控制。此外．它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配備轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這顯然給許多應(yīng)用場(chǎng)合帶來(lái)不便。矢量控制的基本點(diǎn)是控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。然而，哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 在上述四種方法中，由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒(méi)有得到根本性的改善。 3. 基于電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，用直流電流信號(hào)重建相電流 ,由此估算出磁鏈幅值，并通過(guò)反饋控制來(lái)消除低速時(shí)定子電阻對(duì)性能的影響。該方法以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的。對(duì)變頻器 V /f 控制系統(tǒng)的改造主要經(jīng)歷了三個(gè)階段 [3]。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 早期通用變頻器如東芝 TOSVERT－ 130 系列、 FUJIFVRG5／ P5 系列、SANKEN、 SVF 系列等大多數(shù)為開(kāi)環(huán)恒壓比（ V /f =常數(shù)）的控制方式．其優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，缺點(diǎn)是系統(tǒng)性能不高，比較適合應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)速場(chǎng)合。采用優(yōu)化的控制算法，可以保證電壓利用率，減少諧波成分及開(kāi)關(guān)損耗，提高電能利用率，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的要求。采用以 DSP 為核心的數(shù)字控