【正文】 DV11V12AohAo1GND12/15V5V輸入PWM故障輸出主板電源D A 8 4 1 H D4214214214211 5 — 1 8 VJ 1 0 1J 1 2J 4 2J 2 2J 3 2J 11 0 0 K1 0 0 K1 0 0 K1 0 0 K圖 10 應(yīng)用連接圖 17 控制回路設(shè)計(jì) 控制電路 控制電路由 DSP 控制板及其外圍電路組成，主要完成信號(hào)檢測(cè)、控制算法實(shí)現(xiàn)、逆變器 PWM 波形輸出等功能。軟關(guān)斷開(kāi)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。因?yàn)楦鞣N尖峰干擾的存在，為避免頻繁的保護(hù)影響開(kāi)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(kāi)始軟關(guān)斷。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。通過(guò) DC/DC 輔助開(kāi)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。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。 驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖 9所示。 0t 1t 2t3t0t 1t2t 3tGEU GEUciCEU CEUci圖 8 IGBT 等效電路及開(kāi)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。 本系統(tǒng)是中、小型系統(tǒng)采用 IGBT 作為逆變?cè)?件。其驅(qū)動(dòng)電路也都已模塊化 [15]。而且開(kāi)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。主要優(yōu)點(diǎn)是擊穿電壓和集電極飽和電流也較大。 （ 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。此外，控制電路所需的驅(qū)動(dòng)功率極小。 （ 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(kāi)關(guān)頻率較高，最高答 20KHz 以上。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。 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。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。 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。 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。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。 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]。所有控制算法的實(shí)現(xiàn)和實(shí)用化均不能離開(kāi)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)。利用電壓逆變器的開(kāi)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]。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 。 BCSS、 表示法與 AS 相似。 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。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)。 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。 011220srsrd i d Lu R i L id t dLLTTrT n i i n ie p pL?????? ? ? ???????? ????? ????? ?? ??? ?????? 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。 3．運(yùn)動(dòng)方程 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為： JdTTeL n dtp??? 210 式中， eT 為電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩； LT 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩； J 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；pn 為電機(jī)極對(duì)數(shù)。這就是異步電機(jī)控制非線性的根源所在。 系數(shù)矩陣 L中 LLss rr、 為對(duì)稱常數(shù)矩陣；但是 LLsr rs、 之間的關(guān)系為： LLsr rs、 是三角函數(shù)矩陣，比較復(fù)雜，但是 Lsr 和 Lrs 互為轉(zhuǎn)置關(guān)系，這是值得利用的特點(diǎn)。sr。所以定子繞組之間的互感為： 1121c o s 32A B B A B C C B C A A C m mL L L L L L L L?? ? ? ? ? ? ? ? ? 25 同理三相轉(zhuǎn)子繞組之間互感為： a b b a b c c b c a a c 2 221= = = = = = c o s 32mmL L L L L L L L?? ? ? 26 定 子和轉(zhuǎn)子繞組之間互感由于定轉(zhuǎn)子繞組之間的夾角 ? 是變化的，所以該互感參 6 數(shù)是角位移 ? 的函數(shù)。由于定轉(zhuǎn)子折算 后 繞 組 匝 數(shù) 相 等 ， 認(rèn) 為 m1= 2mLL，則：定子三相繞組的自感A A 1 1L L L L LB B C C m? ? ? ?；轉(zhuǎn)子三相繞組的自感 a a 2 2bb cc mL L L L L? ? ? ?；（ 2）非對(duì)角線元素為定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組之間的互感和定轉(zhuǎn)子繞組之間的互感。 磁鏈方程 每個(gè)繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満团c六個(gè)繞組的磁鏈方程可以矩陣表達(dá) 式為： =L L L L L iA B A C A a A b A cAAL L L L L L iB B A B B B C B a B b B c BiL L L L L LCCC A C B C C C a C b C ciL L L L L LaaaA aB aC aa ab aciL L L L L LbbbA bB bC ba bb bciL L L L L Lccc A c B c C c a c b c c????????? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ???? ? ?? ? ?? ? ???? ? ?? ? ? ???LAA????? 24 向量表示 為： Li?? 上式中 L 是 6 6電感矩陣，現(xiàn)對(duì)矩陣元素分析如下： 對(duì)角線元素 A A B B CC a a b b c cL L L L L L、 、 、 、 、為各繞組的自感；與電機(jī)繞組相交鏈的磁通有兩類：一類是只與某一相繞組交鏈而不穿過(guò)氣隙的漏磁通；另一類是穿過(guò)氣隙的主磁通。 、渦流及鐵芯損耗均忽略不計(jì)。 定轉(zhuǎn)子三相繞組在結(jié)構(gòu)上完全對(duì)稱，在空間上互差 120 度，不計(jì)邊緣效應(yīng)。 在異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，一般采用的數(shù)學(xué)模型都是基于理想的電機(jī)模型。其原因有：第一，異步電動(dòng)機(jī)定子有三個(gè)繞組，轉(zhuǎn)子也可等效為三個(gè)繞組，每個(gè)繞組產(chǎn)生磁通時(shí)都有自己的電磁慣性，再加上機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)電慣性，即使不考慮變頻裝置中的滯后因素，它至少也是一個(gè)七階的系統(tǒng)；第二，在異步電動(dòng)機(jī)中，磁通乘以電流 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速乘以磁通得到旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 2 異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型和電壓空間矢量 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和直流電動(dòng)機(jī)相比有著根本的的區(qū)別。智能控制被認(rèn)為是自動(dòng)控制理論、運(yùn)籌學(xué)、人工智能理論的綜合，是主要根據(jù)人工智能理論更加精確的模擬電機(jī)的非線性性，以此確定智能控制輸出模型的輸出量大小，進(jìn)而確定功率控制器開(kāi) 關(guān)模式。 (4) 智能控制 在經(jīng)典和各種近代的控制理論基礎(chǔ)之上提出的控制策略都有一個(gè)共同點(diǎn)即控制算法都依賴于電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，但當(dāng)模型受到參數(shù)變化和擾動(dòng)作用影響時(shí)，如何進(jìn)行有效的控制，使系統(tǒng)仍能保持優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能，便是人們需要研究的一個(gè)大課題。 直接轉(zhuǎn)矩控制的特征是控制定子磁鏈，是直接在定子靜止坐標(biāo)系下，以空間矢量概念，通過(guò)檢測(cè)到的定子電壓、電流，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩作為直接控制對(duì)象，通過(guò)控制定子磁場(chǎng)向量控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。但其需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算以及速度傳感器的安裝，使得其穩(wěn)定性大大的降低 [5]。矢量控制變頻器可以分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測(cè)和 控制，自動(dòng)改變電壓和頻率，使指令值和檢測(cè)實(shí)際值達(dá)到一致，從而實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速，大大提高了電機(jī)控制靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 (2) 矢量控制 2 矢量控制是當(dāng)前工業(yè)系統(tǒng)變頻系統(tǒng)應(yīng)用的主流，它是通過(guò)分析電機(jī)數(shù)學(xué)模型對(duì)電壓、電流等變量進(jìn)行解藕而實(shí)現(xiàn)的。異步電動(dòng)機(jī)存在轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷力矩變化而變動(dòng) ，即使目前有些變頻器具有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能及轉(zhuǎn)矩提升功能，也難以實(shí)現(xiàn) %的精度，所以采用這種 V/F 控制的通用變頻器異步電機(jī)開(kāi)環(huán)變頻調(diào)速適用于一般要求不高的場(chǎng)合，如風(fēng)機(jī)、水泵等機(jī)械。但是，由于其屬于速度開(kāi)環(huán)控制方式，調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性并不是十分理想。 交流異步電機(jī)的控制策略分類 (1) V/F 控制 當(dāng)前異步電機(jī)調(diào)速總體控制方案中， V/F 控制方式是最早實(shí)現(xiàn)的調(diào)速方式。交流變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起、制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有前途的調(diào)速方式，成為當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以及提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。 voltage vector selection ta