【正文】 熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)雖然已經(jīng)有較多的變頻器生產(chǎn)廠家，但是由于國(guó)產(chǎn)廠家制造變頻器歷史及短，技術(shù)積累的比較少，所以一部分自動(dòng)化行業(yè)對(duì)國(guó)產(chǎn)變頻器缺乏信心。 論文的主要工作本文主要研究如下主要內(nèi)容：1. 闡述了變頻調(diào)速的基本原理。3. 介紹了控制器的硬、軟件結(jié)構(gòu)。第2章 通用變頻器的結(jié)構(gòu)及工作原理 通用變頻器的基本結(jié)構(gòu)變頻器分為交交和交直交兩種形式。而交直交變頻器則是先把工頻交流點(diǎn)通過(guò)整流器變成直流電，然后把直流電變成頻率、電壓均可控的交流電，它又稱(chēng)之為間接式變頻器。這種結(jié)構(gòu)主要包括整流環(huán)節(jié)、中間環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)。變頻器的基本構(gòu)成如21所示，由主電路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制電路組成，分述如下：1. 整流器：電網(wǎng)側(cè)的變流器Ⅰ是整流器，它的作用是把三相（也可以是單相）交流電整流成直流電。最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式是利用六個(gè)半導(dǎo)體主開(kāi)關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路。3. 中間直流環(huán)節(jié)：由于逆變器的負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無(wú)功功率的交換。所以又稱(chēng)中間直流環(huán)節(jié)為中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)控制、對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能等。高性能的變頻器目前已經(jīng)采用模擬控制或數(shù)字控制。由于軟件的靈活性，數(shù)字控制方式常可以完成模擬控制方式難以完成的功能。其顯著的優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，便于四象限運(yùn)行，不需附加任何設(shè)備。 圖22 電流型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 電壓型變頻器 電壓源型變頻器主電路的中間環(huán)節(jié)主要采用大電容進(jìn)行儲(chǔ)能、濾波。由于大電容的平波作用，主電路的直流電壓比較平穩(wěn)。而對(duì)于負(fù)載而言，電壓型變頻器相當(dāng)于一個(gè)電壓源，電壓控制相應(yīng)慢，可以同時(shí)帶多臺(tái)電機(jī)運(yùn)行。圖23 電壓型逆變器拓?fù)渚蛪?通用變頻器工作原理異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，既旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為： (21)式中，n—同步轉(zhuǎn)速（r/min）；f—定子頻率（Hz）；p—磁極對(duì)數(shù)。改變一步電動(dòng)機(jī)的供電頻率，可以改變其同步轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行。磁通太弱，貼心利用不充分，同樣的轉(zhuǎn)子電流下，電磁轉(zhuǎn)矩小，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力下降；磁通太強(qiáng)，則處于過(guò)勵(lì)磁狀態(tài)，使勵(lì)磁電流過(guò)大，這就限制了定子電流的負(fù)載分量，為使電動(dòng)機(jī)不過(guò)熱，負(fù)載能力也要下降。由電機(jī)理論知道，三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值為 = (22)式中—定子每相由氣隙磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)的方均根值(V)；—定子頻率(Hz)； —定子相繞組有效匝數(shù)； —每極磁通量(Wb)。下面分兩種情況說(shuō)明：1. 基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速這是考慮從基頻（電動(dòng)機(jī)額定頻率）向下調(diào)速的情況。這種控制又稱(chēng)之為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。圖24 基頻以下變頻調(diào)速機(jī)械特性但是,難于直接檢測(cè)盒直接控制。這就是恒壓頻比控制方式，是近似的恒磁通控制。這種情況下，可以認(rèn)為的適當(dāng)提高定子電壓比補(bǔ)償定子電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。實(shí)際裝置中與的函數(shù)關(guān)系并不簡(jiǎn)單的如曲線2所示。圖25 恒壓頻比控制特性2. 基頻以上的弱磁變頻調(diào)速 這是考慮由基頻開(kāi)始向上調(diào)速的情況。必然會(huì)使主磁通隨著的上升而減小，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速的情況，屬于近似的恒功率調(diào)速方式。圖26 基頻以上變頻調(diào)速機(jī)械特性綜合上述兩種情況，異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的基本控制方式如圖27所示。通用變頻器可適應(yīng)這種異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的基本要求。同時(shí)又闡述了變頻調(diào)速的原理以及不同情況下變頻調(diào)速的機(jī)械特性。變頻器的主要技術(shù)指標(biāo)如下。調(diào)速范圍有兩種表述方式：一是以調(diào)速系統(tǒng)實(shí)際可以達(dá)到的最低轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速之比表示，如1:100等；二是以最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速的比值(D)表示，如D=100等，兩者本質(zhì)相同。2. 調(diào)速精度調(diào)速精度是衡量系統(tǒng)調(diào)速穩(wěn)定性的指標(biāo)。3. 最大輸出頻率變頻器最大輸出頻率是決定調(diào)速范圍與衡量高速性能的指標(biāo)。4. 速度響應(yīng)與頻率響應(yīng)“速度響應(yīng)”是衡量變頻器對(duì)指令的跟隨性能與靈敏度的重要指標(biāo)。“速度響應(yīng)”可以用角速度或頻率值表示?！绊憫?yīng)速度”與“頻率響應(yīng)”的實(shí)質(zhì)相同，兩者可以用1Hz=2(rad/s)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。F2812具有高集成度，從而提供了整套的片上系統(tǒng)，同時(shí)降低了板級(jí)空間及系統(tǒng)成本，實(shí)現(xiàn)了更簡(jiǎn)單、更高效和更經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)。2. 片內(nèi)高達(dá)128K16位的Flash存儲(chǔ)器，1K16位的一次性編程存儲(chǔ)器(OTPROM)、M0和M1兩個(gè)1K16位的存儲(chǔ)器(SARAM)、L0和L1兩個(gè)4K16位的存儲(chǔ)器(SARAM)。4. 內(nèi)置有兩個(gè)8選1多路切換器和雙采樣保持器的12位ADC內(nèi)核，最快轉(zhuǎn)換時(shí)間80ms?？蓪蓚€(gè)獨(dú)立的8通道模塊級(jí)練成一個(gè)通道。6. 包含串行外設(shè)借口(SPI)、兩個(gè)串行通信端口(SCI)即標(biāo)準(zhǔn)的UART、增強(qiáng)的區(qū)域控制網(wǎng)(eCAN)及多通道緩沖串口(McBSP)。其框圖如圖32所示。圖33 交直交拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)先將三相交流電(50Hz)經(jīng)三相不可控整流橋整流成直流電，再經(jīng)電容濾波成平滑直流電，最后經(jīng)三相逆變橋逆變成復(fù)制和頻率都可變的交流電，來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，達(dá)到調(diào)速的目的。本實(shí)驗(yàn)中從輸出端采樣的模擬信號(hào)由于要連入DSP端口，為了使電源輸入和輸出之間進(jìn)行絕緣，同時(shí)也為穩(wěn)定控制回路提供一條信號(hào)通道[5]，:方案一：最常用到的就是利用光耦元件對(duì)所采樣的電壓、電流進(jìn)行采樣。但是,在利用光電耦合器的線性耦合直接對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行隔離傳輸時(shí), 由于光電耦合器內(nèi)部發(fā)光二級(jí)管和光敏三級(jí)管的伏安特性, 使得光電耦合器的“線性區(qū)”實(shí)際上比較小并且存在一定程度的非線性失真。方案二：采用諸如霍爾器件等特殊傳感器,其線性度高，頻率響應(yīng)速度快， 但其價(jià)格較貴。方案三：首先進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換或V/F轉(zhuǎn)換, 再用光耦進(jìn)行隔離的方法, 但處理過(guò)程較為復(fù)雜, 并且如果能夠使用霍爾器件完成對(duì)模擬信號(hào)的隔離, 無(wú)疑是很有意義的。常用的電壓檢測(cè)方法有電阻分壓法，電壓互感器法和霍爾電壓傳感器法。本系統(tǒng)采用具有高度電絕緣(2500V)的霍爾電壓傳感器 HNV025A，HNV025A型是利用磁補(bǔ)償原理的一種霍爾電壓傳感器，能夠測(cè)量直流、交流以及各種波形電壓，同時(shí)在電氣上是高度絕緣的，其原理圖如圖34所示。誤差在177。輸入端分別接母線電容的正負(fù)極。本系統(tǒng)直流電壓為540V，忽略初級(jí)線圈的電阻，選擇阻值為40K，10W的水泥電阻。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。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)。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。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。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。驅(qū)動(dòng)芯片的ITRIP端為流過(guò)檢測(cè)管教，如母線電流過(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。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，(當(dāng)工作頻率大于130MHz時(shí)，），外圍I/，且上電是有先后順序要求的，I/。具體電路如圖37。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。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。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)。而母線電流的大小是判斷力矩大小和一個(gè)最直接的參數(shù)，因此可以通過(guò)檢測(cè)母線電流大小從而判斷力矩大小。功率驅(qū)動(dòng)芯片IR2233J的電路檢測(cè)管腳ITRIP就是通過(guò)圖中的R4R43分壓而來(lái)的。圖310母線電流和轉(zhuǎn)矩檢測(cè)電路 軟件結(jié)構(gòu)軟件主程序流程如圖311所示，由初始化程序、主程序、PWM中斷、T0中斷服務(wù)子程序組成。在變頻器未運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)設(shè)置參數(shù)，這些參數(shù)可以被存儲(chǔ)在PROM上，待斷電下次起動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)在初始化中自動(dòng)讀入上次用戶(hù)設(shè)定的參數(shù)。本文涉及的系統(tǒng)主要有過(guò)呀故障過(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。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。開(kāi)始初始化系統(tǒng)配置寄存器初始化外設(shè)初始化參數(shù)啟動(dòng)上強(qiáng)電開(kāi)中斷進(jìn)入程序圖311 主程序流程中斷入口保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)封鎖PWM信號(hào)判斷故障類(lèi)型設(shè)置故障標(biāo)志恢復(fù)保護(hù)退出中斷圖312 中斷服務(wù)程序 本章小結(jié)本章主要介紹變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)，對(duì)硬件系統(tǒng)的各部分的電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析。第4章 通用變頻器控制算法研究變頻調(diào)速的主要工作原理是借助于控制技術(shù)、電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，使系統(tǒng)獲得需要的電壓、電流和頻率。在磁通恒定時(shí)，不同頻率異步電機(jī)的機(jī)械特性硬度變化很小，所以在調(diào)速時(shí)氣隙磁通保持為恒定值至關(guān)重要。定子頻率控制是異步電機(jī)獲得平穩(wěn)調(diào)速的關(guān)鍵。由于恒壓頻比控制方式在前面已經(jīng)作了詳細(xì)介紹，這里不在贅述。該方式往往包含電流控制環(huán)節(jié)，由于轉(zhuǎn)差頻率和電流共同被控制，因而穩(wěn)定性較好，能承受急劇的加減速和負(fù)載波動(dòng)，并因采用了速度反饋環(huán)節(jié)，大大提高了轉(zhuǎn)速控制精度。從頻率指令和定子端電壓指令后，其線路結(jié)構(gòu)和恒壓頻比控制方式相同。其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)差頻率變化能反映負(fù)荷變化，能適應(yīng)于系統(tǒng)急劇加速時(shí)及負(fù)載變化大的情況，大大提高了加速控制精度，但其機(jī)械特性同恒壓頻比控制方式一樣都是非線性的，因而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩受到限制。它以三相對(duì)稱(chēng)正弦電壓供電時(shí)電機(jī)的理想圓形磁通軌跡為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)磁通圓，并由它們比較的結(jié)果決定逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，形成PWM波形。逆變器輸出的開(kāi)關(guān)電壓矢量為 (41)式中， 、 、 分別是逆變器三相橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。PWM調(diào)制的基本原理是用若干個(gè)開(kāi)關(guān)電壓矢量去逼近給定的參考空間電壓矢量 [14]。不失一般性，假設(shè)Vref處于扇區(qū)Ⅲ，則Vref可以由V4和V6合成。又因?yàn)镻WM中斷周期TS很小，認(rèn)為在一個(gè)周期內(nèi)Vref是不變的。把用矢量表示的式(45)分解到α?β坐標(biāo)軸上，如圖42所示，寫(xiě)成標(biāo)量形式：圖42 矢量分解 (46)式中由上式解得兩個(gè)矢量的作用時(shí)間： (47)然后計(jì)算零矢量的作用時(shí)間:1. 若+，則=2. 若+，則要采用過(guò)調(diào)制的方法。仿照上述的計(jì)算方法，同理可推得Vref處于其它扇區(qū)時(shí)的開(kāi)關(guān)矢量作用時(shí)間。在本論文中，是通過(guò)給定角度來(lái)確定空間電壓矢量的。為了提高代碼的效率，論文采用了TI公司提供的QMATH數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)，該數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)為定點(diǎn)數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)，它包括所有的三角函數(shù)、求平方根函數(shù)、除法等用C代碼實(shí)現(xiàn)效率比較低的函數(shù)。以正弦函數(shù)為例，它的輸入數(shù)據(jù)為Q15，任何?π和π之間的數(shù)可以表示為，數(shù)據(jù)被放大了近10430倍，因此精度大大的提高。 直接轉(zhuǎn)矩控制由于矢量控制對(duì)電機(jī)參數(shù)變化的依賴(lài)性較大，特別當(dāng)電機(jī)參數(shù)變化較大時(shí)，難以保證動(dòng)態(tài)過(guò)程完全解耦。它以異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量，強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，并不極力追求正弦波。這種直接轉(zhuǎn)矩控制方法不僅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)電機(jī)參數(shù)變化不敏感，而且控制性能比矢量控制還要好，這是目前最先進(jìn)的控制方式。直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，DTC)變頻調(diào)速，是繼矢量控制技術(shù)之后又一新型的高效變頻調(diào)速技術(shù)。1987年，直接轉(zhuǎn)矩控制理論又被推廣到弱磁調(diào)速范圍。它省去了復(fù)雜的矢量變換與電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化處理，沒(méi)有通常的PWM 信號(hào)發(fā)生器。直接轉(zhuǎn)矩控制也具有明顯的缺點(diǎn)即：轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)。因此，無(wú)速度傳感器的研究便成了交流傳動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)重要的研究方向，且取得了一定的成果。有的學(xué)者從模型參考自適應(yīng)理論出發(fā)，利用轉(zhuǎn)子磁鏈方程構(gòu)造了無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，只要選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)自適應(yīng)律，速度辨識(shí)器就可以比較準(zhǔn)確地辨識(shí)出電機(jī)速度。采用簡(jiǎn)