【正文】 調(diào)節(jié)將會(huì)提高生產(chǎn)效率等，所以變頻調(diào)速將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用 [1]。本文針對(duì)工業(yè)中應(yīng)用最多的異步電機(jī)變頻調(diào)速進(jìn)行研究具有重大意義，主要體現(xiàn)在如下 3 個(gè)方面： 重要性。 。 率的重要性。 綜上所述，對(duì)于異步電機(jī)的變頻調(diào)速的研究符合高性能、高效率、綠色化的要求，具有重大的研究意義 [2]。具體來說，其控制曲線會(huì)隨著負(fù)載的變 化而變化；轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電磁轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降、穩(wěn)定性變差等。 第一階段： 1. 八十年代初日本學(xué)者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量（或稱磁通軌跡法）。 2. 引入頻率補(bǔ)償控制，以消除速度控制的穩(wěn)態(tài)誤差 。 4. 將輸出電壓、電流進(jìn)行閉環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)快速的加減速。 第二階段： 矢量控制，也稱磁場定向控制。但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，以及矢量變換的復(fù)雜性，使得實(shí)際控制效果往往難以達(dá)到理論分析 的效果。 第三階段： 直接轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于：轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息；控制上對(duì)除定子電阻外的所有電機(jī)參數(shù)變化魯棒性良好；所引入的定子磁鏈觀測器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便地實(shí)現(xiàn)無速度傳感器化。這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度、轉(zhuǎn)矩控制精度。但是直流調(diào)速系統(tǒng)需要有換向器，這使得對(duì)直 流電機(jī)的維護(hù)量增大，最高轉(zhuǎn)速、使用環(huán)境以及單機(jī)容量等都受到限制。為尋求運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、便于為何等優(yōu)點(diǎn)的控制技術(shù)， 20 世界 30 年代開始，人們就致力于交流調(diào)速技術(shù)的研究。 交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)弱電混合、機(jī)電一體的綜合性技術(shù)，既要處理巨大的轉(zhuǎn)換（整流、逆變），又要處理信息采集、變換和傳輸，因此他可以分為功率和控制兩大部分?，F(xiàn)在各種高性能變頻器都是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。國內(nèi)雖然已經(jīng)有較多的變頻器生產(chǎn)廠家，但是由于國產(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)。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 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。最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用六個(gè)半導(dǎo)體主開關(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)有無功功率的交換。所以又稱中間直流環(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?？梢酝瓿赡M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。 整 流 逆 變 圖 22 電流型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 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。 整 流 逆 變 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)，則處于過勵(lì)磁狀態(tài)，使勵(lì)磁電流過大，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)勢的有效值為 = (22) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 式中 —定子每相由氣隙磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢的方均根值 (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。這種控制又稱之為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。 nOTefs Nf2f4f3fs N f2 f3 f4n2n3n4ns N 圖 24 基頻以下變頻調(diào)速機(jī)械特性 但是 ,難于直接檢測盒直接控制。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)系并不簡單的如曲線 2 所示。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 U1/ Vf1/ H z轉(zhuǎn) 矩 補(bǔ) 償12 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。 nOTefs Nf2f4f3f4 f3 f2 fs N恒 功 率恒 轉(zhuǎn) 矩 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。 “響應(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]，所以需要采用隔離器對(duì)采樣控制電路和主電路進(jìn)行隔離 .以下簡單分析一下常用的一些隔離電路的方案 : 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 , 無疑是很有意義的。常用的電壓檢測方法有電阻分壓法，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)直哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 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。 如圖 34 HNV025A外接電路 輸出調(diào)理電路如圖 35 所示。 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。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)，哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 對(duì)應(yīng)輸出為高電平。 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。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。電 容 C20 為高端輸出的供電電源的自舉電容。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。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)。 圖 37 供電電路 檢測和保護(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^熱、過載等問題而失控，造成經(jīng)濟(jì)損失。 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)光二極管就能通過閃爍或者亮暗來進(jìn)行指示。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)到檢測目的。 圖 39 IGBT 溫度檢測電路 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 母線電流和轉(zhuǎn)矩檢測電路 一旦母線電流過高，就有可能造成 IGBT 的永久性損壞，所以過流檢測盒和快速保護(hù)電路是必須的。 圖 310 中在母線負(fù)載端串接了一個(gè)阻值為 的大功率水泥電阻來采樣母線電流，圖中的 DC 為 IGBT 下橋臂與地之間的采樣電壓。 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)，控制器通過檢測信號(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)。 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)。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 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，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。具體中斷服務(wù)程序看流程圖 312 所示 。本文涉及的系統(tǒng)主要故障有過流故障、 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。最后完成系統(tǒng)硬件電路的搭建及軟件設(shè)計(jì)。各類變頻器輸出一般為可變電壓、可變頻率的形式。磁通太弱，鐵芯不能充分利用，造成