基于穩(wěn)態(tài)模型的恒壓頻比控制的交流調(diào)速系統(tǒng)的仿真與設(shè)計(jì)

***********信息與電氣工程學(xué)院《課程設(shè)計(jì)報(bào)告》題目：基于穩(wěn)態(tài)模型的恒壓頻比控制的交流調(diào)速系統(tǒng)的仿真與設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：姓名：-學(xué)號(hào)：-指導(dǎo)教師：-2015年6月26日信息與電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)2014—2015學(xué)年第2學(xué)期專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：學(xué)號(hào):姓名：課程設(shè)計(jì)名稱(chēng)：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：基于穩(wěn)態(tài)模型的恒壓頻比控制的交流調(diào)速系統(tǒng)的仿真與設(shè)計(jì)完成期限：自2015年6月15日至2015年6月26日共2周設(shè)計(jì)依據(jù)、要求及主要內(nèi)容：交流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)（選擇設(shè)計(jì)任務(wù)中第一組設(shè)計(jì)參數(shù)）（1）交流電動(dòng)機(jī)參數(shù)：額定輸出電壓7.5KW定子繞組額定線(xiàn)電壓380V定子繞組額定相電流12A定子繞組每相電阻0.5Ω定子繞組接線(xiàn)形式Y(jié)轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速980rmp轉(zhuǎn)子形式：鼠籠式轉(zhuǎn)子每相折算電阻：3Ω轉(zhuǎn)自折算后額定電流30A額定功率因素：0.75電機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù):2S電樞允許過(guò)載系數(shù)1.5（2）環(huán)境條件：電網(wǎng)額定電壓:380/220V;電網(wǎng)電壓波動(dòng)10%;環(huán)境溫度:-40~+40攝氏度;環(huán)境相對(duì)濕度:10~90%.（3）控制系統(tǒng)性能指標(biāo)：調(diào)速范圍：D＝20；

電流超調(diào)量小于等于5%;

空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于等于30%;

穩(wěn)速精度：0.03.（基于穩(wěn)態(tài)模型的系統(tǒng)穩(wěn)速精度為０.１）指導(dǎo)教師（簽字）：批準(zhǔn)日期：2015年6月26日第一章、概論變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展交流變頻調(diào)速技術(shù)相對(duì)于變壓調(diào)速等其它方法有著明顯的優(yōu)點(diǎn):①調(diào)速時(shí)平滑性好，效率高;②調(diào)速范圍較大，精度高;③起動(dòng)電流低，對(duì)系統(tǒng)及電網(wǎng)無(wú)沖擊，節(jié)電效果明顯;④變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡(jiǎn)便;⑤易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化等優(yōu)異特性，在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)是電力電子變頻技術(shù)由誕生到發(fā)展的一個(gè)全盛時(shí)期。最初的交流變頻調(diào)速理論誕生于20世紀(jì)20年代，直到60年代，由于電力電子器件的發(fā)展，才促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)向?qū)嵱梅较虻陌l(fā)展。70年代，席卷工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的石油危機(jī)，促使他們投入大量的人力、物力、財(cái)力去研究高效率的變頻器，使變頻調(diào)速技術(shù)有了很大的發(fā)展并得到推廣應(yīng)用。80年代，變頻調(diào)速己產(chǎn)品化，性能也不斷提高，充分發(fā)揮了交流調(diào)速的優(yōu)越性，廣泛的應(yīng)用于工業(yè)各部門(mén)，并且部分取代了直流調(diào)速。進(jìn)入90年代，由于新型電力電子器件的發(fā)展及性能的提高、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及先進(jìn)控制理論和技術(shù)的完善和發(fā)展等原因，極大地提高了變頻調(diào)速的技術(shù)性能，促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，使變頻調(diào)速裝置在調(diào)速范圍、驅(qū)動(dòng)能力、調(diào)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、輸出性能、功率因數(shù)、運(yùn)行效率及使用的方便性等方面大大超過(guò)了其他常規(guī)交流調(diào)速方式，其性能指標(biāo)亦已超過(guò)了直流調(diào)速系統(tǒng)，達(dá)到取代直流調(diào)速系統(tǒng)的地步。目前，交流變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果以及在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的廣泛適用性，而被公認(rèn)為是一種最有前途的交流調(diào)速方式，代表了電氣傳動(dòng)發(fā)展的主流方向。變頻調(diào)速技術(shù)為節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量提供了至關(guān)重要的手段。變頻調(diào)速理論己形成較為完整的科學(xué)體系，成為一門(mén)相對(duì)獨(dú)立的學(xué)科。變頻裝置按變換環(huán)節(jié)分有交一直一交系統(tǒng)和交一交系統(tǒng)兩大類(lèi)，交一直一交系統(tǒng)又分為電壓型和電流型，其中，電壓型變頻器在工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛;按電壓的調(diào)制方式分為脈幅調(diào)制PAM(PulseAltitudeModulation)和脈寬調(diào)制PWM(PulseWidthModulation)兩大類(lèi)，前者己幾近絕跡，目前普遍采用的是后者。變頻調(diào)速系統(tǒng)的方案目前典型的變頻調(diào)速控制類(lèi)型主要有四種:①恒壓頻比(v均控制，②轉(zhuǎn)差頻率控制，③矢量控制，④直接轉(zhuǎn)矩控制。下面分別對(duì)這四種調(diào)速控制類(lèi)型進(jìn)行介紹。早期的變頻系統(tǒng)都是采用開(kāi)環(huán)恒壓比的控制方式，U/f控制是轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制,無(wú)需速度傳感器，控制電路簡(jiǎn)單，負(fù)載可以是通用標(biāo)準(zhǔn)異步電動(dòng)機(jī)，所以通用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式，普遍應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)的調(diào)速系統(tǒng)中。但是由于這種控制方法是開(kāi)環(huán)控制，調(diào)速精度不高，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。異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制是一種轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。利用異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率成正比的關(guān)系來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，就可以達(dá)到與直流恒磁通調(diào)速系統(tǒng)相似的性能。它的優(yōu)點(diǎn)在于頻率控制環(huán)節(jié)的輸入頻率信號(hào)是由轉(zhuǎn)差信號(hào)和實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)相加后得到的，在轉(zhuǎn)速變化過(guò)程中，實(shí)際頻率隨著實(shí)際轉(zhuǎn)速同步上升或下降，因此加、減速更平滑，容易穩(wěn)定。其缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律是從異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式推得的，所以存在動(dòng)態(tài)時(shí)磁通的變化不能得到控制、電流相位沒(méi)有得到控制等差距，使其不能達(dá)到與直流恒磁通調(diào)速系統(tǒng)同樣的性能。本世紀(jì)70年代西德F.Blaschke等人首先提出矢量控制(FOC)理論，由此開(kāi)創(chuàng)了交流電動(dòng)機(jī)等效直流電動(dòng)機(jī)控制的先河1習(xí)。矢量控制也稱(chēng)為磁場(chǎng)定向控制，它著眼于電機(jī)磁場(chǎng)的直接控制。其主要思想是將異步電動(dòng)機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)，通過(guò)坐標(biāo)變換的方法分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，實(shí)現(xiàn)正交或解禍控制，從而獲得與直流電動(dòng)機(jī)一樣良好的動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。因?yàn)檫@種方法采用了坐標(biāo)變換，所以對(duì)控制器的運(yùn)算速度、處理能力等性能要求較高。但在實(shí)際上矢量控制運(yùn)算及轉(zhuǎn)子磁鏈估計(jì)中要使用電動(dòng)機(jī)參數(shù)，其控制的精確性受到參數(shù)變化的影響，所以精確的矢量控制系統(tǒng)要對(duì)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。這種控制方式需要解禍計(jì)算和坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，計(jì)算量較大，實(shí)現(xiàn)起來(lái)困難。在矢量控制系統(tǒng)中，給定量要從直流變?yōu)榻涣鳎答伭恳獜慕涣髯優(yōu)橹绷髟偌由限D(zhuǎn)子磁鏈模型、轉(zhuǎn)子參數(shù)的辨識(shí)與校正等;因此電機(jī)的速度辨識(shí)及磁鏈觀測(cè)器的實(shí)現(xiàn)是矢量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在。1985年德國(guó)魯爾大學(xué)DePenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論(DTC)。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，DTC摒棄了解禍的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)單的通過(guò)檢測(cè)電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得的差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系計(jì)算與控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場(chǎng)定向，借助離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器產(chǎn)生脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開(kāi)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。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于:直接在定子坐標(biāo)系上分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換和計(jì)算。大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問(wèn)題。但是由于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是直接進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的砰一砰控制，避開(kāi)了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，降低調(diào)速性能，因此只能用在對(duì)調(diào)速要求不高的場(chǎng)合。同時(shí)，直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的控制也較復(fù)雜，造價(jià)較高。本論文的研究?jī)?nèi)容本文在掌握交流電機(jī)變頻調(diào)速基本原理的基礎(chǔ)上，對(duì)該轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)恒壓頻比的交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行基于MATLAB的仿真，采用電機(jī)控制專(zhuān)用DSP芯片TMS320F2812，運(yùn)用恒壓頻比調(diào)速的基本原理，提出了交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)目的應(yīng)用所學(xué)的交、直流調(diào)速系統(tǒng)的基本知識(shí)與工程設(shè)計(jì)方法，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)與實(shí)現(xiàn)方案，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)。應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，通過(guò)在MATLAB軟件上建立運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行性能仿真研究，掌握系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。在原理設(shè)計(jì)與仿真研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用PROTEL進(jìn)行控制系統(tǒng)的印制板的設(shè)計(jì)，為畢業(yè)設(shè)計(jì)的綜合運(yùn)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。第二章、恒壓頻比交流調(diào)速原理原理概述變頻調(diào)速系統(tǒng)一般要求在變頻時(shí)保持電機(jī)氣隙磁通不變，這樣可在允許的電流下獲得最大的轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)具有良好的調(diào)速性能。交流電機(jī)每相定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為式中，是由電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)決定的常數(shù)。從式中可見(jiàn)，在改變頻率時(shí)要保持氣隙磁通不變，就需要同時(shí)改變，使隨變化并保持為固定的常數(shù)。因?yàn)椴荒苤苯訖z測(cè)和控制，在忽略定子繞組電阻時(shí)近似等于電動(dòng)機(jī)端電壓。而和都可以方便地通過(guò)變頻器控制，因此僅要求穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)常采用常數(shù)的控制，也稱(chēng)為VVVF控制或恒壓頻比控制。圖2.1恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由升降速時(shí)間設(shè)定G1，U/f曲線(xiàn)，SPWM調(diào)制和驅(qū)動(dòng)等環(huán)節(jié)組成。正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制理論我們期望變頻器輸出的電壓波形是純粹的正弦波形，但就目前的技術(shù)，還不能制造功率大、體積小、輸出波形如同正弦波發(fā)生器那樣標(biāo)準(zhǔn)的可變頻變壓的逆變器。目前很容易實(shí)現(xiàn)的一種方法是：逆變器的輸出波形是一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，這些波形與正弦波等效，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。如果把一個(gè)正弦半波分作n等分，然后把每一等分的正弦曲線(xiàn)與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的矩形脈沖來(lái)代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)相重合。這樣，有n個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半周等效，稱(chēng)為SPWM波形。SPWM波形如圖2.1所示：產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制波SPWM的原理是：用一組等腰三角形波與一個(gè)正弦波進(jìn)行比較，如圖2.2所示，其相交的時(shí)刻(即交點(diǎn))作為開(kāi)關(guān)管“開(kāi)”或“關(guān)”的時(shí)刻。正弦波大于三角波時(shí)，使相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)正弦波小于三角載波時(shí)，使相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件截止。圖2.2與正弦波等效的等幅脈沖序列波圖2.3SPWM控制的基本原理圖第三章、MATLAB仿真部分3.1、電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算額定轉(zhuǎn)差率：臨界轉(zhuǎn)差率：額定相電壓與額定轉(zhuǎn)子折算相電流之間相位差角正切為額定理想空載電流的標(biāo)幺值為：定子與轉(zhuǎn)子的電壓變比為：修正系數(shù)為:電動(dòng)機(jī)的短路漏抗為：定子的每項(xiàng)電阻為：折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電組為：定子每相漏抗和折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏抗為：因此：折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電動(dòng)機(jī)每相漏抗和每相電阻為：3.2、逆變器傳遞函數(shù)其中，（、為電機(jī)定子每相電阻、折算到定子側(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)子每相電阻；\為電機(jī)定子每相漏感、折算到定子側(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)子每相漏感）參數(shù)相關(guān)計(jì)算如下：電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩N.m定子電抗=2.88L即==9.2mh平波電抗器電感mh（對(duì)于三相全控電路=0.693=5%）已知=0.5=3綜合以上數(shù)據(jù)求得==0.14==0.053從而逆變器傳遞函數(shù)=3.3、恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)模型圖3.1恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型LooKupTable模塊：模型中函數(shù)發(fā)生器LooKupTable用于產(chǎn)生與頻率f相應(yīng)的電壓信號(hào)u，函數(shù)表達(dá)式為式中，為電機(jī)額定電壓；為起動(dòng)時(shí)的補(bǔ)償電壓；為電機(jī)額定頻率。圖3.2U/f曲線(xiàn)函數(shù)模塊,,經(jīng)匯總的變量輸入三個(gè)函數(shù)模塊產(chǎn)生三相調(diào)制信號(hào),,再經(jīng)PWMGenerator模塊產(chǎn)生逆變器的驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)逆變器得到三相可調(diào)電壓，控制電機(jī)的起動(dòng)和運(yùn)行。逆變橋電源部分原設(shè)計(jì)采用三相不控整流提供系統(tǒng)主電路電源，采用大電容串并聯(lián)濾波，得到整流電壓Ud為簡(jiǎn)化仿真電路，減小軟件計(jì)算量，直接用514V直流電源代替三相不控整流加濾波的部分。3.4、系統(tǒng)仿真波形在給定頻率50Hz、電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)的情況下，仿真結(jié)果如下圖所示。圖3.3分別為系統(tǒng)逆變出來(lái)的三相電流、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的波形圖3.4逆變橋觸發(fā)脈沖圖3.5三相調(diào)制波3.5、仿真分析從以上三幅輸出波形圖結(jié)果可以看出，系統(tǒng)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，輸出波形十分接近于理論波形。從圖中可以看到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本按曲線(xiàn)的設(shè)定上升，但是起動(dòng)中轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)很大。從逆變器輸出電流的波形中可以看到，輸出電流的頻率變化呈現(xiàn)出不規(guī)則。在頻率變化的邊界上，正弦調(diào)制信號(hào)和轉(zhuǎn)速都發(fā)生了畸變，這是因?yàn)轭l率變化的時(shí)刻不一定是發(fā)生在調(diào)制信號(hào)一個(gè)完整周期的末尾，在調(diào)制正弦信號(hào)一周期尚未結(jié)束時(shí)，頻率發(fā)生了變化就可能使下一周期信號(hào)的前半周期變寬或變窄，使相應(yīng)的一周期頻率減小或增加。進(jìn)一步比較頻率變化時(shí)刻的三相電壓波形，這時(shí)的三相電壓的相序也可能異常，出現(xiàn)瞬時(shí)的負(fù)相序，電動(dòng)機(jī)也產(chǎn)生了負(fù)的轉(zhuǎn)矩，從而使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速發(fā)生急劇波動(dòng)。延長(zhǎng)起動(dòng)時(shí)間，波動(dòng)的情況可以減小，但是波動(dòng)還是存在的。第四章、硬件設(shè)計(jì)4.1、變頻調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以TI公司的TMS320F2812為控制核心，其總體設(shè)計(jì)圖如圖4.1MM限流起動(dòng)電壓檢測(cè)IPM故障保護(hù)泵升控制過(guò)欠壓保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路光電耦合頻率輸入中央處理器故障保護(hù)PWMIO接口IO接口圖4.1整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)其中主電路部分由整流電路、濾波電路、逆變電路(和IPM驅(qū)動(dòng)電路與吸收電路組成。幾其工作原理是把單相交流電壓通過(guò)不可控整流模塊變?yōu)橹绷麟妷?，整流后的脈動(dòng)電壓再經(jīng)過(guò)大電容濾波后成為穩(wěn)定的基于DSP的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直流電壓。IPM逆變電路對(duì)該直流電壓進(jìn)行斬波，形成電壓和頻率均可調(diào)的三相交流電，提供給電機(jī)。系統(tǒng)保護(hù)電路包括過(guò)壓、欠壓保護(hù)、限流啟動(dòng)、IPM故障保護(hù)與泵升控制等。過(guò)壓，欠壓保護(hù)是利用電阻分壓采集母線(xiàn)電壓，與規(guī)定值相比較;限流啟動(dòng)是由于開(kāi)啟主回路時(shí)，大電容充電瞬間引起的電流過(guò)大，這樣可能會(huì)損壞整流橋，因此在主回路上串聯(lián)限流電阻R1，當(dāng)電容電壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)，啟動(dòng)繼電器把R1短路，主回路進(jìn)入正常工作狀態(tài);IPM故障保護(hù)是IPM內(nèi)部集成的各種保護(hù)功能，包括過(guò)電流保護(hù)功能、短路保護(hù)功能、控制電源欠電壓保護(hù)和管殼及管芯溫度過(guò)熱保護(hù)。把上述各種故障信號(hào)進(jìn)行綜合處理后形成總的故障信號(hào)送入DSP(TMS320F2812)的PDPINTA故障中斷入口，進(jìn)而封鎖DSP的PWM波輸出。控制電路包括DSP最小系統(tǒng)電路、頻率輸入電路、光耦隔離電路等。最小系統(tǒng)由DSP本身和外擴(kuò)的數(shù)據(jù)SRAM,程序SRAM、復(fù)位電路、晶振、譯碼電路、電源轉(zhuǎn)換電路和仿真接口JTAG電路組成，仿真接口JTAG電路是為了實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)仿真，同時(shí)在調(diào)試過(guò)程裝載數(shù)據(jù)代碼和程序代碼;頻率輸入電路可以設(shè)置系統(tǒng)要輸出的SPWM波的頻率;光耦隔離電路是為了把DSP輸出的弱電信號(hào)和主電路的強(qiáng)電信號(hào)進(jìn)行可靠隔離。4.2主電路的設(shè)計(jì)主電路原理圖如圖3-2所示，由整流電路、濾波電路、逆變電路(IPM)和IPM的吸收電路組成。主電路采用典型的交一直一交電壓源型通用變頻器結(jié)構(gòu)，輸入功率級(jí)采用單相橋式不可控整流電路RB1，整流輸出經(jīng)中間環(huán)節(jié)大電容濾波，獲得平滑的直流電壓。逆變部分通過(guò)功率器件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出交變的脈沖電壓序列。由于功率器件開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，會(huì)產(chǎn)生電壓尖脈沖，因此需要吸收電路來(lái)消除該尖峰。圖4.2系統(tǒng)主電路4.2.1整流電路整流電路由6個(gè)整流二極管組成三相不可控整流橋，它們將電源的三相交流全波整流成直流。整流二極管的計(jì)算，通過(guò)二極管的峰值電流:(4-1)流過(guò)二極管電流的有效值:(4-2)二極管電流定額:=48一72A(4-3)考慮濾波電容的充電電流影響，要有更大的電流裕量，選用整流二極管的電壓定額:(4-4)選用1000V。根據(jù)上面計(jì)算的電壓和電流以及市場(chǎng)價(jià)格和供貨情況，實(shí)際選用的單相整流橋?yàn)?0A,1000V.4.2.2濾波電路在整流電路中輸出電壓是脈動(dòng)的，另外，在逆變部分產(chǎn)生的脈動(dòng)電流和負(fù)載變化也使得直流電壓產(chǎn)生脈動(dòng)，為了將其中的交流成分盡可能的濾除掉，使之變成平滑的直流電，必須在其后加上一個(gè)低通濾波電路。這里采用常用的電容濾波電路，在整流輸出端并入大電容，整流輸出直流電壓含有很多偶次諧波，頻率越高，電容容抗越小，分流作用越大，諧波被濾除的就越多，輸出電壓的平均值就越大。濾波電容除了濾除整流后的電壓紋波外，還在整流電路與逆變器之間起去耦作用，以消除相互干擾，這就給作為感性負(fù)載的電動(dòng)機(jī)提供必要的無(wú)功功率。因而，中間直流電路電容器的電容量必須較大，起到儲(chǔ)能作用，所以中間直流電路的電容器又稱(chēng)儲(chǔ)能電容器。在沒(méi)有加入濾波電容時(shí)，單相整流橋輸出平均直流電壓為:(4-5)加上濾波電容后，的最高電壓可達(dá)交流線(xiàn)電壓的峰值:(4-6)假設(shè)輸入電壓的波動(dòng)范圍為200V~240V，當(dāng)輸入電壓對(duì)應(yīng)240V的輸入，整流后的電壓為324V。又設(shè)電源功率因數(shù)為0.9，那么每一個(gè)周期，電容吸收的能量為:(4-7)式中為電機(jī)輸出功率，為峰值電壓，為最小交流輸入電壓?？紤]到紋波的需要，最小的交流輸入電壓應(yīng)該在200V以上，所以有:(4-8)濾波電容理論上講越大越好，實(shí)際中考慮價(jià)格我們選擇4個(gè)450伏330uf的電解電容，分別兩個(gè)并聯(lián)后再2個(gè)串聯(lián)，最后等效為一個(gè)耐壓900伏330uf的電容。并聯(lián)在電容兩端的為均衡電阻，由于電容的各個(gè)參數(shù)不是完全相同，此均衡電阻使串聯(lián)的電容分壓相同，同時(shí)在電源關(guān)斷時(shí)，給電容提供一個(gè)放電回路，此電阻阻值選用47。發(fā)光二極管DS1除了表示電源是否接通以外，還有一個(gè)十分重要的功能，即在主電路切斷電源后，顯示濾波電容上的電荷是否已經(jīng)釋放完畢。由于濾波電容的容量較大，而切斷電源又必須在逆變電路停止工作的狀態(tài)下進(jìn)行，如果濾波電容沒(méi)有快速放電的回路，其放電時(shí)間往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)分鐘。又由于濾波電容上的電壓較高，如電荷不放完，將對(duì)人身安全構(gòu)成威脅。4.2.3逆變電路逆變電路的功率開(kāi)關(guān)器件選用的是以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為核心的智能功率模塊(IPM)。IGBT是80年代出現(xiàn)的新一代復(fù)合型電力電子器件，它集合了MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)，適合于高速、低功耗的場(chǎng)合，如電機(jī)控制，開(kāi)關(guān)電源等。IGBT具有耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)頻率高、導(dǎo)通電阻小、控制功率小等特點(diǎn)。而智能功率模塊仁IPM)是將大功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、檢測(cè)電路等集成在同一個(gè)模塊內(nèi)，是電力集成電路PIC的一種。目前的IPM一般采用IGBT作為大功率開(kāi)關(guān)器件。(1)IPM的主要特性采用低飽和壓降，高開(kāi)關(guān)速度，內(nèi)設(shè)低損耗電流傳感器的IGBT功率器件。該電流傳感器是射極分流式采樣，電阻上流過(guò)的電流很小，且與開(kāi)關(guān)流過(guò)的大電流成確定比例關(guān)系，從而可代替一般要外接的電流互感器，如霍爾電流傳感器等檢測(cè)元件。同時(shí)飽合壓降和開(kāi)關(guān)速度之間的關(guān)系達(dá)到最優(yōu)化，具有足夠的安全工作區(qū)，能很好地滿(mǎn)足由控制IC給出的保護(hù)范圍。采用單電源邏輯電壓輸入優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)，實(shí)行RTC(實(shí)時(shí)邏輯柵區(qū))控制模式。以嚴(yán)密的時(shí)序邏輯監(jiān)控保護(hù)，可防止過(guò)電流、短路、過(guò)熱及欠電壓等故障發(fā)生。帶RC信號(hào)干擾抑制和電源干擾抑制。IPM內(nèi)置各種保護(hù)功能。只要有一個(gè)保護(hù)電路起作用，IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路即關(guān)閉，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)故障信號(hào)，可送至DSP進(jìn)行相應(yīng)處理。三相橋臂;內(nèi)含續(xù)流二極管;內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和報(bào)警輸出電路。(2)IPM的選取IGBT正反向峰值電壓為:(4-9)IGBT電壓定額為:(4-10)式中:1.5—安全裕量1.2—考慮大電容濾波后的電感升高系數(shù)IGBT通態(tài)峰值電流為:(4-11)IGBT電流定額為:=1.5x1.2x42.4=76.32A(4-12)式中:1.5—安全裕量1.2—考慮電機(jī)的過(guò)載倍數(shù)故可選用三菱公司75A/1000V的IPM模塊，型號(hào)為PM75RS120E(3)續(xù)流電路續(xù)流二極管的主要功能有:電動(dòng)機(jī)的繞組是電感性的，其電流具有無(wú)功分量。續(xù)流二極管為無(wú)功電流返回直流電源提供“通道”。當(dāng)頻率下降、電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，再生電流將通過(guò)續(xù)流二極管返回直流回路。IGBT(Q1~Q6)進(jìn)行逆變的基本工作過(guò)程:同一橋臂的兩個(gè)逆變管，處于不停的交替導(dǎo)通和截止的狀態(tài)。在這交替導(dǎo)通和截止的換相過(guò)程中，也不時(shí)地需要續(xù)流二極管提供通路。(4)IPM逆變器開(kāi)關(guān)頻率的確定在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，采用SPWM逆變電路可以大大降低逆變電路輸出電壓的諧波，使逆變電路的輸出電流接近正弦波。諧波的減少取決于逆變電路功率元件的開(kāi)關(guān)頻率，而開(kāi)關(guān)頻率則受器件開(kāi)關(guān)時(shí)間的限制。盡管智能功率模塊IPM的開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)10-20kHz，但在確定逆變電路開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，除了應(yīng)使逆變電路輸出接近正弦波，還要考慮器件的開(kāi)關(guān)損耗，以保證變頻調(diào)速系統(tǒng)具有較高的效率。因此，必須全面衡量后再確定采用IPM的逆變電路的開(kāi)關(guān)頻率。本系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率選用10kHz.4.2.4以IPM為功率器件的驅(qū)動(dòng)電路圖4.3IPM輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)及故障返回電路（1）驅(qū)動(dòng)電源當(dāng)控制信號(hào)(柵極驅(qū)動(dòng))與主電流共用一個(gè)電流路徑時(shí)，由于主回路有很高的di/dt，至使在具有寄生電感的功率回路產(chǎn)生感應(yīng)電壓，而導(dǎo)致可能感應(yīng)到柵極把本來(lái)截止的IGBT導(dǎo)通。因此IPM驅(qū)動(dòng)電源需要采用四組隔離電源。上橋臂每相各用一組電源，下橋臂三相共用一組。驅(qū)動(dòng)電源電壓在13.5V-16.5V之間，IPM能夠正常工作。若電源電壓高于16.5V，則IGBT因驅(qū)動(dòng)電源電壓過(guò)高，保護(hù)性能得不到充分的保證，高于20V時(shí)IGBT管的柵極會(huì)損壞，因此絕對(duì)不能加如此高的電壓。若電源電壓低于13.5V,IGBT驅(qū)動(dòng)電源電壓不足，這時(shí)控制信號(hào)為無(wú)效操作。典型的工作電壓一般取15V。(2)控制信號(hào)輸入控制電路電流與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)、見(jiàn)表3-1，因此控制端加一個(gè)上拉電阻。上拉電阻應(yīng)盡可能小以避免高阻抗IPM拾取噪聲，但又要足夠可靠地控制IPM。在PWM信號(hào)輸入端必須用高速光耦進(jìn)行隔離，一般取光耦的開(kāi)關(guān)速度"<0.8S、共模抑制比CMR>。(3)IPM的自保護(hù)功能IPM內(nèi)部集成自保護(hù)功能，共有4路保護(hù)，分別是上橋臂三路保護(hù)UFO,VFOIWFO，下橋臂公用保護(hù)F。每個(gè)保護(hù)都包括過(guò)溫、過(guò)流、欠壓、短路保護(hù)。如果其中有一種保護(hù)電路動(dòng)作，IGBT柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷電流并輸出一個(gè)故障信號(hào)。4.3系統(tǒng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)為了提高系統(tǒng)的可靠性及更好的保護(hù)IGBT管，我們須設(shè)置一套快速而準(zhǔn)確的保護(hù)環(huán)節(jié)以防止各種故障。在此，針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)過(guò)壓、欠壓保護(hù)、限流起動(dòng)、工頻故障保護(hù)等電路。所有的保護(hù)電路的故障信號(hào)輸出相與，所得的信號(hào)送入DSP的PDPINTA中斷口，當(dāng)DSP的PDPINTA管腳接收到低電平信號(hào)，DSP將做出相應(yīng)的中斷處理，立即封鎖PWM輸出及停止運(yùn)行。由于保護(hù)電路屬于系統(tǒng)的弱電控制部分，而故障信號(hào)又是從主電路中取出的，為保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定應(yīng)實(shí)行弱電和強(qiáng)電隔離，即使兩者之間既保持控制信號(hào)聯(lián)系，又要隔絕電氣方面的聯(lián)系。這就要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)保護(hù)電路的同時(shí)應(yīng)該考慮抗干擾問(wèn)題。以下將分別介紹各個(gè)保護(hù)裝置。4.3.1IPM故障保護(hù)電路IPM有內(nèi)置保護(hù)電路以避兔因系統(tǒng)失控或過(guò)載而使功率器件損壞，內(nèi)置保護(hù)功能的框圖如圖4.4所示。如果IPM模塊其中有一種保護(hù)電路動(dòng)作，IGBT柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷電流，并輸出一個(gè)故障信號(hào)Fo。欠壓欠壓驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)過(guò)濾過(guò)濾短路短路溫度控制過(guò)溫溫度控制過(guò)溫圖4.4IPM內(nèi)部保護(hù)電路4.3.2限電流啟動(dòng)此電路是用來(lái)防止在開(kāi)啟主回路時(shí)，由于儲(chǔ)能電容大，加之在接入電源時(shí)電容器兩端的電壓為零，故當(dāng)主電路剛合上電源的瞬間，濾波電容器的充電電流是很大的，過(guò)大的沖擊電流將可能使整流橋的二極管損壞。因此為了保護(hù)整流橋，在主電路上串接入限流電阻R1，當(dāng)濾波電容上的電壓達(dá)到電機(jī)正常運(yùn)行的65%時(shí)，電壓繼電器常開(kāi)觸頭閉合，將電阻短路，結(jié)束限流起動(dòng)過(guò)程，進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。4.4控制電路的設(shè)計(jì)DSP2812是TI公司新推出的功能強(qiáng)大的TMS320F2812的32位定點(diǎn)DSP，是TMS320LF2407A的升級(jí)版本，最大的特點(diǎn)是速度比TMS320LF2407A有了質(zhì)的飛躍，從最高40M躍升到TMS320F2812的150M，處理數(shù)據(jù)位數(shù)也從16位定點(diǎn)躍升到32位定點(diǎn)。最大的亮點(diǎn)是其擁有EVA、EVB事件管理器和配套的12位16通道的AD數(shù)據(jù)采集，使其對(duì)電機(jī)控制得心應(yīng)手。再加上豐富的外設(shè)接口，如CAN、SCI等，在工控領(lǐng)域占有不少份額4.4.1DSP（TMS320LF2812)的最小系統(tǒng)電路DSP最小系統(tǒng)是指既沒(méi)有輸入通道，也沒(méi)有輸出通道，同時(shí)也不與其它系統(tǒng)進(jìn)行通信的DSP系統(tǒng)。DSP最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是DSP硬件設(shè)計(jì)中的最基本，也是最重要的一步。它主要包括:電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、仿真接頭、擴(kuò)展SRAM等。DSP最小系統(tǒng)框圖如圖4.5所示。（原理圖見(jiàn)附錄）JTAG接口JTAG接口程序電源監(jiān)控DSPTMS320F2812程序電源監(jiān)控DSPTMS320F2812數(shù)據(jù)時(shí)鐘數(shù)據(jù)時(shí)鐘EEPROM復(fù)位EEPROM復(fù)位電平變換電平變換圖4.5最小系統(tǒng)框圖4.4.2DSP外圍接口電路設(shè)計(jì)串行接口的設(shè)計(jì)串行接口電路如圖4.6，我們通過(guò)一片MAX232構(gòu)成串行通信接口。MAX232是雙路驅(qū)動(dòng)/接收器，內(nèi)部包括電容型的電壓生成器，可以將5V電源轉(zhuǎn)換成符合EIA/T工A-232-E的電壓等級(jí)。接收器將EIA/T工A-232-E標(biāo)準(zhǔn)的輸入電平轉(zhuǎn)換成5VTTL/CMOS電平。接收器的典型臨界值是1.3V，典型磁滯是0.5V。發(fā)送器將TTL/CMOS輸入電平轉(zhuǎn)換成EIA/TIA-232-E電平。這樣就可以實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信。圖4.6串口電路圖第五章、變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制能力的優(yōu)劣很大程度取決于軟件可靠性和通用性之外，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的前提下，還要具有很好的實(shí)時(shí)性，控制軟件還應(yīng)具有靈活性。本系統(tǒng)軟件采用了自上而下、從整體到局部的設(shè)計(jì)思想，采用模塊化設(shè)計(jì)方案，使程序思路清晰，可讀性強(qiáng)。5.1DSP生成SPWM波形(1)控制寄存器設(shè)置控制寄存器是指為產(chǎn)生SPWM波而需要設(shè)置的事件管理器(EUA)中的特殊功能寄存器。為了得到期望中的理想波形輸出，不但要求有正確的算法，正確地設(shè)置控制寄存器同樣也是極其關(guān)鍵的?？刂萍拇嫫鞯脑O(shè)置順序?yàn)?a設(shè)置定時(shí)周期寄存器T1PR。b設(shè)置死區(qū)時(shí)間控制寄存器DBTCON。c初始化GMPRxCx=1,2,3)。d設(shè)置比較控制寄存器GOMCON。e設(shè)置定時(shí)器工控制寄存器T1CON。f在每個(gè)采樣周期重寫(xiě)CMPRx(x=1.2,3)。（2)DSP生成SPWM波的基本設(shè)計(jì)思想利用TMS320F2812生成SPWM波的基本設(shè)計(jì)思想是利用DSP的事件管理器(EUA)中的3個(gè)比較單元、通用定時(shí)器么死區(qū)發(fā)生單元以及輸出邏輯來(lái)生成三相六路SPWM波，經(jīng)6個(gè)復(fù)用的IO引腳輸出，EVA內(nèi)部PWM生成電路框圖如圖4-4-1所示。TMS320F2812的定時(shí)器有4種工作方式，當(dāng)以如圖4-2所示的持續(xù)向上/下計(jì)數(shù)方式工作時(shí)，將產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)的PWMl波輸出。在這種計(jì)數(shù)方式下，計(jì)數(shù)器的值由初值開(kāi)始向上跳增，當(dāng)?shù)竭_(dá)T1PR值時(shí)，開(kāi)始遞減跳變，直至計(jì)數(shù)器的值為零時(shí)又重新向上跳增，如此循環(huán)往復(fù)。在計(jì)數(shù)器跳變的過(guò)程中，計(jì)數(shù)器的值都與比較寄存器CMPRxCx=1,2,的值作比較，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值與任一比較寄存器的值相等，則對(duì)應(yīng)的該相方波輸出發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)，如圖4-4-2所示，在一個(gè)周期內(nèi)，輸出的方波將發(fā)生兩次電平翻轉(zhuǎn)。從圖4-4-2還可以看出插入死區(qū)時(shí)間后波形的變化情況，死區(qū)的寬度從{0-12}s可調(diào)。系統(tǒng)中考慮到所用功率器件的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間(最大關(guān)斷時(shí)間為設(shè)定PWM波的死區(qū)時(shí)間為6.4s，只要在每個(gè)脈沖周期根據(jù)在線(xiàn)計(jì)算改寫(xiě)比較寄存器CMPR的值，就可實(shí)時(shí)地改變PWM脈沖的占空比。死區(qū)配置寄存器內(nèi)部總線(xiàn)死區(qū)配置寄存器比較單元1比較單元2比較單元3脈沖模擬產(chǎn)生器對(duì)稱(chēng)PWM不對(duì)稱(chēng)PWM比較單元1比較單元2比較單元3脈沖模擬產(chǎn)生器對(duì)稱(chēng)PWM不對(duì)稱(chēng)PWM空間矢量PWM通用定時(shí)器1死區(qū)單元輸出邏輯 PWM1 DDTDH1死區(qū)單元輸出邏輯PWM2 DTDH2PWM3 DTDH3 PWM4 DTDH4PWM5 DTDH5PWM6 DTDH6圖5.1PWM生成電路框圖5.2系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件主要有兩部分組成:一、上位機(jī)監(jiān)控程序;二、下位機(jī)控制程序。上位機(jī)負(fù)責(zé)電機(jī)參數(shù)的設(shè)定、電機(jī)及IPM運(yùn)行狀態(tài)的顯示;下位機(jī)主要負(fù)責(zé)串口通信、空間矢量算法的計(jì)算、PWM輸出、電壓電流采集、故障監(jiān)控等。上位機(jī)軟件只需要實(shí)現(xiàn)對(duì)PC機(jī)串口的讀寫(xiě)操作，下位機(jī)控制程序主要由主程序和三個(gè)中斷服務(wù)子程序組成。5.2.1下位機(jī)控制程序主程序主要負(fù)責(zé)DSP初始化、串口接收發(fā)送、循環(huán)等等。中斷服務(wù)子程序包括:串口通信中斷服務(wù)程序