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1、哈尔滨理工大学学士学位论文15kW通用变频器的设计摘要变频器在各行业的应用，已经成为改造传统工业、提高生产过程自动化水平、节约能源、推动技术进步的主要手段。恒压频比控制是通用变频器中应用最为广泛的控制方式之一。本文在总结国内外研究成果的基础上，以TI公司生产的TMS320F2812型DSP作为核心，设计了通用变频器，并进行了恒压频比控制算法的设计。主要包括以下内容：在已有通用变频器的拓扑结构的基础上，分析了通用变频器的工作原理，以及基本控制方式。以TI公司生产的TMS320F2812作为核心，设计了通用变频器的硬件电路，其中包括信号采集电路、驱动电路、电源电路、保护电路。在对通用变频器的几种控
2、制算法进行分析的基础上，在MATLAB/Simulink软真环境下，建立了通用变频器的电路仿真模型。在此基础上，应用恒压频比的控制算法实现了通用变频器电路仿真。仿真结果表明，本文所研究的通用变频器能够达到所设计的预期目标。关键词：通用变频器；恒压频比控制；仿真；DSPDesign of 15kW InverterAbstractIn the actual VVVF systems, AC variable speed control system has gradually grown into the mainstream instead of DC drive system. So far
3、, Inverter has been widely used in all walks of industries, automatic development of production process and saves a great deal of energy and accelerates the improvement of technology. So it with great realistic significance to launch researches on inverter and technologies related to it.Constant Pro
4、portion of Voltage to Frequency is the most widely used ways in all inverter, inverter using this way cost less and control simply. This paper integrates the most lately research results on the inverter system and, on this basis, launches some theoretical study and practical application. Generally,
5、the paper including five parts with details as following:Complete the frequency controller hardware designation. Hardware side, finish the design and build the frame the hardware, conclude rectifying section, filtering part, inverter part, protection circuit, driving circuit, detection circuit. Intr
6、oduce the control algorithm of AC speed regulating system, common algorithm conclude constant pressure frequency , vector, direct torque etc. The paper studies the SPWM technology and general analysis to the result of the matlab emulator to VVVF, and details the current waveform, and launches theore
7、tical study.Keywords：Inverter; Asynchronous machine; Simulink; DSP目录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 论文研究意义11.2 国内外发展现状21.3 论文的主要工作4第2章 通用变频器的结构及工作原理52.1 通用变频器的基本结构52.1.1 电流型变频器62.1.2 电压型变频器72.2 通用变频器工作原理72.3 本章小结10第3章 通用变频器的硬件电路和软件设计113.1 通用变频器设计指标113.2 控制器的选型123.3 硬件系统总体设计133.4 主电路设计133.4.1 信号采集电路的设计143.4.
8、2 电压隔离采样电路设计143.4.3 驱动电路的设计163.4.4 电源电路的设计173.4.5 检测和保护电路的设计173.4.6 电源监控电路173.4.7 IGBT温度监测电路183.4.8 母线电流和转矩检测电路193.5 软件结构193.6 本章小结21第4章 通用变频器控制算法研究224.1 转差频率控制224.2 空间矢量控制224.2.1 SVPWM 的基本原理224.2.2 SVPWM 的软件实现254.3 直接转矩控制254.4 本章小结28第5章 通用变频器建模及仿真分析295.1 通用变频器的建模295.1.1 系统仿真的运用295.1.2 MATLAB简介295.1
9、.3 仿真电路设计305.2 变频调速的仿真结果分析325.3 本章小结39总结40致谢42附录A43附录B5080第1章 绪论1.1 论文研究意义直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电动机调速系统所垄断。直流电动机虽然有调速性能好的优越，但也有一些难于克服的缺点，主要是机械式换向器带来的弊端。其主要缺点是：1.维修工作量大，事故率高；2.容量、电压、电流和转速上限值，均受到换向条件的制约，在一些大容量、特大容量的调速领域中无法应用；3.使用环境受到限制，特别是在易燃易爆场合难于应用。而交流调速有一些固有的优点：1.容量、电压、电流和转速
10、的上限，不像直流电动机那样受到限制；2.结构简单、造价低；3.坚固耐用，事故率低，容易维护。它的最大缺点是调速困难，简单调速方案的性能指标不佳。随着交流电动机调速的随着交流调速的理论问题的突破和调速装置（主要是变频器）性能的完善，交流电动机调速性能差的缺点已经得到了克服。工业应用最广的电机为交流电机，交流电机应用范围之广主要因为其拥有其他电机不可比拟的优势，其主要特点是价格低廉便于维修等。要想实现交流电机调速就首先需要知道交流电动机是如何获得转速的，只有在对转速有一定的认识的基础上，才能够对异步电机的速度调节方式进行合理的选择。常见的异步电机主要有两种形式分别是鼠笼与绕线型电机，转速公式如下：
11、 (1-1)式中，p电机磁极对数；f供电工频；s电机转差率。从上式可以看出电机转速与供电频率、电机磁极极对数和电机转速转差率有关，可以通过如下三种方法实现调节：改变供电频率，变换电动机磁极极对数，此外还可以通过调整实际转速与同步转速差值与同步转速比值即电机转速转差率。通过以上方法完全可以完成转速变换。虽然上述方法可以实现转速变化，但也受到一定程度的限制，其中就可以分为有极调速与无极调速两种调速方式，比较典型的有极调速如变换电机磁极极对数，其速度变化只能是有极调速即速度不可能平滑调节，只能根据磁极极对数变换为几组固定的速度值，虽然从公式上可以理解为只要磁极极对数足够多，速度就可以实现无极变速，但
12、受电机结构限制，磁极对数不宜过多，故常将其视为有极变速类型。无极调速的主要含义是速度可以实现平滑调节不存在速度跳跃变化，其中变化电机转速转差率的方法虽然可以实现无极变速但其速度变换的代价是昂贵的，其变换过程需要消耗能量，所以经过上述分析可以显示出变换供电电源频率实现速度调节是更为合理的方法，变换供电电源频率大部分需要通过变频器来实现，尤其是对于工业应用广泛的交流电机，能够对其实现稳定经济的速度调节将会提高生产效率等，所以变频调速将会得到更广泛的应用1。电动机作为主要的动力设备而广泛的应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等个个方面，电动机负荷约占总发电量的70%，成为用电量最多的电气设备，电动
13、机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。本文针对工业中应用最多的异步电机变频调速进行研究具有重大意义，主要体现在如下3个方面：1.实时控制的重要性。实际生产过程中，要满足不同的工况，要求电机的转速能够对负载实现快速的响应，以保证企业生产效率的高效。2.控制精度的重要性。采用以 DSP 为核心的数字控制系统比传统的模拟控制系统控制精度高。3.电能利用率的重要性。采用优化的控制算法，可以保证电压利用率，减少谐波成分及开关损耗，提高电能利用率，达到节能环保的要求。综上所述，对于异步电机的变频调速的研究符合高性能、高效率、绿色化的要求，具有重大的研究意义2。1.2
14、 国内外发展现状早期通用变频器如东芝TOSVERT130系列、FUJIFVRG5P5系列、SANKEN、SVF系列等大多数为开环恒压比（V /f =常数）的控制方式其优点是控制结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高，比较适合应用在风机、水泵调速场合。具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化；转矩响应慢，电磁转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降、稳定性变差等。对变频器 V /f 控制系统的改造主要经历了三个阶段3。第一阶段：1. 八十年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量（或称磁通轨迹法）。该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁
15、场轨迹为目的。2. 引入频率补偿控制，以消除速度控制的稳态误差 。3. 基于电机的稳态模型，用直流电流信号重建相电流,由此估算出磁链幅值，并通过反馈控制来消除低速时定子电阻对性能的影响。4. 将输出电压、电流进行闭环控制，可以实现快速的加减速。然而，在上述四种方法中，由于未引入转矩的调节，系统性能没有得到根本性的改善。第二阶段：矢量控制，也称磁场定向控制。矢量控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果。此外它必须直接或间
16、接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配备转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。第三阶段：直接转矩控制。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩控制的优越性在于：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息；控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便地实现无速度传感器化。然而，这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别，通过自动识别运行自动确立电机实际的定子阻抗互感、饱和因素、电动机惯量等
17、重要参数，然后根据精确的电动机模型估算出电动机的实际转矩、定子磁链和转子速度，并由磁链和转矩的BandBand控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行控制。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度。20世纪60年代以前，直流调速一直以控制能力强、可靠性高、噪声低、控制电路简单等一系列优良的性能在传动领域中占据着主导地位4。但是直流调速系统需要有换向器，这使得对直流电机的维护量增大，最高转速、使用环境以及单机容量等都受到限制。而且，过去的电动机主要以提供动力为目的，进行简单的启停控制，随着生产技术的发展，现在已经发展对其位置、转矩、速度等参数进行精确控制，使被驱动的机械运动符
18、合预想的要求。为寻求运行可靠、结构简单、价格低廉、便于为何等优点的控制技术，20世界30年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究。知道70年以来，随着新型自关断器件、智能功率模块的出现，现代控制理论的发展，新的控制策略的不断涌现，交流调速以显著的调速性能正在逐步取代直流调速的地位，已经成为电气传动领域发展的主流方向。交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大的转换（整流、逆变），又要处理信息采集、变换和传输，因此他可以分为功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决硬、软件开发问题。现在各种高性能变频器都是国内外研究
19、的热点。国外由于技术起步早，并具有相当大的产业化规模，各大品牌的变频器生产商，均形成了系列化产品，其控制系统也已经实现全数字化。国内虽然已经有较多的变频器生产厂家，但是由于国产厂家制造变频器历史及短，技术积累的比较少，所以一部分自动化行业对国产变频器缺乏信心。国内自行开发、生产产品能力弱，对国外公司的依赖很严重。1.3 论文的主要工作本文主要研究如下主要内容：1. 阐述了变频调速的基本原理。2. 变频器控制系统的控制策略及功能实现。3. 介绍了控制器的硬、软件结构。4. 三相 PWM 技术及变频调速的仿真研究。第2章 通用变频器的结构及工作原理2.1 通用变频器的基本结构变频器分为交-交和交-
20、直-交两种形式。交-交变频器可将工频交流直接变换成频率、电压均可控的交流，又称为直接式变频器。而交-直-交变频器则是先把工频交流点通过整流器变成直流电，然后把直流电变成频率、电压均可控的交流电，它又称之为间接式变频器。本文的目的是研究通用变频器，所以主要是交-直-交变频器。这种结构主要包括整流环节、中间环节和逆变环节。其中间直流环节是储能元件，用于负载和直流电源之间的无功功率交换，根据此储能元件是电容还是电感，将变频器分为电压型和电流型两大类。变频器的基本构成如2-1所示，由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成，分述如下：1. 整流器：电网侧的变流器是整流器，它的作用是把三
21、相（也可以是单相）交流电整流成直流电。2. 逆变器：负载侧的变流器为逆变器。最常见的结构形式是利用六个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。3. 中间直流环节：由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动或者发电制动状态，其功率因数总不会为1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或者电抗器）来缓冲。所以又称中间直流环节为中间直流储能环节。4. 控制电路：控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是
22、完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能。图2-1 变频器基本结构2.1.1电流型变频器当交直交变烦器的中间环节用大电感作为储能和滤波时，直流电流波形比较平直，电源内阻较大，对负载来说相当于是恒流源，其拓扑结构如图2-2所示。其显著的优点是容易实现回馈制动，便于四象限运行，不需附加任何设备。适合于需要频繁快速加减速和可逆
23、运行的电动机负载，但由于电流源型变频器属于恒流源，对系统负载电流的变化反应慢，不适合带多台电动机同步运行，只能带单台电机运行。 图2-2 电流型逆变器拓扑结构2.1.2 电压型变频器 电压源型变频器主电路的中间环节主要采用大电容进行储能、滤波。其直流电压波形比较平直，理想状态下电源内阻为零，对负载而言是恒压源，其拓扑结构如图2-3所示，其电压无法迅速反向。由于大电容的平波作用，主电路的直流电压比较平稳。因此，电压源型变频器无法实现回馈制动。而对于负载而言，电压型变频器相当于一个电压源，电压控制相应慢，可以同时带多台电机运行。本文所研究与实现的通用变频器是电压源型变频器。图2-3 电压型逆变器拓
24、扑就够2.2 通用变频器工作原理异步电动机的同步转速，既旋转磁场的转速为： (2-1)式中，n同步转速（r/min）；f定子频率（Hz）；p磁极对数。而一步电动机的轴转速为： 式中s异步电动机的转差率，s=(/。改变一步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行。对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变。磁通太弱，贴心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降；磁通太强，则处于过励磁状态，使励磁电流过大，这就限制了定子电流的负载分量，为使电动机不过热，负载能力也要下降。异步电动机的气隙磁通（主磁通）是定、转子合成磁动势产生的，下面说明怎样才能使气
25、隙磁通保持恒定。由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为 =4.44 (2-2)式中定子每相由气隙磁通感应的电动势的方均根值(V)；定子频率(Hz)； 定子相绕组有效匝数； 每极磁通量(Wb)。由上式可见，是由和共同决定的，对和进行适当的控制，就可以使气隙磁通保持额定值不变。下面分两种情况说明：1. 基频以下的恒磁通变频调速这是考虑从基频（电动机额定频率）向下调速的情况。为了保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通不变，这就要求降低供电频率的同时降低感应电动势，保持/=常数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制。这种控制又称之为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。如图2-4所示。图
26、2-4 基频以下变频调速机械特性但是,难于直接检测盒直接控制。当和的值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如忽略不计，则可以近似地保持定子相电压和频率的比值为常数，即认为=，保持/=常数即可。这就是恒压频比控制方式，是近似的恒磁通控制。当频率较低时，和都变小，定子漏阻抗压降（主要是定子电阻压降）不能再忽略。这种情况下，可以认为的适当提高定子电压比补偿定子电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。如图2-5所示，其中1为/=C时的电压、频率关系，2为有电压补偿时（近似的C）的电压、频率关系。实际装置中与的函数关系并不简单的如曲线2所示。通用变频器中与之间的函数关系有很多种，可以根据负载性质和运行状
27、况加以选择。图2-5 恒压频比控制特性2. 基频以上的弱磁变频调速 这是考虑由基频开始向上调速的情况。频率有额定值向上增大，但电压受额定电压的限制不能再升高，只能保持=不变。必然会使主磁通随着的上升而减小，相当于直流电动机弱磁调速的情况，属于近似的恒功率调速方式。如图2-6所示。图2-6 基频以上变频调速机械特性综合上述两种情况，异步电动机变频调速的基本控制方式如图2-7所示。由上面的讨论可知，异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压、频率均可调节的供电电源，实现所谓的VVVF(Variable Voltage Variable frequen
28、cy)调速控制。通用变频器可适应这种异步电动机变频调速的基本要求。图2-7 异步电动机变频调速机械特性2.3 本章小结本章介绍了变频器的常用拓扑结构、分类，分析了他们各自的特定及应用场合。同时又阐述了变频调速的原理以及不同情况下变频调速的机械特性。第3章 通用变频器的硬件电路和软件设计3.1 通用变频器设计指标变频器是一种新颖的可以实现连续无级调速的装置，衡量系统性能的技术指标与传统的调速系统也有较大不同，如变频器、伺服驱动器的速度调节总是连续的，故无需考虑平滑性指标；而系统对指令的影响性能则反映了系统的跟踪能力，因此，必须作为衡量系统性能的重要指标。变频器的主要技术指标如下。1. 调速范围调
29、速范围是衡量系统变速能力的指标。调速范围有两种表述方式：一是以调速系统实际可以达到的最低转速与最高转速之比表示，如1:100等；二是以最高转速与最低转速的比值(D)表示，如D=100等，两者本质相同。需要注意的是：定义变频调速的调速范围时，应以电动机能够带动额定负载的最低与最高转速作为计算调速范围的依据，它与变频器技术参数中的频率控制范围是完全不同的两个概念。2. 调速精度调速精度是衡量系统调速稳定性的指标。变频器的调速精度计算方法与传统调速系统不同，计算式如下： (3-1)调速精度与调速系统的结构密切相关，一般而言，调速系统采用闭环控制后，调速精度可比开环控制提高10倍左右。3. 最大输出频
30、率变频器最大输出频率是决定调速范围与衡量高速性能的指标。对于同样极对数的电机，频率越高，可以达到的最高转速也越大；当最低频率不变时，其调速范围也就越大。4. 速度响应与频率响应“速度响应”是衡量变频器对指令的跟随性能与灵敏度的重要指标。速度响应是调速系统在负载惯量与电动机惯量相等的情况下，电机可以完全跟踪给定变化的最大指令变化率。“速度响应”可以用角速度或频率值表示。用角速度表示的“速度响应”值直接称为“速度响应”，单位为rad/s；而将用频率表示的“速度响应”称为“频率响应”，单位Hz。“响应速度”与“频率响应”的实质相同，两者可以用1Hz=2(rad/s)进行相互转化。5. 调速效率调速效
31、率是衡量调速系统经济性能的技术指标，它以调速系统的输出功率与输入功率之比进行标示，即 (3-2)3.2 控制器的选型 TMS320F2812是美国得克萨斯州仪器公司(TI)最新推出的基于代码兼容C28x内核的新型高性能32位定点数字信号处理器，它专门为数字控制设计，可实现高性能DSP与高精度模拟及闪存的完美结合。F2812具有高集成度，从而提供了整套的片上系统，同时降低了板级空间及系统成本，实现了更简单、更高效和更经济的设计。F2812有如下特点：1. 具有EVA、EVB两个时间管理其，每个EV都有8个16位的脉冲调制通道，可以实现对外部时间定时的捕获、16个通道A/D转换、可编程PWM死区功
32、能等。2. 片内高达128K16位的Flash存储器，1K16位的一次性编程存储器(OTPROM)、M0和M1两个1K16位的存储器(SARAM)、L0和L1两个4K16位的存储器(SARAM)。3. 片外可扩展高达1M的存储内容，并有读/写信号选通时序可编程、编程等待状态和3个独立的片选信号。4. 内置有两个8选1多路切换器和双采样保持器的12位ADC内核，最快转换时间80ms。ADC模块具有16个模拟通道，并可以配置为用于ePWM模块的2个独立的8通道模块。可将两个独立的8通道模块级练成一个通道。5. 多达56个独立可编程服用的通路I/O引脚(GPIO)。6. 包含串行外设借口(SPI)、
33、两个串行通信端口(SCI)即标准的UART、增强的区域控制网(eCAN)及多通道缓冲串口(McBSP)。3.3 硬件系统总体设计总系统以TI公司的TM320F2812DSP芯片为控制核心，设计相应主电路、驱动电路采样电路、保护电路等。其框图如图3-2所示。图3-2 系统硬件结构总图3.4 主电路设计控制系统主电路采用交直交拓扑结构，如图3-3所示。图3-3 交-直-交拓扑结构先将三相交流电(50Hz)经三相不可控整流桥整流成直流电，再经电容滤波成平滑直流电，最后经三相逆变桥逆变成复制和频率都可变的交流电，来驱动电机，达到调速的目的。3.4.1 信号采集电路的设计现代电气测量、控制中，常常需要用
34、低压器件去测量、控制高电压、强电流等模拟量，如果模拟量与数字量之间没有电气隔离，那么，高电压、强电流很容易串入低压器件，并将其烧毁。本实验中从输出端采样的模拟信号由于要连入DSP端口，为了使电源输入和输出之间进行绝缘，同时也为稳定控制回路提供一条信号通道5，所以需要采用隔离器对采样控制电路和主电路进行隔离.以下简单分析一下常用的一些隔离电路的方案:方案一：最常用到的就是利用光耦元件对所采样的电压、电流进行采样。光电耦合器因其良好的性能和抗干扰能力而被广泛地应用于输入和输出信号的电气隔离。但是,在利用光电耦合器的线性耦合直接对模拟信号进行隔离传输时, 由于光电耦合器内部发光二级管和光敏三级管的伏
35、安特性, 使得光电耦合器的“线性区”实际上比较小并且存在一定程度的非线性失真。由于光电耦合器件非线性的输入输出特性所限,一般来讲, 光耦器件主要应用于数字信号的隔离, 而较少用于模拟信号的隔离。方案二：采用诸如霍尔器件等特殊传感器,其线性度高，频率响应速度快， 但其价格较贵;且硬件电路较为简单，因此在精度等要求比较高的情况下可以予以考虑。方案三：首先进行A/D 转换或V/F转换, 再用光耦进行隔离的方法, 但处理过程较为复杂, 并且如果能够使用霍尔器件完成对模拟信号的隔离, 无疑是很有意义的。3.4.2电压隔离采样电路设计系统需要实时检测直流母线的电压，以供整流器构成电压闭环并为母线过压保护提
36、供开启信号。常用的电压检测方法有电阻分压法，电压互感器法和霍尔电压传感器法。电阻分压法检测精度低，电压互感器则只能测交流量，虽然霍尔电压传感器价格较高但检测性能非常好。本系统采用具有高度电绝缘(2500V)的霍尔电压传感器 HNV025A，HNV025A型是利用磁补偿原理的一种霍尔电压传感器，能够测量直流、交流以及各种波形电压，同时在电气上是高度绝缘的，其原理图如图3-4所示。测量时强、弱电隔离，避免用电阻分压法测电阻方法带来的电气干扰，具有高过载容量、体积小、全封闭、高可靠性等优点。误差在0.6%，非线性度0.8%，响应时间40S。输入端分别接母线电容的正负极。为使传感器达到最佳精度初级电阻
37、R应尽量选择使得输入电流为10mA。本系统直流电压为540V，忽略初级线圈的电阻，选择阻值为40K，10W的水泥电阻。测量电阻选用精密电阻，根据需要的输出电压和公式确定阻值。如图3-4 HNV025A外接电路输出调理电路如图3-5所示。第一级是低通滤波；第二级是由LM358构成的电压跟随器，起缓冲隔离作用；第三级是同相比例及电平上移电路，使输出UACOUT在DSP模数转换模块的电压输入范围0+3V之间。图3-5 输出调理电路设HNV025A的输入电压有效值为U，经过调理电路输出到DSP的ADC端口的电压为Ux，HNV025A等效为电流控制电流源的电流增益为，传感器达到最佳精度初级电阻R，次级测
38、量电阻为，上移电压为V，同相放大电路增益为，则有： (3-3)3.4.3 驱动电路的设计IGBT模块的驱动信号需要15V电压的，即=15V。但是CPU输出的是0-3.3V的高地电平信号，因此需要IGBT驱动电路将其转化成能够控制IGBT的驱动信号。该电路是低电平有效，就是当其中一露输入为低电平时，对应输出为高电平。这里的驱动芯片选用INTERNATIONGAL PECTIFIER公司的专门为高速、高压的功率MOS管和IGBT而设计的。其内部集成了相互独立的3组半桥驱动电路，而且该芯片中的输入控制逻辑电路还为同一桥臂的高端和低端提供了死区时间，以避免同一桥臂上的被驱动功率元件(IGBT)在开关转
39、换过度期间发生同时导通，同时导通时就相当于将+DC于-DC连在了一起，就短路了。如果同一桥臂的高端和低端输入信号同时为低电平，则输入控制逻辑电路可关闭同一桥臂的高端和低端驱动输出。除了提供死区之外，IR223J还有故障电路保护和欠压保护功能，一旦出现故障，便会输出故障信号，且故障信号可有外部信号清除。其具体控制电路如图3-6驱动电路为单电源+15V供电，供电电压经超快回复二极管BYT54MV隔离后又分别作为其三路高端驱动输出的供电电源。电容C20为高端输出的供电电源的自举电容。驱动芯片的ITRIP端为流过检测管教，如母线电流过大或者供电电源出现欠压IR2233J将关闭其6路驱动输出，并从FAU
40、LT脚向控制器发出错误信号(FAULT信号)并锁存，只有FLT-CLR管脚检测到故障清理信号后才会正常工作。值得注意的是驱动电路输出串接电阻一般应在1033，而对于小功率器件，串接电阻应该增加到3050；或者如果要求驱动电路输出的正沿脉冲宽度较宽，则必须加大自举电容容量，否则会造成欠压保护电路工作。图3-6 IR2233IGBT驱动控制电路3.4.4 电源电路的设计TM320F2812DSP内核跟外围I/O口供电电压是不同的，内核供电电压为1.8V(当工作频率大于130MHz时，内核供电电压为1.9V），外围I/O为3.3V供电，且上电是有先后顺序要求的，I/O口3.3V先上电，内核1.8V后
41、上电。为蛮族系统要求，选用TI公司专为DSP供电而设计的电源芯片TPS73HD318，该芯片可以同时输出两路电压，且输出电压可调。具体电路如图3-7。图3-7 供电电路3.4.5 检测和保护电路的设计为保证系统能在恶劣的环境下稳定运行，防止电路因为过热、过载等问题而失控，造成经济损失。系统内部必须有精准的检测保护电路，比如电源监控电路、IGBT温度监控电路、电机温度监控电路。3.4.6 电源监控电路图3-8为电源监控电路，当24V、16V、5V中的摸一个电源工作不正常时，该电路后端的发光二极管就能通过闪烁或者亮暗来进行指示。电路中的TL431是一种稳压集成电路，为后级比较器提供精准的基准电压，
42、通过比较器就可以准确检测电压是否工作正常。一旦其中一路电压工作不正常，则输出为低电平，指示灯H1熄灭，该报警信号便传达到CPU，达到检测目的。图3-8 电源监控电路3.4.7 IGBT温度监测电路图3-9为IGBT温度监控电路，是通过温敏电阻T+T对温度敏感，其在25和100时的电阻值分别为1000和1670，再通过运放TSH221组成比较器，当TSH22I的2脚电压高于3脚电压时，也就是温敏电阻值增大，即IGBT温度过高，运放输出低电平，CPU随即停止IGBT工作指导温度降到安全范围内。图3-9 IGBT温度检测电路3.4.8 母线电流和转矩检测电路一旦母线电流过高，就有可能造成IGBT的永
43、久性损坏，所以过流检测盒和快速保护电路是必须的。而母线电流的大小是判断力矩大小和一个最直接的参数，因此可以通过检测母线电流大小从而判断力矩大小。图3-10中在母线负载端串接了一个阻值为0.033的大功率水泥电阻来采样母线电流，图中的-DC为IGBT下桥臂与地之间的采样电压。功率驱动芯片IR2233J的电路检测管脚ITRIP就是通过图中的R42、R43分压而来的。-DC另一侧利用运放TSH221组成的反向输入一阶有源低通滤波器将采样电压信号放大与CPU输出锯齿波电压相叠加并通过积分电路产生频率随母线电流变化的三角波信号，控制器通过检测信号的频率即可感知输出转矩的大小，从而保护了电机。图3-10母
44、线电流和转矩检测电路3.5 软件结构软件主程序流程如图3-11所示，由初始化程序、主程序、PWM中断、T0中断服务子程序组成。1. 初始化程序初始化程序初始化系统配置寄存器、外设、变量、变频器的运行参数、功率版的软起动、从PROM读取参数。在变频器未运行时，可以通过键盘来设置参数，这些参数可以被存储在PROM上，待断电下次起动时，系统在初始化中自动读入上次用户设定的参数。2. 故障中断服务程序故障中断服务程序的功能是对系统运行情况进行检测，当故障发生时进行诊断，并作出相应的处理措施。本文涉及的系统主要有过呀故障过流故障IGBT故障，一旦出现故障时，故障信号就会被传送到CPU,判断是否关断PWM
45、波输出。具体中断服务程序看流程图3-12所示。故障中断服务程序的功能是对系统运行情况进行检测，当故障发生时进行诊断，并作出相应的处理措施。本文涉及的系统主要故障有过流故障、IGBT故障，一旦出现故障时，故障信号就会被传送到CPU，判断是否关断PWM波输出。开始初始化系统配置寄存器初始化外设初始化参数启动上强电开中断进入程序图3-11 主程序流程中断入口保护现场封锁PWM信号判断故障类型设置故障标志恢复保护退出中断图3-12 中断服务程序3.6 本章小结本章主要介绍变频调速系统的硬件总体结构，对硬件系统的各部分的电路进行了详细的分析。最后完成系统硬件电路的搭建及软件设计。第4章 通用变频器控制算
46、法研究变频调速的主要工作原理是借助于控制技术、电力电子技术和计算机技术的结合，使系统获得需要的电压、电流和频率。各类变频器输出一般为可变电压、可变频率的形式。在磁通恒定时，不同频率异步电机的机械特性硬度变化很小，所以在调速时气隙磁通保持为恒定值至关重要。磁通太弱，铁芯不能充分利用，造成浪费；磁通太强，使电机电流上升，异步电机发生过热现象。定子频率控制是异步电机获得平稳调速的关键。其控制方式主要有以下几种：恒压频比控制方式、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制6。由于恒压频比控制方式在前面已经作了详细介绍，这里不在赘述。4.1 转差频率控制由电机学可知，改变转差率s亦可以改变电动机的转速n，转差频率控制就是通过检测电机的转速相对应的频率与转差频率的和来给定变频器的输出，能控制与转差率有直接关系的转矩和电流。该方式往往包含电流控制环节，由于转差频率和电流共同被控制，因而稳定性较好，能承受急剧的加减速和负载波动，并因采用了速度反馈环节，大大提高了转速控制精度。