電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)論文異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 電氣工程及其

2、自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b></

3、p><p>　　三相異步電動(dòng)機(jī)是人類生活和生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的一種電機(jī)，它們的正常運(yùn)行對(duì)生產(chǎn)過程有著極為重要的影響。由于工作環(huán)境惡劣以及自然老化等各方面的影響，異步電動(dòng)機(jī)故障時(shí)有發(fā)生。電動(dòng)機(jī)故障不但會(huì)損壞電機(jī)本身，而且關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的正常工作，嚴(yán)重的會(huì)危及人身安全，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，設(shè)計(jì)一套數(shù)字檢測(cè)裝置對(duì)異步電動(dòng)機(jī)故障進(jìn)行分析和檢測(cè)就顯得尤為重要。</p><p>　　本文以異步電機(jī)

4、變頻調(diào)速系統(tǒng)為研究對(duì)象，TI公司的電機(jī)控制專用微處理器TMS320LF2407A型數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）為系統(tǒng)的控制核心，首先提出了異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中相關(guān)參數(shù)檢測(cè)的意義與數(shù)字檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)；接著就異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的三種控制方式進(jìn)行介紹，分別是U/f控制、轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制等控制方式；然后分別對(duì)異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字檢測(cè)裝置的硬件方面和軟件方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一套適用于異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字檢測(cè)裝置。本數(shù)字檢測(cè)裝置的硬件檢

5、測(cè)的電參量和非電參量比較全面，可以用來測(cè)量定子電流、定子電壓、轉(zhuǎn)速、頻率、電壓與電流的相位差，還有直流側(cè)的電壓，最后，將檢測(cè)的數(shù)據(jù)都采用LED數(shù)碼管顯示。檢測(cè)的方式是采用交流檢測(cè)法，并且使用了離散傅里葉算法DFT，提高了系統(tǒng)的檢測(cè)的精度和響應(yīng)速度。另外，本裝置對(duì)檢測(cè)精度要求較高，檢測(cè)電路中選擇的都是具有高精度的元器件。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電機(jī)參數(shù)；DSP；數(shù)字檢測(cè)；變頻調(diào)速 </p>&l

6、t;p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Three-phase asynchronous motor is the most widely used of a motor in human life and production, their normal operation has a very important impact to the product

7、ion process. The asynchronous motor breakdown occurs frequently, owing to various stresses and natural aging, faults may often occur when squirrel cage induction motors work. The fault will not only destroy the motors th

8、emselves, but also influence the normal operation of the whole system, even endanger personal safety and cause enormous</p><p>　　In this paper, induction motor speed control system for the study, which is TI

9、's motor control dedicated digital signal processor TMS320LF2407A microprocessor (DSP) is the core of the system. First proposed the significance of detection of the relevant parameters and the advantages of digital

10、detection In the induction motor speed control system. Then introduced the three control modes of the induction motor speed control system, they are U / f control, slip control, frequency control and vector</p>&l

11、t;p>　　Key words: Electric machine parameter; DSP;Variable frequency speed variation</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前言1</b></p><p><b>　　第1章 緒論2<

12、;/b></p><p>　　1.1數(shù)字檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀情況2</p><p>　　第2章 異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)3</p><p>　　2.1變壓變頻調(diào)速的基本原理3</p><p>　　2.2 U/f控制3</p><p>　　2.2.1基頻以下調(diào)速3</p><p>　

13、　2.2.2基頻以上調(diào)速4</p><p>　　2.3轉(zhuǎn)差頻率控制5</p><p>　　2.3.1轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想5</p><p>　　2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能分析7</p><p>　　2.4矢量控制技術(shù)概述7</p><p>　　2.4.1坐標(biāo)變換8</p><

14、;p>　　2.4.2異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型9</p><p>　　2.4.3異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)11</p><p>　　第3章 變頻調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字檢測(cè)電路硬件設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.1 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路15</p><p>　　3.2 檢測(cè)電路16</p><p>

15、　　3.2.1電流檢測(cè)16</p><p>　　3.2.2電壓檢測(cè)18</p><p>　　3.3.3轉(zhuǎn)速檢測(cè)18</p><p>　　3.2.4頻率檢測(cè)20</p><p>　　3.2.2相位差檢測(cè)21</p><p>　　3.3.3直流電壓檢測(cè)22</p><p>　　3.3控制

16、回路23</p><p>　　3.3.1主控芯片23</p><p>　　3.3.顯示單元硬件設(shè)計(jì)24</p><p>　　第4章 檢測(cè)數(shù)據(jù)處理方法26</p><p>　　4.1數(shù)字測(cè)速方法26</p><p>　　4.2數(shù)據(jù)采集27</p><p>　　4.3數(shù)字濾波方法28

17、</p><p>　　4.4檢測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)算方法29</p><p>　　第5章 檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)31</p><p>　　5.1主程序結(jié)構(gòu)框圖31</p><p>　　5.2故障處理模塊31</p><p>　　5.3 AD采樣模塊32</p><p>　　5.4速度采樣模塊33<

18、/p><p>　　5.5頻率采樣模塊33</p><p><b>　　小結(jié)35</b></p><p><b>　　致謝36</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)37</b></p><p><b>　　前言</b>&l

19、t;/p><p>　　三相異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、運(yùn)行可靠，并且能適應(yīng)各種復(fù)雜的工作環(huán)境，因而被廣泛地應(yīng)用于從工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域和部門，是一種需求量最大、覆蓋面最廣的電機(jī)。</p><p>　　由于惡劣的工作環(huán)境、電機(jī)的自然老化，還有受電機(jī)制造水平、檢修質(zhì)量、運(yùn)行管理水平等方面的制約，異步電動(dòng)機(jī)故障時(shí)會(huì)發(fā)生。目前，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和設(shè)備制造水平的不斷提高，電機(jī)的使用

20、數(shù)量在生產(chǎn)系統(tǒng)中不斷增加，單機(jī)容量也不斷升高。特別是隨著當(dāng)今自動(dòng)化水平逐日提高，系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，電機(jī)一旦發(fā)生故障，諸如電流、電壓過高過低，均能影響電機(jī)的正常使用功效及使用壽命，而且會(huì)關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)，嚴(yán)重地還會(huì)危及人身安全，造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失和不好的社會(huì)影響。所以，保證電機(jī)在生產(chǎn)過程中的安全可靠運(yùn)行具有至關(guān)重要的意義。</p><p>　　目前，異步電動(dòng)機(jī)初發(fā)故障的檢測(cè)一般是通過在線監(jiān)測(cè)異步電動(dòng)機(jī)的電壓

21、、電流、轉(zhuǎn)速、頻率等相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，判斷設(shè)備是否處于正常狀態(tài)，以制定合適的檢修時(shí)間和方案，使傳統(tǒng)的事后維修方式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)知維修方式，使異步電動(dòng)機(jī)維修體制發(fā)生了一次飛躍，從而達(dá)到減少事故停機(jī)損失、提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性、降低維修費(fèi)用的目的。</p><p>　　隨著全球工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)能耗高，能源相對(duì)來說比較短缺，節(jié)能是急待解決的問題。調(diào)查顯示，我國的發(fā)電總量中，電機(jī)是能源消耗大戶之一，占工業(yè)耗電量的80%，

22、因此變頻節(jié)能領(lǐng)域在我國有非常大的潛力。此外，通過交流調(diào)速技術(shù)不但能提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，還促進(jìn)了交通運(yùn)輸系統(tǒng)的交流化。所以，發(fā)展交流調(diào)速技術(shù)尤其是變頻調(diào)速技術(shù)勢(shì)在必行。</p><p>　　但由于新一代變頻器具有很高的載波頻率和電壓上升率（)，使得電機(jī)所承受的電應(yīng)力大大增加了，變頻器供電也給電機(jī)的可靠運(yùn)行帶來了一些新的問題。原有的電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)一般沒有考慮這一因素的影響，因此使用了變頻器供電后故障率提高了不少。這一

23、現(xiàn)象在國外正在引起越來越多的重視。</p><p>　　綜上所述，設(shè)計(jì)一套完善的數(shù)字檢測(cè)裝置對(duì)異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測(cè)是必要的，通過對(duì)一般常見故障的進(jìn)行檢測(cè)和分析，可以較早發(fā)現(xiàn)故障和預(yù)防故障的進(jìn)一步惡化，最大程度地減少或者避免惡性故障造成的經(jīng)濟(jì)損失，并為實(shí)現(xiàn)預(yù)知檢修創(chuàng)造條件，對(duì)保證安全生產(chǎn)也有著重要意義。</p><p><b>　　第1章 緒論</b><

24、;/p><p>　　目前交流調(diào)速電氣傳動(dòng)已經(jīng)成為電氣調(diào)速傳動(dòng)的主流。隨著現(xiàn)代交流電機(jī)調(diào)速控制理論的發(fā)展和電力電子裝置功能的完善，特別是微型計(jì)算機(jī)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，交流電機(jī)調(diào)速取得了突破性的進(jìn)展。</p><p>　　1.1 數(shù)字檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀情況</p><p>　　早期的異步電機(jī)的參數(shù)檢測(cè)中，一般采用的是模擬電子技術(shù)，測(cè)量裝置的體積大、功能單一、自動(dòng)化程度

25、不高和數(shù)據(jù)測(cè)量精度低，難以進(jìn)行諧波分析，不具備綜合分析和判斷功能，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)中的異常現(xiàn)象，并且數(shù)據(jù)不能存儲(chǔ)和通訊。</p><p>　　近年來，隨著微處理器和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，微機(jī)廣泛地應(yīng)用于電機(jī)測(cè)量中，使得電機(jī)的測(cè)量、監(jiān)控技術(shù)得到了很快發(fā)展，精度和實(shí)時(shí)性有了較大的提高，數(shù)字化的測(cè)量方法逐步取代傳統(tǒng)方法。與傳統(tǒng)的方法相比，數(shù)字化測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)在于硬件成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)于不同的測(cè)量對(duì)象只需改變程序的算法

26、，且精度一般優(yōu)于模擬式測(cè)量。但是電機(jī)對(duì)檢測(cè)裝置的實(shí)時(shí)性、計(jì)算能力及大數(shù)據(jù)量運(yùn)算速度等各方面要求的不斷提高，采用一片CPU或雙CPU微機(jī)式的電機(jī)參數(shù)檢測(cè)儀器，需要同時(shí)完成電機(jī)參數(shù)和諧波的大數(shù)據(jù)量的計(jì)算，再加上A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳送等內(nèi)容的影響，致使電機(jī)測(cè)量精度和準(zhǔn)確度越來越不能滿足日益提高的性能要求。DSP技術(shù)的高速發(fā)展為電機(jī)參數(shù)測(cè)試技術(shù)帶來了新的變革，DSP以其運(yùn)算速度快、精度高、顯著的計(jì)算能力與實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)輸入輸出能力強(qiáng)等特點(diǎn)

27、而被廣泛應(yīng)用，并且采用DSP開發(fā)的測(cè)量裝置體積小，集成度高；隨著DSP芯片的性價(jià)比不斷提高，開發(fā)工具越來越完善，DSP的應(yīng)用成為目前電機(jī)參數(shù)測(cè)試開發(fā)的最新趨勢(shì)，在電機(jī)參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域逐步取代單片機(jī)的趨勢(shì)。本設(shè)計(jì)是一種基于DSP技術(shù)的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)。</p><p>　　與模擬控制相比，微機(jī)數(shù)字控制——以微處理器為核心的數(shù)字控制的優(yōu)越性表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：</p><p>

28、;　?。?）控制器的硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高，成本低，可靠性高。</p><p>　　(2) 控制軟件可以按需要更換、修改或移植，靈活性大。</p><p>　　（3）消除了模擬控制中溫度漂移的影響，穩(wěn)定性好。</p><p>　?。?）信息存儲(chǔ)、監(jiān)控、故障診斷以及分級(jí)控制的能力不斷提高。</p><p>　　（5）隨著CPU運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量的

29、發(fā)展，各種新型的比較復(fù)雜的控制策略都能夠?qū)崿F(xiàn)。</p><p>　　本課題采用TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407A芯片作為異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字檢測(cè)裝置的控制核心。它將高性能的DSP內(nèi)核和豐富的微控制器外設(shè)功能集于一身，為電機(jī)的控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個(gè)理想的解決方案。它簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高了控制器的實(shí)時(shí)處理能力和調(diào)速性能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和集成度，功能更為完善。</p><p

30、>　　第2章 異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　籠型異步電動(dòng)機(jī)的定子頻率控制方式，有：(1) 恒壓頻比(U/f)控制；(2) 轉(zhuǎn)差頻率控制；(3) 矢量控制；(4) 直接轉(zhuǎn)矩控制等。其中，前兩種控制方式是依據(jù)異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，僅對(duì)交流電量的幅值進(jìn)行控制，因此也稱作標(biāo)量控制；后兩種控制方式是依據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，不僅控制交流電量的幅值，而且還控制交流電量的相位。本次設(shè)計(jì)采用前三種控制相

31、結(jié)合的控制方式。</p><p>　　2.1 變壓變頻調(diào)速的基本原理</p><p>　　根據(jù)電機(jī)學(xué)原理知識(shí)，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速方程為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　由2-1式可以看出，異步電機(jī)調(diào)速方法可分為三類：其一是在保持同步轉(zhuǎn)速恒定，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率s，稱為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速；其二是保持電源

32、頻率為額定頻率，改變定子電壓，稱為調(diào)壓調(diào)速；其三是在極對(duì)數(shù)一定時(shí)，同步轉(zhuǎn)速隨頻率變化，稱為變頻調(diào)速。本設(shè)計(jì)以變頻調(diào)速為研究對(duì)象。</p><p>　　三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中，—?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值；</p><p&g

33、t;　　—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；</p><p>　　—定子基波繞組系數(shù)；</p><p><b>　　—每極氣隙磁通量。</b></p><p>　　忽略定子繞組電阻和漏磁感抗壓降后，可認(rèn)為定子相電壓，則得</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　

34、　由式（2-3）可知，當(dāng)?shù)扔诔?shù)時(shí)，氣隙磁通。為了保持氣隙磁通恒定，應(yīng)使常數(shù)，或近似認(rèn)為常數(shù)。改變定子頻率時(shí)會(huì)出現(xiàn)下面兩種情況：</p><p>　　如果小于電機(jī)的額定頻率，氣隙磁通量就會(huì)大于額定氣隙磁通量，使鐵心嚴(yán)重過熱，從而勵(lì)磁電流將迅速上升，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)繞組絕緣降低，嚴(yán)重時(shí)有燒毀電動(dòng)機(jī)的危險(xiǎn)。由此可見，在調(diào)速過程中不僅要保持每極磁通量為額定值恒定不變，還要改變定子供電頻率。</p><p&

35、gt;　　如果大于電機(jī)的額定頻率，氣隙磁通量就會(huì)小于額定氣隙磁通量，沒有充分利用電動(dòng)機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)。但是，如果在機(jī)械條件允許的情況下長期使用是不會(huì)損壞電機(jī)的。</p><p><b>　　2.2 U/f控制</b></p><p>　　2.2.1基頻以下調(diào)速</p><p>　　由公式2-2可知，要保持常數(shù)，這就要求，當(dāng)頻率從額定值降低時(shí)

36、，也必須同時(shí)按比例降低，表示了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率比為恒值的控制方式，通常稱為控制。當(dāng)定子頻率較高時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值也較大，這時(shí)可以忽略定子的阻抗壓降，認(rèn)為定子相電壓，則得，稱為恒壓頻比控制方式。</p><p>　　低頻時(shí)，和都變小了，定子阻抗壓降所占的分量就比較顯著，不能再忽略。這時(shí)，把定子相電壓有效值適當(dāng)抬高一些，以補(bǔ)償定子阻抗電壓降影響。</p><p>　　在恒壓頻比控制的條件下，

37、當(dāng)供電頻率向下降低時(shí)，隨著頻率的改變而基本不變，其機(jī)械特性曲線基本上是平行下移的，如圖2.1中基頻以下調(diào)速部分所示。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩T為最大值時(shí)，機(jī)械特性曲線就折回來了。由于帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制能夠基本保持氣隙磁通不變，故允許輸出轉(zhuǎn)矩也基本不變，所以在基頻以下的變壓變頻調(diào)速屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”。</p><p>　　圖2.1 基頻以上與基頻以下調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性</p><p>　　2.

38、2.2基頻以上調(diào)速</p><p>　　在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率從向上升高，受到電動(dòng)機(jī)絕緣上耐壓和磁路飽和的限制，電壓超過額定值會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)的絕緣，一般保持，這會(huì)使磁通與頻率成反比的降低，使得異步電動(dòng)機(jī)工作在弱磁狀態(tài)。</p><p>　　當(dāng)大于基頻時(shí)，由恒值，可以看出，機(jī)械特性曲線平行上移，當(dāng)頻率升高時(shí)，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩T減小，而機(jī)械特性曲線形狀卻基本不變，如圖2.1中基頻以上調(diào)

39、速部分。</p><p>　　把基頻以下和基頻以上兩種情況結(jié)合起來，得到圖2.2所示的異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速控制特性。由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁動(dòng)勢(shì)必然減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩T減小。由于轉(zhuǎn)速n提高了，可以認(rèn)為輸出功率基本不變，所以基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速方式。 </p><p>　　圖2.2 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的控制特性</p><p>　　2.3 轉(zhuǎn)差頻率控

40、制</p><p>　　2.3.1轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想</p><p>　　轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)可以滿足平滑調(diào)速的要求，但靜、動(dòng)態(tài)性能不夠理想。采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制可提高靜、動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。轉(zhuǎn)速閉環(huán)頻率控制的變壓變頻調(diào)速是基于異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念及特點(diǎn)。</p><p>　

41、　異步電動(dòng)機(jī)恒氣隙磁通的電磁轉(zhuǎn)矩公式如下:</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　將代入上式，得：</b></p><p><b>　　（2-5）</b></p><p>　　式中，，是電動(dòng)的結(jié)構(gòu)常數(shù)。定義轉(zhuǎn)差角頻率，則：</p>

42、;<p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　當(dāng)常數(shù)時(shí)，由于s值很小，因而也很小，可以認(rèn)為，假設(shè)在穩(wěn)態(tài)時(shí)能夠使氣隙磁通維持不變，異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩近似與轉(zhuǎn)差角頻率成正比，轉(zhuǎn)矩公式可近似表示為。由此可知，通過控制轉(zhuǎn)差頻率可以實(shí)現(xiàn)控制電磁轉(zhuǎn)矩的目的。這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想。</p><p><b>　　轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律。<

43、;/b></p><p>　　圖2.3為轉(zhuǎn)矩特性(即機(jī)械特性) ，當(dāng)較小的穩(wěn)定運(yùn)行段，轉(zhuǎn)矩基本上與成正比。當(dāng)達(dá)到其最大值時(shí)，達(dá)到臨界值。</p><p>　　對(duì)于式2-5，取，可得：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　?。?-8）</b></p&g

44、t;<p>　　要保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，只要對(duì)加以限制，使，就可以基本保持與的正比關(guān)系，也就可以用轉(zhuǎn)差頻率來控制轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　圖2.3 按恒值控制的特性</p><p>　　上述結(jié)論是在保持恒定的條件下才成立的，要保持恒定需按恒控制。定子電壓在等效電路中可得:</p><p><b>　?。?-9）</b></p

45、><p>　　由2-9公式可得，采用轉(zhuǎn)差頻率控制方式可以測(cè)得定子電流電壓的值，還有頻率、轉(zhuǎn)速、直流電壓等的量。</p><p>　　當(dāng)在低頻時(shí)或負(fù)載的大小和性質(zhì)不同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)恒控制，必須采用改變曲線的特性來補(bǔ)償控制，就是在 恒值的基礎(chǔ)上再提高電壓以補(bǔ)償定子電流壓降，也就是保持恒定。</p><p>　　總結(jié)起來，轉(zhuǎn)差頻率控制的最大特點(diǎn)是:在的范圍內(nèi)，并且氣隙磁通不變，轉(zhuǎn)

46、矩基本上與成正比。</p><p>　　2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能分析</p><p>　　轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2.4所示，系統(tǒng)共有兩個(gè)轉(zhuǎn)速反饋控制。</p><p>　　圖2.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　轉(zhuǎn)速外環(huán)為負(fù)反饋，轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器的輸出轉(zhuǎn)差頻率給

47、定相當(dāng)于電磁轉(zhuǎn)矩給定。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)的作用與直流調(diào)速系統(tǒng)相當(dāng)。</p><p>　　內(nèi)環(huán)為正反饋，將轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器的輸出轉(zhuǎn)差頻率給定與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)相加，即得定子頻率給定信號(hào)，即，由通過曲線查得定子電壓給定信，用和控制PWM電壓型逆變器。</p><p>　　所示的轉(zhuǎn)差角頻率與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)相加后得到定子頻率輸入信號(hào)這一關(guān)系是轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)突出的特點(diǎn)或優(yōu)點(diǎn)。它表明，在調(diào)速過程中，實(shí)際頻率隨著

48、實(shí)際轉(zhuǎn)速 同步地上升或下降，有如水漲而船高，因此加、減速平滑而且穩(wěn)定。同時(shí)，由于在動(dòng)態(tài)過程中轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器飽和，系統(tǒng)能用對(duì)應(yīng)于 的限幅轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，保證了在允許條件下的快速性。由此可見，轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠像直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)那樣具有較好的靜、動(dòng)態(tài)性能，是一個(gè)比較優(yōu)越的控制策略，結(jié)構(gòu)也不算復(fù)雜。</p><p>　　2.4 矢量控制技術(shù)概述</p><p>

49、　　對(duì)所有的電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)來說，其實(shí)質(zhì)是控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來說，因?yàn)槠淇臻g位置固定而且大小可調(diào)的定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩電流完全解耦，其轉(zhuǎn)矩T可以簡單的表示為：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　所以對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制可以分別對(duì)轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流控制來實(shí)現(xiàn)。而異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型不同，要比直流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜的多。首先，有效的磁通是繞定

50、子旋轉(zhuǎn)的空間矢量，而不是簡單的標(biāo)量控制。其次，異步電動(dòng)機(jī)沒有獨(dú)立可控的勵(lì)磁支路，與外部的聯(lián)系只有輸入的定子電壓，所以其勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流都是由定子電流提供，無法簡單的解耦控制。在控制時(shí)，定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量相互影響，破壞整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。</p><p>　　矢量控制的將交流電動(dòng)機(jī)的物理模型等效地變換成類似直流電動(dòng)機(jī)的模型，異步電動(dòng)機(jī)三相原始動(dòng)態(tài)模型相當(dāng)復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用中必須予以簡化，簡化的基本方法就是坐

51、標(biāo)變換，三相繞組可以用相互獨(dú)立的兩相正交對(duì)稱繞組等效代替，將定子電流分解為勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，等效的原則是產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相等，勵(lì)磁和電樞是兩個(gè)獨(dú)立的回路，可以對(duì)電樞電流和勵(lì)磁電流進(jìn)行單獨(dú)控制和調(diào)節(jié)，達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的。</p><p>　　下面將從坐標(biāo)變換和異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型這兩方面予以介紹。</p><p>　　2.4.1坐標(biāo)變換 </p><p>

52、　　三相靜止—兩相靜止的變換(3s/2s變換)。</p><p>　　交流電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)系共分為三種，分別是兩相靜止坐標(biāo)系（2s）、三相靜止坐標(biāo)系(3s)和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(2r)。三相繞組A、B、C和兩相繞組、之間的變換，稱作三相坐標(biāo)系和兩相正交坐標(biāo)系間的變換，簡稱3s/2s變換，如圖2.5所示。</p><p>　　圖2.5 3s/2s坐標(biāo)變換

53、 圖2.6 2s/2r變換圖</p><p>　　根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)不變的等效原則，保持變換前后功率不變，則可以得到變換公式為：</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　其中， —三相坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系的變換矩陣。&l

54、t;/p><p>　　—兩相坐標(biāo)系變換到三相坐標(biāo)系的變換矩陣。</p><p>　　因此，三相坐標(biāo)系到兩相坐標(biāo)系的變換矩陣如下：</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　兩相靜止—兩相旋轉(zhuǎn)的變換(2s/2r變換)。</p><p>　　從靜止兩相正交坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變

55、換，簡稱2s/2r變換。</p><p>　　坐標(biāo)變換物理模型見圖2.6兩相交流電流、和兩個(gè)直流電流、，產(chǎn)生同樣的以角速度旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì)F，有如下關(guān)系：</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　因此，靜止兩相正交坐標(biāo)系

56、到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系到靜止兩相正交坐標(biāo)系的變換陣分別為：</p><p><b>　　（2-16）</b></p><p><b>　?。?-17）</b></p><p><b>　　即：</b></p><p><b>　?。?-18）</b&g

57、t;</p><p>　　此外，電流（磁動(dòng)勢(shì)）旋轉(zhuǎn)變換陣和電壓與磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣都相同。</p><p>　　2.4.2異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 </p><p>　　靜止兩相正交坐標(biāo)系中的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。</p><p><b>　　電壓矩陣方程為：</b></p><p><b>

58、　?。?-19）</b></p><p><b>　　磁鏈方程為：</b></p><p><b>　?。?-20）</b></p><p><b>　　電磁轉(zhuǎn)矩方程：</b></p><p><b>　?。?-21）</b></p>

59、;<p><b>　　運(yùn)動(dòng)方程：</b></p><p><b>　　（2-22）</b></p><p>　　式中，—定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感，；</p><p>　　—定子等效兩相繞組的自感，；</p><p>　　—轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感，。</p><

60、p>　　異步電動(dòng)機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程構(gòu)成，如下公式所示。</p><p><b>　　電壓矩陣方程：</b></p><p><b>　　（2-23）</b></p><p>

61、<b>　　磁鏈方程：</b></p><p><b>　　（2-24）</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)矩方程：</b></p><p><b>　?。?-25）</b></p><p><b>　　運(yùn)動(dòng)方程：</b><

62、/p><p><b>　?。?-26）</b></p><p>　　兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的突出特點(diǎn)是，當(dāng)三相ABC坐標(biāo)系中的電壓和電流是交流正弦波時(shí)，變換到d—q坐標(biāo)系上就成為直流電機(jī)相似的數(shù)學(xué)模型和調(diào)速性能。</p><p>　　2.4.3 異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)</p><p>　　矢量控制是目前交流電動(dòng)機(jī)

63、的先進(jìn)控制方式，一般將含有矢量變換的交流電動(dòng)機(jī)控制都稱為矢量控制，也叫磁場(chǎng)定向控制。實(shí)際上只有建立在等效直流電動(dòng)機(jī)模型上，并按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)準(zhǔn)確定向的控制，電動(dòng)機(jī)才能獲得最優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能。 </p><p>　　按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的基本思想就是通過坐標(biāo)變換，將異步電動(dòng)機(jī)等效成直流電動(dòng)機(jī)的模型。仿照直流電動(dòng)機(jī)的控制方法控制電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈，然后將轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)中的控制量反變換得到三相坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)量，然后實(shí)施控制。<

64、;/p><p>　　按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制方式</p><p>　　ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACTR為電流轉(zhuǎn)矩分量調(diào)節(jié)器，ATR為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，磁鏈一旦發(fā)生變化，通過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器及時(shí)調(diào)整電流轉(zhuǎn)矩分量給定值，以減少或避免磁鏈變化對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響，盡可能不影響或少影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。圖2.7為轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　圖2.7 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的矢

65、量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　外環(huán)—轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制是建立在定向于轉(zhuǎn)子磁鏈軸的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（M-T）上，通過電流電壓變換，把直流控制量、轉(zhuǎn)換成、，再經(jīng)過兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到定子靜止坐標(biāo)系上，得到二相交流控制量、，然后送入SVPWM電壓觸發(fā)脈沖發(fā)生器進(jìn)行觸發(fā)脈沖生成。</p><p>　　由圖2.7可以看出，要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)，我們需要檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈，要計(jì)算，我們就需要檢測(cè)

66、三相定子電流、、，算出、，還需檢測(cè)三相定子電壓、、，算出、，此外還需檢測(cè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。主電路采用SVPWM電壓空間矢量調(diào)制法。</p><p>　　轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2.8所示。轉(zhuǎn)子磁鏈擾動(dòng)的作用點(diǎn)是包含在轉(zhuǎn)矩環(huán)內(nèi)的，可以通過轉(zhuǎn)矩反饋控制來抑制此擾動(dòng)，若沒有轉(zhuǎn)矩閉環(huán)，就只能通過轉(zhuǎn)速外環(huán)來抑制轉(zhuǎn)子磁鏈擾動(dòng)，控制作用相對(duì)比較滯后。</p><p>　　圖2.8 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)

67、原理框圖</p><p><b>　　轉(zhuǎn)差角頻率：</b></p><p><b>　?。?-27）</b></p><p><b>　　磁鏈方程：</b></p><p><b>　?。?-28）</b></p><p><

68、b>　　轉(zhuǎn)矩方程：</b></p><p><b>　　（2-29）</b></p><p><b>　　運(yùn)動(dòng)方程：</b></p><p><b>　?。?-30）</b></p><p>　　其中，為轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)</p><p>

69、;　　從上式可以得出，令轉(zhuǎn)子磁鏈不變，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩是直接由定子電流矢量的轉(zhuǎn)矩電流分量控制，而且定子電流矢量的轉(zhuǎn)矩電流分量能計(jì)算出轉(zhuǎn)差，定子電流矢量的勵(lì)磁電流分量能計(jì)算出轉(zhuǎn)子磁鏈。在系統(tǒng)中定子電流的轉(zhuǎn)矩電流分量由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸出。</p><p>　　計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型法。</p><p>　　電壓模型是在坐標(biāo)系下根據(jù)定子電壓、電流觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈的方法。</p><p

70、>　　坐標(biāo)系上定子電壓為：</p><p><b>　　（2-31）</b></p><p><b>　　磁鏈方程：</b></p><p><b>　?。?-32）</b></p><p>　　由式2-31前兩行解出：</p><p><b

71、>　　（2-33）</b></p><p>　　代入式2-31后兩行得：</p><p><b>　?。?-34）</b></p><p><b>　　為漏磁系數(shù)</b></p><p>　　由式2-32和式2-33得計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型為：</p><p&g

72、t;<b>　?。?-35）</b></p><p>　　計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型如圖2.9所示，根據(jù)實(shí)測(cè)的電壓電流信號(hào)，計(jì)算定子磁鏈，然后再計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈。電壓模型不需要轉(zhuǎn)速信號(hào)，且算法與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)，只與定子電阻有關(guān)，而相對(duì)容易測(cè)得。</p><p>　　圖2.9 計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型</p><p>　　第3章 變頻調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字檢測(cè)電路硬

73、件設(shè)計(jì)</p><p>　　本次數(shù)字檢測(cè)裝置以TMS320LF2407A作為控制系統(tǒng)的核心處理芯片，主電路采用交一直一交型變頻調(diào)速系統(tǒng)，如圖3—1所示，主要包括主電路、檢測(cè)電路、控制電路等，它不僅能夠完成參數(shù)的設(shè)定和顯示，還能夠通過對(duì)電壓、電流、速度等參數(shù)的檢測(cè)來得到異步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　圖3.1 基于DSP的控制異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖<

74、/p><p>　　3.1 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路 </p><p>　　采用交-直-交電壓型變頻器，這是變頻器中最常用的一種方式，包括整流電路、濾波電路和逆變電路三部分。本設(shè)計(jì)中選用三相橋式不可控二極管整流器，濾波環(huán)節(jié)選用大電容濾波，逆變器采用集成功率模塊IPM。主電路如下圖所示：</p><p>　　圖3.2 交—直—交電壓型變頻器主電路結(jié)構(gòu)圖</p>

75、<p><b>　　3.1.1整流部分</b></p><p>　　三相不可控整流橋由六個(gè)整流二極管組成，將電源的三相交流全波整流成直流。整流電路因?qū)嶋H工程中變頻調(diào)速系統(tǒng)的所需輸出功率大小不同而異，小功率的輸入電源多用220V，整流電路為單相全波整流橋；大功率的一般用三相380V電源，整流電路為三相橋式全波整流電路。</p><p><b>　　

76、3.1.2直流部分</b></p><p>　　直流部分是由電容濾波電路和泵升電壓限制電路組成。電容濾波電路，是在整流輸出端并入大電容，交流電經(jīng)整流電路整流后，輸出的電壓是脈動(dòng)的，含有許多偶次諧波，由于電源頻率越高，濾波電容容抗越小，使分流作用變大，諧波被濾除的就越多，從而得到平滑的直流電壓。濾波電容的另一個(gè)作用是在整流電路與逆變器之間起隔離作用，用來弱化相互間影響，這就給作為感性負(fù)載的異步電動(dòng)機(jī)提供

77、必要的無功功率，此時(shí)濾波電容又稱為無功功率的提供者。因此，直流電路中應(yīng)使用大電容，能起到儲(chǔ)能作用，所以中間直流電路的電容器又稱儲(chǔ)能電容器。為限制直流側(cè)的泵升電壓，在直流側(cè)中設(shè)置了晶體管和大功率電阻，當(dāng)檢測(cè)到直流側(cè)電壓過高時(shí)，控制電路將晶體管開通，使多余的電能消耗在電阻上，限制了直流側(cè)電壓的升高。通過和的分壓作用，將直流電壓引入直流檢測(cè)電路檢測(cè)電壓。需要注意的是，、在使用時(shí)需滿足兩個(gè)條件：其一兩者阻值必須相等；其二其阻值必須大大小于與之相

78、并聯(lián)的電容容抗值。</p><p><b>　　3.1.3逆變部分</b></p><p>　　逆變電路的基本作用與整流電路相反，它將中間直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。由六個(gè)功率開關(guān)器件(如IGBT 、GTR)組成三相橋式逆變電路，通常把這些功率開關(guān)器件都集成在一個(gè)智能功率模塊IPM內(nèi)部。</p><p>　　本設(shè)

79、計(jì)中逆變電路的功率開關(guān)器件選用的就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GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，在高速、低功耗的場(chǎng)合使用最多。IGBT具有耐壓高、電流大、導(dǎo)通電阻小、控制功率小、開關(guān)頻率高等特點(diǎn)。而功率模塊IPM是把大功率開關(guān)器件、驅(qū)動(dòng)電路、過壓、過流、短路等故障檢測(cè)及保護(hù)電路等集成在同一個(gè)模塊內(nèi)，因而IPM的應(yīng)用可使變頻調(diào)速系統(tǒng)更為高頻化、小型化，同時(shí)

80、也提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。IPM均采用標(biāo)準(zhǔn)化的具有邏輯電平的柵控接口，IPM便能很方便地與控制芯片相連接。因此，IPM尤其適合于電動(dòng)機(jī)變頻器的驅(qū)動(dòng)。</p><p><b>　　3.2 檢測(cè)電路</b></p><p>　　檢測(cè)環(huán)節(jié)是本次設(shè)計(jì)最主要的部分，檢測(cè)環(huán)節(jié)性能的好壞直接決定整個(gè)異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能。檢測(cè)電路包括定子電流檢測(cè)、定子電壓檢測(cè)、電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)、定

81、子電壓頻率檢測(cè)、定子電壓與電流的相位差檢測(cè)和變頻器直流側(cè)電壓檢測(cè)。下面將作詳細(xì)介紹。</p><p><b>　　3.2.1電流檢測(cè)</b></p><p>　　目前電流信號(hào)的檢測(cè)主要有直接串聯(lián)電阻取樣法、電流互感器法以及霍爾傳感器法。電流互感器被廣泛應(yīng)用于電流的測(cè)量。因?yàn)樗脑边叢捎么篷詈?，故可以?shí)現(xiàn)被測(cè)電路與控制電路的隔離。電流互感器在測(cè)量正弦電流時(shí)，具有足夠的

82、工程精度，但由于現(xiàn)代電力電子器件在電工領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用，原有的電流互感器、電壓互感器已經(jīng)不能用來檢測(cè)高頻、高、具有諧波的電流電壓。</p><p>　　交流變頻調(diào)速方式的廣泛應(yīng)用，頻率較高的電流波形的檢測(cè)已不能用傳統(tǒng)的直流檢測(cè)元件，而在此背景下較為理想的電流檢測(cè)元件則是霍爾電流傳感器?；魻栯娏鱾鞲衅魇且环N利用霍爾效應(yīng)來工作的半導(dǎo)體器件。為了自動(dòng)檢測(cè)和顯示電流，并能在過流、過壓等危險(xiǎn)狀況發(fā)生時(shí)，具有自動(dòng)保護(hù)功能并實(shí)

83、現(xiàn)更高級(jí)的智能控制，就必須對(duì)精度和速度有較高要求。另外，由異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型可知，定子電流檢測(cè)的高精度和實(shí)時(shí)性對(duì)整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)精度起到?jīng)Q定性的作用。由此可見，電流檢測(cè)的要求必須精度高、速度快，而常見的電流互感器的一般精度為3%~5%，顯然難以滿足設(shè)計(jì)的要求，利用霍爾效應(yīng)的電流、電壓傳感器是在近十幾年發(fā)展起來的新一代電流傳感器，具有頻帶寬、過載能力強(qiáng)、絕緣好、線性度好、動(dòng)態(tài)性能好、抗外磁場(chǎng)干擾能力強(qiáng)等諸多特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速裝置

84、中。所以，本系統(tǒng)中采用霍爾電流傳感器模塊來檢測(cè)電流，其測(cè)量精度優(yōu)于1%，滿足設(shè)計(jì)要求中1.5%的要求。此外，電路中還需要高精度的電阻以及低溫漂和低失調(diào)的運(yùn)算放大器。</p><p>　　在檢測(cè)的過程中，由于有電流經(jīng)過的導(dǎo)線附近會(huì)產(chǎn)生出磁場(chǎng)，可用霍爾傳感器檢測(cè)由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，即為磁場(chǎng)中電流的值。LEM與乘法器相似，其輸出電壓和自身磁感應(yīng)強(qiáng)度以及自身工作電流的乘積是成比例的，并且可以直接驅(qū)動(dòng)各種性質(zhì)的負(fù)載，能與各種

85、邏輯電路直接接口。電流檢測(cè)電路就是把異步電動(dòng)機(jī)的定子電流轉(zhuǎn)換成DSP可識(shí)別的二進(jìn)制代碼，以方便CPU處理。由于本設(shè)計(jì)研究的是三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，三相負(fù)載平衡，有，因此電流檢測(cè)時(shí)只需檢測(cè)三相電流中的其中兩相，即可得到三相電流。</p><p>　　圖3.3 定子電流檢測(cè)電路</p><p>　　系統(tǒng)中采用的霍爾電流傳感器型號(hào)為南京茶花電子公司的CS050LX系列中的CS025LX

86、，其工作電壓為~，額定測(cè)量電流是25A，輸出電壓為。上圖中IA為霍爾電流傳感器次級(jí)電流輸出，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路，輸出電壓信號(hào)為-1.65V到+1.65V，然后經(jīng)過直流偏置電路，得到0到+3.3V的電壓信號(hào)，輸入至DSP的A/D接口。其目的是為了在閉環(huán)控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)得到反饋的交流電動(dòng)機(jī)的定子電流信號(hào)。</p><p>　　圖3.4 CS050LX 圖3.5 LV2

87、5-P</p><p><b>　　3.2.2電壓檢測(cè)</b></p><p>　　霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器的應(yīng)用電路是幾乎相同的，不同的是使用霍爾電壓傳感器時(shí)需要在原邊串上一個(gè)限流電阻。</p><p>　　我們選用LEM公司的LV 25-P霍爾電壓傳感器，其工作電壓為~，檢測(cè)電壓范圍為10V至500V，其檢測(cè)誤差小于0.9%，響應(yīng)時(shí)間

88、40uS，它有以下優(yōu)點(diǎn)：能在電隔離條件下監(jiān)控、監(jiān)測(cè)交直流電壓，且測(cè)量精度高、線性度良好、頻帶較寬、反應(yīng)敏捷、溫漂較低、無插入損耗、抗干擾及電流過載能力優(yōu)異，因而在變頻調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。滿足設(shè)計(jì)要求中電壓在30~400V的檢測(cè)精度達(dá)到1.5%。</p><p>　　圖3.6 定子電壓檢測(cè)電路</p><p><b>　　3.2.3轉(zhuǎn)速檢測(cè)</b></p&

89、gt;<p>　　在電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)獲得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信息，高速、高精度的傳感器及相應(yīng)的處理電路是必需的。電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)字測(cè)量技術(shù)有以下三種，有霍爾元件測(cè)速、光電旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速和測(cè)速電機(jī)測(cè)速等方法，轉(zhuǎn)速檢測(cè)的精度直接影響系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。測(cè)速發(fā)電機(jī)存在線性區(qū)有限、輸出包含高次諧波分量等缺點(diǎn)，不適合高性能的調(diào)速系統(tǒng)。利用光電旋轉(zhuǎn)編碼器便可得到需要測(cè)量的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)高分辨率、高精度的轉(zhuǎn)速檢測(cè)。TMS32

90、0LF2407A的事件管理器中有專門用來檢測(cè)信號(hào)的正交編碼器(QEP)以獲得電動(dòng)機(jī)的位置和速度信號(hào)。</p><p>　　本系統(tǒng)采用歐姆龍公司提供的旋轉(zhuǎn)編碼器，型號(hào)是E6B2 - CWZ6C，其供電電壓范圍為5~24V，集電極開路輸出，輸出分別為A相、B相、Z相三相脈沖。其中A、B相互差90°相位，每旋轉(zhuǎn)一圈便輸出1500個(gè)脈沖，允許最高轉(zhuǎn)速6000r/min。另外，要想知道旋轉(zhuǎn)編碼器的旋轉(zhuǎn)方向，可通過

91、辨認(rèn)A相與B相在相位上哪相超前就能得到。而Z脈沖為每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出一個(gè)標(biāo)志脈沖信號(hào)以代表參考零位，相當(dāng)于伺服控制系統(tǒng)中的定位，帶反接、負(fù)載短路保護(hù)回路，可靠性更高。</p><p>　　TMS320LF2407A集成了正交編碼(QEP)電路，QEP電路內(nèi)部設(shè)有轉(zhuǎn)向檢測(cè)和倍頻電路，因此可直接用于連接光電編碼器，不再需要其它輔助電路，接口電路設(shè)計(jì)變得非常簡單。</p><p>　　圖3.7 轉(zhuǎn)速

92、檢測(cè)電路</p><p>　　從上圖可以看出，旋轉(zhuǎn)編碼器的A相脈沖輸出經(jīng)過高速光耦6N137隔離后，直接接到TMS320F2407A的QEP1引腳，B相脈沖以相同方式接到QEP2引腳。圖3.7中間為快速光耦。在DSP中捕獲光電旋轉(zhuǎn)編碼器的A、B兩相脈沖配置成正交編碼脈沖模式，在這種模式下，我們選擇使用通用定時(shí)器T2對(duì)輸入的正交編碼脈沖實(shí)行計(jì)數(shù)和解碼，讓定時(shí)器T2處于定向增/減模式下，這樣，QEP電路不但能為T2提

93、供計(jì)數(shù)脈沖，而且還能決定其計(jì)數(shù)方向。因?yàn)镼EP電路同時(shí)對(duì)兩路正交編碼脈沖的前后沿均進(jìn)行計(jì)數(shù)，不用外部的倍頻電路，正交編碼脈沖運(yùn)行4倍頻后作為定時(shí)器T2的計(jì)數(shù)脈沖，并通過QEP電路的方向檢測(cè)兩路脈沖的先后順序判定電機(jī)的方向，隨之產(chǎn)生一個(gè)方向信號(hào)作為定時(shí)器T2的方向輸入，當(dāng)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，T2減小計(jì)數(shù)，當(dāng)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，T2增加計(jì)數(shù)。圖3.8是轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)，包括兩個(gè)正交編碼脈沖信號(hào)、定時(shí)器T2計(jì)數(shù)信號(hào)還有計(jì)數(shù)方向時(shí)序邏輯信號(hào)。</p&

94、gt;<p>　　圖3.8 轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)</p><p>　　圖3.9 E6B2 - CWZ6C 圖3.10 LM393</p><p><b>　　3.2.4頻率檢測(cè)</b></p><p>　　頻率檢測(cè)電路的交流輸入量為下圖IT點(diǎn)電壓，取自相電壓經(jīng)預(yù)處理電路后的輸出量。

95、這樣就能產(chǎn)生符合DSP捕捉口所需要的上升沿，由電壓比較器LM393設(shè)計(jì)的頻率檢測(cè)電路如圖3.11所示：</p><p>　　圖3.11 頻率檢測(cè)電路圖</p><p>　　電壓比較器LM393的封裝如下圖所示，為兩片集成封裝：</p><p>　　圖3.12 電壓比較器LM393封裝圖</p><p>　　因?yàn)镈SP芯片的捕捉口需要的電壓

96、范圍為0~＋3.3伏之間，目前電壓比較器LM393采用5V單電源供電，我們用兩個(gè)分壓電阻和與DSP的捕捉口CAP4相連，由于系統(tǒng)中還存在著高次諧波，電路中添加電容的作用就是濾掉高次諧波對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾，并使下降上升延維持一定的時(shí)間，方便DSP芯片的捕捉口CAP4捕捉到足夠?qū)挾鹊纳仙亍?lt;/p><p>　　3.2.5相位差檢測(cè)</p><p>　　相位差的測(cè)量不同于電壓、電流信號(hào)的測(cè)量。測(cè)

97、量相位差的前提需要兩路信號(hào)具有相同的頻率，并且兩路信號(hào)幅值不同也會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響。另外，相位差是一個(gè)比較量，是依附于電壓、電流信號(hào)中的。 </p><p>　　常見的相位差檢測(cè)方法是過零比較法，就是檢測(cè)兩信號(hào)過零時(shí)刻的時(shí)間差(即相位差脈沖的寬度)，并與信號(hào)周期進(jìn)行比較，從而獲得相位差。該方式思路簡潔直觀，原理易于理解，得到了廣泛應(yīng)用。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中相位差測(cè)量是將霍爾電壓傳感

98、器輸出的交流電壓信號(hào)IU經(jīng)過濾波器后輸出正弦信號(hào)波形，再經(jīng)過電壓比較器變成方波。同樣將霍爾電流傳感器檢測(cè)電路輸出的交流電流信號(hào)IA經(jīng)過濾波器后輸出與交流電流成正比的電壓波形，也經(jīng)過電壓比較器變成方波。分別使用事件管理器A（EVA）中的捕獲單元CAP1、CAP2對(duì)其上升沿進(jìn)行捕獲，選用的通用定時(shí)器1對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)值即為反映兩路信號(hào)相位差的時(shí)間。捕獲單元CAP1捕獲到第一路信號(hào)的上升沿之后，讀取定時(shí)器2計(jì)數(shù)值即為信號(hào)周期的時(shí)間。采樣

99、IOPC2引腳若為高電平，則第一路信號(hào)滯后第二路信號(hào)；采樣IOPC2引腳若為低電平，則第一路信號(hào)超前第二路信號(hào)。在捕獲中斷2子程序中，通用定時(shí)器1停止計(jì)數(shù)，讀取計(jì)數(shù)值，即為反映相位差脈沖寬度的時(shí)間。</p><p>　　圖3.13 相位檢測(cè)電路</p><p>　　圖3.14 電壓電流方波信號(hào)</p><p>　　3.2.6直流電壓檢測(cè)</p>&

100、lt;p>　　在變頻器系統(tǒng)中，直流母線側(cè)電壓是一個(gè)重要的輸入量，直流電壓的大小與IGBT的安全息息相關(guān)。雖然在設(shè)計(jì)時(shí)常常假設(shè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的直流側(cè)電壓是恒定的，但實(shí)際上因?yàn)樨?fù)載變化、電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)等因素導(dǎo)致它一直是波動(dòng)的。保證整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠，檢測(cè)直流側(cè)電壓的值是必須的，這也為直流母線中欠壓過壓提供依據(jù)。此外，在忽略逆變器的死區(qū)效應(yīng)的情況下，交流電壓的量可由直流電壓與開關(guān)狀態(tài)信息共同得出，這種方法可以減少傳感器數(shù)量，從而降低了系統(tǒng)

101、成本，增加了系統(tǒng)的可靠性，僅僅適用于需要相電壓作為反饋信號(hào)的控制策略中。其快速性和精度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有影響，所以我們用高精度的霍爾電壓傳感器。</p><p>　　直流側(cè)電壓檢測(cè)電路如圖3.15所示。整流濾波后輸出的直流電壓接入LV100的兩只輸入引腳。DSP的采樣輸入電壓范圍為0到+3.3V，由于電壓傳感器是測(cè)量電壓，而整流后流入的是電流，原邊需要串聯(lián)一個(gè)電阻。其中，為采樣電阻，和C構(gòu)成一階低通濾波電路?；魻杺鞲衅?/p>

102、輸出是電流信號(hào)，采樣電阻是將流入的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧碾妷盒盘?hào)。此后，LV100輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過由運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器進(jìn)行隔離，再經(jīng)過RC濾波電路處理后送至DSP的ADCIN3引腳。</p><p>　　圖3.15 電壓檢測(cè)電路</p><p>　　我們選用LEM公司的LV 100霍爾電壓傳感器，檢測(cè)電壓范圍為100V至2500V，其檢測(cè)誤差小于0.7%，響應(yīng)時(shí)間在20至100uS之間

103、，具有精度非常高、線性度好、溫漂小、響應(yīng)時(shí)間短、帶寬寬、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。滿足設(shè)計(jì)要求中檢測(cè)精度達(dá)到1.5%</p><p>　　圖3.16 LV 100</p><p><b>　　3.3 控制回路</b></p><p>　　控制回路包括DSP最小系統(tǒng)電路、仿真接口JTAG電路、PWM信號(hào)發(fā)生電路、A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路等。其中控制回路

104、的主控芯片采用的是美國TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320LF2407A，最小系統(tǒng)由DSP本身、復(fù)位電路、晶振等電路構(gòu)成。仿真接口JTAG電路為了實(shí)現(xiàn)在線仿真，同時(shí)在調(diào)試過程裝載數(shù)據(jù)代碼。</p><p><b>　　3.3.1主控芯片</b></p><p>　　在諸多的DSP生產(chǎn)商中，最成功的當(dāng)數(shù)美國德州儀器公司(Texas Instruments，TI)。如今T

105、I公司的一系列DSP產(chǎn)品己經(jīng)成為當(dāng)今世界上最有影響的DSP芯片，其市場(chǎng)份額占全世界DSP份額的50%。TMS320LF2407A是TI公司推出的DSP芯片第二代的改進(jìn)型，是專門用于電機(jī)調(diào)速控制的芯片。具有高性能處理和運(yùn)算能力，是一個(gè)由高性能的DSP內(nèi)核和片內(nèi)外器件集成的一個(gè)芯片的高級(jí)工業(yè)數(shù)字控制器。TMS320LF2407ADSP有以下一些特點(diǎn)：</p><p>　　采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3

106、.3伏，減小了控制器的功耗；30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。</p><p>　　基于TMS320C2xxDSP的CPU核保證了TMS320LF240x系列DSP代碼和TMS320系列DSP代碼兼容。</p><p>　　片內(nèi)高達(dá)32K字的FLASH程序存儲(chǔ)器，高達(dá)1.5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM，544字節(jié)雙口RAM和2K字的單口RAM。&l

107、t;/p><p>　　兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)包括：兩個(gè)16位通用定時(shí)器；8個(gè)16位的脈寬調(diào)制通道。</p><p>　　可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器總共192K字，這包括64K字程序存儲(chǔ)器；64K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器；64K字I/O尋址空間。</p><p>　　看門狗定時(shí)器模塊，防止程序跑飛。</p><p>　　10位A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為

108、500ns,可選擇由兩個(gè)事件管理器來觸發(fā)的兩個(gè)8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器或一個(gè)16通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　控制器局域網(wǎng)絡(luò)2.0B模塊。</p><p><b>　　串行通信接口。</b></p><p>　　16位的串行外設(shè)接口模塊。</p><p>　　基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器。</p>

109、<p>　　高達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳。</p><p><b>　　5個(gè)外部中斷。</b></p><p>　　電源管理包括3種的功耗模式，并且能獨(dú)立將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗模式。</p><p>　　3.3.2顯示單元硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的顯示接口電路采用的是LED顯示驅(qū)

110、動(dòng)器MAX7219，利用LED可實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的頻率、電壓電流及故障等的輸出顯示。MAX7219的特點(diǎn)為串行接收數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)掃描和共陰極，其接口采用同步串行方式，只需三根線就能與DSP連接，每位顯示數(shù)字的相應(yīng)地址由DSP寫入，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位LED，此時(shí)多路掃描器掃描頻率為1300HZ，因此每位數(shù)都可進(jìn)行獨(dú)立控制及刷新，而不需要重寫整個(gè)顯示器，少于8位LED時(shí)，頻率為8×1300/n(n為LED掃描位數(shù))。MAX7219

111、還有掉電模式，一個(gè)掃描界限寄存器(可以選擇1位數(shù)顯示到8位數(shù)顯示)和一個(gè)測(cè)試模式(強(qiáng)使 圖3.17 MAX7219</p><p><b>　　所有LED接通)。</b></p><p>　　圖3.18 顯示單元電路</p><p>　　由MAX7219驅(qū)動(dòng)的4位顯示電路如圖3.18所示，通過設(shè)置段電流，通過, 接電源去耦，DIG 0-

112、DIG 3八位驅(qū)動(dòng)線從顯示器吸入電流，SEG A-SEG G及SEG DP，分別為7段驅(qū)動(dòng)器和小數(shù)點(diǎn)線，供給顯示器電流。從TMS320LF2407A的I/O口IOPBO輸出同步串行數(shù)據(jù)，在CLK時(shí)鐘的下降沿被加載到內(nèi)部16位的移位寄存器中；IOPB1是數(shù)據(jù)裝載輸出端，串行輸入數(shù)據(jù)的最后16位在LOAD的上升沿被鎖定；IOPB2輸出時(shí)鐘CLK，最高頻率為10MHz。</p><p>　　第4章 檢測(cè)數(shù)據(jù)處理方法&l

113、t;/p><p>　　4.1 數(shù)字測(cè)速方法</p><p>　　光電編碼器安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光電編碼器輸出脈沖，脈沖頻率與轉(zhuǎn)速大小成正比，通常有三種方法測(cè)量光電編碼器輸出脈沖：M法(頻率法),T法(周期法)、 M/ T法。</p><p>　　4.1.1 M法測(cè)速</p><p>　　M法測(cè)速是在一定的測(cè)量時(shí)間內(nèi)測(cè)取旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈

114、沖數(shù)為，用以計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速。則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中，n—電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位(r/min)；</p><p>　　Z—電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生的脈沖數(shù)。</p><p><b>　　M法測(cè)速分辨率為：</b></p>