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

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字檢測裝置設(shè)計</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及其

2、自動化 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b></

3、p><p>　　三相異步電動機是人類生活和生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的一種電機，它們的正常運行對生產(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，異步電動機故障時有發(fā)生。電動機故障不但會損壞電機本身，而且關(guān)系到整個生產(chǎn)系統(tǒng)的正常工作，嚴重的會危及人身安全，造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，設(shè)計一套數(shù)字檢測裝置對異步電動機故障進行分析和檢測就顯得尤為重要。</p><p>　　本文以異步電機

4、變頻調(diào)速系統(tǒng)為研究對象，TI公司的電機控制專用微處理器TMS320LF2407A型數(shù)字信號處理器（DSP）為系統(tǒng)的控制核心，首先提出了異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)中相關(guān)參數(shù)檢測的意義與數(shù)字檢測的優(yōu)點；接著就異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的三種控制方式進行介紹，分別是U/f控制、轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制等控制方式；然后分別對異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字檢測裝置的硬件方面和軟件方面進行了設(shè)計，設(shè)計一套適用于異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字檢測裝置。本數(shù)字檢測裝置的硬件檢

5、測的電參量和非電參量比較全面，可以用來測量定子電流、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，將檢測的數(shù)據(jù)都采用LED數(shù)碼管顯示。檢測的方式是采用交流檢測法，并且使用了離散傅里葉算法DFT，提高了系統(tǒng)的檢測的精度和響應(yīng)速度。另外，本裝置對檢測精度要求較高，檢測電路中選擇的都是具有高精度的元器件。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電機參數(shù)；DSP；數(shù)字檢測；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)字檢測技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀情況2</p><p>　　第2章 異步電機變頻調(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坐標變換8</p><

14、;p>　　2.4.2異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型9</p><p>　　2.4.3異步電動機按轉(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)字檢測電路硬件設(shè)計15</p><p>　　3.1 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路15</p><p>　　3.2 檢測電路16</p><p>

15、　　3.2.1電流檢測16</p><p>　　3.2.2電壓檢測18</p><p>　　3.3.3轉(zhuǎn)速檢測18</p><p>　　3.2.4頻率檢測20</p><p>　　3.2.2相位差檢測21</p><p>　　3.3.3直流電壓檢測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24</p><p>　　第4章 檢測數(shù)據(jù)處理方法26</p><p>　　4.1數(shù)字測速方法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檢測數(shù)據(jù)運算方法29</p><p>　　第5章 檢測軟件設(shè)計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37</b></p><p><b>　　前言</b>&l

19、t;/p><p>　　三相異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、運行可靠，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€領(lǐng)域和部門，是一種需求量最大、覆蓋面最廣的電機。</p><p>　　由于惡劣的工作環(huán)境、電機的自然老化，還有受電機制造水平、檢修質(zhì)量、運行管理水平等方面的制約，異步電動機故障時會發(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，電機的使用

20、數(shù)量在生產(chǎn)系統(tǒng)中不斷增加，單機容量也不斷升高。特別是隨著當今自動化水平逐日提高，系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，電機一旦發(fā)生故障，諸如電流、電壓過高過低，均能影響電機的正常使用功效及使用壽命，而且會關(guān)系到整個生產(chǎn)系統(tǒng)，嚴重地還會危及人身安全，造成不可估量的經(jīng)濟損失和不好的社會影響。所以，保證電機在生產(chǎn)過程中的安全可靠運行具有至關(guān)重要的意義。</p><p>　　目前，異步電動機初發(fā)故障的檢測一般是通過在線監(jiān)測異步電動機的電壓

21、、電流、轉(zhuǎn)速、頻率等相關(guān)運行參數(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，使異步電動機維修體制發(fā)生了一次飛躍，從而達到減少事故停機損失、提高設(shè)備運行的可靠性、降低維修費用的目的。</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，還促進了交通運輸系統(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（)，使得電機所承受的電應(yīng)力大大增加了，變頻器供電也給電機的可靠運行帶來了一些新的問題。原有的電機在設(shè)計時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)計一套完善的數(shù)字檢測裝置對異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)進行故障檢測是必要的，通過對一般常見故障的進行檢測和分析，可以較早發(fā)現(xiàn)故障和預(yù)防故障的進一步惡化，最大程度地減少或者避免惡性故障造成的經(jīng)濟損失，并為實現(xiàn)預(yù)知檢修創(chuàng)造條件，對保證安全生產(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)速電氣傳動已經(jīng)成為電氣調(diào)速傳動的主流。隨著現(xiàn)代交流電機調(diào)速控制理論的發(fā)展和電力電子裝置功能的完善，特別是微型計算機及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，交流電機調(diào)速取得了突破性的進展。</p><p>　　1.1 數(shù)字檢測技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀情況</p><p>　　早期的異步電機的參數(shù)檢測中，一般采用的是模擬電子技術(shù)，測量裝置的體積大、功能單一、自動化程度

25、不高和數(shù)據(jù)測量精度低，難以進行諧波分析，不具備綜合分析和判斷功能，不能及時發(fā)現(xiàn)電機中的異?，F(xiàn)象，并且數(shù)據(jù)不能存儲和通訊。</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，微機廣泛地應(yīng)用于電機測量中，使得電機的測量、監(jiān)控技術(shù)得到了很快發(fā)展，精度和實時性有了較大的提高，數(shù)字化的測量方法逐步取代傳統(tǒng)方法。與傳統(tǒng)的方法相比，數(shù)字化測量的優(yōu)點在于硬件成本低、適應(yīng)性強、對于不同的測量對象只需改變程序的算法

26、，且精度一般優(yōu)于模擬式測量。但是電機對檢測裝置的實時性、計算能力及大數(shù)據(jù)量運算速度等各方面要求的不斷提高，采用一片CPU或雙CPU微機式的電機參數(shù)檢測儀器，需要同時完成電機參數(shù)和諧波的大數(shù)據(jù)量的計算，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，致使電機測量精度和準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)展為電機參數(shù)測試技術(shù)帶來了新的變革，DSP以其運算速度快、精度高、顯著的計算能力與實時性、數(shù)據(jù)輸入輸出能力強等特點

27、而被廣泛應(yīng)用，并且采用DSP開發(fā)的測量裝置體積小，集成度高；隨著DSP芯片的性價比不斷提高，開發(fā)工具越來越完善，DSP的應(yīng)用成為目前電機參數(shù)測試開發(fā)的最新趨勢，在電機參數(shù)測量領(lǐng)域逐步取代單片機的趨勢。本設(shè)計是一種基于DSP技術(shù)的異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字檢測裝置的設(shè)計。</p><p>　　與模擬控制相比，微機數(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)在以下幾個方面：</p><p>

28、;　?。?）控制器的硬件電路標準化程度高，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>　?。?）消除了模擬控制中溫度漂移的影響，穩(wěn)定性好。</p><p>　　（4）信息存儲、監(jiān)控、故障診斷以及分級控制的能力不斷提高。</p><p>　?。?）隨著CPU運算速度和存儲容量的

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)字信號處理器TMS320LF2407A芯片作為異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字檢測裝置的控制核心。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，為電機的控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個理想的解決方案。它簡化了系統(tǒng)的設(shè)計，提高了控制器的實時處理能力和調(diào)速性能，增強了系統(tǒng)的可靠性和集成度，功能更為完善。</p><p

30、>　　第2章 異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　籠型異步電動機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)異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，僅對交流電量的幅值進行控制，因此也稱作標量控制；后兩種控制方式是依據(jù)異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型，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)電機學原理知識，異步電機的轉(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；其三是在極對數(shù)一定時，同步轉(zhuǎn)速隨頻率變化，稱為變頻調(diào)速。本設(shè)計以變頻調(diào)速為研究對象。</p><p>　　三相異步電動機定子每相電動勢的有效值為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中，—氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢的有效值；</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，可認為定子相電壓，則得</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　

34、　由式（2-3）可知，當?shù)扔诔?shù)時，氣隙磁通。為了保持氣隙磁通恒定，應(yīng)使常數(shù)，或近似認為常數(shù)。改變定子頻率時會出現(xiàn)下面兩種情況：</p><p>　　如果小于電機的額定頻率，氣隙磁通量就會大于額定氣隙磁通量，使鐵心嚴重過熱，從而勵磁電流將迅速上升，導致電動機繞組絕緣降低，嚴重時有燒毀電動機的危險。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;　　如果大于電機的額定頻率，氣隙磁通量就會小于額定氣隙磁通量，沒有充分利用電動機的鐵心，是一種浪費。但是，如果在機械條件允許的情況下長期使用是不會損壞電機的。</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，當頻率從額定值降低時

36、，也必須同時按比例降低，表示了感應(yīng)電動勢頻率比為恒值的控制方式，通常稱為控制。當定子頻率較高時，感應(yīng)電動勢的有效值也較大，這時可以忽略定子的阻抗壓降，認為定子相電壓，則得，稱為恒壓頻比控制方式。</p><p>　　低頻時，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，把定子相電壓有效值適當抬高一些，以補償定子阻抗電壓降影響。</p><p>　　在恒壓頻比控制的條件下，

37、當供電頻率向下降低時，隨著頻率的改變而基本不變，其機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。當電動機轉(zhuǎn)矩T為最大值時，機械特性曲線就折回來了。由于帶定子壓降補償?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)速時的機械特性</p><p>　　2.

38、2.2基頻以上調(diào)速</p><p>　　在基頻以上調(diào)速時，頻率從向上升高，受到電動機絕緣上耐壓和磁路飽和的限制，電壓超過額定值會損壞電動機的絕緣，一般保持，這會使磁通與頻率成反比的降低，使得異步電動機工作在弱磁狀態(tài)。</p><p>　　當大于基頻時，由恒值，可以看出，機械特性曲線平行上移，當頻率升高時，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩T減小，而機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，氣隙磁動勢必然減弱，導致轉(zhuǎn)矩T減小。由于轉(zhuǎn)速n提高了，可以認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 異步電動機變頻調(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、動態(tài)性能不夠理想。采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制可提高靜、動態(tài)性能，實現(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)速是基于異步電動機穩(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。</p><p>　

41、　異步電動機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>　　當常數(shù)時，由于s值很小，因而也很小，可以認為，假設(shè)在穩(wěn)態(tài)時能夠使氣隙磁通維持不變，異步電動機電磁轉(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(即機械特性) ，當較小的穩(wěn)定運行段，轉(zhuǎn)矩基本上與成正比。當達到其最大值時，達到臨界值。</p><p>　　對于式2-5，取，可得：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　（2-8）</b></p&g

44、t;<p>　　要保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行，只要對加以限制，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>　　當在低頻時或負載的大小和性質(zhì)不同時，要實現(xiàn)恒控制，必須采用改變曲線的特性來補償控制，就是在 恒值的基礎(chǔ)上再提高電壓以補償定子電流壓降，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)為負反饋，轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器的輸出轉(zhuǎn)差頻率給

47、定相當于電磁轉(zhuǎn)矩給定。轉(zhuǎn)速負反饋外環(huán)的作用與直流調(diào)速系統(tǒng)相當。</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)差頻率給定與實測轉(zhuǎn)速信號相加，即得定子頻率給定信號，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)差角頻率與實測轉(zhuǎn)速信號相加后得到定子頻率輸入信號這一關(guān)系是轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)突出的特點或優(yōu)點。它表明，在調(diào)速過程中，實際頻率隨著

48、實際轉(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，由于在動態(tài)過程中轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器飽和，系統(tǒng)能用對應(yīng)于 的限幅轉(zhuǎn)矩進行控制，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)能夠像直流電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)那樣具有較好的靜、動態(tài)性能，是一個比較優(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、　　對所有的電動機調(diào)速系統(tǒng)來說，其實質(zhì)是控制電動機的轉(zhuǎn)矩。對于直流電動機來說，因為其空間位置固定而且大小可調(diào)的定子磁場和轉(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>　　所以對電機轉(zhuǎn)矩的控制可以分別對轉(zhuǎn)矩電流和勵磁電流控制來實現(xiàn)。而異步電動機的數(shù)學模型不同，要比直流電動機復(fù)雜的多。首先，有效的磁通是繞定

50、子旋轉(zhuǎn)的空間矢量，而不是簡單的標量控制。其次，異步電動機沒有獨立可控的勵磁支路，與外部的聯(lián)系只有輸入的定子電壓，所以其勵磁電流和轉(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，定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量相互影響，破壞整個系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。</p><p>　　矢量控制的將交流電動機的物理模型等效地變換成類似直流電動機的模型，異步電動機三相原始動態(tài)模型相當復(fù)雜，實際應(yīng)用中必須予以簡化，簡化的基本方法就是坐

51、標變換，三相繞組可以用相互獨立的兩相正交對稱繞組等效代替，將定子電流分解為勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，等效的原則是產(chǎn)生的磁動勢相等，勵磁和電樞是兩個獨立的回路，可以對電樞電流和勵磁電流進行單獨控制和調(diào)節(jié)，達到控制轉(zhuǎn)矩的目的。</p><p>　　下面將從坐標變換和異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型這兩方面予以介紹。</p><p>　　2.4.1坐標變換 </p><p>

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

53、 圖2.6 2s/2r變換圖</p><p>　　根據(jù)磁動勢不變的等效原則，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>　　（2-12）</b></p><p>　　其中， —三相坐標系變換到兩相坐標系的變換矩陣。&l

54、t;/p><p>　　—兩相坐標系變換到三相坐標系的變換矩陣。</p><p>　　因此，三相坐標系到兩相坐標系的變換矩陣如下：</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系到旋轉(zhuǎn)坐標系的變

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

56、到旋轉(zhuǎn)正交坐標系與旋轉(zhuǎn)正交坐標系到靜止兩相正交坐標系的變換陣分別為：</p><p><b>　?。?-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（磁動勢）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異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型 </p><p>　　靜止兩相正交坐標系中的動態(tài)數(shù)學模型。</p><p><b>　　電壓矩陣方程為：</b></p><p><b>

58、　　（2-19）</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>　　（2-21）</b></p>

59、;<p><b>　　運動方程：</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>　　異步電動機在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系上的數(shù)學模型。</p><p>　　同步旋轉(zhuǎn)坐標系中異步電機的動態(tài)數(shù)學模型，由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程構(gòu)成，如下公式所示。</p><p><b>　　電壓矩陣方程：</b></p><p><b>　?。?-23）</b></p><p>

61、<b>　　磁鏈方程：</b></p><p><b>　?。?-24）</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)矩方程：</b></p><p><b>　?。?-25）</b></p><p><b>　　運動方程：</b><

62、/p><p><b>　?。?-26）</b></p><p>　　兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系的突出特點是，當三相ABC坐標系中的電壓和電流是交流正弦波時，變換到d—q坐標系上就成為直流電機相似的數(shù)學模型和調(diào)速性能。</p><p>　　2.4.3 異步電動機按轉(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機

63、的先進控制方式，一般將含有矢量變換的交流電動機控制都稱為矢量控制，也叫磁場定向控制。實際上只有建立在等效直流電動機模型上，并按轉(zhuǎn)子磁場準確定向的控制，電動機才能獲得最優(yōu)的動態(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變換，將異步電動機等效成直流電動機的模型。仿照直流電動機的控制方法控制電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈，然后將轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標中的控制量反變換得到三相坐標系的對應(yīng)量，然后實施控制。<

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)器及時調(diào)整電流轉(zhuǎn)矩分量給定值，以減少或避免磁鏈變化對轉(zhuǎn)矩的影響，盡可能不影響或少影響電動機轉(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)坐標系變換到定子靜止坐標系上，得到二相交流控制量、，然后送入SVPWM電壓觸發(fā)脈沖發(fā)生器進行觸發(fā)脈沖生成。</p><p>　　由圖2.7可以看出，要實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)，我們需要檢測轉(zhuǎn)子磁鏈，要計算，我們就需要檢測

66、三相定子電流、、，算出、，還需檢測三相定子電壓、、，算出、，此外還需檢測轉(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)子磁鏈擾動的作用點是包含在轉(zhuǎn)矩環(huán)內(nèi)的，可以通過轉(zhuǎn)矩反饋控制來抑制此擾動，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，控制作用相對比較滯后。</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>　　（2-28）</b></p><p><

68、b>　　轉(zhuǎn)矩方程：</b></p><p><b>　　（2-29）</b></p><p><b>　　運動方程：</b></p><p><b>　?。?-30）</b></p><p>　　其中，為轉(zhuǎn)子電磁時間常數(shù)</p><p>

69、;　　從上式可以得出，令轉(zhuǎn)子磁鏈不變，電動機轉(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)矩電流分量能計算出轉(zhuǎn)差，定子電流矢量的勵磁電流分量能計算出轉(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>　　計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型法。</p><p>　　電壓模型是在坐標系下根據(jù)定子電壓、電流觀測轉(zhuǎn)子磁鏈的方法。</p><p

70、>　　坐標系上定子電壓為：</p><p><b>　?。?-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、>　?。?-33）</b></p><p>　　代入式2-31后兩行得：</p><p><b>　　（2-34）</b></p><p><b>　　為漏磁系數(shù)</b></p><p>　　由式2-32和式2-33得計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型為：</p><p&g

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

73、件設(shè)計</p><p>　　本次數(shù)字檢測裝置以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，還能夠通過對電壓、電流、速度等參數(shù)的檢測來得到異步電機運行狀態(tài)，進而控制電機的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　圖3.1 基于DSP的控制異步電機變頻調(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，這就給作為感性負載的異步電動機提供

77、必要的無功功率，此時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，能起到儲能作用，所以中間直流電路的電容器又稱儲能電容器。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，當檢測到直流側(cè)電壓過高時，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電路檢測電壓。需要注意的是，、在使用時需滿足兩個條件：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)器件都集成在一個智能功率模塊IPM內(nèi)部。</p><p>　　本設(shè)

79、計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，在高速、低功耗的場合使用最多。IGBT具有耐壓高、電流大、導通電阻小、控制功率小、開關(guān)頻率高等特點。而功率模塊IPM是把大功率開關(guān)器件、驅(qū)動電路、過壓、過流、短路等故障檢測及保護電路等集成在同一個模塊內(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

80、也提高了整個系統(tǒng)的可靠性。IPM均采用標準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尤其適合于電動機變頻器的驅(qū)動。</p><p><b>　　3.2 檢測電路</b></p><p>　　檢測環(huán)節(jié)是本次設(shè)計最主要的部分，檢測環(huán)節(jié)性能的好壞直接決定整個異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能。檢測電路包括定子電流檢測、定子電壓檢測、電機轉(zhuǎn)速檢測、定

81、子電壓頻率檢測、定子電壓與電流的相位差檢測和變頻器直流側(cè)電壓檢測。下面將作詳細介紹。</p><p><b>　　3.2.1電流檢測</b></p><p>　　目前電流信號的檢測主要有直接串聯(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)用于電流的測量。因為它的原副邊采用磁耦合，故可以實現(xiàn)被測電路與控制電路的隔離。電流互感器在測量正弦電流時，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已不能用傳統(tǒng)的直流檢測元件，而在此背景下較為理想的電流檢測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)來工作的半導體器件。為了自動檢測和顯示電流，并能在過流、過壓等危險狀況發(fā)生時，具有自動保護功能并實

83、現(xiàn)更高級的智能控制，就必須對精度和速度有較高要求。另外，由異步電動機的數(shù)學模型可知，定子電流檢測的高精度和實時性對整個變頻調(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、絕緣好、線性度好、動態(tài)性能好、抗外磁場干擾能力強等諸多特點，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電流，其測量精度優(yōu)于1%，滿足設(shè)計要求中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)的運算放大器。</p><p>　　在檢測的過程中，由于有電流經(jīng)過的導線附近會產(chǎn)生出磁場，可用霍爾傳感器檢測由電流產(chǎn)生的磁場，即為磁場中電流的值。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)動各種性質(zhì)的負載，能與各種

85、邏輯電路直接接口。電流檢測電路就是把異步電動機的定子電流轉(zhuǎn)換成DSP可識別的二進制代碼，以方便CPU處理。由于本設(shè)計研究的是三相異步電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng)，三相負載平衡，有，因此電流檢測時只需檢測三相電流中的其中兩相，即可得到三相電流。</p><p>　　圖3.3 定子電流檢測電路</p><p>　　系統(tǒng)中采用的霍爾電流傳感器型號為南京茶花電子公司的CS050LX系列中的CS025LX

86、，其工作電壓為~，額定測量電流是25A，輸出電壓為。上圖中IA為霍爾電流傳感器次級電流輸出，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路，輸出電壓信號為-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，輸入至DSP的A/D接口。其目的是為了在閉環(huán)控制系統(tǒng)中實時得到反饋的交流電動機的定子電流信號。</p><p>　　圖3.4 CS050LX 圖3.5 LV2

87、5-P</p><p><b>　　3.2.2電壓檢測</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需要在原邊串上一個限流電阻。</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~，檢測電壓范圍為10V至500V，其檢測誤差小于0.9%，響應(yīng)時間

88、40uS，它有以下優(yōu)點：能在電隔離條件下監(jiān)控、監(jiān)測交直流電壓，且測量精度高、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)計要求中電壓在30~400V的檢測精度達到1.5%。</p><p>　　圖3.6 定子電壓檢測電路</p><p><b>　　3.2.3轉(zhuǎn)速檢測</b></p&

89、gt;<p>　　在電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，需要實時獲得電動機的轉(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。電機轉(zhuǎn)速的數(shù)字測量技術(shù)有以下三種，有霍爾元件測速、光電旋轉(zhuǎn)編碼器測速和測速電機測速等方法，轉(zhuǎn)速檢測的精度直接影響系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。測速發(fā)電機存在線性區(qū)有限、輸出包含高次諧波分量等缺點，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量的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)高分辨率、高精度的轉(zhuǎn)速檢測。TMS32

90、0LF2407A的事件管理器中有專門用來檢測信號的正交編碼器(QEP)以獲得電動機的位置和速度信號。</p><p>　　本系統(tǒng)采用歐姆龍公司提供的旋轉(zhuǎn)編碼器，型號是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)出一個標志脈沖信號以代表參考零位，相當于伺服控制系統(tǒng)中的定位，帶反接、負載短路保護回路，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)計變得非常簡單。</p><p>　　圖3.7 轉(zhuǎn)速

92、檢測電路</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器T2對輸入的正交編碼脈沖實行計數(shù)和解碼，讓定時器T2處于定向增/減模式下，這樣，QEP電路不但能為T2提

93、供計數(shù)脈沖，而且還能決定其計數(shù)方向。因為QEP電路同時對兩路正交編碼脈沖的前后沿均進行計數(shù)，不用外部的倍頻電路，正交編碼脈沖運行4倍頻后作為定時器T2的計數(shù)脈沖，并通過QEP電路的方向檢測兩路脈沖的先后順序判定電機的方向，隨之產(chǎn)生一個方向信號作為定時器T2的方向輸入，當電機反向轉(zhuǎn)動時，T2減小計數(shù)，當電機正向轉(zhuǎn)動時，T2增加計數(shù)。圖3.8是轉(zhuǎn)速檢測信號，包括兩個正交編碼脈沖信號、定時器T2計數(shù)信號還有計數(shù)方向時序邏輯信號。</p&

94、gt;<p>　　圖3.8 轉(zhuǎn)速檢測信號</p><p>　　圖3.9 E6B2 - CWZ6C 圖3.10 LM393</p><p><b>　　3.2.4頻率檢測</b></p><p>　　頻率檢測電路的交流輸入量為下圖IT點電壓，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)計的頻率檢測電路如圖3.11所示：</p><p>　　圖3.11 頻率檢測電路圖</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>　　因為DSP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系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾，并使下降上升延維持一定的時間，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</p><p>　　相位差的測量不同于電壓、電流信號的測量。測

97、量相位差的前提需要兩路信號具有相同的頻率，并且兩路信號幅值不同也會對測量產(chǎn)生影響。另外，相位差是一個比較量，是依附于電壓、電流信號中的。 </p><p>　　常見的相位差檢測方法是過零比較法，就是檢測兩信號過零時刻的時間差(即相位差脈沖的寬度)，并與信號周期進行比較，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)計中相位差測量是將霍爾電壓傳感

98、器輸出的交流電壓信號IU經(jīng)過濾波器后輸出正弦信號波形，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電路輸出的交流電流信號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對其上升沿進行捕獲，選用的通用定時器1對脈沖進行計數(shù)，其計數(shù)值即為反映兩路信號相位差的時間。捕獲單元CAP1捕獲到第一路信號的上升沿之后，讀取定時器2計數(shù)值即為信號周期的時間。采樣

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

100、lt;p>　　在變頻器系統(tǒng)中，直流母線側(cè)電壓是一個重要的輸入量，直流電壓的大小與IGBT的安全息息相關(guān)。雖然在設(shè)計時常常假設(shè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的直流側(cè)電壓是恒定的，但實際上因為負載變化、電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)等因素導致它一直是波動的。保證整個系統(tǒng)的安全可靠，檢測直流側(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的控制策略中。其快速性和精度對整個系統(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量電壓，而整流后流入的是電流，原邊需要串聯(lián)一個電阻。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，采樣電阻是將流入的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧碾妷盒盘?。此后，LV100輸出的電壓信號經(jīng)過由運放構(gòu)成的電壓跟隨器進行隔離，再經(jīng)過RC濾波電路處理后送至DSP的ADCIN3引腳。</p><p>　　圖3.15 電壓檢測電路</p><p>　　我們選用LEM公司的LV 100霍爾電壓傳感器，檢測電壓范圍為100V至2500V，其檢測誤差小于0.7%，響應(yīng)時間在20至100uS之間

103、，具有精度非常高、線性度好、溫漂小、響應(yīng)時間短、帶寬寬、抗干擾能力強等特點。滿足設(shè)計要求中檢測精度達到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電路為了實現(xiàn)在線仿真，同時在調(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)成為當今世界上最有影響的DSP芯片，其市場份額占全世界DSP份額的50%。TMS320LF2407A是TI公司推出的DSP芯片第二代的改進型，是專門用于電機調(diào)速控制的芯片。具有高性能處理和運算能力，是一個由高性能的DSP內(nèi)核和片內(nèi)外器件集成的一個芯片的高級工業(yè)數(shù)字控制器。TMS320LF2407ADSP有以下一些特點：</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時控制能力。</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32K字的FLASH程序存儲器，高達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>　　兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個包括：兩個16位通用定時器；8個16位的脈寬調(diào)制通道。</p><p>　　可擴展的外部存儲器總共192K字，這包括64K字程序存儲器；64K字數(shù)據(jù)存儲器；64K字I/O尋址空間。</p><p>　　看門狗定時器模塊，防止程序跑飛。</p><p>　　10位A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時間為

108、500ns,可選擇由兩個事件管理器來觸發(fā)的兩個8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器或一個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)的時鐘發(fā)生器。</p>

109、<p>　　高達40個可單獨編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳。</p><p><b>　　5個外部中斷。</b></p><p>　　電源管理包括3種的功耗模式，并且能獨立將外設(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</p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計的顯示接口電路采用的是LED顯示驅(qū)

110、動器MAX7219，利用LED可實現(xiàn)異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的頻率、電壓電流及故障等的輸出顯示。MAX7219的特點為串行接收數(shù)據(jù)、動態(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，可同時驅(qū)動8位LED，此時多路掃描器掃描頻率為1300HZ，因此每位數(shù)都可進行獨立控制及刷新，而不需要重寫整個顯示器，少于8位LED時，頻率為8×1300/n(n為LED掃描位數(shù))。MAX7219

111、還有掉電模式，一個掃描界限寄存器(可以選擇1位數(shù)顯示到8位數(shù)顯示)和一個測試模式(強使 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)動線從顯示器吸入電流，SEG A-SEG G及SEG DP，分別為7段驅(qū)動器和小數(shù)點線，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輸出時鐘CLK，最高頻率為10MHz。</p><p>　　第4章 檢測數(shù)據(jù)處理方法&l

113、t;/p><p>　　4.1 數(shù)字測速方法</p><p>　　光電編碼器安裝在電機轉(zhuǎn)軸上，電機旋轉(zhuǎn)時，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法測速</p><p>　　M法測速是在一定的測量時間內(nèi)測取旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈

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