毕业设计（论文）-异步电机直接转矩控制策略研究.doc

河南理工大学毕业设计（论文）说明书摘 要继矢量控制策略之后，直接转矩控制策略是又一种高性能交流变频调速策略。然而，传统的直接转矩控制策略在转矩脉动和磁链轨迹方面存在许多不足，影响其发展和应用。针对传统的直接转矩控制策略存在转矩和磁链脉动较大，电流谐波较大，开关频率不固定等问题，本设计是在异步电动机数学模型和直接转矩控制策略理论分析的基础上，利用空间矢量脉宽调制的直接转矩控制策略，使系统性能得到有效提高。最后，以数字信号处理器tms320lf2407 为控制核心、异步电动机为控制对象，分别设计了直接转矩控制控制系统的硬件部分和软件部分。硬件部分包括整流电路、逆变电路、控制电路。整流电路通过整流桥6ri30g120 把三相交流转变为直流；逆变电路由智能功率模块（ipm）pm25rsb120 组成；控制电路由tms320lf2407 构成电压、电流采样电路和转速检测电路，以及实现异步电动机的直接转矩控制。关键字:异步电动机； 直接转矩控制； 空间矢量脉宽调制技术； 数字信号处理器37absractfollowing the vector control strategy, direct torque control strategy is a high-performance ac frequency control strategy. however, the conventional direct torque control strategy has some deficiencies in the torque ripple and flux linkage trajectory, affecting their development and application. on the basis of the asynchronous motor mathematical models and theoretical analysis of direct torque control strategy, the design makes use of the research on the stator flux observation and control strategies for the problem of the large torque and flux ripple, current harmonics and the not fixed switching frequency, and design space vector pulse width modulation direct torque control strategy in order to improve the system performance. finally, digital signal processor tms320lf2407 as the core，asynchronous motor as the object, respectively, design the hardware part and software part of the direct torque control system. the hardware includes a rectifier circuit, inverter circuit, control circuit. rectifier circuit makes three-phase ac into dc; inverter circuit composes of intelligent power module (ipm) pm25rsb120; control circuits include voltage and current sampling circuit and speed detection circuit, in order to realize direct torque control of asynchronous motor.keywords: asynchronous motor; direct torque control; space vector modulation; digital signal processor目 录1 引言11.1 交流调速技术的发展与现状11.2 直接转矩控制技术的发展与现状21.3 本课题研究的内容32 异步电机直接转矩控制系统设计42.1 异步电动机的数学模型42.1.1 异步电动机的三相数学模型42.1.2 坐标变换62.1.3 异步电机在静止两相正交坐标系中的动态模型72.2 直接转矩控制原理基本理论82.2.1 直接转矩控制的基本思想82.2.2 理想逆变器的数学模型92.2.3 空间电压矢量与定子磁链的关系102.2.4 空间电压矢量与电磁转矩的关系112.3 直接转矩控制的系统设计112.3.1 磁链模型和转矩模型122.3.2 磁链调节器设计132.3.3 转矩调节器设计132.3.4 最优开关表143 基于tms320lf2407处理器的硬件设计163.1 系统总结构163.2 主电路设计173.3 控制电路设计203.3.1 dsptms320lf2407数字信号处理器介绍203.3.2 电源模块213.3.3 时钟电路233.3.4 pwm信号电平转换和驱动电路233.3.5 jtag 接口电路243.3.6 电压电流检测调理电路253.3.7 转速信号检测264 系统软件设计294.1 主程序294.2 电机转速测量模块304.3 速度pi 调节模块314.4 定子磁链和转矩计算模块324.5 电压空间矢量pwm波的产生325 总结与展望34参考文献35致谢361 引言1.1 交流调速技术的发展与现状直流电气传动和交流电气传动于19世纪先后诞生，然而，在20世纪的绝大多数时期内，鉴于直流传动的优良控制特性，一般在高性能的调速的传动一般采用直流调速。自从20世纪70年代以来，随着电力电子技术和控制理论的发展，交流电动机的控制技术取得了突破性的成果，高性能的异步电动机调速系统得以广泛的推广应用。由于交流电机是强耦和，多变量的非线性系统。相对于直流电机，实现良好的转矩控制是非常困难的。交流电机的高性能调速方法一般是变频调速。它不但能实现无级调速，并且随着负载的特性不同，通过适当调节电压、频率的关系，可使电机始终高效运行以及获得良好的动态特性，比如低起动电流、高起动转矩。交流调速控制技术的发展经历了电压和频率协调控制、速度闭环转差率控制到矢量控制、直接转矩控制，控制理论的发展使调速系统性能不断提高。电压-频率协调控制是指调速时在基频以下使电压幅值与频率的比值保持恒定，实现恒转矩调速运行；在基频以上调速时，输出电压维持在额定值，使磁通与频率成反比减少，实现弱磁恒功率调速运行。其调速系统结构简单，只能满足一般的调速要求不高的场合。转速闭环转差率调速采用转速闭环控制，给定转速和检测的转速偏差经pi 调节器得到转差率。转速闭环反馈，转差频率控制是基于异步电动机稳态数学模型，动态时磁通不恒定，因此将影响系统实际动态性能。20世纪70年代西门子工程师f.blashcke首先提出异步电机矢量控制，用于解决交流电机转矩控制问题，其主要思路是基于坐标变换把三相系统简化为两相系统，再按转子磁场定向的同步旋转变换，实现定子励磁分量和转矩分量之间解耦，从而实现交流电机的磁链和转矩分别控制，并且获得与直流调速系统相似的动、静态特性。20世纪80年代，德国depenbrock教授于提出直接转矩控制，其思想是把电机和逆变器作为一个整体，使用空间电压矢量分析方法，在定子坐标系进行磁链、转矩的计算，通过磁链跟踪型pwm逆变器的开关状态直接进行转矩控制。此控制系统不需要对定子电流进行解耦，无需矢量变换的复杂计算，并且结构简单。随着电力电子技术、微处理器以及现代控制理论的发展，交流电机控制技术的发展会日新月异，新型的控制策略正在不断涌现，必将进一步推动交流调速的发展。1.2 直接转矩控制技术的发展与现状直接转矩控制（direct torque control，dtc）是继矢量控制技术之后又一种新型的高效变频调速技术。直接转矩控制技术在定子坐标系下计算电动机的转矩和磁链，采用双位式控制器，并在pwm逆变器中直接用这两个控制信号产生输出电压，省去了旋转变换和电流控制，简化控制器的结构。其次，选择定子磁链作为被控量，计算磁链的模型可以不受转子变化的影响，提高了系统的鲁棒性。再次由于采用了直接转矩控制，在加减速和负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应是有限的。但是，直接转矩控制系统也有其不足之处，由于采用双位式控制，实际转矩必然在上下内脉动，此外，磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、累积误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度。以上两个问题的影响在低速时都比较显著，因而系统的调速范围受到限制。因此抑制转矩的脉动、提高低速性能便成为改进原始的直接转矩控制系统的主要方向，例如对磁链偏差和转矩偏差实行细化，使磁链轨迹接近圆形，减少转矩脉动。从目前的研究现状可以看出，直接转矩控制技术的发展趋势主要有以下几个方面：(1)现代控制技术的应用：现代控制理论中各种控制方案的应用提高了系统的动态性能和鲁棒性。功能强大的数字处理芯片(dsp)的推出，使许多以前无法实现的方法得以应用到实际控制系统中，如自适应控制、变结构控制、模糊神经网络控制、神经网络控制、非线性控制等都能通过dsp来实现。(2)全数字化的控制：直接转矩控制结构简单，特别适合于全数字实现。然而，系统对于处理的实时性、快速性要求高，dsp能满足这种需求，它具有高速信号处理和数字控制的功能，同时能故障监视、诊断和保护，确保了系统的实时性和可靠性。(3)无速度传感器的控制系统：在现代高性能交流调速系统中，速度闭环控制是必不可少的，因此速度传感器的安装也是必不可缺的。由于速度传感器的安装，系统的成本增加、稳定性和可靠性降低，易受工作环境影响，因此无速度传感器的控制系统研究成为当前交流传动热门研究方向之一。目前的无速度传感器控制技术的调速范围较小、动态性能差以及无法满足高性能交流调速控制系统的需要等。无速度传感器控制技术采用检测到的电机电压、电流以及电机的数学模型观测出电机转速，无需改造电机、省去速度传感器、降低维护费用和降低恶劣环境影响的优点。提高转速的观测精度和动态响应速度，增强对电机参数变化的鲁棒性和增加速范围是今后的主要研究方向。(4)同步电机的控制：直接转矩控制技术主要的应用于异步电机，现在人们开始将它用于永磁同步电机中。目前国内对直接转矩控制的研究仍十分活跃，主要体现在电机参数辩识，定子磁链准确观测，无速度传感器的直接转矩技术的研究，以及抑制低速区转矩脉动和提高转速调节特性等方面的研究。1.3 本课题研究的内容本课题首先对异步电动机直接转矩控制系统的工作原理进行详细分析，设计了空间矢量脉宽调制的异步电机直接转矩控制策略。主要完成以下工作：(1)在分析异步电动机数学模型、逆变器数学模型的基础上，深入研究异步电动机直接转矩控制系统的基本原理和结构。(2)在分析磁链模型和转矩模型的基础上，设计了磁链调节器和转矩调节器。(3)设计了基于空间矢量脉宽调制的直接转矩控制策略，从而提高控制系统性能。(4)采用tms320lf2407(dsp) 构造全数字化交流调速控制系统，设计系统的硬件电路和软件部分。2 异步电机直接转矩控制系统设计2.1 异步电动机的数学模型2.1.1 异步电动机的三相数学模型异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，因此在研究异步电动机的数学模型时通常作如下假设：(1)忽略空间谐波，设定子和转子的三相绕组对称，也就是在空间互差的电角度，所产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布；(2)忽略磁路饱和，绕组中的自感、互感都是恒定的；(3)忽略铁心损耗和磁滞损耗；(4)不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。无论异步电动机转子是绕线型还是笼型，都可以等效成三相绕转子，并且折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数相等。异步电机三相绕组可以是y联接，也可以是联接，以下均以y联接进行讨论。若三相绕组为联接，可以用变换，等效为y联接，然后，按照y联接进行分析和设计。三相异步电机的物理模型如图2-1所示，定子三相绕组轴线在空间是固定的，转子绕组轴线以角速度随转子旋转。如以轴间的电角度为空间角位移变量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。图2-1 三相异步电动机的物理模型异步电机的动态模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成。(1)磁链方程异步电机每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，因此，六个绕组的磁链可用下式表示： (2-1)式中定子和转子相电流的瞬时值；各绕组的全磁链。是相的自感，其余是互感，同理可得相。(2)电压方程三相定子绕组的电压平衡方程为(2-2) (2-3) (2-4)与此相应，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为 (2-5) (2-6) (2-7)其中定子和转子相电压的瞬时值；定子和转子绕组电阻。(3)转矩方程根据机电能量转换原理，在线性电感的条件下，磁场的储能为 (2-8)电磁转矩等于电流不变只有机械位移变化时磁场储能对机械角位移,于是 (2-9)将（2-8）代入（2-9）得； (2-10)(4)运动方程忽略电力传动系统传动机构中的粘性摩擦和扭转弹性，传动系统的运动方程为 (2-11)式中包括摩擦阻转矩的负载转矩;j机组的转动惯量;极对数。转角方程为 (2-12)综上说明了异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，为了简化系统我们通常把它进行坐标变换，把旋转的三相变为静子的两相。2.1.2 坐标变换异步电机三相原始数学模型相当复杂，分析和求解这组非线性方程十分困难。需通过坐标变换简化为静止两相坐标系下的动态数学模型，以便于进行分析和计算。异步电机数学模型之所以复杂，关键是因为有一个复杂的电感矩阵和转矩方程，它们体现了异步电机的电磁耦合和能量转换的复杂关系。因此简化数学模型需从电磁耦合关系入手。利用在不同坐标系下所产生的磁动势相等可以把三相绕组简化成两相正交对称绕组，再通过旋转磁动势相等，可以简化成静止的两相绕组。(1)三相-两相变换根据磁动势相等和变换前后总功率不变，三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换矩阵为 (2-13)则其逆矩阵为 (2-14)(2)旋转正交-静止两相变换图2-2 2r/2s坐标变换图2-2中绘出了和坐标系中的磁动势矢量，绕组每相有效匝数均为，磁动势矢量在相关的坐标轴上。两相交流和两个直流产生同样以角速度旋转的合成磁动势f。旋转两相正交坐标系到静止两相正交坐标系的变换阵是 (2-15)则静止两相正交坐标系到旋转两相正交坐标系的变换阵为 (2-16)2.1.3 异步电机在静止两相正交坐标系中的动态模型经坐标变换，得到两相静止坐标系下的交流异步电动机动态数学模型为：(1)电压方程 (2-17)式中，分别为定子绕组三相电压的轴分量；分别为定子绕组三相电流的轴分量；分别为转子绕组三相电压的轴分量；分别为转子绕组三相电流的轴分量；为定子绕组电阻；为转子绕组电阻；为定子与转子绕组间的互感；分别为定、转子绕组的自感；为转子速度；为微分算子。对于鼠笼型异步电动机，转子是短路的，所以转子侧电压分量为零。(2)磁链方程 (2-18)式中，分别是定子绕组三相磁链的轴分量；分别是转子绕组三相磁链的轴分量。(3)、转矩方程 (2-19)式中，为电机极对数(4)、运动方程 (2-20)式中，为负载转矩，为转动惯量2.2 直接转矩控制原理基本理论2.2.1 直接转矩控制的基本思想在1985年，德国鲁尔大学教授depenbrock首次提出了直接转矩控制(direct torque control，简称dtc)理论，于l 987年推广到弱磁调速范围。dtc使定子磁场按照正六边形轨迹运动，由于正六边形的六条边与6个非零电压空间矢量相对应，可以通过三个施密特触发器来切换逆变器的6个工作状态，直接通过6个非零电压空问矢量实现对磁链轨迹跟踪控制。和其他方式相比dtc结构简单，在输出同频率时元件开关次数最少，开关损耗低，因此在要求元件开关频率不太高的大功率场合得到广泛的应用。dtc己成功地应用于兆瓦级交流电气传动机车上，例如德国的大功率gto电力机车和siemens公司研制的样车eurosprinter等等。由于定子磁链是按照六边形轨迹运动的，因而电压、电流波形畸变比较大，低速时转矩脉动较大，在一定程度上限制了直接转矩控制的应用。直接转矩的另一种形式是由日本学者i.takahash提出的定子磁链运动轨迹近似为圆型的控制方案。这种方法通过计算电机的转矩和磁链误差，结合电机定子磁链的空间位置来选择相应的开关矢量。磁链运动轨迹近似为圆形，能在一定程度上减少电压、电流中的谐波成分，但控制系统相对复杂一些。直接转矩控制方法的基本思路是把电机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系上进行磁链、转矩计算，通过选择逆变器不同的开关状态直接对转矩进行控制。不同于矢量控制技术，它不是通过控制电流、磁链等量来问接控制转矩，而是直接以转矩作为被控制量进行控制。因此它并非要极力获得理想的正弦波波形，也不是专门强调磁链的圆形轨迹。相反，从控制转矩角度出发，强调转矩的直接控制效果，采用离散的电压状念和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。直接转矩控制不需要模仿直流电机的控制，也不需要为解祸而简化交流电机的数学模型，它只是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，控制结构简单，便于实现全数字化。直接转矩控制中磁场定向采用定子磁链，定子磁链计算过程中存在的电机参数只有定子电阻，这是一个比较容易得到的参数：而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，转子磁链计算需要知道电机转子电阻和电感，而得到这两个参数比较复杂、困难。因此，直接转矩控制对电机参数的依赖与矢量控制相比要小很多，控制性能，受参数变化影响也比较小。2.2.2 理想逆变器的数学模型直接转矩控制是把逆变器和电机作为一个整体来考虑的。通过控制异步电机的输入电压来控制定子磁链，且异步电机的输入电压完全取决于逆变器的开关切换模式。在交流调速系统中，通过正确控制逆变器开关状态的切换，使电机气隙获得一个近似圆形旋转磁场。逆变器分为电压型和电流型，由于直接转矩控制需要用输出电压来控制定子磁链和电磁转矩，因此，直接转矩控制系统选用电压型逆变器作为主电路，如图2-3所示。电压型逆变器由三个桥臂，六个开关()组成，其中开图2-3 三相电压型逆变器关称为a 相开关，称为b 相开关，称为c 相开关。由于逆变器采用双极性调制，每相桥臂的上下两个开关器件呈互锁关系，所以三组开关有8 种开关组合状态。如果规定a 、b 、c 三相输出的某一相与“+”极接通时，该相的开关状态为“1”态，与负极接通时为“0”态，根据每一桥臂导通状态的不同，可以得到8个不同的电压空间矢量，将开关量从0到7排列，可得8种开关状态表如表2-1。表2-1 逆变器的8种开关状态表2.2.3 空间电压矢量与定子磁链的关系异步电动机的三相定子绕组接成星形，在恒幅值变换的原则下，其输出电压空间矢量的park 矢量变换式为： (2-21)根据式(2-21)可以计算得到各开关状态对应的电压空间矢量，如图2-4所示。逆变器的6个工作电压状态得到了6个不同方向的有效电压空间矢量，它们的顺序是，并依次沿逆时针方向周期性的旋转，其运动轨迹为六边形，6个有效电压空间矢量的幅值相等相位互差。其余两个零电压矢量位于六边形的中心。当异步电动机的三相对称定子绕组由三相平衡正弦电压供电时，逆变器的输出电压直接施加到异步电动机的定子绕组上有： (2-22)当电机转速不是很低时，可以忽略定子电阻压降，则定子电压与磁链的空间矢量关系可为： (2-23)图2-4 定子电压空间矢量图2.2.4 空间电压矢量与电磁转矩的关系根据电机的数学模型可得到转矩与磁链的表达式： (2-24)式中，为电机的漏电感，是定子磁链与转子磁链的夹角。显然可得，异步电动机的转矩与定子磁链幅值、转子磁链幅值有关以及和它们的夹角有关。一般在实际运动过程中要保持定子磁链幅值不变，转子磁链幅值由负载决定，于是通过改变磁通角的大小来改变电机转矩的大小。直接转矩控制就是通过空间电压矢量来控制定子磁链的旋转速度，从而改变定、转子之间的夹角来控制电机的转矩。2.3 直接转矩控制的系统设计如图2-5，直接转矩控制系统是一个双闭环的调速系统，内环采用磁链和转矩闭环控制。通过对定子端电流、电压的采样信号进行3s/2s变换，再计算静止坐标系下的两相电压、电流，然后同速度反馈信号一起进入转矩观测模型和磁链观测模型，得到磁链和转矩的估计值，在转矩调节器和磁链调节器中与转矩和磁链给定值进行比较，得出系统的状态信息，最后根据磁链扇形区间判断模块的输出信号，从开关状态表中选出适合的开关状态驱动逆变器，给电机提供最优的电压空间矢量实现电机高性能的转矩控制。图2-5 直接转矩控制系统的原理图2.3.1 磁链模型和转矩模型磁链控制环节包括磁链观测和磁链调节，保持定子磁链幅值恒定，实现电机良好的动态性能，并根据观测器的磁链相位来判断磁链矢量所在的扇区位置。由定子电压方程的磁链模型为：图2-6 定子磁链观测模型结构框图 (2-25)根据式(2-25)可以得到磁链观测模型如图2-6，这样的是u-i模型。根据已给出的定子磁链与转子磁链矢量积表达的电磁转矩方程式，可以得到电磁转矩观测器的数学模型为： (2-26)2.3.2 磁链调节器设计在直接转矩控制系统中，磁链调节就是对定子磁链幅值进行两点式调节，由磁链滞环比较器实现，也就是施密特触发器。调节器的容差宽度为，即定子磁链幅值相对于给定值所允许的波动范围。磁链调节器的输入信号是磁链给定值与磁链反馈值之差，其输出值为磁链开关信号。如图2-7是磁链调节器的原理图：图2-7 磁链调节器的原理图其中是磁链给定值，是磁链反馈至，是磁链给定值和反馈值的误差值，为误差带，是磁链调节器的输出，根据原理图可以得出磁链调节器的输出：； （减小磁链）； （减少磁链）2.3.3 转矩调节器设计转矩调节的作用就是实现对转矩的直接控制。利用滞环比较器来实现，为了减少转矩脉动，电磁转矩控制采用三点式调节，引入了零电压矢量。交流电机转矩变换的转速是一个积分环节，只受转矩的影响，不受其他控制量的影响。因此转矩的控制是直接转矩控制系统的关键，转矩调节器的原理如图2-8。如图可知，其中是转矩的给定值，是转矩的反馈值，是给定值和反馈值的误差值。原理如下：； （增加电磁转矩）；（减少电磁转矩）图2-8 转矩调节器的原理图2.3.4 最优开关表如图2- 9，电压空间矢量将平面划分为6个扇区，6条虚线代表各个扇区间的分界线，每个扇区包含一个非零电压矢量，并且是该扇区的角平分线，称扇区主矢量。图2-9 电压空间矢量与扇形区域根据磁链和转矩调节器的输出来选择下一周期要施加的电压矢量，实现电机的直接转矩控制，需要兼顾磁链和转矩的控制。以2扇区为例来，在此区域中，为正向力矩矢量，为反向力矩矢量，而是使磁链减小的矢量，是使磁链增大的矢量。因此如果需要既增大磁链，同时又需要正向力矩的话，就应该选择电压矢量；如果增大磁链，同时需要反向力矩的话，选择；如果减小磁链，同时需要正向力矩的话，选择；如果减小磁链，同时需要反向力矩的话选择。利用这样的原理，在整个磁链角空间里列成一个定子向量表，来表示在不同区域里所有情况下的电压矢量选择，在此区域中具体的选择方法（逆时针运动）如表2-2所示：综上可以把直接转矩控制总结为：在控制系统中根据定子磁链的幅值以及电磁转矩的当前值，分别与给定的磁链的幅值以及电磁转矩的值进行比较，给出正确的磁链开关信号，从6个有效电压矢量中选择一个最佳的控制矢量，使电机运行在期望最佳状态。表2-2 转矩、磁链、扇形区间开关控制表3 基于tms320lf2407处理器的硬件设计3.1 系统总结构针对本文提出的基于电压矢量作用时间模糊控制的永磁同步电机直接转矩控制系统，设计出基于dsp 的全数字化控制系统。控制器以ti 公司的dsp 芯片tms320lf2407为核心，功率驱动电路采用智能功率模块(ipm)。整个系统结构如图3-1 所示，主要包括主电路、检测电路、控制器与保护电路等几个部分。主电路结构采用交-直-交电压型模式，主要包括整流滤波模块、逆变模块和电源模块，并附以电流、电压检测电路等。整流模块采用三相不可控的整流桥。逆变部分采用智能功率模块（ipm），ipm 模块内部除了三相全桥igbt外，还内置igbt 驱动电路、故障检测保护电路。由于ipm 的使用，使得主电路结构大为简化且可靠性增强，大大方便了用户的使用，当负载发生异常或者使用不当而产生过压、过流、过热等故障时，ipm 会启动自我保护机制，关闭功率开关器件，并输出报警信号供控制器或相关保护电路处理。电源模块采用单端反激式开关电源，电流的检测采用霍尔电流传感器，电压的检测采用母线端跨接电阻分压实现。图3-1 基于dsp的异步电机直接转矩控制系统总图3.2 主电路设计由系统结构框图可知主电路（如图3-2）由三相整流电路、滤波电路、逆变电路组成。被控电机参数为：联接、额定功率、频率、额定电压、额定电流、额定转速、额定转矩。(1)三相整流电路整流电路的主要作用是将电网的交流电整流后提供给逆变电路和控制电路。采用二极管构成的三相桥式不可控整流电路，故输出电压为脉动的直流电压。图3-2 三相桥式整流电路通过二极管的峰值电流即电机最大负载时的峰值电流，为电机额定电流的5-6倍，取，则二极管电流的有效值为 (3-1)二极管额定电流为 (3-2)考虑到滤波电容充电电流影响，需留有较大电流余量，选用。二极管额定电压为 (3-3)根据上式确定的电压、电流以及市场供货情况，选用富士二极管整流模块6ri30g-120即(最大平均电流为30a，二极管最大反向压降为1200v)。(2)滤波电路整流桥输出直流电压是脉动的，其脉动频率为交流市电频率的六倍。为了减少直流脉动，在整流桥的输出端用大电容滤波，使电压的大小基本保持不变。当没加滤波电容时，整流环节的输出平均直流电压为 (3-4)加上滤波电容后，直流电压的最大电压可达到交流线电压的峰值： (3-5)滤波电容越大越好，但考虑到成本等因素，故可选用4组每组两个电解电容串联后再并联，总耐压值为900v ，总电容量为。主回路工作时，由于功率器件的开关频率很高，开关动作时会在直流环节产生电流突变，ipm的输出侧不可避免地有杂散的电感存在，因此会在杂散电感两端产生电压尖峰。为了减小电压尖蜂的影响，避免叠加后的电压超过igbt的耐压值，在ipm的输入端接入了由无感电阻r3、无感电容c3和快恢复二极管d1等组成的吸收电路,从而有效抑制了igbt开关时的电压尖峰，使开关电压波形更趋于平滑。过压、欠压保护是利用电阻分压采集母线电压，与规定值相比较；预充电电路是由于开启主回路时，大电容充电而引起电流过大，这样会损坏硅堆。在主回路上串联限流电阻r1，当电容电压达到规定值时，启动继电器把r1短路，主回路进入正常工作状态，其中电容电压的检测用r7和r13分压，分别控制继电器k。(3)逆变电路逆变环节的功率开关管的选择要考虑电机的额定功率和启动电流，以及流过igbt集电极的电流为： (3-6)式中，为电机的过载系数，一般取。igbt 正反向峰值电压为： (3-7)为了减少器件数目、提高可靠性、缩短开发周期，本系统采用igbt 的智能功率模块ipm（intelligent power module）。ipm 把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内有欠电压、过电流、短路等故障检测电路，并可将故障信号送到dsp 作保护处理。ipm 由高速低功耗的管芯和优化的门级驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，ipm 也可以自身不受损坏。ipm正以其可靠性高、用户使用方便的特点赢得越来越多的市场，尤其适合作驱动电机的变频器，是一种理想的电力电子器件。ipm 的优点如下：(1)使用方便：ipm 内置相关外围电路，可缩短开发时间，加快产品上市；无须采取防静电措施；大大减少了外接元件数目，使得体积相应小。(2)低功耗，ipm 内部的igbt 导通压降低，开关速度快，而且采用了专门ic对门极进行控制、保护，不需要考虑短路和开关浪涌带来的裕量问题，实现了真正的高性能化，故ipm 功耗小。(3)强大的保护功能，ipm 中的每一个igbt 单元都设有各自独立的驱动电路和多种保护，能够实现过流、短路、过压、控制电源欠压等保护功能。只要保护电路动作，即使有控制信号输入，ipm 的输入信号也被禁止。同时输出报警信号。各种保护功能简单介绍如下：电源欠压锁定(uv)避免欠压保护电路频繁切换，保证电路的正常运行。内部控制电路有一个15v 的直流电源供电，如果电源电压低于规定的欠压动作数值(uv)，igbt 将被关断并输出一个故障信号。但是小毛刺的干扰(低电压时间低于规定的)时欠压电路保护电路不动作；过流保护(oc)避免浪涌电压过高或者过流，由于对每个igbt 的集电极电流进行检测，所以无论哪个igbt 发生异常都可有效的保护ipm；短路保护(sc)如果负载发生短路或系统控制器故障而导致了上下桥臂同时导通，ipm 内置短路保护电路将关断igbt，当流经igbt 的电流超出电流短路动作数值时，软关断将立即启动，并输出一个故障信号fo。所有故障信号相与后经过光耦隔离，生成一个低有效的故障信号，送给dsp的外部中断引脚 ，通过它来封锁输出pwm 脉冲。根据计算结果，逆变器采用三菱的ipm 模块，型号为pm25rsb120，容量为25a、1200v，其内部结构如图3-3所示，由该图可以看出，pm25rsb120里面封装了六只igbt 及其驱动电路，该模块需要四组独立的电源供电，其中上桥臂三路各采用一组独立电源，下桥臂三路驱动电路共用一组电源。图3-3 pm25rsb120结构原理图 (4)能耗制动。由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的通路，所以用电阻（图3-4 中的rb）吸收制动能量。异步电机在减速制动时进入发电机状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容充电，当中间直流回路的电压升高到一定限制值时，使igbt q7 导通，从而将电动机释放出来的动能消耗在制动电阻rb 上。图3-4 是制动电路原理图，由制动电阻和一只igbt 串联连接组成制动单元，然后并联在直流回路。其中igbt 选用三菱的igbt 模块，制动电阻的大小根据参考文献中的设计方法选取。工作原理如下：由dsp 检测母线端电压，当此电压高于正常直流电压的1.15倍时，即由dsp 的i/o 口发出控制信号，该控制信号经过光耦隔离驱动q7，使其导通，这样使电动机的动能消耗在制动电阻rb 上。图3-4 制动电路原理图3.3 控制电路设计以 dsp 为核心的控制电路是整个系统的核心，它的功能是实现交流电机的伺服控制、监控整个系统的工作状态等。dsp 控制板以运算能力高达40mips 的dsp 芯片tms320lf2407 为核心，包括电源、时钟和复位电路以及jtag 仿真接口，还包括6 路pwm 控制输出、电平转换电路、电流检测和电机转速检测信号调理电路。3.3.1 dsptms320lf2407数字信号处理器介绍tms320lf2407芯片是美国ti公司生产的16位定点数字信号处理器，它采用先进的哈佛结构，程序存储器和数据存储器有独立的总线结构，提高了它的处理能力,主要特性如下：(1)由于采用了高性能的静态cmos制造技术，因此该dsp具有低功耗和高速度的特点。工作电压3.3v，有4种低功耗工作方式。单指令周期最短为25ns(40mhz),最高运算速度可达40mips，四级指令执行流水线。低功耗有利于电池供电的应用场合，而高速度非常适用于电动机的实时控制。(2)由于采用了tms320c2xxdsp cpu的内核，因此保证了与tms320c24x系列dsp的代码兼容性。(3)片内集成了32k字的flash程序存储器、2k字的单口ram、544字的双口ram。因而使该芯片可用于产品开发。可编程的密码保护能够充分地维护用户的知识产权。 (4)提供外扩展64k字程序存储器、64k字数据存储器、64k字i/o的能力。(5)两个专用于电动机控制的事件管理器（ev），每一个都包含：2个16位脉宽调制（pwm）输出通道；1个能够快速封锁输出的外部引脚（其状态可从comconx寄存器获得）；可防止上下桥臂直通的可编程死区功能；3个捕捉单元；1个增量式光电位置编码器接口。(6)可编程看门狗定时器，保证程序运行的安全性。(7)16通道10位a/d转换器，具有可编程自动排序功能，4个启动a/d转换的触发器，最快a/d转换时间为375ns。(8)控制器局域网（can）2.0b模块。串行接口spi和sci模块。基于锁相环的时钟发生器（pll）。41个通用i/o引脚。32为累加器和32为中央算术逻辑单元（calu）；16位x 16位并行乘法器，可实现单指令周期的乘法运算；5个外部中断。ieee标准的jtag仿真接口。3.3.2 电源模块(1)如图3-5中的js159-15为开关电源模块。js159-15开关电源模块的输入直流电压：170-700v；额定功率：60w。共有七路独立输出，其额定输出电流分别为+5v：1a（与15共地）；24v：2a；15v：每路200ma（5v电流调整为1a时）；15v3:每路150ma（5v电流调整为1a时）；15v1：300ma（5v电流调整为1a时）。管脚如下：v1+，v1g：15v（ipm下三桥共用驱动电源1）；v2+，v2g：15v（ipm上桥独立驱动电源2）；v3+，v3g：15v（ipm上桥独立驱动电源3）；v4+，v4g：15v（ipm上桥独立驱动电源4）。p表示输入直流电源正极，n表示输入直流电源地(负），范围直流170-700v。+5v：通过电压转换为dsp供电gnd：+5v地，与15v共地，与控制板电源共地。15g：15v地，与5v共地。+15：+15v，输出至运放电路，电流传感器，霍尔编码器等，为避免毛刺，需要相应滤波和去耦。-15：-15v，同上。24g：24v地。+24：+24v， 当反馈电压5v为1a时,输出电流 最高2a，可作为继电器或风扇电源。图3-5 电源模块(2)电压转换。采用ti 公司的电源转换芯片tps7333 将5v 电压转换为3.3v 为tms320lf2407 dsp供电。tps7333是微功耗低压差稳压器，具有延迟微处理器复位功能，其输出电流可以达到500ma，且接口电路非常简单，只需接上必要的外围电阻，就可以实现电源转换。in 端是电压输入端，输入电压为5v，out 端是电压输出端，在25时的典型值是3.3v。为使能端，为欠压低电平输出端，如果由于负载的瞬变或其它情况致使out 的输出出现欠压，则输出低电平，该信号输入给系统复位电路。3.3.3 时钟电路tms320lf2407 dsp 使用嵌入到cpu 内核的锁相环（pll），从一个较低频率的外部时钟合成片内的时钟，锁相环的倍频可以通过编程实现。本设计使用一个有源20mhz 的晶体振荡器，连接到xtal1/clkin 和xtal2引脚，如图3-6 所示。pll 模块使用外部滤波器电路回路来抑制信号抖动和电磁干扰，滤波器电路回路连接到dsp 芯片的pllf 和pllf2 引脚。图3-6 时钟电路3.3.4 pwm信号电平转换和驱动电路由于控制板中tms320lf2407的i/o口的基准电压是3.3v，那么dsp 输出的6路pwm也是+3.3v的，而驱动板中的驱动信号的隔离电路即光耦hcpl4504工作电压是+5v。如图3-7所示，若dsp过来的pwm信号为低电平，那么光耦导通，从而相应的igbt也导通；但是如果pwm信号为高电平+3.3v，前向电流，就有可能使光耦导通，从而发生igbt误导通的事故，损坏ipm。所以dsp输出的6路pwm信号必须经过电平转换后再输入光耦。+3.3v电平到+5v电平单向转换可以使用芯片74hc245实现。图3-7 pwm控制电路图3-8 dsp输出的六路pwm波形与光耦之间的电平转换电路，74hc245的oe端接低电平使能输出，dir端接低电平，使信号从a端输入b端输出。74hc245的vcc接+5v电压。74hc245输入端信号为dsp的输出(pwm1、pwm2、 pwm3、pwm4、pwm5、pwm6)，信号电平3.3v, 74hc245输出端b0-b5，产生的六路信号，为+5v电平，接到对应igbt驱动电路的输入端，实现了电平转换。图3-8 74hc245电平转换电路3.3.5 jtag 接口电路dsp 控制板有一个14 引脚的标准jtag 仿真接口，用于调试dsp 硬件和软件。jtag 接口电路硬件连接如图3-9 所示。图3-9 jtag接口电路3.3.6 电压电流检测调理电路为了实现直接转矩控制和相应的保护功能，需要测量直流母线电压和电机定子电流。由于霍尔传感器具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强等优点，可以满足信号检测精度和实时性要求，所以，本电路采用霍尔传感器对电流电压进行检测，先利用运放对检测信号进行放大，再经过跟随器的隔离和限幅后，最后将检测值送至a/d 转换器。(1)电流检测及其调理电路电流检测电路的目的是为了在闭环控制系统实时得到反馈的交流电动机的定子电流信号，同时也为了保护电路的设计。电流检测模块就是将交流异步电机的三相定子电流转换成03.3v 的电压输出，供给dsp 的a/d 输入端进行处理。因为异步电动机三相定子电流之和为零，因此实际电路中只需检测其中两相，另一相可计算得到。本系统采用莱姆公司的lem 霍尔电流传感器la25-np 来检测电流，工作电压为15v，量程选择12a，输出输入比为2/1000。用两个lem模块检测a相和b相的电流，得到电压信号，需要对电压信号进行调理，使之变为dsp 可以接收的信号。主控板上的电流信号调理电路如图3-10所示，电流信号输入端连接一个上拉电阻到3.3v 模拟电源是为了检测霍尔传感器与主控板的连线是否正常，当连线断开时，电流信号被直接上拉到3.3v，使后继过流保护电路动作。图3-10 ab相电流信号调理电路由于dsp的ad采样端口只能输入幅值为正的信号，所以在第二个电压跟随器之前使用两个电阻组成分压网络在电流信号中加入一个直流偏置，该偏置要在软件中予以去除。电流信号通道中还使用了阻容网络组成一阶低通滤波器用以滤除信号中的高频开关纹波和干扰信号，这些阻容网络截止频率很高，对电流闭环的动态性能不会造成太大的影响。最后，为了防止电压过高，设计了由稳压管in4728 构成的限幅电路，当输出电压大于3.3v 时，稳压管反向稳压工作，输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压+3.3v。(2)电压检测及其调理电路逆变器的输出电压为三相pwm波，直接测量交流电压比较困难，可以用间接测量的方法获得。由瞬间空间矢量理论可知，在不考虑逆变器死区效应的情况下，逆变器三相电压可由逆变器开关状态和直流母线电压计算得出，逆变器开关状态是由软件生成的，这样只需要两个分压电阻取样直流母线电压即可。电压测量后的输出电压应在dsp 可以接收的范围之内，其电压调理电路如图3-11所示。图3-11 电压信号调理电路3.3.7 转速信号检测在前面结构中，电机的正常运转还必须有转速反馈。所以就要进行转速信号的测量，一般采用光电编码器检侧转速。光电编码器分为绝对式、增量式和混合式等，在电机的转速控制中，常用到增量式光电编码器。衡量光电编码器的性能指标之一是分辨率，对增量式编码器而言，常用每转输出的脉冲数表示。现已有从2030000pr等各种分辨率的产品，适合于不同测量场合。本文实现电动机速度测量的光电编码器为omron的e6b2_cwz3e，具体参数为：分辨率1000pr；电源电压dc5v；最大响应频率100khz；上升下降时间100ns；最大转速6000rmin；输出：ab两相正交电压信号。光电编码器的码盘当电动机运行时，电动机