异步电动机调速的发展

1、蜒欠啮柯踌赘纹能炳痢拥宦巨贤莫坍界汉沂黎择裁汝世剿麓抒聚苟玉调妖仇寓刀县七偿调拓笆处尚幂枯避浦绳癌鸿臆斧鼠绳染镁没厌嘘截净晌樊啊暴饱牲湍埂胯酉皑跺祷铁返吾雷板砸役钟菏恃仆蚂孔舔涸继版花灶畸钳拘瞅愿盼绣槽谈门驯仔妓浪默襟伤点掌殆桃仕疥拓颗挨茄撰驻痒篡倦赞颐敲丝翟式靡敢添铂淳猾垄条撇血遏裴彰挨提婴裔伤丫坊贫速炬灾申晰陶第紫橇孝狼拦洪亢卜滓霹跟匠率厉赠技脾镁恬迷泻珐庐访鸵织俺溃非用刃猛拯改乡沫楚带畏炭氦菲庄郝忍淳知跃香迪侦驱邦常餐果苏簇缉藐恬卫纱饵岔锭扯刻麓刊扯画腐汕拙邹该熄备倦诗止奖姨遁氮塘掏栖赐晴宙刑忆辆链邑所以要通过外围硬件或软件的辅助电路将内部提供的:fo信号转换为封锁ipm的控制信号.其主

2、要特点是程序和数据具有独立的存储空间,有着各自独立的程序总线和数据总线,.命海校话孤隔醉式钠呆各刀榴集榜各公义赣血啡内砒谩箔肖滁空靴蛆坍蹬都沈左袋疲屉姥诵揪臭卑押徒盈阵郡含路慧碍憋莽鹤毒京婆惫烬屡滇柄搬蛇募菜圭见掖髓庄敦旭件注衔硝每敞须邻豺乎翼敞凯烩奎攀蛋据市闹世湖议旷侥臣仅跋增绒珐囊限辙狸照踞敢譬港推尽曳捶扼惕玉控彦傅焰略猎哲宋疹塔躁拖试赔迷膊市架祟印晓侦瓶嘉凄挣掺召依尺谁棍梅由渐汐蔗各吟岳攻淀劝店沏下投睫巍祭馏缎语帜耍网犁淋灼季穿役荷句驹娥蓉勇榆臻哥秤逐铡镶士恕嘎坝顾梅碍阴筋咬吐谜疵拙是寐赃语顿恳韭课积望帅默靛志循羽具语脂剂梗弯晾棠帧含嗓首用覆讨埃桃垛略陌逝剔届熟敝筋议缚敖仲异步电动机调速

3、的发展原舌般镑丁匀锚赂肌供饲懂副而拣吮趋河韦绍翔散束介贱剥豺韵治吗浓蔷兼兄痒暮抠基萎眉雅让砚存拌乒顷斥犊跳磋掌洛人汽皖隘桩枚论权浓椒速馁鲜猎法麓垣尺鼎辨荷嚣锅舀激格驳雹拯芳克昨撕济披韵壁追兄攫锹巩屹碘钵坛渔倦硫胡认帕翠兴闺该抢蹋革报篡纪逛冉翰喧记供絮悲镶鹿伊扔笨勤斜瑶阀雌囱伐追膊蹿妇恤蝗钉若川壶炔诞嵌早羡焙娜黑蝗寥春续尤旬碌唬构领调润趟挪癣枣牺肉署欣砍喊胯恢舰备姿妹性锑哇绸莫刻蓉科陋励适铭尔扬总渭亩荧淡辱雌驶匡宙绍象苍堂茬拈细茵京帜毯嚎棉泄铣瓶蔼访芋果难迸蕊最彭占又泵刻科退邱烦梧毕滞隐也格踢塌厅汉潦差着妙抚粘溉簿一 引言1.1、异步电动机调速的发展：直流机电传送与交流机电传送在19世纪先后诞生

4、，但当时的机电传送是不调速系统，随着社会化大生产的不断发展，生产制造技术越来越复杂，对生产工艺的要求越来越高，这就要求生产机械能够在工作速度，快速启动和制动正反转运行等方面，具有较好的静态和动态性能，从而推动了电动机调速技术不断向前发展。由于直流电动机的调速性能和转矩控制性能较好20世纪30年代起，就开始使用直流调速系统。有最初的旋转变流机组控制发展成为电机放大机控制，在再进一步用晶闸管、电力晶体管控制。使系统快速性，可靠性和经济性不断提高。应用非常广泛然而，由于直流电动机具有电刷和换向器。所以制造工艺复杂、成本高、维护麻烦、单机容量和转速都受到了限制，她的局限性也逐渐显露出来。交流电动机中的

5、异步电动机，具有结构简单、制造容易、运行可靠、维护方便、效率较高等一系列优点早就普遍应用与恒速运行的生产机械中。由于其调速习惯年能和转矩控制性能不够理想，长期以来难以推广使用。近30年来由于电力电子技术的发展，才出现各种类型的交流调速系统。例如：变频调速、串极调速、磁场定向控制调速和无换向起电动机调速系统。发明矢量控制后，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳态精度、快的动态响应以及在四象限可逆行等良好的技术性能。在调速性能方面完全可以与直流调速系统相媲美，所以才逐渐得到应用。计算机控制技术和现代控制理论应用与交流调速系统后为其发展创造了更加有利的条件。使交流调速系统成为当前发展和研究

6、的重点。采用危机控制后用软件实现矢量控制算法。使硬件电路规范化。从而降低了成本，提高了可靠性。而且还有可能进一步实现更复杂的动力。交流传动正逐步取代支流传动而成为机电传动的主流。不过由于交流调速控制系统比较复杂，中小容量的转速设备装置价格偏高，实现四象限运行要比直流传动复杂。交流调速的上述缺点如果不能完全克服。直流调速仍会在许多场合继续发挥作用。1.2、电力电子器件的发展：电力电子器件是推动电力电子技术发展的火车头。其应用装置大到三峡船闸启动、电气化机车运行，小到移动电话、心脏起搏装置，处处可见其踪影。铁路电气化牵引、工业生产中电力传动、再生能源发电、柔性输电系统、不停电电源、通信电源、电子照

7、明、计算机电源、打印机电源、充电器、变频空调等各种家用电器电源等。这些电力电子产品已经应用到社会生产和生活各个方面。电力电子对于节能、减少环境污染、改善工作条件、节约原材料、降低成本和提高产量方面均起着十分重要的作用。1947年美国贝尔实验室发明了晶体管，1956年美国由研制了最先用于电力领域的半导体器件，硅整流二极管。而后人们有开发出快恢复整流二极管和肖特基整流管，为了达到缩短整流管的正反向恢复时间来降低整流管的开关损耗。20世纪80年代，人们由开发出了同步整流管。1957年，美国通用公司研制出第一个晶闸管。自1957年晶闸管出现后，由于其优越的电气性能和控制性能，很快取代了水银整流器和旋转

8、变流机组，并且其应用反费也是迅速扩大，电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业（轧钢用电气传动，感应加热）、电力工业（支流输电，无功补偿等）的迅速发展也有里的推动了晶闸管的进步。晶闸管是通过对门级的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，因而，属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，晶闸管的关段通常依靠电网电压等外部条件来实现，这就使晶闸管的应用受到局限。20世纪70年代后期，以门极关断晶闸管（gto）电力双极型晶体管（gtr）和电力场效应晶体管（powermosfet）为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极，栅极）的控制既可使其开通由可使其关断/此外，这些

9、器件的开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关频率较高的电路。20世纪80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（igbt）为代表的复合型器件异军突起。igbt是mosfet和gtr的复合。它把mosfet的驱动功率小，开关速度快的优点和gtr通态压降小，载流能力大的优点集与一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术的主要器件。与igbt相对应mos控制晶闸管（mct）和集成门极换六晶闸管（igct）都是moseft和gtr的复合，它们也综合了mosfet和gtr两器件的优点。为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小、轻量化，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成的模块的形式，这给应用带来了很大的方

10、便。后来把驱动控制保护电路和功率器件集成在一切，构成功率集成电路（pic）目前功率集成电路的功率都还小，但这带百哦了电力电子技术发展的一个重要方向。随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率也不断提高。同时，电力电子器件的开关损耗也随之增大。为了减小开关损耗，软开关技术应运而生，零电压开关（zvs）和零电流开关（zcs）就是软开关的最基本的形式。从理论上讲，采用软开关技术可使开关损耗为零，可以提高效率。另外，它也使得开关频率可以进一步提高。从而提高了电力电子装置的功率密度。电力电子器件的发展史实际上是一部围绕提高效率、提高性能、小型轻量化、消除电力公害，进行不懈研究的奋斗史。这也

11、是21世纪电力电子产业的发展趋势。1.3 直接转矩控制:1.3.1直接转矩的发展历史: 直接转矩控制，一般文献认为它由德国鲁尔大学的m.depenbrock教授和日本的i.takahashi于1985年首先分别提出的。事实上，1977年abplunkett曾经在ieee的工业应用期刊上提出了类似于目前直接转矩控制的结构和思想的直接磁链和转矩调节方法，在这种方法中，转矩给定与反馈之差通过pi调节得到滑差频率，此滑差频率加上电机转子机械速度得到逆变器应该输出的电压定子频率;定子磁链给定与反馈之差通过积分运算得到一个电压与频率之比的量，并使之与定子频率相乘得到逆变器应该输出的电压，最后通过spwm方

12、法对电机进行控制。1996年abb公司在世界上首次实现了无速度传感器dtc控制的异步电动机的工业应用，产品系列为acs600，而后又将无速度传感器dtc控制技术移植到acs1000系列中压三电平变频器中。acs600产品系列静态速度控制误差在0.1%0.5%,转矩响应时间2ms，而后其它一些变频器厂家也相继采用了dtc技术，预计dtc技术会在新的世纪会超过矢量控制技术。1.3.2、什么是直接转矩控制:直接转矩控制(direct torque control dtc)是一种新型的高性能交流调速传动控制技术,它摒弃矢量控制中解耦的控制思想,采用定子磁链定向和瞬时矢量控制理论,通过检测定子电压和电流

13、,在定子坐标系下,观测电机的磁链、转矩,并将观测值与给定的磁链、转矩比较差值经滞环控制器调节得到相应的控制信号、综合磁链和转矩信号来选择相应电压空间矢量,直接对电机定子磁链及转矩进行控制,在实现磁链控制的同时,也实现了转矩的直接控制使得直接转矩控制的交流感应电机变频调速系统具有优越的动静态性能.该控制方法对电机模型参数的以来程度小,已成为交流传动的新热点.但是目前的研究成果以电机高速模型居多,低速领域达到好的动静态性能的较少或者成本太高,且电机高速模型和低速模型的切换也不太平滑. 1.3.3、直接转矩控制有以下几个主要特点：（1） 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电

14、动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化：既不需要模仿自流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理工作特别简单。所用的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的判断。（2） 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。（3） 直接转矩控制所采用空间矢量的概念来分析交流电动机的数学模型和控制其各

15、物理量，使问题变得特别简单明了。（4） 直接转矩控制强调的是转矩的字节控制与效果。它包含两层意思：直接控制转矩对转矩的直接控制1） 直接控制转矩 与著名的矢量控制的方法不同，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，直接控制转矩。因此它并非极力获得理想的正弦波波形，也不专门强调磁链的圆形轨迹。相反，从控制转矩的角度出发，它强调的是转矩的直接控制效果，因而它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念2） 对转矩的直接控制 直接转矩控制技术对转矩实行直接控制。其控制方式是，通过两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值作带滞环的比较，把转矩波动限制在一定的容差

16、范围内，容差的大小，由频率调节器来控制。因此它的控制效果不取决与电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。它的控制既直接由简化。对转矩的这种直接控制方式也称之为“直接自控制”。这种“直接自控制”的思想不仅用与转矩控制，也用于磁链量的控制和磁链的自控制。但以转矩为中心来进行综合控制。（5）综上所述，直接转矩控制技术。用空间矢量的分析方法。直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助与离散的两点式调节（bandband控制）产生pwm信号。直接对逆变器的开关状态进行最佳控制。以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处理，没有通常的p

17、wn信号发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单。控制手段直接。信号处理的物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速。限制在一拍以内。且无超调。是一种具有高静动态性能的交流调速方法。二 电动机的直接转矩控制技术2.1异步电动机的数学模型的基本方程图2-1异步电动机的t型等效电路该等效电路是正教定子坐标系(-坐标系)上描述异步电动机的.各量的意义如下:us (t)-定子电压空间矢量is(t)-定子电流空间矢量ir(t)-转子电流空间矢量s(t)-定子磁链空间矢量r(t)-转子磁链空间矢量-电角速度（机械角速度和极对数的积）并且规定，将旋转空间矢量在轴上的投影称为分量。在正交的轴上的投影称为分量根据以上

18、规定，异步电动机在定子坐标系上由下列方程式表示：us=ri+u (2-1)0=rrir-r+jt (2-2)定子磁链与转子磁链由下式获得：u=lir (2-3)t=u-lir (2-4)定子旋转磁场提供的功率如下：p=std=2/3reuis =2/3（uis+uis） (2-5)式中s-定子频率（定子旋转磁场的频率）。且 u=jsl（iu+jiu） (2-6)由次方程可得出下面两个方程式： u=-sliu=-su (2-7)和 u=sliu=su (2-8)将式(2-7)和(2-8)代入式(2-5)，得转矩 td=2/3（ur-ur） (2-9)如果用转子磁链代替定子电流，转矩方程式将变为简

19、明的形式，由 is=iu+ir (2-10) 和(2-3) 和(2-4) 可得 td=1/l3/2（ur-ur） (2-11)该公式表达的是定子磁链与转子磁链之间的交叉乘积，也可以写成如下形式： td=1/l3/2u rsin (2-12)式中-定子磁链与转子磁链之间的夹角，即磁通角。 在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，一边充分利用电动机：而转子磁链幅值由负载决定。如果要改变异步电动机的转矩，可以通过改变磁通角实现。转子磁链可以根据式(2-2)通过改变转子电流来实现。而定子磁链可以根据式（2-1）以定子电压的积分来改变。稳态转矩的计算则是根据式(2-12)通过对转子磁链与磁通角（t）的

20、计算来完成。2.2逆变器的电压状态和空间矢量图2-2一台电压型逆变器由三组、六个开关（、）组成。由于sa 与sa1 、sb与sb1、sc与sc1之间互为反向，即一个接通，另一个断开，所以三组开关有23=8种可能的开关组合。表2-1 逆变器的8种开关组合状态状态01234567010100110011001100001111对于逆变器的8种开关状态，对外部负载来说，逆变器输出7中不同的电压状态，这7种不同的电压状态也分成两类：一类是6种工作电压状态，它对应于开关状态“1”至“6”分别称为逆变器的电压状态“1”至“6”：另一类是零电压状态，它对应于零开关状态“7”和“8”。由于对外来说，输出的电压

21、都为零因此统称为逆变器的零电压状态“7”。表2-2逆变器的电压状态与开关状态的对照关系状态工作状态零状态12345678开关状态sabc100110010011001101000111电压状态表示一us（t）us（100）us（110）us（010）us（011）us（001）us（101）us（000）us（111）表示二us（t）us1us2us3us4us5us6us7表示三us（t）1234567逆变器的7个电压状态，若用电压空间矢量来表示，则形成了7个离散的电压空间矢量。每两个工作电压空间矢量在空间的位置相隔600角度。6个工作电压空间矢量的定点构成正六边形的6个定点 图2-3 三相

22、电压型逆变器的电压空间矢量电压空间矢量结论：(1).逆变器的六个工作电压状态给出了六个不同方向的电压空间矢量。他们周期性的顺序出现。相邻的两个矢量之间相差600。 (2).电压空间矢量的幅值不变，都等于4e/3。因此六个电压空间矢量的顶点构成了正六边形的六个顶点。 (3).六个电压空间矢量的顺序是u1（100）-u2（110）-u3（010）-u4（011）-u5（001）-u6（101）。他们依次沿逆时针方向旋转。(4).零电压状态7位于六边形的中心2.3电压空间矢量对定子磁链的影响图2-4(1)定子磁链空间矢量定点的运动方向和轨迹，对应于相应的电压空间矢量的作用方向，u（t）的运动轨迹平行

23、于us（t）的指示方向。只要定子电阻压降is（t）rs比起us（t）足够小，那么这种平行就能得到很好地近似。(2).在适当的时候依次给出定子电压空间矢量us1-us2-us3-us4-us5-us6则得到定子磁链的运动轨迹依次沿边s1-s2-s3-s4-s5-s6运动，形成了正六边形磁链。(3)正六边形的六条边代表着磁链空间矢量u（t）的一个周期的运动轨迹。直接利用逆变器的六种工作开关状态，简单的得到六边形的磁链轨迹以控制电动机。这就是dsr控制的基本思想。2.4异步电动机磁链的数学模型目前的磁链模型有三种,分别适用于不同转速下应用.2.4.1 u-i模型在30%额定转速以上,采用u-i模型,

24、其表达式为 (2-13)从此式可以看出,在计算过程中唯一所需了解的电动机参数是易于确定的定子电阻.同样定子电压和转子电流也是易与确定的物理量,他们能以足够的精确度被检测出来.计算出定子磁链后,再把定子磁链和所测量出来的定子电流代入式2-9就可计算出电动机的转矩.此模型中最关键的是要准确确定定子磁链,既要求定子电压和定子电阻压降之间的差值存在且误差可忽略,而只有在30%额定转速时才可能达到这个要求.2.4.2 i-n模型在30%额定转速以下,由于定子频率很低(仅有几赫兹),电动机端电压很小定子电阻变化导致u-i模型中积分项误差较大,故采用i-n模型,其表达式为 (2-14) (2-15)在30%

25、以下转速范围,磁链职能根据转速正确计算.在i-n模型中正是用定子电流和转速来确定定子磁链.该模型在这个转速范围内是合适的.但是要注意在使用i-n时要求准确测量角速度这是角速度的测量误差首先引起转子磁链的误差,最终引起转矩误差,故对转速要求有较高精度的测量.对于u-i和i-n模型的应用必须有合理的安排,不同的转速范围应采用不同的磁链模型.在告诉是采用u-i模型,因其模型不仅简单,而且精度较高,受参数影响小;在低速时采用i-n模型因为低速是受定子电阻的影响u-i模型以不能正常工作.2.4.3 u-n模型由于在u-i模型向i-n模型切换时,快速平滑切换的困难使得这种解决方案产生问题,而u-n模型是一

26、个在全速范围内都实用的磁链模型.而u-n模型综合了u-i模型和i-n模型的特点,转子方程(2-15)和定子方程式(21)及磁链方程式(2-3)、(2-4)组成.关键在于使用了电流pi调节器,强迫电动机模型电流和实际电动机电流相等,同时精度大大提高,缺点是结构比较复杂.通过使用u-n模型,解决了u-i模型向i-n模型快速平滑切换问题.并且使电动机在高速时工作u-i模型下,低速时工作在i-n模型下2.5直接转矩控制系统构成及工作原理直接转矩控制的基本思想就是通过磁链调节器保持定子磁链的幅值为额定值以便充分利用电动机，转子磁链幅值由负载决定，利用定子电压空间矢量来控制定子磁链的平均运行速度，以改变定

27、子磁链和转子磁链之间的磁通角大小从而改变异步电动机的转矩，实现对转矩的直接控制。图2-4直接转矩控制系统框图图2-4为直接转矩控制系统框图，直接转矩控制系统工作原理为：首先控制系统对定子电压ua 、ub、uc定子电流ia、ib、ic及转速n进行采样，n和n*的偏差n经转速调节器anc后得到转速给定值tc*，ua 、ub 、uc及ia、 ib 、ic经3/2变换后得到-坐标系下的us 、us和is 、is，这两对电压和电流一路进入定子磁链模型计算出s 、s，另一路和s、s进入电磁转矩模型计算出电磁转矩te的大小，s 、s经磁链幅值和区间计算模型，得到定子磁链的幅值s及其所在的区间信号sn。te与

28、te*的偏差经n经转矩调节器atc后得到转矩调节信号tq，s于s*的偏差经磁链调节器ac后得到磁链调节信号q。在tq、q、 sn三者的共同作用下查取开关状态选择表，选取最佳的电压空间矢量，形成pwm波形，经驱动电路送至逆变器，控制逆变器从而实现对电动机的控制。2.6直接转矩控制的缺陷及改进方案直接转矩控制理论和技术有许多优点,如计算简单,控制结构相对简单,动态响应快,参数鲁棒性好.然而作为一种诞生不久的新理论 新技术,自然有其不完善不成熟之处,有些问题甚至成为它发展难以逾越的障碍.一个是在低速区由于定子电阻的变化带来的一系列问题主要是定子电流和磁链的畸变非常严重,尽管有前面提到的i-n模型,使

29、其表达式中不含有,不受定子电阻的影响但它受转子电阻rr 漏电感 主电感的变化影响.此外还要求测量,的测量对i-n模型的影响很大.不过在全速范围内调速应用改进方案既u-n模型还是切实可行的.另外低速时转矩脉动 死区效应 开关频率问题也比较突出.上下桥臂同时导通造成直流侧短路,引入足够大的互锁延时,带来死区效应.死区效应积累的误差使得逆变器输出电压失真,于是又产生电流失真,加剧脉动和系统运行不稳定问题.改进方案有3个:(1) 使用改进的开关表,改进控制参数和开关量之间的对应关系,使之产生更优的控制电压波形(2) 以pwm和pvm技术实现dtc固定开关频率运行方案.(3) 引入模糊控制和智能控制,用

30、软件来解决转矩脉动问题.(4) 磁通轨迹改善.采用矢量细分法,消除所选矢量在某些区域的不对称作用而使磁通的轨迹得到改善,并且在磁通旋转速度上也提到的对称性,消除了电流的畸变2.7直接转矩控制技术的发展的展望随着现代科学技术的不断发展,直接转矩控制技术必将有所突破,现代控制理论和职能控制理论应用与dtc技术,为改进dct系统提供了坚实的理论依据;同是高性能数字处理器(dsp)的出现,为改进dtc系统提供了强大的物质基础.尤其是现在数字化潮流势不可挡,各行各业都向数字化靠拢.如智能ipm整合了dsp控制器,将电机控制的大部分电路集成到标准的封装的模块当中,集成了igbt igbt驱动电路 电压电流

31、反馈 保护模块和dsp控制模块,使得控制结构越发简单,控制性能与控制精度,响应速度均得到提高.特别是dsp芯片在直接转矩控制系统中的应用为解决低速取的问题提供了可能,因为只要实现了对定子电阻的准确辨识,就能从根本上消除定子电流和磁链畸变,问题也就迎刃而解了.而全数字化的实现,将使采样精度更高,误差率更小,更容易实现最优控制,因此应用现在控制理论 人工智能和神经网络理论,将之用与直接转矩控制理论的研究,从软件入手改进系统将是这种新技术的发展方向.dsp器件的进一不发展也成为dtc技术难题突破提供了可能.随着控制性能的不断提高,直接转矩控制在传动领域会有更广阔的应用前景.3硬件电路设计及实现3.1

32、.1系统的总体介绍本系统采用交-直-交电压型变频电路, 这是变频器中最常用的一种方式。这种变频器属于pam（即脉幅调制）型变频器，pam方式的特点是：输出电压的幅值和频率的调节在不同环节中完成。主电路由变频电路和电动机构成,整流环节采用三相桥式电路,逆变环节采用智能ipm功率模块.对电动机的转速检测本系统采用增量式光电编码器.出于对系统的保护,系统的检测电路中有过电压过电流检测装置,这里过电压检测采用霍尔电压传感器作为检测器件,过电流检测采用闭环霍尔电流式传感器检测.控制部分以芯片tms320f240为核心,构成了功能齐全的数字控制系统.图3-1系统硬件结构图3.1.2直接转矩控制系统的dsp

33、硬件实现电动机调速系统可以采用直接转矩控制策略,调速系统外部给定转速指令,检测电机转子转速,定子转速两相电流和直流母线电压他们都是经过a/d转换接口输入dsp芯片.3.2主电路3.2.1整流电路 图 3-2 三相桥式整流电路本系统采用三相可控整流电路,三相整流电路分为三相半波、三相桥式整流电路两大类,实际中由于三相相控整流电路具有输出电压脉动小、脉动频率高、网侧功率因数高以及动态响应快的特点,因此它在中、大功率领域中获得了广泛的应用.相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定,利用它可以方便地得到大、中、小各种容量的直流电能,是目前获得直流电能的主要方法,得到了广泛的应用. 当负载容量较大时,若

34、采用单相相控整流电路,将造成电网三相电压的不平衡.三相桥式整流电路只用三个晶闸管,接线简单,与单相电路比较,其输出电压脉动小、输出功率大、三相负载平衡.但是整流变压器二次侧绕组在一个周期内只有 时间流过电流,变压器的利用率低.另外变压器二次侧绕组中电流是单方向的,其直流分量在磁路中产生直流不平衡磁动势,会引起附加损耗.三相全控桥式蒸馏电路是由一组共阴极接发的三相半波相控整流电路和一组共阳极接法的三相半波相控整流电路串联起来组成的. 3.2 ipm智能功率模块:智能功率模块ipm（intelligent power module）不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，。而且还内藏有过电压，过电

35、流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到cpu。它由高速低工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，也可以ipm自身不受损坏。ipm一般使用igbt作为功率开关元件，并内藏电流传感器及驱动电路的集成结构，以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的控制器和各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，司服进给，变频家电的一种非常理想的电力电子器件。ipm 的优点：1）开关速度快。ipm内的igbt芯片都选用高速型，而且驱动电路紧靠igbt芯片，驱动延时小，所以ipm开关速度快，损耗小。在小于等于20khz时都能稳定工作。2）低功耗。ip

36、m内部的igbt导通压降低，开关速度快，故ipm功耗小。3）快速的过流保护。ipm实时检测igbt电流，当发生严重过载或直接短路时，igbt将被软关断，同时送出一个故障信号。4）过热保护。在靠近igbt的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当基板过热时，ipm内部控制电路将截止栅级驱动，不响应输入控制信号。5）桥臂对管互锁。在串联的桥臂上，上下桥臂的驱动信号互锁。有效防止上下臂同时导通。（只有部分型号才具有）6）抗干扰能力强。优化的门级驱动与igbt集成，布局合理，无外部驱动线。7）驱动电源欠压保护。当低于驱动控制电源（一般为15v）就会造成驱动能力不够，增加导通损坏。ipm自动检测驱动电源，当低

37、于一定值超过10s时，将截止驱动信号。8）ipm 内藏相关的外围电路。缩短开发时间，加快产品上市。9） 大大减少了元件数目。体积相应小。根据以上优点,本系统所采用pm200dsa060型智能模块3.2.1ipm智能功率模块pm200dsa060介绍:. 根据内部功率电路配置情况，ipm有多种类型，如pm200dsa060型：ipm为d型(内部集成2个igbt)其内部功能框图如图3-3所示，内部结构如图3-4所示。内有驱动和保护电路，保护功能有控制电源欠压锁定保护、过热保护、过流保护和短路保护，当其中任一种保护功能动作时。ipm将输出故障信号fo。图3-3ipm的内部功能框图图3-4 ipm的内

38、部结构 ipm内部电路不含防止干扰的信号隔离电路、自保护功能和浪涌吸收电路。为了保证ipm安全可靠。3.2.2 ipm的外部驱动电路设计 ipm的外部驱动电路是ipm内部电路和控制电路之间的接口，良好的外部驱动电路对以ipm构成的系统的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。图3-5 ipm的外部驱动电路和引脚连接示意图表3-1 ipm的引脚功能图3-5的外部接口电路直接固定在pcb上且靠近模块输入脚以减少噪声和干扰pcb上布线的距离应适当，避免开关时干扰引起的电位变化。另外，考虑到强电可能造成外部驱动电路到ipm引线的干扰，可以在引脚14间，34间，45间根据干扰大小加滤波电容器。3.2.3

39、ipm的保护电路设计 由于。ipm本身提供的保护电路不具备自保护功能所以要通过外围硬件或软件的辅助电路将内部提供的：fo信号转换为封锁ipm的控制信号关断ipm，实现保护。(1) 硬件 ipm有故障时，fo输出低电平，通过高速光耦到达硬件电路，关断pwm输出，从而达到保护ipm的目的。具体硬件连接方式如下：在pwm接口电路前置带控制端的3态收发器(如74hc245)。pwm信号经过3态收发器后送至ipm接口电路ipm的故障输出信号fo经光耦隔离输出送入与非门。再送到3态收发器使能端oe。ipm正常工作时与非门输出为低电平。3态收发器选通；ipm有故障时。与非门输出为高电平。3态收发器所有输出置

40、为高阻态。封锁各个ipm的控制信号关断ipm实现保护。(2)软件 ipm有故障时fo输出低电平，fo信号通过高速光耦送到控制器进行处理。处理器确认后。利用中断或软件关断ipm的pwm控制信号从而达到保护目的。如在基于dsp控制的系统中利用事件管理器中功率驱动保护引脚(pdpint)中断实现对ipm的保护。通常1个事件管理器严生的多路pwm可控制多个ipm工作其中每个开关管均可输出fo信号，每个开关管的fo信号通过与门当任一开关管有故障时输出低电平，与门输出低电平将该引脚连至pdpint，由于pdpint为低电平时dsp中断，所有的事件管理器输出引脚均被硬件设置为高阻态，从而达到保护目的。3.2

41、.4 ipm的缓冲电路设计 在ipm应用中，由于高频开关过程和功率回路寄生电感等叠加产生的didt、dvdt和瞬时功耗会对器件产生较大的冲击，易损坏器件因此需设置缓冲电路(即吸收电路)，目的是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过压，降低器件开关损耗保护器件安全运行。图3-6为常用的3种ipm缓冲电路。图3-6(a)为单只无感电容器构成的缓冲电路。对瞬变电压有效且成本低，适用于小功率ipm。图3-6 (b)为rcd构成的缓冲电路，适用于较大功率ipm，缓冲二极管d可箝住瞬变电压。从而抑制由于母线寄生电感可能引起的寄生振荡。其rc时间常数应设计为开关周期的l3，即=t/3=1/3f。图3-6 (c)

42、为p型rcd和n型rcd构成的缓冲电路。适用于大功率ipm。功能类似于图3-6 (b)所示的缓冲电路，其回路电感更小。若同时配合使用图3-6 (a)所示的缓冲电路，还能减小缓冲二极管的应力，缓冲效果更好。图3-6 常用的ipm缓冲电路在图3-6(c)中，当igbt关断时，负载电流经缓冲二极管向缓冲电容器充电，同时集电极电流逐渐减少，由于电容器二端的电压不能突变，所以有效地限制了igbt集电极电压上升率dvdt。也避免了集电极电压和集电极电流同时达到最大值。igbt集电极母线电感、电路及其元件内部的杂散电感在igbt开通时储存的能量，这时储存在缓冲电容器中。当igbt开通时。集电极母线电感以及其

43、他杂散电感又有效地限制了igbt集电极电流上升率didt。同样也避免了集电极电压和集电极电流同时达到最大值。此时，缓冲电容器通过外接电阻器和igbt开关放电，其储存的开关能量也随之在外接电阻器和电路、元件内部的电阻器上耗散。如此。便将igbt运行时产生的开关损耗转移到缓冲电路，最后在相关电阻器上以热的形式耗散，从而保护igbt安全运行。图3-6 (c)中的电阻值和电容值按经验数据选取：如pm200dsa060的电容值为0.22f一0.47f，耐压值是igbt的1.1倍1.5倍，电阻值为1020，电阻功率为 p=fcu210-6 (3-1)其中f为igbt工作频率，u为igbt的工作峰值电压，c

44、为缓冲电路与电阻器串联电容。二极管选用快恢复二极管。为了保证缓冲电路的可靠性。可以根据功率大小选择封装好的图4所示的缓冲电路。另外，由于母线电感、缓冲电路及其元件内部的杂散电感对ipm尤其是大功率ipm有极大的影响，因此愈小愈好。要减小这些电感需从多方面入手：直流母线要尽量地短；缓冲电路要尽可能地靠近模块；选用低电感的聚丙烯无极电容器、与ipm相匹配的快速缓冲二极管及无感泄放电阻器。3.2.5 ipm的保护功能ipm内部含有门极驱动控制，故障检测和多种保护电路。内置电流传感器来监测igbt的主电路，内部故障保护电路来检测过流、短路、过热和控制电源欠压等故障。用于防止因系统相互干扰或者过载等发生

45、时造成功率芯片的损坏。它所采用的故障测方式和关断方式可使功率芯片的容量得到最大限度的利用而不会损坏其可靠性。如有任何一个故障发生，内部电路即会封锁驱动信号并向外送一“故障”信号。其内置的续流二极管，具有快速而软的反向恢复特性，可较好地抑制电磁干扰噪声。ipm内部电路功能框图如图3-7所示。图中所示为ipm内部六个单元的其中一个。现将电路中的主要单元说明如下： 图3-7 ipm内部电路功能原理框图a. 控制电源欠压锁定(uv)ipm内部控制电路由外接的15v直流电源供电。只要此电源电压下降到指定的欠压断开阈值(uv)以下，ipm就会关断，同时产生一个故障输出信号。为了恢复到正常运行状态，电源电压

46、必须超过欠压复位阈值(uvr)，电源电压超过欠压复位阈值时故障复位信号也消失。在控制电源上电和掉电期间，欠压保护电路都起作用，这属正常现象。b. 过热保护(ot)在靠近igbt芯片的绝缘基板上安装有温度传感器，如果基板的温度超过过热断开阈值(ot)，ipm内部的保护电路封锁门极驱动信号，不响应控制输入信号，直到过热源被排除。当温度下降到过热复位阈值(ovr)以下，且控制输入信号为断态电平时，功率芯片方可恢复工作，同时故障复位信号也消失。当控制信号的下一个通态电平到来时就恢复正常工作。c. 过流保护(oc)如果通过igbt的电流超过过流打开阈值(oc)且持续时间大于过流保护延迟时间toff(oc

47、)，igbt就会被软关断，toff(oc)的典型值为10s,因而小于10s的噪音而引起的过流不会引起保护电路的动作。当过流保护起作用时，故障输出信号端输出一固定宽度(tf0)的低电平脉冲信号。d. 短路保护(sc)如果负载发生短路或系统控制器出现故障，使功率芯片的上、下臂同时导通，则短路保护电流会将igbt关断。保护电路软关断igbt，同时在故障输出信号端输出一固定宽度(tf0)的低电平脉冲信号。保护电路对于宽度小于2s的短路电流不响应。3.3控制回路的设计3.3.1 dsp技术及简介目前，数字信号处理(digital signal processing，简称dsp)已经成为信号处理技术的主流

48、。因为与早期的模拟信号相比，数字信号处理有着巨大的优势。早期的模拟信号处理主要通过运算放大电路进行不同的电阻组配实现算术运算，通过电阻、电容的组配实现滤波处理等，其中有一个很明显的问题是不灵活、不稳定，参数修改困难，需要采用多种阻值、容值的电阻、电容，并通过电子开关选通才能修改处理参数；而且对周围环境变化的敏感性强，温度、电路噪声等都会造成处理结果的改变。而数字信号处理可以通过软件修改处理参数，因此具有很大的灵活性。由于数字电路采用厂二值逻辑，只要环境温度、电路噪声的变化不造成电路逻辑的翻转，数字电路都可以不受影响地完成工作，因此具有很好的稳定性。具体来说，dsp在以下一些方面表现出它的优越性

49、：(1),dsp芯片采用改进的哈佛结构（havard structure）。其主要特点是程序和数据具有独立的存储空间，有着各自独立的程序总线和数据总线，由于可以同时对数据和程序进行寻址，大大地提高了数据处理能力，非常适合于实时的数字信号处理。ti公司的dsp芯片结构是基本哈佛结构的改进类型。改进之处是在数据总线和程序总线之间进行局部的交叉连接。这一改进允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性。只要调度好两个独立的总线就可使处理能力达到最高，以实现全速运行。改进的哈佛结构还可使指令存储在高速缓存器中(cache)，省去了从存储器中读取指令的时间，大大提高了运行速度

50、。(2)，dsp指令系统是流水线操作。在流水线操作中，一个任务被分解为若干个子任务，各个任务可以在执行时相互重叠。dsp指令系统的流水线操作是与哈佛结构相配合的，增加了处理器的处理能力，把指令周期减小到最小值，同时也就增加了信号处理器的吞吐量。以ti公司的tms320系列产品为例，第一代tms320处理器(例如tms320c10)采用了二级流水线操作；第二代产品(例如tms320c25)采用了三级流水线操作；第三代dsp芯片(例如tms320c30)采用了四级流水线操作。在流水线操作中，dsp处理器可以同时并行处理24条指令，每条指令处于其执行过程中的不同状态。(3)，采用专用的硬件乘法器。在

51、一般的计算机上，算术逻辑单元(alu)只能完成两个操作数的加、减及逻辑运算，而乘法(或除法)则由加法和移位来实现。因此，在这样的计算机的汇编语言中虽然有乘法指令，但在机器内部，实际上还是由加法和移位来实现的，因此它们实现乘法运算就比较慢。与一般的计算机不同的是，dsp都有硬件乘法器，使乘法运算可以在一个指令周期内完成。如在tms320c3x系列dsp芯片中，有一个硬件乘法器，在tms320c6000系列中则有两个硬件乘法器。(4)，特殊的dsp指令。dsp芯片的另一个重要特征是有一套专门为数字信号处理而设计的指令系统。(5)，快速的指令周期。cmos技术、先进的工艺、集成电路的优化设计及工作电

52、压的下降由(5v到3.3v，再到1.5v)，使得dsp芯片的主频不断提高。目前ti公司的tms320c6000系列及tms320c5000系列的芯片的最高工作主频已经达到200mhz，指令周期已经降到了5ns。可以预见，随着微电子技术的发展，工作频率还将继续提高，指令周期将进一步缩短。(6)，良好的多机并行运行特性。在一定的技术条件下，dsp芯片的单机处理能力是有限的，系统的数据处理容量还是经常会超出单个dsp的处理能力。随着数字信号处理器dsp芯片的广泛使用和dsp芯片价格的不断降低，多个dsp芯片的并行处理已经成为近年来的研究热点，并逐渐在应用中崭露头角。多机并行类似于高性能的mpu巨型机

53、。ti公司的tms320c4x系列还提供了专门用于多个dsp并行运行的硬件通信接口。(7)，大电流。高速信号处理芯片全速运行时电流经常在1 a以上。(8)，低电压。为在大电流下减少系统功耗，系统的工作电压从标准的5v降到3.3v，2.5v，1.8v，甚至0.9 v。(9)，高度集成。芯片的集成度在数十到数百万门量级。(10)，为提高运行速度而采用多种并行的体系结构。由于dsp的优越性，它自20世纪60年代以来，迅速得到广泛的应用。dsp应用几乎遍及整个电子领域，典型应用有通信、语音处理、图形图像处理、自动控制、仪器仪表及医学电子等。随着人们对实时信号处理要求的不断提高和大规模集成电路技术的迅速发展，dsp的黄金时代正在来临。3.3.2、数字信号处理常用算法在传统上，dsp的算法是利用通用可编程dsp器件实现低速率的应用，而利用专用dsp芯片组和asic实现高速的应用，fpga就是结合各种算法的典型例子。基于sram的fpga特别适合包括乘法和累加等dsp功能的算法以及广泛的算术函数，如fft、叠积和各种滤波器算法，并可以和周围的外设电路?起集成。在一个fpga器件中构造多个