【电平变频调速系统的硬件和软件设计3200字（论文）】

电平变频调速系统的硬件和软件设计目录TOC\o"1-2"\h\u21060电平变频调速系统的硬件和软件设计 1323531系统硬件设计 1130031.1驱动电路设计 2234811.2电压采样电路设计 3320271.3电流采样电路设计 4144341.4电源电路设计 431952控制系统软件设计 645662.1转速估算模块的设计 66442.2转子磁链观测器模块的设计 7238512.3速度调节器和磁链调节器模块的设计 8313092.4电压电流变换模块的设计 9169172.5SPWM模块的设计 91系统硬件设计本章搭建了电平变频调速系统的硬件平台，从而得出实验结果并对其进行分析，进一步实验验证理论的正确性。图1.1三电平变频调速系统硬件框图图1.1是三电平变频调速系统的硬件框图，从图中可以看出三电平变频调速系统的硬件分为三相二极管不控整流、三相二极管箝位式三电平逆变电路、电力开关电路，电压检验电路，电流检查电路，A/D变换电路，电源供应电路及键安装电路。下面分别对这几种电路进行研究设计。1.1驱动电路设计DSP输出的PWM信号电压幅值在。到1.3V之间，而让IGBT导通的电压至少为7V，因此从DSP输出的信号不足以直接驱动IGBT。由此可见，需要对PWM信号进行放大来驱动IGBT。理想的IGBT驱动电路应具备以下功能：1、放大PWM信号，使输入的PWM信号具有足够能力驱动IGBT。2、隔离主电路和控制电路，即让强电和弱电分隔开。一般存在变压器隔离和光祸隔离两种方式[14]。3、对主电路能进行过流和短路检测，当出现以上故障时，能够及时报错发出保护信号，从而保护主电路。为使IGBT可靠导通和关断，通常在IGBT的G端和E端加正向电压使其迅速导通，加负向电压使其迅速关断。因为驱动电路正负电源的参考点和IGBT的E端实现电气连接，因此在三电平电路中，为保证驱动电路与主电路之间实现有效隔离，至少要设计10个独立的电源模块，这明显使得驱动模块的体积增大和复杂程度增高。综合考虑成本和驱动性能等因素，该系统采用金盛阳公司为1200V和1700VIGBT设计的集成驱动器QP12W08S-37，具有自隔离电源，15V电源，可输出+15V和9V的电压。3750V高压隔离，输入信号频率可高达20KHz，可检测IGBT集电极的过压降，实现电路过流和短路保护。二极管箱位型逆变器共有12个功率开关管，因此需要设计12个驱动电路，本文采用该芯片的典型电路，其原理如图1.2所示[15]。图1.1IGBT驱动原理图在图1.1所示的驱动电路中，QP12wo8s-37的1,2管脚输入的是15V的供电电源，电容C3的目的是为了使电源供电稳定。3引脚连接1.3V电源，作为4引脚PWM信号的输入参考。（8）分离正电源引脚输出绝缘公共端子引脚（9）连接到与负电源隔离的输出引脚E的端子E，IGBT（10）是驱动信号输出端子，（12）内部电源引脚（16）调节集电极管，理想输入引脚（13），引脚（14），缺陷输出端口（15）由于IGBT的负载特性来驱动具有负载时，输出电压脉冲的小波纹，在最后的驱动信号的结果的重叠电力的纹波失真，电压连接的需要，并且每个电源的正和负电极之间电解电容器，可稳定维护。在驱动电路中，当选择栅极电阻器Rg全部快速减小并导通和截止时，驱动元件的开关损耗，噪声上升的切换对于增加IGBT的最大输出电流非常重要。当电流驱动器减小时，IGBT开关噪声降低，但器件的开关损耗增加。在澄清了上述两个约束条件和栅极电阻对IGBT的影响之后，最终选定的R阻值为20欧姆。13管脚将采集到的IGBT集电极电压送入芯片确定是否发生过流及短路故障，但为了避免损坏驱动芯片，13管脚不能直接接IGBT集电极，需串联一个快恢复二极管[16]。快恢复二极管的反相电压恢复时间要求小于0.4us，因此选定的快恢复二极管型号为MLTR1100E。1.2电压采样电路设计由图1.2可知，电流采样电路和电压采样电路是联系主电路和控制电路的桥梁。采集到的定子电压和电流输入给DSP，用于观测转子磁链、速度估算以及电流闭环控制。本设计中，采用的DSP芯片的型号是TMS320F28335，A/D模块输入信号要求控制在直流1.3V以内，因此需要对采集来的电压电流信号进行调理，使其符合DSP的输入要求[17]。图1.2电压信号采样电路图1.2为电压信号采样电路原理图，本实验中用电压互感器作为电压信号采集装置，采用的电压互感器型号为JDZ10-10，其变比为10000/100V。电压信号调理电路包含三部分:第一部分是由运放LM2907构成的电压跟随器，其目的是起隔离作用，提高电路的输入阻抗，R0,C1是为了抑制干扰，R1主要起分压作用。第二部分是电压抬升单元，DSP要求的输入量是直流，通过电压抬升单元可将交流量变为直流量[18]:第三部分为隔离、保护单元。通过电压跟随器起到隔离效果，通过箱位限幅将电压限制在0一1.3T1之间，防止信号异常，电压值超出范围，损坏DSP芯片。1.3电流采样电路设计图1.3电流信号采样电路图1.3是电流信号采样电路，和电压信号采样电路类似。电流信号取自电机定子端，通过电流互感器采集而来，互感器变比为20A/10mA。在信号处理过程中，先将电流信号通过一个300S2的采样电阻变为电压信号，电机在运行过程中，取两倍的安全裕量。则电流信号变为电压信号后对应的电压值为2.1V经电压跟随器、电压抬升单元、箱位限幅单元后将电压转换为。0-1.3V的直流电[51]。1.4电源电路设计为了使控制电路能够正常工作，需要考虑设计稳定的直流电源给控制电路供电。由于DSP芯片、驱动电路以及各种运算放大器的供电电压等级各不相同，因此按照设计要求，需要提供+15V,+12V、-12V,+5V,+1.3V,+1.9V等直流源。图1.4+15V电源电路图图1.4是++1SV电源电路图，降压变压器T1将工频交流电降为15V的交流电，然后经过二极管不控整流，把交流电转换为脉动的直流电。电路中通过C1对脉动的直流电进行初次滤波，LM7815是三端稳压集成电路，能将电压稳定在15V，但是工作过程中会有高频热噪声产生，因此在LM7815的输出端接电容C2,C3oC2对低频敏感，滤低频脉动，C3对高频敏感，滤高频脉动[5]。2控制系统软件设计一个好的变频调速系统要实现稳定运行，不仅需要强大的硬件支撑，还需要软件控制算法对其进行精确控制。三电平变频调速系统软件设计的难点在于PWM调制算法和系统的控制算法上，整个系统的结构复杂，程序较大，因此在软件设计中应采用模块化的编程方式，使得整个程序结构安排一目了然，方便调用和调试。2.1转速估算模块的设计将电机的具体参数代入式子中，计算得出状态估计方程为根据(5.1)式可具体搭建基于全阶状态观测器的转速估算模型，如图5.1所示。图5.1转速估算模块2.2转子磁链观测器模块的设计按转子磁场的定向控制，需要知道磁场所处位置及其大小，因此若要对电动机磁场进行实时控制，首先需对磁场进行检测。但是在现实生活中，由于技术以及成本等原因，无法对电动机磁场进行直接检测，因此通常采用计算方法来对磁链进行观测。转子磁链观测器根据输入信号的不同，可分为电流模型法和电压模型法。电流模型法检测的是电机的电流和转速信号，运算结果对转子时间常数有很强的依赖性，而电压模型法只需对电机的电压和电流信号进行检测，几乎不受电机参数影响，本文建立的模型是基于转子磁链电流模型。在两相旋转坐标系下异步电动机的矢量控制方程式为：根据方程式（5.2）、（5.3）可计算旋转坐标系和静止坐标系的位置角r，以及电动机的转子磁链r，图5.3是其计算流程图。图5.2按转子磁链定向的转子磁链电流模型原理图图5.3是根据图5.2搭建的转子磁链观测器模型。图5.3转子磁链观测器模型2.3速度调节器和磁链调节器模块的设计图5.4速度调节器仿真模型图5.5磁链调节器仿真模型图5.4和图5.5分别是速度调节器和磁链调节器的仿真图，从图中可以得出，这两个调节器都是比例和积分形式的PI调节器，因此比例系数和积分系数对输出结果有很大的影响。经过多次试验，最后确定PI参数。在速度调节器中，kp8.3，ki8.0。在磁链调节器中，kp8.1，ki100。2.4电压电流变换模块的设计二极管箝位型逆变器是电压型逆变器，因此需要将经速度调节器和磁链调节器得到的两相旋转坐标系下的电流信号转换为电压信号，其变换关系为：根据上述关系，可搭建电流变换为电压的仿真模型，如图5.6所示。图5.6电压电流变换模块模型2.5SPWM模块的设计经过电压电流变换模块得到的两相旋转坐标系下的定子电压通过坐标反变换即可得到UA、UB、UC，这作为SPWM模块的输入，进而可得逆变器的驱动波形。第三章中，已经详细研究了三电平逆变器的SPWM调制算法，通过对比可知在60坐标系下，参考矢量的扇区判断，作用时间的计算更为简单，更易于数字控