15kw通用变频器的设计_大学学士学位论文(编辑修改稿)

15kw通用变频器的设计_大学学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

和软件设计 通用变频器设计指标 变频器是一种新颖的可以实现连续无级调速的装置，衡量系统性能的技术指标与传统的调速系统也有较大不同，如变频器、伺服驱动器的速度调节总是连续的，故无需考虑平滑性指标；而系统对指令的影响性能则反映了系统的跟踪能力，因此，必须作为衡量系统性能的重要指标。 变频器的主要技术指标如下。 1. 调速范围 调速范围是衡量系统变速能力的指标。 调速范围有两种表述方式：一是以调速系统实际可以达到的最低转速与最高转速之比表示，如 1:100 等；二是以最高转速与最低转速的比值 (D)表示，如 D=100 等，两者本质相同。 需要注意的是：定义变频 调速的调速范围时，应以电动机能够带动额定负载的最低与最高转速作为计算调速范围的依据，它与变频器技术参数中的频率控制范围是完全不同的两个概念。 2. 调速精度 调速精度是衡量系统调速稳定性的指标。 变频器的调速精度计算方法与传统调速系统不同，计算式如下： (31) 调速精度与调速系统的结构密切相关，一般而言，调速系统采用闭环控制后，调速精度可比开环控制提高 10 倍左右。 3. 最大输出频率 变频器最大输出频率是决定调速范围与衡量高速性能的指标。 对于同样极对数的电机，频率越高，可以达到的 最高转速也越大；当最低频率不变时，其调速范围也就越大。 4. 速度响应与频率响应 “速度响应 ”是衡量变频器对指令的跟随性能与灵敏度的重要指标。 速度响应是调速系统在负载惯量与电动机惯量相等的情况下，电机可以完全跟踪给定变化的最大指令变化率。 “速度响应 ”可以用角速度或频率值表示。 用角速度表示的 “速度响应 ”值直接称为 “速度响应 ”，单位为 rad/s；而将用频率表示的 “速度响应 ”称为 “频率响应 ”，单位 Hz。 “响应速度 ”与 “频率响应 ”的实质相同，两者可以用1Hz=2(rad/s)进行相互转化。 5. 调速效率 哈尔滨理工大学学士学位论文 12 调速效率是衡量调速系统经济性能的技术指标，它以调速系统的输出功率与输入功率之比进行标示，即 (32) 控制器的选型 TMS320F2812是美国得克萨斯州仪器公司 (TI)最新推出的基于代码兼容 C28x 内核的新型高性能 32 位定点数字信号处理器，它专门为数字控制设计，可实现高性能 DSP 与高精度模拟及闪存的完美结合。 F2812 具有高集成度，从而提供了整套的片上系统，同时降低了板级空间及系统成本，实现了更简单、更高效和更经济的设计。 F2812 有如下特点： 1. 具有 EVA、 EVB 两个时间管理其，每个 EV 都有 8 个 16 位的脉冲调制通道，可以实现对外部时间定时的捕获、 16 个通道 A/D 转换、可编程PWM 死区功能等。 2. 片内高达 128K16 位的 Flash 存储器， 1K16 位的一次性编程存储器(OTPROM)、 M0和 M1两个 1K16 位的存储器 (SARAM)、 L0 和 L1 两个 4K16位的存储器 (SARAM)。 3. 片外可扩展高达 1M 的存储内容，并有读 /写信号选通时序可编程、编程等待状态和 3 个独立的片选信号。 4. 内置有两个 8 选 1 多路切换器和双采样保持器的 12 位 ADC 内 核，最快转换时间 80ms。 ADC 模块具有 16 个模拟通道，并可以配置为用于ePWM 模块的 2 个独立的 8 通道模块。 可将两个独立的 8 通道模块级练成一个通道。 5. 多达 56 个独立可编程服用的通路 I/O 引脚 (GPIO)。 6. 包含串行外设借口 (SPI)、两个串行通信端口 (SCI)即标准的 UART、增强的区域控制网 (eCAN)及多通道缓冲串口 (McBSP)。 硬件系统总体设计 总系统以 TI 公司的 TM320F2812DSP 芯片为控制核心，设计相应主电路、驱动电路采样电路、保护电路等。 其框图如 图 32 所示。 哈尔滨理工大学学士学位论文 13 三 相 整 流 滤波 电 路I G B T 逆 变 电路T M S 3 2 0 F 2 8 1 2三 相 电 机采 样 电 路人 机 界 面 和按 键 电 路3 8 0 V A C 图 32 系统硬件结构总图 主电路设计 控制系统主电路采用交 —直 —交拓扑结构，如图 33 所示。 图 33 交 直 交拓扑结构 先将三相交流电 (50Hz)经三相不可控整流桥整流成直流电，再经电容滤波成平滑直流电，最后经三相逆变桥逆变成复制和频率都可变的交流电，来驱动电机，达到调速的目的。 哈尔滨理工大学学士学位论文 14 信号采集电路的设计 现代电气测量、控制中，常常需要用低压器件去测量、控制高电压、强电流等模拟量，如果模拟量与数字量之间没有电气隔离，那么，高电压、强电流很容易串入低压器件，并将其烧毁。 本实验中从输出端采样的模拟信号由于要连入 DSP 端口，为了使电源输入和输出之间进行绝缘，同时也为稳定控制回路提供一条信号通道 [5]，所以需要采用隔离器对采样控制电路和主电路进行隔离 .以下简单分析一下常用的一些隔离电路的方案 : 方案一 ： 最常用到的就是利用光耦元件对所采样的电压、电流进行采样。 光电耦合器因其良好的性能和抗干扰能力而被广泛地应用于输入和输出信号的电气隔离。 但是 ,在利用光电耦合器的线性耦合直接对模拟信号进行隔离传输时 , 由于光电耦合器内部发光二级管和光敏三级管的伏安特性 , 使得光电耦合器的 “线性区 ”实际上比较小并且存在一定程度的非线性失真。 由于光电耦合器件非线性的输入输出特性所限 ,一般来讲 , 光耦器件主要应用于数字信号的隔离 , 而较少用于模拟信号的隔离。 方案二 ： 采用诸如霍尔器件等特殊传感器 ,其线性度高，频率响应速度快， 但其价格较贵。 且硬件电路较为简单，因此在精度等要求比较高的情况下可以予以考虑。 方案三 ： 首先进行 A/D 转换或 V/F 转换 , 再用光耦进行隔离的方法 , 但处理过程较为复杂 , 并且如果能够使用霍尔器件完成对模拟信号的隔离 , 无疑是很有意义的。 电压隔离采样电路设计 系统需要实时检测直流母线的电压，以供整流器构成电压闭环并为母线过压保护提供开启信号。 常用的电压检测方法有电阻分压法，电压互感器法和霍尔电压传感器法。 电阻分压法检测精度低，电压互感器则只能测交流量，虽然霍尔电压传感器价格较高但检测性能非常好。 本系统采用具有高度电绝缘 (2500V)的霍尔电压传感器 HNV025A， HNV025A 型是利用磁补偿原理的一种霍尔电压传 感器，能够测量直流、交流以及各种波形电压，同时在电气上是高度绝缘的，其原理图如图 34 所示。 测量时强、弱电隔离，避免用电阻分压法测电阻方法带来的电气干扰，具有高过载容量、体积小、全封闭、高可靠性等优点。 误差在 177。 %，非线性度 %，响应时间 40μS。 输入端分别接母线电容的正负极。 为使传感器达到最佳精度初级电阻 R 应尽量选择使得输入电流为 10mA。 本系统直哈尔滨理工大学学士学位论文 15 流电压为 540V，忽略初级线圈的电阻，选择阻值为 40K， 10W 的水泥电阻。 测量电阻选用精密电阻，根据需要的输出电压和公式确定阻值。 如图 34 HNV025A外接电路 输出调理电路如图 35 所示。 第一级是低通滤波；第二级是由 LM358构成的电压跟随器，起缓冲隔离作用；第三级是同相比例及电平上移电路，使输出 UACOUT 在 DSP 模数转换模块的电压输入范围 0～ +3V 之间。 图 35 输出调理电路 设 HNV025A的输入电压有效值为 U，经过调理电路输出到 DSP的 ADC端口的电压为 Ux， HNV025A 等效为电流控制电流源的电流增益为 β，传感器达到最佳精度初级电阻 R，次级测量电阻为，上移电压为 V，同相放大电路增益为 α，则有： (33) 驱动电路的设计 IGBT 模块的驱动信号需要 15V 电压的，即 =15V。 但是 CPU 输出的是 的高地电平信号，因此需要 IGBT 驱动电路将其转化成能够控制IGBT 的驱动信号。 该电路是低电平有效，就是当其中一露输入为低电平时，哈尔滨理工大学学士学位论文 16 对应输出为高电平。 这里的 驱动芯片选用 INTERNATIONGAL PECTIFIER公司的专门为高速、高压的功率 MOS 管和 IGBT 而设计的。 其内部集成了相互独立的 3 组半桥驱动电路，而且该芯片中的输入控制逻辑电路还为同一桥臂的高端和低 端提供了死区时间，以避免同一桥臂上的被驱动功率元件 (IGBT)在开关转换过度期间发生同时导通，同时导通时就相当于将 +DC 于 DC 连在了一起，就短路了。 如果同一桥臂的高端和低端输入信号同时为低电平，则输入控制逻辑电路可关闭同一桥臂的高端和低端驱动输出。 除了提供死区之外， IR223J 还有故障电路保护和欠压保护功能，一旦出现故障，便会输出故障信号，且故障信号可有外部信号清除。 其具体控制电路如图 36 驱动电路为单电源 +15V供电，供电电压经超快回复二极管 BYT54MV 隔离后又分别作为其三路高端驱动输出的供电电源。 电 容 C20 为高端输出的供电电源的自举电容。 驱动芯片的 ITRIP 端为流过检测管教，如母线电流过大或者供电电源出现欠压 IR2233J 将关闭其 6路驱动输出，并从 FAULT 脚向控制器发出错误信号 (FAULT 信号 )并锁存，只有 FLTCLR 管脚检测到故障清理信号后才会正常工作。 值得注意的是驱动电路输出串接电阻一般应在 10～ 33， 而对于小功率器件，串接电阻应该增加到 30～ 50；或者如果要求驱动电路输出的正沿脉冲宽度较宽，则必须加大自举电容容量，否则会造成欠压保护电路工作。 图 36 IR2233IGBT 驱动控制电路 电源电路的设计 TM320F2812DSP 内核跟外围 I/O 口供电电压是不同的，内核供电电压为 (当工作频率大于 130MHz 时，内核供电电压为 ） ，外围 I/O 为哈尔滨理工大学学士学位论文 17 ，且上电是有先后顺序要求的， I/O 口 ，内核 上电。 为蛮族系统要求，选用 TI 公司专为 DSP 供电而设计的电源芯片TPS73HD318，该芯片可以同时输出两路电压，且输出电压可调。 具体电路如图 37。 图 37 供电电路 检测和保护电路的设计 为保证系统能在恶劣的环境下稳定运行，防止电路因为过热、过载等问题而失控，造成经济损失。 系统内部必须有精准的检测保护电路，比如电源监控电路、 IGBT 温度监控电路、电机温度监控电路。 电源监控电路 图 38 为电源监控电路，当 24V、 16V、 5V 中的摸一个电源工作不正常时，该电路后端的发光二极管就能通过闪烁或者亮暗来进行指示。 电路中的 TL431 是一种稳压集成电路，为后级比较器提供精准的基准电压，通过比较器就可以准确检测电压是否工作正常。 一旦其中一路电压工作不正常，则输出为低电平，指示灯 H1 熄灭，该报警 信号便传达到 CPU，达到检测目的。 哈尔滨理工大学学士学位论文 18 图 38 电源监控电路 IGBT 温度监测电路 图 39 为 IGBT 温度监控电路，是通过温敏电阻 T+T 对温度敏感，其在 25℃ 和 100℃ 时的电阻值分别为 1000Ω 和 1670Ω，再通过运放 TSH221组成比较器，当 TSH22I 的 2 脚电压高于 3 脚电压时，也就是温敏电阻值增大，即 IGBT 温度过高，运放输出低电平， CPU随即停止 IGBT 工作指导温度降到安全范围内。 图 39 IGBT 温度检测电路 哈尔滨理工大学学士学位论文 19 母线电流和转矩检测电路 一旦母线电流过高，就有可能造成 IGBT 的永久性损坏，所以过流检测盒和快速保护电路是必须的。 而母线电流的大小是判断力矩大小和一个最直接的参数，因此可以通过检测母线电流大小从而判断力矩大小。 图 310 中在母线负载端串接了一个阻值为 的大功率水泥电阻来采样母线电流，图中的 DC 为 IGBT 下桥臂与地之间的采样电压。 功率驱动芯片 IR2233J 的电路检测管脚 ITRIP 就是通过图中的 R4 R43 分压而来的。 DC 另一侧利用运放 TSH221 组成的反向输入一阶有源低通滤波器将采样电压信号放大与 CPU输出锯齿波电压相叠加并通过积分电路产生频率随母 线电流变化的三角波信号，控制器通过检测信号的频率即可感知输出转矩的大小，从而保护了电机。 图 310 母线电流和转矩检测电路 软件结构 软件 主 程序 流程 如图 311 所示，由初始化程序、主程序、 PWM 中断、T0 中断服务子程序组成。 1. 初始化程序 初始化程序初始化系统配置寄存器、外设、变量、变频器的运行参数、功率版的软起动、从 PROM 读取参数。 在变频器未运行时，可以通过键盘来设置参数，这些参数可以被存储在 PROM 上，待断电下次起动时，系统在初始化中自动读入上次用户设定的参数。