感應(yīng)電機無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 ? ????? ?? ??? ?????? 213 由式 (213)可知異步電動機的數(shù)學模型比較復雜，本質(zhì)上因為異步電動機是高階、非線性、多變量和強耦合的系統(tǒng)，我們希望通過坐標變換使之簡化。式（ 213)的異步電動機的數(shù)學模型是建立在三相靜止 A、 B、 C坐標系上的，現(xiàn)在把它變換到任意二相旋轉(zhuǎn) d、 q坐標系上，比原來的模型簡單。 8 ABCdq ?1?2? 圖 2 異步電機坐標模型 該電機模型已經(jīng)由實踐所證實，圖 2 顯示了它的坐標模型。其中 A、 B、 C為三相定子繞組軸線， d、 q 為等效兩相電機模型軸線。由此物理模型，可推導得到任意速度旋轉(zhuǎn)坐標系下異步電機的狀態(tài)方程為： 電壓方程式 (214): q1d1q22U R i p psd s sd sd sU R i p psq s sq sq sU R i p prd r rd rd rU R i p prq r rq rq rd? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?????? ???? ????????———— 214 磁鏈方程式 (215)： L i L isd s sd m rdL i L isq s sq m rqL i L ird r rd m sdL i L irq r rd m sq????????????? ???? ???? 215 電磁轉(zhuǎn)矩方程式 (216)： ()dT n i ie p sq s sd sq??? — 216 機電運動方程式 (217) JdTTeL n dtp??? 217 9 將式（ 215）代入（ 214）式中，得： + k k m+k k m= + k r k r +k r k r rR L p L L p LUis s s msd sdL R L p L L psq sqs s s mL p L R L p Lrd rdm m r r mrq rqL L p L R L pm m r r????? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???—（ ） （ ）（ ） （ ） 218 式中 =k p?? d、 q系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速度 當 =k1??時為同步旋轉(zhuǎn) d、 q系統(tǒng)；當 =0k? 時為定子靜止坐標系統(tǒng)。 =r p?? 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度 1? 同步旋轉(zhuǎn)角速度，即定子角頻率 = = 2 k r 1p? ? ? ? ?（ ） 轉(zhuǎn)差角速度 sR 定子電阻 sL 定子電感 rR 轉(zhuǎn)子電阻 rL 轉(zhuǎn)子電感 pn 極對數(shù) mL 定轉(zhuǎn)子互感 J 轉(zhuǎn)動慣量 eT 電磁轉(zhuǎn)矩 LT 負載轉(zhuǎn)矩 p 微分算子 下標 s、 r分別表示定子、轉(zhuǎn)子側(cè)的物理量。 從電機統(tǒng)一理論可知，在靜止坐標系上的異步電動機的 等值電路如圖 3 所示。 10 si sR sL rLrisu sp? rp?mL rR rj??rj?? 圖 3 異步電機空間矢量等效電路 對于鼠籠式異步電機而言， Ur=0，為了方便下面對直接轉(zhuǎn)矩控制的理論分析，現(xiàn)將α β定子坐標系下的鼠籠式異步電機數(shù)學模型改用復數(shù)空間向量的形式表示如下 [9]： =0 = j rd sU R is s s dtd rRir r rdt?????????? ??? 219 = mL i L is s s r? ? 220 = rL i L ir m s r? ? 221 ( ) ( )T n i n i ie p s s p s s s s? ? ?? ? ? ?? ? ? 222 電壓空間矢量 直接轉(zhuǎn)矩控制一般采用三相二點式電壓逆變器供電，如圖 4用 A B CSSS、 、 表示上橋臂 3個功率器件的開關(guān)狀態(tài)， AS =1 表示 A橋臂 上邊閉合，下邊斷開 , AS =O則相反。 BCSS、 表示法與 AS 相似。因在任意時刻同一橋臂只能有一個開關(guān)元件導通，這就決定 A、 B、 C三相共有 8個開關(guān)狀態(tài)，分別對應(yīng) 8 個電壓空間矢量。0~su s7u ，其中 6 個非零電壓矢量 1~su s6u ，和兩個零電壓矢量 0su s u 。 8個電壓矢量在復平面的空間分布如圖 5所示。利用電壓逆變器的開關(guān)特點，正確地選擇電壓空間矢量不斷切換電壓狀態(tài)，使定子磁鏈逼近圓形，并通過零電壓矢量的穿插調(diào)節(jié)來改變轉(zhuǎn)差頻率，從而控制電機的轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩同時按 11 要求快速變化 [10]。 2dcu2dcuNABCaUbUcUAS BS CSCSBSAS 圖 4 電壓型逆變器理想模型 S 1S 2S 3S 4S 5S6( 1 0 0 )( 1 1 0 )( 0 1 0 )( 0 1 1 )( 0 0 1 )( 1 0 1 )??1su2su3su4su5su6su 0 0 01 1 12()t? 1()t? ()2tr?()2t? ? ()1t? ? ()t? ?()1tr? 圖 5 電壓空間矢量表示法 12 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)各部分的結(jié)構(gòu)和 計算方法己經(jīng)確定，這些方法將在以 TI 公司的 DSP(TMS320F2407A)為主體構(gòu)成的系統(tǒng)中得以實現(xiàn)。所有控制算法的實現(xiàn)和實用化均不能離開硬件系統(tǒng)，本節(jié)主要介紹系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)?；?DSP 的無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 6所示 [11]。 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 AP C 機故障檢測與保護驅(qū) 動電 路P W M輸 出電 流 測 量 電 壓 測 量M 圖 6 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 主電路的設(shè)計 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的主電路采用交一直一交電壓型變頻器結(jié)構(gòu)，由整流電路、限流電路、濾波電路、能耗制動電路和逆變電路這幾個部分組成的 [12]。本系統(tǒng)設(shè)計的主電路如圖 7： 13 圖 7 主電路 整流及濾波電路 整流電路的任務(wù)是把三相交流電變換成直流電。本系統(tǒng)屬于中、小容量變頻器，整流器可采用不可控整流二極管成的橋式全波整流，再經(jīng)大容量電解電容 C，構(gòu)成的濾波環(huán)節(jié)進行濾波，為逆變器提供恒定的直流電壓。中間電容 C 的作用主要有兩點： （ 1） 消除二極管整流器的輸出電壓的波紋，盡量保持直流電壓的輸出的恒定波形； （ 2）電機屬于感性負載，故中間直流環(huán)節(jié)總和電機之間存在能量轉(zhuǎn)換，而逆變器的電力電子器件無法儲能，因此電容的另一個作用就是作為儲能元件實現(xiàn)能量的緩沖。 限流電路及 安全保護電路 當變頻器通電時瞬時沖擊電流較大，為了保護電路元件并減小通電瞬間電路對電網(wǎng)的沖擊，在電路中加入了限流電阻，通過限流電阻（即圖中的充電電阻）減小通電瞬間電流對元件的沖擊，并通過延時控制，在通電一段時間后觸發(fā)繼電器，切除限流電阻，這樣既不影響電路正常工作時的電路整體性能，又可提高電路的啟動瞬時性能。當電路不工作時由于電容 C 上有大量的電荷所以電容上的電壓很高，對人的安全造成一定的威脅，所以在電路不工作的時候?qū)⒎烹婋娮杞尤腚娐分信浜侠^電器對電容 C 進行放電 [13]。 能耗制動電路 14 當能耗制動時，電動機再生 的電能經(jīng)續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路，在濾波電容上會有短時間大量電荷堆積，這就是所謂的“泵生電壓”，使得直流電壓升高。過高的直流電壓將會使各部分器件受到損害。因此，當直流電壓達到的一定值，就要求提供一條放電回路 —— 即能耗制動電路，將再生的電能消耗掉。 逆變電路。 逆變電路的功能是在驅(qū)動信號的作用下把直流電變換到幅值恒定、頻率可調(diào)的三相交流電，由功率器件和驅(qū)動電路組成。 功率器件 用于逆變器的常見功率器件有如下幾種： （ 1） 大功率晶體管（ BJT 或 GTR） 電流控制型器件，優(yōu)點是擊穿電壓和集電極最大飽和電流都較 大，缺點是開關(guān)頻率較低，最高為 2KHz 左右。因而以 BJT 為逆變器件的載波頻率也較低，電動機有較大的電磁噪聲。另外控制電路的驅(qū)動功率也較大 [14]。 （ 2） 功率效應(yīng)管漏極電流的大小受控制級與源級間的電壓控制，屬電壓控制性器件，開關(guān)頻率較高，最高答 20KHz 以上。因此，以 MOSFET 為逆變器件的變頻器載波頻率也較高，電動機基本無電磁噪聲。此外，控制電路所需的驅(qū)動功率極小。但迄今為止，其擊穿電壓和漏極最大飽和電流都較小，難以滿足多數(shù)變頻器的要求。 （ 3） 絕緣柵雙極型晶體管（ IGBT） IGBT 是 MOSFET 和 BJT 結(jié)合的產(chǎn)物 ，主體部分與晶體管相同，但驅(qū)動部分卻和場效應(yīng)管相同。電壓控制型功率器件。主要優(yōu)點是擊穿電壓和集電極飽和電流也較大。由 IGBT 模塊作為逆變器的變頻器容量已達 250KVA 以上。而且開關(guān)頻率也可達 20KHz，電機的電流波形比價平滑，基本無電磁噪聲。目前絕大部分中、小容量變頻器的逆變模塊都在用 IGBT 管。其驅(qū)動電路也都已模塊化 [15]。 （ 4） 智能功率模塊（ IPM） 智能功率模塊是把與逆變管配套的驅(qū)動電路、檢測電路與保護電路以及某些接口電路等和功率模塊集成到一起的集成功率模塊。 本系統(tǒng)是中、小型系統(tǒng)采用 IGBT 作為逆變元 件。 IGBT 的等效電路及開關(guān)特 15 性見圖 8。 0t 1t 2t3t0t 1t2t 3tGEU GEUciCEU CEUci圖 8 IGBT 等效電路及開關(guān)特性 [16] 驅(qū)動電路 驅(qū)動電路的作用是： （ 1） 實現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動 IGBT 柵極的電隔離； （ 2） 提供合適的柵極驅(qū)動脈沖。 實現(xiàn)電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。 驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)框圖如圖 9所示。輸入部分為雙路 PWM 及對應(yīng)控制電源信號，經(jīng)獨立或互鎖設(shè)定單元確定電路工作模式，可設(shè)定為普通全橋模式或無死區(qū)控制全橋模式。普通全橋應(yīng)用時，上下兩管信號互鎖，用戶可以設(shè)置死區(qū)時間，確保不直通。 無死區(qū)全橋模式應(yīng)用時，上下兩管可以同時導通，因此可用于電流型全橋電路的驅(qū)動。通過 DC/DC 輔助開關(guān)電源，可得到四路相互獨立的 24V 電壓輸出，于四片驅(qū)動芯片的供電。與傳統(tǒng)的四路變壓器隔離供電相比，減小了體積，節(jié)省了成本，且使用更加方便，當主控板電源電壓為 15V 供電時，可與之使用同一電源。驅(qū)動單元輸出四路隔離驅(qū)動信號，用于驅(qū)動 IGBT，同時對 IGBT 起保護作用。當IGBT 的電流過大，集電極對發(fā)射極的電壓達到閾值電壓時，驅(qū)動器啟動內(nèi)部的保護機制。因為各種尖峰干擾的存在，為避免頻繁的保護影響開關(guān)電源的正常工作，設(shè)立 盲區(qū)是很有必要的；當過流信號時間大于設(shè)定的盲區(qū)時間時，開始軟關(guān)斷。軟關(guān)斷開始后，驅(qū)動器封鎖輸入 PWM 信號，即使 PWM 信號變成低電平，也不 16 會立即將輸出拉到正常的負電平，而要將軟關(guān)斷過程進行到底。軟關(guān)斷開始后經(jīng)過短暫延遲，驅(qū)動板經(jīng)光耦隔離輸出互補的故障報警信號，由主控板處理。 IGBT的短路保護動作閾值、保護盲區(qū)時間、軟關(guān)斷時間等參數(shù)可通過用戶保護參數(shù)設(shè)置單元靈活設(shè)置，也可以使用默認值 [17]。 獨 立 或 互 鎖 設(shè) 定光 耦 隔 離D C / D C驅(qū) 動用 戶 保 護 參 數(shù) 設(shè)置4 路 隔 離驅(qū) 動 輸 出輸 入 雙 路P W M 信 號輸 出 互 補故 障 信 號控 制 電 源1 5 1 8 V 圖 9 驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)框圖 GNDV11V12AohAo1GND12/15V5V輸入PWM故障輸出主板電源D A 8 4 1 H D