交流調(diào)速系統(tǒng)硬件接口電路設(shè)計(jì)方法研究

1 引言

　　長(zhǎng)期以來(lái)，由于交流異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、制造成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但因異步電機(jī)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的被控對(duì)象，磁通和轉(zhuǎn)矩耦合在一起，不能對(duì)磁通和轉(zhuǎn)矩分別控制，因此一直沒(méi)有獲得高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，直到70年代才有了突破性發(fā)展。在eblashke和w.flotor提出了“感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向的控制原理”后，文獻(xiàn)［2，3］對(duì)基于逆系統(tǒng)理論和基于微分幾何控制理論的解耦方法，以及如何對(duì)異步電動(dòng)機(jī)解耦做了介紹。在交流調(diào)速理論發(fā)展的同時(shí)，人們也在研究交流調(diào)速系統(tǒng)硬件接口電路的設(shè)計(jì)方法。隨著高性能dsp芯片、電力電子器件的出現(xiàn)，交流調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)也逐漸形成標(biāo)準(zhǔn)。本文詳細(xì)介紹了一種基于dsp的交流調(diào)速系統(tǒng)硬件接口電路設(shè)計(jì)的方法，對(duì)各個(gè)電路如采樣電路、轉(zhuǎn)速反饋接口電路、驅(qū)動(dòng)電路的主要功能及電路元器件參數(shù)的選擇給出了詳細(xì)的說(shuō)明，實(shí)驗(yàn)證明這種方法是可行的。

2 主電路設(shè)計(jì)

　　本文的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象為：額定功率為55kw，額定電壓為440v，額定電流為90a，額定轉(zhuǎn)速為1800r/min的異步電機(jī)。調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

　　本設(shè)計(jì)選取了tms320f2812系列定點(diǎn)dsp作為電動(dòng)機(jī)控制主芯片，圍繞它展開(kāi)了硬件接口電路的設(shè)計(jì)。具體包括：電流采樣電路的設(shè)計(jì)，速度檢測(cè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。因?yàn)楸疚囊杂布O(shè)計(jì)為主，故在其他方面如park變換，clarke變換等軟件設(shè)計(jì)方面不予以贅言。

3 電流采樣電路的設(shè)計(jì)

　　3.1電流采樣電路

　　電流采樣電路的目的是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)得到反饋的交流電動(dòng)機(jī)定子電流信號(hào)，即將傳感器檢測(cè)到的電流信號(hào)進(jìn)行放大，偏置輸出到dsp的a/d接口，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成dsp可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，以方便dsp進(jìn)行處理。因?yàn)楸菊n題研究的是三相平衡系統(tǒng)ua+ub+uc=0，故只需要檢測(cè)其中兩路電流即可。

　　3.2電流傳感器的選擇

　　根據(jù)異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可知，定子電流檢測(cè)的精度和實(shí)時(shí)性是整個(gè)矢量控制系統(tǒng)精度的關(guān)鍵。因此，對(duì)電流的檢測(cè)要求精度高和速度快，顯然普通的電流傳感器很難滿足要求。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的額定電流為90a，考慮兩倍的安全裕量，實(shí)際定子電流取到180a。本實(shí)驗(yàn)選取深圳市貝爾特電子有限技術(shù)公司出品的csns200m-002電流傳感器。該電流傳感器的原邊電流為200a，與預(yù)選的電流值（180a）很接近，滿足選取原則。

　　3.3運(yùn)算放大器的選擇

　　本文所研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中電機(jī)線電流變化范圍從0a～90a，變化范圍很大。如果在如此寬的范圍之內(nèi)，電流信號(hào)采用一個(gè)固定的放大倍數(shù)，精度堪憂。所以初級(jí)采用可編程放大器ad526，通過(guò)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)來(lái)滿足要求，并由ad526產(chǎn)生正的1.65v的電壓信號(hào)。由于tms320f2812要求的電壓為3.3v，所能識(shí)別的僅是正的電壓值，而電流信號(hào)為正負(fù)交替的交變信號(hào)，因此，需要有一個(gè)減法比較環(huán)節(jié)將正、負(fù)信號(hào)做減法運(yùn)算，由比較環(huán)節(jié)最終輸出的電壓值就是可以為tms320f2812所能使用的電壓值。

　　設(shè)計(jì)中先將霍爾的電流信號(hào)通過(guò)電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，為了防止電壓過(guò)高或過(guò)低，設(shè)計(jì)了由二極管構(gòu)成的限幅電路，由于電流反饋具有較大的噪音紋波，因而采用低通濾波電路?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響以及其他未可預(yù)知的干擾，在本設(shè)計(jì)中，選取了op27型放大器。

　　3.4采樣電阻的計(jì)算

　　由電流傳感器的變比2000:1，及原邊電流值大?。?00a，ad526輸出電壓為1.65v，可以求出采樣電阻r9《16.5ω，故可取r9=10ω。其中，a相電流的采樣電路如圖2所示，b相與其相同。

4 轉(zhuǎn)速反饋接口電路設(shè)計(jì)

　　起動(dòng)的快速性是電動(dòng)機(jī)的基本要求。以目前無(wú)位置傳感器控制技術(shù)發(fā)展的情況來(lái)看，由于低速特別是起動(dòng)瞬間反電動(dòng)勢(shì)非常低，控制精度和性能并不理想。因此有必要保留位置速度傳感器。

　　4.1編碼器的選擇

　　與旋轉(zhuǎn)變壓器相比，光電編碼器信號(hào)處理簡(jiǎn)單、噪聲容限大、易于實(shí)現(xiàn)高分辨率。特別是在選用tms320f2812作為控制器的情況下，光電編碼器可以通過(guò)dsp的qep接口十分方便地實(shí)現(xiàn)與控制器的連接。

　　本設(shè)計(jì)選用了sumtak株式會(huì)社產(chǎn)的lhe-055-2000型帶u、v、w信號(hào)增量式光電編碼器。它輸出12路信號(hào)：a、b、z、u、v、w以及他們的補(bǔ)信號(hào)a’、b’、z’、u’、v’、w’。其中a、b、a’、b’為占空比為50％的方波，2000p/r。u、v、w、u’、v’、w’以轉(zhuǎn)子每360°電角度為一個(gè)循環(huán)周期。u、v、w（或u’、v’、w’）相差120°，按照u、v、w（或u’、v’、w’）不同組合，可以把一對(duì)轉(zhuǎn)子磁極分為6個(gè)等距區(qū)間。所以在電機(jī)起動(dòng)時(shí)，可以先根據(jù)u、v、w信號(hào)按照無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制，使電機(jī)運(yùn)行起來(lái)，待檢測(cè)到z信號(hào)，按照事先確定好的轉(zhuǎn)子磁極位置確定定子磁鏈初值，然后轉(zhuǎn)入直接轉(zhuǎn)矩控制。通常把z信號(hào)定位于a相繞組反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，此時(shí)，轉(zhuǎn)子磁極軸線正好與a相繞組軸線重合。

　　其中a、b信號(hào)分別通過(guò)qep1、qep2接到lf2407a上；而z信號(hào)通過(guò)cap3接到lf2407a上；u、v、w是以60°電角度為周期的數(shù)字信號(hào)，分別通過(guò)qep1、qep2、qep3接到lf2407a上。

　　4.2 26c32的使用

　　由于光電編碼器內(nèi)部集成了26c31芯片，所以由它引出了a、b、z、u、v、w以及他們的補(bǔ)信號(hào)a’、b’、z’、u’、v’、w’以及地線和電源線，但是這些線不能直接接到dsp上，這里就需要用26c32來(lái)接接收由26c31引出的所有線路。

　　由于26c32可以同時(shí)接受四路信號(hào)，所以，a、b、z、a’、b’、z’信號(hào)可以同時(shí)與26c32的ina1、ina2、inb1、inb2、inc1、inc2端相連，輸出端outa、outb、outc端分別接到光耦6n137芯片上輸出再與tms320f2812的qep1、qep2、int1相連，以完成轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)的接口電路。

　　本來(lái)光電脈沖編碼器的a、b輸出可以直接接到tms320f2812的qep1、qep2上，但為保護(hù)起見(jiàn)，還得加上高速光電隔離。圖3中是a路信號(hào)的接口電路，b、z路接口電路與此相同。它主要由ti公司的光耦6n137組成。這里用快速光耦的原因是：碼盤(pán)輸出的信號(hào)的頻率最高接近60khz，而普通光耦的開(kāi)通和關(guān)斷延時(shí)就有幾個(gè)微秒，無(wú)法滿足要求。在tms320f2812中將捕獲單元配置成正交編碼脈沖模式，在這種模式下，兩個(gè)16位通用定時(shí)器t1和t2可工作于qep模式的16位或32位雙向計(jì)數(shù)器。qep電路直接處理光電編碼器輸出的兩路相位相差90°的兩路脈沖，只要將這兩路脈沖分別接到qep1、qep2即可。qep模式對(duì)兩路脈沖的前后沿均進(jìn)行計(jì)數(shù)，無(wú)需外部的倍頻電路。而且它能根據(jù)兩路脈沖的先后次序判別電機(jī)的轉(zhuǎn)向，省去了外部辯向電路，增加了系統(tǒng)的可靠性。在信號(hào)隔離功能之外，光耦還起到濾除脈沖尖峰和毛刺，增強(qiáng)抗干擾能力。

5 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

　　ipm的驅(qū)動(dòng)隔離電路如圖4所示。盡管在lf2407a輸出的pwm中已經(jīng)加入了死區(qū)時(shí)間，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中依然從硬件方面采取措施，如圖4所示，gel器件22v10d在lf2407a之后，保證同一相的上、下橋臂的互鎖。為了增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的帶負(fù)載能力，在22v10d的輸出之后串入一片緩沖器——mc1413。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生錯(cuò)誤，lf2407a發(fā)出一個(gè)錯(cuò)誤信號(hào)false，并點(diǎn)亮發(fā)光二極管ledintpend。緩沖器mc1413的輸出經(jīng)過(guò)快速光耦hcpl4503隔離，驅(qū)動(dòng)ipm。圖中只畫(huà)出了a相上橋臂的電路，其他橋臂的電路與此相同。hcpl4503下面的光耦til117的一次側(cè)接到ipm的故障輸出引腳5上。

6 結(jié)束語(yǔ)

　　基于以上對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)硬件接口電路設(shè)計(jì)方法的研究，我們進(jìn)行了異步電機(jī)的矢量控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該系統(tǒng)能可靠穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)該系統(tǒng)對(duì)于過(guò)流有很快的響應(yīng)性，對(duì)系統(tǒng)有保護(hù)作用，實(shí)踐證明該設(shè)計(jì)方法符合控制設(shè)計(jì)要求，具有一定的電路設(shè)計(jì)典型性并可應(yīng)用在交流調(diào)速系統(tǒng)中。