小容量變頻器三電阻采樣電流合成方法實(shí)現(xiàn)

王平，厲虹，王道武

(北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192)

0 引言

自上世紀(jì)80年代開始，隨著新型電力電子器件、計(jì)算機(jī)技術(shù)和交流電機(jī)理論的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)廣泛應(yīng)用于交流電機(jī)控制系統(tǒng)中。變頻調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的性能和突出的節(jié)能效果，在紡織、化纖、塑膠、化學(xué)、風(fēng)機(jī)、水泵等各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。隨著工業(yè)技術(shù)的日益進(jìn)步，對變頻調(diào)速技術(shù)提出了更高要求，高性能矢量調(diào)速型變頻器具有體積小，便于安裝調(diào)試、維修簡便、易于實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化等優(yōu)異特性，在絕大多數(shù)交流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中都要用到。

在高性能交流調(diào)速系統(tǒng)中，電流檢測對實(shí)現(xiàn)電流反饋閉環(huán)控制和系統(tǒng)保護(hù)來說很重要。本文針對門機(jī)變頻控制系統(tǒng)，提出一種在小容量變頻器中逆變器下橋臂串聯(lián)電阻采樣，進(jìn)行合成電流采樣的電流檢測方案。該方案電路結(jié)構(gòu)清晰，易于實(shí)現(xiàn)IGBT模塊保護(hù)，如直通保護(hù)和接地保護(hù)，還可以減小產(chǎn)品體積與生產(chǎn)成本，具有重要的工程實(shí)用意義。

1 電梯門機(jī)系統(tǒng)工作原理

圖1為電梯門機(jī)驅(qū)動(dòng)控制及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，經(jīng)同步帶驅(qū)動(dòng)從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，同步帶的兩個(gè)連接塊分別與左右轎門相連，當(dāng)電機(jī)以順時(shí)針和逆時(shí)針兩種方式運(yùn)行時(shí)，控制轎門作關(guān)門或開門動(dòng)作，代替機(jī)械裝置周而復(fù)始的往返運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)沒有機(jī)械連接桿，而是用驅(qū)動(dòng)輪經(jīng)同步帶帶動(dòng)電梯轎門，稱為軟傳動(dòng)方式，這種軟傳動(dòng)方式具有故障率低，運(yùn)行噪音小，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)[2]。

圖1 門機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)及機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

門機(jī)變頻器是專門用于控制垂直電梯門機(jī)系統(tǒng)的變頻器，在門機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中用于驅(qū)動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)，將三相交流電流通過整流器進(jìn)行全波整流和濾波，得到直流電源電壓，再通過逆變器將直流電流轉(zhuǎn)換為頻率、電壓均可調(diào)的三相交流電，采用SPWM調(diào)制方式使輸出電壓為正弦波，減少高次諧波、降低噪聲、抑制電機(jī)發(fā)熱，有效保證電梯的安全平穩(wěn)運(yùn)行[3]。

2 變頻調(diào)速系統(tǒng)

2.1 變頻器功能模塊

電梯門機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心是變頻器，根據(jù)系統(tǒng)輸入/輸出變量，將變頻器按功能分為4個(gè)部分:

(1)電源模塊，為變頻器的其他電路提供穩(wěn)定的低壓電源。

(2)主電路，包括二極管組成的整流電路，6路IGBT功率模塊組成的三相逆變橋以及中間直流電路三部分，完成主直流電源的逆變輸出。

(3)控制模塊，主要監(jiān)測各路輸出電壓、電流及頻率，根據(jù)速度編碼器的輸入信號(hào)調(diào)整逆變電路的輸出，通過控制DSP產(chǎn)生PWM波，實(shí)現(xiàn)變壓變頻調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(4)外圍設(shè)備，采用平波電抗器改善三相電壓輸出波形，制動(dòng)電阻用于消耗多余電流[4]。

變頻器控制電路不僅要向三相逆變電路提供控制信號(hào)，還需不斷采集主電路電壓、電流及頻率等數(shù)據(jù)，并根據(jù)收集的信息合理實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)?？刂齐娐芬怨β誓KIGBT為逆變器開關(guān)元件，以TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器DSP為控制器，實(shí)施電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制算法，實(shí)現(xiàn)電梯門機(jī)邏輯控制。

2.2 霍爾傳感器電流檢測

變頻器輸出的電流信號(hào)在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中用于電流反饋控制。電流檢測普遍采用的是在逆變器直流側(cè)和交流側(cè)安裝電流霍爾傳感器，將電流信號(hào)經(jīng)過電磁轉(zhuǎn)換，變換為直流電壓信號(hào)輸出，再通過運(yùn)放和比較器構(gòu)成的電路進(jìn)行處理。如有過電流輸出，則請求DSP的CPU響應(yīng)中斷，封鎖脈沖，使逆變器停止工作。

霍爾傳感器可以實(shí)時(shí)檢測電動(dòng)機(jī)三相定子電流，由于異步電動(dòng)機(jī)三相繞組是對稱的，因此在實(shí)際電路中只需要兩個(gè)霍爾傳感器檢測兩相電流，另外一相通過三相電流平衡計(jì)算得到，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，為電機(jī)控制算法提供電流信號(hào)。

霍爾傳感器具有頻率響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍廣、性能穩(wěn)定、易于集成等特點(diǎn)，但是檢測出來的電流通常有較多的毛刺，因此在電流送入A/D轉(zhuǎn)換前，需對其進(jìn)行RC濾波處理，但濾波后仍存在許多低次諧波[5]，此外，霍爾傳感器電流檢測還存在溫度漂移、電勢不等位、寄生直流電動(dòng)勢、易受外界環(huán)境電磁波干擾等缺點(diǎn)[6]，高精度霍爾傳感器價(jià)格較高，增加了變頻器產(chǎn)品的成本。

3 三電阻電流檢測方法

3.1 三電阻電流采樣方案

考慮到用于驅(qū)動(dòng)電梯門機(jī)的電機(jī)一般均為小容量，采用在逆變器的三個(gè)下橋臂中分別串聯(lián)三個(gè)電阻采樣，再經(jīng)電壓合成得到三相定子電流的電流檢測方案。

圖2為門機(jī)變頻器的逆變器主電路，六個(gè)IGBT模塊搭建成三相全橋式電路，三個(gè)下橋臂串入電阻 R1、R2、R3采樣，并將該電阻接地，P、N代表直流母線電壓極性。采樣電阻上產(chǎn)生壓降，大小取決于負(fù)載上的電流。這里采樣電阻的選取很關(guān)鍵，負(fù)載一定時(shí)，如果采樣電阻的阻值小，則壓降就小，在電機(jī)回路中不會(huì)產(chǎn)生很大的影響;如果采樣電阻的阻值過大，會(huì)引起電壓損耗，減小能量效率，且較大的阻值還會(huì)使負(fù)載電壓發(fā)生偏移，產(chǎn)生電磁干擾，產(chǎn)生系統(tǒng)對噪聲敏感等問題;此外選取采樣電阻時(shí)，還要考慮電阻的穩(wěn)定性能和阻值誤差[7]。

圖2 門機(jī)變頻器逆變器電路

3.2 三電阻電流合成的MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)逆變器工作原理可知，逆變器的三個(gè)下橋臂通斷時(shí)間不同，用電阻采樣時(shí)會(huì)造成電流斷續(xù)，需要在下橋臂全部導(dǎo)通時(shí)進(jìn)行采樣，然后將三個(gè)橋臂采樣的電流進(jìn)行合成。

首先進(jìn)行三個(gè)下橋臂的電壓采集，采集時(shí)間為零點(diǎn)時(shí)刻(T1下溢時(shí)刻)，即保證三個(gè)下橋臂都導(dǎo)通。取其中一路電流采樣舉例說明:根據(jù)電流平衡原理，圖2中R3路電流的計(jì)算值為3=－(I1+I2)，把R1、R2兩路檢測的電壓值相加取反后作為選擇模塊的一路信號(hào)，R3路檢測的電壓值送入選擇模塊的另外一路，三路的脈寬值不同，對三路脈沖進(jìn)行保持。在采樣時(shí)刻，比較三路電壓脈寬值，從三路中選取最小的一路，與R3路電壓值做比較，判斷R3路電壓值是否為最小，利用選擇模塊輸出。如果直接檢測的R3路電壓值最小，則輸出R1、R2兩路合成電壓，如果相反則可直接輸出R3電壓。由于零點(diǎn)時(shí)刻的電壓反向，經(jīng)過取反和比例系數(shù)的調(diào)理，把采樣的電壓信號(hào)變換成電流信號(hào)輸出，便可讀取連續(xù)的檢測電流。其它兩相電流合成方法同理可得。

基于MATLAB/Simulink實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，圖4和圖5分別為電阻電壓采樣和電流合成子模塊。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖

圖4 電壓采樣模塊

4 以DSP為控制核心的三電阻電流采樣

4.1 基于DSP的電流采樣思路

圖5 電流合成輸出模塊

變頻器的控制電路以功率模塊IGBT為逆變器開關(guān)元件，以TMS320F2812DSP為控制器，完成實(shí)時(shí)性要求較高的矢量控制算法。設(shè)定PWM1/3/5輸出均是高電平有效，當(dāng)計(jì)數(shù)器T1CNT的值和比較單元的比較寄存器CMPRx的值相等時(shí)，進(jìn)行比較匹配，PWM1/3/5路產(chǎn)生的波形翻轉(zhuǎn)，電平為低;而 PWM2/4/6與PWM1/3/5的電平產(chǎn)生互補(bǔ)輸出，電平為高。在計(jì)數(shù)器T1CNT增減一個(gè)周期后值為零，發(fā)生下溢中斷T1UFINT，啟動(dòng)電流A/D采樣，PWM2/4/6三路輸出均是高電平，即逆變器的三個(gè)下橋臂導(dǎo)通，此時(shí)為電流采樣時(shí)刻，可進(jìn)行下橋臂電流采樣，如圖6所示。

在進(jìn)行下橋臂電流采樣時(shí)，信號(hào)會(huì)受到硬件電路感性負(fù)載以及電路中容性器件的影響，導(dǎo)致輸出的信號(hào)波形發(fā)生畸變，故電流采樣后需借助進(jìn)一步的合成。電流合成的基本思路是:每次下溢中斷 T1UFINT，實(shí)時(shí)比較 CMPR1、CMPR2、CMPR3的值，受采樣開關(guān)、A/D采樣窗口以及保持時(shí)間等因素的影響，在電流采樣之后舍去脈沖寬度較小的一路電流值，由于三路電流值之和為零，這一路電流值由另外的兩路電流值合成，反映出真實(shí)的電流。

圖6 DSP電流采樣模式

圖7 電流采樣流程圖

逆變器下橋臂打開時(shí)，才能讀出該相電流數(shù)值。每當(dāng)橋臂開關(guān)狀態(tài)有變化時(shí)，會(huì)對采樣電阻上的電壓產(chǎn)生電子干擾，設(shè)該干擾時(shí)間長度為Tn，當(dāng)橋臂打開后，需要等待采樣電阻上的電壓達(dá)到穩(wěn)定值，該等待時(shí)間長度為Tr，Tn和Tr期間不能讀取電流，只能在PWM周期的時(shí)刻讀取。電流采樣流程如圖7所示。

4.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

由于逆變器下橋臂的電壓采集與DSP端口之間電壓范圍不匹配，中間需要信號(hào)調(diào)理電路做連接。信號(hào)調(diào)理電路如圖8所示，P和N是其中一個(gè)采樣電阻的兩端，若采樣電阻上有電流時(shí)，在其上會(huì)產(chǎn)生壓降，壓降通過運(yùn)算放大器U1A進(jìn)行放大。輸出的信號(hào)最終送到DSP，而DSP的端口電壓只能處在0到3.3 V之間，但產(chǎn)生的壓降信號(hào)是正弦信號(hào)，存在小于零的值。電路使用了偏移電壓，把輸出信號(hào)調(diào)理在0到3.3 V之間。圖中5 V的直流電壓通過電阻R19、R20、R21構(gòu)成電阻分壓電路。產(chǎn)生的偏移電壓為:

運(yùn)算放大器輸出的電壓信號(hào)是一個(gè)以1.55 V電壓為基準(zhǔn)線的正弦信號(hào)，最終輸出信號(hào)完全滿足在0到3.3 V之間;器件D2是鉗位電壓模塊，確保最終的輸出電壓保持在0到3.3 V之間;U2是四路模擬開關(guān)用于控制采樣時(shí)刻選擇;U3A是施密特觸發(fā)器，主要作用是增強(qiáng)抗干擾能力，尤其是可以把邊緣非陡峭的信號(hào)變成矩形的信號(hào)，有利于控制的準(zhǔn)確性[8]，經(jīng)過調(diào)理后的信號(hào)送入DSP作合成計(jì)算。

圖8 信號(hào)調(diào)理電路

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本實(shí)驗(yàn)的電機(jī)參數(shù):額定功率P=100 W，額定電壓U=220 V，頻率f=50 Hz，極對數(shù) P=2，調(diào)制波頻率為50 Hz，載波頻率為10 KHz，采樣電阻取15 mΩ，ode23tb算法。采用霍爾傳感器檢測電動(dòng)機(jī)定子端的三相電流如圖9所示。

圖9 霍爾傳感器檢測的定子三相電流

圖10 三電阻采樣合成檢測的定子三相電流

采用三電阻采樣合成檢測的定子端三相電流如圖10所示。

在SPWM控制方式下，對比圖9和圖10可見，利用霍爾傳感器測量的定子三相電流和逆變器下橋臂三電阻采樣合成檢測的定子三相電流波形基本一致，驗(yàn)證了這種方法的可行性。

在以TMS320F2812DSP為控制器，以功率模塊IGBT為逆變器開關(guān)元件的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，經(jīng)電流采樣合成，調(diào)理電路處理后的電流波形如圖11所示。在CCS編程環(huán)境下，三電阻采樣合成的電流波形比較平滑，不存在諧波，對比霍爾傳感器檢測的電流，具有明顯優(yōu)勢。

圖11 CCS環(huán)境中合成的電流

6 結(jié)束語

通過仿真和硬件平臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在逆變器下橋臂串聯(lián)電阻，采樣合成的電流波形與霍爾傳感器檢測的電流波形是一致的，充分說明了方法的可行性。并且該方法具有實(shí)時(shí)性、受外界影響較小，低成本等優(yōu)點(diǎn)，可用于小容量變頻器中，進(jìn)行電流反饋控制和電路保護(hù)，在實(shí)際的工程中具有重要的應(yīng)用意義。

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