變頻調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機(jī)水泵負(fù)載上的應(yīng)用

李 瑾

(南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，南昌 330099)

1 研究背景

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，建在江河湖泊上的電力排灌站數(shù)量眾多，在拖動(dòng)風(fēng)機(jī)泵類(lèi)負(fù)載的電動(dòng)機(jī)中，大功率電動(dòng)機(jī)在數(shù)量上占20%，但在容量上卻占80%以上，且風(fēng)機(jī)泵類(lèi)負(fù)載要求的轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)速的平方，因此對(duì)于用來(lái)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載的大功率電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速，既可使電機(jī)提速用于抗洪排澇，也可降速用于節(jié)能節(jié)水灌溉，成為目前十分適宜且極為重要的節(jié)能措施。空間電壓矢量脈沖寬度調(diào)制(SVPWM)技術(shù)應(yīng)用于變頻調(diào)速系統(tǒng)中不但能夠減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、降低噪聲，而且相對(duì)于傳統(tǒng)的SVPWM方法，其功率器件的開(kāi)關(guān)次數(shù)可減少1/3，直流電壓利用率約提高15.47%，具有較好的諧波抑制效果且易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)［1]。

本文在分析SVPWM控制原理的基礎(chǔ)上對(duì)一個(gè)以TMS320LF2407A型DSP芯片為核心的異步電機(jī)SVPWM矢量控制調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了硬軟件設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)特性。

2 SVPWM控制原理

根據(jù)逆變器各橋臂開(kāi)關(guān)狀態(tài)的不同，可以得到8個(gè)電壓矢量，其空間分布如圖1所示。

圖1 基本電壓空間矢量Fig.1 Fundamental voltage space vectors

圖1中的8個(gè)電壓矢量包括2個(gè)零矢量和6個(gè)非零矢量，其中6個(gè)非零矢量的幅值相同，相鄰的矢量互差60°，2個(gè)零矢量幅值為0，位于坐標(biāo)原點(diǎn)。這8個(gè)空間矢量被稱(chēng)為基本電壓空間矢量，分別記作 U0，U60，U120，U180，U240，U300，O000和 O111。

SVPWM方法的目的是通過(guò)8個(gè)基本電壓矢量來(lái)逼近電機(jī)所需的電壓矢量Uout，一般所用方法是在一個(gè)PWM周期TPWM內(nèi)使逆變器輸出電壓的平均值跟Uout相等。如果 TPWM很小，在TPWM周期內(nèi)使Uout的變化很小，則具體的實(shí)現(xiàn)方程為

式中:t1，t2分別為電壓矢量Ux和Ux±60對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間;TPWM是Uout作用的時(shí)間，有T1+T2+T0=。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用交－直－交電壓型變頻電路，由主回路和控制電路2大部分組成。主電路由二極管不控整流電路、濾波電路、IGBT逆變電路3個(gè)主要部分組成。系統(tǒng)控制電路包含DSP核心電路和外部擴(kuò)展電路。

DSP核心電路部分采用合眾達(dá)公司提供的TMS320F2407A簡(jiǎn)易開(kāi)發(fā)板－EVM板，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制和具體的算法實(shí)現(xiàn)功能。該開(kāi)發(fā)板主要包括:①主控芯片TMS320LF2407A，PGA封裝;②外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路，使用Cypress公司生產(chǎn)的16位64K字節(jié)的SRAM芯片CY7C1021，采用CMOS工藝，具有自動(dòng)低功耗模式，可保證低的散熱量;③電源部分，TMS320LF2407A芯片工作電壓為3.3 V，因此這里采用了具有延遲復(fù)位功能的電源芯片TPS7333來(lái)實(shí)現(xiàn)+5 V到+3.3 V的電壓轉(zhuǎn)換，其最大輸出驅(qū)動(dòng)能力為500 mA，大于DSP芯片在20M晶振下使能所有的外設(shè)模塊的最大工作電流120 mA;④晶振電路采用15 M的晶振，可通過(guò)設(shè)定DSP內(nèi)部倍頻系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)需要的指令執(zhí)行速度。另外該開(kāi)發(fā)板還包括發(fā)光二極管及DSP芯片的管腳引出端子，便于外部擴(kuò)展。DSP的外部擴(kuò)展電路主要包括PWM輸出與光耦驅(qū)動(dòng)的接口電路，按鍵輸入電路，電壓、電流和速度信號(hào)的檢測(cè)電路，數(shù)據(jù)顯示以及故障檢測(cè)和保護(hù)電路。

3.1 驅(qū)動(dòng)隔離電路

系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路采用美國(guó)IR公司的雙通道高壓、高速電壓型功率開(kāi)關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)器IR2110，它具有自舉浮動(dòng)電源，只用一路電源可同時(shí)驅(qū)動(dòng)上、下橋臂，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖2所示，圖中自舉電容C1采用鉭電容，VCC通過(guò)D1向C1充電，而C1的充放電頻率就是IGBT的開(kāi)關(guān)頻率，因此D1選用快恢復(fù)二極管FR157(1000V/1.5A)，C2為VCC的濾波電容。

圖2 IR2110驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 IR2110 driving circuit

光耦隔離設(shè)計(jì)電路見(jiàn)圖3，這里采用快速光耦6N136來(lái)進(jìn)行主電路和控制電路的可靠隔離?？紤]到光耦采用集電極輸出，當(dāng)輸入在默認(rèn)狀態(tài)都為低電平時(shí)，光耦輸出都為高電平。若這樣直接連接IR2110來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件，會(huì)使上、下橋臂2個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通即直通，因此在光耦輸出后面接有CD4049反相器，使初始輸出狀態(tài)為低電平［3]。

圖3 光耦隔離電路Fig.3 Photoelectric coupling isolation circuit

3.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路

本文采用M法測(cè)速，選用歐姆龍(OMRON)公司的分辨率為1024P/R的增量式光電編碼器E6B2－CWZ6C，它由5～24 V 供電，有A，B，Z三路輸出，其中A，B兩路脈沖相位互差90°，且能根據(jù)兩路脈沖的先后順序判別電機(jī)的轉(zhuǎn)向。Z為基準(zhǔn)脈沖，用作系統(tǒng)清零信號(hào)，以減少測(cè)量的累積誤差。TMS320LF2407A型DSP芯片的每個(gè)EV模塊都有一個(gè)用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)的正交編碼脈沖(QEP)電路，使用時(shí)只要將A，B兩路脈沖經(jīng)光耦隔離后送到DSP的CAP1/QEP1和CAP2/QEP2引腳(捕獲單元輸入端可用軟件定義為QEP方式)即可。設(shè)光電編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個(gè)脈沖信號(hào)，在給定時(shí)間T內(nèi)，測(cè)出碼盤(pán)輸出m個(gè)脈沖，則可計(jì)算出轉(zhuǎn)速 n=60 ×m/(NT)r/min［4］。

3.3 電流檢測(cè)電路

本文選用霍爾電流傳感器LA28－NP來(lái)測(cè)量定子電流，其工作電壓為±15 V，量程選擇0～5 A，輸出電流為0～25 mA。

由于DSP的ADC的輸入信號(hào)為0～3.3 V的單極性電壓信號(hào)，而電流傳感器檢測(cè)的定子電流為交流信號(hào)，因此檢測(cè)信號(hào)要進(jìn)行電壓調(diào)整。電流檢測(cè)電路如圖4所示，霍爾傳感器輸出的電流信號(hào)先通過(guò)采樣電阻R1轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)R2和C1濾掉高次諧波，再經(jīng)過(guò)射極跟隨電路(U1A)和1.65 V的電壓抬升電路(U1B)，最后使輸出電壓U0在0～3.3 V之間，且以1.65 V為中心上下波動(dòng)。

4 SVPWM算法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)

4.1 U out所在扇區(qū)的判斷

6個(gè)非零電壓空間矢量將空間分為6個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)扇區(qū)號(hào)，如圖 1 中的 1，2，3，4，5，6。如果知道了Uout所在的扇區(qū)，就能確定用來(lái)合成Uout的2個(gè)相鄰的基本電壓空間矢量。當(dāng)?shù)贸鯱out分別在α軸和β軸上的2個(gè)分量Uα和Uβ后，可計(jì)算出:

上式中，Uα和Uβ分別是期望電壓矢量Uout在α軸和β軸上的2個(gè)分量，前文已述。vref1，vref2，vref3是為表示扇區(qū)號(hào)而設(shè)的3個(gè)電壓。

令N=4Sign(vref3)+2Sign(vref2)+Sign(vref1)，則N與扇區(qū)號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示［5］。

圖4 電流檢測(cè)電路Fig.4 Current detection circuit

表1 N與扇區(qū)號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 The corresponding relation between N and sector number

4.2 相鄰兩矢量作用時(shí)間的確定

由(1)式可知，確定了用來(lái)合成 Uout的2個(gè)相鄰的基本電壓矢量Ux和Ux±60之后，還需算出這兩個(gè)矢量的作用時(shí)間T1和T2，從而得到空間矢量比較器的切換點(diǎn)。設(shè)X，Y，Z為相鄰兩矢量作用時(shí)間的3個(gè)量，則:

則與各扇區(qū)相鄰兩矢量作用時(shí)間T1，T2的取值如表2所示。

表2 T1，T2賦值Table 2 Values of T1，T2

4.3 確定比較器的切換點(diǎn)

為了計(jì)算空間矢量比較器切換點(diǎn)Tcm1，Tcm2，Tcm3，定義 Ta=(TPWM－T1－T2)/4，Tb=Ta+T1/2，Tc=Tb+T2/2，則各扇區(qū)的切換時(shí)間如表3所示。

表3 各扇區(qū)的切換時(shí)間表Table 3 Switch time of sectors

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的TMS320LF2407A程序直接使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，由主程序和中斷服務(wù)子程序構(gòu)成。中斷子程序流程圖如圖5所示。

圖5 中斷子程序流程Fig.5 Interruption subprogram flow chart

主程序主要是完成各寄存器設(shè)置及參數(shù)變量的初始化。中斷下溢子程序主要完成設(shè)計(jì)中控制部分的算法，是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的核心。所有的矢量控制算法如電流、速度控制算法以及SVPWM波的產(chǎn)生等都是在定時(shí)器1的下溢中斷子程序中進(jìn)行，高性能的DSP確保了控制算法的實(shí)時(shí)執(zhí)行。本文將定時(shí)器1設(shè)定工作在連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式，PWM中斷由定時(shí)器1的下溢事件來(lái)觸發(fā)。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文中所用異步電機(jī)的基本參數(shù):

額定功率PN=750 W;

額定定子電壓UN=220 V;

額定定子電流IN=2 A;

額定轉(zhuǎn)速nN=1 380 r/min，Y形接法。

在控制端兩相之間加RC濾波測(cè)得的波形可近似地看成是線電壓波形，圖6是給定頻率為30，40，50 Hz時(shí)線電壓的波形。從圖6中可以看出隨著頻率的平滑上升，線電壓的峰峰值也逐漸上升，基本達(dá)到了在50 Hz以下的恒壓頻比變頻調(diào)速。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文給出的變頻調(diào)速系統(tǒng)具有電壓利用率高、輸出電流諧波少、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 不同給定頻率下的線電壓波形Fig.6 Line voltage waveform under different frequencies

7 結(jié)語(yǔ)

本文給出了一種以TMS320LF2407A型DSP芯片為核心，利用SVPWM技術(shù)構(gòu)成的變頻調(diào)速系統(tǒng)，并在介紹SVPWM基本原理的基礎(chǔ)上對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了硬軟件設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)特性和好的控制效果。文中調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)是以額定功率750 W的異步電機(jī)為被控對(duì)象，對(duì)于需要拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載的大功率電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，可采用由IGBT智能模塊構(gòu)成的交－交變頻器以增大能量轉(zhuǎn)換效率并提高工作的可靠性，再加上一般風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載適于運(yùn)行的頻率范圍為15～50 Hz，且要求的調(diào)速范圍不大，因此該變頻調(diào)速方案用于風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)等高能耗設(shè)備仍可獲得較好的控制效果，并擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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