異步電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邱雄邇，林立，李輝

(邵陽(yáng)學(xué)院 電氣工程系，湖南 邵陽(yáng)，422000)

異步電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邱雄邇，林立，李輝

(邵陽(yáng)學(xué)院 電氣工程系，湖南 邵陽(yáng)，422000)

以DSP2812為控制器、三相交流異步電動(dòng)機(jī)為被控對(duì)象，設(shè)計(jì)了一個(gè)通用型變頻調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明了對(duì)交流異步電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了變頻調(diào)速控制，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)頻率1～50Hz范圍內(nèi)的控制，步進(jìn)頻率1Hz。

DSP2812；異步電動(dòng)機(jī)；變頻器；矢量控制

交流變頻調(diào)速技術(shù)自20世紀(jì)60年代取得突破性發(fā)展以來(lái)，一直受到業(yè)界的高度關(guān)注。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)的速度控制也隨著數(shù)字化高效能微處理器的應(yīng)用，迅速全面進(jìn)入數(shù)字化階段。以各類電力電子器件構(gòu)成的變頻器驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)以其控制精度高、調(diào)速范圍廣、響應(yīng)迅速、保護(hù)功效好、抗過(guò)載能力好、節(jié)能效果顯著、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛的用于機(jī)械、冶金、化工、石油、紡織、造紙、水泥、船舶、鐵路等行業(yè)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。

本文以DSP2812為控制器、三相交流異步電動(dòng)機(jī)為被控對(duì)象，設(shè)計(jì)了一個(gè)通用型變頻調(diào)速系統(tǒng)，并研究了其工程實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)硬件電路

圖1為設(shè)計(jì)的交直交電壓型變頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計(jì)的主電路中包含整流、濾波和智能IPM模塊三相逆變電路三部分電路。微處理器采用德州儀器公司的32位定點(diǎn)芯片TMS320F2812，同時(shí)也是整個(gè)系統(tǒng)硬件電路的關(guān)鍵器件，軟件用高級(jí)語(yǔ)言C語(yǔ)言進(jìn)行編程，組成一個(gè)全數(shù)字式矢量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)給定參數(shù)值由上位機(jī)通過(guò)RS-232/485串行通信接口下傳給DSP2812， DSP2812主要接受三相電流采樣信號(hào)、電機(jī)位置信號(hào)和光電編碼器的轉(zhuǎn)速測(cè)量信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行計(jì)算，采用矢量算法得出控制策略， 再將控制策略輸出為六路控制的PWM信號(hào)，PWM控制信號(hào)再經(jīng)光電耦合器隔離， 然后驅(qū)動(dòng)六個(gè)IPM模塊構(gòu)成的三相逆變電路來(lái)控制異步電機(jī)[1-4]; 同時(shí)本系統(tǒng)也是一個(gè)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。如果系統(tǒng)發(fā)生故障，DSP2812發(fā)出信號(hào)封鎖PWM信號(hào)輸出。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure schematic diagram of control system

1.2 驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)選用了IR公司生產(chǎn)的IR2110S用于本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。本設(shè)計(jì)采用三片IR2110S驅(qū)動(dòng)芯片，從控制電路中DSP2812的GPIO口產(chǎn)生PWM1～PWM6六路脈沖分別輸入IR2110S驅(qū)動(dòng)芯片的HIN和LIN引腳，經(jīng)驅(qū)動(dòng)后驅(qū)動(dòng)6個(gè)IGBT的通斷。IR2110S柵極驅(qū)動(dòng)器用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)高壓側(cè)和一個(gè)低壓側(cè)的IGBT。同時(shí)IR2110S具備比較完善的保護(hù)功能，IR2110S既可滿足IGBT的驅(qū)動(dòng)要求，又可大大簡(jiǎn)化硬件電路，又可彌補(bǔ)其它驅(qū)動(dòng)電源的不足。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.2 Diagram of drive circuit system

1.3 逆變電路

逆變電路(如圖3所示)是通用變頻器的關(guān)鍵性電路，起著變頻的核心作用。它的主要作用是在控制電路的控制下將直流信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率與電壓均可任意調(diào)節(jié)的交流信號(hào)。六個(gè)IGBT功率開(kāi)關(guān)管的工作受控制電路中PWM調(diào)制信號(hào)的控制而交替導(dǎo)通和關(guān)斷，并在輸出端得到相位上各相差120度電角度的三相交流電源。開(kāi)關(guān)頻率決定了交流信號(hào)的頻率，交流信號(hào)幅值等于直流信號(hào)幅值的1/2。如果通過(guò)改變?cè)摻涣麟娫葱盘?hào)的相序來(lái)改變異步電機(jī)的轉(zhuǎn)向，只需改變各個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件的通斷的順序，這些功率器件同時(shí)起著改變電路電流流向的作用，故又稱之為換流器件或者換流開(kāi)關(guān)[2]。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)稱為絕緣柵雙極晶體管,是一種復(fù)合了功率場(chǎng)效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合器件,它兼具M(jìn)OSFET和雙極晶體管的優(yōu)點(diǎn)，具有高速開(kāi)關(guān)低飽和電壓、高輸入阻抗、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但其熱時(shí)間常數(shù)偏小，抗過(guò)載較弱，因而在工程應(yīng)用中，選擇IGBT宜考慮負(fù)載最易受損的情況，最嚴(yán)酷的環(huán)境條件是異步電機(jī)的啟動(dòng)電流達(dá)到額定電流的(1.2～2)倍，且必須考慮電流峰值。

圖3 逆變電路圖Fig.3 Structure diagram of inverter

1.4 光耦隔離電路

為了有效地保護(hù)控制電路與增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，設(shè)計(jì)中將主電路和控制電路利用了光電耦合器進(jìn)行電氣隔離(如圖4所示)。本設(shè)計(jì)中采用6片6N137作為6路PWM脈沖的光隔。6N137是一款用于單通道的高速光耦合器，其內(nèi)部具有溫度補(bǔ)償電路、有穩(wěn)定的輸出電壓與電流，高的輸入輸出隔離，LSTTL/TTL兼容，高速(典型為10MBd)，5mA的極小輸入電流[3]。

圖4 光耦隔離電路圖Fig.4 Circuit diagram of optical coupling isolation

在本設(shè)計(jì)中光耦隔離器6N137應(yīng)用如圖4所示，其工作原理是： 腳2上R48為輸入的限流電阻。當(dāng)光敏管截止時(shí)，發(fā)光二極管的正向電流非常小，約為0～250μA；而當(dāng)發(fā)光二極管正向?qū)〞r(shí)，其值約為1.2～1.7V，典型值是1.4V，此時(shí)通過(guò)二極管的正向?qū)娏鳛?.3～15mA，相應(yīng)光敏管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。因此VCC為+5V時(shí)，限流電阻可選1KΩ，腳8為輸出端，在腳8和腳5之間須接一可吸收電源線上的紋波的電容，選用了值為0.1μF的瓷介質(zhì)電容(C21)，其高頻性能優(yōu)良，同時(shí)安裝在腳5和腳8不超出1cm范圍的近處。這樣還可以減少光電隔離器工作時(shí)對(duì)電源信號(hào)的沖擊影響。6腳為集電極開(kāi)路時(shí)PWM信號(hào)的輸出端，必須加一個(gè)上拉電阻(R49)。阻值的選擇根據(jù)后級(jí)電路的輸入要求進(jìn)行。所選電阻不能太小，否則會(huì)增大6N137的功耗，增加對(duì)電源信號(hào)的沖擊[3]。本設(shè)計(jì)中R49取1K。C20是輸出負(fù)載的等效電容，它和R49影響器件的響應(yīng)時(shí)間，C20取值為103PF。

1.5 故障保護(hù)電路

將3個(gè)同一橋臂的2路PWM脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)3個(gè)與非門兩兩相與后再經(jīng)過(guò)一個(gè)與非門，當(dāng)任意同一橋臂兩個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，LED燈D16被點(diǎn)亮，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，這個(gè)信號(hào)與過(guò)電流信號(hào)相與經(jīng)過(guò)一個(gè)與非門，當(dāng)直流側(cè)電流超過(guò)8A時(shí)即發(fā)生過(guò)電流或者同一橋臂兩個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，SD為高電平，LED燈D15被點(diǎn)亮，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。SD為高電平時(shí)為驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷信號(hào)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)SD引腳關(guān)斷6個(gè)IGBT，實(shí)現(xiàn)硬件故障保護(hù)。其電路如圖5所示。

圖5 故障保護(hù)電路圖Fig.5 Circuit diagram of fault protection

2 軟件部分設(shè)計(jì)

2.1 主程序

圖6是系統(tǒng)運(yùn)行的主程序流程圖。主程序先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括設(shè)置watchdog；設(shè)置CPU級(jí)中斷屏蔽寄存器(IMR)。然后關(guān)總中斷；初始化PIE控制寄存器 、PIE矢量表、GPIO寄存器、SCIB寄存器和設(shè)置事件管理器中的部分控制寄存器，給一些變量賦上初始值，使之能在中斷服務(wù)子程序中運(yùn)算，并須選用6個(gè)復(fù)用I/O引腳，將其設(shè)置成PWM波輸出端。隨后設(shè)置好微處理器的定時(shí)器；待這些初始化工作全部完成后，最后將中斷服務(wù)入口地址置好并重新開(kāi)啟中斷(INTM=0)，等待循環(huán)。

圖6 主程序流程圖Fig.6 The flow chart of the main program

2.2 定時(shí)器2中斷程序

數(shù)碼管的第1位和第2位在停止的時(shí)候表示啟動(dòng)要達(dá)到的設(shè)定頻率，啟動(dòng)的時(shí)候表示實(shí)時(shí)頻率。定義一個(gè)計(jì)數(shù)CPU定時(shí)器中斷變量InterruptCount，InterruptCount自動(dòng)增加1，然后用判斷語(yǔ)句進(jìn)行判斷其值是否大于10，如果是，繼續(xù)判斷實(shí)時(shí)頻率是否達(dá)到給定頻率，如果實(shí)時(shí)頻率比給定頻率小，繼續(xù)增大實(shí)時(shí)頻率，直到二者相等為止。如果給定頻率比實(shí)時(shí)頻率小，實(shí)時(shí)頻率就減小，直到二者相等為止。然后調(diào)用顯示子程序，將實(shí)時(shí)頻率和給定頻率顯示出來(lái)。其流程圖如圖7所示。

圖7 定時(shí)器2中斷流程圖Fig.7 The flow chart of CPU time 2 interruption service program

3 部分實(shí)驗(yàn)分析

本實(shí)驗(yàn)所用的被控電機(jī)為三相線繞式異步電動(dòng)機(jī)，其型號(hào)為DJ17，Y型聯(lián)接，PN=120W，UN=220V，IN=0.6A，fN=50Hz，nN=1380r/min，絕緣等級(jí)為E。試驗(yàn)系統(tǒng)電路板分為功率板，DSP2812控制電路板，鍵盤顯示電路板。調(diào)試環(huán)境為美國(guó)TI公司的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 CCS3.3。仿真器采用TI公司XDS100 USB Emulator。采用浙江天煌科技實(shí)業(yè)有限公司的DD03-3旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)速。在30～ 50Hz下加負(fù)載900Ω情況下運(yùn)行，轉(zhuǎn)速測(cè)量如圖8所示， 定子相電流用示波器DS1-070525測(cè)量， 波形如圖9所示，與仿真結(jié)果相符；從圖可知，電機(jī)在不同頻率下的調(diào)速性能均較好，定子的相電流波形接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波。由此可見(jiàn)設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)指標(biāo)與靜態(tài)性能。部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 基于DSP2812的交流電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化變頻調(diào)速，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提高電機(jī)效率，采用變頻控制技術(shù)的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良動(dòng)靜態(tài)性能。

圖8 加負(fù)載電阻900Ω，電機(jī)正轉(zhuǎn)，頻率為30Hz和50Hz時(shí)，轉(zhuǎn)速為736.3r/min和1356r/minFig.8 With load resistance 900,the motor is rotating,the frequency of 30Hz and 50Hz,the speed of 736.3r/min and 1356r/min

圖9 加負(fù)載電阻900Ω，頻率為30Hz和50Hz，定子相電流波形Fig.9 With load resistance 900,frequency of 30Hz and 50Hz,stator phase current waveform

[1]林立，李曉靜，蔣云峰，基于DSP的SVPWM矢量控制數(shù)字化變頻調(diào)速系統(tǒng)[J].中小型電機(jī)，2004，31(5)：35-38.

[2]韓素賢.基于TMS320F2812的新型數(shù)字變頻器設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016，8：174-175.

[3]管明波.基于FPGA與PC機(jī)的地震動(dòng)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，2008.

[4]王忠勇，陳恩慶.TMS320F2812 DSP原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

Design of variable frequency speed regulation system for asynchronous motor

QIU Xionger，LIN Li，LI Hui

(Department of Electrical Engineering ,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China)

This is a universal converter which based on the three-phase AC asynchronous motor as controlled object and takes DSP2812 as processor.The simulation waveform and the experimental results show that the system runs stably and can realize variable frequency controlling speed regulation of AC motor control,frequency range of 1 ～ 50 Hz,step for 1 Hz.

DSP2812；induction motor；inverter；FOC

1672-7010(2017)02-0027-05

2017-02-10

湖南省教育廳一般項(xiàng)目(16C1449)；邵陽(yáng)市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016CZ12)

邱雄邇(1973-),男,湖南隆回人,講師，碩士，從事電力電子與電氣傳動(dòng)研究，E-mail:cekongpg2008@126.com

TM301.2

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