交流調(diào)速系統(tǒng)硬件接口電路設(shè)計方法研究

1 引言

　　長期以來，由于交流異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、制造成本低等諸多優(yōu)點，其應(yīng)用越來越廣泛。但因異步電機(jī)是一個多變量、非線性、強(qiáng)耦合的被控對象，磁通和轉(zhuǎn)矩耦合在一起，不能對磁通和轉(zhuǎn)矩分別控制，因此一直沒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)磁場定向的控制原理”后，文獻(xiàn)［2，3］對基于逆系統(tǒng)理論和基于微分幾何控制理論的解耦方法，以及如何對異步電動機(jī)解耦做了介紹。在交流調(diào)速理論發(fā)展的同時，人們也在研究交流調(diào)速系統(tǒng)硬件接口電路的設(shè)計方法。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)計的方法，對各個電路如采樣電路、轉(zhuǎn)速反饋接口電路、驅(qū)動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)的說明，實驗證明這種方法是可行的。

2 主電路設(shè)計

　　本文的設(shè)計實驗對象為：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)計選取了tms320f2812系列定點dsp作為電動機(jī)控制主芯片，圍繞它展開了硬件接口電路的設(shè)計。具體包括：電流采樣電路的設(shè)計，速度檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計，功率開關(guān)器件的驅(qū)動電路設(shè)計等幾個方面。因為本文以硬件設(shè)計為主，故在其他方面如park變換，clarke變換等軟件設(shè)計方面不予以贅言。

3 電流采樣電路的設(shè)計

　　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)中實時得到反饋的交流電動機(jī)定子電流信號，即將傳感器檢測到的電流信號進(jìn)行放大，偏置輸出到dsp的a/d接口，將電流信號轉(zhuǎn)換成dsp可識別的數(shù)字信號，以方便dsp進(jìn)行處理。因為本課題研究的是三相平衡系統(tǒng)ua+ub+uc=0，故只需要檢測其中兩路電流即可。

　　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，定子電流檢測的精度和實時性是整個矢量控制系統(tǒng)精度的關(guān)鍵。因此，對電流的檢測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)計要求，試驗電動機(jī)的額定電流為90a，考慮兩倍的安全裕量，實際定子電流取到180a。本實驗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運算放大器的選擇

　　本文所研究設(shè)計的系統(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)，電流信號采用一個固定的放大倍數(shù)，精度堪憂。所以初級采用可編程放大器ad526，通過調(diào)節(jié)放大倍數(shù)來滿足要求，并由ad526產(chǎn)生正的1.65v的電壓信號。由于tms320f2812要求的電壓為3.3v，所能識別的僅是正的電壓值，而電流信號為正負(fù)交替的交變信號，因此，需要有一個減法比較環(huán)節(jié)將正、負(fù)信號做減法運算，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)計中先將霍爾的電流信號通過電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號，為了防止電壓過高或過低，設(shè)計了由二極管構(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。考慮到現(xiàn)場環(huán)境的影響以及其他未可預(yù)知的干擾，在本設(shè)計中，選取了op27型放大器。

　　3.4采樣電阻的計算

　　由電流傳感器的變比2000:1，及原邊電流值大小：200a，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

　　起動的快速性是電動機(jī)的基本要求。以目前無位置傳感器控制技術(shù)發(fā)展的情況來看，由于低速特別是起動瞬間反電動勢非常低，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，光電編碼器信號處理簡單、噪聲容限大、易于實現(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dsp的qep接口十分方便地實現(xiàn)與控制器的連接。

　　本設(shè)計選用了sumtak株式會社產(chǎn)的lhe-055-2000型帶u、v、w信號增量式光電編碼器。它輸出12路信號：a、b、z、u、v、w以及他們的補信號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，可以把一對轉(zhuǎn)子磁極分為6個等距區(qū)間。所以在電機(jī)起動時，可以先根據(jù)u、v、w信號按照無刷直流電動機(jī)控制，使電機(jī)運行起來，待檢測到z信號，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信號定位于a相繞組反電動勢的過零點，此時，轉(zhuǎn)子磁極軸線正好與a相繞組軸線重合。

　　其中a、b信號分別通過qep1、qep2接到lf2407a上；而z信號通過cap3接到lf2407a上；u、v、w是以60°電角度為周期的數(shù)字信號，分別通過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以及他們的補信號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來接接收由26c31引出的所有線路。

　　由于26c32可以同時接受四路信號，所以，a、b、z、a’、b’、z’信號可以同時與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，還得加上高速光電隔離。圖3中是a路信號的接口電路，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：碼盤輸出的信號的頻率最高接近60khz，而普通光耦的開通和關(guān)斷延時就有幾個微秒，無法滿足要求。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16位通用定時器t1和t2可工作于qep模式的16位或32位雙向計數(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模式對兩路脈沖的前后沿均進(jìn)行計數(shù)，無需外部的倍頻電路。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)動電路的設(shè)計

　　ipm的驅(qū)動隔離電路如圖4所示。盡管在lf2407a輸出的pwm中已經(jīng)加入了死區(qū)時間，本系統(tǒng)設(shè)計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)動信號的帶負(fù)載能力，在22v10d的輸出之后串入一片緩沖器——mc1413。當(dāng)驅(qū)動信號發(fā)生錯誤，lf2407a發(fā)出一個錯誤信號false，并點亮發(fā)光二極管ledintpend。緩沖器mc1413的輸出經(jīng)過快速光耦hcpl4503隔離，驅(qū)動ipm。圖中只畫出了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

　　基于以上對交流調(diào)速系統(tǒng)硬件接口電路設(shè)計方法的研究，我們進(jìn)行了異步電機(jī)的矢量控制實驗。實驗結(jié)果證明了該系統(tǒng)能可靠穩(wěn)定運行。同時該系統(tǒng)對于過流有很快的響應(yīng)性，對系統(tǒng)有保護(hù)作用，實踐證明該設(shè)計方法符合控制設(shè)計要求，具有一定的電路設(shè)計典型性并可應(yīng)用在交流調(diào)速系統(tǒng)中。