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湖北工业大学 硕士学位论文 基于电动自行车的交流电动机变频控制研究 姓名：刘刚 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：陈钢 20050501 湖北工业大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - _ _ _ _ i _ i - _ - _ _ _ _ _ _ 一i i m _ _ _ - _ - - _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - 摘要 交流电机变频调速广泛用于工业、交通、嗣防等各方面，并己开始逐步替代 直流调速，可以认为，变频调速是异步电动机调速最有发展前途的一种方法。本 文介绍了交流电机变频调速的基本方式，三相逆变桥的原理及其构成，i r 2 1 3 0 驱 动器的应用。 电动自行车作为一种绿色、轻型交通工具，越来越受到人们的青睐。本文介 绍了电动自行车一种新型的调速形式变频调速。经济型电动自行车采用变频 变压控制法( v v v f ) ，这种控制系统简单、可靠、价格低，适合于工薪阶层等众多 消费者使用，具有较高的性价比。本文较详细的论述了经济型电动自行车调速系 统的硬件和软件设计，并制作了实验装置，得出了相应的实验结果。 高性能电动自行车采用无速度传感器矢量控制法。在异步电动机矢量控制系 统中，转速的闭环控制环节一般是必不可少的。通常，采用光电码盘等速度传感 器来进行转速检测，并反馈转速信号。但是，由于速度传感器的安装带来了成本 高、体积大、可靠性降低，重量增加等缺点。采用无速度传感器矢量控制技术， 该技术利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度估算，以取代速度 传感器，达到简化系统、提高可靠性和降低成本的目的。本文介绍了矢量控制的 原理，转速的几种估算方法，无速度传感器电压解耦矢量控制系统的设计。 在无速度传感器矢量控制模式下，电动自行车可实现低速驱动、高起动转矩、 高转速精瘦、滴加减速性能。 关键词：变频调速，脉宽调制，变频变压，矢量控制 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ev a r i a b l e f r e q u e n c ys p e e di sw i d e l yu s e di nd i f f e r e n tf i e l d s s u c ha si n d u s t r y , t r a m c ，n a t i o n a ld e f e n s e ，e t c a n di te v e nh a ss u b s t i t u t e dd cv a r i a b l es p e e d ，w eb e l i e v e v a r i a b l e - f r e q u e n c ys p e e di s t h em o s tr i s i n gk i n do fm e t h o do fa s y n c h r o n o u sm o t o r t r a n s f e rs p e e d t h em a i nw a yo f v a r i a b l e f r e q u e n c ys p e e do fa cm o t o r , t h ep r i n c i p l e a n dc o n s t i t u t i o no ft h r e ep h a s e si n v e r t e rb r i d g ea n dt h ea p p l i c a t i o no fi r 2 1 3 0d r i v e r s a r ei n t r o d u c e di nt h i st h e s i s ， t h ee l e c t r i c b i c y c l e ，a s ak i n do fg r e e n ，l i g h t - t y p em e a n so ft r a n s p o r t a t i o n ，i s w e l c o m e dm o r ea n dm o r eb yp e o p l e t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e dak i n do fn e w - t y p e a d j u s t i n g t h e s p e e d f o r mo ft h ee l e c t r i cb i c y c l e v 盯i 曲l e f r e q u e n c y s p e e d t h e c o n t r o lm e t h o do fv a r i a b l e v o l t a g e a n dv a r i a b l ef r e q u e n c y ( v v v f ) i sa d o p t e df o r e c o n o m i c a le l e c t r i cb i c y c l e ，t h i sc o n t r o ls y s t e mi ss i m p l e r , r e l i a b l ea n dc h e a p ，w h i c hi s s u i t a b l ef o r u s i n g t ow o r k sa n do t h e rm a n y p e o p l e ，i th a sh i g h e r r a t eo f p e r f o r m a n c ea n d p r i c e t h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n o fv a r i a b l e f r e q u e n c y s p e e ds y s t e m i s i n t r o d u c e di nt h i s p a p e rf o re c o n o m i c a le l e c t r i cb i c y c l e ，a n dt h ee x p e r i m e n t a t i o ni s m a d e ，t h er e s u l ti sa c q u i r e d t h ev e c t o rc o n t r o lm e t h o dw i t h o u tu s i n g s p e e d s e n s o ri s a d o p t e d f o r h i g h p e r f o r m a n c ee l e c t r i cb i c y c l e i nt h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mo f a c a s y n c h r o n o u sm o t o r , t h el i n ko f c l o s i n gc o n t r o lo f t h es p e e di sg e n e r a l l ye s s e n t i a l u s u a l l y , w em e a s u r et h e s p e e db yu s i n gt h ep h o t o e l e c t r i c i t yd i g i t a l s e n s o r , o ro t h e rs p e e ds e n s o r , a n dt h e n f e e d b a c kt h es p e e ds i g n a l h o w e v e r , t h ei n s t a l l a t i o no ft h es p e e ds e n s o rh a sb r o u g h t w i t h s h o r t c o m i n g s ，s u c h a s h i g hc o s t s ，g r e a tv o l u m e ，r e d u c i n gd e p e n d a b i l i t y a n d i n c r e a s i n gw e i g h t ，e t c t h ev e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yw i t h o u tu s i n gs p e e ds e n s o ri s a d o p t e d ，w h i c he v a l u a t e st h es p e e db yd e t e c t i n ge a s i l ym e a s u r e dp h y s i c a lf a c t o r ss u c h a st h ev o l t a g ea n de l e c t r i cc u r r e n to f m o t o r , i nt h i sw a y , i tc a nr e p l $ et h es p e e ds e n s o r a n dt h e na c h i e v et h ep u r p o s eo fs i m p l i f y i n gs y s t e m ，i m p r o v i n gd e l i e n d a b i l i t ya n d r e d u c i n gc o s t t h ep r i n c i p l eo f v e c t o rc o n t r o l ，af e we s t i m a t em 奎 t h o d so fs p e e da n d v o l t a g ed e c o u p l ev e c t o rc o n t r o ls y s t e md e s i g nw i t h o u tu s i n gs p e e d 眵n s o r i si n t r o d u c e d i nt h i st h e s i s ， i nt h ec o n t r o l l i n go fv e c t o rc o n t r o lw i t h o u tu s i n gs p e e ds e n s o r , t h ef u n c t i o n ss u c h a sl o ws p e e dd r o v e d ，h i g hs t a r t e dt o r q u e ，h i g hr o t a t i o n a ls p e e dp r e c i s i o na n dh i g h p e r f o r m a n c e o f a d d i n ga n dr e d u c i n g t h es p e e dc a nb er e a l i z e df o rt h ee l e c t r i cb i c y c l e k e y w o r d s ： v a r i a b l e - f r e q u e n c ys p e e d ，p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ， v a r i a b l e v o l t a g ea n d v a r i a b l e f r e q u e n c y ， v e c t o rc o n t r o l i i 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题综述 1 1 1 课题研究的目的、意义 随着生产技术的不断发展。直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。由于换向器 的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境受 到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机。但 异步电动机的调速性能难以满足生产要求，于是，从2 0 世纪3 0 年代开始，人们 就致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长时期内，直流调速一直 以性能优良领先于交流调速。6 0 年代以后，特别是7 0 年代以来，电力电子技术和 控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争，目前， 交流调速己进入逐步替代直流调速的时代“1 。 异步电动机的调速方式主要有：定子调压调速、变极对数调速、变频调速等。 定子调压调速线路简单，装置体积小，价格便宜，使用维修方便。但是它在调速 过程中增加转差功率，且此功率全部用于转子发热，效率较低，调速范围比较小， 要求采用高转差电机，比如特殊设计的力矩电机，所以特性较软，一般适用于5 5 k w 以下的异步电动机。变极对数调速无附加差基损耗，效率商，控制电路简单，易 维修，价格低。但变极对数调速是有级调速，不能实现无级平滑的调速。且由于 受到电机结构和制造工艺的限制，通常只能实现2 3 种极对数的有级调速，调速 范围相当有限。 交流电动机的变频调速，就是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速 来实现调速的，在调速过程中，从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因而， 具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是异步电动机调 速最有发展前途的一种方法0 1 。 近2 0 年来随着电力电子技术，计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流 电机变频调速己广泛用于工业、交通、国防等各方面，并已开始逐步替代直流调 湖北工业大学硕士学位论文 速。同时，变频调速的控制技术也在不断进步和完善。“”n 1 。 这里仅以该技术用于电动摩托车( 自行车) 为例来说明该技术的经济效益： 摩托车是一种速度较快、安全防护措施相对较差的轻型交通工具。据有关部门公 布的数据，1 9 9 8 年全国摩托车保有量已达4 5 0 0 万辆，其中大中城市摩托车保有量 估计在1 5 0 0 万辆左右。武汉市的摩托车2 0 0 3 年4 月份以前以4 0 0 辆日的速度 激增，但是在大中城市摩托车保有量稳步提高的同时，摩托车带来了严重的空气 污染和噪音。 目前，全国已至少有4 0 个城市禁止摩托车上牌。武汉市已于4 月1 5 日停止 了摩托车上牌，可禁摩对那些业务用车就麻烦了：邮递员、送奶员、送货品等， 骑自行车太辛苦，摩托车又到处受到限制，于是选用电动摩托车( 自行车) 便成 为最佳方案。 2 0 0 4 年颁布实施的中国首部道路交通安全法中，对非机动车有了新的定 义，电动自行车被纳入非机动车的范畴。在短期内我国的家庭轿车还不能普及的 情况下，业内人士预测，无尾气污染、低噪声的电动自行车发展前景相当乐观。 电动摩托车( 自行车) 的发展无疑会给国家的经济带来新的活力。中国电动 车专委会主任周鹤良教授说，自行车一百多年的历史充分证明，自行车是一种具 有生命力的交通工具，它的每一次技术革新，都会引起消费热潮，刺激国家的经 济发展。中国作为自行车的王国，这是一个巨大的市场，电动摩托车( 自行车) 作为自行车史上具有革命性的交通工具，在给百姓生产带来方便的同时，必将会 对国家经济产生积极的影响。据北京有关机构抽样调查表明：1 0 0 0 多万人口的北 京市目前的自行车社会拥有量约有1 0 0 0 万辆，假如有1 0 的人愿意换成电动摩托 车( 自行车) ，以此推算电动摩托车( 自行车) 的销售市场应在1 0 0 万辆左右。 以每辆电动摩托车( 自行车) 售价2 5 0 0 元计，就是2 5 亿。全国目前自行车社会 拥有量为4 亿辆，假如有2 的人愿意换成电动摩托车( 自行车) ，就有8 0 0 万辆， 约2 0 0 个亿的销售额。假如有1 0 的人愿意更换就有4 0 0 0 万辆，这就是1 0 0 0 个 亿6 。 2 湖北工业大学硕士学位论文 加入w t 0 ，我们不仅要考虑国内市场，也应放眼国际市场，国际上已有回归自 行车的呼声，在欧美，好的电动自行车甚至可卖到6 0 0 0 美元一辆。价廉物美的电 动摩托车( 自行车) 更有着巨大的市场需求。许多国家已把电动自行车看作未来 交通工具的发展趋势。日本矢野经济研究所预测，至2 0 0 7 年世界( 纯) 电动自行 车市场的规模为3 9 8 万辆；美国尤尼克公司决定推出新型电动自行车，目标年销 售1 0 0 0 万辆；美国克莱期勒汽车公司也推出了一款定价为9 9 5 美元的新型电动自 行车，预计年销售量达5 万辆以上：美国通用汽车公司也将为电动自行车提供新 型电池。据欧洲电动自行车促销机构提供的信息，由于受欧洲油价上涨和环保意 识增强等因素的影响，预计未来3 年至4 年内，电动自行车将成为欧洲自行车商 下一阶段推出的主要产品，仅欧洲市场每年的销量就可达3 0 0 万至4 0 0 万辆。 1 1 2 国内外研究现状 电动自行车作为一种绿色环保型交通工具，国外从2 0 世纪6 0 年代开始研制。 近年来，随着国际市场石油、天然气等燃料价格的波澜起伏和人类环保意识的日 益提高，兴起了全球性开发电动车的热潮。目前两方面的关键技术限制住它的发 展。一是能源技术，即高效能的电池，二是电气驱动及控制技术。前者各国都加 大了研究力度，尤其是燃料电池的发展，为电动车的能源问题提供了较好的前景， 美国通用公司计划2 0 0 8 年实施f c e v ( 燃料电池电动车) 计划，日本能源厅的最新研 究报告计划在2 0 1 0 普及f c ( 燃料电池) 。我国，以质子交换膜燃料电池技术为依托， 中科院大连化学物理研究所2 0 0 1 年4 月组建了股份制企业新源动力股份有限 公司，标志着燃料电池项目已经向产业化道路迈进。我国同发达国家在开发氢能 ( 燃料电池) 技术上基本站在同一起跑线，完全可能为中国民族的电动车在世界 上抢占一席之地。 随着电源技术的逐步解决，电动车的性能与价格，就取决于它的电气驱动及 控制技术，目前我国的电动自行车大都采用直流电动机，它具有优良的电磁转矩 控制特性，且控制系统简单，但缺点是价格高( 防碍普及) ，重量大，而且回转 部分的惯性是相同容量交流电机的3 5 倍，因此对需要频繁加减速的电动车来说， 湖北工业大学硕士学位论文 在加减速时回转部分的惯性将使能量消费大。2 0 世纪8 0 年代以来，随着电力电子 技术的发展，交流电动机控制变得容易了，因此，电动机的电气驱动系统从直流 电动机转向了交流电动机。特别是感应电动机具有结构紧凑，可靠性高，成本低 的优点，这对普及电动车，使之成为我国人民普遍的代步工具有重大意义”“”。 因此，研究电动车交流电气驱动及控制技术，将成为普及电动车的关键技术 之一1 。 1 _ 2 本课题的研究内容 电动自行车目前大都采用的直流电动机，由于其转子惯性大，频繁起停不便， 价格贵，限制了其发展。用交流感应电动机，有价廉、惯性小、无需保养等优点。 相对单相异步电动机，三相异步电动机不需要加电容或电感，具有高效、节能、 起动转矩高、噪声低、振动小、调速范围广、运行安全可靠等优点。用三相逆变 桥可以将直流电逆变成频率可调的三相交流电。如图卜1 所示。v 1 v 6 为逆变管， v d i v d 6 为续流二极管，其主要功能有：当频率下降、电动机处于再生制动状态 时，再生电流将通过v i ) i v d 6 整流后返回给直流电源“。在第二章将详细介绍三 相逆变桥的原理及其驱动电路。 图卜1 三相逆变桥 1 2 1 经济型电动自行车的控制系统 在一般的交一直一交变频调速系统中，为了获得变频调速所要求的电压频率 协调控制，整流器必须是可控的，调速时须同时控制整流器和逆变器。但电动自 行车的交一直部分是直流电源，不可控。本文采用正弦波脉宽调制( s p w m ) 逆变 4 湖北工业大学硕士学位论文 器，其控制电路框图如图1 _ 2 所示。s p w m 逆变器，就是期望其输出电压是纯粹的 正弦波形，控制逆变器中的功率开关器件导通或断开，其输出端即获得一系列宽 度不等的矩形脉冲波形，而决定开关器件动作顺序和时间分配规律的控制方法即 称脉宽调制方法。在这里，通过改变矩形脉冲的宽度可以控制逆变器输出交流基 波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率，从而在逆变器上可同时 进行输出电压幅值与频率的控制，满足变频调速对电压与频率协调控制的要求。 其电路的主要特点是：主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构；逆变器在 调频的同时实现调压，加快了系统的动态响应；可获得比常规六拍阶梯波更好的 输出电压波形，能抑制或消除低次谐波，使负载电机可在近似正弦波的交变电压 下运行，转矩脉动小，大大扩展了拖动系统的调速范围，并提高了系统的性能”“。 驱动v j v 6 ( s p w m ) 图l _ 2 ( s p w m ) 逆变器控制电路原理图 这种控制系统简单、易行、可靠、价格低，适合经济型电动自行车使用。电 机转速、转矩的控制完全由驾驶者手动操作。在第三章将详细介绍脉宽调制的原 理及控制电路的硬件设计和软件设计。 1 2 2 高性能电动自行车的控制系统 在上述控制系统中，电动自行车在上坡、负载加重时，电动车的速度会减慢， 这种控制系统的静态和动态性能都不太理想。 改善调速系统动态性能的关键在于如何实现转矩控制。1 9 7 1 年德国学者 f b l a s c h k e 提出了矢量变换控制的原理，为高性能的交流传动控制奠定了理论基 础。这种原理的基本出发点是，考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性 湖北工业大学硕士学位论文 的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这 一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则 可以把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别 控制。这样，通过坐标变换重建的电机模型就可等效为一台直流电机，从而可像 直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制“。 在高性能的异步电机矢量控制系统中，转速的闭环控制环节一般是必不可少 的。通常，采用光电码盘等速度传感器来进行转速检测，并反馈转速信号。但是， 由于速度传感器的安装带来了成本高、体积大、可靠性降低，重量增加等缺点。 本文采用无速度传感器矢量控制技术，控制系统方框图如图卜3 所示“。该技术 利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度估算，以取代速度传感器， 达到简化系统、提高可靠性和降低成本的目的。 图卜3 无速度传感器矢量控制系统方框图 在无速度传感器矢量控制模式下，电动自行车可实现低速驱动、高起动转矩、 高转速精度、高加减速性能“。在第四章将详细介绍矢量控制的原理及无速度传 感器电压解耦矢量控制系统的设计。 湖北工业大学硕士学位论文 1 3 研究方法和技术路线 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章交流异步电动机变频调速系统 根据电机学理论，交流异步电动机的转速可由下式表示： n ：6 0 f ( 1 - s )( 2 1 ) p 式中：n 电动机转速： p 电动机磁极对数； f 电源频率： s 转差率： 由式( 2 一1 ) 可知，影响电动机转速的因素有：电动机的磁极对数p 、转差率 s 和电源频率f 。其中，改变电源频率来实现交流异步电动机调速的方法效果最理 想，这就是所谓的变频调速“。变频调速范围宽、平滑性好、效率最高、具有优 良的静态及动态特性。同时，在调速时转差功率不变，是应用最广的一种高性能 交流调速。 2 1 变频调速的基本方式 在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每级磁通量巾m 为额定值不变。 磁通太弱没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；若要增大磁通，又会使铁心饱 和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电机， 励磁系统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，保持中m 不变是很容易做到的。 在交流异步电机中，磁通是定子和转子磁势合成产生的，怎样才能保持磁通恒定 呢? 就需要认真研究了“”。 按电机理论，三相异步电机定子每相电动势的有效值是： e g = 4 4 4 f l n k 由m ( 2 2 ) 式中瞻气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为v ； f 1 定子频率，单位为h z ； 湖北工业大学硕士学位论文 n - 定子每相绕组串联匝数； 基波绕组系数； 中m 每极气隙磁通量，单位为w b 。 由式( 2 - - 2 ) 可知，只要控制好e g 和f 。，便可达到控制磁通巾m 的目的，对此， 需要考虑基频( 额定频率) 以下和基频以上两种情况“”“。在基频以下，为了维 持磁通不变，须按比例地同时控制电压和频率，低频时还应抬高电压以补偿定子 压降。在基频以上，由于电压无法再升高，只好仅提高频率而迫使磁通减弱。 2 1 1 基频以下调速 由式( 2 2 ) 可知，要保持m m 不变，当频率f j 从额定值f 。向下调节时，必 须同时降低e g ，使 孥= 常值( 2 - - 3 ) _ ，1 即采用恒定的电动势频率比的控制方式。 图2 1 恒压频比控制特性 然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽 略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压u 。e g ，则得 9 湖北工业大学硕士学位论文 ! = 常值( 2 4 ) ，1 这是恒压频比的控制方式。 低频时，u 。和风都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不再能忽略。 这时，可以人为地把电压u 。抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补 偿的恒压频比控制特性示于图2 1 中的b 线，无补偿的控制特性则为a 线。 2 1 2 基频以上调速 在基频以上调速时，频率可以从i 。往上增高，但电压u 却不能增加得比额 定电压u 。还要大，最多只能保持u = u 。由式( 2 2 ) 可知，这将迫使磁通与 频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。 把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得图2 2 所示的异步电动机变 频调速控制特性。如果电动机在不同转速下都具有额定电流，则电机都能在温升 允许条件下长期运行，这时转距基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频 以下，属于“匿转距调速”的性质，而在基频以上，基本上属于“恒功率调速”。 图2 2 异步电动机变频调速控制特性 湖北工业大学硕士学位论文 由于电动自行车需要频繁加减速，所以我们期望它主要是在基频以上调速， 即“恒功率调速”。当我们刹车时，电动机的负荷增加，转速降低。 2 2 交一直一交变频调速系统 对于一般的电机而言，必须同时改变电源的电压和频率，才能满足变频调速 的要求。现有的交流供电电源都是恒压恒频的。必须通过变频装置，以获得变压 变频的电源，这样的装置通称变压变频( v v v f ) 装置，其中v v v f 是英文v a r i a b l e v o l t a g e v a r i a b l e f r e q u e n c y 的缩写。最早的v v v f 装置是旋转变流机组，现在 已经几乎无例外地让位给应用电力电子技术的静止式变频装置。”。 变频调速系统可以分为交一直一交变频调速和交一交变频调速两大类。前者 常称为带直流环节的间接变频调速，后者则常称为直接变频调速。“”“。 在交一直一交变频调速系统中，首先将电网中的交流电整成直流电，再通过 逆变器将直流电逆变为频率可调的交流电。如图2 1 所示。前者目前主要采用晶 闸管整流器来完成：逆变器的作用与整流器的作用相反，一般包括逆变电路及换 流电路两部分。逆变电路又有单相与多相、零式与桥式之分。换流电路是保证当 前导通的一只晶闸管换为后一只晶闸管导通时，确保前者能可靠关断的装置。逆 变器与整流器的中间环节采用电容滤波，因此，电源阻抗很小，类似于电压源， 被称作电压型变频调速系统。 整逆 流变 器 u d；c d l 器 图2 1 电压型变频器 按照不同的控制方式，交一直一交变频调速又可分成以下三种： 1 、用可控整流器变压、用逆变器变频的交一直一交变频装置( 图2 2 ) 调压和调频分别在两个环节上进行， 两者都要在控制电路上协调配合。这种 装置结构简单，控制方便，但是，由于输入环节采用可控整流器，当电压和频率 调得较低时，电网端的功率因数较小；输出环节多用由晶闸管组成的三相六拍逆 湖北工业大学硕士学位论文 变器( 每周换流六次) ，输出的谐波较大。这就是这类变频装置的主要缺点。 5 0 h z 调压调频 图2 2 可控整流器变压、六拍逆变器变频 2 、用不控整流器整流，斩波器变压，逆变器变频的交一直一交变频装置( 图 2 - 3 ) 。 整流环节采用二极管不控整流器，再增设斩波器，用脉宽调压。这样虽然多 了一个环节，但输入功率因数高，克服了图2 2 装置的一个缺点。输出逆变环节 不变，仍有谐波较大的问题。 调压调频 图2 - 3 不控整流、斩波器变压、六拍逆变器变频 3 、用不控整流器整流、p w m 逆变器同时变压变频的交一直一交变频装置( 图 2 4 ) 。 用不控整流，则功率因数高：用p w m 逆变，则谐波可以减少。这样，图2 2 装置的两个缺点都解决了。谐波能够减少的程度取决与开关频率，而开关频率则 受器件开关时间的控制。如果仍采用普通晶闸管，开关频率比六拍逆变器也高不 了多少，只有采用可控关断的全控式器件后，开关频率才得以大大提高，输出波 形几乎可以得到非常逼真的正弦波，因而又称正弦波脉宽调制( s p w m ) 逆变器， 成为当前最有前途的一种结构形式。”。“。电动自行车就是采用的这种结构形式， 但是它使用的电源是直流电，所以没有整流环节。 湖北工业大学硕士学位论文 5 0 h z 调压调频 图2 - 4 不控整流、p w m 逆变器变压变频 2 3 功率m o s f e t 的原理及其驱动电路 2 3 1 功率m o s 场效应晶体管( 功率m o s f e t ) 功率m o s f e t ( 功率场效应管) 是7 0 年代中期才发展起来的新型电力电子器件。 同双极型晶体管相比，功率m o s f e t 具有开关速度快、损耗低、驱动电流小、无二 次击穿现象等优点。”。功率m o s f e t 是压控型器件，其门极控制信号是电压不是电 流。它有三个管脚：栅极( 又称门极) g 、源极s 、漏极d 。栅极g 相当于晶体管 的基极b ，源极s 相当于晶体管的发射极，漏极d 相当于晶体管的集电极。由于电 动自行车电机的功率较小，所以功率管选用价廉的m o s f e t 比较合适。 m o s f e t 有n 沟道型和p 沟道型两种。n 沟道型类似于n p n 型晶体管，栅源极 间加入正向电压时，器件导通：p 沟道型类似于p n p 型晶体管，栅漏极间加入反向 电压时，器件导通。n 沟道型和p 沟道型m o s f e t 的图形符号分别如图2 5 和图2 - 6 所示。 n m o s f e tdp - - m o s f e td g s 图2 - 5n 沟道m o s f e t 的图形符号 g s 图2 - 6p 沟道m o s f e t 的图形符号 湖北工业大学硕士学位论文 2 3 2 功率m o s f e t 的驱动电路 图2 7 所示为典型的t t l 驱动电路“。这种电路所需元件少，可用于要求不 高的功率m o s f e t ( 即v m l ) 驱动。这个电路的工作原理是：当晶体管v ，导通，v ： 关断，高电平的电源通过r 2 给v m l 的栅极充电，当栅源电压变成+ 1 5v 时而导通。 但晶体管v 。的基极输入低电平时，v 。关断，+ 5v 的电源加在晶体管v 2 的基一射极， v 2 流过瞬态栅极放电电流，v m l 的栅源电压变为低电平，功率m o s f e t 关断。这个 电路的缺点是必须通过r 。这个电阻充电，这就延长了功率m o s f e t 的开通时间，增 加了器件的开通损耗。 。u b d 图2 7t t l 驱动电路 2 4 三相逆变桥 2 4 1 三相逆变桥的构成 六只逆变开关管t 1 t 6 组成三相逆变桥，将直流电逆变成频率可调的矩形波 交流电。逆变管可以选择绝缘栅双极晶体管i g b t 、功率场效应管m o s f e t ”。 在一般的逆变开关管中，都自带一只续流二极管。续流二极管的作用是：当 逆变开关管由导通状态变为截止时，虽然电压突变降为零，但由于电动机线圈的 电感作用，储存在线圈中的电能开始释放，续流二极管提供通道，维持电流继续 湖北工业大学硕士学位论文 在线圈中流动。另外，当电动机制动时，续流二极管为再生电流提供通道，使其 回流到直流电源“。 偷 逅逅 一已 】 偷 延延 电 图2 - 8 三相逆变桥电路简图 三相逆变桥的电路图如图2 - 8 所示，图中r 、y 、b 为逆变桥的输出。图2 - 9 是各逆变管导通的时序，其中阴影部分表示逆变管导通。从图2 9 可以看出，每 一时刻总有3 只逆变管导通，另3 只逆变管关断：并且，t 1 与t 4 ，t 2 与t 5 ，t 3 与t 6 每对逆变管不能同时导通。 在t 时间段，t 1 ，t 3 ，t 5 这3 只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从r 到 y 和从b 到y ( 设从r 到y ，从y 到b ，从b 到r 为正方向，下同) ，得到线电压为 在t ：时间段，t 1 ，t 5 ，t 6 这3 只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从r 到 y 和从r 到b ，得到的线电压为u ”和一u e 湖北工业大学硕士学位论文 在t 。时间段，t l ，t 2 ，t 6 这3 只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从r 到 y 和从y 到b ，得到的线电压为一u 。和u ，。 在t 一时间段，t 2 ，t 4 ，t 6 这3 只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从y 到 r 和从y 到b ，得到的线电压为一u 。和u 。 在t 。时间段，t 2 ，t 3 ，t 4 这3 只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从y 到 r 和从b 到r ，得到的线电压为一u 。和u 。 在t 。时间段，t 3 ，t 4 ，t 5 这3 只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从b 到 r 和从b 到y ，得到的电压为u 。和一u ，。 t l t 三 t 二 t 一三 t ： t 【 l 7 图2 9 逆变管通断时序 线电压u 。，u 。u 。的波形见图2 1 0 。从图中可以看出，三者之间互差1 2 0 “ 它们的幅值是u 。 湖北工业大学硕士学位论文 u r y u 0 u u y b u 0 一u u b r u 0 一u l ll i ili 6 0 0 1 2 0 。1 b o 。2 4 0 。3 6 0 03 6 0 。i li ( a ) l 。厂 。 ，0 1 2 0 01 8 矿2 4 0 0 3 伫1 0 0 i ( b ) 。厂 。 一! ：! 型妒2 4 0 。s 0 0 0 。e 0 0 函 ( c ) 图2 一1 0 逆变输出线电压波形 因此，只要按图2 - 9 的规律控制6 只逆变管的导通和关断，就可以把直流电 逆变成矩形波三相交流电：而矩形波三相交流电的频率可在逆变时受到控制。 然而，矩形波不是正弦波，含有许多高次谐波成分，将使交流异步电动机产 生发热，力距下降，振动噪声等不利结果。为了使输出的波形接近正弦波，可采 用正弦脉宽调制波，有关这些内容将在下一章介绍。 湖北_ t - 业大学硕士学位论文 2 4 2 i r 2 1 3 0 驱动器在三相逆变桥中的应用 上一节介绍的t t l 驱动电路，只能驱动一只功率管。六只功率管就需要六路 t t l 驱动电路，且每路驱动电路都需要一个隔离的供电电源，这使得电路变得比较 复杂。能不能将这六路集成一只芯片呢? 美国国际整流器公司生产的专用驱动芯 片i r 2 1 3 0 啪3 只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6 个功率开关器件。 可以使整个驱动电路简单可靠。 l 、i r 2 1 3 0 驱动芯片的特点 i r 2 1 3 0 可用来驱动工作在母电压不高于6 0 0 v 的电路中的功率m o s 门器件，其 可输出的最大正向峰值驱动电流为2 5 0 m a ，而反向峰值驱动电流为5 0 0 m a 。它内部 设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，使用户可方便的用来保护被驱 动的m o s 门功率管，加之内部自举技术的巧妙运用使其可用于高压系统，它还可 对同一桥臂上下2 个功率器件的门极驱动信导产生2 , m 互锁延时时间。它自身工作 和电源电压的范围较宽( 3 2 0 v ) ，在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通 过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的3 个通道的高压侧 驱动器和低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3 个低压侧驱动器，并且 输入信号与t t l 及c o m s 电平兼容。 2 、i r 2 1 3 0 内部结构及其工作原理 i r 2 1 3 0 的内部结构如图2 - 1 l 所示，它的内部集成有1 个电流比较器c u r r e n t c o m p a r a t o r ，1 个电流放大器c u r r e n ta m p ，1 个自身工作电源欠压检测器 u n d e r v o l t a g ed e t e c t o r ，1 个故障处理单元f a u l tl o g i c 及1 个清除封锁逻辑单 元c l e a rl o g i c 。除上述外，它内部还集成有3 个输入信号处理器i n p u ts i g n a l g e n e r a t o r 两个脉冲处理和电平移位器p u l s eg e n e r a t o rl e v e ls h i f t e r ，3 个上 桥臂侧功率管驱动信号锁存器l a t c h ，3 个上桥臂侧功率管驱动信号与欠压检测器， u vd e t e c t o r 及6 个低输出阻抗m o s 功率管驱动器d r i v e r 和1 个或门电路。正 常工作时，输入的6 路驱动信号经输入信号处理器处理后变为6 路输出脉冲，驱 动下桥臂功率管的信号l l l 3 经输出驱动器功放后，直接送往被驱动功率器件。 湖北工业大学硕士学位论文 而驱动上桥臂功率管的信号h 1 h 3 先经集成于i r 2 1 3 0 内部的3 个脉冲处理器和 电平移位器中的自举电路进行电位变换， 变为3 路电位悬浮的驱动脉冲，再经对 应的三路输出锁存器锁存并经严格的驱动脉冲与否检验之后，送到输出驱动器进 行功放后才加到被驱动的功率管。一旦外电流发生过流或直通，即电流检测单元 送来的信号高于0 5 v 时，则i r 2 1 3 0 内部的电流比较器迅速翻转，促使故障逻辑 处理单元输出低电平，一则封锁3 路输入脉冲信号处理器的输出，使i r 2 1 3 0 的输 出全为低电平，保护功率管；另一方面，同时i r 2 1 3 0 的f a u l t 脚给出故障指示。 同样若发生i r 2 1 3 0 的工作电源欠压，则欠压检测器迅速翻转，也会进行类似动作。 发生故障后，i r 2 1 3 0 内的故障逻辑处理单元的输出将保持故障闭锁状态。直到故 障清除后，在信号输入端l i n i l i n 3 同时被输入高电平，才可以解除故障闭锁状 态。 图2 - i ii r 2 1 3 0 内部结构 1 9 湖北工业大学硕士学位论文 当i r 2 1 3 0 驱动上桥臂功率管的自举电源工作电压不足时，则该路的驱动信号 检测器迅速动作，封锁该路的输出，避免功率器件因驱动信号不足而损坏。当逆 变器同一桥臂上2 个功率器件的输入信号同时为高电平，则i r 2 1 3 0 输出的2 路门 极驱动信号全为低电平，从而可靠她避免桥臂直通现象发生。 3 、采用i r 2 1 3 0 的逆变器电路结构 采用i r 2 1 3 0 芯片驱动逆变器功率管时，其基本主电路结构不需要改变，仍可 用典型的三相电压型逆变器电路，为便于表示，图2 1 2 画出了i r 2 1 3 0 驱动其中1 个桥臂的电路示意图，图中c l 是自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储 能量，d l 的作用防止上桥臂导通时的直流电压母线电压到i r 2 1 3 0 的电源上而使器 件损坏，因此d 1 应有足够的反向耐压，当然由于d l 与c 1 串联，为了满足主电路 功率管开关频率的要求，d 1 应选快速恢复二极管。r l 和r 2 是i g b t 的门极驱动电 阻，一般可采用1 0 到几十欧。r 3 和r 4 组成过流检测电路，其中r 3 是过流取样电 阻，r 4 是作为分压用的可调电阻。i r 2 1 3 0 的h i n l h i n 3 、l i n l l i n 3 作为功率 管的输入驱动信号与单片机连接，由单片机控制产生p w m 控制信号的输入，f a u l t 与单片机外部中断引脚连接，由单片机中断程序来处理故障。 接鲍投 湖北工业大学硕士学位论文 其容量取决于被驱动功率器件的开关频率、占空比以及充电回路电阻，必须 保证电容充电到足够的电压，而放电时其两端电压不低于欠压保护动作值，当被 驱动的开关频率大于5 k h z 时，该电容值应不小于0 1 uf ，且以瓷片电容为好”。 采用i r 2 1 3 0 器件实现单芯片单电源供电的三相逆变器的驱动，只要合理地选 择浮充电容，驱动电路工作十分可靠，电动自行车采用i r 2 1 3 0 作为驱动芯片，不 仅使电路结构简单，成本降低，可靠性提高，而且可以可靠地实现短路、过流、 欠压和过压等故障保护，有效的提高了电动自行车的调速性能a 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章变频变压控制法( v v v f ) 异步电动机变频调速的特殊之处在于：在单纯调节频率的情况下，调节行为 是在输入侧进行的，但其结果却是；输出功率减小了( 频率下调时) ，而输入功 率则不变。这就必然在传递能量的之间环节上形成能量的“堆积”磁通增加、 磁路饱和。所以在变频的同时也要变压，这就是变频变压法，常用v v v f 表示【坨】。 3 1 脉宽调制控制技术 在一般的交一直一交变频调速系统中，为了获得变频调速所要求的电压频率 协调控制，整流器必须是可控的，调速时须同时控制整流器和逆变器。但电动自 行车的交一直部分是直流电源，不可控。 1 9 6 4 年，德国的a s e h o n u n g 等率先提出了脉宽调制变频的思想，他们把通讯 系统中的调制技术推广应用于交流变频。用这种技术构成的p l f f d 变频器基本上解 决了常规六拍阶梯波变频器中存在的问题，为近代交流调速系统开辟了新的发展 领域。 脉