感应电机直接转矩控制系统硬件电路设计毕业设计说明书.docx

中北大学2013届毕业设计说明书毕业设计说明书感应电动机直接转矩控制硬件电路设计信息与通信工程学院学生姓名： 学号： 学 院： 电气工程及其自动化 专 业： 指导教师： 毕 业 设 计 任 务 书1毕业论文课题的任务和要求： 直接转矩控制变频调速技术是近十几年来继矢量控制变频调速技术之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术，它以结构简单、静动态性能好、鲁棒性强、易于实现等优点得到重视。基于DSP的感应电机直接转矩控制技术的应用与产品化，是目前交流变频调速市场的强烈需求。本课题要求学生搭建基于TMS320F2808的感应电机直接转矩控制系统硬件平台，根据系统的参数整定计算结果及系统性能要求，进行元器件的选择，完成主电路、控制电路的硬件设计。2毕业设计课题的具体工作内容（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：1.查阅相关资料，了解三相异步电动机直接转矩控制的发展现现状；2.学习三相异步电动机的结构和工作原理；3.建立三相异步电动机的数学模型；4.学习三相异步电动机的直接转矩控制原理；5.设计直接转矩控制系统的主电路；6. 设计直接转矩控制系统的控制电路；7.阅读并翻译相应的英文资料。毕 业 设 计 任 务 书3对毕业设计课题成果的要求包括毕业设计、图纸、实物样品等)：1、 毕业设计说明书。2、 不少于3000字的相关英文技术资料翻译。4毕业设计课题工作进度计划：起 迄 日 期工 作 内 容2013年1月20日 3 月29日3 月20日 4月15 日4月16日 5月10日5月11日6月1日6月2日 6 月 15 日6月16日 6月20日查相关资料，熟悉工作，写开题报告。学习三相异步电动机的直接转矩控制原理并建立控制系统的数学模型。设计系统的主电路和控制电路。完成系统的主电路和控制电路的制作。整理资料，撰写论文。论文答辩。学生所在系审查意见：系主任： 年 月 日 毕业设计中期报告学校设计题目感应电机直接转矩控制系统硬件电路设计本人在该设计中具体应完成的工作搭建基于TMS320F2808的感应电机直接转矩控制系统硬件平台，根据系统的参数整定计算结果及系统性能要求，进行元器件的选择，完成主电路、控制电路的硬件设计。1、 简述毕业设计开始以来所做的具体工作和取得的进展（要详细内容）1.查阅了相关资料，了解三相异步电动机直接转矩控制的背景和发展现状,学习了三 相异步电动机的结构和工作原理；2.学习了三相异步电动机的直接转矩控制原理及与矢量控制的区别；3.构建了直接转矩控制系统的总框架：对部分模块电路进行了设计：整流电路采用三相整流桥实现交-直流变换，熟悉了其工作原理；逆变电路采用智能功率模块IPM，因其把功率开关器件和驱动电路集成在一起内部还有故障检测电路，所以IPM选型按照IGBT的参数进行选取。对其电压电流等级进行了计算，选取了合适参数的器件，由6个IGBT构成三相桥式逆变电路；完成了中间直流电路的设计，由滤波电路、泵升电压限制电路和启动电路构成。2、 目前存在问题，下一步的主要研究任务，具体设想与安排（要详细内容）存在的问题：整流电路中整流器件的选取，相应的及其压敏电阻参数的设置及选型下一步任务：1、完成控制电路中DSP电源设计，电压、电流、转速检测电路设计以及光耦隔离电路设计 2、完成器件参数设置及选型 3、整合各模块电路，搭建PCB总电路图 4、最后完成总电路的硬件制作3、 指导教师对该学生前期研究工作的评价（是否同意继续研究工作） 指导教师亲笔签字： 年 月 日备注：1、本表由学生填写，指导教师亲笔签署意见。2、以上各项句间距可以根据实际内容需要调整。感应电机直接转矩控制系统硬件电路设计摘要近十几年来,直接转矩控制变频调速技术是继矢量控制变频调速技术之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术，它以结构简单、静动态性能好、鲁棒性强、易于实现等优点得到重视。基于DSP的感应电机直接转矩控制技术的应用与产品化，是目前交流变频调速市场的强烈需求。 本文在第一部分阐述了交流调速技术的发展现状和直接转矩控制的概况；第二部分介绍了DSP数字处理器，具体为TMS320F2808芯片，对其做了相应阐述，并搭建了其外围电路；第三部分对主体电路进行了搭建，包含整流、中间直流、逆变、PWM信号隔离、故障信号隔离、电流检测、电压检测、转速检测电路以及欠压、过压、失压保护电路。在protel软件中对各模块电路进行了集连并成功绘制出PCB板图关键词：直接转矩控制；整流；逆变；检测电路； PCB板图Induction motor direct torque control system hardware circuit designAbstractIn recent ten years, direct torque control variable frequency speed regulation technology is developed after vector control variable frequency speed regulation technology is a new type of high performance of ac variable frequency speed control technology, it with simple structure, good static and dynamic performance, strong robustness, easy to implement, etc. Induction motor direct torque control based on DSP technology application and transition, is currently the ac frequency conversion speed regulating the market strong demand. This article in the first part elaborated the development present situation of the ac (alternating current) technique and direct torque control of the situation; The second part introduces the DSP digital processors, specific for TMS320F2808 chip, to do the corresponding elaboration, and the peripheral circuit is set up; The third part of main circuit structures, contains the dc inverter, PWM rectifier, middle fault signal isolation, signal isolation, current detection and voltage detection, speed detection circuit and undervoltage, overvoltage, loss of pressure protection circuit. On the every module circuit in the protel software set and managed to map out the PCB boardKeywords: Direct torque control; Rectification; Inverter; Detection circuit; PCB figure 目 录1 引言11.1交流调速技术的发展背景及现状11.2交流调速技术的基础11.3直接转矩控制技术概况 21.3.1直接转矩控制的提出31.3.2直接转矩控制的发展现状31.3.3直接转矩控制的基本思想与特点42 DSP控制板设计52.1 DSP芯片概述52.1.1 TMS320F2808芯片的主要性能62.1.2 事件管理器模块概述72.1.3模数转换模块72.2 DSP控制板设计82.2.1 DSP电源设计82.2.2晶振电路设计92.2.3手动复位电路设计93 主体电路设计103.1主电路设计103.1.1 整流电路113.1.2 中间直流电路133.1.3 逆变电路183.2控制电路设计183.2.1 PWM信号隔离电路193.2.2 故障信号隔离电路203.2.3 电流检测电路213.2.4 电压检测电路233.2.5 转速检测电路243.2.6 欠压、过压、失压保护电路264. 软件设计274.1主程序274.2中断服务子程序274.3数据采集子程序284.4故障中断子程序295 理论上的调试方案及结果分析305.1刻画问题的特征305.2假设并检测315.3解决并验证316 结论32附录A 电路原理图33附录B PCB图35附录C 模拟实物图35附录D 元器件表37参考文献39致谢401 引言1.1 交流调速技术的发展背景及现状 长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛应用于工程过程中，直流电动机在额定转速一下运行时，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速，在额定转速以上运行时，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此，20世纪80年代以前，在变速传动领域中，直流调速一直占据主动地位。交流变频调速的优越性早在20世纪20年代被人们所认识，但受当时电力电子器件而未能广泛应用2。在20世纪上半叶，由于直流电机电磁转矩和电枢电流呈线性关系，励磁磁通和转矩能够独立控制，转矩响应速度快，调速性能优越，很容易得到理想的速度和位置输出，在高性能拖动调速系统中一直占据主导地位。但是直流电机在结构上存在机械换向器和电刷，使它存在换向火花和电磁干扰等固有缺点，造成电机最高转速、单机容量和最高电压都受到了一定的限制。与直流电机相比，交流电机特别是鼠笼型异步电机具有结构简单、制造成本低、运行可靠、坚固耐用、维护方便和可工作于恶劣环境等特点，广泛的应用于约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统中。由于早期的研究没有很好的方法解决交流调速系统高性能控制问题，使其性能始终无法与直流调速系统相匹敌。从电力拖动的发展过程来看，交流直流两大调速系统一直并存于各个工业领域，虽然由于各个时期科学技术的发展使得他们所处的地位有所不同，但他们始终是随着工业技术的发展，特别是随着电力电子器件的发展而在互相竞争。随着电力电子器件，单片机的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。交流调速是电力电子学的一项重要内容。它是80年代新兴的一门边缘学科,其特点是以电力半导体元器件为核心,交叉于电力、电子、信息与控制等多种学科领域。随着电力电子学、微电子学及自动控制学的发展, 近代交流调速拖动有了飞跃的逃展。由于交流调速拖动克服了直流机的缺点( 结构复杂、应用环境受限、维护困难等),发挥了交流机本身固有的优点( 结构简单、坚固耐用、经济可靠、G D Z 小动态响应性好等) ,并且很好地解决了交流机的调速性能问题。现在完全可以这样说,交流电机调速性能可和直流机一样好,它既兼有了直流调速的优点,又在某些方面( 如改善系统功率因数)优于直流调速。交流调速拖动与直流拖动正处于相媲美、相竞争、相抗衡的时代,前者并有取代后者的趋势。日本1975年在调速领域中,直流占80%,交流20%;到了1985年,交流则占80%,直流只20%。日本有人预言,直流机的寿命在日本还有十年时间,就是说十年后直流机将被交流机所取代。当然在中国也许有20年、30年或更长一些时间,但总的发展趋势已成定局。上海宝钢出国考察的结论是交流主传动单机性能指标优于直流的,国外钢铁界认为连轧机中交流调速优于直流调速。人们已开始转变过去的只有直流调速性能好的旧观念，在对交、直流两大拖动系统重新进行评价1。1.2 交流调速技术的基础 电力半导体器件的模块化、智能化，大功率电子器件、低成本微处理器和现代控制技术理论的发展，以及市场对交流传动需求的增加，都大大促进了交流调速技术的飞速发展3。1.3 直接转矩控制技术概况1.3.1 直接转矩控制技术的提出直接转矩控制系统简称DTC(Direct Torque Control)是在20世纪80年代中期继矢量控制技术之后发展起来的一种高性能异步电动机变频调速系统。1977年美国学者A.B.Plunkett在IEEE杂志上首先提出了直接转矩控制理论，1985年由德国鲁尔大学Depenbrock教授和日本Tankahashi分别取得了直接转矩控制在应用上的成功，接着在1987年又把直接转矩控制推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制，直接转矩控制具有鲁棒性强、转矩动态响应速度快、控制结构简单等优点，它在很大程度上解决了矢量控制中结构复杂、计算量大、对参数变化敏感等问题4。 传统的直接转矩控制技术的主要问题是低速时转矩脉动大。为了降低或消除低速时的转矩脉动，提高转速、转矩控制精度，扩大直接转矩控制系统的调速范围，近些年来提出了许多新型的直接转矩控制系统。虽然这些新型直接转矩控制技术在不同程度上改善了调速系统的低速性能，但是其低速性能还是不能达到矢量控制的水平。最近出现了一种间接转矩控制技术，受到了很多学者关注。间接转矩控制技术具有优良的低速性能，另外由于其独特的控制思想可以降低逆变器的开关频率，从而特别适用于大容量调速场合5。1.3.2 发展现状（1）在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点6。（2）长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于国民经济各部门。因此，20世纪80年代以前，直流调速一直在调速领域中占据主导地位。近些年来, 随着新型自关断电力电子器件、智能功率集成电路的问世，现代控制理论的发展和计算机技术的应用，变频技术日新月异，新的控制策略不断涌现，使得现代交流调速技术得到迅猛发展。交流电动机调速系统不但具有同直流电动机一样的性能，而且成本和维护费用比直流电动机系统更低，可靠性更高。目前，国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势，而交流变频调速装置的生产大幅度上升，交流调速已经进入了逐步取代直流调速的时代7。在德国，直接转矩控制技术已经成功应用于兆瓦级的电力机车牵引上。日本研制成功的1.5kw直接转矩控制变频调速装置，其转矩响应频率高达2kHz，冲击转矩可瞬时达到额定转矩的20倍，使电机从500500转/分的反转时间只有4ms。在电气传动领域中，这几项指标均居目前世界最高记录。当前，德国、日本、美国等都竞相发展该项技术，今后的发展趋势是采用第四代电力电子器件及数字化控制元件，向工业生产应用推出全数字化最优直接转矩控制的异步电机变频调速装置8。 我国已经把直接转矩控制技术成功地应用到大功率电力机车牵引上，并取得了良好的效果，然而我国对这项技术的研究与开发工作较晚，技术基础比较薄弱，与世界先进水平还有很大的差距，特别在产业化方面，差距更大。国内的变频器市场基本上被国外的产品所占领，对于高性能的交流调速系统，国内也还基本上不具备批量生产的能力。目前，国内一些研究单位正在进行开发高性能的交流调速系统方面的工作，并积极与国外同行进行交流合作，通过各种途径来促进国内交流调速技术水平的迅速提高。我国机械制造等行业的飞速发展，为直接转矩控制技术提供了广阔应用空间。因此，在消化和吸收国际上所取得的先进成果基础上，研究具有自主知识产权的直接转矩控制技术，是我们当前的主要任务 。1.3.3 直接转矩控制的基本思想与特点（1）.直接转矩控制是在定子坐标系中分析交流电机的数学模型，实现了对磁链和转矩的自调整控制。这种方法不需要将交流电机与直流电机做比较、等效、转化处理，从而省掉了矢量旋转变换的复杂的变换和计算。因此，它所需要的信号处理工作特别简单，所用的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的判断。其基本思想是:用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系(a-B)下采用定子磁场定向的方法，用交流电机定子侧参数计算出定子磁链和转矩，借助于离散的两点式调节(Bang一Bang控制)产生PWM信号，直接对逆变的开关状态进行最优控制，在维持磁链幅值不变的情况下，通过调整定子磁链在空间的旋转速度以控制转矩和转矩增长率，进而控制交流电机的转速。直接转矩控制采取开关状态表查询方式确定开关状态，使控制系统结构简单，易于实现全数字化，这是一种很有前途的控制方法。但是研一研控制引起了电流和转矩的脉动，使直接转矩控制系统低速性能差，调速范围受到限制9。（2）.直接转矩控制将逆变器和交流电机作为一个整体进行控制，逆变器的所有开关状态的变化都以交流电机的电磁过程为基础，将交流电机的转矩控制和磁链控制有机地统一。和矢量控制技术不同，它摒弃了解祸的思想，且不需要复杂的坐标变换，改估计转子磁链为估计定子磁链，由于定子磁链的估计只牵涉到定子电阻，因此对电机参数的依赖性大大减弱了。因此，与矢量控制相比，直接转矩控制具有转矩响应快，控制结构简单等优点，而且具有最佳开关频率和最小开关损耗，直接转矩控制是一种具有高静动态性能的交流电机调速的新方法.因此，直接转矩控制具有如下几个主要特点:1.直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型、控制其定子磁链和转矩。它既不需要将交流电机与直流电机作比较、等效、转化，也不需要为解祸而简化交流电机的数学模型，省掉了矢量旋转变化等复杂的计算与变换，使得信号处理工作十分简单，使观察者对交流电机的物理过程能够作出直接和明确的判断。2.直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就能观测出定子磁链，因此直接转矩控制技术大大减弱了转子侧参数变化对控制性能的影响。3. 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析交流电机的数学模型并控制各物理量，使问题分析变得十分简单明了。4.直接转矩控制强调的是转矩的直接控制和效果。它包含有两层意思:(l)直接控制转矩;(2)对转矩的直接控制。(l)直接控制转矩:与矢量控制方法不同，直接转矩控制方法不是通过电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，直接控制转矩，它并非极力获得最理想的正弦电流波形，也不专门强调磁链的圆形轨迹，相反从控制的角度出发，强调的是转矩的直接控制效果，因而它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。(2)对转矩的直接控制:直接转矩控制技术对转矩实行直接控制。其控制方式是:通过转矩两点式调节器直接把转矩检测值与转矩给定值作滞环比较，把转矩波动控制在一定的容差范围内，它的控制效果不取决于电机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况10。2 DSP控制板设计2.1 DSP芯片概述 在TI公司推出的三大DSP平台中，最佳的控制平台为TMS320C2000平台。在以往的控制系统研发中，大多数研发人员选择的控制器为TMS320LF2407或TMS320F2812，其中TMS320LF2407是面向16位DSP的控制器，时钟频率最大为40MHz，而TMS320F2812是面向32位DSP的控制器，时钟频率最大为150MHz。相对来说，TMS320C28x系列DSP具有精度高、速度快、集成度高的优点，成为目前控制领域最高性能的处理器。在TMS320C28x中，C280x是在C281x基础上发展而来，在内核和大部分功能上兼容。本设计选用TMS320F2808 DSP作为控制器而不选择TMS320C28x同系列其他产品的依据主要如下：1）、281x系列DSP根据其工作频率的不同，要求的内核电压有所不同。当281x处理器工作在150MHz时，内核电压为1.9V；工作在135MHz以下时，要求内核电压为1.8V。而C280x系列DSP在所有工作频率下，内核电压都要求为1.8V，最高工作频率为100MHz，这已满足变压变频控制系统所需的频率要求。280x和281x的I/O电压都是3.3V。此外，280x系列处理器对内核和I/O电源上电次序要求有所降低，281x系列处理器要求3.3V必须限于1.8V（1.9V）的内核上电，而280x处理器对于上电次序没有特定的要求。 2）、TI公司推出的280x系列处理器在281x基础上裁减了多通道缓冲串口（McBSP）、外部存储其扩展接口（XINTF）、事件管理器（EV），增加了ePWM、eCAP和eQEP，取代281x从240x基础上发展来的事件管理器，同时还增加了I2C总线，改进了ADC模块、代码加密模块及其他的GPIO模块功能。280x新增的ePWM、eCAP、和eQEP为数字电机控制系统设计提供了更多的方便11。 图2.1 TMS320F2808芯片引脚图2.1.1 TMS320F2808芯片的主要性能 CPU采用T320CZXLP核。 100MHz的时钟频率。 18K字节的双访问片内程序/数据内存(RAM)，128K字节片内程序Flash EEPROM空间，64K字节的片外SRAM内存。 两个12位的A/D转换模块，共有16路A/D输入。 3个32-bit的CPU-Timer定时器。 两个事件管理模块(EVA，EVB)，每个事件管理模块带有3个全比较单元。一个e CAN总线模块，一个多路缓冲串行模块，2个SCI串行通讯模块，一个串行外设接口模块SPI。 12个CPU中断组，每组含8个中断12。2.1.2 事件管理器模块概述TMS320F2808芯片与281x系列区别如下:表2.2 2808与281x系列区别 项目 2808ePWM 281xEV-A，EV-B PWM12个独立，16-bit+4个独立 （eCAP在APWM模式） 10个独立，16-bit高精度PWM控制 4个EPWMxA通道输出 No 比较 2个时间基准 1个时间基准 时间同步 Yes No 相位控制 Yes No 死区设置 10-bit独立的下降沿延时控 制，独立的上升延沿时控制 7-bit下降沿延时=上升沿延时 断路器 Yes No 输出控制 6个可以控制任何一个PWM 处于高、低或高阻态 6个硬件连接强制PWM高阻 中断 6个带预触发功能 24个没有预触发模式2.1.3 模数转换模块 ADC是一个带有内部采样-保持电路的12-比特的变换器，ADC模块包括两个带有内置采样一保持电路的12位ADC。F2808总共有16个模拟通道。每8个通过一个八选一的模拟多路转换器提供给一个ADC。(1) ADC模块包括以下功能:.* 每个ADC模块有8个模拟输入，共有16个模拟输入。.* 用两个ADC单元对两个模拟输入同时测量。.* 可实现单个转换或连续转换。.* 转换可由软件、内部事件或外部事件启动。.* 灵活的中断控制允许在每一个或每隔一个序列的结束时产生中断请求。.* 2级深度数字结果寄存器，用于保存完整的转换结果。.* 可编程的预定标选择。.* 中断或者查询操作。(2) ADC模块用途:通过将电压或电流传感器检测到的电压或电流的模拟量直接转换为数字量，用于参与后续处理或运算13。2.2 DSP控制板设计2.2.1 DSP电源设计通常情况下，DSP芯片内部内核和外部I/O模块采用独立的供电结构，如果在上电或掉电过程中两个电压供电起点和上升速度不同，就会在独立的结构（内核和I/O模块）之间产生电流，从而影响系统初始化状态，甚至影响系统寿命。尽管TMS320F2808对上电次序要求不高，但为了提高控制系统的稳定性和延长器件的使用寿命，设计时需考虑上电和掉电次序的问题。TMS320F2808的供电电源电路图如图2.1所示。本设计选用TI公司生产TPS70151为TMS320F2808处理器供电。TPS70151是一款双路LDO的集成电路稳压器，具有上电次序控制和上电复位功能，输出为500mA/3.3V和250mA/1.8V14。 图2.2 DSP电源设计2.2.2 晶振电路设计晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。图2.3 晶振电路2.2.3 手动复位电路设计手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。手动按钮复位的电路如所示。 图2.4 手动复位电路3 主体电路设计 基于TMS320F2808异步电机直接转矩控制系统结构图如图3.1所示。为使控制系统结构简单，工作可靠，维护方便，本系统采用模块化结构设计方案。以TI公司生产的TMS320F2808芯片为控制核心的异步电机直接转矩控制系统，主要由主电路、控制电路和保护电路等部分组成。所设计系统参数如下：容量为1500W，输入为单相交流220V/50Hz。整流电路异步电机逆变电路光电编码盘霍尔传感器光耦隔离故障信号电压检测电路PDPINT PWM1-6 CAP DSP TMS320F2808CAP A/D A/ A/D采样调理电路 图 3.1 系统总体结构框图 系统主电路采用典型的交-直-交电压型变频结构，整流环节采用单相桥式不可控整流电路；逆变电路采用智能功率模块(IPM)；直流中间电路主要元器件是大容量的电解电容。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中还包括泵升电压限制电路、启动电路以及其他辅助电路。系统的控制电路主要包括控制核心TMS320F2808、DSP供电电源、时钟电路、JTAG接口、EEPROM存储器、电流电压检测电路、转速检测电路、PWM信号隔离电路、串行通讯接口电路、保护电路、手动操作模式电路、显示和键盘接口、各种辅助电源以及其他的接口和电路等部分。保护电路主要实现过压、欠压、短路、IPM模块控制电源欠压等保护功能，其中短路、IPM模块控制电源欠压等保护由IPM模块的故障检测电路实现，过压、欠压保护由专门的保护电路实现15。3.1 主电路设计主电路采用交-直-交变压变频结构，由整流电路、中间直流电路和逆变电路构成。图3.2主电路结构图3.1.1 整流电路整流电路采用三相桥式不可控整流电路。它的主要作用是对工频交流电进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。下面通过系统的参数整定计算选择整流桥堆。整流二极管的选型一般根据它的额定电压和额定电流选取。考虑到整流二极管的过电压能力，在选用整流二极管时，额定电压要留有一定安全裕量，一般取其额定电压为正常工作时整流二极管所承受峰值电压的23倍。则它的额定电压为：UTN=23Um=232202V622933V (3.1) 式中，UTN为整流二极管的额定电压（V）；Um为整流二极管在电路中可能承受的最大正向或反向电压峰值（V）。Um一般取整流二极管在电路中实际承受的最大正向峰值电压与最大反向峰值电压中较大的那一个，这里取2202V。设计中整流二极管的额定电压选取值为800V。整流二极管的额定电流一般由它的通态平均电流 IT(AV)标称。通态平均电流是按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应来定义的。因此在使用时，同样应按照实际波形的电流与通态平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取二极管的通态平均电流16。所设计的控制系统的额定电流IIN由控制系统的容量决定，即：IIN=PINUIN=1500/220A6.82A (3.2)式中，IIN为控制系统的额定电流（A）；PIN为控制系统的输出额定功率（W）；UIN为系统输入的额定电压（V）。在未加滤波电容前，无论是那种整流电路中的整流二极管均有半周期处于导通状态，即二极管的导通角等于。加滤波电容后，每只二极管只有在电容充电时才导通，而且RC越大，导通角越小。由于电容滤波后，输出平均电流增大，而二极管的导通角反而减少，所以整流二极管在短暂的时间内将流过一个很大的冲击电流为电容充电。考虑到整流二极管的过载能力，在选取它的额定电流时，应留一定的安全裕量。一般取其通态平均电流为按上述有效值等效原则所得计算结果的1.52倍。因此整流二极管的额定电流为：IT(AV)=1.52IIN1.57=1.526.821.57A=6.528.69A (3.3)式中，IT(AV)为整流二极管的额定电流（A）。取整流二极管的额定电流为8A。因此，选取整流二极管参数为8A/800V的整流桥堆。此外，为防止电网电压的突变损坏控制系统，应在整流电路的输入端并联一个压敏电阻。压敏电阻以氧化锌为主要成份所构成的一种金属氧化物半导体非线性电阻元件，它对电压较敏感。压敏电阻具有良好的非线特性、残压水平低、通流量大、动作快和无续流等特点。压敏电阻器的电压与电流不遵守欧姆定律，而成特殊的非线性关系。当它两端所加电压低于标称额定电压值时，压敏电阻器的电阻值将接近无穷大，内部几乎无电流流过；当它两端所加电压略高于标称额定电压值时，压敏电阻器将迅速击穿导通，并由高阻状态变为低阻状态，工作电流也急剧增大；当它两端所加电压低于标称额定电压值时，压敏电阻器又恢复为高阻状态；当两端所加电压超过最大限制电压值时，压敏电阻器将完全击穿损坏，再无法自行恢复。压敏电阻的选用，一般根据标称压敏电压V1mA和通流容量两个参数选取。压敏电压V1mA，即阈值电压或击穿电压，是指在规定电流下的电压值，大多数情况下用1mA直流电流通入压敏电阻器时测得的电压值。V1mA=1.5Vp2.2VAC，其中，Vp为电路额定电压的峰值。VAC为额定交流电压的有效值。通流容量，即最大脉冲电流的峰值在环境温度为25情况下，对于规定的冲击电流波形和规定的冲击电流次数而言，压敏电压的变化不超过10时的最大脉冲电流值。在许多情况下，实际发生的通流量是很难精确计算的，则选用120KA的产品。由于控制系统的的额定电压为220V，压敏电阻的压敏电压V1mA=1.5Vp=1.52220V=476V，V1mA=2.2VAC=2.2220V=484V，设计中的压敏电阻的击穿电压可选在470480V之间。本设计选取的压敏电阻的型号为14D511K，通流容量为4500A，压敏电压V1mA为510V1718。3.1.2 直流中间电路的设计本设计的直流中间电路主要由滤波电路、泵升电压限制电路和启动电路组成。（1）滤波电路 滤波电路采用铝电解电容滤波，它的主要功能有三点：一是滤除二极管整流器输出电压的纹波；二是电机属于感性负载，为直流电源和逆变器负载之间的无功功率提供缓冲；三是当负载变化时，使直流电保持平稳。滤波电容器的选型一般按额定电压和容量选取。考虑到电网电压的波动范围为220V10%，滤波电容器的耐压值应大于1.1*220 2V。因此选择额定电压为400V的电解电容器或选择两只额定电压为200V（也可以是250V）的电解电容器串联使用。 为限制整流滤波输出电压纹波，正确选择滤波电容器电容量是非常重要的。通常在设计时根据负载的情况选择电容值，使RC(3-5)T/2，其中T为交流电源的周期。 为了计算方便，通常对于输出功率为INP的逆变器，将其直流侧输入端阻抗用一个纯电阻R等效，即：R=UN2PN=(2202)/150064.53 (3.4)则选择的电容的容量为：C=352010-3264.53F465775uF (3.5)滤波电容值理论上越大越好，考虑到体积和价格，本设计可选取容量为220 uF、耐压为400V的四只铝电解电容并联使用19。 图3.3 滤波电路（2）泵升电压限制电路的设计在由变频器、异步电动机和机械负载所组成的变频调速传动系统中，当电动机减速或者所拖动的位能负载下放时，电动机将处于再生发电制动状态。传动系统中所储存的机械能经异步电动机转换成电能，通过逆变桥的功率器件回馈到直流侧，这些能量一般储存在变频器储能元件中，而储能元件一般不消耗能量，这样就会造成能量积累。若不及时将这些能量释放，将会导致直流侧电压升高，升高的这部分电压称为泵升电压。在电压型变频器中，滤波环节采用电容，一般情况下，电容电压不会突变，但当制动过程中直流侧电流向电容充电会使电容电压升高，此时的逆变桥处于回馈状态。在通用型逆变器中，网侧整流器为不可控二极管，若不采取另外的措施，这部分能量就不能及时释放，从而会导致中间回路电力电容器上电压上升。如果电动机的减速并不太快，电容器上电压的升高不十分明显，一旦电动机恢复到电动状态，这部分能量将重新被负载所利用。但当电动机减速过程较快时，电容器上的电压升高很快，在这种情况下，如不采取保护措施，就有可能损坏逆变器中的大功率器件或储能元件20。处理泵升电压能量的方法通常有两种：(1)采用电阻能耗放电电路；(2)由晶闸管构成半可控有源逆变电路，通过能量回馈电路使之回馈到交流电网中。第一种方法电阻耗功大，电阻容易发热，但电路简单，易于实现。第二种方法能够实现能量的回馈，起到节能的效果。但由于晶闸管只能控制其开通，不能控制其关断，为防止有源逆变颠覆，晶闸管必须留有充分的换流角裕度，故该电路的最小逆变角一般不小于30度，由此而带来如电压的利用率下降、形成脉动环流、谐波含量大、功率因数低及工作可靠性不高等问题。本文中采用电阻能耗放电电路方法来处理泵升电压对系统的影响。泵升电压限制电路图如图3.4所示，P、N分别与直流母线两端相连，VDC为直流母线检测电压，VCC为参考电压。当直流母线电压VDC超过规定的泵升电压允许数值时，VTpar导通，接入分流电路，把回馈能量的一部分消耗在分流电阻Rpar中21。图3.4泵升电压限制电路（3）启动电路的设计为了防止系统的开通冲击电流，一般在直流中间电路中串入开通限流电阻，当滤波电容的电压上升到一定值后，用继电器将限流电阻短路掉，限流电阻不会影响系统的正常运行。继电器的型号根据直流母线通过的额定电流和自身的驱动电压选择，设计中选取的继电器型号为JQX-118F；限流电阻由直流母线通过的额定电流值选取，设计中选取的限流电阻型号为5W/200。此外，为了防止电网或逆变器等产生的尖峰电压对整流电路的冲击，在直流侧并联一个可吸收高频电压的聚酯乙烯无感电容C1，其大小根据变频器的容量而定，一般变频器容量小于7.5KW时取0.1 F，11-22KW时取0.22 F，大于30KW时取0.47 F。本设计根据容量选取的聚酯乙烯无感电容为0.1 F22。 图3.5启动电路 图中R20下接DSP的F2808的GPIO34引脚，系统上电后R20给低电平，则Q1的C引脚处于低电平，驱动主电路上的继电器工作，完成系统的启动。3.1.3 逆变电路逆变部分采用智能功率模块IPM（Intelligent power module），IPM由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。它把功率开关器件（IGBT）和驱动电路集成在一起，内部还有欠压、过载、短路等故障检测电路，即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏。IPM一般使用IGBT作为功率开关元件，所以它的选型一般按照IGBT的参数进行选取。（1）IGBT的电压等级的选择。选择IGBT与选择整流二极管的最大不同是，整流二极管的输入端直接与电网相连，易受外界干扰，特别是雷电干扰，因此安全系数要大。IGBT位于逆变桥上，输入端常与滤波电容相连，起到缓冲电压波动和干扰的作用，因此电压安全系数不必很大。 经过整流滤波后的直流电压Ud可由下式求出：Ud=2UimKV=22201.11.1V377V (3.6)式中，Uim为输入端的交流电网线电压（V）；K为电源干扰因子，可选K=1.1；V为电压安全系数，选V=1.当直流电压升高到一定值时，应进行过电压保护，取过电压保护动作值为直流电压的1.15倍；同时考虑到IGBT关断时的电压尖峰脉冲为150V，则IGBT关断时承受的峰值电压UCESP=1.15Ud+150=1.15377+150V=584V (3.7)所以，选择额定电压为600V的管子便可满足实际要求。（2）IGBT的电流等级的选择。变频器的容量为1.5KW，流过功率管的最大电流为流过直流母线的电流，即：Id=15002220=4.82A (3.8)而选择的IGBT电流IC应满足：IC=2IdKII=24.821.51.5A=15.34A (3.9)式中，2Id为变流器输出交流线电流的峰值（A）；KI为变流器的设计过载能力，一般取KI=1.5；I为电流安全系数，选I=1.5。本设计采用的智能功率模块是Cyntec公司的IM13400，该模块内部封装了6个IGBT，组成三相全控桥式逆变电路23。 图3.6 逆变电路3.2控制电路设计控制电路是整个控制系统的核心部分。控制电路的优劣决定了整个控制系统性能的优劣。控制电路的主要作用是将检测电路得到的电流、电压和转速信号送至运算电路，完成直接转矩控制算法，为控制系统主电路提供PWM基极驱动信号，并对整个控制系统以及异步电动机提供必要的保护措施。此外，控制电路还通过A/D、D/A等外部接口电路，接收和发送多种形式的外部信号和给出系统内部工作状态，以便使整个控制系统能够和外部设备配合进行各种高性能的控制。3.2.1 PWM信号隔离电路本设计的PWM信号选用TMS320F2808的EPWMxA单元输出，DSP与IPM模块之间存在电压信号隔离问题。PWM信号隔离电路图如下所示，采用SN74LVCC4245A来完成，它的逻辑关系前面已经介绍过。这里的DIR接地，信号的传输方向为从B到A，UP、VP、WP、UN、VN、WN分别与IPM模块的PWM信号输入引脚相连，U+、V+、W+、U+、V+、W+分别与DSP的EPWM1A、EPWM1B、EPWM2A、EPWM2B、EPWM3A、EPWM3B引脚连接24。 图3.7 PWM信号隔离电路3.2.2 故障信号隔离电路IPM模块的FO端子用来输出故障信号，其信号为低电平有效，即当输出低电平时，表示模块出与故障状态（下桥臂发生短路或欠压）。IPM故障信号隔离电路如图3.8所示，在主回路中配置母线电流检测用旁路电阻，当系统发生故障时，FO就会发出低电平脉冲信号，通过光耦隔离后送入DSP的GPIO13引脚，实现系统保护。图3.8故障信号隔离电路3.2.3 电流检测电路本设计电机两相线电流的检测采用的两个电流传感器，选取闭环霍尔电流传感器其型号为TBC-05SY，测量电流范围15A，额定输入电流为5A，额定输出电压为40.5%V，线性度0.1%FS，零电流失调20mV。本设计的电流检测电路及限幅保护电路如图3.9，将霍尔元件检测到的电压信号经运算放大器进行放大后，再经过跟随器的隔离与缓冲，将信号通过TMS320F2808的ADCINA2和ADCINA3引脚送至A/D转换器。图3.9 电流检测电路3.2.4 电压检测电路一般定子电压检测需要使用两个霍尔电压传感器，电路设计比较复杂，所以本设计改为检测直流母线电压，定子绕组电压则根据逆变器开关状态与直流母线电压计算得到。本设计选用型号为HCPL-788J隔离放大器光耦进行直流母线电压检测，电压检测电路如图所示，可以通过调节电阻R4、R6之间的关系来改变输出电压V-TEST的范围。与电压霍尔传感器相比，隔离放大器光耦相对价格便宜，电路设计结构简单，不仅具有电压信号