（电力电子与电力传动专业论文）能循内馈式串级调速系统的研发.pdf

t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h e i n t e r - f e e d i n g c h o p p e rc a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e m y uw e i j i e ( p o w e re l c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o r z h a n gj i a s h e n g a b s t r a c t e l e c t r i cd r i v ea c c o u n tf o ral a r g ep r o p o r t i o ni nd a i l yl i f ea n di n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ， e s p e c i a l l yt h ec o n s u m p t i o no ff a n sa n dp u m p sa c c o u n t e df o ras i g n i f i c a n tp r o p o r t i o no f e n e r g yc o n s u m p t i o n t h e r e f o r e ，t h ep r o b l e mo fe n e r g y - e f f i c i e n tf o rf a n sa n dp u m p si so n eo f t h em a i ni s s u e si nt o d a y si n d u s t r i a lp r o d u c t i o n a sas t r i n go fh i g h l ye f f i c i e n ta n d e n e r g y - - s a v i n gs p e e d c o n t r o ls y s t e mc h o p p e rw i t h i nt h ef e e d - s p e e dc o n t r o ls y s t e mc h a n g e st h e s p e e dd e v i c ef r o mt h es t a t o rt ot h er o t o r , n o to n l ya v o i d st h eh i g h v o l t a g e ，b u ta l s or e d u c e st h e c a p a c i t yo ft h es p e e d i n gd e v i c e s c h o p p e rw i t h i nt h ef e e d s p e e dc o n t r o ls y s t e mi sm o r eb e t t e r t h a nf r e q u e n c yc o n v e r t e ri nt h ef a n ，p u m pe t c d u et ot h es h o r t c o m i n go ft h el o wp o w e rf a c t o r , f i m t l yt h i sp a p e ri n t r o d u c e si nd e t a i l e dt h e p r i n c i p l eo ft h et r a d i t i o n a lc a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e m ，t h e nu s e sc h o p p e ri n t e r n a lf e e d b a c k c a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e ma n ds m a l li n e r t i ao ft h ec u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o lm e t h o d st ob e h i 曲l yi m p r o v e dt h es y s t e m t h es i m u l i n kt o o l si nm a t l a bi su s e dt ob u i l dt h es y s t e m m o d e la n db u i l to u tt h es u b m o d u l e s t h ep a r a m e t e r so fe a c hm o d u l ea r ed e s i g n e da n d c a l c u l a t e d ，o b t a i n e dg o o ds i m u l a t i o nw a v e f o r m sb yi t ss i m u l a t i o na n a l y s i sb ec a r r i e do u t t h ec o n t r o lc h i pt m s 3 2 0 f 2 812p r o d u c e db yt ii ss e l e c t e dt od e s i g na n dm a k et h e h a r d w a r ec o n t r o lc i r c u i tp a n e l i tc o n t a i n sl e v e l s h i f t i n gc i r c u i t s ，d r i v ea n dp r o t e c t i o nc i r c u i t s a n de t c b a s e do nt h eh a r d w a r e ，u s i n gf u n c t i o nb l o c kp r o g r a m m i n gi d e a s ，id e s i g na n dw r i t e t h ec o n t r o ls o f t w a r e b ym a n yo fd e b u g g i n ga n de x p e r i m e n t s ，t h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e sr u n r e l i a b l y t h ec o n t r o lp r o g r a ms i g n i f i c a n t l yi m p r o v e st h ep o w e rf a c t o ra n dt h eh a r m o n i c d i s t o r t i o n ，a tt h es a n l et i m et h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nm o r ee c o n o m i c a l k e yw o r d s ：t h ec h o p p e ri n t e r n a lf e e d b a c kc a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e m ；p o w e r f a c t o r ；m a t l a b ；t m s 3 2 0 f 2 812 i i 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：7 加年二月占日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 主i 匡盘 指导教师签名： 秀口f 啦 日期：劢i 口年彩月日 日期：) m 年6 月多e l 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的研究背景及意义 2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代，随着电力电子学、电子技术的发展、大规模集成电路以 及计算机控制技术的发展，为交流电力传动创造了有利条件，为交流控制和调速提供了 更多的保障。近几年虽然电源点建设及电网改造也在同步进行中，由于经济发展与人口 增长使得电力的需求一直在不断增加，缺电现象在全国范围内仍然有不同程度的发生。 交流拖动负荷在各国的总用电量中都占有很大比重，据统计，世界上电动机消耗的发电 量占全球的6 0 左右，在我国，各种电动机的装机容量已远远超过4 亿多千瓦，其中可 变负载占到大约有5 0 ，交流电动机调速占到3 0 。在目前4 亿多千瓦的电动机负载中， 异步电动机约占9 0 ，风机、水泵类机械及压缩机的电动机装机容量约1 3 亿千瓦。在 我国石化、电力、冶金、矿山及给排水等国民经济领域中，风机、水泵类负载是应用最 广泛，数量众多，分布面极广，耗电量巨大的一类生产机械。感应电动机在实际运行中 的工况是不断变化的，但感应电动机的额定转速基本不会发生变化，因此对于感应电动 机的设计，总是按系统的最大运行工况进行设计【l 】。在实际运行过程中，感应电机在大 部分时间里都不是最大负荷工况，因此造成了大量的能源浪费，同时也不利于系统的安 全稳定运行。风机和泵类负载的耗电量占到整个工业用电量的4 0 以上，由于没有解决 异步电动机的调速问题，风机调风量通过调挡板，压力大部分降在挡板、阀门上，大量 的电能白白浪费，运行效率低，造成了电能的巨大浪费，与经济运行标准还有相当大的 差距，如果将风机水泵类生产机械由原来的恒速调挡板、阀门改为变频调速那么将节省 3 0 - - 4 0 的电能，如果对这类负荷实现节能，可以获得十分可观的节电效益，其节能效 益潜力巨大，而且能够改善机组的运行工况。除此以外，由于可调速驱动系统具有软启 动功能，在风机、水泵启动过程中，可以避免由于电动机直接启动而引起对电网的冲击 和机械冲击，从而可以防止一系列事故的发生，提高了电机运行的可靠性【2 1 。因此交流 拖动存在着很大的可以挖掘的节电能力，交流调速技术对能源的节约已经引起人们的高 度重视。 目前国内外都十分重视研究开发交流电机调速技术，在许多发达国家中，交流调速 已经取代很多直流调速，直流电动机的一些缺点，比如换相困难、维修不便等都可以得 到避免。由于交流调速技术具有优良的调速性能，还可带来节约能源、减少维修费用， 节约占地面积等优点，所以变频器的应用在全国越来越广泛，尤其在大容量或工作于恶 第1 章绪论 劣环境时，交流调速比直流电机拖动更具有优越性，所以，交流变频调速技术的应用有 着广阔的前景。 1 2 斩波内馈式串极调速系统的发展概况 交流异步电动机调速方法从节能角度分析可分为如图1 - 1 所示的几类。而目前对风 机和泵类的交流调速方案很多，通常可分为两种调速方案：变频调速和改变转子转差功 率调速1 3 1 。 (? lf 电磁滑差( 低效) i 轴连机械调速手段1 l力耦合( 低效f 变极调速 常用调速方法弋r 高效节能型f 定子侧t 变频调速 b 调速手叫卢捌鬻纛 li 低消耗能型 l 【- 转子侧串电阻调速 图1 - 1 调速方法分类图 f i g l - 1c a t e g o r ym a po fs p e e dc o n t r o lm e t h o d 在图1 - 1 中列出的变频调速技术作为- - 1 7 涉及电机电器、电力电子技术、电力工程、 微电子技术、计算机控制、自动控制等多门学科的新兴的高科技综合技术，机电渗透， 强弱电结合，应用很广泛。其原理是在电机电源端与电机的定子之间加入一个可改变电 机供电电源频率的变流装置，将通常工频交流电源变为频率可调的交流电源( 要同时调 压) 。变流装置中的主电路采用快速全控器件，例如i g b t 、g t o 、p m o s f e t 等；控 制系统向数字化、计算机控制发展，利用1 6 位或者3 2 位的单片机、微机完成快速实时 的复杂运算处理，例如8 0 c 1 9 6 m c 、t m s 3 2 0 c 2 4 0 ( d s p ) 等；控制性能体现在控制方 法上，运用了现代控制理论及控制方法，能实现良好的静动态性能【4 】。 三相异步电机定子旋转磁场的速度称为同步转速，电机转子及其拖动的泵、风机在 额定负载下的转速，略低于同步转速，称为额定转速。而旋转磁场转速( 以下称同步转 速) 取决于供电电源频率和电机极数，由于电机的极数是确定的，所以同步转速取决于 电源频率。在额定负载下，电机转子的额定转速也取决于电源频率。串级调速是改变转 子转差功率的一种结构简单、难度较小的系统，对大容量的风机和泵类负载，它的调速 范围小，系统容量小，成本低，而且串级调速系统装置具有安全、可靠性高的优点。即 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 使出现故障，异步电机可以完全脱离调速装置进入全速运行状态。我国在矿井、水泵、 风机等领域，大量的采用了串级调速装置【5 j 。串级调速装置可以分内反馈和外反馈两大 类，大中型调速设备普遍采用外反馈串级调速装置，它是将转子转差功率经过整流和逆 变装置，然后经反馈变压器将多余的电能反馈给电网。该技术的优点是可无级平滑调速， 总效率较高；缺点是调速范围不大，需要增设起动电阻和电容补偿，功率因数低，低速 时更低。9 0 年代以后，随着矿井规模的扩大，集装箱吨位的增长，城市容量的提升，大 功率大容量电机有了进一步发展空间，研究电机调速的方案也越来越多，其中斩波内馈 调速是我国首创的新型交流调速技术，经过1 0 余年的不断研发和实践，无论在原理和 技术方面都取得了长足的进步和发展，较好地解决了串级调速存在的问题和缺点。斩波 内馈串级调速系统与传统串级调速系统具有相似的工作原理，调速范围可达2 ：1 ，效率 高；由于增设了调节绕组，在调速系统中取消了逆变变压器，使系统的体积缩小，造价 更低，而且如果对调节绕组采取了补偿，可使得系统在调速时的功率因数更耐6 】。由于 整个变流系统均在转子侧，对于6 k v 、i o k v 高压系统，电机转子侧电压大约在1 k v 左右。因此，对于高压大容量的场合，该调速方式具有突出的优越性。 1 3 课题所做的工作 针对传统串级调速系统的一些缺点，本课题通过对内馈式斩波串级调速原理 的分析，采用了四象限变流器的思想对变流器进行实验。在控制系统设计章节里， 首先详细介绍了整个系统的主电路结构和工作原理，讨论了对于变流器的几种电流控制 方法并进行了分析比较。系统中需要用到的硬件电路也给予了介绍：如d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制器电路、交流电流信号和交、直流电压的采样调理电路、i g b t 驱动 电路、硬件看门狗电路等，最后整体分析了系统硬件控制原理框图。在控制系统软件设 计章节里，阐述了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的控制系统软件实现原理，主要包括系统硬件的 保护程序、信号检测程序、电压空间矢量波形生成和输出程序，中断控制程序等。传统 串级调速系统存在一个突出的缺点就是系统功率因数较低，高速满载运行时总功率因数 约为0 6 左右，低速时可降到o 4 以下( 对于调速范围为2 ：l 的系统) 。随着对谐波污染认 识的加深，当前制造和设计电力电子装置考虑的关键问题就是提高系统功率因数和减少 装置产生的谐波污染。据此，本论文主要进行以下几个方面的工作： 1 ) 叙述斩波内馈式串级调速系统的原理，在分析传统串级调速原理及其系统结构 的基础上，对影响该系统功率因数的主要因素进行分析。 3 第l 章绪论 2 ) 在分析传统串级调速原理及其系统结构的基础上，详细分析影响串级调速 系统高功率因数实验的主要因素。提出了用三相电压型i g b t 变流器代替晶闸管逆 变器的新型斩波式串级调速系统并建立该系统的等效电路，对其功率因数和谐波进行 分析，利用p w m 变流器四象限运行的特点，使其工作在容性负载下，来补偿异步 电动机所吸收的无功功率，以此提高系统的功率因数。针对改变p w m 变流器直流 侧电压使得转速变化的特点，提出了小惯性电流跟踪控制方法。提高了系统的鲁 棒性，减小了超调时间，提高了抗干扰能力，改善了调节性能。 3 ) 对硬件和软件综合调试，利用m a t l a b 平台下的s i m u l i n k 对斩波内馈式串级调速 系统进行建模分析，包括对主电路和控制方法中的参数进行计算和设计，对得出的波形 进行分析，得出仿真验证结果。 4 ) 以使逆变侧工作在超前功率因数状态，用逆变器吸收超前电流去补偿异步电动 机吸收的滞后磁化电流为主要目的，搭建斩波式内馈串级调速实验系统，包括对主电路 参数及控制系统中参数的设计，最后给出相关的实验结果。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章斩波内馈式串极调速系统的工作原理和控制方法 2 1串级调速的工作原理 节约电能是目前普遍关注的问题，如何能够提高转差功率影响整个系统的效率，所 以对异步电机调速是节约电能的有效途径之一。众所周知，异步电机必然存在着转差功 率，而要提高系统的效率，不仅需要在最大程度上减小转差功率，也需要考虑能如何利 用它。对于绕线式异步电机，以往都是在绕线式异步电机转子回路串电阻，使很大一部 分的电能都消耗在电阻中，而串极调速系统是转子回路与交流电网或其它含电动势的电 路相连接，使其可以进行电功率的相互传递。 如前所述，在异步电机转子侧串入一个可变频、可变幅度的电压，就可以起到调速 的目的【刀。所以想到的是在转子侧引入一个可控交流附加电动势e a d d ，如图2 1 所示， 控制这个交流附加电动势的频率，使其能与转子电动势频率相同，并与转子电动势同相 串接，就可以调节异步电机的转速。 图2 - 1 绕线转子异步电机转子附加电动势的原理图 f i 9 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fa d d i t i o n a lv o l t a g eo fr o t o r 在基速以下调节时，相电流表达式有： 一! ! 堡 坠 一届i 瓦 ( 2 1 ) 式中 e 旷绕线转子异步电动机在转子不动时的相电动势，也就是转子额定相电压值。 x 旷畸l 时的转子绕组每相漏抗。 r 广转子绕组每相电阻。 e a d r 交流附加电动势。 由于输入到定子的三相电压恒定，所以气隙磁通保持不变，这时电动机的电磁转矩 5 第2 章斩波内馈式串极调速系统的工作原理和控制方法 为： t = m kc o s q 2 ( 2 - 2 ) c 旷- 转矩常数。 吒气隙主磁通。 仍转子电流相位角。 。 将式( 2 一1 ) 和c o s ( 0 2 = 耳母2 + q 2 t 0 2 代入式( 2 - 2 ) 中： t = c 0 m r r ( s l e r o e 厶) ( r ，2 + s 1 2 墨0 2 ) ( 2 3 ) 由上式和图2 2 可知电动机引入等效反相电动势时电机转速变化过程【8 1 ，当e a d d 增 大时，i r n 将减小，由于气隙磁通不变，则电动机的电磁转矩t 将减小，如果此时电机 的电磁转矩小于负载转矩，则电动机将减速，这时s , g r o 就要增大，i r n 也相应的增大， 电磁转矩将随之增大，直至与负载转矩达到一个新的平衡。反之同样如此，这个平衡状 态是在新的低转速下的平衡。由于轴上带有反抗性负载，电机做电动运行，转差率为 0 0 ，则b = 1 ，否则b = 0 ； 若3 u 二+ u 0 - 一h c i1 nr i 拦lclr罟隐d2cext b彳t b 以一 l ld 3 1 2 3 乱r + v c 善c 割r e x t c e x t + 卜亡= h 尺3l 图3 - 57 4 l s l 2 3 硬件看门狗电路 f i 9 3 - 5 t h ew a t c h d o gh a r d w a r ec i r c u i tf o r7 4 l s l 2 3 3 5 0 c + 第3 章控制系统硬件设计 3 3 2 直流电压检测电路设计 将采样反馈的直流电压与给定的直流电压进行比较，差值作为电压调节器的输入， 电压调节器的输出为电流给定峰值，所以直流电压信号是产生s v p w m 波形必不可少的 一个参数，直流电压信号大小的改变将会改变主电路输出交流电压的幅值。所以在测量 过程中要求信号一定要精准，采用1 0 m a 2 5 m a 的霍尔电压传感器，具有良好的线性度 和精度，低飘移，响应时间短，频带宽，原边被测电流与副边输出电流电气隔离。其电 路连接图如3 - 6 所示。 其中“+ 册”、“一册”为原边端子，“+ 胛”端串入电阻r l 以后，两个端子分别接 输入端的正极和负极，将直流电压转换为电流信号。右边的3 个端子分别为“+ ”端、“一” 端分别接正负1 2 v 直流电源；“m ”端为副边电流信号输出端，串联电阻可以将电流信 号转换为电压信号，接入控制板的a d 输入端口。 + v n 尺 i 卜一 + h t + i n r m 厂 - h t m 了，。，l + - v n = 图3 - 6 直流电压检测电路 f i 9 3 - 6d e t e c t i n gc i r c u i tm a p f o rd cv o l t a g e 3 3 3 交流电流检测电路设计 逆变器输出端的相电流作为反馈电流经过抬升滤波输入到d s p 的a d 模块，因此对 交流电流的检测和调理是设计的重点，本设计使用穿心式电流互感器，输出端为电压信 号，直接输入到l m 3 5 8 ，交流电流检测调理电路如下图所示： 图3 - 7 交流电流检测调理电路 f i 9 3 - 7 t h ed e t e c t i n ga n dc o n d i t i o n i n gc i r c u i tf o ra cc u r r e n t 穿心式电流互感器原边可承受5 a 的电流，副边输出最高的电压为5 v ，所以采用在 副边分压然后放大调理再进行抬升，将电流互感器串在需要检测电流的相电压线路上即 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 可。只需要两个电流互感器检测a 相和c 相电流，b 相电流可由前两相算出。 在本实验中，由于加上闭环控制后，导致电流波动比较大，因此在设计硬件电路时 要给电流一个充足的变化范围，并且不能超过输入到d s p 的电压限制，电流检测信号 经穿心式电流互感器输出后通过一个一级反相放大调理电路，可以调节电流幅值，然后 接入电压抬升电路，这时的电流与实际电流是反相的，所以在编程时要对采集的电流信 号取反，这样做的好处一是简化了检测电路设计，二是避免降低了精度，其好处显而易 见。 对穿心式电流互感器的输出信号进行抬升的目的在于：控制器d s p 2 8 1 2 的a d 转换 模块接i = 1 只能接受o 一3 3 v 的电压信号，所以要对电压信号进行抬升，以期得到交流信 号的正负值数据。 3 3 4 交流电压检测电路设计 由双闭环控制框图可知需要逆变器输出端的实时三相电压检测值，所以首先要将电 网电压经过3 8 0 w 1 5 v 交流电压变压器降为1 5 伏的交流电压，然后经过电阻分压和电压 抬升电路，再经简单的l m 3 5 8 调理电路输入到2 8 1 2 控制板的a d 转换输入口。交流检 测电压电路如图3 8 所示： 3 3 矿 图3 - 8 交流电压检测设计电路 f i 9 3 8d e t e c t i n gd e s i g nc i r c u rf o ra cv o r a g e 由上图可知，采样得到的电网a b 和b c 线电压信号在副边经分压后再进行抬升，由 于交流电压波动不大且为己知，所以信号采集以后直接将其接入控制板a d 转换采集口， a c 线电压实际值可在程序中计算得出。 ， 3 i 5 s v 摊测蝴设计蒜卜邕常 通常在观测p w m 管脚输出的波形时，对 丰o 2 2 u f 于输出脉宽调制波的波形显示不直观，所以通上 常是在p w m 管脚输出端接上r c 一阶滤波电图3 - 9r c 滤波电路 路，r c 滤波电路硬件设计图如图3 - 9 所示，滤f i 9 3 - 9r cf i l t e rc i r c u i t 3 7 第3 章控制系统硬件设计 波电路的作用是将高频载波分量给滤除掉，在选择r c 的器件大小时，将器件大小调整 为i p2 k ，c = 0 2 2 u f 由于外界对信号的干扰等，经过滤波电路以后在示波器上显示的 波形毕竟是实际的波形，不如仿真得到的波形逼真，具体的波形会在波形分析中可以看 到。 3 5i g b t 驱动与保护电路设计 本小节着重介绍本系统所设计的驱动电路以及功率i g b t 对驱动和保护电路的要 求。i g b t 驱动电路是将控制电路产生的p w m 信号加以隔离放大，形成驱动各开关器 件开关动作信号的电路。为此对于驱动电路要求提供适当的正反向电压，使i g b t 能可 靠地开通和关断。正偏电压不宜过高，否则当负载短路时其电流会随着正偏电压增大而 增大，所以选1 5 伏为好。反偏电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使i g b t 误导通， 一般选5 伏为宜。在i g b t 保护电路设计中，由于会出现集射极间电压变化率d v d t 过 高的情况，这时i g b t 可能会发生误动作，导致系统出问题，甚至i g b t 可能被击穿。 对此设计的关断缓冲电路如图3 - 9 所示： 驱动电路也应具有较强的抗干扰能力以及对i b g t 的保护功能。i g b t 的控制驱动和保护电路等应与其高 关速开特性相匹配，另外，在未采取适当的防静电措施 情况下，g - e 端不能开路。栅射电压、栅极电阻心 以及栅射电阻如这三个参数是功率i g b t 的主要参数 r s 。在栅极驱动电压阿上的脉冲的上升率和下降率要足 图3 - 1 0i g b t 缓冲电路 够大，其开通关断时间要尽量缩短，并使开通关断损耗f i 9 3 1 0 t h ei g b tb u f f e rc i r c u i t 降到最低，栅极正偏电压在i g b t 导通后应有足够的幅度，以使i g b t 能够适应短时过 载，这样的好处是能够避免管子退出饱和区从而导致损坏【4 3 1 。 m 5 7 9 6 2 l 是一个用来驱动i g b t 模块的厚膜集成电路，这个集成电路对于i g b t 功 率器件起到了隔离放大的作用，并且内部有光电耦合器，在输入和输出之间提供给定的 电气隔离。内部具有封闭性短路保护功能的过流保护电路和过流保护输出端子，提高了 可靠性与安全性。其输入接口与t t l 信号兼容，可与多种控制器相结合使用。m 5 7 9 6 2 l 还是一种高速驱动电路，可以驱动6 0 0 v 4 0 0 v 级i g b t 模块。如图3 1 1 可见其内部结 构： 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图3 1 1m 5 7 9 6 2 l 内部结构 f i g3 1 1 t h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo fm 5 7 9 6 2 l 在m 5 7 9 6 2 l 的外部接线图3 1 1 中，控制器输出的p w m 信号经过7 4 h c 2 4 5 缓冲电 路后进入m 5 7 9 6 2 l 驱动电路，7 4 h c 2 4 5 芯片为双向总线收发器，可以起到对信号的缓 冲和电平转换作用，提高带负载能力。7 4 h c 2 4 5 具有使能端，当系统出现故障时，使能 端变为低电平有效，切断了p w m 波形输出，经过1 3 脚和1 4 脚进入驱动电路中使得 m 5 7 9 6 2 l 中的光耦接通和关断，为了保护器件，一般在两个管脚之间串接一个电阻，典 型值为3 3 k 。m 5 7 9 6 2 l 内部具有检测电路，在1 管脚接一个快恢复二极管，阴极接集电 极，正常情况下，开关管饱和导通时，1 脚电位为低，当电流过大时，集电极的电位升 高，导通压降增大，使得1 脚电位抬高，m 5 7 9 6 2 l 内部的检测电路将信号接入接口控制 电路，使其输出迅速关断。在8 管脚接光耦，当发生异常时，光耦导通将信号传递给控 制器，使其迅速的切断输出p w m 信号。 图3 1 2m 5 7 9 6 2 l 的外部接线图 f i 9 3 - 1 2t h ee x t e r n a lc o n n e c t i o no fm 5 7 9 6 2 3 9 第3 章控制系统硬件设计 3 6 键盘及显示单元 对于已往的键盘与显示是分开设计的，在这里对其进行了优化设计，其中键盘和显 示面板如图3 1 3 所示，使得键盘与显示单元集成在一张电路板上，提高了系统的美观 性、易用性、可靠性，对人机接口也提供了一个很好的使用平台，在运行过程中各种参 数都能直观的显示出来，对于系统的操纵更加人性化。面板上总共有七个按键，分别为： s t o p - 停机按键；r e s e t - 复位按键；r u n 启动按键；o k 确认按键；八数值加按键； v 数值减按键：) ) 功能按键。 图3 1 3 键盘与显示面板 f i 9 3 - 1 3t h ek e y b o a r da n dd i s p l a yp a n e l 五位数码管显示器可以显示系统当下处于何种状态，在对按键八和v 的操作下，可 以显示出的菜单功能有系统运行方式、给定直流电压值、故障显示，有些功能如果需要 改变参数可以通过按键操作来实现。 + 5 v i o p f 0 i o p f 3 i o p f 2 v d d a v s s r x h m c l 4 4 8 9 d a t a i n c l o c k e n a b l e b a n k 5 b a n k l 8 k8 ) c8x8x8 囤 图3 1 4 多功能显示驱动器m c l 4 4 8 9 设计电路 f i 9 3 1 4 t h ed e s i g n e dc i r c u i tb a s e do nm u l t i f u n c t i o nd r i v e rm c l 4 4 8 9 系统在上电运行时，可以通过键盘操作来启动系统，这时系统处于运行状态，也 可以选择停机、频率升降设定、复位模式对系统进行操作。五位数码管显示器主要用来 显示系统当前的频率值，该部分通过l e d ( l o we m i t t i n gd i o d e ，发光二极管) 模块和 4 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 芯片m c l 4 4 8 9 的配合电路来实现；各键盘按钮与d s p 2 8 1 2 的各输入输出接口相连接， 实现了相应的功能。 在串行显示中，采用了m c l 4 4 8 9 多功能l e d 显示驱动器。m c l 4 4 8 9 是一种很灵 活的发光二极管驱动器，可以对单个l e d 或者2 0 个l e d 进行控制。它的内部集成了 数据寄存、时钟电路、译码和扫描电路，通过串行口就可直接与控制器进行通信来驱动 显示电路。m c l 4 4 8 9 的外部电路简单，只需要一个辅助元件电流设置电阻即可控制每 一段的输出电流。 m c l 4 4 8 9 与控制器的通信可以采用控制器专有的s p i 标准的串行端口，也可以利用 串行口与控制器通信。这种接口方式占用控制器的端口资源少，只需要三个端口就可以 满足需求，也不需要外加任何电路来协调控制器工作，使用非常灵活。更新显示寄存器 的显示内容值需要传送3 个字节的信息，配置寄存器的内容更新也只需要一个字符的内 容，实时性很高，非常方便。 在控制5 个共阴极发光二极管时，m c l 4 4 8 9 可以直接驱动，当使能端为低电平时， 使能m c l 4 4 8 9 串行接口可以输入串行数据。当输入的为单字节数据( 即8 位) 时，将 被送往配置寄存器中，单字节数据中的配置包括了对显示模式的配置，5 个l e d 的显示 可设置为数字或者字母，是否为低功耗显示或者正常模式；如果输入的为多字节数据( 即 2 4 为) ，则被送往显示寄存器，2 4 位数据中的头四位依然是配置数据，控制各个l e d 的小数点的亮灭和l e d 显示的亮暗程度。 4 1 第4 章控制系统软件设计 第4 章控制系统软件设计 软件部分的编写是整个系统的灵魂，决定着控制器乃至整个系统的稳定性和可靠 性，本章节将详细介绍软件设计方面的一些思想。因为是对t id s p 2 8 1 2 控制部件进行 编程，编程过程中为了提高程序运行的速度，采用了c 语言进行编程。在d s p 中，模 块化的设计更能发挥其极高的运行效率，系统软件的可读性和可移植性也能得到提高。 在程序实际的运行过程中，会发现程序涉及到大量的数据运算，如果每一个外设模块都 开启会增加控制器的负担，降低运行效率，造成资源浪费，也会使控制器发热，不符合 其低功耗的标准。另外t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是3 2 位定点d s p ，为了控制系统的实时性和系统 硬件的速度要求，在程序编写中要尽量避免同时处理大量的小数和整数，所以在编写过 程中采用了q 格式对程序中出现的小数进行处理【删。下面对q 格式进行简要的介绍： q 格式也称为q 表示法，由于定点d s p 不能直接处理小数，所以假如对于o o l s 的时间变量t 来说，对其进行处理有以下几种方法： 1 ) 把变量t 定义为浮点类型，因为定点处理器和浮点处理器的界定在c 语言的编 写过程中已经被“抹平”了，在c 语言程序的运行过程中会自动调用函数来处理浮点数的 运算。浮点数类型的精度很高，但是运算速度慢，一个简单的浮点加法也需要很多的汇 编指令去执行。 2 ) 把变量t 定义为整型类型，也就是将其放大若干倍来表示小数。比如将时间变量 t o 0 1 s 放大1 0 0 倍，但是这种做法存在着很大的缺陷，牵扯到一个很重要的方面就是溢 出问题，所以对于程序员来说这不是一个很可取很巧妙的方法。 3 ) 采用定标法来表示小数，其中类型定义仍未整型变量。 定标法本身很好理解，就是假定小数点位于哪一位以此来确定小数的精度。那么就 用到了q 格式来对小数进行定标，如图4 1 所示，图中的q o 是假定小数点位于第0 位 的右侧，而q 1 5 是假定小数点位于第1 5 位的右侧。 q 。5 1 5 1 4 1 3 工1 2 工1 工11 0 9 8 二7 6 5 工4 工3 工 2 1 0q 5 工工工 二 工工工 l l t4 - 1q o 和q 1 5 图示 f i 9 4 - 1p a r a g r a p ho fq o a n dq 1 5 和浮点数的换算如下式： 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 浮点数x f 转换为定点数x q 时： x q = ( i n t ) ( x f 2 0 ) ( 4 1 ) 定点数x o 转换为浮点数x f 时： x f = ( n o a t ) ( x q 宰2 - q ) ( 4 2 ) 在程序中使用的是q 1 5 格式，对于小数的处理很容易，t i 例程中的q 格式数学库 q m a t h 1 i b ，使得程序中对于除法的运算变的比较容易，程序运行过程中由于使用了q 格 式，程序运算速度快很多。 4 1s v p w m 算法控制子程序设计 电压空间矢量波形的生成是整个程序的核心部分，考虑到q 格式能够提高程序的运 行速度，在d s p 2 8 1 2 生成s v p w m 波形过程中采用了q 格式，由于在程序中对直流电 压需要用到除法，而d s p 2 8 1 2 中的数据都为整数，用除法以后会使小数丢失，所以使 用q 格式，可以将小数保存下来，这样就使得对于s v p w m 程序中对直流电压的处理 显的简单明了。现简要的介绍一下电压空间矢量波形生成的基本思想【4 5 1 。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的事件管理器为输出三相p w m 波形提供了很好的硬件保证，所以可以很方便的生成 s v p w m 波形。通用定时器3 提供p w m 信号实时调制的三相载波。 首先将、和t p w m 四个信号输入到s v p w m 模块中，然后需要判断位于 哪个扇区： 假设a 、b 、c 为自然数； 如果u 疗 o ，那么a = i ；否则a = 0 ； 如果3 一 o ，那么b = 1 ；否则b = o ； 如果一3 一u 0 o ，那么c = 1 ；否贝i jc = o ； 扇区号为a + 2 b “c 。 中间变量可以由、和t p w m 算出，可以得出： x = 塑丝兰圣型 u d 】，：( 盟+ 马血、 22 7 u j z ：( 盟一丝) x 血 、 22 7 u j 4 3 ( 4 - 4 ) ( 4 - 5 ) ( 4 6 ) 第4 章控制系统软件设计 这时可以由表4 一l 得出中间变量和上面计算得到的扇区号来判断t x 、t y 在哪个扇 区和各个值为多少： 表4 1t x 、t y 在不同扇区的取值表 t a b 4 - 1t h ev a l u eo ft x 、t vi nd i f f e r e n ts e c t o r s 扇区号 123 456 t x zy - zxxy t yy xx zyz 下面对t x 、t y 进行饱和计算以及对零电压的矢量作用时间做出计算： 如果t 列- t y t p w m ，则： k = 哿 ( 4 - 7 ) = 糌 ( 4 - 8 ) 经过饱和计算以后得到零矢量作用时间为： t o = t p w m - t x - t v ( 4 9 ) t l = t o 4 ( 4 1o ) t m _ t i + t x 2 ( 4 - 1 1 ) t h = t m 删 ( 4 - 1 2 ) 最终通过扇区号和t i 、t m 、t h 判断比较寄存器c m p r 4 、c m p r 5 、c m p r 6 里面的 值，如表4 2 所示： 表4 - 2c m p r 4 、c m p r 5 、c m p r 6 在不同扇区的取值表 t a b 4 2t h ev a l u eo fc m p r 4 、c m 吣、c m p r 6i nd i f f e r e n ts e c t o r s 扇区号 123456 c m p r 4 t m t it i 磊t h t m c m p r 5 t l五t mt mt i露 c m p i 硒 晶t m而t lt mt i 以上为空间矢量在d s p 2 8 1 2 中的c 语言算法。c m p r 4 、c m p r 5 、c m p r 6 得到所 得值以后通过事件管理器b 中的p w m 单元输出两两反相的六路s v p w m 信号。其流程 图如下所示： 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 进入s v p w m 中断 判断扇区并计算 x 、y 、z 计算不同扇区相邻两个矢 量得作用时间瓦、弓 计算开关管切换时 间乃、乙、瓦 互、乙、r h 与三角载波 进行比较 退出s v p w m 产生子函数 图4 - 2 基本电压空同矢量子程序流程图 f i 9 4 2 c o n t r o lp r o g r a mf l o wc h a r tf o rs v p w m 4 2p i 调节子程序设计 在双闭环控制中，由于采用的是小惯性电流跟踪控制，需要对直流电压进行有效控 制，因此引入了直流电压反馈，为了稳定和调节直流侧输出电压，对给定直流电压信号 和反馈直流电压信号的差值运用数字p i 控$ 1 j 4 6 1 ，为了便于d s p 的数字实现，采用增量 式p i 控制算法，即 a u ( k ) = ( k p + k ，) 甜( 七) 一k p u ( k 一1 ) ( 4 3 ) 其中a u ( k ) = “( 七) - u ( k - 1 ) k 尸比例常数 k ，积分常数 通常情况下，适当选取k p 、k ，值，即可使直流侧输出电压稳定快速的跟随给定电 压信号。但实际控制中的很多不稳定因素使得增量较大，甚至比输出还大，造成了输出 波形不稳定，所以在本方案中，运用饱和区判断法则对电压偏差进行判断，当电压偏差 超出上限时就将上限值赋予当下值，同时也必须对p i 调节的输出进行限幅处理，此时， 可以以调制波幅值作为限幅值，也可简单地以载波幅值作为限幅值，等稳定后这个幅值 将不会超过调制波幅值。 4 3t 3 定时器下溢中断服务流程 第4 章控制系统软件设计 进入下溢中断后，首先采样直流电压与给定电压信号进行比较，经过优化的p i 增 量式计算后，进入小惯性电流控制程序中，其中已经对反馈的交流电压和交流电流信号 进行采用并进行了处理，经过一系列的计算，将输出的数据输入到s v p w m 控制程序中， 将生成的三相波形数据输入到比较寄存器【4 7 】中，比较寄存器c m p r 4 、c m p r 5 、c m p r 6 控制p w m 波形输出，产生两路p w m 信号( 同相和反相) ，以此控制开关管的开通和 关断。为避免上下桥臂同时导通，程序中对死去寄存器设置了0 5 胪的死区控制，此程 序能较好地完成整个闭环算法的实现。 图4 3 为t 3 下溢中断的程序流程图： 图们下溢中断流程图 f i 9 4 - 3