（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的三相低频电源的设计.pdf

黑龙江科技学院硕士学位论文 a b s t r a c t a ce l e v a t o ro ft h ej i x im i n i n gb u r e a ue r d a or i v e rm i n eh o s tw e l li s t a k e da st h ec o n t r o l l e dm e m b e r a na l l d i g i t a la c - a cf r e q u e n c yp o w e r s o u t c cd e v i c ei sd e s i g n e d 。w h i c ht a k e sd s pa st h ee o n t r 0 1c o r e ，t r i e st o s o l v em a n yp r o b l e m sw h i c he x i s ti nt h et r a d i t i o n a ll o wf r e q u e n c yp o w e r s o u r c e ，s u c ha sl o wp r e c i s i o n ，c o m p l e xd e b u g g i n ga sw e l la sq u e s t i o n s a n ds oo ns e r v i c ed i f f i c u l t y , a c h i e v et h ei m p e t u sp r o d u c t i o nt e c h n o l o g y a d v a n c e m e n t ，e n h a n c et h ea u t o m a t e dl e v e lg o a lo fm i n ea ce l e v a t o r e o n t r o ls y s t e m t h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo fa c - a cf r e q u e n c yc o n v e r t o ra n dl o w f r e q u e n c yd r a g g i n ga n db r a k i n ga r ea n a l y z e di nt h ep a p e r , a l lk i n d so f m o d u l a t i n gm e t h o d so ft r i g g e rc o n t r o la n g l ea r ea n a l y z e ea n dc o m p a r e d ， a n d l o w f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i co fi n d u c i n gm o t o ri sr e s e a r c h e d t h o r o u g h l y ，s o t h a tt h ec o m p u t i n gf o r m u l ao fl o wf r e q u e n c yb r a k i n g v o l t a g ei sd e d u c e d t h r o u g h tu s i n gc o m p u t e r c o n t r o lt e c h n o l o g y , v a r i a b l ec u r r e n t t e c h n o l o g ya n da cv e l o c i t ym o d u l a t i o n ，t h ep o w e rd e v i c eo ft h r e e p h a s e a c - a cf r e q u e n c yc o n v e r t o ri sd e s i g n di nt h ep a p e r t h ed e v i c ei n c l u d e s m a i nl o o p b a c kc i r c u i t 、e n t e rl i n et r a n s f o r m e ro fp o w e ra n dc o n t r o l l o o p b a c kc i r c u i ta n ds oo n t h r e e p h a s ev o l t a g eh a l fb r i d g ez e r ot y p e s t r u c t u r ei sa d o p t e di nt h em a i nc i r c u i t ，t h ec o n t r o lc i r c u i ti sc o m p o s e d o fz e r oc u r r e n td e t e c t o ru n i t s ，s y n c h r o n o u ss i g n a ld e t e c t o ru n i t ，b r a k i n g c o n t r o lu n i t t r i g g e rc i r c u i ta n do v e r c o r r e c td e t e c t o ru n i t b e c a u s ed s p h a sf a s te x e c u t i o ns p e e da n dg o o dc o m p u t i n ga b i l i t y , s o f tc a nr e a l i z e p r e c i s i o nc o m p u t e ro fs h i f tp h a s ea n g l ea n df o r m a t i o n & d i s t r i b u t i o n f u n c t i o no fp u l s e ，t h r o u g ht h ec o n t r o lo ft m s 3 2 0 f 2 9 1 2a n dp e r i p h e r a l c i r c u i t h ，v e l o c i t ym o d u l a t i o n ，b r a k i n gc o n t r o l ，f r e q u e n c y d e t e c t o ro f p o w e rg r i d sa n dp h a s et r a n s f e rl o g i cf u n c t i o n sa n ds oo u a r ec o m p l e t e d c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a la n a l o gf r e q u e n c yc o n v e r t o rl o w f r e q u e n c yp o w e ro fa l l d i g i t a l a c - a cf r e q u e n c yc o n v e r t o rh a sm a n y a d v a n t a g e ss u c h a s s i m p l eh a r d w a r ec i r c u i t ，f l e x i b l ec o n t r o l ，h i g h p r e c i s i o n ，e a s ym a i n t a i n i n g ，l o wc o s ta n ds oo n t h ep o w e rc a na p p l yi n 黑龙江科技学院硕士学位论文 b r a k i n g & c r a w l i n go fm i n el i f t i n gm o t o r , i m p r o v e sb r a k i n g & c r a w l i n g p e r f o r m a n c eo fl i f t i n gm o t o r , r a i s e sl i f t i n ga b l i t y , r e d u c e sp o w e rc o n s u m e a n dh a sb e t t e rs o c i a la n de c o n o m i c a lb e n e f i t s k e yw o r d s ：a c a cf r e q u e n c yc o n v e r t o r ；m i n i n ga ce l e v a t o r ；l o w f r e q u e n c yp o w e rs o u r c e d s p m 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本入声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙江科技学 院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研名划吼峭彳恩叼盆 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人 所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权黑龙江科技学院研究生处办理。 研究生签名：冽导师签名邀 黑龙江科技学院硕士学位论文 第一章绪论 变频技术是应用功率半导体器件，对电能进行变换和控制的技 术。通过对电压和电流的幅值、频率和波形的变换，使电能更好地符 合各种不同用电设备的要求。应用变频技术设计的三相交交变频低 频电源比较适合对矿井交流提升机减速段和低速爬行段进行控制而得 到了广泛的应用。由于变频技术涉及到电力电子、自动控制、微处理 器技术和电磁技术等，是一种多学科边缘交叉的应用技术，因此变频 技术的发展及矿井交流提升机减速段和低速爬行段调速性能的改善必 将随着现代电力电子技术、控制理论与控制策略、微控制器的发展而 发展。 1 1 现代交流调速技术的发展与现状 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 点广泛的应用于电机调速的工业领域。直流电动机在额定转速以下运 行时，保持励磁电流恒定，改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在 额定转速以上运行时，保持电枢电压恒定，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，2 0 世纪8 0 年代以前，在变速传动领域中，直流调 速一直占据主导地位【l 】。 近几年来，电力电子器件的制造技术迅速发展为交流调速技术的 发展奠定了极为有利的技术条件和物质基础，使交流电动机的调速系 统不但调速性能可以同直流电动机的性能相媲美，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 生产直流传动装置己呈下降趋势，而交流变频调速装置的生产大幅度 上升。以日本为例，1 9 7 5 年在电机调速领域，直流占8 0 ，交流占 2 0 ；1 9 8 5 年交流占8 0 ，直流占2 0 。到目前为止，日本除了个别 的地方还继续采用直流电机驱动外，几乎所有的调速系统都采用交流 变频装置。因此，采用高效率经济型的交流调速系统来取代原有的直 流电动机调速系统，是电机调速技术发展的新动向。 1 1 1 电力电子器件的发展 电力电子器件是现代交流调速装置的支柱，其发展直接决定和影 响交流调速技术的发展。器件朝着耐压高、电流大、调制频率高及集 黑龙江科技学院硕士学位论文 成度高方向发展。2 0 世纪5 0 年代出现晶闸管s c r ；6 0 年代出现门级可 关断晶闸管g t o ；7 0 年代出现巨型晶体管g t r ( 也称b j t ) 和功率场效 应晶体管m o s f e t ；8 0 年代相继出现绝缘栅双极型晶体管i g b t 和绝 缘栅双极型门控晶闸管i g c t ；9 0 年代出现智能功率模块i p m 。g t o 是高电压大电流全控型功率器件，容量大，但关断能耗大；g t r 是电 流驱动器件，通态压降低，容量没有g t o 大，调制频率不高，噪声 大；m o s f e t 是电压型驱动器件，开关频率高，驱动功率小，安全工 作区广，但耐压不高；而i g b t 集g t r 和m o s f e t 的优点于一体，是 目前变频调速系统和通用变频器中使用最广泛的主流功率器件之一； i p m 是先进的混合集成功率器件，由高速低耗的i g b t 和优化的门极 驱动及保护电路构成，采用了有电流传感器功能的i g b t ，能连续监 控功率器件电流，从而实现高效的过电流保护，由于i p m 集成了过熟 保护电路和锁定保护电路，系统可靠性得到进一步提高。 1 1 2 控制策略与控制理论的发展 早期变频调速系统是开环恒压频比的控制方式，其优点是控制结 构简单、成本较低，缺点是系统性能不高。具体来说，其控制曲线会 随着负载的变化而变化，转矩响应慢，利用率不高，低速时因定子电 阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差，因此这种控制 方式比较适合应用在风机、水泵调速的场合。为了提高系统的动静态 性能，转差频率控制系统在恒压频比控制中引入速度闭环，使逆变器 输出的实际角频率随着电机转子角速度同步上升或下降。与开环恒压 频比控制相比，加速、减速更为平滑，且系统容易稳定。但转差频率 控制是从异步电机的稳态等效电路和稳态转矩公式出发分析的，因而 会影响系统的实际动态性能。2 0 世纪7 0 年代，西德f b l a s c h k e 等人 提出的“感应电机磁场定向的控制原理”和p - c c u s t m a n 与a a c l a r k 申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”【2 1 ，奠定了矢量控制 理论的基础。矢量控制理论的基本出发点是，考虑到异步电动机是一 个多变量、强藕合、非线性的时变参数系统，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问的变换，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可等效为一台直流电动机， 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 从而可像直流电枫那样进行快速的转矩和磁通控制。因为这种方法采 用了坐标变换，所以对控制器的运算速度、处理能力等性能要求较 高。近年来，围绕着矢量变换控制的缺陷，如系统结构复杂、非线性 和电机参数变化影响系统性能等问题，国内外学者进行了大量的研 究。在致力于发展异步电机矢量控制技术的同时，各国学者并没有放 弃其他控制思想的研究。1 9 8 5 年德国鲁尔大学d e p e n b r o e k 教授首先 提出直接转矩控制理论口】。直接转矩控制与矢量控翎不同，直接转矩 控制抛开了解藕的思想，取消了旋转坐标交换，简单的通过检测电机 定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并 根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制【4 1 。直接转 矩控制技术是用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系计算与控制 交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助离散的两点式调节器产 生脉宽调制( p w m ) 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制， 以获得转矩的高动态性能。从转矩的角度看，只关心转矩的大小，磁 通本身的小范围误差并不影响转矩的控制性能。因此，这种方法对参 数变化不敏感。直接转矩控制省掉了复杂的矢量变换，其控制思想新 颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。该控 制系统的转矩响应迅速，是一种具有高静、动态性能的交流调速方法 【5 l 【6 1 。 交流变频调速系统已经逐步向全数字化控制系统发展，数字化控 制系统的主要任务是设计一个数字调节器1 7 j 。数字式p i d 控制是最早 也是最普遍采用的控制方法，近年来，智能控制研究很活跃，并在许 多领域获褥了应用。典型的如模糊控制、神经网络控制和基于专家系 统的控制。由于智能控制，如模糊控制不依赖被控对象精确的数学模 型、能克服非线性因素的影响、对调节对象的参数变化具有较强的鲁 棒性等优点，因而许多学者将智能控制方法引入电机控制系统中进行 研究，并在交流调速系统和伺服系统中取得了比较满意的效果。另外 近年来己有一些学者探讨将神经网络或专家系统引入异步电动机的直 接转矩控制系统，相信不久的将来会获得实质住结果。 1 1 3 微处理器的新进展 微处理器引入控制系统，促进了模拟控制系统向数字控制系统的 3 黑龙江科技学院硕士学位论文 转化。数字化技术使得复杂的矢量控制得以实现，大大简化了硬件， 降低了本，提高了控制精度及可靠性，节约了大量的人力和时间，操 作和维护都更加方便。开始采用微处理器控制交流调速时，一般选用 单片机来控制。单片机具有丰富的硬件和软件资源，但单片机的处理 能力有限，特别是采用矢量变换控制的系统，由于需要处理的数据量 大，浮点运算多，实时性和精度要求高，单片机往往不再能满足要 求。为了提高运算速度，在2 0 世纪s o 年代初期出现了数字处理器 ( d s p ) ，d s p 提高了时钟频率，支持浮点运算，它既增强了微处理器 的数据处理能力，又在片内集成了大量的外围接口，因而在控制系统 中得到广泛应用。d s p 采用哈佛结构，将程序存储空间与数据存储 空间分开，并且各自拥有自己的数据总线和地址总线。采用流水线技 术，使得指令处理的平均速度大大提高。内部增设专门的硬件乘法 器，并将硬件乘法器与累加器以流水线方式连接，从而可以高速连续 进行乘法和累加运算。d s p 在提高速度的同时。d s p 的出现使研制 高性能变频调速装置成为现实。如t m s 3 2 0 f 2 8 系列d s p 是t i 公司 专门针对电动机、逆变器等控制而设计的，它的事件管理器模块为三 相p w m 逆变器功率元件的驱动信号提供了便于实现的条件和特殊的 电压空阈矢量状态机，并提供了1 2 路专用的p w m 波输出引脚。 1 2 矿井交流提升机的概况 矿井提升装置是采矿业的重要设备，随着科学技术的进步和矿井 生产现代化要求的不断提高，人们对提升机工作特性的认识进一步深 化，提升设备及拖动控制系统也逐步趋于完善，各种新技术、新工艺 逐步应用于矿井提升设备中。特别是模拟技术、微电子技术、微电脑 技术在提升机控制中的应用己成为必然的发展方向。 1 2 1 国外矿井提升机电控系统的概况 从上世纪7 0 年代开始，随着微机技术的发展，微机控制技术己 逐步应用于矿井提升机中。目前，国外已达到相当成熟的阶段，使整 个拖动控制产生一次重大的交革。在交流变频装置中，提升工艺过程 大都采用微机控制。由于微机功能强，使用灵活，运算速度快，监视 显示易于实现，并具有诊断功能，这是采用模拟控制无法实现的。如 a e g 公司采用c p 8 0 微机、a b b 公司采用m a s t e r 2 0 0 和 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 s i e m e n s 公司采用s s 1 5 0 等微机实现的变频控制，都获得了相当成 功【g 】。它们把控制、监视、基准值预测以及模拟控制等组合在公共的 微机控制总线上。组成静止变流器的传动控制，计算机实现速度及多 个变量的调节。德国a e g 公司的l o g i d y nd 、西门子公司的 s i e m a d y nd 以及a b b 公司的t y r a k 系统都已应用于提升机上。全数 字化系统具有硬件结构单一，参数稳定且调整方便，可方便地与上位 机联网等优点。 1 2 2 国内矿井提升机电控系统的概况 目前国内实现矿井提升机全过程连续变频调速的电控系统仍然依 赖进口的设备，自主研发的产品只是对矿井提升机的部分速度段进行 变频调速。目前国内解决矿井交流提升机减速及低速爬行问题主要采 用：低频发电机组、分立元件控制的低频电源、进口的交流调速控制 系统。低频发电机组是早期的产品，存在体积大、效率低、噪音大、 维修困难等问题，在部分中小煤矿仍然使用；分立元件控制的低频电 源解决了低频发电机组所存在的诸多问题而得到广泛应用，但是由于 采用的是模拟控制方式，因此也存在调试复杂、控制精度不高等问 题。鉴于国内当前矿井交流提升机电控系统的发展现状，许多大型煤 矿采用全套的进口提升机控制设备。 1 3 课题提出及研究意义 本课题是以解决鸡西矿务局二道河予矿主井提升机制动和低速爬 行问题为背景，并针对我国目前主要使用进口的交交变频调速系统 或使用自主研发的由分立元件构成的模拟方式控制系统这一现状，提 出研制一台高性能数字控制的低频电源，并且通过本课题的研究进一 步推动国内矿井交流提升机电控系统的数字化水平。 1 4 本论文所做的工作 根据课题提出的具体要求，设计一台以d s p 为控制核心的低频 电源装置，解决原有设备中存在的分立元件多、精度低、改变频率困 难、调试复杂以及维修困难等问题，实现矿井提升机控制系统先进的 控制性能和高的可靠性。针对以上要求，本课题主要完成以下工作： 1 分析了交交变频器的工作原理、低频制动及拖动原理；深入 5 黑龙江科技学院硕士学位论文 研究了感应电动机的低频特性并精确推导了低频制动电压的计算公 式。 2 根据现场交流提升机参数完成了主电路的设计及主要元件参 数的计算工作；设计了控制电路。 交流电动机：额定功率6 3 0 k w x 2 ：额定电压6 0 0 0 v 额定电流7 3 a ：效率j9 2 ；功率因数：0 9 低频电源的输出频率范围：2 5 h z 可调，步进0 1 h z ； 3 以高性能的d s p 为硬件基础，利用数字控制技术，进步提 高了触发角的控制精度及系统的可靠性。 4 在实验室里完成了部分硬件电路的调试工作，完成软件流程 的设计及代码编写和调试工作。 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 第二章交交变频器的理论基础 2 1 交交变频器的基本原理 将两组极性相反的相控整流器并联，对反并联变换器的触发角进 行连续的相位调制，可使反并联变换器输出连续变化的平均电压，它 直接将电源输入的5 0 h z 的输入电压交换为较低频率的电压输出，该 反并联变换器称为交交变频器【9 l 。由于交交变频器无中间环节，所 以运行效率较高。 2 1 1 单相输出交交变频器原理 单相输出的交交变频器主电路如图2 1 所示，它实质上是一套 三相桥式无环流的反并联的可逆整流装置，装置中的工作晶闸管的关 断通过电源交流电压的自然换相实现，如果触发装置的控制信号是直 流信号，变频器的输出电压也是直流：若控制信号是交流信号，相应 变频器的输出电压也是交流。交流输出的正半周电流由正组整流器提 供，负半周电流则由负组整流器提供。为了使输出电压的谐波减到最 小，正、负两组整流器的触发延时角可按余弦规律进行控制 t o 】。输 出电压是由输入电压波形上截取的片段组成。显然，交交变频器完 成交频过程必须有两种换流形式：即换流过程和换组( 桥) 过程。换流 过程是利用电网换相进行，换组( 桥) 是利用输出电流过零信号进行。 如图2 1 中给出的输出电压的基波为正弦电压= u 。s i n a ，o t ，则 可以使正、负组的触发延迟角口。和口。按下列规律变化【5 】： oc o s o ，= 一u d oc o $ 口n = u i ms i n ( o o t a d 2 磊一a n 或者简化为 c o s t z 口= u h | u 4 q s i n ( a ot = r s i n ( o o t 口p = a r c c o s ( 7 s i n ( o o t )o 口p i t ；0 k l k 。l tq 1 2 ) 黑龙江科技学院硕士学位论文 式中 足，电流裕度系数，置，= 1 1 1 5 ； 丘环境温度系数，g a = 1 1 2 ； ，。实际流过快熔电流。 取蜀= 1 5 ；k o = 1 2 ；i r = 1 4 6 a 。则= 2 6 2 8 a 。因此，可以取 熔断器额定电流为3 0 0 a 。 3 2 5 吸收电路参数计算 加在晶闸管上的正向电压上升率要限制，如果电压上升率过大， 由于晶闸管内部结电容的存在，会产生较大的移位电流，因此要设计 阻容吸收电路，并联于晶闸管两端，保护晶闸管。可以按照下面的公 式进行计算 。2 彘 ( 3 1 3 ) 式中 。晶闸管断态重复峰值电压； 晶闸管两端电压上升率； 震回路内串的电阻； 取r = 2 0 ；，= 2 8 0 0 v ；嘭么2 5 0 0 ；则c m = o 2 8 , u f ，实际可 以取o 4 7 矿。 3 3 控制电路设计 3 - 3 1 同步电路设计 为了使主电路的各晶闸管触发脉冲与其阳极电压保持严格的同步 关系，在本系统中设计了同步信号产生电路，电路如图3 - 9 所示。同 步变压器原边接成三角形接法，副边采用星形接法，经r 、c 移相电 路移相后得同步变压器的副边相电压恰好超前原边相电压3 0 “】。二 次侧各相的相电压经电压比较器l m 3 3 9 比较后输出，再经光耦隔离 后形成s 1 、s 2 、s 3 三个方波逻辑电平同步信号，该信号经门电路 7 4 l s 8 6 异或得到一个边沿与原边a 、b 、c 三相交流电自然换相点相 黑龙江科技学院硕士学位论文 重合的方波信号s o 逆。岛。输出后经过非门反相后得鬲否百百酉。 然后将这两路信号分别送入到整形电路7 4 l s l 2 3 整形后形成与自然 换相点重合的要求宽度的脉冲信号q l 和q 2 ，最后经过7 4 l s 3 2 或门 电路处理后，就形成申请中断的脉冲信号q i + q 2 ，当中断信号到来 时，d s p 读取s l 、s 2 、s 3 的逻辑状态，根据s l 、s 2 、s 3 的状态即 可判断出触发那个管子。各点波形如图3 - 6 所示。 图3 - 5 同步认相电路 f i g 3 - 5s y n c h r o n i z i n gr e a l i z ep h a s ec i r c u i t 黑龙江科技学院硕士学位论文 jl a 菇务 i 、 。澈、 、 。 s 2 岛 s l 毋审 两os 2 s 3 1 q if 1 q + 1l 图3 - 6 同步认相电路波形图 f i g 3 6 w a v ef o r mo fs y n c h r o n i z i n gr e a l i z ep h a s ec i r c u i t 3 3 2 零电流检测电路设计 零电流检测环节用于向无环流换相逻辑单元提供零电流信号，此 环节的灵敏度设计不合适会引起电流过零点的移位，多数情况下为了 正、反组晶闸管的可靠换相起见，设计调整的灵敏度偏低，使功率因 数角增大，拖动力矩严重降低，电流波形畸变，谐波分量增加。零电 流检测环节如果通过检测实际低频电流过零，就会使灵敏度偏低，无 环流“死时”加长1 2 2 。 为了保证晶闸管的可靠换流，无环流死区必然会大于2 m s ；所以 在本设计中采用检测晶闸管两端电压的方法，电路如图3 7 所示。当 晶闸管导通时，阳极和阴极之间的电压约为i v ，当晶闸管关断时， 黑龙江科技学院硕士学位论文 阳极和阴极之间的电压近似等于电源电压。因此，只要检测晶闸管阳 极对阴极的电压，就可以判断它是否关断。以图中v t i 、v t 2 两个 晶闸管的零电流检测为例进行说明，晶闸管v t i 和v t 2 上的电压经 由二极管整流桥将电压加在光耦i c l 上，当v t l 或v t 2 上任意一个 导通时，两端电压为零，光电耦合器中光敏三极管截止，输出低电 平；反之，当v t i 和v t 2 全部关断时，其管压降为电源线电压，此电 压使光电耦合器中光敏三极管导遁，输出高电平。电路中电阻r 1 是 限流电阻；稳压管的作用是用来提高可靠性；光电耦合器的选择很关 键，如果选用的光耦的关断速度不够快，则会误发零电流信号，实用 时就会导致三相低频电压相位上有串动，电机产生振动，对机械系统 产生较严重的冲击。本设计中选用的是快速光耦6 n 1 3 7 ，此光耦的关 断时间是3 5 n s 2 3 】，很好的解决了误发零电流信号的问题，并且零电 流检测的灵敏度也较高。 图3 7 零电流检测单元原理图 f i g 3 - 7z e r o - c n r r e n tc h e c k i n gu n i ts c h e m a t i cd i a g r a m 黑龙江科技学院硕士学位论文 3 3 3 触发脉冲输出及放大电路 触发脉冲输出及放大电路如图3 8 所示。为了减小脉冲变压器的 体积，增强电路的抗干扰能力，本系统采用脉冲列触发方式；同时， 为了满足晶闸管的门极对触发脉冲功率的要求，由单片机发出的触发 脉冲必须经隔离、驱动才能加到晶闸管的门极。 为了减轻单片机c p u 的负担及减小触发角口的延迟时间，本设 计中采用外围硬件电路形成高频脉冲列，即由图3 8 中定时器5 5 5 产 生高频脉冲列，此脉冲与1 8 路触发脉冲信号逐个相与，就使低频脉 冲信号变成了脉冲列信号，盖，调节脉冲列的频率。选用与门7 4 l s 0 9 把脉冲信号与由5 5 5 产生的高频脉冲列相与，输出的高频脉冲列驱动 光耦，当7 4 l s 0 8 输出低电平时，光耦内二级管发光，对应n m o s f e t 导通，脉冲变压器有脉冲输出；当7 4 l s 0 8 输出高电平时， 光耦内二级管不发光，对应n m o s f e t 不能导通，脉冲变压器没有 脉冲输出。因为电路工作于高频状态，所以选用了快速光耦6 n 1 3 7 。 由于光耦输出阻抗较大，不适合直接驱动m o s f e t 2 4 1 ，为此在本设 计中加了专用驱动芯片t p s 2 8 l l 来驱动m o s f e t 。 图3 - g 触发脉冲电路 f i g 3 - 8 d r i v i n gp u l s ec i r c u i t 3 3 4 过流保护电路 过流保护电路如图3 - 9 所示，电流互感器检测变压器二次侧的电 流信号，经电阻r 1 、r 2 、r 3 转换为电压信号，再经过d 1 、d 2 、 d 3 、d 4 、d 5 、d 6 整流输出一个负的电压信号，此电压信号与3 3 9 黑龙江科技学院硕士学位论文 同相端的电压相比较，当发生过流时，3 3 9 反相端的电压低于同相 端，输出高电平，将此信号经过光耦隔离并通过电平转换后就可以输 入到d s p 的外中断。当过流时，d s p 响应中断服务子程序，在程序 中封锁脉冲同时切断主电路电源，从而达到保护的目的。 d 1d bd 5 yi | f 。，；j 。8 嚣爰 川市畦 r1 匕】 一一 c 1 ： f 叫 d 2d 4斑 【3 3 r 电流互感器 一 图3 - 9 过流保护电路 f i g 3 9 o v e r c u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i t 3 3 5 键盘及显示电路设计 键盘及显示部分电路主要是完成人机交互功能，键盘可以完成变 频器参数的设定、系统运行信息的翻阅等。显示部分采用1 2 8 6 4 的 l c d 液晶屏，显示系统的参数、状态信息及速度曲线等。由于本设 计中的主控制芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 所剩的i o 口足够使用，所以不需 要扩展，可以直接用于外接键盘及l c d 显示电路。 本设计中设计了6 个按键，全部采用软件去除按键抖动，电路如 图3 - 1 1 所示，其功能分别如下： ( 1 ) u p d n ；完成频率的加减，分辨率为0 1 h z ，频率范围2 5 h z ： ( 2 ) r u n s t o p ：变频器的运行及停止； ( 3 ) m o d h 按此按键开始改交频率； ( 4 ) e n t e r ：完成参数设定或修改后的确定功能： ( 5 ) s e l e t ：完成切换系统状态信息显示功能； 黑龙江科技学院硕士学位论文 g p i o f 8 o p i o f 9 o p i o f l g p l 0 f 1 o p i o f l g p l 0 f 1 i 图3 - 1 0 键盘电路 f i g 3 - 1 0k e yb o a r dc i r c u i t 显示部分采用c 0 0 5 1 1 f p d - s w e 型号1 2 8 6 4 图形式液晶屏，主 要显示减速与爬行段的给定速度图和实际速度图以及运行参数显示 等。由于这款液晶屏可以采用3 3 v 供电，所以可以直接用d s p 驱 动，具体的硬件电路图如图3 1 2 所示。数据线接口分别接到了d s p 的a 0 a 7 上，读写控制、命令数据选择、复位等控制信号输入端分 别接到d s p 的a 8 a 1 3 上。 图3 - 1 1 液晶显示接口电路 f i g 3 1il i q u i dc r y s t a ld i s p l a yc i r c u i t 3 3 6 测速电路 对电机的速度进行测量的方法主要有两种，一种是采用测速发电 黑龙江科技学院硕士学位论文 机，另一种是采用光电编码器。采用测速发电机测速存在非线性和死 区问题且精度较差，需要的外围硬件电路较多；而采用光电编码器则 可达到较高的测量精度，不易受外界环境的影响；本设计中采用的是 增量式光电编码器，输出的两路脉冲信号加到t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的 q e p 3 和q e p 4 引脚上【2 争2 6 1 ，通过测得的脉冲数很容易就能算出电机 转速，同时还可以根据两路脉冲的先后顺序确定出电机的转向。 3 3 7 开关量电路设计 因为d s p 为3 3 v 供电，为了避免高压电路的电压窜入d s p 控 制系统，同时为了d s p 与外围门电路电平兼容，在本设计中开关量 的输入输出都采用光耦进行隔离。如同步信号、过流保护信号、投低 频信号以及脚踏输入信号等。电路如图3 - 1 2 ( a ) 所示。输出开关量主 要有过流断电信号、消弧延时后发投低频电源信号、随着速度的变化 切电阻信号等。电路如图3 1 2 ( b ) 所示 ?77 ( a ) ( b ) 图3 1 2 开关量输入输出电路 f i g 3 1 2 o n - o f fi n p u ta n do u t p u tc i r c u i t 3 4 本章小结 本章在对主电路、触发脉冲形及主控芯片选择等关键问题分析比 较的基础上设计出了系统的总体方框图。在此基础上完成了同步认相 电路、零电流检测电路、脉冲输出放大电路、过流保护电路、键盘显 示电路及开关量输入输出电路的设计，并且分析了各个电路的工作原 理。 黑龙江科技学院硕士学位论文 第四章软件设计 在低频电源控制系统的软件设计过程中，本着模块化的设计思 想，结合t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的指令及其硬件结构特点，根据设计系统所 要完成的功能，将整个系统的软件划分为主程序和中断服务程序。主 程序包括系统初始化模块、参数设置模块、键盘控制模块和l c d 液 晶显示模块等；中断服务程序主要包括定时读取低频波的正弦表中断 子程序、同步信号捕获中断子程序、移相脉冲中断和电流过零中断子 程序、测速并进行p i 调节运算子程序及各种故障和开关量输入中断 子程序等。此外，为了提高了控制系统的可靠性和稳定性，在软件设 计过程中，加入看门狗中断和假中断服务程序。 4 。1d s p 系统主程序设计 主程序软件流程图如图4 1 所示，主要完成系统启动时的初始化 及参数设置、应用p i 算法计算输出电压比，、计算下一次各晶闸管 对应的触发角的定时时间常数等功能。由于键盘和显示属于任务级的 程序，所以放在主程序中，而为了保证系统的实时性，把其他各功能 子程序放在了中断级的程序中。 4 1 1d s p 系统初始化 当t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上电开始运行时，首先要对d s p 系统进行初始 化，主要包括以下几点： 1 ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 系统时钟的初始化和片内外设时钟的初始 化； 2 ) 通用i 0 的初始化； 3 ) 中断向量表的初始化： 4 ) 事件管理器模块的初始化，主要包括捕获单元的设定、通 用定时器的设定和中断程序的设定； 5 ) 低频电源频率、p i d 控制参数的设定等。 d s p 系统主程序的部分代码如下： v o i dm a i n ( v o i d ) i n i t s y s c t r l o ；初始化系统控制寄存器、p l l 、看门狗及时钟 i n i t g p i 0 0 ；配置l o 口 d i n t ；关闭总中断 黑龙江科技学院硕士学位论文 i n i t p i e c t r l o ；初始化中断控制寄存器 i e r = o x 0 0 0 0 ；禁止中断 i f r = o x 0 0 0 0 ；清楚所有中断标志 i n i t p i e v e c t t a b l e ( ) ；初始化中断向量表 e a l l o w ；打开被保护的寄存器保护锁 p i e v e c t t a b l e t i n t o = & c p u定义名称t i m e r 0 i s r ；t i m e r 0 p i e v e c t t a b l e t i n t l = & i n tt i m e r 0i s r ；定义i n t 名称 e d i s ；重新锁被保护寄存器 i n i t p e r i p h e r a l s ( ) ；初始化各外设 i n i t c p u t i m e r s 0 ；初始化定时器 s e t设置参数 。c a n s h u o ； s t a r t _ s y s ( ) ；等待启动系统 e i n t ；开总中断 w h i l e ( 1 ) g e t _ k e y ( ) ；调按键子程序 w r i t el c d 0 ；调显示子程序 p r o c e s s p i o ；p i 算法算电压比k p o o c e s s _ _ j i a o o ；计算下一次三路的触发角 r e s e t _ d o g o ；喂狗 ) 4 1 2 输出电压比五的计算 在触发控制角计算公式口= a l t c c o s ( f f s 抽( 研) ) 中的，等于输出电压幅 值与口= o 时的理想空载整流电压比，称y 为输出电压比，即 y = 【，。，调节，值实际上就是调节输出电压，使得投入低频电源 后提升机速度按照给定速度进行调节，在本设计中利用d s p 执行速 度快、存储空间大这一优势，采用p i 调节算法，使得系统达到良好 的性能指标。 p i 算法主要分为位置型p i 控制算法和增量型p i 控制算法两种， 增量式p i 算法只输出增量，减少了d s p 误操作时对系统的影响2 7 1 ， 4 0 黑龙江科技学院硕士学位论文 图4 - id s p 系统主程序流程图 f i g 4 - 1 d s ps y s t e mm a i np r o g r a mf l o wd i a g r a m 因此，在本设计中采用增量式p i 控制算法，其数学表达式如下 a u ( k ) = u ( k ) - u ( k n 4 1 ( 4 1 ) 黑龙江科技学院硕士学位论文 式中 鸣一州) 】+ 等 = ( 足，+ 墨) 口( 一k p e ( k 一1 ) u ( k ) = u ( k - 1 ) + 血( 七) ( 4 2 ) k p 为比例系数； k i 为积分系数； e ( k ) 为k 时刻的偏差值； e ( k - 1 ) 为k - 1 时刻的偏差值； u ( k ) 为k 时刻的输出控制量。 输出电压比k 值计算的程序流程图如图4 2 所示。 本次采样输入瞄 0 计算偏差 e ( k 吲k m k ) ju ( k 产( k h l ( j 咖( k 卜k p e o p l ) 上 u ( k ) f f i u o c - 1 卜a u ( k ) l lu ( k ) 送u ( k - o ；e ( k ) 送e ( k - 1 ) i l i l a u ( k ) = ( k i + k p ) e ( k ) - k p e ( k i ) j 娜y i 娜 图4 - 2 增量式p i 控制程序流程图 f i g 4 2i n c r e a s i n gd i s p l a yp 1c o n t r o lp r o g r a mf l o wd i a g r a m 黑龙江科技学院硕士学位论文 4 2 触发角的精确调制 由第二章的分析可知，如果想得到比较理想的正弦波电压输出就 必须调制好触发控制角，触发控制角满足下面的公式 口= a r c c o s 抄s i n ( t ) ) ( 4 3 ) 从上面的公式可以知道，理论上要得到口的值，就必须实时计算 s i i l f 耐1 及反余弦，这样处理不但会加大d s p 的c p u 处理上的负担， 而且还要有一个标准的频率可调的模拟正弦波信号，系统没有脱离模 拟控制，而且经过d s p 定时采样后采集模拟正弦电压仍然是离散 的；实际上晶闸管触触发角也是离散的，因此，在设计中完全可以避 免产生标准模拟正弦低频信号的麻烦，直接用数字的方法产生正弦数 据表，d s p 采用定时查表的方