（通信与信息系统专业论文）基于msp430单片机的电梯门机控制器的研制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 伴随我国现代化高层建筑的迅速发展 电梯成为建筑中不可或缺的交通工具 作为 电梯重要组成部分的电梯门机系统 他的安全稳定运行直接影响着电梯系统的总体效 能 因此要求电梯门机控制系统具有精度高 工作稳定等特点 本文针对当前电梯门机控制器市场中所存在的国产控制器可控制性不高 进口控制 器成本高的问题 从分析和比较入手 总结出本课题所需要解决的问题 设计出一款电 梯门机控制器 包括硬件和软件两方面的内容 所设计的控制器采用较新的控制器件和 功率器件 并对相关的技术和器件进行了深入的研究和分析 对于整个系统来说是一次 很有意义的探讨和研究 本文分析了异步电动机s p w m 变频调速的工作原理和技术要点 详细阐述了其中 的对称规则采样法 并举例说明如何在使用过程中取得基于这种算法的控制数据 异步 电动机的变频控制系统采用单片机和智能功率模块作为核心 单片机使用t i 的高性能 1 6 位单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 该芯片中集成了许多功能模块 能够简化系统的设计 功率 器件使用三菱智能功率模块p s 2 1 2 6 5 a pd i p i p m 其内置的驱动功能和保护功能能够大 大的提高系统的可靠性 系统的硬件设计部分按照功能和供电类型来划分 在基本的单片机和功率器件的基 础上设计用户操作界面和相关的电源 保护电路等 硬件部分的大部分电路具有通用性 可以作为通用变频器的系统硬件 电梯门机控制系统的运行对应的软件 实现相应的检 测功能和输出控制功能 使用c 语言编写软件 具有语法简单 可移植性好和易于调试 等优点 论文最后介绍了系统的调试过程 给出了所测试的s p w m 驱动三相交流电机时的 相电流波形和系统功能的测试结果 并给出了结论和简要的分析 本系统在低成本的前 提下 满足了电梯门机的控制性能要求 且运行精度高 可靠性好 具有很好的应用前 景 关键词 电梯门机 变频调速 m s p 4 3 0 单片机 s p m 智能功率模块 大连理t 大学硕士学位论文 t h ed e s i g no fd o o r m o t o rc o n t r o l l e rb a s e do nm s p 4 3 0 k b s tr a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft a l lb u i l d i n g si nc h i n ah a sm a d ee l e v a t o ra ni n d i s p e n s a b l e t r a n s p o r t a t i o nt o o li nt h eb i gb l o c k s a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ed o o r m o t o rs y s t e m w h i c hi s a ni m p o r t a n tp a r to ft h ee l e v a t o rs y s t e m i sc r u c i a lt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h ee n t i r ee l e v a t o r s y s t e m t h u st h ec h a r a c t e ro fh i g hp r e c i o u sa n ds t a b l ei sr e q u i r e di nd o o r c o n t r o l l i n gs y s t e m h o w e v e r i nt h ep r e s e n tm a r k e to fd o o r m o t o rc o n t r o l l e r s d o m e s t i cp r o d u c t sh a v eal o w l e v e lo fc o n t r o l l a b i l i t y w h e r e a st h ef o r e i g no n e sa r ee x p e n s i v e t h r o u g ha n a l y s i sa n d c o m p a r i s o n t h ep a p e rs u m m a r i e st h ec u r r e n tp r o b l e mo f t h em a r k e ta n dg i v e sad e s i g na st h e s o l u t i o nt ot h ep r o b l e m t h es o l u t i o ni san e wd e s i g no fe l e v a t o rd o o r m o t o rc o n t r o l l e r i n v o l v i n gs o f t a n dh a r d w a r ea s p e c t s t h ed e s i g no ft h es y s t e ma d o p t sr e c e n tc o n t r o l l e ra n d p o w e rp a r ta n dc o n t a i n sa ni n d e p t hd i s c u s s i o na n da n a l y s i so nt h e s ee l e m e n t s w h i c hi sa s i g n i f i c a n ts t u d yu p o nt h ee n t i r es y s t e m t h ep a p e ra n a l y z e sp r i n c i p l e sa n dt e c h n i q u e so fs p w m f r e q u e n c y a n d s p e e dv a r i a t i o n f o rt h ei n d u c t e dm o t o r s a m o n gt h e s et e c h n i q u e s t h es y m m e t r i cs a m p l i n gi se x p l a i n e di n d e t a i la n dd e m o n s t r a t e do nt h e p r a c t i c a l u s eo fg e a i n gi t s c o n t r o l l i n g d a t a t h e 行e q u e n c y v a r i a t i o nc o n t r o l l e ro ft h em o t o ru s e sa nm c u a n da ni n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e i p m a si t s c o r ep a r t s m s p 4 3 0 f 1 4 9 1 6 一b i tm c um a d eb yt i c o n t a i n i n gv a r i e so f f u n c t i o n a lm o d u l e si sa d o p t e da n dh e l p st os i m p l i f yt h ed e s i g n t h ep o w e rm o d u l ei sp o w e r e d b yp s 2 1 2 6 5 a pd i p i p mo fm i t s u b i s h i s i n c ei t sb u i l t i nd r i v i n ga n dp r o t e c t i n gf u n c t i o n m a y e n s u r et h er e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e mi sd i v i d e da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o na n dt h et y p eo f p o w e r t h ep e r i p h e r a le q u i p m e n t s i n c l u d i n gu s e ri n t e r f a c e p o w e rs u p p l y p r o t e c t i o nc i r c u i t s a n ds oo n a r es e tu po nb a s eo fm c ua n dp o w e rm o d u l e t h ed e s i g no fh a r d w a r e mi t s m o s tp a r t so ft h ec i r c u i tb u i l tu n d e rt h ec o n s i d e r a t i o no fc o m p a t i b i l i t y c a nb eu s e da sa u n i v e r s a lh a r d w a r eo fav a r i a t i o nc o n t r o l l e r t h ef u n c t i o n so ft e s t m e a s u r e m e n ta n do u t p u t c o n t r o la r ei nt h ec h a r g eo f t h es o f t w a r er u ni nt h es y s t e m t h es o f t w a r e c o d e di ncl a n g u a g e i se a s yt od e b u g m a i n t a i na n dt r a n s p l a n t t h el a s tp a r to ft h ep a p e ri n t r o d u c e sd e b u g so ft h es y s t e m p l o t so ft h ew o r k i n gc u r r e n t o ft h em o t o r f u n c t i o n a lt e s t s c o r r e s p o n d i n gc o n c l u s i o na n db r i e fa n a l y s i so ft h et e s ta r ea l s o g i v e ni nt h i sp a r t t h es y s t e mc a nf i tt h ea p p l i c a t i o no fe l e v a t o rd o r m o t o rs y s t e m o b t a i n s g o o dp e r f o r m a n c eo f h i g hp r e c i o u s s t r o n gr e l i a b i l i t y w h i c he a nb eb r o a d l ya p p l i e d 基于m s p 4 3 0 单片机的电梯门机控制器的研制 k e yw o r d s e l e v a t o rd o o rm o t o r f r e q u e n c yc o n v e r s i o nc o n t r o l m s p 4 3 0m c u s i n e p l u s ew i d em o d u l i t i o n i n t e l h g e n tp o w e rm o d u l e 独创性说明 作者郑重声明 本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果 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的研究成果 也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料 与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名 皋旦日日期 盈益垒垒目 圣目 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解 大连理工大学硕士 博士学位论文版权使用 规定 同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版 允许论文被查阅和借阅 本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索 也可采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文 作者签名 皋圈 翩虢绥 趔年 互月 金日 大连理t 大学硕士学位论文 1 绪论 本章首先介绍了课题的研究背景和研究意义 分析了当前市场上同类控制领域的现 状 其次简单的叙述了课题研究中可能遇到的问题 最后介绍了本论文中的结构和所完 成的工作 1 1 课题的研究背景和意义 电力电子技术的发展为本课题的研究提供了先决条件 尤其是近年来全控性功率器 件如双极型晶体管 b j t 绝缘栅双极型晶体管 i g b t 场效应管 m o s f e t 以 及新兴的智能功率模块的出现和迅速发展 使得变频器中所使用的功率逆变器件的体积 不断减小 功能不断完善 尤其是最近出现的智能功率模块 i p m 不但能提供一定 的输出功率 而且内部集成驱动电路和保护电路等 具有控制 监测和保护等功能 制 造工艺的发展使得i p m 结构更加紧凑 另一方面 变频技术在今年来也获得了长足的进 步 利用s p w m 技术在较高的载波频率下工作 使得逆变器的输出波形非常逼近于正 弦波 在控制技术方面 微处理器的发展为变频控制提供了更精确的控制方法 d s p 和高 性能的1 6 位单片机的发展推动了变频控制器向数控方向的发展 使用全数字的控制方 式不但能够简化电路 还能够改善系统的可靠性和易用性 同时能够轻而易举地为系统 添加监控 显示和保护等功能 电力电子技术和微控制技术的发展给变频调速带来了广阔的发展空间 使得原本就 具有高效率 高功率因数 优异的工作性能的交流变频调速技术应用到越来越多的场合 其中的一个很重要的就是在电梯行业的应用 电梯系统中的门机控制是一个非常重要的 方面 门机控制系统的性能直接影响着整个电梯系统能否正常的运行 电梯门机系统的 设计涉及到机械 自动控制等多方面的内容 本文中结合个人的专业研究方向 着重于 控制系统的研究和设计 目前的电梯门机控制系统中 一部分进口电梯系统中使用变频调速控制器 具有很 好的控制性能 但价格很高 而大量低价位国产控制系统的市场仍然被模拟电子或者继 电器的控制器所占据 可靠性和稳定性都不高 即使是使用了变频技术的电梯门机控制 系统 绝大部分都是可编程逻辑控制器和通用变频器相结合的控制方式 这种控制器和 变频器相分离的系统成本高 体积也比较庞大 因此在电梯门机控制系统中使用集成度 高 体积较小 运行稳定的智能化专用控制设备是一种必然的发展趋势 基于m s p 4 3 0 单片机的电梯门机控制器的研制 1 2 课题所需要解决的问题 设计中使用微控制器控制功率逆变器件 驱动异步电动机工作 通过对控制系统工 作原理的深入分析 参照目前市场上通用变频器的设计 在阅读了大量国内外相关文献 的基础上 对系统总结出以下几个比较关键的技术性问题 1 s p w m 在电动机变频调速控制中的应用 以及这种技术在微处理器上的实现方 法 如何在所选定1 6 位单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 上稳定高效的实现三相s p w m 控制波形的 输出问题 2 电梯系统中的外部控制信号以何种方式与控制器进行通讯 控制器对外部输入 的控制信号的响应方式 在不同的输入状态下控制器的输出状态 以及控制器如何在各 个状态之间切换 3 系统的抗干扰技术 异步电动机控制系统属于弱电控制强电的系统 功率开关 器件的导通和关断都会对系统造成很大的干扰 尤其是工作电压较低的控制部分电路 同时 系统还会受到外界的干扰 也会对外界的其他设备造成干扰 如何抑制干扰并且 增强系统的抗干扰能力成为影响系统能否稳定工作的一个重要问题 4 系统的保护功能 门机控制系统必须能够长期 稳定的工作 但是部分情况下 出现的异常情况会导致系统硬件的损坏 因此 从硬件上和软件上同时加入必要的保护 手段来增强系统的保护功能也显得尤为重要的 1 3 课题的主要研究内容和目的 本设计中使用n 公司的1 6 位高性能单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为控制核心 三菱公司 的第3 5 代智能功率模块p s 2 1 2 6 5 a pd i p i p m 作为功率逆变器件 对于设计中可能出现 的问题 主要从s p w m 控制与实现 电梯门机控制原理和方法 软件硬件的设计和调 试 系统的抗干扰和保护等功能方面出发 将几个部分的内容相融合进行设计 在这些 工作的基础上结合大量国内外的资料 最终要完成一款性能良好 工作稳定可靠的 易 于安装使用的 成本较低的电梯门机专用变频控制器 针对本课题的主要工作 在论文中将工作主要分成以下几个方面作阐述 1 绪论部分简要的描述了课题的研究背景和研究意义 分析了课题在研究和设计 以及实际应用中可能会遇到的技术性问题 介绍了本课题的研究内容和最终目的 2 论文的第二章就功率模块的选择问题作了一定的分析和比较 介绍了一些常见 的功率模块 并着重介绍分析了在系统中所使用的d i p i p m 的特点 3 论文的第三章对s p w m 技术做了分析性介绍 介绍的侧重点在于设计中所选用 的对称规则采样法 大连理工大学硕士学位论文 4 课题所设计的电梯门机变频控制器是一款有针对性的研发产品 在设计中必须 遵循电梯门机的控制原理和控制要求 因此在论文的第四章部分对电梯门机的控制作了 概要性地叙述 5 论文的第五章和第六章是主体部分 占论文的大部分篇幅 分别从硬件和软件 两个方面详细阐述了系统的设计理念和设计思路 包括硬件各个部分的构成和作用 软 件各个功能模块在系统中的作用 以及在系统的设计等环节中需要注意的和特殊处理的 问题 6 论文的最后一个部分测试了系统的性能 并列出了部分的测试结果 作了归纳 和总结 最后给出了结论并分析了系统的优缺点 基于m s p 4 3 0 单片机的电梯门机控制器的研制 2 电力电子器件与变频调速技术 2 1 电力电子技术发展史 电力电子学 p o w e re l e c t r o n i c s 是研究采用半导体器件实现对电能的控制和变换 的学科 1 9 7 4 年 国际上接受了w n e w l l 的定义 即把电力电子学作为介于电力 电 子和控制之间的交叉学科1 图2 1 电力电子学结构图 f i g 2 1s t r u c t u r e so f p o w e re l e c t r o n i c s 电力电子技术是应用于电力领域的技术 它以电力电子学作为理论基础 是 f l2 0 世纪后半叶诞生并发展的崭新技术 它随着电力半导体的发展而发展 从1 9 5 7 年的晶 闸管的发明作为电力电子技术的开始 电力电子器件始终向着大容量 高速度 高集成 度的方向不断发展 电力电子器件种类很多 并且仍然有新型器件出现 可以按照其开关方式和控制能 力划分为不可控器件 半控器件和全控器件三类 2 不可控型器件 这类器件一般是没有控制端口的二端口器件 它的导通和关断不受 到控制信号的控制 如二极管 半可控型器件 半控型器件具有控制端 通过控制信号能够控制器件的导通 但是 不能控制器件的关断 器件的关断受到外部断路的制约 如晶闸管 s c r 及其派生器 件 4 大连理工大学硕士学位论文 全可控型器件 全控电子器件相对半控电子器件 不仅能够控制器件的导通 也可 以控制器件的关断 目前 这一类的器件种类较多 如双极型晶体管 b t l 场效应 管 m o s f e t 和绝缘栅双极型晶体管 i g b t 等 在逆变领域 使用最多的是全可控型器件 尤其是近年来出现了更多功能更完善的 集成逆变功率器件 尤其是其中应用广泛的智能功率模块 m m 2 1 1 双极型晶体管 b a t 双极型晶体管是一种由电子和空穴两种载流子参与导电的电流控制型器件 在控制 b j t 导通或者截至时 需要通过控制端向b t j 内灌入电流或者拉出电流 b j t 从一种状 态向另一种工作状态转换时 受到其内部载流子浓度的影响 需要一个过渡过程 这就 制约了b j t 的反应速度 通用变频器中 普遍使用的模块型b j t 是一种散热片与电极相隔离的模块化的功率 器件 目前有一单元 二单元 单桥臂 四单元 双桥臂 和六单元 三桥臂 等 封装的模块中除了包含一个电力电子晶体管外 还包含了一个反向续流二极管作为保护 之用 目前的b j t 已经有1 4 0 0 v 8 0 0 a 的大功率产品 并且已经在实际中得到了应用 但是电流型的b j t 对于电压是比较敏感的 而且受到了工艺结构的影响 很难有更 高的耐压 尤其是b j t 存在的二次击穿问题严重影响其工作的稳定性 另一方面 b j t 也受到更多的新型器件 尤其是混合型器件如i g b t 以及智能型器件如i p m 的冲击 正 在逐步退出市场 2 1 2 场效应管 m o s f e t 场效应管是一种单极型的电压控制型器件 有着工作速度快 无二次击穿 易于驱 动等相对于b j t 的显著优点 m o s f e t 目前在高性能开关电源 逆变器等需要较高的 开关速度的场合得到广泛的应用 2 1 3 绝缘棚双极型晶体管 i g b t i g b t 是一种混合型的电力电子器件 它融合了场效应管和双极型晶体管的特点 控制方面 i g b t 具备场效应管的输入阻抗高 速度快的场控特性 输出驱动方面 i g b t 具备b j t 的低输出饱和压降 耐压高和承受电流大的特性 这些良好的控制特性和驱动 特性使得i g b t 较b j t 的驱动更简单 保护更容易 开关频率更高等优点 因而在应用 领域中占据了很大的市场份额 基于m s p 4 3 0 单片机的电梯门机控制器的研制 2 2 智能功率模块 i p m i p m 是一种新型的电力电子器件 尽管前面介绍的i g b t 具有b j t 和m o s f e t 的 优点 但是必须有驱动电路和保护电路等的配合才能够正常 稳定的运行 但是这些电 路增加了系统空间和系统复杂性 降低了系统的可靠性 2 2 1i 刚的基本结构和特点 3 4 5 第三代电力电子器件i p m 的出现 有效的解决了功率逆变器件体积大 稳定性差和 系统复杂等问题 在i p m 模块中 除了具有i g b t 内置的功率器件之外 还将其相应的 必需的其他功率器件 驱动器件和控制器件集成到了内部 如h v i c l v i c 以及元件之 间的互连等 这种高度集成化的功率模块结构紧凑 有效避免了分立元件所造成的干扰 和延迟等一系列问题 p n 图2 2i p m 内部组成结构图 f i g 2 2i n t e r n a ls t r u c t u r eo f i p m 高度集成使得i p m 模块较第一代的b j t 和第二代的i g b t 突出了易于控制 较完善 的保护功能等特点 以本设计中所使用的i p m 为例 设计中使用了三菱机电株式会社出 品的第3 5 代智能功率模块d i p i p m 型号为p s 2 1 2 6 5 a p d i p i p m 与普通 m 相比 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 在功能上没有简化 仅仅是在封装形式上有所不同 使用了双列直插 d i p 的封装形 式 同时也减小了模块的体积 更易于安装 p s 2 1 2 6 5 0 a p 为6 单元模块 具有2 0 a 的 最大工作电流和4 5 0 v 的最高工作电压 最高承受电压为6 0 0 v 典型带载能力为 2 2 0 v a c 1 5 k w 模块内部集成了自举电路结构 配合外接自举电容和高速二极管电路 能够实现口m 驱动电路的单电源供电驱动 模块内置了过载保护电路 电源欠压保护电 路 可以通过故障输出引脚向外输出故障信号 模块的驱动控制端使用高电平驱动 消 除了低电平驱动所带来的电源和时序方面的问题 其驱动电压低至3 3 v 能够直接接受 低电压单片机或d s p 的控制 所使用的p s 2 1 2 6 5 的引脚定义如下 表2 1p s 2 1 2 6 5d i p i 蹦的引脚定义 t a b 2 1t e r m i n a l d i m e n s i o n so f p s 2 1 2 6 5d i p i p m 2 2 2i 刚的单电源供电技术 三相的b j t 或者i g b t 工作时 一般需要四路独立的供电 其目的在于防止内部上 下桥臂同时导通 但是多路电源会导致电源电路的复杂度增加 同时也增加了系统的体 积 降低了系统的稳定性 这种问题在i p m 上已经得到了较好的解决 在i p m 中 通 过自举电源技术就能够实现驱动的单电源供电 对于某一个桥臂 i p m 的自举电路结构图如下 基于m s p 4 3 0 单片机的电梯门机控制器的研制 图2 3i p m 自举电路原理图 f i g 2 3b o o t s t r a pc i r c u i to f i p m 在自举电路工作过程中 对于同桥臂的两个功率开关管i g b t l 和i g b t 2 其开关 状态流程为 i 啪i g b t 他1 撕导通h i g g 眦b t l 关撕断 l 研i g b t 1 关撕断h i g g 叽b t l 关 糯断 图2 4 i p m 中i g b t 管开关流程 f i g 2 4w o r k i n gs e q u e n c eo f l g b ti ni p m 按照工作的时序 划分为下桥臂开上桥臂关 双桥臂关 上桥臂开下桥臂关 双桥 臂关4 个阶段 对应的自举电路中的自举电容c 的充电 充电停止 放电 放电停止四 个过程 实际中电容的四个过程并不严格与桥臂的状态完全重合 1 c 的充电与停止过程 c 的充电过程起始于i g b t 2 的导通 在充电阶段电容c 上的电压可以表示为 圪2 吃一 一 r 2 一如 r 2 1 充电完成后 圪 吃 2 2 其中 吃为控制电源的电压 i p m 要求的控制电源电压为 1 5 v 为快速二极管 d 的正向电压降 2 为i g b t 2 的正向饱和电压降 由于c 充电需要一定的时间 因 大连理工大学硕士学位论文 此在电路中r c 的值需要跟据所设计的s p w m 控制信号取得合适的值 以保证c 能 够及时充电 随后i g b t 2 关闭 进入同桥臂关断状态 在关断的瞬间 电动机上的感生电流通 过并联在i g b t l 集电极和发射极两端的续流二极管f w d l 进入续流模式 在续流状态 下电容c 的负极k 点的电平被提升至接近p 处的电压 f w d l 的续流功能结束 快速二 极管d 处于反向截至状态下 能够保持住自举电容c 上存储的能量 2 c 的放电与停止过程 i g b t l 导通 h v i c 通过自举电容c 上存储的能量驱动i g b t l 由于能量的消耗 c 上的电压逐渐的从吃开始下降 当i g b t l 关闭后 通过f w d 2 开始续流 电容c 的负极k 点的电平降低到接近n 处的电压 电压下降到吃一 一k 一 时 自举电容c 重新开始进入充电状态 3 自举电路中元件的选择 在自举电路中 应当保证自举电容c 上存储的能量足够供h v i c 驱动i g b t l 的最 大导通时间 r 的阻值也应该能够保证时间常数r c 能够在i g b t 2 的最小导通时间内 对自举电容c 充电到原来的电量 根据i p m 数据手册上提供的要求 自举电容的电容值可以通过下面的公式来计算 c k t a v门m 其中 w 是i p m 中的驱动i c 所消耗的电流 一般不超过0 5 m a t 为i g b t l 的 最大导通时间 a v 为允许的最大放电电压 对于p s 2 1 2 6 5 a pd i p i p m 驱动部分的工 作电压不能低于1 3 5 v 则a v 1 5 v 自举电路中另一个关键的器件是快速恢复二极管 要求能在尽可能短的时间内从反 向截至到正向导通 另一方面要在反向截至时承受p 和n 之间的电压 在使用时既要考 虑电源的最大额定电压以及电源的波动和浪涌等因素 因此在选用二极管时 应当选用 耐压不低于6 0 0 v 并且反向恢复时间小于l o o n s 的快速恢复二极管 s p w m 信号会产生较大的电磁干扰 引起控制电源的电源干扰 因此应当在每一路 的电源输入处加入滤波电容 如在本设计中所加入的1 0 4 瓷片电容 2 2 3i 朗使用中注意的问题 根据数据手册的介绍以及在使用中所发现的问题 总结出在i p m 的使用中应当注意 的一些问题 基于m s p 4 3 0 单片机的电梯门机控制器的研制 1 对于电力电子器件 都有其最大工作电流和最大工作电压 对于p s 2 1 2 6 5 a p 来 说 应当保证其工作电压不高于4 5 0 v 浪涌时电源电压不超过5 0 0 v 正常工作情况下 输出功率不超过1 5 k w 2 电力电子器件在使用时会不同情况的发热 m m 的工作温度为 2 0 度 1 0 0 度 不 结露 在使用时 应当根据功率模块的发热量和周围环境 添加适当的被动散热或者 主动散热措施 3 p s 2 1 2 6 5 a pd i p i p m 的设计载波频率上限为2 0 k h z 设计手册上指出其频率上 限随着外界温度 湿度条件以及控制方法的不同有所变化 推荐使用5 k h z 的载波频率 实际使用时应根据所选用的控制电路 调整载波频率 4 使用外部单电源驱动i p m 内部的驱动电路时 应保证外部单电源供电稳定 添 加电源防干扰的措施 防止因电源噪声所带来的干扰而产生误动作 5 i p m 的输入的控制信号应当尽量短 以减少外界对控制信号的干扰 2 3 交流电动机运行和调速 对于交流电机 设其交流电的频率为石 则电流每秒钟变化z 次 旋转磁场每秒转 过z 转 因此当旋转磁场为一对磁极时 其转速 与交流电的频率关系为 确 z 2 4 当旋转磁场的磁极对的数目增加到 时 电流变化一次 磁场转过1 聍 转 可得 异步电机的运转公式 盟 2 5 ol z 圳 胛 其中 n 为旋转磁场转速 称为电机的同步转速 z 为定子频率 疗 是电动机的 磁极对数 当电动机通电后 电动机转子线圈在旋转磁场的作用下产生电磁力 在电磁力产生 的电磁转矩的作用下 转子便沿着磁场方向以转速h 旋转 可见转子线圈只有切割磁力 线时 转子导体才会有感生电流 产生电磁转矩使转子旋转 因此只有n 1 1 且刀 脶 时 异步电动机才能工作 这也是异步电动机工作的必要条件 6 定义旋转磁场转速啊和转子转速疗之差与同步转速啊的比为异步电动机的转差率 j s 竺型 2 6 大连理工大学硕士学位论文 在异步电动机正常运行时 转差率的变化范围为0 j 1 由公式 2 6 得出异步电机的轴转速为 月 啊0 s 盟 1 一 2 7 n p 通过公式 2 7 可以看出 异步电机的转速与供电频率有关 通过改变异步电动机 供电频率 能够改变其转速 实现电机的调速运行 异步电动机变频调速一般使用变频变压调速 v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l e f r e q u e n c y v v v f 的方式执行调速 即变频调速时按照一定的规律 同时改变定子的 有效电压和频率 因为异步电机在运行时 希望电机主磁通保持在很小的范围内变化或 者恒定不变 磁通弱会导致铁心不能充分利用 电机的转矩变小 电机的带载能力下降 磁通强 则励磁电流过大 电机会不同程度的发热 负载能力也会下降 因此变频的同 时 使定子的感应电动势与频率成正比例的变化 由电机理论 三相异步电机定子的相 电动势的有效值为明 e l 4 4 4 z n i 2 8 其中 巨是每相定予由气隙磁通感应的电动势的均方根值 z 是定子电流频率 1 定子相绕组有效匝数 o 是每极磁通量 由公式 2 8 看出 磁通量由e 和z 共同决定 在v w f 的方式下调速 需要同时改 变五和z 使工作时每极磁通量保持在额定值上 磁通的额定值就是当电机工作在其标 称的额定电压和额定频率时的磁通量 因此需要针对电机的工作频率 以电动机的额定 值 基频 为界限 分为基频以下的变频调速和基频以上的变频调速两种状态讨论 8 2 3 1 基频以下的变频调速 基频是指电动机的额定频率 当电动机运行在基频以下时 即向下调速 应使用 恒磁通变频方式调速 这种调速方式为保持电动机带载能力 根据公式 2 8 要求在 降低频率的同时 降低感应电动势 保持电动势与频率之比为常数 即 e f c 2 9 在通常情况下 电机的感应电动势e 是很难直接检测的 在基频以下的变频调速时 可以忽略定予的磁漏阻抗所造成的很小的电压降 近似的认为e l u 公式变为保持 定子相电压u 和频率z 的比值为常数 即 u z c 2 1 0 基于m s p 4 3 0 单片机的电梯门机控制器的研制 这就是恒压频比变频调速 是一种近似的恒磁通变频调速方式 但是恒压频变频调速的应用是有局限性的 随着电动机运行频率的降低 定子的磁 漏阻抗所造成的压降相对于e 来说 逐渐变得不可忽略 图2 5e 1 z 曲线与u l z 曲线 f i g 2 5 c u r v e s o fe za n du j z 因此 伴随着频率的降低 需要人为的提高电机的有效电压来补偿定子上的电压降 所造成的影响 使磁通保持恒定 2 3 2 基频以上的变频调速 电动机工作在额定频率之上时 频率增大 但受到供电电源的限制 工作电压无法 升高来满足恒磁通变频调速的条件 这里对基频以上的变频调速不再做说明 因此 电机工作在弱磁状态下 近似于恒功率变频调速 综上 电动机在变频调速 时的基本控制方式如下 图2 6 变压变频调速的压频曲线 f i g 2 6f r e q u e n c y v o l t a g eg u r v e so f v v v f 设计中 电动机的工作频率为3 h z 2 5 h z 因此电机始终工作于基频以下的变压变频 调速方式 大连理工大学硕士学位论文 2 4s p w m 变频调速工作原理 目前的变频系统通常采用交一直一交的间接式变频 交流电经过整流成为直流电 直流电通过逆变成为受控的交流电 交一直 交的变换过程也分为多种方式 目前小功 率领域所使用的最常用方式是不可控整流 受控功率逆变桥的间接式变频 这种方式下 整流电路简单 功率因数较高 p w m 控制的可控逆变期间 通过提高p w m 频率 能 够更好的还原近似的正弦波 在本设计中使用了应用广泛的正弦脉宽调制 s i n ep u l 跎w i d em o d u l i t i o n s p w m 技术 所谓的正弦脉宽调制是指将一个正弦波划分成n 个等幅但是不等宽的方波脉冲 每一个方波的宽度都与其对应时刻的正弦波的值成正比 7 j 1 9 这些等幅脉冲序列通过由 恒定直流供电的逆变器 驱动相应的开关器件 本设计中由m c u 产生符合s p w m 规律的信号经过处理后 控制受控的逆变器件 d i p i p m 中的功率器件的导通或者截止 这些受控的功率器件在m c u 输出的s p w m 信号的控制下 按照一定的时序有规律的导通或者关断 i p m 输出的s p w m 波形送到 电动机上 当需要调整电机的运行速度时 通过改变s p w m 控制信号的脉冲宽度来调 整伊m 输出的有效电压 通过改变s p w m 控制信号的周期来调整i p m 输出的频率 基 于以上的两种方法 通过控制m c u 的输出就可以控制逆变器 1 p m 的输出 以获得 满足电动机变压变频调速的受控的输出电压和频率的波形 2 2 0 v 丰 眨i 眨 一 u v w 一 i 眨c 眨i 眨 l 图2 7 变频系统系统结构图 f i g 2 7s t r u c t u r e so f f r e q u e n c yc o n v e r s i o ns y s t e m 通过在上图的六个功率器件 i g b t 的控制端输入三相s p w m 控制信号 在三个 输出端分别获得对应的三相输出 驱动三相异步电动机 在s p w m 控制方式下 由m m 的控制端输入的控制信号可以分为单极性和双极性 两种 其主要区别在于控制功率器件的导通和关断的控制波形的不同上 堑卫堕竺垫 生塑燮塑塑丝鱼 墨箜堑型 单极性控制方式下 在半个周期内每对开关管只有一个处于s p w m 信号的控制下 另一个开关管则处于关断状态 以单一桥臂为例 在半个正弦波周期内 其开关管的工 作方式如图2 8 在另外的半个周期内 则该开关管始终处于关断状态 例 燃燃 i 一刮 卅砥 肌1 图2 8 单极性s p i n i 波形图 f i g 2 8u n i p o l a r i t ys p v m lw a v e f o r m 双警譬孳制方式下 上下两个开关管在周期内始终处于工作状态下 并且一定是互 补的工作方式 其上下两个开关管的工作方式如图2 9 r 黼 粼么么艚 l 厂 j jj f1 0 舭 u j j i l i 图2 9 双极性s p 硼波形图 f i g 2 9b i p o l a r i t ys p w mw a v e f o r m 大连理工大学硕士学位论文 无论是单极性方式或者是双极性方式 其同桥臂的上下两个开关管都一定不允许有 同时导通的情况发生 否则会导致电源短路 在使用三角波对正弦波斩波时 有两个关键的参数 载波比n 和幅值比m 载波比n 指三角波频率与正弦波比率之比 也就是一个正弦波周期内所包含的经 三角波斩波所获得的完整s p w m 的周期数 定义为 丢 亿 其中 z 为载波频率 即三角波频率 工为调制波频率 即正弦波频率 在变频调速时 按照载波比是否变化 分为同步调制和异步调制 同步调制方式下 载波比n 不变化 但是当输出频率较低时 相邻脉冲间距增大 逆变到电动机后的电流波形会产生较大的失真 产生明显的谐波 影响电动机的工作 异步调制方式下 载波比n 是一个随着正弦波频率而变化的量 采用异步调制方式 可以在低频时不断的调整载波比n 增加单位正弦波周期内的s p w m 波形个数 能够 很好的保持逆变到电动机后的电流波形 改善同步电动机在低频时的工作特性 驱动三相异步电动机的s p w m 控制信号必须保持三相之间1 2 0 度的相位差 1 0 1 只 有n 取3 的整数倍时 才能保证逆变器输出波形的正 负半波始终对称 并保证其相差 关系 幅值比m 指正弦波幅值与三角波幅值之比 也称为调制度 定义为 肚等 亿埘 u 其中 为正弦波幅值 为三角波幅值 m 的取值范围为 0 m a b n 的流向 当由于断电等其他原因i g b t l 和i g b t 2 同时关 闭时 电路中将不存在闭合回路 但是由于电动机线圈 电感 的续流作用 将产生一 个很大的感生电动势 a 为负极 b 为正极 通过续流二极管f w d l f w d 4 的作用 感生电动势将直接加在p n 两端 即在这种情况下 口m 将承受可能超过其极限工作 电压的感生电压 将会造成i p m 的损坏 电路中添加压敏电阻后 由于压敏电阻的工作特性 当感生电压超过压敏电阻的额 定电压后 压敏电阻进入低阻态 电路中存在闭合回路 通过r 7 风吸收大量的感应 电压 限制了p n 两端的电压 从而保护了i p m 电源p n 两端的电路 这部分电路 是在屡次烧毁m m 的情况下所设计添加的 在后续的测试中 有效的保护了m m d i p i p l m 中内置了过流保护电路 能够在i p m 过流时 能够关断i p m 的下桥臂 并输出错误信号 f o 直到过流状态消失为止 在使用过流保护电路时 需要根据系 统正常工作时的电流选取合适阻值的采样电阻 为了避免由于引线电感干扰所引起的短 路保护误动作 应在电路中加入时间常数为1 5 2 u s 的r c 延时电路 组成三菱公司推 荐的s c 保护外部电路 4 3 3i p m 驱动电源 i p m 驱动电源是指为m m 驱动提供电源的 1 5 v 电源以及驱动芯片所使用的 5 v 部 分 这部分的工作电流极小 因此通过小型变压器隔离降压后 整流滤波获得 1 8 v 的 直流电 通过l m 7 8 1 5 获得i p m 驱动用的 1 5 v 电源 然后通过l m 7 8 0 5 获得供7 4 h c 0 4 和隔离光耦使用的 5 v 电源 基于m s p 4 3 0 单片机的电梯门机控制器的研制 图4 1 1i p m 驱动电源电路原理图 f i g 4 i1i p md r i v i n gp o w e rc i r c u i t 4 3 4l 刚驱动与隔离电路 s p w m 控制信号通过高速光藕输入到i p m 的控制端 i p m 的错误输出信号也通过 高速光耦输出到单片机的i o 口上 图4 1 2i p l i 驱动与隔离电路原理图 f i g 4 1 2d r i v i n ga n di s o l a t i n go f l p m i p m 隔离与驱动电路使用三菱公司推荐隔离驱动电路 使用高速光耦h c p l 4 5 0 4 和 非门7 4 h c 0 4 作为隔离及驱动电路 h c p l 4 5 0 4 是一种低传输延迟的光电耦合隔离器件 可以广泛的应用在i p m 等应用场合 由于光耦的驱动能力有限 以及输入的信号与光耦 输出信号的一致性两方面问题 在光耦的输出端加入了高速非门7 4 h c 0 4 4 3 5 系统低压电源的设计 根据整个系统的低压部分的电源需求 其中控制核心的m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机及其外 围的电路 如逻辑保护电路7 4 h c 0 4 和7 4 h c 0 8 用户界面部分的静态显示驱动7 4 h c 5 9 5 和l e d 数码管都工作在 3 3 v 电压下 而对外输出开关信号的4 组继电器则需要 5 v 电 压驱动 除此之外 系统接受外界输入的开关量状态信号时 需要为其提供 2 4 v 的上 拉电流 控制部分的这三组电源中 3 3 v 电源和 5 v 电源相互之间共地 2 4 v 则需要与 其他两路电源完全隔离 因此 在系统低压电源部分 仅设计了相互之问隔