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基于TMS320F2812DSP的电机调速系统摘 要电机调速是电力电子技术应用的最大领域之一，具有极大的吸引力，同时也具有较强的挑战性。它的市场异常庞大，据报道，世界上大约有100亿以上各种电机在工作，近年来，我国空调一年的产量已经超过上1000万台，仅此一项市场已非常庞大;另外，其应用面极其广泛，例如机床、电动工具、电力机车、机器人、家用电器、计算机的驱动器、汽车、船舶、轧钢、造纸和纺织行业等等。而交流异步电机由于结构简单，使用与维护方便，运行可靠、价格低廉，并具有比较满意的运行特性和比较高的效率，在传动领域具有重要的地位。交流变频调速技术的优越性主要体现在两个方面:一是节电显著;二是卓越的调速性能。本文以三相交流异步电动机为被控对象，以TMS320F2812DSP芯片为处理器，采用智能功率模块PM1OCSJ060，通过SPWM控制技术对交流电机实现恒压频比控制，设计了基于DSP的交流电机变频调速系统。关键词：DSP；变频调速智能功率模块；恒压频比控制；SPWMTMS320F2812DSP Motor Adjusting Control SystemAbstractThe speed governing of electromotor is one of the largest applied regions of the power electronic technology that has great attractive and huge challenge. Its market is thundering hugeness. It is reported that there are approximately more than ten billion different kinds of electromotor that are at work in the world. The output of our countrys air conditioning for one year has already exceeded ten millions, only this market is extremely bulkiness. In addition, the application of the speed governing of electromotor is very comprehensive, such as a chineool electric tool electric locomotive robot white goods the driver of computer automobile watercraft steel rolling paper manu facture and textile vocation and so on. Owing to the simple structure, the convenience of use and maintenance, the running credibility, the cheap price, the comparatively satisfied operating characteristic and the relatively high efficiency, the AC asynchronous motor takes on a very important station in transmission domain. The superiority of motor control technology is mostly incarnate in two aspects: One is the prominence of saving power; the other is the preeminent governing performance.In this paper, three phase AC asynchronous motor is the controlled object, regard TMS320F2812 DSP chip as the processor, based on intelligent power module (IPM) PMI0CSJ060, this system use SPWM technology to realize constant control of AC motor. We design the variable frequency variable speed induction motor control system based on DSP.Keywords: DSP；variable frequency variable speed ；IPM control method； SPWM目 录第一章 绪论11.1 电机调速发展现况和趋势11.2 电力电子技术的发展现况和趋势11.3 国内外交流调速现状21.3.1 国外现状21.3.2 国内现状21.4 本论文的研究内容3第二章 交流电机变频调速原理42.1 交流电机调速方式42.2 变频调速系统的控制方式52.3 SPWM控制技术原理72.3.1 单极性SPWM控制技术72.3.2 双极性SPWMT控制技术82.3.3 SPWM的调制方式9第三章 变频调速系统的硬件电路设计123.1 变频调速系统的总体设计123.2 主电路的设计133.2.1 整流电路133.2.2 滤波电路143.2.3 电源指示143.2.4 逆变电路153.2.5 以IPM为功率器件的驱动电路173.2.6 吸收电路183.3 系统保护电路的设计193.3.1 过压、欠压保护电路203.3.2 限流启动电路213.3.3 泵升控制电路223.4 控制电路的设计233.4.1 DSP（TMS320F2812）的最小系统电路233.4.2 频率信号输入电路273.4.3光耦隔离电路27第四章 变频调速系统的软件设计294.1 TMS320F2812芯片特点概述294.2 TMS320F2812的事件管理器(EV)304.3 SPWM波形生成原理与控制算法304.4 DSP生成SPWM波形33第五章 全文总结39致 谢40附录1.原理图42第一章 绪论1.1 电机调速发展现况和趋势电机调速是电力电子技术应用的最大领域之一，具有极大的吸引力，同时也具有一较强的挑战性。它的市场异常庞大，据报道，世界上大约有-100亿以上各种电机在工作，近年来，我国空调一年的产量已经超过1000万台，仅此一项市场己非常庞大;另外，其应用面极其广泛，例如机床、电动下具、电力机车、机器人、家用电器、计算机的驱动器、汽车、船舶、轧钢、造纸和纺织行业等等。同时，电机行业也是一个比较老的行业，其在工业上已应用了一个多世纪，虽然随着新材料的使用、计算机技术的发展，电机建模的改进和电机计算机辅助设计软件的不断推出，电机在功率密度、效率、可靠性等方面已与最初的电机有了很大的改进，但相对的变化比较缓慢。直流电机由于其便于控制和控制精度比较高的特点，在很长一段时间内被广泛应用，被人们认为难以被其它电机所取代，但随着电力电子技术的发展，各种新型器件和先进的控制方法在电机调速变换器系统中的应用，在很多的场合直流电机正逐渐被交流异步电机所代替，有人认为，在二十一世纪，直流电机将会在传动领域逐渐消失，而交流异步电机和其它类型电机的应用范围将逐渐增加。同步电机效率高，可上作在功率因数为1的工作状况下，在响应要求不高的场合，可以采用结构简单、成本低的变换器系统给它供电，正由于其具有上述优点，虽然同步电机价格比较高，但仍具有相当的竞争力。永磁同步电机因为具有比较高的效率，虽然其控制需要加装轴位置传感器，并且难以工作在弱磁调速区，但对于长期运行是有利的。无刷直流电机虽然价格比较高，但在低惯量、小尺寸的应用场合，优点比较显著，目前在中小功率范围应用比较普遍。另一种开关磁阻电机（SRW），其结构简单、价格低廉，但必须加装位置检测装置，转矩脉动和噪声也比较大，若对位置估测、转矩脉动和噪声问题有比较好的解决方案，这种电机有可能是交流异步电机的竞争对手26。 从前面几种电机特点的叙述我们可以看出，与其它几种电机相比，交流电机具有适应性强、维修简单、价格低、容易实现高速和大容量化等特点，因此过去直流电机占主要地位的调速传动领域，将逐渐被交流电机变频调速所占领。交流电机变频调速在频率范围、动态响应、调速精度、低频转矩、输出性能、功率因数、上作效率、使用方便等方面是以往的交流调速方式无法比拟的，其优越性体现在两个方面:一是节电显著;二是卓越的调速性能。 随着电力电子技术的发展变频调速系统性能逐渐改进，而成本不断下降，在另一方面，全球性的能源危机使人们对能源的绿色利用越来越重视，对于消耗了30%左右能量的电机，其驱动系统也越来越引起人们的重视，每一台电机配备一个变频调速驱动系统正获得越来越多的认同和采用，同时对变频调速驱动系统也提出了高效率、高精度、高可靠性、多功能、智能化、小型化、低成本等要求。1.2 电力电子技术的发展现况和趋势 自从1956年第一只晶闸管的问世，电力电子技术作为电子技术的一个分支建立以来，电力电子技术己取得了令人注目的发展，早期的半控型电力电子器件SCR已逐渐被全控型半导体器件所代替，并发展出了多种高电压、大电流、快速(高频)、驱动简单、复合化和智能化的功率半导体开关器件。例如，单极型器件有功率MOSFET和SIT;双极型全控器件有:GTR、达林顿管、GTO等;复合器件有IGBT, MCT,MGT,SITH等;近几年发展的智能型功率器件有IPM，SMARTFET，TOPSwitch等2。其中场效应晶体管(MOSFET)作为一种电压控制型多子器件，具有快速、安全工作区大、容易驱动的特点，因此，近些年来MOSFET和以MOSFET为基础的复合型器件被广泛应用在高频开关和电机控制中，并随着生产工艺和制造技术的发展，性能不断被改进。例如MOSFET的通态内阻不断减小，新的MO SFET通态内阻不仅比PN结的正向好，甚至比肖特基二极管的正向内阻还小，己成为最佳的整流器件之一;以MOSFET为基础的复合型器件IGBT, IEGT, MER（固态继电器)、FETKEY （MOSFET+SCHOTTKY)等器件耐压不断增加，电流逐渐增大。如目前IGBT耐压己达到4500V以上，TEGT已有4500V/1000A的产品。同时由于电压控制型器件的应用，使功率开关管的驱动电路大大简化，例如IGBT器件的门极驱动电路比双极型晶体管的基极驱动电路所用的元器件要小得多，而且，所需要的驱动功率也比双极型晶体管的基极驱动电路的要少很多，从而使将驱动电路和功率开关管集成在同一芯片或模块中成为可能，并且经过了近些年来的发展，功率电子器件制造公司以推出了多种有智能特性的复合器件或模块，例如SMARTFET和IPM，它们内部不仅集成了各种自保护功能，也将控制芯片集成在里面。其中SMARTFET是采用了微电子工艺集成的器件，IPM是一种智能功率模块。从电力电子器件的发展历程，我们可以看出电力电子器件正在向高耐压、大电流、小的正向内阻、智能化的电压控制型器件发展。1.3 国内外交流调速现状1.3.1 国外现状 在大功率交一交变频调速技术方面，法国阿尔斯通己能提供单机容量达3万kW的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为6万kW的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门了公司Simovert A电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10-2600 kVA，其控制系统己实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。在小功率交流变频调速技术方面，日本富士BJT变频器最大单机容量可达700kVA, IGBT变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。国外交流变频调速技术高速发展有以下特点:(1)市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和能源的全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等的节能场合，己取得显著的经济效益；(2)功率器件的发展。近年来高电压、大电流的SCR，GTO，IGBT, IGCT等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高电压、人功率变频器产品的生产及应用成为现实；(3)控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础，16位、JG 位高速微处理器以及数字信号处理器(DSP)和专用集成电路（ASIC ) 技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能提供了硬件手段；(4)基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、专业化生产；1.3.2 国内现状 从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10-15年15。在大功率交一交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方一面与国外还有相当大的差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组起动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬方面有很大需求。在中小功率变频技术方面，国内学者作了大量的变频理论的基础研究，早在二十世纪80年代，已成功引入矢量控制的理论，针对交流电机具有多变量、强耦合、非线性的特点，采用了线性解耦和非线性解耦的方法，探讨交流电机变频调速的控制策略。进入90年代，随着高性能单片机和数字信号处理器的使用，国内学者紧跟国外最新控制策略，针对交流感应电机特点，采用高次谐波注入SPWM和空间磁通矢量PWM等方法，控制算法采用模糊控制、神经网络理论对感应电机转子电阻、磁链和转矩进行在线观测，在实现无速度传感器交流变频调速系统的研究上作了大量的有益基础研究。在新型电力电子器件应用方面，由于GTR, GTO, IGBT, IPM等全控型器件的使用，使得中小功率的变流主电路大大简化，大功率SCR, GTO, IGBT, IGCT等器件的并联、串联技术的应用，使高电压、大电流变频器产品的生产及应用成为现实。在控制器件方面，实现了从16位单片机到32位DSP的应用。国内学者一直致力于变频调速新型控制策略的研究，但由于半导体功率器件和DSP等器件依赖进口，使得变频器的制造成本较高，无法形成产业化，与国外的知名品牌相抗衡。国内几乎所有的产品都是普通的控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大量进口高性能的变频器。 国内交流变频调速技术产业状况表现如下:(1)变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模；(2)变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白；(3)相关配套产业及行业落后；(4)产销量少，可靠性及上艺水平不高；1.4 本论文的研究内容本文在掌握交流电机变频调速基本原理的基础上，采用电机控制专用DSP芯片TMS320L2812，运用变频调速的控制方式和SPWM控制算法，提出了交流电机变频调速系统的总体设计方案，并详细闸述了其中关键技术的研究和设计。控制方式的变频调速系统是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路比较简单，电机选择通用标准异步电动机，因此其通用性比较强，性能/价格比比较高。具体研究工作包括:交流电机变频调速原理的研究;变频调速系统硬件电路的研究和设计，包括主电路、系统保护电路和控制电路;变频调速系统控制软件的研究和设计。第二章 交流电机变频调速原理2.1 交流电机调速方式根据电机学原理知识，可以得到交流电机的转速公式为: （2-1）由式（2-1）可以看出，交流电机调速方法主要有三大类:其一是在电机中旋转磁场的同步转速恒定时，调节转差率S，称为变转差率调速;其二是调节供电电源频率，称为变频调速;三是改变电机定了绕组的极对数，称为变极调速。(1)变极调速:变极调速一般是通过改变定子绕组的接线方式来改变电动机的定子绕组极对数，从而达到调速的目的。它既不是恒转矩调速方式，也不是恒功率调速方式。优点: 具有较硬的机械特性，稳定性良好。 无转差损耗，效率高。 接线简单、控制方便，易维修、价格低。缺点: 有级调速，级差较大，不能获得平滑调速，且由于受到电动机结构和制造上艺的限制，通常只能实现23种极对数的有级调速，调速范围相当有限。(2)变转差率调速:变转差率调速实现方法众多，例如调压调速、转子串电阻调速、串极调速和滑差离合器调速等方法。交流电动机的输出功率:的表达式为: （2-2） 其中M-电磁转矩 -电机旋转磁场的速度 -旋转磁场的同步速度 S -转差率式（2-2)中称为交流电动机的转差功率，这一部分功率主要消耗在转子阻抗上。因此，当s增大时，电动机的损耗也将会增大。由此可以看出，调节电机转差率s调速是一种耗能的调速方法，是低效率的调速方式。(3) 变频调速:变频调速是通过改变电动机定子电源的频率，来实现调速的方法，即调节来调速。在转矩恒定时，s基本不变，交流电动机的输出功率与输入电磁功率只，与输出电磁功率成比例变化，损耗基本没有增加，是一种高效的调速方法。 优点:效率高，调速过程中没有附加损耗。 应用范围广，可用于笼型交流电动机。 调速范围大，特性硬，精度高。 对于低负载运行时问较多或起停运行较频繁的场合，可以达到节电和保护电动机的目的。 缺点:技术复杂，造价高，维护检修困难。从上述比较可以看出，与变极调速和变转差率调速相比，变频调速可在宽广的范围内实现无级调速，并可获得很好的起动和运行特性，是种效率比较高的调速方法。2.2 变频调速系统的控制方式电机定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果，本质上是定子绕组的自感电动势。其三相交流异步电机每相电动势的有效值是: （2-3）式中：-气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值; -与绕组结构有关的常数; -定子频率; -定子每相绕组串联匝数; -每极气隙磁诵量:由上式可见，如果定子每相电动势的有效值不变，改变定子频率时会出现下面两种情况: 如果大于电机的额定频率，那么气隙磁通量就会小于额定气隙磁通量其结果是:尽管电机的铁心没有得到充分利用是一种浪费，但是在机械条件允许的情况下长期使用不会损坏电机。 如果小于电机的额定频率那么气隙磁通量就会大于额定气隙磁通量中其结果是:电机的铁心产生过饱和，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。因此，要实现变频调速，在不损坏电机的条件下，充分利用铁心，发挥电机转矩的能力，应在变频时保持每极磁通量为额定值不变。(1)基频以下调速 上式（2-3）可知，要保持不变，当频率从额定值向下调节时，必须同时降低=常数，即采用电动势与频率之比恒定的控制方式。当电动势的值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压，则得=常数。 这是恒压频比的控制方式。在恒压频比的条件下改变频率时，我们能证明:机械特性基本上是平行下移的，如图2-3-1所示，当转矩T增大到最大值后，特性曲线就折回来了。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，这时转矩T基本上随磁通变化，由于在基频以下调速时磁通恒定，所以转矩T由恒定。根据电机与拖动原理，在基频以下调速属于“恒转矩调速”的性质。低频时，和都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能再忽略。这可以人为地把电压抬高一些，以便近似地补偿定子压降。图2-2-1 基频以上调速时的机械特性(2)基频以上调速 在基频以上调速时，频率可以从JIN往上增高，但电压队却不能超过额定电压，最多只能保持。由式(2-3)可知，这将迫使磁通随频率升高而降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。 在基频以上变频调速时，由于电压不变，我们不难证明当频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩T减小，机械特性上移，如图2-3-2所示由于频率提高而电压不变，气隙磁动势必然减弱，导致转矩T减小。由于转速n升高了，可以认为输出功率基本不变。所以，基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。图2-2-2基频以上调速时的机械特性把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得图2-3-3。图2-2-3交流电动机变频调速控制特性2.3 SPWM控制技术原理我们期望变频器输出的电压波形是纯粹的正弦波形，但就目前的技术，还不能制造功率大、体积小、输出波形如同正弦波发生器那样标准的可变频变压的逆变器。目前很容易实现的一种方法是:逆变器的输出波形是一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，这些波形与正弦波等效，等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合。这样，有n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效，称为SPWM波形。产生正弦脉宽调制波SPWM的原理是:用一组等腰三角形波与一个正弦波进行比较，如图2-3-1所示，其相交的时刻(即交点)来作为开关管“开”或“关”的时刻。正弦波大于三角波时，使相应的开关器件导通；当正弦波小于三角载波时，使相应的开关器件截比。 对三相逆变管生成SPWM波的控制可以有两种方式，一种是单极性控制，另一种是双极性控制。图2-3-1 SPWM控制的基本原理图2.3.1 单极性SPWM控制技术采用单极性控制时在正弦波的半个周期内每相只有一个开关器件开通或关断，例如A相的V1反复通断，如图2-3-2所示。这时的调制情况是:当正弦调制波电压高于三角载波电压时，相应比较器的输出电压为正电平，反之则为零电平。只要正弦调制波的最大值低于三角载波的幅值，由图2-3-2.(A)的调制结果必然形成图2-3-2.(B)所示的等幅不等宽而且两侧窄中间宽的SPWM脉宽调制波形。负半周用同样的方法调制后再倒相而成。图2-3-2单极性脉宽调制波的形成(A)调制波和载波 (B)单极性SPWM波形单极性调制的工作特点:每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断的工作，另一个完全截止;而在另半个周期内，两个器件的工作情况正好相反。流经负载z的便是正、负交替的交变电流，如图2-3-3所示。图2-3-3 单极性调制工作特点2.3.2 双极性SPWMT控制技术双极性调制技术与单极性相同，只是功率开关器件通断情况不一样。图2-3-4绘出了三相双极式的正弦脉宽调制波形。当A相调制波时，导通，关断，使负载上的相电压为 (假设交流电机定子绕组为星型联接，其中性点O与整流器输出端滤波电容器的中点0相连，那么当逆变器任一相导通时在电机绕组上所获得的相电压为见图2-3-4.(b);当时，关断而导通，则所以A 图2-3-4 双极性SPWM逆变器三相输出波形相电压Ua是以和为幅值作正、负跳变的脉冲波形。同理，图2-3-4（c）的是由和交替导通得到的，图2-3-4.(d)的是由和交替导通得到的。由和相减，可得逆变器输出的线电压波形 图2-3-4(e)。的脉冲幅值为和。尽管相电压是双极性的，但是合成后的线电压脉冲系列与单极性相电压合成的结果一样都是单极性的。 综上所述，双极性调制的工作特点:逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，而流过负载Z的电流是按线电压规律变化的交变电流，如图2-3-5所示。图2-3-5双极性调制工作特点2.3.3 SPWM的调制方式SPWM波毕竟不是真正的正弦波，它仍然含有高次谐波的成分，因此尽量采取措施减少它。图2-3-6是通过电动机绕组的SPWM电流波形。显然，它仅仅是通过电动机绕组滤波后的近似正弦波。图中给出了载波在不同频率时的SPWM电流波形，可见载波频率越高，谐波波幅越小,SPWM波形越好。因此希望提高载波频率来减小谐波。另外，高的载波频率使变频器和电机的噪声进入超声范围，超出人的听觉范围之外，产生“静音”的效果。但是，提高载波的频率要受逆变开关管的最高开关频率限制，而且也形成对周围电路的干扰源。 (a)调制频率较低时的电流波形(b)载波频率较高时的电流波形图2-3-6 SPWM电流波形 SPWM的调制方式有三种:同步调制、异步调制和分段同步调制。在一个调制信号周期内所包含的三角载波的个数称为载波频率比。在变频过程中，即调制信号周期变化过程中，载波个数不变的调制称为同步调制，载波个数相应变化的调制称为异步调制。(1)同步调制 在改变正弦信号周期的同时成比例地改变载波周期，使载波周期与信号频率的比值保持不变。对于三相系统，为了保证三相之间对称，互差120o相位角，通常取载波频率为3的整数倍。而且，为了双极性调制时每相波形正负波形对称，上述倍数必须是奇数，这样在信号波180o处，载波的正负半周恰好分布在180o处的左右两侧。由于波形的左右对称，这就不会出现偶次谐波问题。但是这种调制，在信号频率较低时，载波的数量显得稀疏，电流波形脉动大，谐波分量剧增，电动机的谐波损耗及脉动转矩也相应增大。而且，此时载波的边频带靠近信号波，容易干扰基波频域。为了克服这个缺点，必须在低频时提高载波比，这就是异步调制方式。(2)异步调制 异步调制方式是指在整个变频范围内，载波比都是变化的。一般在改变调制频率时保持三角载波频率不变，因此提高了低频时的载波比，在低频工作时，逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数可以随着输出频率的降低而增加，相应的减小了负载电机的转矩与噪声，改善了低频时的工作特性。但是由于载波比随着输出频率的降低而连续变化时，逆变器输出电压的波形其相位也会发生变化，很难保持三相输出的对称关系，因此会引起电动机的工作不稳定。(3)分段同步调制 为了克服同步调制和异步调制的缺点，可以将他们结合起来，组成分段同步调制方式。分段同步调制是指在一定的频率范围内，采用同步调制，保持输出波形对称的优点，当频率降低较多时，使载波比分段有级的增加，这样就利用了异步调制的优点。具体实现方法是把逆变器整个变频范围划分为若干个频段，在每个频段内都维持载波比恒定，对于不同频段取不同的载波比，频率较低载波比取大点，一般有经验参数可取。第三章 变频调速系统的硬件电路设计3.1 变频调速系统的总体设计 本文设计的系统以TI公司的TMS320F2812为控制核心，由主电路、系统保护电路和控制电路组成，其总体设计图如图3-1-1所示:图3-1-1 基于DSP的变频调速系统总体设计图其中主电路部分由整流电路、滤波电路、逆变电路(IPM)和IPM驱动电路与吸收电路组成。其工作原理是把单相交流电压通过不可控整流模块变为直流电压，整流后的脉动电压再经过大电容C1,C2平滑后成为稳定的直流电压。IPM逆变电路对该直流电压进行斩波，形成电压和频率均可调的三相交流电，提供给电机。系统保护电路包括过压、欠压保护、限流启动、IPM故障保护与泵升控制等。过压、欠压保护是利用电阻分压采集母线电压，与规定值相比较;限流启动是由于开启主回路时，大电容充电瞬间引起的电流过大，这样可能会损坏整流桥，因此在主回路上串联限流电阻R1，当电容电压达到规定值时，启动继电器把R1短路，主回路进入正常上作状态;IPM故障保护是IPM内部集成的各种保护功能，包括过电流保护功能、短路保护功能、控制电源欠电压保护和管壳及管芯温度过热保护。把上述各种故障信号进行综合处理后形成总的故障信号送入DSP(TMS320F2812)的PDPINTA故障中断入日，进而封锁DSP的PWM波输出。控制电路包括DSP最小系统电路、频率输入电路、光耦隔离电路等。最小系统由DSP本身和外扩的数据SRAM、程序SRAM、复位电路、晶振、译码电路、电源转换电路和仿真接口JTAG电路组成，仿真接口JTAG电路是为了实现在线仿真，同时在调试过程装载数据代码和程序代码;频率输入电路可以设置系统要输出的SPWM波的频率;光耦隔离电路是为了把DSP输出的弱电信号和主电路的强电信号进行可靠隔离。3.2 主电路的设计 主电路原理图由整流电路、滤波电路、逆变电路(IPM)和IPM的吸收电路组成。主电路采用典型的交直交电压源型通用变频器结构，输入功率级采用单相桥式不可控整流电路RB1,整流输出经中间环节大电容(由C1到C4电容组成)滤波，获得平滑的直流电压。逆变部分通过功率器件IGBT的导通和关断，输出交变的脉冲电压序列。由于功率器件开关频率过高，会用变频器结构，输入功率级采用单相桥式不可控整流电路RB1, 整流输出经中间环节大电容(由C1到C4电容组成)滤波，获得平滑的直流电压。逆变部分通过功率器件IGBT的导通和关断，输出交变的脉冲电压序列。由于功率器件开关频率过高，会产生电压尖脉冲，因此需要吸收电路来消除该尖峰。图中C5为C型吸收电路，R6到R11和C6到C11组成RC型吸收电路。发光二极管DSP用来显示滤波电容两端的电量。下面详细介绍各个部分电路及元件参数。(被控电动机参数为:联接，额定功率为,额定电压队,额定电流,额定频率，额定转速。3.2.1 整流电路 整流电路由4个整流二极管组成单相不可控整流桥，它们将电源的单相交流全波整流成直流。整流电路因变频器输出功率大小不同而异。小功率的，输入电源多用220V，整流电路为单相全波整流桥;大功率的，一般用三相380V电源，整流电路为三相桥式全波整流电路。本设计采用的是单相整流桥。整流二极管的计算，通过二极管的峰值电流: (3-1)流过二极管的有效值： （3-2）二极管电流额定： （3-3）考虑滤波电容的充电电流影响，要有更大的电流裕量，选用整流二极管的电压定额: （3-4） =622933（V）选用。根据上面计算的电压和电流以及市场价格和供货情况，实际选用的单相整流桥为10A,1000V。3.2.2 滤波电路 在整流电路中输出电压是脉动的，另外，在逆变部分产生的脉动电流和负载变化也使得直流电压产生脉动，为了将其中的交流成分尽可能的滤除掉，使之变成平滑的直流电，必须在其后加上一个低通滤波电路。这里采用常用的电容滤波电路，在整流输出端并入大电容，整流输出直流电压含有很多偶次谐波，频率越高，电容容抗越小，分流作用越大，谐波被滤除的就越多，输出电压的平均值就越大。滤波电容除了滤除整流后的电压纹波外，还在整流电路与逆变器之间起去耦作用，以消除相互干扰，这就给作为感性负载的电动机提供必要的无功功率。因而，中间直流电路电容器的电容量必须较大，起到储能作用，所以中间直流电路的电容器又称储能电容器。在没有加入滤波电容时，单相整流桥输出平均直流电压为: （3-5）加上滤波电容后，的最高电压可达交流线电压的峰值: （3-6） 假设输入电压的波动范围为200V 240V，当输入电压对应240 V的输入，整流后的电压为324V。又设电源功率因数为0.9，那么每一个周期，电容吸收的能量为: （3-7）式中为电机输出功率，为峰值电压，为最小交流输入电压考虑到纹波的需要，最小的交流输入电压应该在200V以上，所以有: （3-8） 滤波电容理论上讲越大越好，实际中考虑价格我们选择4个450伏的电解电容，分别两个井联后再2个串联，最后等效为一个耐压90伏的电容。并联在电容两端的为均衡电阻，由于电容的各个参数不是完全相同，此均衡电组使串联的电容分压相同，同时在电源关断时，给电容提供一个放电回路，此电阻阻值选用。3.2.3 电源指示 发光二极管DSP除了表示电源是否接通以外，还有一个十分重要的功能，即在主电路切断电源后，显示滤波电容上的电荷是否己经释放完毕。由于滤波电容的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，如果滤波电容没有快速放电的回路，其放电时间往往长达数分钟。又由于滤波电容上的电压较高，如电荷不放完，将对人身安全构成威胁。3.2.4 逆变电路 逆变电路的功率开关器件选用的是以绝缘栅双极晶体管（IGBT)为核心的智能功率模块(IPM)。IGBT是90年代出现的新一代复合型电力电子器件，它集合了MOSFET和GTR的优点，适合于高速、低功耗的场合，如电机控制，开关电源等。IGBT具有耐压高、电流大、开关频率高、导通电阻小、控功率小等特点。而智能功率模块（IPM)是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在同一个模块内，是电力集成电路PIC的一种。目前的IPM一般采用IGBT作为大功率开关器件。(1)IPM的主要特性 采用低饱和压降，高开关速度，内设低损耗电流传感器的IGBT功率器件。该电流传感器是射极分流式采样，电阻上流过的电流很小，且与开关流过的大电流成确定比例关系，从而可代替一般要外接的电流互感器，如霍尔电流传感器等检测元件。同时饱合压降和开关速度之间的关系达到最优化，具有足够的安全工作区，能很好地满足由控制IC给出的保护范围。采用单电源逻辑电压输入优化的栅极驱动，实行RTC(实时逻辑栅区)控制模式。以严密的时序逻辑监控保护，可防止过电流、短路、过热及欠电压等故障发生。带RC信号干扰抑制和电源干扰抑制。IPM内置各种保护功能。只要有一个保护电路起作用，IGBT的门极驱动电路即关闭，同时产生一个故障信号，可送至DSP进行相应处理。(2)IPM的内部基本结构IPM的内部基本结构如图3-2-2所示，其基本结构为IGBT单元组成的三相桥臂;内含续流二极管;内置驱动电路、保护电路和报警输出电路。IPM管脚的功能如下表31所示。图3-2-2 IPM内部基本结构原理图表 3-1管脚功能VUPC（1）上桥臂U相驱动电源+端输入UFO（2）上桥臂U相故障输出端(低有效)UP（3）上桥臂U相驱动信号输入端（低有效)VUPI（4）上桥臂U相驱动电源一端输入VVPC（5）上桥臂V相驱动电源+端输入VFO（6）上桥臂V相故障输出端（低有效)VP（7）上桥臂V相驱动信号输入端（低有效)VUPI（8）上桥臂V相驱动电源一端输入VWPC（9）上桥臂W相驱动电源+端输入WFO（10）上桥臂W相故障输出端（低有效)WP（11）上桥臂W相驱动信号输入端（低有效)VWPI（12）上桥臂W相驱动电源一端输入VNC（13）下桥臂共用驱动电源一端输入VN1（14）下桥臂共用驱动电源+端输入UN（15）下桥臂U相驱动信号输入端（低有效)VN（16）下桥臂V相驱动信号输入端（低有效)WN（17）下桥臂W相驱动信号输入端（低有效)FO（18）下桥臂共用故障信号输出端（低有效)P（19）直流侧输入+端N（20）直流侧输入一端U（21）逆变器三相输出端V（22）W（23）(3)IPM的选取 IGBT正反向峰值电压为: （3-9） IGBT电压定额为: （3-10） 式中:1.5-安全裕量 1.2-考虑大电容滤波后的电感升高系数IGBT通态峰值电流为: （3-11）IGBT电流定额为: （3-12） 式中:1.5-安全裕量 1.2-考虑电机的过载倍数 故可选用l0A/600V的IPM模块，型号为PM10CSJ060。(4)续流电路 续流二极管的主要功能有: 电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量。续流二极管为无功电流返回直流电源提供“通道”。 当频率下降、电动机再生制动状态时，再生电流将通过续流二极管返回直流回路。 IGBT（Q1Q6)进行逆变的基本工作过程:同一桥臂的两个逆变 管，处于不停的交替导通和截止的状态。在这交替导通和截止的换相过程中，也不时地需要续流二极管提供通路。(5)IPM逆变器开关频率的确定 在变频调速系统中，采用SPWM逆变电路可以大大降低逆变电路输出电压的谐波，使逆变电路的输出电流接近正弦波。谐波的减少取决于逆变电路功率元件的开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。 尽管智能功率模块IPM的开关频率可达1020kHa，但在确定逆变电路开关频率时，除了应使逆变电路输出接近正弦波，还要考虑器件的开关损耗，以保证变频调速系统具有较高的效率。因此，必须全面衡量后再确定采用IPM的逆变电路的开关频率。本系统开关频率选用1.8kHz。3.2.5 以IPM为功率器件的驱动电路(1)驱动电源当控制信号(栅极驱动)与主电流共用一个电流路径时，由于主回路有很高的di/dt，至使在具有寄生电感的功率回路产生感应电压，而导致可能感应到栅极把本来截止的IGBT导通。因此IPM驱动电源需要采用四组隔离电源。上桥臂每相各用一组电源，下桥臂三相共用一组。驱动电源电压在13.5V16.5V之间，IPM能够正常工作。若电源电压高于16.5V，则IGBT因驱动电源电压过高，保护性能得不到充分的保证，高于20V时IGBT管的栅极会损坏，因此绝对不能加如此高的电压。若电源电压低于13.5V时IGBT驱动电源电压不足，这时控制信号为无效操作。典型的工作电压一般取15V。制作驱动电源时，应尽量降低纹波电压，还要使电源的附加噪声降到最小。可在控制电源输出端接及的滤波电容，保持电源平稳，修正线路阻抗。(2)控制信号输入 控制电路电流与开关频率有关(见表32)，因此控制端加一个上拉电阻。上拉电阻应尽可能小以避免高阻抗IPM拾取噪声，但又要足够可靠地控制IPM。表32 控制端电流与开关频率的关系单位mAN端P端DC20kHzDC20kHz型号Typ.MaxTyp.MaxTyp.MaxTyp.MaxPMOCSJ06018 2523. 327 108 12在PWM信号输入端必须用高速光耦进行隔离，一般取光耦的开关速度tPHL,tPHL,通常的型号有:HCPL4504,TLP559,6N136，并且在光耦输出端接一个的退耦电容。 故障信号Fo使用时必须注意，当TFO=1.8ms（典型值)有效时，IPM会关断开关并使输入无效。在Fo结束后，自动复位，同时使输入有效。因而在Fo输出时系统必须在 1.8ms内使PWM信号无效，等故障排除后方可重新有效。低速光耦可用于故障输出端。(3)IPM的自保护功能 IPM内部集成自保护功能，共有4路保护，分别是下桥臂月路保护UFO，VFO，WFO，下桥臂公用保护Fo。每个保护都包括过温、过流、欠压、短路保护。如果其中有一种保护电路动作，IGBT栅极驱动单元就会关断电流并输出一个故障信号，各个保护功能的工作情况将在保护电路中进行介绍。3.2.6 吸收电路开关过电压是IGBT在开关状态转换过程中产生的过电压，也叫瞬态过电压，消除这种电压尖峰的电路叫吸收电路（snubber)。回路中引线的杂散电感LS和开关转换时的电流变化率就产生了开关过电压，即LSdi/dt。吸收电路的类型 RC吸收电路（如图3-2-4所示）因电容C的充电电流在电阻R上产生压降，会造成过高的过冲电压。RCD吸收电路因二极管旁路了电阻R上的充电电流，克服了过冲电压较高的缺点。RC吸收及RCD吸收电路直接并联在IGBT的C, E极两端，IGBT关断时吸收电容C、的电压从零开始上升，因而具有较好的过电压吸收效果。使得IGBT关断时的电流、电压的运行轨迹靠近电流、电压坐标轴，提高了IGBT关断时的安全性，降低了它的关断损耗。但电阻R,需承受电容C。从零电压开始充放电的电流，使它的功耗较大。图3-2-4 充放电型吸收电路(1)吸收电路参数计算本系统采用的是充放电型RC吸收电路。由于本系统在主电路直流侧电压