发布时间 : 星期四 文章基于稳态模型的恒压频比控制的交流调速系统的仿真与设计(DOC)更新完毕开始阅读
第四章、硬件设计
4.1、变频调速系统的整体设计
本文设计的系统以TI公司的TMS320F2812为控制核心，其总体设计图如图4.1
M 限流起动 电压检测 IPM故障泵升控制 IO接口 频率输入 IO接口 过欠压保护 故障保护 PWM 驱动电路 中央处理器 光电耦合 图4.1 整体系统设计
其中主电路部分由整流电路、滤波电路、逆变电路(和IPM驱动电路与吸收电路组成。几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滤波后成为稳定的基于DSP的交流电机变频调速系统的设计直流电压。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。
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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，主回路进入正常工作状态;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故障中断入口，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。
4.2主电路的设计
主电路原理图如图3-2所示，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一直一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4.2 系统主电路
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4.2.1 整流电路
整流电路由6个整流二极管组成三相不可控整流桥，它们将电源的三相交流全波整流成直流。整流二极管的计算，通过二极管的峰值电流:
Im?22IN?22?12?33.94A (4-1) 流过二极管电流的有效值:
ID?1360?1800Im2d(?t)?12Im?24.05A (4-2)
二极管电流定额:
In?(2~3)ID?1.12~1.68A=48一72A (4-3)
考虑滤波电容的充电电流影响，要有更大的电流裕量，选用IN?10A整流二极管的电压定额:
Un?(2~3)Um?(2~3)?1.732?220?762~1143(V) (4-4)
选用1000V。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60A, 1000V.
4.2.2 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:
UD?32?UN?32??380?514V (4-5)
加上滤波电容后，UD的最高电压可达交流线电压的峰值: UDm?2?UN?2?380?537V (4-6)
假设输入电压的波动范围为200V ~240V，当输入电压对应240V的输入，整
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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:
E?POUT122?Cm(Upk?Umin) (4-7) nf2式中POUT为电机输出功率，Upk为峰值电压，Umin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:
Cm?2POUT2?60??47?F (4-8) 22nf(Upk?Umin)0.9?50(3112?2002)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330uf的电解电容，分别两个并联后再2个串联，最后等效为一个耐压900伏330uf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，此均衡电阻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47k?。
发光二极管DS1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已经释放完毕。
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。
4.2.3 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80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。IGB T具有耐压高、电流大、开关频率高、导通电阻小、控制功率小等特点。而智能功率模块仁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
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