本實(shí)用新型涉及的是一種異步電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,導(dǎo)致環(huán)境污染問題變得越來越嚴(yán)重,尤其是過去幾年人們大量的使用汽柴油,對環(huán)境造成了極大的影響。為了有效的解決大量燃燒汽柴油對環(huán)境造成的危害,目前世界許多國家都在積極地改造各自的鐵路網(wǎng),逐漸用更高效、更環(huán)保的交流傳動(dòng)電力機(jī)車、電動(dòng)車組來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車。此外,越來越多的國家正在投入大量的資源進(jìn)行電動(dòng)汽車的開發(fā)研制。交流傳動(dòng)電力機(jī)車、電動(dòng)汽車的核心技術(shù)之一就是先進(jìn)的交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)。目前，交流調(diào)速技術(shù)目前己經(jīng)開始朝著高頻化以及智能化方向發(fā)展，因此，需要進(jìn)一步提升交流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性和可靠性，同時(shí)能夠降低其價(jià)格。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本實(shí)用新型提出一種異步電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)。

該異步電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)包括功率變換電路、電壓檢測電路、電流檢測電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、驅(qū)動(dòng)電路、DSP核心電路和電源電路，其中功率變換電路由依次順序連接的橋式不可控整流電路、中間直流電路和三相全橋逆變電路組成，中間直流電路包括兩個(gè)串聯(lián)電容器組以及分別并聯(lián)在兩個(gè)電容器組兩端的電阻，電壓檢測電路檢測中間直流電路的輸出電壓，電流檢測電路檢測三相全橋逆變電路的輸出電流，轉(zhuǎn)速檢測電路檢測所述異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，檢測出的輸出電壓、輸出電流和轉(zhuǎn)速都發(fā)送至DSP核心電路，由DSP核心電路經(jīng)過分析處理后向驅(qū)動(dòng)電路輸出PWM控制信號，由所述驅(qū)動(dòng)電路控制三相全橋逆變電路，所述電源電路為DSP核心電路供電，所述異步電機(jī)的電能由電網(wǎng)電能經(jīng)功率變換電路提供。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1為根據(jù)本實(shí)用新型的異步電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖。

圖2為根據(jù)本實(shí)用新型的異步電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的功率變換電路的電路圖。

具體實(shí)施方式

為了更好的理解本實(shí)用新型的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本實(shí)用新型提供的實(shí)施例。

該異步電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路主要由DSP核心電路、交-直-交功率主電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路以及信號檢測電路組成。

本系統(tǒng)采用TMS320F2812作為DSP核心電路的芯片。TMS320F2812是TI公司推出的一款32位定點(diǎn)DSP芯片,是TI公司的28x系列成員之一。該芯片具有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域,尤其是應(yīng)用在對運(yùn)算速度、運(yùn)算精度都有很高要求的電機(jī)控制領(lǐng)域。該芯片主要有以下特征:

(1)釆用了高性能的CMOS低功耗技術(shù),主頻高達(dá)150MHz,時(shí)鐘周期僅為6.67ns。內(nèi)核電壓為1.8V, IO口工作電壓為3.3V。

(2)釆用高性能的32位中央處理器,一個(gè)周期內(nèi)能完成32位X32位的乘法累加運(yùn)算,一個(gè)周期內(nèi)能完成2個(gè)16位X16位的乘法累加運(yùn)算。

(3)片內(nèi)含有16位的128K的FLASH空間。外部可擴(kuò)展多達(dá)lMxl6位的總存儲空間。3個(gè)獨(dú)立的片選信號,可編程的等待時(shí)間。

(4)內(nèi)含看門狗定時(shí)器模塊。具有片內(nèi)振蕩器。支持動(dòng)態(tài)鎖相環(huán)倍頻技術(shù)。

(5)含有3個(gè)外部中斷。外部中斷模塊PIE支持96個(gè)外部中斷源。

(6)CPU含有3個(gè)32位的定時(shí)器。

(7)具備128位的安全密鑰,可以保護(hù)FLASH、ROM等存儲空間的程序代碼，防止系統(tǒng)軟件被隨意修改或者讀取。

(8)具備實(shí)時(shí)分析以及設(shè)置斷點(diǎn)功能,支持硬件實(shí)時(shí)仿真。

如圖2所示，功率變換電路由二極管橋式不可控整流模塊、中間直流電路以及三相全橋逆變電路組成。逆變電路采用分立的IGBT元件構(gòu)成。

單相交流電經(jīng)整流橋全橋整流之后成直流電,如電源電壓為U_N,則全波整流后平均直流電壓Ud的大小是0.9倍U_N。我國工業(yè)電源的電壓為220V,考慮濾波電容的因素,直流電壓U_d大小是1.2倍U_N，即大約為265V。由于負(fù)載突變時(shí),直流母線的電壓波動(dòng)較大,因此采用電容器來維持直流母線電壓的相對穩(wěn)定。此外,電容還可以減小交流電整流之后的電壓紋波。一般系統(tǒng)中采用電解電容作為中間直流電路的濾波電容。由于受到電解電容的容量和耐壓值的限制,變壓變頻系統(tǒng)中的濾波電容通常由若干個(gè)電容器并聯(lián)成一組,又由兩個(gè)電容器組串聯(lián)而成,一般同型號的電解電容器電容量有較大的離散性,這會使上下兩只電容所受的電壓不平衡,為了消除這種不平衡,在兩只電容上各并聯(lián)一只阻值相等的電阻。

逆變電路采用三相全橋結(jié)構(gòu),由六個(gè)分立的IGBT器件組合而成。由于IGBT的開關(guān)頻率很高,且內(nèi)部的三個(gè)結(jié)之間存在寄生電容及寄生電感,關(guān)斷時(shí)會產(chǎn)生很大的Ldi/dt,從而在模塊周邊的分布電感上會產(chǎn)生很高的尖峰電壓(關(guān)斷浪涌電壓),如果對其不加以抑制,則很有可能會對IGBT器件造成過壓擊穿。為了限制上述尖峰電壓,根據(jù)電容的特性,采用在IGBT的集電極C和發(fā)射極E極之間并聯(lián)上一只電容,電容可以抑制IGBT關(guān)斷瞬間C和E極之間電壓的突變。IGBT從通到斷的過程中電容被充電,當(dāng)IGBT開通的時(shí)候,電容就與IGBT形成放電回路。由于IGBT導(dǎo)通時(shí)IGBT的EC極間電抗幾乎為零,可想而知,在IGBT那么短的導(dǎo)通時(shí)間里,流過IGBT的電流是相當(dāng)大的,如不加限流措施,很有可能因此損壞IGBT器件。采用在電容的一端串接上一只電阻來限制放電電流。但是接入電阻之后又會影響電容在IGBT關(guān)斷瞬間對EC極的緩沖抑制效果,通過在電阻旁邊并聯(lián)一只二極管,這樣就能很好的解決上述問題。

IGBT驅(qū)動(dòng)電路的功能有以下幾方面的作用:一是提供能使IGBT器件開通與關(guān)斷的正反向柵極驅(qū)動(dòng)電壓;二是能實(shí)現(xiàn)對高壓側(cè)和低壓側(cè)的高壓電隔離。此外,要求信號在驅(qū)動(dòng)電路中的傳輸過程無延遲或延遲很小;三需要在柵極回路中串入一只電阻,用以調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號的上升沿下降沿的陸度,改變管子的導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間,從而改變管子通斷損耗。本文采用三菱公司的M57957L作為驅(qū)動(dòng)電路的核心。該芯片具有以下特點(diǎn):

1)功耗較低,可用于單列直插式厚膜封裝電路。

2)外接串聯(lián)電阻可匹配CMOS信號,輸入信號與TTL電平兼容。

3)內(nèi)置高速光耦合器,隔離電壓能力達(dá)到2500V。

本實(shí)用新型采用ACS712作為電流檢測電路的核心。ACS712量程有三種,分別是5A,20A以及30A,本系統(tǒng)選用的ACS712量程為30A。由于量程為30A的ACS712的輸出電壓在0.5V到4.5V之間,而DSP的AD接口所能接受的電壓范圍是0到3.3V,故需要采用相關(guān)調(diào)理電路對ACS712的輸出電壓進(jìn)行處理之后才能送給DSP。系統(tǒng)中結(jié)合TI公司的一款高精運(yùn)算放大器OPA4340來構(gòu)建調(diào)理電路。

磁鏈的電壓模型需要電壓信號,本文采用ACPL-C782和運(yùn)算放大器OPA4340組成電壓檢測電路。ACPL-C782是一款高線性度的隔離運(yùn)算放大器,具有很高的靈敏度。

為了保證整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行,對主電路及電機(jī)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測顯得尤為重要。系統(tǒng)中采用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20對各個(gè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行監(jiān)測。DS18B20是美國達(dá)拉斯公司研發(fā)的單線數(shù)字溫度傳感器,由于其獨(dú)特的一線接口,只需要一條數(shù)據(jù)口線就能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫通信,大大簡化了測溫系統(tǒng)的布線。DS18B20的電壓供電電壓范圍為3.0V至5.5V無需備用電源。測量溫度范圍為-55°C至+125°C,精度為±0.5 °C。

本實(shí)用新型使用光電編碼器來實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度信號的檢測。該型號的光電編碼器輸出兩路相位差90°的脈沖信號,兩路輸出信號正好對應(yīng)于DSP的正交編碼電路的兩個(gè)引腳QEP1和QEP2。

該異步電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、靜態(tài)誤差小等一系列優(yōu)點(diǎn)。