交流調(diào)速系統(tǒng)硬件接口電路方案

　　1 引言

　　長期以來，由于交流異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、制造成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用越來越廣泛。在交流調(diào)速理論發(fā)展的同時(shí)，人們也在研究交流調(diào)速系統(tǒng)硬件接口電路的設(shè)計(jì)方法。隨著高性能dsp芯片、電力電子器件的出現(xiàn)，交流調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)也逐漸形成標(biāo)準(zhǔn)。本文詳細(xì)介紹了一種基于dsp的交流調(diào)速系統(tǒng)硬件接口電路設(shè)計(jì)的方法，對各個(gè)電路如采樣電路、轉(zhuǎn)速反饋接口電路、驅(qū)動電路的主要功能及電路元器件參數(shù)的選擇給出了詳細(xì)的說明，實(shí)驗(yàn)證明這種方法是可行的。

　　2 主電路設(shè)計(jì)

　　本文的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對象為：額定功率為55kw，額定電壓為440v，額定電流為90a，額定轉(zhuǎn)速為1800r/min的異步電機(jī)。調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

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　　本設(shè)計(jì)選取了tms320f2812系列定點(diǎn)dsp作為電動機(jī)控制主芯片，圍繞它展開了硬件接口電路的設(shè)計(jì)。具體包括：電流采樣電路的設(shè)計(jì)，速度檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，功率開關(guān)器件的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。因?yàn)楸疚囊杂布O(shè)計(jì)為主，故在其他方面如park變換，clarke變換等軟件設(shè)計(jì)方面不予以贅言。

　　3 電流采樣電路的設(shè)計(jì)

　　3.1電流采樣電路

　　電流采樣電路的目的是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)得到反饋的交流電動機(jī)定子電流信號，即將傳感器檢測到的電流信號進(jìn)行放大，偏置輸出到dsp的a/d接口，將電流信號轉(zhuǎn)換成dsp可識別的數(shù)字信號，以方便dsp進(jìn)行處理。因?yàn)楸菊n題研究的是三相平衡系統(tǒng)ua+ub+uc=0，故只需要檢測其中兩路電流即可。

　　3.2電流傳感器的選擇

　　根據(jù)異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可知，定子電流檢測的精度和實(shí)時(shí)性是整個(gè)矢量控制系統(tǒng)精度的關(guān)鍵。因此，對電流的檢測要求精度高和速度快，顯然普通的電流傳感器很難滿足要求。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)電動機(jī)的額定電流為90a，考慮兩倍的安全裕量，實(shí)際定子電流取到180a。本實(shí)驗(yàn)選取深圳市貝爾特電子有限技術(shù)公司出品的csns200m-002電流傳感器。該電流傳感器的原邊電流為200a，與預(yù)選的電流值(180a)很接近，滿足選取原則。

　　3.3運(yùn)算放大器的選擇

　　本文所研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中電機(jī)線電流變化范圍從0a～90a，變化范圍很大。如果在如此寬的范圍之內(nèi)，電流信號采用一個(gè)固定的放大倍數(shù)，精度堪憂。所以初級采用可編程放大器ad526，通過調(diào)節(jié)放大倍數(shù)來滿足要求，并由ad526產(chǎn)生正的1.65v的電壓信號。由于tms320f2812要求的電壓為3.3v，所能識別的僅是正的電壓值，而電流信號為正負(fù)交替的交變信號，因此，需要有一個(gè)減法比較環(huán)節(jié)將正、負(fù)信號做減法運(yùn)算，由比較環(huán)節(jié)最終輸出的電壓值就是可以為tms320f2812所能使用的電壓值。

　　設(shè)計(jì)中先將霍爾的電流信號通過電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號，為了防止電壓過高或過低，設(shè)計(jì)了由二極管構(gòu)成的限幅電路，由于電流反饋具有較大的噪音紋波，因而采用低通濾波電路?？紤]到現(xiàn)場環(huán)境的影響以及其他未可預(yù)知的干擾，在本設(shè)計(jì)中，選取了op27型放大器。

　　3.4采樣電阻的計(jì)算

　　由電流傳感器的變比2000:1，及原邊電流值大?。?00a，ad526輸出電壓為1.65v，可以求出采樣電阻r9《16.5ω，故可取r9=10ω。其中，a相電流的采樣電路如圖2所示，b相與其相同。

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　　4 轉(zhuǎn)速反饋接口電路設(shè)計(jì)

　　起動的快速性是電動機(jī)的基本要求。以目前無位置傳感器控制技術(shù)發(fā)展的情況來看，由于低速特別是起動瞬間反電動勢非常低，控制精度和性能并不理想。因此有必要保留位置速度傳感器。

　　4.1編碼器的選擇

　　與旋轉(zhuǎn)變壓器相比，光電編碼器信號處理簡單、噪聲容限大、易于實(shí)現(xiàn)高分辨率。特別是在選用tms320f2812作為控制器的情況下，光電編碼器可以通過dsp的qep接口十分方便地實(shí)現(xiàn)與控制器的連接。

　　本設(shè)計(jì)選用了sumtak株式會社產(chǎn)的lhe-055-2000型帶u、v、w信號增量式光電編碼器。它輸出12路信號：a、b、z、u、v、w以及他們的補(bǔ)信號a’、b’、z’、u’、v’、w’。其中a、b、a’、b’為占空比為50%的方波，2000p/r。u、v、w、u’、v’、w’以轉(zhuǎn)子每360°電角度為一個(gè)循環(huán)周期。u、v、w(或u’、v’、w’)相差120°，按照u、v、w(或u’、v’、w’)不同組合，可以把一對轉(zhuǎn)子磁極分為6個(gè)等距區(qū)間。所以在電機(jī)起動時(shí)，可以先根據(jù)u、v、w信號按照無刷直流電動機(jī)控制，使電機(jī)運(yùn)行起來，待檢測到z信號，按照事先確定好的轉(zhuǎn)子磁極位置確定定子磁鏈初值，然后轉(zhuǎn)入直接轉(zhuǎn)矩控制。通常把z信號定位于a相繞組反電動勢的過零點(diǎn)，此時(shí)，轉(zhuǎn)子磁極軸線正好與a相繞組軸線重合。

　　其中a、b信號分別通過qep1、qep2接到lf2407a上;而z信號通過cap3接到lf2407a上;u、v、w是以60°電角度為周期的數(shù)字信號，分別通過qep1、qep2、qep3接到lf2407a上。