中国矿业大学2010届本科毕业设计论文 第37页
140012001000n(r/min) 140012001000n(r/min) 800600400800600400200
200
te(Nm)000.20.4t(s)0.60.8000.20.4t(s)0.60.8 图4.13 实际转速 图4.14 估计转速
1008060401008060402000
20
000.20.40.6 t(s)
图4.15 实际转矩
604020800.8te(Nm)0.20.4t(s)0.60.8 图4.16 估计转矩
i(A)
0 -20
-40 -60 -800
0.10.20.30.4t(s)0.50.60.70.8
图4.17 三相定子电流
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phiq10.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-1-1
-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81
phid 图4.18 定子磁链轨迹
由图示仿真结果可以看出，基于电压模型磁链估计的矢量控制系统也能较好的完成加载、变速等基本控制功能。但同电流模型的比较，我们可以看出，电压模型在低速（零速度启动）时性能较差。这主要是因为电压模型在低频时，电压信号非常小。另外，直流偏移量导致在积分器输出端上出现累积，使理想的积分变得很困难。因此电压模型的磁链估计不适于对低速性能要求较高的矢量控制系统。
4.4 本章小结
本章采用基于MRAS的转速估计方案，分别采用基于电压模型和电流模型的磁链估计方案建立了无速度传感器矢量控制系统的仿真模型。通过对仿真结果，对两种方案的控制系统进行了分析，并做了相应的比较。结果表明，电流模型更适于低速运行的控制系统。
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5 基于DSP的系统硬件
前几章介绍了按转子磁链定向的无速度传感器矢量控制系统的理论，并建立了系统的仿真模型，通过仿真对其性能进行了分析，现在对其进行硬件分析设计，构建整个矢量控制系统。
系统电路分为主电源电路和控制电路两部分。主电源电路主要由整流电路、滤波电路及智能功率模块( IPM)组成。控制电路以TMS320F2812芯片为核心，外加电流检测模块、转速检测模块、保护模块、通信模块和显示模块，其系统硬件结构框图如下所示:
380VAC 整流 器 逆变器M?uAuBiAiB高速光耦30MHZ PWM输出A/D转换通信接口显示监控TMS320F2812控制器PDPINT仿真器512k?16SRAM过压过流保护 图5.1 系统硬件结构图
从图5.1可以看出，系统参数由上位机通过RS-232接口传给下位机，DSP负责各相电流采样、电压采样，并计算电机的转速和位置，最后运用空间矢量算得到PWM控制信号，经过电平转换和光耦隔离电路后，输出到智能功率模块IPM.从而实现对电机的控制。DSP控制器还负责整个系统的的保护和监控，一旦系统出现过压、过电流、欠电压等故障，DSP将封锁PWM输出信号，以保护IPM模块。
5.1 主电源电路的设计
要进行硬件设计，首先要确定电机参数，选取参数为:额定功率pN?1.5kw，频率f?50Hz，额定线电压UN?380V，额定电流IN?3.7A。 主回路完成电机供电的交流-直流-交流的转换功能，是功率流动变换的执行机构，主回路由整流、滤波、逆变三个部分组成，如图5.2:
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VD1VD3VD5V1V3UbVWV5M?aUd?c?CmV4V6V2VD4VD6VD2图5.2 主电路
5.1.1 整流电路部分
整流电路的主要作用是将电网的交流电整流后提供给逆变电路和控制电路，故整流电路部分就利用三相交流电经过断路器，通过二极管组成的桥式整流模块整流后，变成直流脉动电压。由于采用三相全波整流方式，所以流过整流模块的每个二极管的峰值电流:
Im?22IN?10.46(A) （5-1） 流过土极管的电流有效值为: ID?12??2?/30Imd(?t)?2Im3 ?6.04(A) （5-2）
式中Im为电机的最大负载电流，一般取额定电流的1.5 ? 2倍，因此，整流二极管的
额定电流为
I IN?(1.5?2)D?7.7(A)1.57 （5-3）
整流二极管额定电压:
UD?(1.5?2)2?380?1200(V) (5-4)
因此，如果选用1200V/30A的三相整流二极管模块，有足够的电流余量。
5.1.2 滤波电路部分
整流电路输出的整流电压是脉动的直流电压，必须加入电容滤波方能滤去整流后的电压未加滤波电容时整流器输出的平均电压值为: Udc?1.35Uin?1.35?380?513V
加入滤波电容后，线电压值峰值: 纹波，并且理论上滤波电容值越大越好。
(5-5)
Udcmax?2Uin?537V
每个电网周期内滤波电容吸收的能量为:
（5-6）
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E?PNn?f?12（5-7） Cm(UPK?UMIN)
22式中：Cm一为滤波电容的容量;
PN—为电机额定功率;
UPK—为最大峰值电压
UMIN—为直流母线最大限定电压;
n—电源功率因数;
又设功率因数n为0.9，考虑到电压的波动，选取1.3倍的安全系数，由于滤波电容值
理论上越大越好，最后采用两个2200?f/400V的电容串联。
5.1.3 逆变电路部分
本系统逆变部分采用三菱公司的智能化IGBT ( IPM)模块作为逆变器。智能化IGBT ( IPM)将功率开关器件、控制和驱动电路、欠电压保护电路等集成封装，从而提高了电路的可靠性，使整个电路的设计大为简化。
智能功率模块(IPM)是向第四代器件功率集成电路(PIC)的过渡产品，是微电子技术和电力电子技术相结合的产物。它不但提供一定的功率输出能力，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能，图5-3为IPM原理图。 母线电压可作为逆变器开关电压的计算依据，即
Um?2U?（5-8） 2?380?537(V)
考虑1.5?2倍安全系数，取耐压值为1200V 。峰值电流为:
22IN?10.46(A) （5-9）
考虑2倍安全系数及考虑市场价格，最终选用三菱公司产品型号为PM25RSB120的IPM 。 PM25RSB120的主要特征为:
PM25RSB120电源电压450V，额定电流25A，开关频率15KHZ，在1.5kw级变频器应用时
无噪声，集成了7路功率器件，其中六路为三相桥式结构提供功率输出，一路给制动过程提供能量释放路径。其中过流保护最小值32A（toff(of)?10?s），短路保护动作电流最小值为52A，驱动欠电压(12V)保护和过热保护可以自动恢复。各IGBT输入端都接有驱动级，对外起隔离作用，降低了输出阻抗。
模块工作时需要外电路提供四组外部工作电源，上桥臂每相各用一组，下桥臂三相共用一组，控制电源电压必须在13.5V-16.5V之间。DSP产生的PWM信号经驱动电路和光耦器件隔离后作为门极驱动信号输入IPM。
5.2 控制电路及外围电路的设计
5.2.1 DSP控制芯片的特点
TMS320F2812是TI公司推出的数字信号处理芯片，芯片上集成了多种外设，降低了系统成本，为运动控制领域应用的实现提供了良好的硬件平台。DSP的高速运算性能使很多复杂的控制算法和功能得以实现。TMS320F2812采用双电压3.3V, 内核电压1.8V供电，片内集成中断管理模块，事件管理器模块，A/D转换模块，看门狗电路等，如图5.3所示。