Tb = t0 + t1 Tc = t0
2.4 异步电机无传感器测速算法
使用变频变压（VVVF）控制的开环系统，动态性能差，存在加减速性能和负载抗干扰性能不理想等缺点。这会导致电机在变频过程中有冲击电流，无法顺利上升到预定转速。在电机被设定为一个无法到达的转速时，会长期工作在大转差率状态甚至会突然堵转导致过流。因此监测转速，控制转差率非常重要。通常采用光电码盘、测速发电机来进行转速检测。但是速度传感器的安装麻烦，而且成本高，对于水泵系统来说不适宜。这时应该使用无传感器测速方法。
常见的无传感器测速方法有利用电机方程式直接计算法，模型参考自适应法，扩展卡尔曼滤波法等。但这些方法大多从理想条件下的电机数学模型出发，在不同程度上依赖于电机的参数和运行状态。当电机参数变化时，系统控制性能变差而且有些方法过于复杂，给具体方案的实现带来了很大的困难。我们寻找到一种基于磁链观测的转子速度估算方法，基本原理是结合磁链的电压模型和电流模型，通过加权计算出磁链，由磁链矢量关系可知，同步旋转速度ωs为：
滑差频率的计算公式在不同的参考坐标系下有不同的表达形式。在转子磁
场定向控制中：
则辨识的转子转速为：
2.5 智能变频算法
为了使异步电机能够不需要手动变频地达到一个最快的运行速度，发挥电机的安全稳定极限功率，我们提出了一个基于恒转矩控制——恒功率控制的智能变频算法。在这个算法中，输入量是当前发出的SVPWM频率，三相电压电流值，电机转速等，输出量是更新后的目标频率和目标调制度。在恒转矩控制中，根据交流异步电机定子感应电动势公式：U?Ir?E?E?4.44fn?k?K?f?，我们为保证磁通恒定，等速增加SVPWM频率，同时等比增加调制度。当SVPWM的频率值达到恒转矩控制——恒功率控制的拐点时，进入恒功率控制模式。在该模式中我们重点监测转速随频率增加的速度（即转速变化率），滑差系数和三相电流值。这三个参数经过逻辑运算后，超过设定的阈值，或者严重超过阈值时，变频器将停止增加SVPWM频率或者降低频率。
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3. 系统硬件设计
我们设计的异步电机变频调速系统主要由TMS320F28035控制芯片IPM,智能模块，整流桥，稳压电容，光耦芯片，电机组成。
整流桥·稳压电容直流电压检测IPM智能功率模块直流母线DSPtms320f28035SCIGPIOPWM光耦芯片隔离6N137PWMIGBT驱动芯片IGBT三相桥三相异步电动机三相反电势检测上位机按键和显示 （图6 硬件电路结构图 ）
3.1 主要元器件选择
3.1.1DSP选择
本电机调速系统采用TMS320F28035作为控制芯片，该芯片支持浮点运算，EPWM单元，12位精度AD，SCI模块，符合系统需求。同时价格比较低，有利于控制成本。
TMS320f28035芯片具有浮点运算单元，在需要浮点数运算的时候可以大大增加效率。电机的高性能控制方法如矢量控制都需要大量的浮点计算。对于定点DSP必须采用很多技巧来回避浮点运算，但仍然力不从心，而且容易出错。具有浮点功能的这款芯片可以轻松地实现各种复杂算法，提高整个系统的性能。
TMS320F28035具有7个EPWM单元，本系统中使用了其中三个用来生成三相PWM波控制三相异步电机。这三个单元是独立的。因此可以灵活配置生成SPWM波或者SVPWM波。
TMS320F28035具有16个12位精度AD输入，完全可以满足本系统所需直流母线电压检测，直流母线电流检测和过流保护的要求。从而不需要外置AD，简化了电路，减少了成本，增加了系统的稳定性。
TMS320F28035具有SCI模块。我们使用它与上位机进行通讯。这是我们的实验室控制方式。在这种控制方式下，可以直观的使用鼠标启停电机，改变电机运行方向，控制电机频率，检测电机电流，电机转速。我们正在尝试在上位机生成电机电流波形，以更好的对电机运行状况进行监测。
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3.1.2智能功率模块的选择
我们设计的电机调速系统功率为3KW，适用电网电压为110~250V。估算IPM的额定电流应大于3000/220=13.6A。考虑到工作时的电流裕量我们应选择额定电流为20A的IPM。
载波频率越高，谐波次数越高。由于电机绕组类似于电感，谐波次数越高，谐波电流越小。因此越高的载波频率越有利于减少谐波电流，使电机运行更加平稳，噪音更小。我们设计的载波频率为10KHz，因此应该选择最大频率大于10KHz的IPM。
死区会导致电流波形恶化，谐波增加，所以我们希望越小越好，但很小的死区会导致成本增加。平衡成本和质量，死区应该小于等于2微秒。
根据以上要求，我们对比了FSBB20CH60B，PS21964，SCM1110MF等几款智能功率模块，最终我们选择了FDBB20CH60B。他的性能指标如下： IPM 适应电网电压 额定电流 最大载波频率 死区时间 FSBB20CH60B 100~250 20A 20KHz 2微秒 此外这款功率模块还具有内置自举电路，只需要一个15V电源供电。简化了电路设计。
3.1.3光耦芯片选择
虽然中小功率智能模块的PWM信号可直接有DSP提供，但是为了稳定起见，我们采用了光耦芯片将IPM和DSP隔离。常用的低成本光耦芯片有TLP-521和6N137。由于使用光耦隔离的是PWM信号，频率为10KHz，同时为了保证控制的实时性，应选择上升下降时间小，速度快的高速光耦芯片。由此我们选择了6N137。它的上升时间和下降时间如下
在测试情况下为15ns，而TLP-521为15微秒左右。
由于6N137光电管的驱动电流为7.5mA，超过了28035GPIO的驱动能力正负4mA，因此选用74lvc07驱动6N137。74LVC07的延时为2.2ns，符合我们对低延时的要求。
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3.2 硬件电路设计
3.2.1 上位机和按键与显示
SCI串口电脑上位机28035最小系统板GPIO信号数码管输入GPIO信号矩阵键盘（图7 上位机控制和矩阵键盘+数码管控制）
本异步电机变频调速器采用了两种控制方式，一种是实验室配置模式即使用电脑上位机进行控制，另一种是产品控制方式即使用矩阵键盘+数码管控制。
电脑上位机与28035最小系统板的连接采用SCI通讯。最小系统板的SCI信号SCIRXDA和SCITXDA经MAX232芯片处理后通过串口线与电脑的串口连接。由于笔记本电脑没有串口，可以使用USB转串口模块。此外我们还寻找到一种采用PL2303的模块，可以将SCI信号转换为USB信号，直接使用笔记本上的USB与单片机连接，大大方便了使用。
数码管和矩阵键盘使用了单片机的GPIO引脚。为节约引脚，我们采用了MAX7219芯片驱动4位7段数码管。它只需要3根信号线，且具有锁存功能，大大减少了单片机显示所需工作时间，降低了编程难度。 3.2.2 单片机最小系统板与驱动板的连接
驱动板主要由IPM智能模块，整流桥，稳压电容，光耦芯片组成，单片机的信号通过排线与驱动板连接，这里简单介绍一下信号线的内容。
（图8 驱动板连接排线）
左半部分为单片机的信号输出：
UH0、UL0、VH0、VL0、WH0、WL0为PWM波信号线。 RELAY0为继电器控制信号。LED1~LED3为信号灯。 右半部分为单片机的信号输入：
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FAULT0为智能功率模块的故障信号经74HC14电平转换出的3.3V信号。
IDC0和UDC0分别为直流母线电流信号和直流母线电压信号，都经过驱动板上的运放隔离放大。
PWMU、PWMV、PWMW为电压比较器处理的反电势信号，为数字量，用于检测电机转速。
SC为IPM短路保护输入，IDC2时直流母线电流经运放放大的信号，它的放大倍数可调。在需要使用IPM短路保护功能时可以将SC和IDC2短接。
3.2.3 驱动板设计
74lvc146输入传输门驱动板排母P1PWM信号PWM信号6N137光耦芯片PWM信号GPIO信号MOSFET驱动继电器流V直300IPM短接220V交流电源整流整流桥300VDC功率电阻2*470UF电容AD运放LMV324直流母线电压电流三相反电势数字信号运放LMV339三相反电势（图9 驱动板原理图）
6n137光耦隔离芯片内部有发光二极管和感光元件构成。当发光二极管点亮时感光元件导通输出低电平，反之由上拉电阻上拉输出5V。由于驱动发光二极管电流要7.5mA，超过GPIO最大电流4mA，因此需要一个驱动芯片。74LVC07芯片集成了6个集电极开路的三态缓冲器。当输出低电平时灌电流可达50mA，满足驱动6n137需求，而输出高阻态时虽然不是高电平，却依然可以达到使发光二极管不发光的效果。从而使用74LVC07和6n137实现了将单片机和功率模块隔离的功能。
220V交流电源经桥式整流芯片3504整流后为300V脉动的直流。使用两个450V耐压470uF的电容进行稳压，输出直流母线。为了在上电瞬间保护稳压电容，所以在电容前串接功率电阻，而在母线电压上升到工作值时，使用继电器短接功率电阻，节约电能。这一点是通过单片机检测直流母线电压，向继电器发出信号实现的。由于继电器需要12V，75mA的驱动信号，所以采用IRF7805mosfet对单片机信号进行放大。
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