基于TMS320F2812的能量回馈调速系统的研究与设计

2．2 直流母线电压检测电路设计
检测直流母线电压的目的是用来控制能量反馈单元的
开 启 和 关 闭 。 当 直 流 母 线 电 压 高 于 Udh 时 ， 开 启 能 量 反 馈 单元， 使电机产生的能量回馈至电网； 当直流母线电压低
于 Udl 时 ， 关 闭 能 量 反 馈 单 元 ， 能 量 回 馈 过 程 结 束 。 由 于 直流母线电压过高， 故采用电阻分压法进行检测， 电路如
图 5 温度检测电路图 第 二 对 称 方 式 ［4］， 即 R310＝R33＝100Ω， 同 时 选 取 R32＝R34＝ 500Ω， VCC＝3．3V。 AD3 连 接 至 DSP 的 ADC 模 块 进 行 模 数 转 换 以 数 字 显 示 温 度 。 当 温 度 到 达 90℃ 时 R31＝138．52Ω， AD3＝2．4885V， 此 时 DSP 启 动 过 温 保 护 程 序 ， 故 可 将 温 度 控制在 90℃以下。
从 上 述 控 制 系 统 的 结 构 图 可 以 看 出 ， PWM 逆 变 器 的 输 出 会 对 PWM 整 流 器 的 控 制 存 在 着 一 定 的 干 扰 ， 为 了 抑 制这种干扰， 可以在两环节之间加储能电容 ［6］， 储能电容 的选取应兼顾两个原则： （1） 满足电压环控制的抗扰指 标； （2） 满足电压环控制的跟随性能指标 。 同时要综合 考虑同步电机的功率， 限于篇幅， 本文不给出推导过程， 在硬件电路设计时选取了 4 个 400V、 500μF 的电容两并两 串组成电容组。
从 式 （6） 我 们 可 以 看 到 ， 当 id＝0 时 定 子 单 位 电 流 产 生的转矩最大， 这时的电机电磁 转 矩 与 iq 成 正 比 ， 因 此 只 需要对 iq 进行控制即可以控制转 矩 ， 并 且 控 制 性 能 可 以 达 到他励直流电动机的控制性能， 控制系统结构图如图 6 所 示。
ADC 模块进行模数转换。
图 电压同频同相的三相交流 电流信号， 因此必须通过同步电路取得电网电压的频率和 相位。 同步信号的产生主要有过零检测、 锁相环技术和虚 拟转子法三种方法 ［3］， 其中以过零检测最为简单 ， 本文采 用 过 零 检 测 实 现 同 步 功 能 。 由 于 三 相 交 流 电 压 互 成 120°， 知道其中一相的相位就可以知道另外两相的相位， 为了简 化同步电路， 所以只取一相电压的过零信号作为同步电 路， 如图 4 所示。
PMSM 在 d－q 坐标系下的数学模型 ［5］ 如下所示： 定子磁链方程：
（1） （2）
定子绕组电压方程：
（3）
（4）
电磁转矩方程：
（5）
电机转子的机械运动方程：
（6）
式 （1） ～ （7） 中 ， Rs 为 定 子 绕 组 相 电 阻 ； Ld、 Lq 为 定 子 绕 组 的 d、 q 轴 电 感 ； ud、 uq 为 定 子 绕 组 的 d、 q 轴 电 压； id、 iq 为定子绕组的 d、 q 轴电流； ψd、 ψq 为 d、 q 轴的 磁 链 ； ωr 为 转 子 永 磁 体 产 生 的 磁 链 ； np 为 转 子 极 对 数 ； ω 为 转 子 电 角 速 度 ； Te 为 电 磁 转 矩 ； TL 为 负 载 转 矩 ； J 为 转 子转动惯量； B 为阻尼系数。
3．2 系统软件设计
本系统包括回馈单元和调速单元， 回馈单元采用用了 电压、 电流双闭环的全数字控制， 调速单元采用了速度、 电 流 双 闭 环 的 全 数 字 控 制 ， 分 别 利 用 TMS320F2812 的 EVA、 EVB 的 PWM 输 出 控 制 回 馈 单 元 和 调 速 单 元 中 的 IGBT 的开启和关闭， 实现能量回馈调速功能。 控制系统软件
图 2 所 示 。 其 中 Vbus 为 母 线 电 压 采 样 点 ， AD1 连 接 至 DSP 的 ADC 模块进行模数转换。
2．3 电流检测电路设计
在 能 量 回 馈 调 速 系 统 中 ， 由 于 采 用 双 PWM 控 制 ， 控
制器需要及时、 准确的知道电网侧和电机侧电流的大小，
为此需要对电流进行
图 1 能量回馈主电路图
收稿日期： 2008－10－28
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工业控制
机电工程技术 2009 年第 38 卷第 03 期
为了避免能量回馈状态频繁切换， 切换电压采用滞环控
制 ， 控 制 的 下 限 电 压 Udl 必 须 大 于 电 网 电 压 波 动 时 直 流 母 线上的最高电压， 以避免整流和回馈状态同时进行。 一般
图 4 同步电路图
2．5 温度检测电路设计
电力电子器件在导通和开关过程中， 都会产生损耗， 这些损耗通常会转换为热量， 使电子器件温度升高， 因此 非常有必要外加温度检测电路。 本文采用在靠近功率模块 的散热器上加装热电阻的方法构成温度检测电路， 如图 5 所示。 由于被测温度变化范围大， 为了提高灵敏性， 采用 不平衡电桥进行测量 R31 采 用 分 度 号 为 Cu100 的 热 电 阻 ， 其 允 许 耗 损 功 率 PTg 为 3．6mW。 为 了 减 小 非 线 性 误 差 ， 采 用
3 控制策略和软件设计
3．1 系统数学模型及控制策略
系 统 正 常 运 行 时 电 机 运 行 于 电 动 状 态 ， TMS320F2812
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机电工程技术 2009 年第 38 卷第 03 期
工业控制
事 件 管 理 器 EVA 的 PWM 输 出 控 制 PWM 整 流 器 处 于 整 流 状 态 ， EVB 的 PWM 输 出 控 制 PWM 逆 变 器 进 行 调 速 ； 系 统制动时电机运行于发电状 态 ， TMS320F2812 事 件 管 理 器 EVB 的 PWM 输 出 控 制 PWM 逆 变 器 处 于 整 流 状 态 ， EVA 的 PWM 输出控制 PWM 整流器进行能量回馈。
三相 VSR 在 d－q 坐标系下的数学模型 ［6］ 如下所示：
（7）
（8）
（9）
式 （7） ～ （9） 中， R 为功率开关管 损 耗 等 效 电 阻 和 交流滤波电感等效电阻 之 和 ； RL 为 直 流 侧 负 载 电 阻 ， L 为 交 流 滤 波 电 感 ； u 为 直 流 母 线 电 压 的 平 方 ； ud、 id、 uq、 iq
NP， 2 个用来检测电网侧电流， 2 个用来检测电机侧电流。
该款电流传感器原边和副边是绝缘的， 具有出色的精度、
良好的线性度、 低温漂、 反应时间快， 频带宽度宽、 抗外
界干扰能力强等优点， 因此被广泛用于交流变频调速、 伺
服电机牵引等领域。 电流检测电路如图 3 所示， 霍尔电流
传感器的输出信号接至图 3 中的 I 点， AD2 连 接 至 DSP 的
情况下， 电网电压的波动范围不会超过±15％， 则电网电压
波 动 时 直 流 母 线 上 的 最 高 电 压 为 ： 姨 2 × 姨 3 × （1＋0．15） ·U2＝2．45×1．15×220＝619．85V， 取 Udl＝630V； 控 制 的 上 限 电 压 Udh 必须小于变频器的过电压保护值， 取 Udh＝660V。
1 引言
目前变频调速广泛采用简单的能耗制动， 存在浪费电 能， 电阻发热严重， 不能四相限运行等缺点 ［1］。 能量回馈 调速系统不仅可以使系统获得快速的动态响应， 使变频器 真正实现四象限运行， 而且通过整流器和逆变器的功率平 衡控制， 能大大减少直流回路储能电容的容量 ［2］； 把制动 电能回馈至电网， 能量得到回收利用， 系统的效率大大提 高， 与此同时， 电网品质不受影响， 因此研究能量回馈调 速系统具有十分重要的现实意义。 在国际上， 德国西门子 公司已经推出了电机四象限运行的电压型交－直－交变频 器 ， 日 本 富 士 公 司 也 成 功 研 制 了 电 源 再 生 装 置 ， 如 RHR 系 列 、 FRENIC 系 列 电 源 再 生 单 元 ［3］， 这 些 装 置 普 遍 存 在 的问题是价格昂贵， 再加上一些产品对电网的要求很高， 不适合我国的国情。 国内在中小容量系统中大都采用能耗 制动方式， 不具备能量回馈功能， 关于能量回馈控制的研 究正在进行， 但基本上都处于实验阶段 ［3］。 本文给出了一 种 基 于 DSP 芯 片 TMS320F2812 的能量回馈 调速系统的设计， 该方案 充 分 利 用 DSP 高 速 处 理 能力和双事件管理器来实 现 双 PWM 控 制 ， 节 省 了 硬件开销， 实现了复杂的 控制算法， 主要内容包括 系统硬件电路设计， 系统 控制策略和软件设计以及 Matlab 仿真试验结果。
2 能量回馈调速硬件电路设计
2．1 主电路设计与能量回馈原理
主 电 图 采 用 两 电 平 电 压 型 双 PWM 变 换 器 ， 电 路 结 构 如 图 1 所 示 。 主 电 路 主 要 由 网 侧 电 抗 器 、 PWM 整 流 器 、 直 流 环 节 和 PWM 逆 变 器 组 成 。 其 中 PWM 整 流 器 和 PWM 逆 变 器 采 用 由 IGBT 组 成 的 智 能 功 率 模 块 ， 内 部 集 成 驱 动 电 路 、 过 热 、 过 流 及 短 路 保 护 电 路 ； R7 的 作 用 是 在 电 源 接 通 的 一 段 时 间 内 接 入 ， 将 电 容 器 C1 的 充 电 电 流 限 制 在 一定范围内， 当 C1 充电到一定程度时， 投入开关将 R7 短 路 掉 。 当 电 机 正 常 运 行 时 处 于 电 动 状 态 ， PWM 整 流 器 处 于整流状态， DSP 通过控 制 PWM 逆 变 器 中 VT21～VT26 来 进行变频调速； 当电动机制动时处于发电状态， 滤波电容 储能， 直流母线电压升高， 当直流母线电压升高到一定值 时 ， 利 用 DSP 控 制 PWM 整 流 器 使 其 处 于 逆 变 工 作 状 态 ， 能 量 回 馈 至 电 网 ； 当 直 流 母 线 电 压 降 低 到 一 定 值 时 ， DSP 控制 PWM 整流器重新回到整流状态， 能量回馈过程结束；