徐大鵬

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

基于直接轉(zhuǎn)矩控制的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速

徐大鵬

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

闡述了隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速已由傳統(tǒng)的正弦脈寬調(diào)制技術(shù)向直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)發(fā)展。早期的控制電路由于工作速度慢，運(yùn)算周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，已不再適應(yīng)快速的變頻調(diào)速技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制作為新的控制方法已取代了原來在控制電路中的位置[1]。著重分析了單片機(jī)芯片中控制類芯片80C196MC所具有的特點(diǎn)，提出以80C196MC為核心實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的數(shù)字化控制方案，針對(duì)80C196MC的獨(dú)特性能進(jìn)行了控制電路的硬件電路設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了軟件編程，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的DTC控制。

異步電動(dòng)機(jī)；正弦脈寬調(diào)制控制；直接轉(zhuǎn)矩控制

0 引言

直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速技術(shù)DTC（Direct Torque Control），是繼矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)之后發(fā)展的新型高效變頻調(diào)速技術(shù)。1985年德國(guó)魯爾大學(xué)教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論，在很大程度上解決了矢量控制中運(yùn)算、控制復(fù)雜、特性易受交流電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化影響的缺點(diǎn)。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)自誕生之日起就以其獨(dú)特新穎的控制思想，直接明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性受到了普遍重視，并得到了迅速發(fā)展[2]。

1 DTC的特點(diǎn)

a）直接轉(zhuǎn)矩控制在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制交流電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩,無需將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較、等效和轉(zhuǎn)化，所以信號(hào)處理更加簡(jiǎn)單，便于對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的物理過程作出直接明確的判斷[3]。

b）直接轉(zhuǎn)矩控制磁場(chǎng)定向是用定子磁鏈，這樣知道了定子電阻就可以將其測(cè)量出來，大大減少了矢量控制時(shí)控制性能易受參數(shù)變化影響的問題[4]。

c）直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量分析三相交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制各物理變量，使復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化。

d）直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的控制效果，采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡。其控制方式是通過轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器把轉(zhuǎn)矩監(jiān)測(cè)值與轉(zhuǎn)矩給定值作滯環(huán)比較，將轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制。因此，其控制效果取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際情況，控制既直接又簡(jiǎn)化。

2 控制電路的硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制電路的硬件設(shè)計(jì)

由單片機(jī)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)原理框如圖1所示，本系統(tǒng)以Intel公司的80C196MC為控制核心，主要由整流器、濾波環(huán)節(jié)、逆變器、檢測(cè)環(huán)節(jié)及控制回路組成。下面具體地說明一下圖中的各個(gè)硬件組成部分的具體設(shè)計(jì)和各個(gè)參數(shù)的計(jì)算，見圖1。

圖1 控制電路的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

a）系統(tǒng)主電路采用典型交—直—交電壓源型變頻器結(jié)構(gòu)，整流環(huán)節(jié)采用單相橋式不控整流模塊，逆變電路功率器件采用智能功率模塊，中間直流環(huán)節(jié)加大電容濾波以獲得平滑的直流電壓，電網(wǎng)電壓經(jīng)橋式整流后對(duì)直流母線上的濾波電容充電，串聯(lián)限流電阻R1是為限制過大的充電電流。若不用限流電阻，當(dāng)系統(tǒng)合閘時(shí)會(huì)有相當(dāng)大的充電電流，可能燒毀濾波大電容和整流模塊。限流電阻只在電容剛開始充電時(shí)進(jìn)行限流，當(dāng)電容兩端的電壓充到一定值時(shí)，繼電器K吸合，使限流電阻R1短路。電路中電容C2、二極管VD和電阻R4構(gòu)成一個(gè)典型的吸收緩沖電路。主回路工作時(shí)，因?yàn)楣β势骷_關(guān)頻率很高，開關(guān)動(dòng)作時(shí)會(huì)在直流環(huán)節(jié)中產(chǎn)生電流突變，若直流環(huán)節(jié)存在電感，則可能在功率器件兩端產(chǎn)生很大的尖峰電壓，吸收緩沖電路的作用就是吸收消除此尖峰電壓。電容電壓的檢測(cè)用電阻R2和R3分壓進(jìn)行檢測(cè)，分別控制繼電器K和過壓保護(hù)電路。功率器件采用三菱公司智能絕緣柵雙極型晶體管模塊。內(nèi)含過壓、過流、過熱保護(hù)，是一種新型的功率器件。具有驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

b）系統(tǒng)控制電路包括了80C196MC的電路板以及以該板為核心分別擴(kuò)展的數(shù)字信號(hào)處理板和模擬信號(hào)處理板，分別完成頻率給定、按鍵選擇調(diào)制方式及顯示、低頻補(bǔ)償給定等功能，并對(duì)各種故障信號(hào)進(jìn)行綜合處理形成總的故障信號(hào)送入單片機(jī)的Exetint故障中斷入口。

2.2 整流電路設(shè)計(jì)

下面以確定的三相異步電動(dòng)機(jī)為例詳細(xì)介紹各個(gè)部分電路作用原理及元件參數(shù)。

整流電路采用單相不控整流將交流電變成直流電。整流二極管的選擇為通過二極管的峰值電流。

考慮濾波電容充電電流的影響，需要留有較大的電流裕量，選用Ie=2 A。

選擇800V電壓定額。根據(jù)以上確定的額定參數(shù)，選用ZP5型硅整流二極管。

2.3 中間濾波環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

整流電路輸出的直流電壓含有脈動(dòng)成分，逆變部分產(chǎn)生的脈動(dòng)電流及負(fù)載變化也使直流電壓脈動(dòng)，因此要加大電容濾波環(huán)節(jié)。在沒加濾波環(huán)節(jié)時(shí)，單相整流輸出平均直流電壓為

加上濾波電容后，UDC的最大電壓可近似認(rèn)為達(dá)到交流線電壓的峰值

濾波電容理論上越大越好，考慮到體積和價(jià)格，選用2個(gè)330μf/450 V的電容相并聯(lián)，總電容量為660μf，耐壓值為450V。

2.4 IPM的選擇

逆變電路的功率器件選用智能功率模塊，該模塊內(nèi)含柵極驅(qū)動(dòng)電路、邏輯控制電路以及欠壓、過流、短路、過熱等保護(hù)電路，模塊的主電路部分共分為5個(gè)端子，即直流電壓輸入端+、-，三相交流電壓輸出端U、V、W，控制部分共有18個(gè)端子，用于脈寬調(diào)制信號(hào)輸入、故障信號(hào)輸出及驅(qū)動(dòng)電源等，驅(qū)動(dòng)電源為4組+15 V電源，單片機(jī)生成的脈寬調(diào)制信號(hào)需要通過光耦合器隔離后輸入。該智能模塊的應(yīng)用，減小了裝置的體積，提高了變頻系統(tǒng)的性能與可靠性。

IPM的參數(shù)選擇如下。

IGBT正反向峰值電壓為

考慮1.5～2倍的安全系數(shù)，取電流額定為2.5A。

由以上IGBT參數(shù)計(jì)算，可選用型號(hào)為PM20CSJ060的IPM，設(shè)計(jì)以IPM為功率器件的逆變電路。

2.4.1 驅(qū)動(dòng)電源

a）驅(qū)動(dòng)電源必須采用四組隔離電源。上橋臂每相各用一組電源，下橋臂三相共用一組。四組驅(qū)動(dòng)電源的隔離度應(yīng)達(dá)到1 200 V。

b）驅(qū)動(dòng)電源電壓在13.5～16.5 V之間，IPM能夠正常工作。若電源電壓高于16.5 V，則IGBT因驅(qū)動(dòng)電源過高，保護(hù)性能得不到充分的保證，高于20V時(shí)IGBT管的柵極會(huì)損壞，因此不能加這么高。若電源電壓低于13.5 V，IGBT驅(qū)動(dòng)電源電壓不足，這時(shí)控制信號(hào)為無效操作。典型的工作值一般取15V。

2.4.2 控制信號(hào)輸入

由單片機(jī)產(chǎn)生的6路PWM信號(hào)需要經(jīng)光耦隔離后再輸入IPM?？刂菩盘?hào)輸入端需連接上拉電阻以防止由于d u/d t的作用而產(chǎn)生誤動(dòng)作。

2.4.3 IPM的自保護(hù)功能

IPM有精良的內(nèi)置保護(hù)電路以避免因系統(tǒng)失控或過載而使功率器件損壞。如果IPM模塊其中有一種保護(hù)電路動(dòng)作，IGBT柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷電流并輸出一個(gè)故障信號(hào)（FO）。以下介紹各保護(hù)功能的工作情況。

a）驅(qū)動(dòng)電源欠壓鎖定（UV）。內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路由一個(gè)15V直流電源供電。如果由于某種原因這一電源電壓低于規(guī)定的欠壓動(dòng)作值（UV），該功率器件將被關(guān)斷并輸出一個(gè)故障信號(hào)。如果小毛刺干擾時(shí)間小于規(guī)定的td，則不影響驅(qū)動(dòng)電路工作，欠壓保護(hù)電路不予理睬。

b）過熱保護(hù)（OT）。在靠近IGBT芯片附近的絕緣基板上已安裝一個(gè)溫度傳感器。如果基板溫度超過過熱動(dòng)作數(shù)值（OT），IPM內(nèi)部控制電路將關(guān)斷下橋臂的3個(gè)IGBT，上橋臂IGBT的關(guān)斷不受其影響，直到溫度恢復(fù)正常，從而保護(hù)了功率器件。

c)過流保護(hù)（OC）。如果流過IGBT的電流超出過流動(dòng)作數(shù)值（OC） 的時(shí)間大于tO，IGBT將被關(guān)斷tO=10μf，同時(shí)輸出一個(gè)故障信號(hào)。若過流時(shí)間小于tO，則過流保護(hù)電路不予理睬。

d）短路保護(hù)（SC）。如果負(fù)載發(fā)生短路或因系統(tǒng)控制器故障而導(dǎo)致上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，IPM內(nèi)置短路保護(hù)將關(guān)斷IGBT，同時(shí)輸出一個(gè)故障信號(hào)。

雖然IPM內(nèi)含有相應(yīng)保護(hù)電路，但在實(shí)際運(yùn)行中不能長(zhǎng)期過載，因此當(dāng)系統(tǒng)輸出故障信號(hào)FO后應(yīng)立即送入控制系統(tǒng)的中斷口，產(chǎn)生中斷，立即停止運(yùn)行并封鎖送到IPM的輸入信號(hào)，在排除了故障之后再啟動(dòng)運(yùn)行。

3 控制電路的軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序的設(shè)計(jì)

為了獲得良好的運(yùn)行結(jié)果，編制精確、合理、完善的控制軟件是十分重要的，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，為調(diào)試方便，程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，即分為主程序和中斷服務(wù)程序，主程序完成調(diào)制方式選擇、波形發(fā)生器初始化、相關(guān)寄存器賦值等任務(wù)，中斷服務(wù)程序完成U相、V相、W相的對(duì)應(yīng)比較寄存器應(yīng)裝載值的運(yùn)算。圖4、圖5為程序框圖。

圖4 主程序流程圖

圖5 中斷服務(wù)子程序流程圖

4 結(jié)論

本文基于目前傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制技術(shù)，研究了應(yīng)用80C196MC單片機(jī)控制的脈寬調(diào)制變頻調(diào)速系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行各種控制策略的研究，用匯編語言編制控制程序?qū)崿F(xiàn)正弦波脈寬調(diào)制和電壓空間矢量脈寬調(diào)制，生成PWM波實(shí)現(xiàn)了對(duì)異步電機(jī)的變頻調(diào)速。本項(xiàng)研究現(xiàn)已應(yīng)用于浙江大學(xué)開發(fā)的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制箱上，在矢量控制的基礎(chǔ)上，更加完善了控制箱的變頻調(diào)速功能。

［1］ 陳國(guó)呈.PWM變頻調(diào)速及軟開關(guān)電力變換技術(shù)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［2］ 付娟.交流調(diào)速技術(shù)［M］.電子工業(yè)出版社，2002.

［3］ 馮垛生，鄧則名.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.廣東高等教育出版社，1998.

［4］ 馬小亮.大功率交—交變頻調(diào)速及矢量控制技術(shù)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

DTC-based Variable Frequency Speed Control of Asynchronous Motor

XU Da-peng
（Inner Mongolia Electric Power Research Institute，Hohhot，Inner Mongolia 010020，China）

With the development of power electronic technology，the variable frequency speed control technology develops from traditional SPWM to DTC.With low speed and long calculating period，the early MCU control circuit can not fit for the high speed of variable frequency speed control technology.Being a new control core，DTC has already replaced MCU in control circuit.This paper introduces the characteristics of control chip 80C196MC in DSP，and puts forward 80C196MC-centered digital controlling scheme to achieve the speed control of asynchronousmotor.According to the particular characteristics of 80C196MC，the hardware circuit in control circuit is designed and the process is programmed with software.All of these aim to carry out the DTC control in asynchronousmotor.

asynchronousmotor；SPWM control；DTC

TM343；TM344.6

A

1671-0320-（2011）03-0065-04

2011-02-20，

2011-04-06

徐大鵬（1980-），男，遼寧朝陽人，2007年畢業(yè)于內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)，從事電力系統(tǒng)高電壓試驗(yàn)工作。