朱俊臻，康少華，王愛榮，周華鋒

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津300161;2.軍事交通學(xué)院 軍事物流系，天津300161)

三相逆變器用于交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制。根據(jù)調(diào)速的靜、動(dòng)態(tài)性能，逆變器的控制策略可簡(jiǎn)單分為轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制［1］。其中，當(dāng)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能要求較高時(shí)，轉(zhuǎn)差頻率控制不能滿足要求，而矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制使得異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性以及動(dòng)態(tài)性能達(dá)到足以和他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)特性相媲美的程度［2］。由于異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性系統(tǒng)，直接轉(zhuǎn)矩控制存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大的缺點(diǎn)［1-2］，所以本文運(yùn)用異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制策略，實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立控制［1］，并對(duì)逆變器驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)三相逆變器的矢量變頻控制。

1 控制系統(tǒng)概述

異步電動(dòng)機(jī)矢量控制的基本思路，是將定子電流瞬時(shí)值分解為互不耦合的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，并建立起電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩與這2 個(gè)分量的直接聯(lián)系，通過一系列坐標(biāo)變化，轉(zhuǎn)化成為逆變器加載到交流電動(dòng)機(jī)的三相電流分量，從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)三相電流的解耦控制，使異步電動(dòng)機(jī)能像他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)一樣控制。矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖1［3］所示。

圖1 轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)框圖

圖中，ASR 為速度調(diào)節(jié)器，ACRA—ACRC 為相電流調(diào)節(jié)器，BRT 為測(cè)速傳感器為給定的定子二相同步旋轉(zhuǎn)電流，為 給 定 的 定 子 二 相靜止電流，為給定的定子三相靜止電流，ω*為給定轉(zhuǎn)速，ω 為實(shí)際轉(zhuǎn)速，φs為磁場(chǎng)定向角。具體變換矩陣如下。

(1)定子軸系的二相靜止到二相同步旋轉(zhuǎn)(2S/2R)的電流變換矩陣方程為［3］

其中，φs的計(jì)算公式為［3］

(2)定子軸系的三相靜止到二相靜止(3S/2S)的電流變換矩陣方程為［3］

2 控制程序設(shè)計(jì)

結(jié)合對(duì)控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)的理解，在設(shè)計(jì)控制程序時(shí)，主要考慮數(shù)據(jù)采集與處理、坐標(biāo)變換、控制算法3 個(gè)模塊，控制程序流程如圖2 所示。

圖2 控制程序流程

3 逆變器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

逆變器驅(qū)動(dòng)電路由邏輯信號(hào)處理電路和MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路2 部分組成。邏輯信號(hào)處理電路輸入、輸出分別是單片機(jī)PWM 信號(hào)和IR2110 控制信號(hào);MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)弱電對(duì)強(qiáng)電的控制，驅(qū)動(dòng)電路分通道設(shè)計(jì)，能有效避免強(qiáng)電對(duì)弱電產(chǎn)生干擾。逆變驅(qū)動(dòng)電路框圖如圖3 所示。

3.1 邏輯信號(hào)處理電路

邏輯信號(hào)處理電路如圖4 所示。其功能是產(chǎn)生滿足MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路要求的時(shí)序信號(hào)，且對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行互鎖保護(hù)。

圖3 逆變器驅(qū)動(dòng)電路框圖

圖4 邏輯信號(hào)處理電路

單片機(jī)輸出的6 路信號(hào)PWM1—PWM6 經(jīng)過邏輯電路后產(chǎn)生各組IR2110 高低輸入端所需的控制信號(hào)INH 與INL。通過或非門74JC02 和或門74ALS32 進(jìn)行邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)各組高低輸出信號(hào)之間的互鎖保護(hù)，使INH1 和INL1、INH2 和INL2、INH3 和INL3 不能同時(shí)為高電平。其中，IN1 路邏輯運(yùn)算真值見表1。IN1 邏輯電路的輸入、輸出時(shí)序如圖5 所示。

表1 IN1 路邏輯運(yùn)算真值

圖5 IN1 邏輯電路時(shí)序

3.2 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路

MOSFET 驅(qū)動(dòng)部分采用3 片IR2110 芯片，分別驅(qū)動(dòng)上下橋2 對(duì)、共6 組MOSFET，構(gòu)成對(duì)逆變器的直接控制電路(如圖6 所示)。

圖6 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路

IR2110 是IR 公司推出的一種雙通道高壓、高速電壓型功率開關(guān)器件，具有獨(dú)立的高低端輸出驅(qū)動(dòng)通道。柵極驅(qū)動(dòng)電壓為10 ～20 V，邏輯電源電壓為5 ～20 V，懸浮通道用于驅(qū)動(dòng)MOSFET 的高壓端電壓可以達(dá)到500 V［4］。本逆變電路的MOSFET 選用英飛凌的IPB025N10N，其漏源最大電壓為100 V，最大電流為180 A，導(dǎo)通電阻為2.5 mΩ，響應(yīng)時(shí)間為34 ns［5］。

圖中，IR2110 供電電源VDD 為5 V，自舉電路電源VCC 為l5 V，數(shù)字地與模擬地串0 Ω 電阻共地，C2、C5、C8 為自舉電容，D1、D2、D3 為續(xù)流二極管，C1、C3、C4、C6、C7、C9 為濾波電容，D4、D5、D7、D8、D10、D11、D13、D14、D16、D17、D19、D20為鉗位保護(hù)二極管，防止加在MOSFET 柵極電壓超過允許范圍0 ～15 V。

就U1 所對(duì)應(yīng)的電路而言，邏輯信號(hào)處理電路輸出的INL1、INH1 使U1 對(duì)應(yīng)的高低端口(HO、LO)按照規(guī)則輸出高低電平，實(shí)現(xiàn)上下橋MOSFET交替導(dǎo)通。當(dāng)INH1 =0、INL1 =1 時(shí)，U1 的LO 端產(chǎn)生高電平，使下橋臂組MOSFET 導(dǎo)通，此時(shí)VS接地，+15 V 經(jīng)過D1、C2、下橋臂組，接地給C2 充電;當(dāng)INH1 =1、INL1 =0 時(shí)，上橋臂組MOSFET 導(dǎo)通瞬間，VS 端為高電壓，為了使MOSFET 飽和導(dǎo)通，C2 必須放電，此時(shí)C2 相當(dāng)于電壓源，U1 的VB端是正極，VS 端是負(fù)極，為MOSFET 柵源間提供15 V 的開啟電壓。由此可見，上橋臂組的導(dǎo)通必須要以下橋臂組的導(dǎo)通為前提，給自舉電容充電。

4 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)上述電路分析，實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)對(duì)邏輯處理電路輸出INH1、INL1 和IR2110 的高低輸出端GH1、GL1 隨PWM1、PWM2 變化波形進(jìn)行驗(yàn)證，通過波形記錄儀測(cè)量得到波形如圖7、8 所示。

圖7 INH1、INL1 隨PWM1、PWM2 變化波形

圖8 GH1、GL1 隨PWM1、PWM2 變化波形

可以看出，邏輯處理電路輸出波形與本文設(shè)計(jì)時(shí)序圖對(duì)應(yīng)關(guān)系一致，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速;同時(shí)IR2110 的高低輸出端波形也隨邏輯信號(hào)處理電路輸出波形同態(tài)變化。實(shí)驗(yàn)證明，本控制策略可行，逆變器驅(qū)動(dòng)電路運(yùn)行穩(wěn)定，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

［1］ 王仁峰.基于XC164 的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.上海:上海大學(xué)，2007.

［2］ 陳伯時(shí)，陳敏遜. 交流調(diào)速系統(tǒng)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］ 李華德，白晶.交流調(diào)速控制系統(tǒng)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003:99-119.

［4］ International Rectifier Inc Products. IR2110/IR2113 data sheet［EB/OL］. ［2013-05-12］www.a//data.sheet.com.

［5］ Infineon Technologies AG. IPB025N10N data sheet［EB/OL］.［2013-06-12］］www.a//data.sheet.com.