运动控制系统绕线式异步电动机双馈调速系统.docx
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运动控制系统绕线式异步电动机双馈调速系统
运动控制系统课程设计
题目：
绕线式异步电动机双馈调速系统
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摘要
本文主要围绕双馈调速交直交变频器样机系统进行了相关研究：
首先，根据双馈调速系统的结构特点，将其分为网侧变换器和转子侧变换器。
针对网侧PWM变换器的拓扑结构、原理，通过坐标变换给出了不同参考坐标系下三相电压型PWM变换器的数学模型，提出采用电压定向矢量控制的策略。
阐述了电网侧变换器的双闭环控制原理和单位功率因数的实现方法，得到了内环电流控制器和外环电压控制器的工程设计和参数的选取方法，并由此建立了基于SVPWM控制的Matlab仿真。
最后，搭建了基于TMS320F2812数字信号处理器（DSP）为控制单元的系统样机实验平台，编写了网侧PWM变换器的控制程序，通过实验验证了控制策略的正确性。
关键词：
交直交变换器；空间矢量控制；双馈调速
Abstract
Thispaperprocessestherelatedresearchesfocusingondoubly-fedspeedregulationmodelmachinesystemwithAC-DC-ACconvertercontrol.Firstofall,thesystemisdividedintonetssideconverterandrotorsideconverterbyitscharacteristics.AccordingtothenetsideofPWMconverter’stopologystructureandprinciple,itgivesmathematicalmodelofthree-phasevoltagesourcePWMconverterindifferentreferencethroughthecoordinatetransformationandthestrategyofvoltagedirectionalvectorcontrol.What’smore,adetailedexplanationisprovidedwiththedoubleclosedloopcontrolprincipleandunitpowerfactormethodofrealizationforgridsideoftheconverterobtainedengineeringdesignandparametermethodofchoosingintheinnerloopcurrentcontrollerandtheouterringvoltagecontroller.TheMatlabsimulationisestablishedbasedonSVPWMcontrol，Finally,experimentalcircuitbasedonTMS320F2812digitalsignalprocessor（DSP）tocontrolunitsystemexperimentalplatformisputup.NetssideofPWMconvertercontrolproceduresisprogrammingtoverifythevalidityofthecontrolstrategythroughtheexperimentalresults.
Keywords:
AC-DC-ACconverter,Spacevectorpulse-widthmodulationcontrol,Double-fedspeedregulation
1任务要求
系统硬件结构及软件设计方法（结合典型数字化双馈调速系统的硬件结构原理图，阐明其组成原理及其软件设计方法）
2引言
交流电动机调速方式有三种：
1、变频调速；2、变级调速；3转子回路串电阻调速。
异步电动机转子回路串电阻调速，是将绕线转子异步电动机的转差功率加以利用的一种经济的调速方法，这种调速方法简单、方便，但存在着以下缺点:
（1）调速是有级的，不平滑；
（2）在深调速时机械特性很软，转速容易出现很大的波动，降低了调速静态精度；
（3）转差功率消耗在电阻发热上，效率低。
由于它是通过增大转子回路的电阻值来降低电动机转速的，当拖动恒转矩负载时，转速愈低，转差功率也愈大，电能损耗大，效率更低。
为了利用转差功率，人们提出了控制转子变量的调速方法，即在电动机转子回路串入与转子电动势相位相反的附加电势，通过逆变器在转子回路中加入幅值和频率可调的电源其调速范围广，但结构复杂。
可以将转子电压通过不控整流的方法引出来与一个直流电源串联，从而达到转子回路串联幅值可变的外加电源的目的，这种连接方式即为串级调速，其结构简单，工作可靠，结构如图2.1所示：
图2.1绕线式异步电机串级调速
串级调速在调速范围要求不高的情况下，变频器的容量与转子转差功率相当，调速装置的容量可大大减小，特别是转子电压为低压时，整个调速系统的成本比变频调速方案低很多。
但其调速系统功率因数低、调速范围小及谐波抑制等问题，使其推广应用受到限制。
针对绕线异步电机在串级调速控制中存在的问题，提出基于电压型双PWM整流器的双馈调速方案，采用内模解耦控制和矢量控制技术，实现亚同步以下和超同步宽范围内的调速控制及电机转矩和转子电流的解耦控制，以提高功率因数，降低电机定转子电流畸变，有效抑制谐波污染。
其结构如图2-2所示：
2-2绕线式异步电机双馈调速
3系统结构
由于本人主要任务产阐明双馈调速系统的软硬件设计，双馈调速系统交直交变频器控制结构框图如图3-1所示，主要有两个背靠背式的网侧变换器和转子侧变换器组成，双馈电机的定子侧与电网相连，转子侧与交直交变换器相连接。
系统变换器需要的各路信号经过专用芯片电路采集处理后传输给两片高性能数子处理器，变换器控制端信号的数据运算和输出主要由两片DSP芯片实现。
3-1双馈调速系统控制结构
3.1控制器
控制器选择高速数字信号处理器DSP，DSP是将模拟信号变换成数字信号后负责高速实时处理的高性能专用处理器芯片，由于内部采用改进的哈佛结构同时集成多种便于信号处理和数字运算的硬件，其在数字信号处理速度方面非常出色。
32位TMS320X28xx系列DSP整合了DSP和微处理器的最佳特性，能够在一个周期内完成32×32位的乘法累积运算，或者两个16×16乘法累积运算，能够完成64位的数据处理，从而使处理器能够完成更高精度的处理任务。
3.2信号检测
双馈系统交直交变频器需要检测网侧、转子侧的多路电压和电流信号，良好的信号检测元件对系统的精确控制至关重要，这里就采用宇波霍尔电压、电流传感器作为系统相关的信号检测元件。
（1）电压传感器
选用的宇波霍尔电压传感器型号为CHV-100，采用霍尔磁补偿原理，匝数比10000:
2000，工作电压为±15V，既可以采样交流量又可以采样直流量，采样转换的电压范围±5V，并实现控制电路与主电路的隔离，如图3-2所示。
3-2霍尔电压传感器
由于本文没有具体的设计参数的限制，因此选用通用CHV-100/300，测量范围
，适用于常用交流电机的测量。
测量公式：
（2）霍尔电流传感器
系统选用宇波霍尔电流传感器件型号为CHF-25NP，测量范围5A-100A，匝数比1:
1000，传感器工作供电电压为±15V，采样转换的电压范围±5V。
其电路如图3-3所示：
3-3霍尔电流传感器
3.3转速检测电路
转速检测采用ZKT6012系列光电编码器，ZKT6012空心旋转编码器K6012光电编码器1024码盘，1200脉冲IHA6012，通过单片机检测脉冲信号，处理后数据通过DA转换器，发送到ASR转速调节器处理，这里全用DSP代替。
电路图如3-4所示
3-4转速检测电路
3.4滤波电路
在双馈调速交直交系统中输入相电流含有大量开关频率附近以及开关频率整数倍的高次谐波分量，系统中的谐波会加大无功损耗，使功率因数降低，严重时引发串并联谐振，给系统的通信和电气设备造成不良影响。
为了衰减开关频率附近等高次谐波，设计了二阶RC无源低通滤波电路，根据公式截止频率
电路如图3-5所示。
3-5滤波电路
3.5变频器模块
双馈调速交直交系统网侧和转子侧一共需要12个IGBT，选用英飞凌公司生产的功率控制模块FS75R06KE3模块。
该模块内部三相桥式电路所需要6个功率开关IGBT和6个续流二极管都已封装好，在正常工作温度下（25°C）下，集成模块的集电极额定电流为75A，集射极额定电压600V，适用于中小功率系统。
3.6驱动保护电路
由于IGBT在逆变状态时，很可能出现逆变失败情况，如果没有一套很好的保护装置，IGBT很容易烧毁，因此保护装置在逆变系统中占有很重要的地位。
这里重点对逆变保护装置加以阐明。
当逆变器工作时，应该充分考虑到器件所能处理的电流能力。
并防止过电流现象产生。
出现过流的原因：
（1）负载阻抗太小；
（2）桥臂短路直通
通常保护采用硬件保护和软件保护两种手段。
（1）软件保护
软件保护是通过采样实现的，当采样的电流超过设定值时，返回一个过流变量，并完成相应的操作。
例如：
if（（Ia>=I_lim）||（Ia<=-1*I_lim）||（Ib>=I_lim）||（Ib<=-1*I_lim）||（（Ia+Ib）>=I_lim）||（（Ia+Ib）<=-1*I_lim））
{
OC_SOFT_F=1;过流标志变量
}
软件保护的作用时间是间隔的，只有在每个采样周期才检测一次，因此还必须要结合硬件保护电路。
（2）硬件保护
硬件保护也采用两种方式：
继电器开关保护；
过流脉冲封锁保护
继电器开关保护
继电路开关保护电路比较简单，这里采用正泰中间交流继电器JZ7-44，耐压值220V，通过软件检测电流反馈信号，一旦电路中过流和短路，则处理器通过相应驱动控制继电器断开，使整个电路失电以达到继电保护的目的。
但由于继电器开关动作时间相对较长，因此很可能在电路未能及时断开时，IGBT就已烧毁，因此还需采取脉冲封锁保护措施。
过流脉冲封锁保护
DSP经过程序计算输出PWM脉冲的电压为3.3V，不足以驱动IGBT功率开关器件，需要经过驱动电路的功率放大。
驱动电路是驱动IGBT模块以能让其正常工作，并同时对其进行保护的电路，驱动电路的作用对整个双馈调速系统交直交变频器来说至关重要。
目前IGBT的驱动电路主要有分立元件、光耦驱动电路、专用集成驱动电路和厚膜驱动电路等形式。
集成和厚膜驱动电路集成了很多保护和检测电路，提高了整机可靠性并且使用方便，得到了广泛应用。
日本FUJI公司生产的EXB840/841是高速型，最高工作频率为40kHz，采用具有高隔离电压的光耦耦合器进行信号隔离，具有单电源、正负偏压、过流检测和软关断保护等主要特性，电路结构如3-6所示。
3-6EXB841驱动
IGBT模块通常只能承受10微秒的短路电流，所以必须有快速的短路电流保护电路。
EXB841驱动器内部装有过电流保护电路，可输出过流保护信号。
根据驱动信号和IGBT集电极之间的关系检测到过电流时，驱动器5号管脚输出低电平信号。
该信号通过光耦合器件TLP521得到过流控制信号，光耦合器件起到隔离高低压电路的作用，电路如图3-7所示。
3-7过流保护电路
DSP的与过流保护相关的软硬件资源主要包括
（1）FAULT0－3引脚；
（2）DISMAP（故障映射寄存器）寄存器；（3）PMFCTL（故障控制）寄存器;（4）FLTACK（故障应答）寄存器；（5）FAULT中断。
利用FAULT信号进行保护，有两种工作模式
（1）通过配置DISMAP寄存器通过硬件直接封锁PWM输出；
（2）配置PMFCTL寄存器后，进入中断服务子程序。
这两种模式是相互独立的，可以独立配置。
一般情形，当电流超过保护设定值时，操作时序如下：
第一步：
硬件封锁PWM输出（一旦设置DISMAP寄存器，这一步自动完成），使通道处于无效电平状态，快速关断IGBT。
但是这种工作模式下，当关断IGBT以后电流将下降，很快就会退出PWM通道封锁状态。
第二步：
在两个PWM时钟周期后，FLTACK（故障应答）寄存器的FAULTnPinFlag为将被置1，向DSP的核提出中断请求。
若PMFCTL（故障控制）寄存器的FIE位被配置，且在INTC寄存器中相应位也被配置，且优先级也被设置，即可进入中断服务子程序，在中断服务子程序中即可完成更进一步的操作。
4控制系统软件设计
（1）根据网侧三相电压型PWM变换器的拓扑结构可知，其主电路的6个可控型功率开关器件IGBT都并联有续流二极管；在给网侧变换器实验系统上电的瞬间，DSP2812的PWM输出管脚封锁，没有PWM控制脉冲生成，此时网侧电压型PWM变换器系统为六个续流二极管的不控整流电路。
在给直流侧电容充电的过程中，电压逐渐上升，交流侧电压的降落主要由网侧电感承受，使得交流侧电流迅速上升，可能损坏IGBT、电容或者电路的其他器件。
为了限制上电初始的冲击电流和保证电路的安全工作，我们在主电路交流侧串接了限流电阻，当直流侧电容充电完毕后，切除限流电阻进行SVPWM矢量控制IGBT的可控整流。
限流保护的DSP控制流程如图4-1所示。
4-1限流保护流程图
（2）网侧变换器控制程序主要有初始化模块和中断服务程序模块组成。
初始化模块主要完成程序的限流保护，电压过零判断及各个其寄存器初始化等工作，在T1定时器设定的每一个PWM中断周期调用中断服务程序。
中断服务程序是整个控制程序的核心部分，主要由电量AD采样、采样数据处理、线电压转换相电压、坐标转换、SVPWM脉冲生成等模块组成，相关的中断服务程序流程图见图4-2。
4-2PWM控制程序
5总结
本次专题，先时对硕士论文的总结与分析，理解了绕线式异步电动机双馈调速系统的原理结构，然后根据相应的原理设计出现相应的硬件电路和软件，根据上文分析可以看出，绕线式异步电动机双馈调速系统主要由主电路、控制器、检测电路、保护电路等组成，本文先对异步电动调速逐渐发展到双馈调速系统优点进行总结，然后阐明硬件电路设计，并对保护电路设计进行重点阐明。
参考资料
《双馈调速系统交直交变频器控制技术研究》肖志国硕士论文华中科技大学
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