交流感應(yīng)電機(jī)因其結(jié)構(gòu)牢固、運(yùn)行穩(wěn)健可靠、成本低廉和高效率等而被廣泛使用。但是交流電機(jī)的可控制性不如直流電機(jī)，而在很多應(yīng)用中有定位、轉(zhuǎn)距控制、速度控制等要求。為了實(shí)現(xiàn)此功能并提高控制，需要采用閉環(huán)控制系統(tǒng)和較為復(fù)雜、有效的控制算法，這些復(fù)雜的控制算法中包含了大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算及系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，對(duì)微處理器運(yùn)算能力和速度要求更高。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的出現(xiàn)使得實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)的模塊化和全數(shù)字化成為可能。本文以TMS320F812為控制器，設(shè)計(jì)了一種性能優(yōu)良的交流電機(jī)控制系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

　　交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由功率變換器、控制器、電流和位置檢測(cè)單元以及交流電機(jī)組成。功率變換器由交流電整流后的直流電供電，向交流電機(jī)提供旋轉(zhuǎn)所需的能量?？刂齐娐肥窍到y(tǒng)中樞，綜合處理速度信號(hào)、速度反饋信號(hào)及電流傳感器、位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器主開關(guān)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制。

　　2 交-直-交電壓型變頻器的主電路

　　交-直-交電壓型變頻器是中小容量、通用性變頻器的主要形式，其主電路如圖1所示，由交-直變換電路，直-交變換電路和能耗制動(dòng)電路組成。

　　2.1 整流電路

　　整流電路（rectifying circuit）把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離。

    整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)性直流電，這就是交流電的整流過程，整流電路主要由整流二極管組成。經(jīng)過整流電路之后的電壓已經(jīng)不是交流電壓，而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓，習(xí)慣上稱單向脈動(dòng)性直流電壓。

  　整流電路輸出的單向脈動(dòng)性直流電特性有所不同，半波整流電路輸出的電壓只有半周，所以這種單向脈動(dòng)性直流電主要成分仍然是50Hz的，因?yàn)檩斎虢涣魇须姷念l率是50Hz，半波整流電路去掉了交流電的半周，沒有改變單向脈動(dòng)性直流電中交流成分的頻率；全波和橋式整流電路相同，用到了輸入交流電壓的正、負(fù)半周，使頻率擴(kuò)大在倍為100Hz，所以這種單向脈動(dòng)性直流電的交流成分主要成分是100Hz的，這是因?yàn)檎麟娐穼⑤斎虢涣麟妷旱囊粋€(gè)半周轉(zhuǎn)換了極性，使輸出的直流脈動(dòng)性電壓的頻率比輸入交流電壓提高了一倍，這一頻率的提高有利于濾波電路的濾波。

　　在SPWM變頻器中，大多采用橋式全波整流電路。在中小容量變頻器中，整流器件采用不可控的整流二極管或二極管模塊，如圖1中的D1~D6是整流器件的一般選擇。

　?。?）反向電壓

　　2.2  濾波及限流電路

　?。?）濾波電路   由于受到電解電容的電容量和耐壓能力的限制，濾波電容通常由若干個(gè)電容器并聯(lián)成一組，又由2個(gè)電容器組串聯(lián)而成，如圖1所示。又因?yàn)殡娊怆娙莸碾娙萘坑斜容^大的離散性，故電容器組的電容量不能完全相等，這將使它們所承受的電壓不相等。為了使其承受的電壓相等，在電容器組旁各并聯(lián)一個(gè)阻值相等的均壓電阻，如圖1中R1、R2。

　?。?） 限流電路   串聯(lián)在整流橋和濾波電容器之間，由限流電阻和斷路開關(guān)組成。變頻器在接入總電源之前，濾波電容上的直流電壓為0 V。當(dāng)直流電壓增大到一定程度時(shí)，令斷路開關(guān)SS接通，把RS切出電路，SS大多由晶閘管構(gòu)成，在這個(gè)容量較小的變頻器中，選擇繼電器即可。

　　2.3 三相逆變橋電路

　　三相逆變橋的功能是把直流電轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的的三相交流電，由逆變電路和續(xù)流電路組成的。

　　（1）逆變電路   在圖1中，由開關(guān)器件V1~V6構(gòu)成的電路，常稱之為逆變橋。V1~V6接受控制電路SPWM調(diào)制信號(hào)的控制，將直流電逆變成三相交流電。當(dāng)電源電壓為220 V時(shí)，整流后直流電壓：

　?。?） 續(xù)流電路   圖1中并聯(lián)在開關(guān)管的6個(gè)二極管構(gòu)成續(xù)流電路，其功能是為電動(dòng)機(jī)繞組的無功電流返回直流電路時(shí)提供通路；當(dāng)頻率下降、同步轉(zhuǎn)速下降時(shí)，為電動(dòng)機(jī)的再生電能反饋至直流電路提供通路；為電路的寄生電感在逆變過程中釋放能量提供通路。

　　2.4 能耗制動(dòng)電路

　　所謂能耗制動(dòng)，即在電動(dòng)機(jī)脫離三相交流電源之后，定子繞組上加一個(gè)直流電壓，即通入直流電流，利用轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流與靜止磁場(chǎng)的作用已達(dá)到制動(dòng)的目的

　　在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的降速和停機(jī)通過逐漸減小頻率實(shí)現(xiàn)。在頻率剛減小的瞬間，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，由于機(jī)械慣性的原因，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變。當(dāng)同步轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子電流的相位幾乎改變了180°，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩變成了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降。過高的直流電壓將使各部分器件受到損害。因此當(dāng)直流電壓超過一定值時(shí)，就要提供一條放生回路，將再生的電能消耗掉。能耗制動(dòng)電路便是專門用來消耗電動(dòng)機(jī)再生電能的電路。能耗制動(dòng)電路由制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元開關(guān)管組成，在圖1中，介于濾波電路和逆變電路之間的電路是能耗制動(dòng)電路。制動(dòng)電阻R是專門用于將電動(dòng)機(jī)的再生電能轉(zhuǎn)換成熱能而消耗掉，選擇器件時(shí)主要考慮電阻阻值以及功率，一般情況下，阻值的大小以使制動(dòng)電流不超過變頻器額定電流的一半為宜。

　　根據(jù)左手定則確定出轉(zhuǎn)子電流和恒定磁場(chǎng)作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向  能耗制動(dòng)單元英威騰DBU系列。相反，故為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，此時(shí)電機(jī)把原來儲(chǔ)存的動(dòng)能或重物的位能吸收后變成電能消耗在轉(zhuǎn)子電路中。能耗制動(dòng)就是將運(yùn)行中的電動(dòng)機(jī)，從交流電源上切除并立即接通直流電源，在定子繞組接通直流電源時(shí)，直流電流會(huì)在定子內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)靜止的直流磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子因慣性在磁場(chǎng)內(nèi)旋轉(zhuǎn)，并在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)有感應(yīng)電流流過，并與恒定磁場(chǎng)相互作用消耗電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣性能量產(chǎn)生制動(dòng)力矩，使電動(dòng)機(jī)迅速減速，停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　取100 W即可，可選擇琺瑯大功率電阻510 Ω/200 W。

　　制動(dòng)單元一般由功率管、電壓取樣與比較電路以及驅(qū)動(dòng)電路組成。由于電壓較大，應(yīng)選用電流互感器將電流采樣后轉(zhuǎn)換為0~3 V的電壓，經(jīng)過2812的AD單元后與設(shè)定值進(jìn)行比較，如果達(dá)到要求，則2812輸出一路信號(hào)通過光電耦合器后驅(qū)動(dòng)功率管打開，進(jìn)行能耗制動(dòng)。功率管經(jīng)常選用GTR或IGBT，但本系統(tǒng)功率較小，選用功率較大的三極管即可。要求如下：

　　2.5 電流采樣電路

　　系統(tǒng)中的電流檢測(cè)環(huán)節(jié)是電流傳感器，該電流傳感器是利用霍爾效應(yīng)和磁平衡原理制成的一種電流傳感器，能夠測(cè)量直流、交流及各種脈沖電流，同時(shí)在電氣上高度絕緣。濾波電路的輸出在進(jìn)入DSP和AD環(huán)節(jié)之前，為了防止電壓太大損壞DSP，還需經(jīng)過一個(gè)鉗位電路，DSP芯片使用3.3 V 供電，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了3.3 V鉗位電路，使得輸入AD轉(zhuǎn)換模塊引腳的模擬信號(hào)不超過3.3 V，如圖2所示。

　　2.6 光電編碼電路

　　光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如圖1所示；通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90?的兩路脈沖信號(hào)。

　　測(cè)速是速度閉環(huán)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用光電編碼器，有A相、B相、Z相三路輸出。其中A相與B相用于測(cè)速，它們的相位差為90°，每轉(zhuǎn)一圈輸出2 048個(gè)脈沖；而z相脈沖為每轉(zhuǎn)一圈輸出一個(gè)脈沖；脈沖的幅值為15 V。光電編碼器的A 相和B相經(jīng)光電隔離后進(jìn)入74LS14轉(zhuǎn)換成幅值較低的脈沖信號(hào)，輸入到DSP的編碼器接QEP1和QEP2引腳。其電路圖如圖3所示。

　　2.7 溫度檢測(cè)電路

　　電路中R1、R2、R3采用精密電阻，用來減小溫漂影響。為了消除由于鉑熱電阻阻值較小、受連接導(dǎo)線的電阻及接觸電阻對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的影響，采用三線制接法，調(diào)整R1可以使電橋平衡。將電橋輸出接入OP07，反相放大40倍后接入DSP的AD單元。通過計(jì)算出鉑電阻阻值，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，先查表得出特定溫度鉑電阻的阻值（如100℃），當(dāng)計(jì)算的鉑電阻阻值大于這一阻值時(shí)，停止DSP工作并報(bào)警，保護(hù)相關(guān)的元器件。如圖4所示。

　　3  DSP與硬件部分的連接

　　在本系統(tǒng)中，DSP的主要功能是根據(jù)需要驅(qū)動(dòng)逆變橋的6個(gè)開關(guān)管的通斷并且根據(jù)采樣信號(hào)來打開或關(guān)斷能耗制動(dòng)電路的功率管。由于DSP輸出的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力較弱，且為了實(shí)現(xiàn)低壓數(shù)字電路和高壓模擬電路之間的電氣隔離，需要采用光耦隔離，另外，DSP芯片輸出信號(hào)頻率較高，需要反應(yīng)速度較快的光耦。通常按低電平開通高電平截至的原則設(shè)計(jì)接口電路。實(shí)際應(yīng)用中，某些開關(guān)可能不用，但輸入信號(hào)加上拉電阻可以保證其關(guān)斷。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)體現(xiàn)了硬件實(shí)現(xiàn)的可行性，為下一步的實(shí)際運(yùn)用打下了良好的基礎(chǔ)。