1 引言
長期以來，由于交流異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,、運(yùn)行可靠,、制造成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用越來越廣泛,。但因異步電機(jī)是一個多變量,、非線性、強(qiáng)耦合的被控對象,，磁通和轉(zhuǎn)矩耦合在一起,，不能對磁通和轉(zhuǎn)矩分別控制，因此一直沒有獲得高性能的交流調(diào)速系統(tǒng),，直到70年代才有了突破性發(fā)展,。在eblashke和w.flotor提出了“感應(yīng)電機(jī)磁場定向的控制原理”后，文獻(xiàn)［2,，3］對基于逆系統(tǒng)理論和基于微分幾何控制理論的解耦方法,，以及如何對異步電動機(jī)解耦做了介紹。在交流調(diào)速理論發(fā)展的同時,，人們也在研究交流調(diào)速系統(tǒng)硬件接口電路的設(shè)計方法,。隨著高性能dsp芯片、電力電子器件的出現(xiàn),，交流調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計也逐漸形成標(biāo)準(zhǔn),。本文詳細(xì)介紹了一種基于dsp的交流調(diào)速系統(tǒng)硬件接口電路設(shè)計的方法，對各個電路如采樣電路,、轉(zhuǎn)速反饋接口電路,、驅(qū)動電路的主要功能及電路元器件參數(shù)的選擇給出了詳細(xì)的說明，實(shí)驗(yàn)證明這種方法是可行的,。
2 主電路設(shè)計
本文的設(shè)計實(shí)驗(yàn)對象為：額定功率為55kw,，額定電壓為440v，額定電流為90a,，額定轉(zhuǎn)速為1800r/min的異步電機(jī),。調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖1所示。
本設(shè)計選取了tms320f2812系列定點(diǎn)dsp作為電動機(jī)控制主芯片,，圍繞它展開了硬件接口電路的設(shè)計,。具體包括：電流采樣電路的設(shè)計，速度檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計,，功率開關(guān)器件的驅(qū)動電路設(shè)計等幾個方面,。因?yàn)楸疚囊杂布O(shè)計為主，故在其他方面如park變換,，clarke變換等軟件設(shè)計方面不予以贅言,。
3 電流采樣電路的設(shè)計
3.1電流采樣電路
電流采樣電路的目的是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中實(shí)時得到反饋的交流電動機(jī)定子電流信號,，即將傳感器檢測到的電流信號進(jìn)行放大，偏置輸出到dsp的a/d接口,，將電流信號轉(zhuǎn)換成dsp可識別的數(shù)字信號,，以方便dsp進(jìn)行處理。因?yàn)楸菊n題研究的是三相平衡系統(tǒng)ua+ub+uc=0,，故只需要檢測其中兩路電流即可,。
3.2電流傳感器的選擇
根據(jù)異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可知，定子電流檢測的精度和實(shí)時性是整個矢量控制系統(tǒng)精度的關(guān)鍵,。因此,，對電流的檢測要求精度高和速度快，顯然普通的電流傳感器很難滿足要求,。根據(jù)設(shè)計要求,，試驗(yàn)電動機(jī)的額定電流為90a，考慮兩倍的安全裕量,，實(shí)際定子電流取到180a,。本實(shí)驗(yàn)選取深圳市貝爾特電子有限技術(shù)公司出品的csns200m-002電流傳感器。該電流傳感器的原邊電流為200a,，與預(yù)選的電流值（180a）很接近,，滿足選取原則。
3.3運(yùn)算放大器的選擇
本文所研究設(shè)計的系統(tǒng)中電機(jī)線電流變化范圍從0a～90a,，變化范圍很大,。如果在如此寬的范圍之內(nèi)，電流信號采用一個固定的放大倍數(shù),，精度堪憂,。所以初級采用可編程放大器ad526，通過調(diào)節(jié)放大倍數(shù)來滿足要求,，并由ad526產(chǎn)生正的1.65v的電壓信號,。由于tms320f2812要求的電壓為3.3v，所能識別的僅是正的電壓值,，而電流信號為正負(fù)交替的交變信號,，因此，需要有一個減法比較環(huán)節(jié)將正,、負(fù)信號做減法運(yùn)算,，由比較環(huán)節(jié)最終輸出的電壓值就是可以為tms320f2812所能使用的電壓值。
設(shè)計中先將霍爾的電流信號通過電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號,，為了防止電壓過高或過低,，設(shè)計了由二極管構(gòu)成的限幅電路，由于電流反饋具有較大的噪音紋波,，因而采用低通濾波電路,?？紤]到現(xiàn)場環(huán)境的影響以及其他未可預(yù)知的干擾，在本設(shè)計中,，選取了op27型放大器,。
3.4采樣電阻的計算
由電流傳感器的變比2000:1,，及原邊電流值大?。?00a，ad526輸出電壓為1.65v,，可以求出采樣電阻r9《16.5ω,，故可取r9=10ω。其中,，a相電流的采樣電路如圖2所示,，b相與其相同。
4 轉(zhuǎn)速反饋接口電路設(shè)計
起動的快速性是電動機(jī)的基本要求,。以目前無位置傳感器控制技術(shù)發(fā)展的情況來看,，由于低速特別是起動瞬間反電動勢非常低，控制精度和性能并不理想,。因此有必要保留位置速度傳感器,。
4.1編碼器的選擇
與旋轉(zhuǎn)變壓器相比，光電編碼器信號處理簡單,、噪聲容限大,、易于實(shí)現(xiàn)高分辨率。特別是在選用tms320f2812作為控制器的情況下,，光電編碼器可以通過dsp的qep接口十分方便地實(shí)現(xiàn)與控制器的連接,。
本設(shè)計選用了sumtak株式會社產(chǎn)的lhe-055-2000型帶u、v,、w信號增量式光電編碼器,。它輸出12路信號：a、b,、z,、u、v,、w以及他們的補(bǔ)信號a’,、b’、z’,、u’,、v’、w’,。其中a,、b,、a’、b’為占空比為50％的方波,，2000p/r,。u、v,、w,、u’、v’,、w’以轉(zhuǎn)子每360°電角度為一個循環(huán)周期,。u、v,、w（或u’,、v’、w’）相差120°,，按照u,、v、w（或u’,、v’,、w’）不同組合，可以把一對轉(zhuǎn)子磁極分為6個等距區(qū)間,。所以在電機(jī)起動時,，可以先根據(jù)u、v,、w信號按照無刷直流電動機(jī)控制,，使電機(jī)運(yùn)行起來，待檢測到z信號,，按照事先確定好的轉(zhuǎn)子磁極位置確定定子磁鏈初值,，然后轉(zhuǎn)入直接轉(zhuǎn)矩控制。通常把z信號定位于a相繞組反電動勢的過零點(diǎn),，此時,，轉(zhuǎn)子磁極軸線正好與a相繞組軸線重合。
其中a,、b信號分別通過qep1,、qep2接到lf2407a上；而z信號通過cap3接到lf2407a上,；u,、v、w是以60°電角度為周期的數(shù)字信號,，分別通過qep1,、qep2,、qep3接到lf2407a上。
4.2 26c32的使用
由于光電編碼器內(nèi)部集成了26c31芯片,，所以由它引出了a,、b、z,、u,、v、w以及他們的補(bǔ)信號a’,、b’,、z’、u’,、v’、w’以及地線和電源線,，但是這些線不能直接接到dsp上,，這里就需要用26c32來接接收由26c31引出的所有線路。
由于26c32可以同時接受四路信號,，所以,，a、b,、z,、a’、b’,、z’信號可以同時與26c32的ina1,、ina2、inb1,、inb2,、inc1、inc2端相連,，輸出端outa、outb、outc端分別接到光耦6n137芯片上輸出再與tms320f2812的qep1,、qep2,、int1相連，以完成轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)的接口電路,。
本來光電脈沖編碼器的a,、b輸出可以直接接到tms320f2812的qep1、qep2上,，但為保護(hù)起見,，還得加上高速光電隔離,。圖3中是a路信號的接口電路，b,、z路接口電路與此相同,。它主要由ti公司的光耦6n137組成。這里用快速光耦的原因是：碼盤輸出的信號的頻率最高接近60khz,，而普通光耦的開通和關(guān)斷延時就有幾個微秒,，無法滿足要求。在tms320f2812中將捕獲單元配置成正交編碼脈沖模式,，在這種模式下,，兩個16位通用定時器t1和t2可工作于qep模式的16位或32位雙向計數(shù)器。qep電路直接處理光電編碼器輸出的兩路相位相差90°的兩路脈沖,，只要將這兩路脈沖分別接到qep1,、qep2即可。qep模式對兩路脈沖的前后沿均進(jìn)行計數(shù),，無需外部的倍頻電路,。而且它能根據(jù)兩路脈沖的先后次序判別電機(jī)的轉(zhuǎn)向，省去了外部辯向電路,，增加了系統(tǒng)的可靠性,。在信號隔離功能之外，光耦還起到濾除脈沖尖峰和毛刺,，增強(qiáng)抗干擾能力,。
5 驅(qū)動電路的設(shè)計
ipm的驅(qū)動隔離電路如圖4所示。盡管在lf2407a輸出的pwm中已經(jīng)加入了死區(qū)時間,，本系統(tǒng)設(shè)計中依然從硬件方面采取措施,，如圖4所示，gel器件22v10d在lf2407a之后,，保證同一相的上,、下橋臂的互鎖。為了增強(qiáng)驅(qū)動信號的帶負(fù)載能力,，在22v10d的輸出之后串入一片緩沖器——mc1413,。當(dāng)驅(qū)動信號發(fā)生錯誤，lf2407a發(fā)出一個錯誤信號false,，并點(diǎn)亮發(fā)光二極管ledintpend,。緩沖器mc1413的輸出經(jīng)過快速光耦hcpl4503隔離，驅(qū)動ipm,。圖中只畫出了a相上橋臂的電路,，其他橋臂的電路與此相同。hcpl4503下面的光耦til117的一次側(cè)接到ipm的故障輸出引腳5上。
6 結(jié)束語
基于以上對交流調(diào)速系統(tǒng)硬件接口電路設(shè)計方法的研究,，我們進(jìn)行了異步電機(jī)的矢量控制實(shí)驗(yàn),。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該系統(tǒng)能可靠穩(wěn)定運(yùn)行。同時該系統(tǒng)對于過流有很快的響應(yīng)性,，對系統(tǒng)有保護(hù)作用,，實(shí)踐證明該設(shè)計方法符合控制設(shè)計要求，具有一定的電路設(shè)計典型性并可應(yīng)用在交流調(diào)速系統(tǒng)中,。