异步电机变频调速系统的控制检测反馈设计

异步电机变频调速系统的控制检测反馈设计

杨盼

（天津松正电动汽车技术股份有限公司天津300308）

摘要：在微处理器应用于异步电机控制系统以来,电机控制硬件结构越来越精简,硬件大大简化，系统的控制检测反馈电路尤为重要，本文分别对异步电机变频调速系统控制系统的检测反馈电路的设计、电流检测电路设计、转速检测电路设计、电压检测电路设计进行研究。

关键词：电流检测、电压检测、转速检测

0引言

异步电机变频调速系统控制系统的硬件电路,包括微处理器、检测反馈电路、接口电路和外围设备。其中,核心部分是微处理器,微处理器对输入的数据,调用内部处理控制程序,完成控制计算等工作,通过输出接口电路向主电路和外围设备发出各种控制信号。本文的微处理采用电机专用TM320LF2407A系列控制芯片来完成控制处理工作。

1检测反馈电路的设计

异步电机变频调速系统的检测电路一般包括电流检测、电压检测和转速检测,检测电路的作用是将系统的工作状态量转换为微控制器控制量,并在微控制器内按照事先定好的控制算法进行处理,然后输出各部分电路所需的控制信号控制逆变器工作状态或保护信号,达到系统所要求的工作状态、保护系统和电动机的目的。对于电流和电压的检测目前一般采用的检测元件是霍尔元件,霍尔元件对于直流信号、交流信号都能检测,且能给出线性度比较好的检测输出信号,便于进行高精度的控制。对于异步电动机转速的检测目前多采用光电编码盘和磁码盘进行检测,转换为电信号后进行硬件和软件的处理,得到电机的实际转速,便于数字化控制。

2电流检测电路设计

本文电流检测模块的作用就是检测直流母线电流和异步电机三相定子电流,并将检测到的电流信号转换成能够处理的电压信号,送至DSP进行处理分析。检测定子电流,要求具有高精度和实时性,这是实现矢量控制调速的关键,而对母线电流的检测,为了对整个电机系统进行保护,要求具有及时性。因此,对电流检测元件要求具有高精度和快速检测的特点,为此本系统采用由南京奇霍科技有限公司生产的CS300B系列霍尔电流传感器来检测电流。CS300B应用霍尔效应原理,均在电隔离条件下完成测量,可以测量交流、直流、脉冲以及各种不规则波形的电流,原边额定输入电流流Ipn=300A,原边电流测量范围Ip=0±600A。副边额定输出电压Vout=(4±1%)V,电源电压Vc=±12～±15%(±5%)V。在实际设计中,霍尔电流传感器是连接DSP芯片的,而TM320LF2407A的I/O扣基准电压是3.3V,即输入信号只能在0-3.3V之间,而霍尔元件检测到的电流是一个交流量,所以此检测信号在接入DSP芯片前,需要加接电平偏移电路,故此,可用一－3.3V的电压基准把交流信号转换为TM320LF2407A所需要的单极性信号（0-3.3V）,同时为了防止过压,可由二极管构成限幅电路。如图1所示为电流检测电路图。

上图中,霍尔交流输出信号经过负载电阻R后,将电流信号转换为电压信号,经过RC滤波环节,与偏置给定电压V心进行叠加,经过放大器后输入到TM320LF2407A的ADC模块,D1、D2构成限幅电路,保证DSP输入信号范围在0-3.3V之间。

3转速检测电路设计

电动机的转速一般通过光电脉冲编码器或测速发电机检测的,电机转速检测的正确性和精度将直接影响整个异步电机调速系统的性能指标和控制精度。1）测速发电机：测速发电机价格相对较低,工作稳定可靠,但其是非线性测速,精度不高,且存在死区,所以应用不广。2）光电编码器：光电编码器直接与电机轴相连,电机每转一周它就发出一定数量的脉冲,本系统中运用DSP微处理器对获取的脉冲频率或周期进行分析,即可得到电动机的转速。其特点是测速不受外部因素影响,精度较高。为了保障系统的稳定性,使电机拥有良好的测速范围,测速元件的输出结果必须要稳定、纹波小、线性度好。本系统采用光电编码器来检测电机转速,一般影响转速检测结果精度因素有两个一是系统硬件,单位周期内光电编码器的脉冲数和微处理器的精度决定了速度检测的硬件性能,对于已定型的系统,硬件引起的测速误差无法改变。二是速度估计算法,即软件部分,采用的速度估计算法不同,最终检测得到的速度的精度和准确性也有很大差别。光电脉冲编码器检测转速,主要有三种方法1）M法即测频法。在一定时T间内,对旋转编码器输出的脉冲M计数,得到平均转速。若光电脉冲编码器一周输出的脉冲个数为,则转速为n=60M/PT(r/min)由该式得,P和T均为定值,故转速与脉冲个数M成正比。所以M法测速应用主要用于中高速测速,因为转速越高,单位时间T内的脉冲数就越多,分辨率和精度就越高。2）T法即测周期法。通过测量编码器发出脉冲的周期来计算电机转速。脉冲周期的测量是用一时钟频率为确定值f0儿的高频时钟脉冲进行计数,若测得的时钟脉冲数为M2,则测速时间T1=M2/f0电机转速为n=60/(ZT1)=60f0(ZM2)可见,高速时,M2小,误差比较大,低速时,误差变小。所以T法测速一般适用于低速测速。3)M/T综合法即M结合法和T法的特点,进行综合考虑。方法是同时检测时间T内编码器的脉冲个数M1和高频时钟脉冲个数M2。则电机转速的计算公式为n=60M1/ZT=60M1f0/ZM2由于M法易于实现,结合实际,本文采用的是M法测速原理。光电编码器安装在电机轴上,检测到的信号,先经过光电隔离器件隔离,然后送给TM320LF2407A芯片的QEP管脚,进行内部处理。光耦本文选用的是TLP559,具体转速检测电路如图2所示:

4电压检测电路设计

电压检测信号的结果一般用于输出转矩和系统电压的控制,包括各类过电压、欠电压保护等。其检测方法主要有线性光电祸合器法、电压互感器检测法、霍尔传感器法和电阻分压法等。1)线性光祸法:线性光祸检测法目前应用比较广泛,具有很高的线性度和灵敏度,检测结果比较精确,且成本较低。2)电压互感器检测法其主要应用范围为一些高压系统中检测交流电压。3)霍尔传感器法:霍尔电压传感器与霍尔电流传感器工作原理类似。4)电阻分压法:该反压法比较简单,使用电阻网络将高压进行分压,得到成比例的低电压。该方法系统工作温度影响较大,且不具有隔离,如果需要将检测结果进行A/D刀转换,需要加隔离放大器。该方法一般适用于低压系统。综合比较,本文采用线性光电耦合器法检测。线性光耦元件选用6N137,该光祸体积小、抗干扰能力强、速度快且与TTL电平兼容。图一以一相电压检测为例,介绍了一种简单实用的变频调速系统电压检测的电路,来说明其工作原理。

5结语

本文首先介绍了变频调速控制电路检测反馈电路的设计，然后，分析研究了电流检测电路计算设计，通过分析转速检测的三种方法,确定了M法为本文研究方向。最后部分对电压检测电路设计做了详细的介绍。

参考文献:

[1]张燕宾，变频调速应用技术，北京：机械工业出版。1997.

[2]刘和平,严利平,张学锋等TM320LF2407A结构、原理及应用，北京：北京航空航天大学出版社,2002.