全数字交流调速控制器变频调速主电路的研究.doc

48V/500A全数字交流调速控制器变频调速主电路的研究
杨成禹1，吴学深1，赵磊1，康少华2
（1. 军事交通学院 研究生二队，天津 300161；2. 军事交通学院 军事物流系，天津 300161）
摘要：随着电力电子技术及大规模集成电路的发展，基于集成SPWM电路构成的变频调速系统以其结构简单、运行可靠、节能效果显著等突出优点以及先进的IGBT的技术而得到广泛应用。文章设计了48V/500A全数字交流调速控制器变频调速的主电路及其保护电路。
关键词：变频调速；正弦脉宽调制；主电路；保护电路
Research on main circuit of 48V/500A Full Digital Controller
of AC Speed Regulation
YANG Chengyu1，WU Xueshen1, ZHAO Lei1，KANG Shaohua2
（1. No.2 Postgraduate Training Brigade, Academy of Military Transportation, Tianjin 300161;
2. Military Logistics Department, Academy of Military Transportation, Tianjin 300161）
Abstract:.Along with the development of with the electric power electronics technique and the large scale integration,according to integrate the SPWM electric circuit composing of change the frequency to adjust soon system its stricture to be simple and circulate credibility and economize on energy result to so obvious.And the outstanding advantage and the forerunner IGBT technique but get extensively applied.This text mainly design to change the frequency to adjust soon main electric circuit and protection circuit.
Key words: change frequency adjust speed；SPWM； main circuit；protection circuit

前言
蓄电池车辆具有无污染、低噪声等显著优点，在仓库、车站、食品药品工厂等对环境条件要求较高的场合有着广泛的应用，是室内首选运输工具。调速控制系统作为蓄电池车辆的关键组成部分，具有十分重要的研究价值。为了提高其运行的稳定性和经济性，提高生产效率，节能降耗，就要采用先进的运转控制技术。
运用SPWM正弦脉宽调制技术作为交流电动机调速的控制方法，以专用单片机为主控制器结合功率模块设计一个交流电动机变频调速系统。该调速系统的控制方式为转差频率控制，可以实现速度的平滑调节，具有主电路限流启动等保护功能，并具有对功率模块IGBM 的保护电路。文章以变频调速理论为依据，对主回路及其保护电路进行研究与设计。

1 变频调速原理
由电机学知识可知，异步电动机转速公式为：
其中：为电机频率，为电机转差率，为电机极对数。
从式中可以看出，当转差率一定时，改变异步电动机的定子供电频率，就可以改变电动机的转速。
在对异步电动机进行调速时，希望电机的主磁通保持额定值不变，主磁通是由励磁电流产生的，两者之间的关系是由磁化特性决定的。任何电动机的电磁转矩都是电流和磁通相互作用的结果，如果磁通下降，铁芯利用不充分，同时转子电流下降，电磁转矩减小，电机的带负载能力下降；反之，如果磁通上升，又会使电机磁路饱和，励磁电流将迅速上升，造成电机铁芯严重过热，导致电机铁损大量增加，不仅会使电机输出功率大大降低，而且由于电机过热，造成电机绕组绝缘降低，严重时，有烧毁电机的危险。
由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为：

其中：为与绕组有关的结构参数，定子频率，定子每相绕组串联匝数，气隙磁通。
由上式可见，如果保持的恒定，就可以保持主磁通不变。

2 SPWM脉宽调制技术
2.1 SPWM正弦脉宽调制原理
SPWM脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波对三角载波进行调制达到调节脉冲宽度的一种方法，正弦脉宽调制SPWM就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。等效的原则是每一区间的面积相等，如果把一个正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲半波分成N等份，然后把每一等份的正弦波的幅值不变矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合，这样由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦的半周等效，同样正弦波的负半周也可用同样的方法来等效。
2.2 SPWM的控制方法
SPWM（脉宽调制）技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度以达到变压变频目的的一种控制技术。SPWM 正弦脉宽调制是由控制回路产生一组等幅而不等宽的矩形脉冲列来近似正弦电压波产生SPWM信号的技术，主要有三种方法：一是采用分立元件的模拟电路法，这种方法的主要缺点是精度低、稳定性差、实现过程复杂以及调节不方便等；二是采用专用集成电路芯片产生SPWM 信号，如常用的HEF4752，SLE4520芯片等， 这些芯片的应用使变频器的控制系统得以简化，但由于这些芯片本身的功能存在不足之处， 使得它们的应用受到限制；三是单片机数字编程法， 其中高档单片机将SPWM 信号发生器集成在单片机内使单片机和SPWM信号发生器溶为一体，从而较好地解决了波形精度低稳定性差、电路复杂、不易控制等问题，并且可以产生多种SPWM 波形实现各种控制算法和波形优化。

3 硬件电路的设计
3.1 调速控制系统的组成
调速控制系统主要分为微处理器（C164CI），可编程逻辑器件（GAL16V8D），MOS管驱动控制电路，转速反馈电路，电流、电压检测及保护电路，操作电路等几部分。其结构框图如图1所示。

图1 交流电机变频调速器结构框图
由图1可以看出，微处理器C164CI（16位）是控制系统的核心部分，并与其他几部分之间都有信号传递，它内部含有许多集成的功能模块，所以其外围电路设计起来要相对简单的多。调速控制器主要通过C164CI来实现系统的控制方式及控制信号的SPWM调制。同时为了简化系统的逻辑电路，提高调速系统的安全性，本文还采用了可编程逻辑器件GAL16V8D来为同一桥臂输出脉冲提供互锁保护和过流保护。在系统运行过程中，控制器还通过微处理器不断检测电路中关键器件的工作状态和关键部位的电压信号，遇到故障和误操作时，及时做出保护，保证行车安全和保护电路中元器件。通过外接特定的串行设备就可实现内部数据的更新和修改，微处理器还可通过液晶模块将必要的信息实时地反馈给用户。
3.2变频调速系统的主电路设计
本文研究的调速系统的逆变电路采用的是三相六桥臂桥式电路，其PWM控制原理为：三相PWM控制公用，三相的调制信号、和依次相差120°。U相的控制规律：当>时，给导通信号，给关断信号，，当<时，给导通信号，给关断信号，；当给（）加导通信号时，可能是（）导通，也可能是导通。U、V和W的PWM波形只有两种电平，波形可由U-W得出，当1和6通时，，当3和4通时，，当1和3或4和6通时，。
图2 变频调速主电路
3.3变频调速系统保护电路设计
保护电路在整个系统中起着十分重要的作用，不仅关系到整个系统的调速性能，而且还直接关系到车辆和操作人员的安全，完善的系统保护可以延长系统硬件的使用寿命，大大提高系统的可靠性与安全性，因此在系统电路的设计时必须考虑周到。
3.3.1 热保护电路

图3 热保护电路

热保护电路如图3所示。LM335与电阻R25组成分压电路，分压信号经过R26、C6阻容滤波，传递到电压比较器LM239的同相输入端，与反相端的电压作比较，比较器LM239和外围电路组成电压比较放大电路，此电路中带有比例-积分-微分环节，提高了系统的稳态特性和响应速度。单片机引脚P12.2（A/D口）采集比较器LM239输出端口的模拟电压信号，电容C49起滤波作用，单片机根据采集的电压信号判断温度大小，根据温度大小发出不同的控制指令。当温度超过100ºC时，控制器暂停工作，并显示故障。
3.3.2电流检测及过流保护电路
图4 电流检测及过流保护电路

电流检测及过流保护电路如图4所示。霍尔电流传感器的信号由CNI9,CNG9输入，单片机的P12.3，P12.4主要用于信号采样判断，当电机发生短路或堵转时，产生中断，停止指令输出，关断脉冲输出，驱动电路停止工作，待系统恢复正常再重新启动。
3.3.3电瓶电压检测和欠压保护电路
图5 电瓶电压检测和欠压保护电路

电源检测电路如图5所示，电源、二极管D15、电阻R152和R150组成分压电路，单片机P12.0引脚（A/D）采集分压信号，用于计算电瓶电压大小。5V电源、R153和D20组成限幅电路，保护单片机P12.0引脚。电容C34起滤波作用。
欠压保护电路如图5所示。主要由电压比较器LM239和电源分压电路组成。电瓶电压B1经二极管D14、电阻R151、稳压管D18和二极管D3、电阻R29分压，电压输入到电压比较器LM239的反相输入端与同相端的正5V电源作比较，比较结果反馈到微处理器的中断口。当电瓶电量充足时，电瓶电压大于24V，经稳压管D18降压，由电阻R29和R151分压后，R29两端电压高于5V，则电压比较器LM239输出低电平。当电瓶电量不足或亏电严重时，电瓶电压下降很大，当电压下降到一定程度时，R29两端电压低于5V，由于电压低于同相端的正5V电压，则电压比较器LM239输出高电平，产生中断。微处理器根据产生的中断信号进行判断，停止产生PWM脉冲，车辆停止工作，车辆重新启动，最大电流下降到50%。

4 结论
近几年交流电动机采用的变频调速技术已经为国内外专家所公认，电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程、提高产品质量及推动技术进步的一种主要手段，它具有优异的调速和起制动性能，且具有高效率、高功率因数，在未来的新技术领域变频调速将得到广泛的推广和应用。
本文在分析SPWM正弦脉宽调制技术作为交流电动机调速的控制方法的基础上，设计了一种48V/500A调速控制器的主电路及其保护电路。

参考文献
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[2] 李华德. 现代交流电机调速系统[M].北京：石油工业出版社，1996.
[3] 董磊.变频调速电路设计[J].煤炭技术,2007.（4）：35-36
[4] 赵相宾，年培新. 谈我国变频技术的发展及应用[J].测控自动化，2004，26（4）：45-47.

作者：杨成禹
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