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1、-变频调速系统电流采样及速度检测方案在DSP中的实现刘新辉刘新辉（1970），男，陕西渭南人，讲师。 王淑红2（1兰州工业高等专科学校 教务处，甘肃兰州 730050；2。兰州工业高等专科学校 电气工程系，甘肃兰州 730050）摘要：本文叙述了工矿电机车牵引变频调速器的基本原理，从硬件部分介绍了系统的构成，重点分析了这种变频调速器的控制电路，提出了电流采样的实现方案，研究了系统速度检测电路及其测量方法，并通过实际运行结果加以验证。关键词： 变频调速 电流采样 速度检测 DSP1. 引 言上世纪70年代以来，随着电力电子器件制造技术、大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用
2、，交流传动与控制技术已经成为发展最为迅速的技术之一。变频调速由于具有调速时平滑性好，效率高，相对稳定性好；调速范围宽大，精度高；动态响应快，能在四象限作可逆运行；起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；变频器体积小，便于安装、调试、维修简便；易于实现过程自动化等优异特性，特别适用于地铁建设、冶金矿山、森林等行业的轨道运输及煤矿井下巷道的牵引机车。目前各型工矿用电机车就采用该项技术，变频器作为运动控制系统中的功率变换器，经直-交牵引变频调速器将直流电逆变成电压、频率可调的三相交流电供给交流牵引电动机驱动机车。2牵引电动机变频调速基本原理工矿电机车由直流电网供应直流电，经受电弓取电，直流电通
3、过牵引变频器转换成电压与频率可调的三相交流电供二台交流鼠笼式感应电动机，每台电动机转子通过万向联轴节驱动齿轮减速传动箱，经过二级齿轮减速传动到车轴上，通过电气系统的控制来改变电动机的转速，从而牵引电机车的运行，如图1所示。变频调速依据进行，并且在调速过程中不管在低速或高速时都保持有限的转差率，具有效率高、调速范围广、调节精度高等优点，完全适应电机车牵引中平滑宽广的调速要求。图1 工矿电机车传动原理图3变频调速器的系统构成31 整体系统构成系统采用模块化设计，根据其输入/输出，在系统结构上将变频调速器按功能分为4个部分。 1）DC/DC电源，自动适应直流输入端的大范围电压浮动，为变频器的其他电路
4、提供稳定的低压电源。2）主功率逆变电路，由6路三菱IGBT功率模块(CM300DY120)组成三相逆变桥，完成主直流电源的逆变输出。3）变频器主控板监测各路输出的电压、电流及频率，根据速度编码器输入的速度控制信号情况智能调整逆变电路的输出，通过改变频率从而改变驱动电机的转速达到调速目的。采用三相PWM波型发生专用芯片，提高系统稳定性。4）变频器的外围设备，改善三相电压输出波形的平波电抗器，消耗多余电流的制动电阻等。32变频调速器控制电路变频调速器控制电路是整个系统的核心，它不仅要给三相逆变电路提供控制信号，还要不断采集主电路的电压、电流及频率等数据，并根据收集的信息合理实时调整系统运行状态。控
5、制电路以功率模块IGBT为逆变器开关元件，系统在设计上采用单片机+DSP双CPU结构，DSP（TMS320C240）完成实时性要求高的矢量控制任务，单片机负责主功率电路各种信号的采样，如控制参数设定、键盘处理、状态显示、故障保护等，完成各种逻辑运算，调整运行参数并将接收的速度变化数据赋值给PWM波发生器，从而改变供电频率；单片机和DSP之间的通讯采用双口RAM，这种控制结构设计将系统的软硬件功能进行了有效的整合，具有较好的通用性和开放性，在此硬件设计平台下，配合相应的控制软件，可实现各类电机的数字化控制。其系统结构框图如图2所示。图2 变频调速器控制电路框图从图2可以看出，变频调速器控制电路是
6、一个有转速反馈的闭环系统。系统参数由键盘设定，DSP负责采样各相电流、计算电机的转速和位置，最后运用矢量算法，得到电压空间矢量的PWM控制信号经过驱动电路后，驱动逆变器功率开关器件IGBT。80C108KC主要负责监控变频调速系统的运行状态，当系统出现短路、过流、过压、过热等故障时，DSP将封锁PWM输出信号，使电机停机，并通过LED显示故障类型。图2中的测速单元采用光电编码器.这是目前调速系统速度和位置反馈控制中应用最多的，它不仅可以检测电机转速，而且还可以测定电机的转向及转子相对定子的位置，利用它输出的两个脉冲波形可确定电机的旋转方向，并可实时求得角速度信息。保护电路的功能包括过电压保护、
7、欠电压保护、过电流保护和过热保护.一旦检测值超过给定值，保护电路发出两路信号:一路作为故障类别信号直接送入DSP单片机;另一路则引发中断，在中断服务程序中查询相应故障输入信号，做出相应的处理，并将故障中断信号作为PWM封锁信号，用来封锁驱动信号，以起到及时保护的作用.3.3电流采样在绝大多数电机调速以及其它控制系统中都要用到电流采样，以用于电流反馈控制。目前在高性能的电机变频调速系统中，数字信号处理DSP越来越多地被使用。由于矢量控制系统要求两相电流作为输人，本系统中采用了LEM模块作为电流采样的设备,电流检测电路是在逆变器直流侧和交流侧安装电流霍尔传感器，将电流信号经过电磁转换，变换为直流电
8、压信号输出，然后，通过运放和比较器构成的处理电路处理。如有过电流输出，则求CPU响应中断，封锁脉冲，使逆变器停止工作。LEM模块使用霍尔器件和磁补偿原理进行检测，因此与普通的电压与电流互感器相比，具有很多的优点。电流检测电路如图3、图4所示。图3 交流电流检测电路图4直流电流检测电路3.2速度检测和位置检测电路3.4速度检测和位置检测电路电动机的转速是通过光电码盘检测的，电机转速检测的正确性和精度将直接影响调速系统的控制精度和稳定性。影响转速测量性能的因素有两个：一是系统硬件本身，主要是包括光电码盘的脉冲数和微处理器的精度，但系统一旦确定，由硬件引起的速度检测性能的差异是难以更改的。二是速度估
9、计算法，不同的速度估计算法可以得到不同的速度检测性能。一般测速方法分为T法和M法两种，分别适用于低速和高速场合。本系统采用的是M法测速原理，即在某一采样时间内，通过对脉冲的计数来确定电机转速的大小。设采样时间为TC，光电码盘的脉冲数为PN，在采样时间内所测到的脉冲数为m，则电机转速N(r/min)为：（1）本系统采用欧姆龙公司的旋转编码器，型号是E6B2-CWZ6C，它由524V供电，有三路输出，分别为A相、B相、Z相；其中A与B用于测速，它们的相位差为90度，每转一圈输出1500个脉冲；而Z脉冲为每转一圈输出一个脉冲，用于伺服控制系统中的定位。图5 高速光耦电路TMS320240的事件管理器
10、中有专门用来检测速度信号的正交编码器(QEP)，它可以用作与一个光学编码器接口以获取一个转动机构的位置和速度信号，以实现鉴相、倍频的功能.QEP单元的方向检测逻辑首先判断两脉冲前沿到达的先后，进而决定计数器的计数方向，实现鉴相；计数器在两路脉冲的上升沿和下降沿均触发计数，从而达到4倍频，使得计数的精度提高。从图5可以看到，旋转编码器的A相输出经过高速光耦6N137隔离后，直接接到TMS32O24O的QEP1引脚，同样B路信号按上述方法接到QEP2引脚。在这里用快速光耦的原因是:码盘输出的信号的频率最高接近6OKHZ，而普通光耦的开通和关断延时就有几个微秒，无法满足要求。在24O中将捕获单元配置
11、成正交编码脉冲模式，在这种模式下，两个16位通用定时器T2和T3可工作于QEP模式的16位或32位双向计数器。QEP电路直接处理光电编码器输出的两路相位相差90度的两路脉冲，只要将这两路脉冲分别接到QEP1、QEP2即可，QEP模式对两路脉冲的前后沿均进行计数，无需外部的倍频电路。而且它能根据两路脉冲的先后次序判别电机的转向，省去了外部辩向电路，增加了系统的可靠性。如图6显示了QEP、系统计数脉冲和电机选择方向的关系图，利用QEP模式可以方便地进行测速。图6脉冲波形图4.运行结果和结论该系统在实际运行中采集的电流波形如图7所示。可见，经过电压空间矢量与DSP技术的结合，变频器运行时的电流谐波消
12、除的效果较好。本系统实现了电机的软启动、软关断功能，电机电流的谐波失真较少，电压利用率比常规的正弦波脉冲宽度调制(SPWM)有了较大的提高，器件的开关损耗也得到了明显的减少。系统具有控制简单，外围电路较少，性价比较高等优点，能较好满足交流牵引变频器的性能要求。此外，以DSP为核心的电压空间矢量控制系统还可以应用于其他中小功率的控制系统中，具有广阔的应用前景。图7 48Hz时的电流波形参考文献1 李华德交流调速控制系统电子工业出版社，20032 吕汀，石红梅变频技术原理与应用北京：机械工业出版社，20033 陈伯时自动控制系统北京：机械工业出版社，20014 王鉴光电机控制系统北京：机械工业出版
13、社，20025 王淑红，卢永杰.基于80C196MC的交流牵引变频调速.电工技术，2002(10)6 赵玲，吴文军. 基于DSP的双PWM变频调速系统的研究. 上海电力学院学报2001(3)LIU Xin-hui, WANG Shu-hong (1.Academic Affairs Office of Lanzhou Polytechnic College,Lanzhou 730050, China ;2 The Electrical EngineeringDepartment of Lanzhou Polytechnic College,Lanzhou 730050,China )作者信息；刘新辉（1970），男，汉族，陕西渭南人，硕士，讲师，研究方向为电路系统、电子信息。通信地址：兰州工业高等专科学校教务处，邮编：730050；联系电话：13893276096 邮箱：liuxh-第 6 页-