矿用鼓风机变频调速系统设计①

李瑾

(南昌工程学院机械与电气工程学院 江西南昌 330099)

1 前言

脉宽调制(PWM)技术是变频调速的关键，传统的正弦脉宽调制(SPWM)方法是从电源的角度出发，为了得到一个可调压调频的三相正弦波电源，而空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的着眼点是使被控电机得到圆形磁场[1]，以减小电机的转矩脉动，抑制电流谐波[2]。本文给出了一个以DSP为核心的矿用鼓风机SVPWM变频调速系统，并对其进行了硬软件设计。

2 系统硬件设计

系统主电路采用电压型交-直-交变频器，包括整流、滤波和逆变三部分。控制部分以TMS320LF2407A型DSP为核心，所用电机的主要参数：PN=750W，UN=220V，IN=2A，nN=1390r/min，4极。

2.1 主电路

图1是电压型交-直-交变频主电路图，其各部分设计如下。

图1 电压型交-直-交变频主电路

1)变压器

在设计变压器时采用从后往前的方式，根据公式：UL=0.612mUd

(1)

式中：UL—输出线电压有效值;

m—调制比;

Ud—直流电压平均值。

由于电机额定电压UN=220V，按要求要得到UL=UN=220V，则当调制比m取1时

Ud=UL÷0.612=220÷0.612=359V

(2)

由此可得变压器的二次侧电压为：

(3)

但实际中可能存在过调制(m>1)，所以取三相变压器的二次侧电压U2N=220V。

2)整流电路

由二极管D1～D6构成三相不控整流电路。

二极管电流的有效值：

(4)

式中：Im—最大负载电流。

这里取Im=6IN，有

(5)

二极管额定电流

(6)

二极管的电压峰值

(7)

则额定电压:

Un=(2～3)Um=622～933V

(8)

根据以上计算，选取额定电流10A，额定电压1000V的整流二极管，型号为PX10A10。

3)滤波电路

这里采用电容滤波来减小直流电压脉动成分,并提供无功功率给电机以减小整流和逆变电路之间的干扰[3]。

整流电路输出直流电压的平均值为：

(9)

考虑一定的安全系数，取直流电压等级为500V。

电容容量的计算：

(10)

式中：Umax、Umin—Ud的最大与最小值。

考虑直流电压上下15%的波动，有

Umax=1.15×500=575V，Umin=0.85×500=425V

电源频率f=50Hz，电源功率因数n取为0.9。

(11)

根据计算选取470μF，耐压450V的电解电容。

4)逆变电路

采用六个全控型元件IGBT构成的三相桥式逆变器，且每个IGBT都反并一个续流二极管。

IGBT承受的电压最大值为

(12)

取2～3倍的电压裕量系数，额定电压

Un=(2～3)Um=(2～3)×311V=622～933V

(13)

流过IGBT的最大电流为

(14)

取1.5～2倍的电流裕量系数，IGBT额定电流:

In=(1.5～2)Im=8.484～11.312A

(15)

选取15A/1200V的IGBT，型号为GT15Q101。

2.2 DSP控制电路

由于TMS320LF2407A芯片引脚多难以焊接，这里用合众达公司的2407A简易开发板来完成整个调速系统的控制和矢量控制算法的实现。此EVM板包括2407A主控芯片，外存扩展电路，电源转换电路和晶振电路。DSP的扩展电路包括按键输入电路，信号检测电路，数据实时显示及故障检测和保护电路等。

1)电源转换电路

由于2407A芯片只能接受小于3.3V的单极性电压，为了跟常用的+5V开关电源兼容，2407A芯片的最小系统板上安装了专用的电源转换芯片TPS7333Q来将5V电压变为3.3V，电路连接图如图2所示。此电源输入端应尽量远离DSP和数字器件，为了方便用户，电源插座置于PCB板的边缘上。

图2 电源转换电路

2)转速检测电路

编码器测速常用的有M法和T法，M法又称测频法，适用于测量较高转速[4]，本文选用M法来检测电机转速，即在一定时间内(取1ms)测出光电编码器输出的脉冲数speedstep，由n=Kspeed×speedstep×n1，便能算出电机转速[5]。其中Kspeed为比例系数，n1是电机基速。显然，Kspeed的大小与选取的电机基速n1的值有关，基速取为电机同步转速。Kspeed的计算过程如下：

电机基速为1500r/min即25r/s，使用分辨率为1024P/R的编码器E6B2-CWZ6C，经四倍频后，其每秒输出的脉冲数是25×4096=102400。因此在1ms内编码器发出的脉冲数为102400×0.001=102.4。即速度基值对应脉冲数为102.4，则有Kspeed=1/102.4。还须把浮点数转换为定点数因为2407A属定点芯片无法直接处理小数。取定标值Q=12，则将Kspeed=1/102.4转换成定点数为：212/102.4=(40)D。由高速光耦芯片6N136来进行隔离的转速检测电路如图3所示。

图3 转速检测电路

3 软件设计

系统中DSP程序包括主程序和中断子程序。主程序给各个控制寄存器赋初值，并给每个变量分配地址和设置初值。系统利用2407A芯片的高速运算能力来保证控制精度及程序执行的实时性，电机转速和电流检测模块、PI调节算法模块、产生SVPWM波形模块等都在定时器1的中断子程序中实现。图4和图5分别是系统主程序和中断子程序流程图。

图4 主程序流程图

图5 定时器1中断子程序流程图

4 结语

本文给出了一个以2407A型DSP为控制器的矿用鼓风机SVPWM变频调速系统，对其硬件部分包括整流、滤波、逆变电路，电源转换电路和转速检测电路进行了结构设计和参数计算，并给出了主要的软件流程图。分析和实验表明，该变频调速方法用于矿山鼓风机负载具有可行性。