基于MFC710变频器的控制系统的设计与仿真.doc

基于MFC710变频器的控制系统设计与仿真 1? 引言??? 由于交流异步电机结构简单、价格低廉、维修方便，特别是矢量控制技术在现代电气传动领域中得到广泛应用后，交流变频调速系统的性能完全可以与直流调速系统相媲美。本文中的矢量控制系统采用一片TMS320LF2407A芯片实现MFC710变频器控制算法，把三相交流电机模型等效为直流电机模型来处理，使交流电机能够获得与直流电机一样的优良控制性能。最后在MATLAB/Simulink环境下建立该系统的仿真模型，进行仿真实验研究。 2? MFC710变频器硬件原理[1][3]??? MFC710变频器能够满足低转速、大扭矩场合要求，不仅能实现U/f控制（线性、平方性），还能实现有传感器和无传感器的矢量控制，在控制转速的同时能够保证转矩的需求。MFC710变频器是交-直-交变压变频型电源变换装置。它以TI公司的TMS320LF2407A DSP作为主控制器，设计功率模块的驱动、控制、保护等外围电路，完成对异步电机调速系统信号的采集与处理、系统保护以及电机调速等功能。??? MFC710矢量变频器主电路由三相不可控整流桥、直流环节和逆变电路等环节组成。变频器结构按照功能分为POWER板、IGBT驱动板、控制板、DSP板和控制面板。POWER板是主电路板，控制板、DSP板和操作面板上汇集的是控制信号，IGBT驱动板连接POWER板和控制板，采用矢量控制策略，控制算法在DSP芯片内完成，实现对电机的控制。2.1 POWER板??? POWER板集成了整流、直流母线、逆变和保护及滤波环节，充分考虑了其可靠性要求。如进线端电容滤波、相间压敏电阻吸收浪涌和过压保护、三相扼流圈抑制共模信号等，如图1所示。MFC710变频器主电路采用绝缘栅双极晶体管IGBT，体积小、导通和关断损耗低、输入阻抗高、低饱和电压、动作快速等特性，适合小功率电源变频控制。初次上电时，直流侧平波电容容量非常大，充电电流大，需要限流电阻来限制充电电流，充电不久后由继电器定时动作将限流电阻从主电路中切除。POWER板通过霍尔传感器直接检测两相输出电流，第三相电流由运算电路计算获得。 图1? MFC710变频器主电路 2.2 IGBT驱动板??? MFC710变频器控制电路需要多种等级电源。IGBT驱动板作为POWER板与控制板的桥接部分，主要完成控制信号的驱动、电压转换与信号隔离等功能。IGBT驱动和变频器制动信号都是一类反应快速、输出恒流的IGBT门极驱动光耦合器。单板调试主要工作量在于确保IGBT驱动板和控制板上光耦合器的正常工作。直流母线电压通过运算电路，经光耦合器隔离后作用于IGBT模块，用于过压与欠压保护。2.3 控制与显示部分??? 控制板和DSP板控制着整个变频器的工作。控制板上由逻辑门电路组成的IGBT信号控制模块处理复位、过流、过压和欠压信号。??? DSP板由TMS320LF2407A芯片及外围电路组成，完成变频器矢量控制算法。操作面板通过单片机完成数据采集与显示。它相对独立，但并不是信息孤岛，它与DSP板之间是通过RS232相互通讯。 3? 矢量控制技术算法研究[4]??? 矢量控制是在电机理论、机电能量变换和坐标变换等理论基础上发展起来的。通过坐标变换把交流电机定子电流等效成按转子磁场定向的两个直流分量，解耦成直流电机数学模型来控制，获得良好的动、静态特性。3.1 异步电机等效模型??? 异步电机是一个高阶、非线性、强耦合多变量系统，建立的数学模型假设如下：??? ●　忽略空间谐波，电机三相绕组对称；??? ●　忽略磁饱和，认为绕组的自感和互感均呈线性；??? ●　忽略铁损耗；??? ●　不考虑绕组电阻的变化。??? 在三相静止坐标系下，异步电机数学模型经过坐标变换转换成MT坐标系下数学模型。??? 笼型转子电机转子短路，则um2 =ut2=0，则MT坐标系下异步电机电压方程为：??????? （1）??? 式中：??? um1、im1——M轴定子电压和电流；??? Rs、Rr——定了和转子电阻；??? Ls、Lr、Lm——定子和转子电感以及互感；??? ——同步角速度；??? P——微分算子。??? 磁链方程为：?????????????????????? （2）??? 由（1）和（2）式，推导出转子磁链方程：??? ψr=[Lm/(Trp+1)]im1?? （3）??? 可见，控制电流im1就能调节ψr，当im1保持恒定时，ψr也保持不变。??? 电磁转矩方程为：??? Te=np(Lm/Lr)it1ψr????????? (4)??? 式中：??? np——极对数。??? 控制电流it1就能控制电机的电磁转矩Te。3.2 转子磁链