1 引言

長期以來，由于交流異步電機結構簡單、運行可靠、制造成本低等諸多優點，其應用越來越廣泛。但因異步電機是一個多變量、非線性、強耦合的被控對象，磁通和轉矩耦合在一起，不能對磁通和轉矩分別控制，因此一直沒有獲得高性能的交流調速系統，直到70年代才有了突破性發展。在eblashke和w.flotor提出了“感應電機磁場定向的控制原理”后，對基于逆系統理論和基于微分幾何控制理論的解耦方法，以及如何對異步電動機解耦做了介紹。在交流調速理論發展的同時，人們也在研究交流調速系統硬件接口電路的設計方法。隨著高性能dsp芯片、電力電子器件的出現，交流調速系統的硬件電路設計也逐漸形成標準。本文詳細介紹了一種基于dsp的交流調速系統硬件接口電路設計的方法，對各個電路如采樣電路、轉速反饋接口電路、驅動電路的主要功能及電路元器件參數的選擇給出了詳細的說明，實驗證明這種方法是可行的。

2 主電路設計

本文的設計實驗對象為：額定功率為55kw，額定電壓為440v，額定電流為90a，額定轉速為1800r/min的異步電機。調速系統原理圖如圖1所示。

本設計選取了tms320f2812系列定點dsp作為電動機控制主芯片，圍繞它展開了硬件接口電路的設計。具體包括：電流采樣電路的設計，速度檢測環節的設計，功率開關器件的驅動電路設計等幾個方面。因為本文以硬件設計為主，故在其他方面如park變換，clarke變換等軟件設計方面不予以贅言。

3 電流采樣電路的設計

3.1電流采樣電路

電流采樣電路的目的是在閉環控制系統中實時得到反饋的交流電動機定子電流信號，即將傳感器檢測到的電流信號進行放大，偏置輸出到dsp的a/d接口，將電流信號轉換成dsp可識別的數字信號，以方便dsp進行處理。因為本課題研究的是三相平衡系統ua+ub+uc=0，故只需要檢測其中兩路電流即可。

3.2電流傳感器的選擇

根據異步電機的數學模型可知，定子電流檢測的精度和實時性是整個矢量控制系統精度的關鍵。因此，對電流的檢測要求精度高和速度快，顯然普通的電流傳感器很難滿足要求。根據設計要求，試驗電動機的額定電流為90a，考慮兩倍的安全裕量，實際定子電流取到180a。本實驗選取深圳市貝爾特電子有限技術公司出品的csns200m-002電流傳感器。該電流傳感器的原邊電流為200a，與預選的電流值（180a）很接近，滿足選取原則。

3.3運算放大器的選擇

本文所研究設計的系統中電機線電流變化范圍從0a～90a，變化范圍很大。如果在如此寬的范圍之內，電流信號采用一個固定的放大倍數，精度堪憂。所以初級采用可編程放大器ad526，通過調節放大倍數來滿足要求，并由ad526產生正的1.65v的電壓信號。由于tms320f2812要求的電壓為3.3v，所能識別的僅是正的電壓值，而電流信號為正負交替的交變信號，因此，需要有一個減法比較環節將正、負信號做減法運算，由比較環節最終輸出的電壓值就是可以為tms320f2812所能使用的電壓值。

設計中先將霍爾的電流信號通過電阻轉化為電壓信號，為了防止電壓過高或過低，設計了由二極管構成的限幅電路，由于電流反饋具有較大的噪音紋波，因而采用低通濾波電路。考慮到現場環境的影響以及其他未可預知的干擾，在本設計中，選取了op27型放大器。

3.4采樣電阻的計算

由電流傳感器的變比2000:1，及原邊電流值大小：200a，ad526輸出電壓為1.65v，可以求出采樣電阻r9《16.5ω，故可取r9=10ω。其中，a相電流的采樣電路如圖2所示，b相與其相同。

4 轉速反饋接口電路設計

起動的快速性是電動機的基本要求。以目前無位置傳感器控制技術發展的情況來看，由于低速特別是起動瞬間反電動勢非常低，控制精度和性能并不理想。因此有必要保留位置速度傳感器。

4.1編碼器的選擇

與旋轉變壓器相比，光電編碼器信號處理簡單、噪聲容限大、易于實現高分辨率。特別是在選用tms320f2812作為控制器的情況下，光電編碼器可以通過dsp的qep接口十分方便地實現與控制器的連接。

本設計選用了sumtak株式會社產的lhe-055-2000型帶u、v、w信號增量式光電編碼器。它輸出12路信號：a、b、z、u、v、w以及他們的補信號a’、b’、z’、u’、v’、w’。其中a、b、a’、b’為占空比為50％的方波，2000p/r。u、v、w、u’、v’、w’以轉子每360°電角度為一個循環周期。u、v、w（或u’、v’、w’）相差120°，按照u、v、w（或u’、v’、w’）不同組合，可以把一對轉子磁極分為6個等距區間。所以在電機起動時，可以先根據u、v、w信號按照無刷直流電動機控制，使電機運行起來，待檢測到z信號，按照事先確定好的轉子磁極位置確定定子磁鏈初值，然后轉入直接轉矩控制。通常把z信號定位于a相繞組反電動勢的過零點，此時，轉子磁極軸線正好與a相繞組軸線重合。

其中a、b信號分別通過qep1、qep2接到lf2407a上；而z信號通過cap3接到lf2407a上；u、v、w是以60°電角度為周期的數字信號，分別通過qep1、qep2、qep3接到lf2407a上。

4.2 26c32的使用

由于光電編碼器內部集成了26c31芯片，所以由它引出了a、b、z、u、v、w以及他們的補信號a’、b’、z’、u’、v’、w’以及地線和電源線，但是這些線不能直接接到dsp上，這里就需要用26c32來接接收由26c31引出的所有線路。

由于26c32可以同時接受四路信號，所以，a、b、z、a’、b’、z’信號可以同時與26c32的ina1、ina2、inb1、inb2、inc1、inc2端相連，輸出端outa、outb、outc端分別接到光耦6n137芯片上輸出再與tms320f2812的qep1、qep2、int1相連，以完成轉速環節的接口電路。

本來光電脈沖編碼器的a、b輸出可以直接接到tms320f2812的qep1、qep2上，但為保護起見，還得加上高速光電隔離。圖3中是a路信號的接口電路，b、z路接口電路與此相同。它主要由ti公司的光耦6n137組成。這里用快速光耦的原因是：碼盤輸出的信號的頻率最高接近60khz，而普通光耦的開通和關斷延時就有幾個微秒，無法滿足要求。在tms320f2812中將捕獲單元配置成正交編碼脈沖模式，在這種模式下，兩個16位通用定時器t1和t2可工作于qep模式的16位或32位雙向計數器。qep電路直接處理光電編碼器輸出的兩路相位相差90°的兩路脈沖，只要將這兩路脈沖分別接到qep1、qep2即可。qep模式對兩路脈沖的前后沿均進行計數，無需外部的倍頻電路。而且它能根據兩路脈沖的先后次序判別電機的轉向，省去了外部辯向電路，增加了系統的可靠性。在信號隔離功能之外，光耦還起到濾除脈沖尖峰和毛刺，增強抗干擾能力。

5 驅動電路的設計

ipm的驅動隔離電路如圖4所示。盡管在lf2407a輸出的pwm中已經加入了死區時間，本系統設計中依然從硬件方面采取措施，如圖4所示，gel器件22v10d在lf2407a之后，保證同一相的上、下橋臂的互鎖。為了增強驅動信號的帶負載能力，在22v10d的輸出之后串入一片緩沖器——mc1413。當驅動信號發生錯誤，lf2407a發出一個錯誤信號false，并點亮發光二極管ledintpend。緩沖器mc1413的輸出經過快速光耦hcpl4503隔離，驅動ipm。圖中只畫出了a相上橋臂的電路，其他橋臂的電路與此相同。hcpl4503下面的光耦til117的一次側接到ipm的故障輸出引腳5上。

6 結束語

基于以上對交流調速系統硬件接口電路設計方法的研究，我們進行了異步電機的矢量控制實驗。實驗結果證明了該系統能可靠穩定運行。同時該系統對于過流有很快的響應性，對系統有保護作用，實踐證明該設計方法符合控制設計要求，具有一定的電路設計典型性并可應用在交流調速系統中。