基于單片機(jī)和大容量存儲(chǔ)器組合的特定消諧式電動(dòng)車用變壓變頻系統(tǒng)
摘 要：特定消諧技術(shù)應(yīng)用于以單片機(jī)83C552和大容量存儲(chǔ)器27PC040為核心的電動(dòng)車用變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)控制信號(hào)的調(diào)整，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)變壓、變頻、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的閉環(huán)控制。由特定消諧技術(shù)得到的開關(guān)角所確定的控制規(guī)律可以用較低的開關(guān)頻率消除較多的低次諧波，使變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)輸出高質(zhì)量的正弦波。該系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)了變壓變頻調(diào)速并且改善了電動(dòng)車的運(yùn)行性能。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)車；特定消諧；變壓變頻
電動(dòng)車作為新型交通工具，具有節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)［1］。電動(dòng)車由蓄電池、充電系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、車體等部分組成，其中調(diào)速系統(tǒng)是電動(dòng)車的重要組成部分［2］。由于交流調(diào)速比直流調(diào)速有諸多優(yōu)點(diǎn)，調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是交流調(diào)速系統(tǒng)所占的比例越來(lái)越大［3］。
現(xiàn)有的交流調(diào)速系統(tǒng)種類繁多，其中變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是效率最高、性能最好的調(diào)速系統(tǒng)［3］。變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，需要同時(shí)調(diào)節(jié)定子電源的電壓和頻率，以保證電動(dòng)機(jī)中每極磁通量為額定值。
變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸出諧波會(huì)使異步電動(dòng)機(jī)的損耗增大，效率降低，功率因數(shù)降低，并會(huì)產(chǎn)生電 磁噪聲等。而最大的影響則是諧波導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，最終造成轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)［3］。特定消諧技術(shù)是一種有效的消除諧波的方法，它能通過(guò)計(jì)算出來(lái)的開關(guān)角消除指定次諧波，以較低的開關(guān)頻率消除較多的低次諧波［4］。隨著計(jì)數(shù)器、光電耦合器等電子器件的速度不斷提高，存儲(chǔ)器容量的不斷增大，將對(duì)應(yīng)不同輸出基波電壓的大量開關(guān)角組存儲(chǔ)并快速尋址、傳輸成為可能。因此，將特定消諧技術(shù)應(yīng)用于變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中可以得到特定消諧式變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。
電動(dòng)車用特定消諧式變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)由蓄電池供電，將直流電通過(guò)逆變電路變?yōu)轭l率可調(diào)的三相交流電，驅(qū)動(dòng)三相交流電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)車可以勻速和變速行駛，并且具有多種控制功能。
1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介
1．1 特定消諧技術(shù)的基本原理
上世紀(jì)70年代美國(guó)密蘇里大學(xué)的H．S．Patel和R．G．Hoft提出的特定消諧技術(shù)［4］具有消除諧波次數(shù)多、殘余的諧波分量幅值小、電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn)。
在特定消諧技術(shù)中，首先是根據(jù)人為設(shè)計(jì)的逆變器輸出波形的特點(diǎn)及擬消除諧波的次數(shù)和個(gè)數(shù)來(lái)建立輸出波形的數(shù)學(xué)模型，然后由數(shù)學(xué)模型求解開關(guān)角以得到所希望的輸出波形，從而達(dá)到逆變器的輸出波形中不含擬消除次數(shù)及個(gè)數(shù)諧波的目的。
1．2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
電動(dòng)車用特定消諧式變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)變壓、變頻、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、鎖存、保護(hù)等功能，可以輸出高質(zhì)量的正弦波。
系統(tǒng)主電路（逆變電路）如圖2所示，其開關(guān)管的型號(hào)為PM25RSB120（IPM）。主電路將蓄電池提供的直流電變換為電壓和頻率可調(diào)的三相交流電。
單片機(jī)83C552是一個(gè)專為實(shí)時(shí)閉環(huán)控制場(chǎng)合而設(shè)計(jì)的高性能微控制器，它有8路輸入的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和兩路脈寬調(diào)制輸出。本系統(tǒng)中它對(duì)輸入端的電壓、頻率控制信號(hào)與電壓、頻率反饋信號(hào)進(jìn)行比較，如有誤差則對(duì)輸出端的電壓、頻率控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到相對(duì)于控制信號(hào)的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻。
單片機(jī)處理后的電壓控制信號(hào)通過(guò)鎖存電路送給存儲(chǔ)器的高位地址，單片機(jī)處理后的頻率控制信號(hào)從PWM端輸出并濾波后經(jīng)壓頻變換電路和循環(huán)計(jì)數(shù)電路送給存儲(chǔ)器的低位地址。按特定消諧原理計(jì)算好的開關(guān)角量化數(shù)值存在存儲(chǔ)器中，以便在變壓變頻過(guò)程中被實(shí)時(shí)地選取。存儲(chǔ)器高位地址的狀態(tài)決定了逆變器的.輸出電壓，循環(huán)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率決定了逆變器的輸出頻率。存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)端的信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)隔離電路送入逆變電路中各開關(guān)管的控制端，從而使系統(tǒng)輸出電壓和頻率可變的電信號(hào)，控制電動(dòng)車的調(diào)速運(yùn)行。為了保持電動(dòng)車中電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩恒定，在電動(dòng)機(jī)的基頻（50 Hz）以下應(yīng)使輸出電壓和輸出頻率同步調(diào)節(jié)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 壓頻變換電路
壓頻變換電路如圖3所示，其核心器件是壓頻變換器VFC32，它的輸出頻率與輸入電壓之間為線性關(guān)系且最高輸出頻率可達(dá)500 kHz。存儲(chǔ)器中某一輸出電壓的一個(gè)周期開關(guān)角量化數(shù)值存儲(chǔ)空間對(duì)應(yīng)地址線的低12位，容量為4 kB。逆變器輸出頻率為50 Hz時(shí)，VFC32的輸出頻率應(yīng)為200 kHz。
VFC32的主要外接器件有積分電容C1和輸入端電阻RIN。其參數(shù)按下述公式計(jì)算：
式中：fmax是滿量程輸入VINmax時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出頻率。輸入電阻RIN由固定電阻R1和電位器P1組成，以便調(diào)節(jié)壓頻關(guān)系。本系統(tǒng)中fmax＝200 kHz，VINmax＝5V。
2．2 循環(huán)加法計(jì)數(shù)器
頻率控制信號(hào)經(jīng)壓頻變換器轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)后作為循環(huán)加法計(jì)數(shù)器4040的計(jì)數(shù)脈沖送入其時(shí)鐘輸入端。壓頻變換器的輸入為連續(xù)可調(diào)的控制電壓且壓頻變換器輸出的計(jì)數(shù)脈沖頻率和輸入電壓之間為線性關(guān)系，所以計(jì)數(shù)脈沖的頻率也是連續(xù)可調(diào)的。循環(huán)加法計(jì)數(shù)器的輸出對(duì)存儲(chǔ)器的低位地址A0～A11進(jìn)行尋址，使存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)端輸出對(duì)應(yīng)某一電壓的頻率可調(diào)的控制信號(hào)。循環(huán)加法計(jì)數(shù)器每計(jì)滿一次，變頻器即完成一個(gè)周期電壓的輸出。因此，通過(guò)改變循環(huán)加法計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖頻率可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)變頻，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的無(wú)級(jí)調(diào)速。
2．3 鎖存器
變壓過(guò)程中，如果數(shù)字量輸出直接送入存儲(chǔ)器的高位地址，當(dāng)電壓控制信號(hào)變化過(guò)快時(shí)會(huì)使存儲(chǔ)器中對(duì)應(yīng)不同輸出電壓的開關(guān)角量化數(shù)值頻繁切換，從而使輸出電壓出現(xiàn)許多尖峰，導(dǎo)致逆變器工作失常。在存儲(chǔ)器之前加入鎖存器可以避免這種情況的發(fā)生，因?yàn)殒i存器以計(jì)數(shù)器輸出的最高位為時(shí)鐘源，只在一個(gè)計(jì)數(shù)周期（對(duì)應(yīng)逆變器一個(gè)輸出周期）結(jié)束時(shí)才觸發(fā)鎖存器傳送信號(hào)，使逆變器的輸出波形能夠平穩(wěn)地變化。
所用的鎖存器為74LS373，其輸出對(duì)EPROM的高位地址A12～A18進(jìn)行尋址，因此調(diào)壓誤差為0．78％。這種方案的特點(diǎn)是速度快，實(shí)時(shí)性好；雖然是有級(jí)調(diào)壓，但當(dāng)高位地址的位數(shù)較多時(shí)，可以得到足夠的精度。
2．4 存儲(chǔ)器
所選用的存儲(chǔ)器為27PC040EPROM，其中存儲(chǔ)的內(nèi)容是根據(jù)特定消諧原理計(jì)算的對(duì)應(yīng)不同輸出電壓的多組開關(guān)角量化數(shù)值。它共有19根地址線，A0～A11為低位地址，所對(duì)應(yīng)的單元存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)某一電壓一個(gè)周期的開關(guān)角量化數(shù)值，每個(gè)字節(jié)的前6位分別對(duì)應(yīng)逆變器中的6個(gè)開關(guān)管；A12～A18為高位地址，它構(gòu)成的128個(gè)地址塊內(nèi)分別存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)不同輸出電壓一個(gè)周期的開關(guān)角量化數(shù)值。當(dāng)高位地址變化時(shí)，存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)端輸出對(duì)應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)不同輸出電壓的開關(guān)管控制信號(hào)。如果需要更精確地調(diào)壓，可選擇更大容量的EPROM。
2．5 驅(qū)動(dòng)隔離電路
對(duì)控制信號(hào)需要進(jìn)行功率放大并減少?gòu)?qiáng)電信號(hào)對(duì)弱電信號(hào)的干擾，以便能夠有效地控制 逆變電路中的開關(guān)管通斷。驅(qū)動(dòng)隔離電路采用光耦6N136并由DC－DC變換器提供的四個(gè)獨(dú)立電源為輸出電路供電，可以有效地提高抗干擾能力。逆變器的三個(gè)共陽(yáng)極開關(guān)管沒(méi)有公共接地端，須選用三個(gè)電源分別為6N136的輸出電路供電；而三個(gè)共陰極開關(guān)管有公共接地端，只用一個(gè)電源供電即可滿足要求。IPM的保護(hù)信號(hào)通過(guò)光耦TLP5211反饋回來(lái)作為變壓變頻控制系統(tǒng)的制動(dòng)信號(hào)，當(dāng)IPM過(guò)熱時(shí)，保護(hù)信號(hào)為低電平，封鎖IPM的控制信號(hào)，使變頻器的輸出下降，從而達(dá)到保護(hù)的目的。圖4示出一路控制信號(hào)和保護(hù)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)隔離電路，其余五路的原理與圖4相似。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主程序的作用是初始化和在主循環(huán)中實(shí)現(xiàn)在線變壓、變頻、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻，其流程圖如圖5所示。
軟件設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)輸出電壓和頻率始終跟隨輸入控制電壓和輸入控制頻率的變化，在實(shí)現(xiàn)變壓、變頻的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)相對(duì)于輸入控制信號(hào)的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻。
輸入控制電壓信號(hào)、反饋控制電壓信號(hào)、輸入控制頻率信號(hào)、反饋控制頻率信號(hào)經(jīng)83C552的A／D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字量。如果輸入控制電壓與反饋控制電壓的誤差大于允許值，需要通過(guò)83C552進(jìn)行調(diào)整：當(dāng)反饋控制電壓小于輸入控制電壓時(shí)，應(yīng)增大83C552的輸出控制電壓；當(dāng)反饋控制電壓大于輸入控制電壓時(shí)，應(yīng)減小83C552的輸出控制電壓。如果輸入控制頻率與反饋控制頻率的誤差大于允許值，其調(diào)整過(guò)程與電壓調(diào)整過(guò)程相似。
4 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)已用于電動(dòng)三輪車，其蓄電池提供的直流電壓為36 V，電動(dòng)機(jī)的額定功率為8 kW。實(shí)際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)變壓變頻調(diào)速，運(yùn)行性能良好，具有輸出電壓諧波含量少、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、電動(dòng)車可平穩(wěn)地進(jìn)行勻速和變速運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。
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