基于單片機和大容量存儲器組合的特定消諧式電動車用變壓變頻系統(tǒng)

基于單片機和大容量存儲器組合的特定消諧式電動車用變壓變頻系統(tǒng)張文義　佟為明　楊樂民　徐會明

（哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱　150001） 
　 
    摘  要：特定消諧技術應用于以單片機83C552和大容量存儲器27PC040為核心的電動車用變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。通過對控制信號的調(diào)整，系統(tǒng)可實現(xiàn)變壓、變頻、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的閉環(huán)控制。由特定消諧技術得到的開關角所確定的控制規(guī)律可以用較低的開關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)有效地實現(xiàn)了變壓變頻調(diào)速并且改善了電動車的運行性能。
　　關鍵詞：電動車；特定消諧；變壓變頻 
　　電動車作為新型交通工具，具有節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)點［1］。電動車由蓄電池、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，調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是交流調(diào)速系統(tǒng)所占的比例越來越大［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)進行調(diào)速時，需要同時調(diào)節(jié)定子電源的電壓和頻率，以保證電動機中每極磁通量為額定值。
　　變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸出諧波會使異步電動機的損耗增大，效率降低，功率因數(shù)降低，并會產(chǎn)生電　　磁噪聲等。而最大的影響則是諧波導致轉(zhuǎn)矩的脈動，最終造成轉(zhuǎn)速的脈動［3］。特定消諧技術是一種有效的消除諧波的方法，它能通過計算出來的開關角消除指定次諧波，以較低的開關頻率消除較多的低次諧波［4］。隨著計數(shù)器、光電耦合器等電子器件的速度不斷提高，存儲器容量的不斷增大，將對應不同輸出基波電壓的大量開關角組存儲并快速尋址、傳輸成為可能。因此，將特定消諧技術應用于變壓變頻調(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，將直流電通過逆變電路變?yōu)轭l率可調(diào)的三相交流電，驅(qū)動三相交流電動機，使電動車可以勻速和變速行駛，并且具有多種控制功能。

1　系統(tǒng)簡介
1．1　特定消諧技術的基本原理
　　上世紀70年代美國密蘇里大學的H．S．Patel和R．G．Hoft提出的特定消諧技術［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。
　　在特定消諧技術中，首先是根據(jù)人為設計的逆變器輸出波形的特點及擬消除諧波的次數(shù)和個數(shù)來建立輸出波形的數(shù)學模型，然后由數(shù)學模型求解開關角以得到所希望的輸出波形，從而達到逆變器的輸出波形中不含擬消除次數(shù)及個數(shù)諧波的目的。
1．2　系統(tǒng)總體設計方案
　　電動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，其開關管的型號為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83C552是一個專為實時閉環(huán)控制場合而設計的高性能微控制器，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)中它對輸入端的電壓、頻率控制信號與電壓、頻率反饋信號進行比較，如有誤差則對輸出端的電壓、頻率控制信號進行調(diào)整，達到相對于控制信號的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻。
　　單片機處理后的電壓控制信號通過鎖存電路送給存儲器的高位地址，單片機處理后的頻率控制信號從PWM端輸出并濾波后經(jīng)壓頻變換電路和循環(huán)計數(shù)電路送給存儲器的低位地址。按特定消諧原理計算好的開關角量化數(shù)值存在存儲器中，以便在變壓變頻過程中被實時地選取。存儲器高位地址的狀態(tài)決定了逆變器的輸出電壓，循環(huán)計數(shù)器的計數(shù)頻率決定了逆變器的輸出頻率。存儲器數(shù)據(jù)端的信號經(jīng)驅(qū)動隔離電路送入逆變電路中各開關管的控制端，從而使系統(tǒng)輸出電壓和頻率可變的電信號，控制電動車的調(diào)速運行。為了保持電動車中電動機的轉(zhuǎn)矩恒定，在電動機的基頻（50 Hz）以下應使輸出電壓和輸出頻率同步調(diào)節(jié)。
2　系統(tǒng)硬件設計
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系且最高輸出頻率可達500 kHz。存儲器中某一輸出電壓的一個周期開關角量化數(shù)值存儲空間對應地址線的低12位，容量為4 kB。逆變器輸出頻率為50 Hz時，VFC32的輸出頻率應為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)按下述公式計算：　　


式中：fmax是滿量程輸入VINmax時對應的輸出頻率。輸入電阻RIN由固定電阻R1和電位器P1組成，以便調(diào)節(jié)壓頻關系。本系統(tǒng)中fmax＝200 kHz，VINmax＝5V。
2．2　循環(huán)加法計數(shù)器
　　頻率控制信號經(jīng)壓頻變換器轉(zhuǎn)換為頻率信號后作為循環(huán)加法計數(shù)器4040的計數(shù)脈沖送入其時鐘輸入端。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數(shù)脈沖頻率和輸入電壓之間為線性關系，所以計數(shù)脈沖的頻率也是連續(xù)可調(diào)的。循環(huán)加法計數(shù)器的輸出對存儲器的低位地址A0～A11進行尋址，使存儲器數(shù)據(jù)端輸出對應某一電壓的頻率可調(diào)的控制信號。循環(huán)加法計數(shù)器每計滿一次，變頻器即完成一個周期電壓的輸出。因此，通過改變循環(huán)加法計數(shù)器的計數(shù)脈沖頻率可以實現(xiàn)在線實時變頻，從而實現(xiàn)對電動車的無級調(diào)速。
2．3　鎖存器
　　變壓過程中，如果數(shù)字量輸出直接送入存儲器的高位地址，當電壓控制信號變化過快時會使存儲器中對應不同輸出電壓的開關角量化數(shù)值頻繁切換，從而使輸出電壓出現(xiàn)許多尖峰，導致逆變器工作失常。在存儲器之前加入鎖存器可以避免這種情況的發(fā)生，因為鎖存器以計數(shù)器輸出的最高位為時鐘源，只在一個計數(shù)周期（對應逆變器一個輸出周期）結束時才觸發(fā)鎖存器傳送信號，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EPROM的高位地址A12～A18進行尋址，因此調(diào)壓誤差為0．78％。這種方案的特點是速度快，實時性好；雖然是有級調(diào)壓，但當高位地址的位數(shù)較多時，可以得到足夠的精度。
2．4　存儲器
　　所選用的存儲器為27PC040EPROM，其中存儲的內(nèi)容是根據(jù)特定消諧原理計算的對應不同輸出電壓的多組開關角量化數(shù)值。它共有19根地址線，A0～A11為低位地址，所對應的單元存儲對應某一電壓一個周期的開關角量化數(shù)值，每個字節(jié)的前6位分別對應逆變器中的6個開關管；A12～A18為高位地址，它構成的128個地址塊內(nèi)分別存儲對應不同輸出電壓一個周期的開關角量化數(shù)值。當高位地址變化時，存儲器的數(shù)據(jù)端輸出對應調(diào)速系統(tǒng)不同輸出電壓的開關管控制信號。如果需要更精確地調(diào)壓，可選擇更大容量的EPROM。
2．5　驅(qū)動隔離電路
　　對控制信號需要進行功率放大并減少強電信號對弱電信號的干擾，以便能夠有效地控制　　逆變電路中的開關管通斷。驅(qū)動隔離電路采用光耦6N136并由DC－DC變換器提供的四個獨立電源為輸出電路供電，可以有效地提高抗干擾能力。逆變器的三個共陽極開關管沒有公共接地端，須選用三個電源分別為6N136的輸出電路供電；而三個共陰極開關管有公共接地端，只用一個電源供電即可滿足要求。IPM的保護信號通過光耦TLP5211反饋回來作為變壓變頻控制系統(tǒng)的制動信號，當IPM過熱時，保護信號為低電平，封鎖IPM的控制信號，使變頻器的輸出下降，從而達到保護的目的。圖4示出一路控制信號和保護信號所對應的驅(qū)動隔離電路，其余五路的原理與圖4相似。


3　系統(tǒng)軟件設計
　　系統(tǒng)主程序的作用是初始化和在主循環(huán)中實現(xiàn)在線變壓、變頻、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻，其流程圖如圖5所示。
　　軟件設計的目標是使變壓變頻調(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，在實現(xiàn)變壓、變頻的同時，實現(xiàn)相對于輸入控制信號的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻。

　　輸入控制電壓信號、反饋控制電壓信號、輸入控制頻率信號、反饋控制頻率信號經(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83C552進行調(diào)整：當反饋控制電壓小于輸入控制電壓時，應增大83C552的輸出控制電壓；當反饋控制電壓大于輸入控制電壓時，應減小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)整過程與電壓調(diào)整過程相似。
4　結束語　　
　　本系統(tǒng)已用于電動三輪車，其蓄電池提供的直流電壓為36 V，電動機的額定功率為8 kW。實際運行表明，該系統(tǒng)能夠有效地實現(xiàn)變壓變頻調(diào)速，運行性能良好，具有輸出電壓諧波含量少、電動機轉(zhuǎn)矩脈動小、電動車可平穩(wěn)地進行勻速和變速運行等優(yōu)點。 
參考文獻
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