模型变频器的设计与开拓_电路_电机

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1 系统构成

实验室用模型变频器包括电机掌握电路、电机驱动电路和电机保护电路三部分，可以掌握电机软起动，进行变压变频调速，并对过流、短路、缺相、过热等情形进行检测，必要时割断电源，供应保护。
系统构造框图如图1所示。
系统集成电路由数字芯片和仿照芯片组成，比较于以单片机为核心的系统，具有构造大略、本钱低廉、稳定性高的特点[3]。
而且，学生便于丈量系统关键点电压、波形等参数，易于理解系统事情事理，能更好地建立对实际系统进行调试、剖析的综合素养，深化理解专业课程知识。

模型变频器的设计与开拓_电路_电机科学

2 电机驱动电路设计

电机驱动电路紧张包括软起动电路、电压频率转换电路和脉冲宽度调制(PWM)电路。

软起动电路输出从0 V平滑变革的启动掌握电压。
电压频率转换电路将启动掌握电压转换为方波旗子暗记，其频率与启动掌握电压成正比，掌握电机转速。
脉冲宽度调制电路将启动掌握电压转换为PWM波，其占空比与启动掌握电压成正比，调节加载在电机上的等效电压。
从而实现变压变频调速，担保电机平滑加速，平滑过渡。

2.1 软起动电路

软起动电路的本色是由两个积分环节和两个单位负反馈组成的二阶系统，动态构造图如图2所示。
积分环节的本色是基于运算放大器的积分电路，积分电路的韶光常数由电阻R和积分电容C决定[4]。
通过改变运算放大器反馈电阻的值，可使反馈为单位负反馈。

2.2 电压频率转换电路

电压频率转换电路由CD4046锁相环组成，电路如图3所示。
将12引脚悬空，使电阻R2趋于无穷大，电路最小输出频率为0 Hz。
R1取100 kΩ，C1取200 pF，当输入VCO电压为5 V时，从第4引脚输出5 kHz频率的方波旗子暗记。
由于C1充电回路和放电回路相同，输出方波旗子暗记占空比为1:1[5]。

输入VCO电压为软起动电路输出的启动掌握电压时，从0 V升至5 V时，从第4引脚就可以得到0 Hz～5 kHz的方波旗子暗记，方波旗子暗记频率与输入VCO电压成正比，再经CD4040计数器分频即可得到频率100 Hz旁边的方波旗子暗记驱动电机。
CD4046锁相环不可直接输出低频方波旗子暗记，输出低频旗子暗记会不稳定。

2.3 脉冲宽度调制电路

由于电机驱动芯片IR2104为TTL兼容的数字芯片，因此应将启动掌握电压仿照量转换成为占空比可调的PWM波，实现用数字办法掌握仿照旗子暗记。
这样也使MOSFET监工作在开关状态，提高效率，减少热损耗。
脉宽调制电路如图4所示。
三角波发生电路由集成运算放大器组成，可产生频率为1 kHz，输出范围在0～5 V的三角波，并输入至运算放大器负输入端。
正输入端输入启动掌握电压，两者经运算放大器比较，输出占空比正比于启动掌握电压的PWM波[7-8]。
加载到电机的电压的有效值即是实际电压与PWM波占空比之积，从而实现变压变频启动，实现恒磁通调速。

2.4 三相换相电路

三相异步电机换相可以使三相电流周期性变革，产生旋转磁场，电机转子在磁场浸染下迁徙改变。
本系统采取三三导通办法，每个瞬间有3个MOSFET管导通，每隔60°换相一次，每次换相一个MOSFET管，合成转矩转过60°，每个MOSFET管通电180°[9]。

电压频率转换电路输出的方波旗子暗记送至CD4022脉冲分配器的时钟引脚，方波上升沿触发CD4022计数，使输出Y0～Y5依次输出高电平，Y6与清零审察接。
以是输出组成“000001”、“000010”……“100000”6种不同的循环状态，在经由组合逻辑电路就得到掌握电机6种状态的旗子暗记，组合逻辑如表1所示。

经由组合逻辑电路的状态转换，输出掌握电机6种状态的旗子暗记C0C1C2依次为“110”、“100”、“101”、“001”、“011”、“010”。
旗子暗记送至电机全桥式驱动电路，当掌握旗子暗记C为“1”时，上桥导通，当掌握旗子暗记C为“0”时，下桥导通。
以是，MOSFET管导通顺序依次为Q1Q2Q3、Q2Q3Q4、Q3Q4Q5、Q4Q5Q6、Q5Q6Q1、Q6Q1Q2，实现三相异步电机180°导通。

3 电机驱动电路设计

电机驱动电路包括MOSFET驱动器IR2104和大功率MOSFET管IRF830。
IR2104为国际整流器公司生产的高功率MOSFET驱动器，具有独立的高侧和低侧输入通道。
高压悬浮驱动技能可使高侧电压最高为600 V，并减少驱动电源的数目。
MOSFET驱动器有两方面浸染：一是将TTL芯片输出的5 V电平转换成为15 V电压输入MOSFET管栅极，二是供应数百毫安电流，战胜MOSFET管栅极的密勒电容[10]。
大功率MOSFET管采取IRF830，最大漏极电流为5.9 A。
三相电机中一相的驱动电路如图5所示，别的两相与之事理相同。

IR2104第2引脚接电机掌握旗子暗记C，当掌握旗子暗记C为“1”时，上桥导通，当掌握旗子暗记C为“0”时，下桥导通，使电机实现180°导通，并调节转速。
第3引脚SD输入端为使能端，接PWM波，通过改变占空比间接调节加载到电机上的等效电压。
终极实现电机变压变频调速。

自举电容C1在高侧导通时为MOSFET管栅极供应足够的电荷，以是C1取1 μF。
二极管D1在高侧导通时阻断直流干线上的高压，以是二极管选用MUR160，额定电压为600 V，规复韶光为35 ns，可减少自举电容向电源回馈电荷。

4 电机保护电路设计

电流传感器采集三相电机相电流数据，转换后送至电机保护电路。
电机保护系统可以对过流、短路、缺相、过热等情形进行检测，必要时割断电源，并通过RS触发器对故障状态锁存，直至故障打消后复位。

4.1 传感器及转换电路

本系统采取三个CSNP661电流传感器检测电机的相电流，如图6所示。
CSNP661为霍尼韦尔公司生产的闭环非打仗式霍尔电流传感器，具有相应韶光快、精度高、体积小、抗滋扰能力强等特点。
采取双电源±12 V供电，将被测电流以1 000:1输出，故输出为电流量[11-12]。

将传感器输出电流量转换成电压量，便于后续保护电路比较处理。
电流电压转换电路由运算放大器和反馈电阻组成，反馈电阻取1 kΩ，可将传感器输出电流量转换成放大1 000倍的电压量。

4.2 过流保护电路

当电动机负荷过大，电流会超过额定电流，这时过流保护电路应该延迟一定韶光发出旗子暗记，割断电源。

考虑到电机相电流有正负之分，应将传感器输出电压送至窗口比较器比较，三相电流都在额定电流的正负范围内，输出高电平；有一相电流超出额定电流的正负范围，输出低电平。
窗口比较器中比较器采取LM339，输出办法为集电极开路输出，可以进行线与运算。

窗口比较器输出结果输入过流保护延迟电路，电机电流过大，延迟一定韶光再割断电源。
延迟电路由运算放大器LM339和单稳态触发器MC14538组成，延迟韶光由RX和CX之积决定，本系统延迟韶光t为3.3 s，事理图如图7所示。

当电机电流正常，窗口比较器输出高电平，单稳态触发器输出低电平，比较器1输出高电平，比较器2输出低电平，相与后输出低电平，无拉闸动作。
当电机电流超出额定电流韶光小于3.3 s，窗口比较器输出低电平，单稳态触发器输出高电平，比较器1输出低电平，比较器2输出高电平，相与后输出低电平，无拉闸动作。
当电机电流超出额定电流韶光大于3.3 s时，窗口比较器仍输出低电平，单稳态触发器输出转变为低电平，比较器1输出高电平，比较器2输出高电平，相与后输出高电平，掌握继电器割断电机电源。

4.3 短路保护电路

三相电机单相接地短路会烧毁电机，相间短路会烧毁MOSFET管，以是一旦发生短路，应立即割断电源。
比较于过流保护电路，短路保护电路提高了窗口比较器的阈值电压，并去掉了延迟电路。

4.4 缺相保护电路

缺相时，三相电机转速低落，噪声大，运行无力，温度上升，终极电机烧毁。
以是电机一旦缺相，应割断电源。

电流传感器输出旗子暗记经转换后得到的电压值送至窗口比较器，比较器的正负阈值应设定较小。
当电流绝对值小于阈值电流时，窗口比较器输出0，表示该相无电流；当电流绝对值大于阈值电流时，窗口比较器输出1，表示该相有电流。
三个窗口比较器输出结果送至组合逻辑电路进行缺相判断，缺相判断逻辑如表2所示。

三相均有电流，表明电机正常运转，缺相判断电路输出高电平，无保护动作。
三相中任意一相或两相无电流，表明电机缺相，缺相判断电路输出低电平，掌握继电器割断电机电源。
三相均无电流时，表明电机未启动或已经触发其他保护停滞运转，缺相判断电路输出高电平，无保护动作[13]。

由于电机在换相过程中会涌现极短韶光电流为零的情形，因此缺相判断电路后应接延迟电路，某一相电流为零一段韶光后再触发缺相保护。

4.5 过热保护电路

过热保护采取热电阻测温方法，热敏电阻R选用铜热电阻，安装在电机表面。
铜热电阻随温度升高阻值增大，以是温度升高，运算放大器负输入端电压升高，运放输出低电平，表示电机过热，掌握继电器割断电机电源[14]。
反馈电阻的引入是为增加滞回特性[15]。
过热保护电路事理如图8所示。

5 结论

本文完成了模型变频器的事理设计，开拓了三相异步电机掌握电路、驱动电路、保护电路。
通过功能测试与运用，系统运转正常，达到了预期的哀求，可以运用于干系传授教化实验。
系统实物图如图9和图10所示。

该课程实验有助于提高学生动手操作的能力，加深学生对付专业知识的理解，培养学生的创新能力和工程实践能力。