收获变频器原理解析三相电压信号调理电路.doc

收获变频器原理解析 一、信号调理电路 信号采集电路是指信号检测板上的电压调理电路和电流调理电路，在这块板子上分别对三相电压信号和电流信号进行了预处理。下面就这两路信号分别解析。 １、 三相电压信号调理电路 图 １．１．１ 三相电压信号调理电路主要由两个差分比例运算器（U3A和U3B），一个同相比例运算器（U3C）和一个同相求和运算器（U3D）组成。该电路完成的功能是把三相静止坐标系下的三相电压信号（ua、ub、uc）变换成两相静止坐标系下的电压信号（VD和VQ）。 假设输入的三相电压信号分别是ua Umcoswt；ub Umcoswt-2π/3；uc Umcoswt2π/3，则 U3B差分比例运算 u3b（47//47/5000）（ub- uc） U3C 同相比例运算 u3c 30.122u3b /30.1 30.122 u3b /30.130.122 （47//47/5000）（ub- uc）/30.1 0.008（ub- uc）0.008 ubc0.008*1.732Umsinwt0.01385 Umsinwt 故VQ u3c0.01385 Umsinwt U3A差分比例运算 u3a47/5000（ua- ub） U3D同相求和运算 u3d u3au3b47/5000（ua- ub）（47//47/5000）（ub- uc） 0.0094（ua- ub）0.0047（ub- uc） 0.0094 ua -0.0047 ub -0.0047 uc 0.00472 ua – ub – uc 0.00473 ua –ua –ub – uc 0.00473 ua –ua –ub – uc 0.0047*3Umcoswt 0.0141 Umcoswt 2ua-ub ub-uc 4uc-ua 2ua-ub ub-uc 4uc-ua 故VD u3d0.0141 Um coswt，可见VD和ua是同相的。 从理论推算得知，该电路正好实现了三相静止坐标系下的三相电压信号（ua、ub、uc）到两相静止坐标系下的电压信号（VD和VQ）的转换。可参考图1.1.2和图1.1.3。 图1.1.2中A、B、C分别是输入的三相电压信号；VD是输出的D轴电压信号。 图1.1.3中VD、VQ分别是输出的D轴和Q轴电压信号，相位应该正好相差90度。 图 １．１．２ 500V/Div 10ms/Div 图 １．１．３ 5V/Div 10ms/Div D1、D2、D3和D4 是为了防止差分比例运算器输入端的电压差太大损坏运放电路而加入的输入保护电路。 2、三相电流信号调理电路 图 １．２．１ 三相电流信号调理电路分别对Ｉａ、Ｉｂ和Ｉｃ进行了调理，因为三相电流调理电路完全对称，这里仅以a相电流调理电路（如图1.2.1）为例进行解析。该支路主要由两个同相比例运算电路组成。完成的主要功能是对电流信号进行比例系数调整。 U1D同相比例运算 u1d1010uia/102uia U1C同相比例运算 u1c 10 u1d/10R4＝20uia/ 10R4 可见通过调整R4的阻值就可改变电流信号调理的比例系数，从而能够和各个功率等级的变频器匹配。 这里以132KW为例，即调整电阻R4、R10、R16均为18K，假设霍尔传感器输出信号有效值为2V，根据上述公式推算得，U1D输出信号峰值为5.656V，U1C输出信号峰值约为2V。 对电路进行仿真，参考波形如下图所示。 图1．2．2为信号检测板三相电流信号输入波形； 图1．2．3为信号检测板三相电流信号输出波形。 图 １．２．２ 1V/Div 5ms/Div 图 １．２．３ 1V/Div 5ms/Div 二、三相电流采集处理电路 从信号检测板引入的三相电流信号ＩA、ＩB和ＩC到主控板后又分别经a、b、c三条支路接到DSP的模数转换口，因为三条支路都对称，这里仅以处理a相电流信号的支路进行解析。 1、 a相电流采集处理电路 图 ２．１．１ 该电路主要由两级电压跟随器组成，不同的是后一级电压跟随器对前极输出设置了3.3V的偏压。 U26A电压跟随器 u26A u IA U26B电压跟随器 u26B （u26A 3.3V）/2（u IA 3.3V）/2 图 ２．１．２ 1V/Div 10ms/Div 2、 直流母线电流过流保护电路 图 ２．２．１ 该电路主要由反相求和运算器U28C、差分比例运算器U28D和电压比较器U29A组成。其完成的主要功能是对采集的三相电流（经霍尔传感器采集后虽是电压信号，但这里以电流信号解析容易理解）进行三相全桥整流后经电压比较，可确定流过的母线电流是否过流来决定是否中断。 假设uIA1 U I1Mcoswt；u IB1 U I1M coswt-2π/3； U I1M为峰值 U28C反相求和运算器 u28C-（uIA1 uIB1） -U I1Mcoswt-U I1M coswt-2π/3 -U I1M（-coswtcos2π/3sinwtsin2π/3） U I1M（coswtcos2π/3-sinwtsin2π/3） U I1M coswt2π/3 uIC1 该运放电路完成的功能是对a相和b相电流求和并反相，得到的正好是c相电流u IC1，如图2.2.2所示。 图 ２．２．２ 1V/Div 10ms/Div 因为a相和b相电流采集处理电路的D12、D13并联对应接到D11的P点和N点（可参考主控电路修改），那么可画等效电路如图2.2.3所示 图 ２．２．３ 即该单元就完成了三相全桥整流功能，P、N两点的波形如图2.2.4所示 图 ２．２．４ 1V/Div 10ms/Div U28D差分比例运算器 u28D68/100（ UP－U N） U29A电压比较器 u29A0V（u28D3.3V）/3.3V u28D 0） /0,（u27C0） U28B反相求和运算 u28B -（u27C u28A） U29C电压比较器 u29C0,（u28Bu29N） 图 ２．３．２ 1V/Div 10ms/ Div 图 ２．３．３ 1V/Div 10ms/ Div 图 ２．３．４ 1V/Div 10ms/ Div 图 ２．３．５ F 1V/Div 10ms/ Div G 2 V/Div 10ms/ Div 三、模拟信号给定处理电路 主控板上模拟信号给定处理电路由两组组成，且两组完全对称，每一组又分别由模拟量电压输入给定调理和模拟量电流输入给定调理电路构成。完成的功能是采集模拟量给定信号并对其进行比例系数调整从而来参与算术运算实现频率或转速的控制。 １、电流模拟量输入给定调理电路 图 ３．１．１ 当外部电流源提供的020mA或420mA电流由Iin1通过电阻R116流向Iin1-时，差分比例运算通过检测电阻R116上的压降采集给定信号并处理。 U30A 差分比例运算 u30A300（uP –uN）/200 300*150*ID/200 225 ID（0≤ID≤20mA或4≤ID≤20mA） 注ID为模拟量给定电流信号 因为电路比较简单，仿真波形不再列出。 2、电压模拟量输入给定调理电路 图 ３．２．１ U30B 同相比例运算 u30B 133 uN /100 133 /10033Vin1 /133 0.33 Vin1 0≤Vin1i≤10V 即0V≤u30B≤3.3V，Vin1为模拟量给定电压信号。参考图3.2.2，红色为输入的模拟给定电压信号Vin1i，橙色为模拟输出u30B。 图 ３．２．１ ５V/Div 10ms/ Div 四、直流母线电压VDC处理电路 从功率驱动板引入的反应母线电压变化的电压uVDC先经过电压跟随器U27D隔离缓冲送到DSP的模数转换口，然后再经电压比较器U29B送到DSP的功率模块保护中断输入。 图 ４．１ U27D电压跟随器 u27D uVDC U29B电压比较器 u29B0V（u27D 3.3V 注D15 和R110的作用是当U27B输出由高电平跳变到低电平时，可作为C102的放电支路，以防止误动作。 五、模拟电流信号输出 图 ５．１ 由于R58、R59和C65等一些参数值和基准电压VP值不确定，无法精确仿真，故只能进行理论讨论。 该电路主要由基准电压VP电路、PWM波转换电路，驱动输出电路组成。基准电压VP是由24V经TL431稳压产生的，一用来作为差分比例运算U25B的基准源，二为PWM转换电路次级提供能量。PWM转换电路是把DSP输出的反映电流量变化的高频PWM波经光耦互补跳变输出，通过C65充放电后经U25A跟随输出，U25B取其与基准电压的差分比例运算后驱动Q3的动作，从而完成了PWM波到反映其变化的电流输出。 六、集电极开路输出 图 ６．１ 电路比较简单，不在进行讨论。 七、逻辑控制部分 DS外部数据存储器访问探针 DS IOPF5 1Y0 1Y1 外扩FLASH存储器M29LV8000DB 与J11相连的 外部存储器 H X H H 片选信号CE不使能 不使能 L L H L 片选信号CE不使能 使能 L H L H 片选信号CE使能 不使能 I S外部I/O存储器访问探针 IS A14 A15 2Y0 2Y1 2Y2 2Y3 U4CP 跳变 U9使能OE U11使能OE 与J11相连的外部I/O口存储器 H X H H H H H 使能 禁止 禁止 禁止 L L L L H H H 禁止 禁止 禁止 禁止 L H L H L H H 使能 使能 禁止 禁止 L L H H H L H 使能 禁止 使能 禁止 L H H H H H L 使能 禁止 禁止 使能 各集成电路使能意义 正边沿触发器U4 74LV174时钟输入CP正跳变使能即FLASH的高4位地址产生； 收发器U9 TLV245输出使能OE使能即外给定数字信号未输入； 收发器U11 TLV245输出使能OE使能即驱动板给功率选择信号未输入； 与J11相连的外部I/O口存储器使能即可以与外部I/O存储器进行数据交换。