变频器控制电路的设计与优化

控制电路主要完成对主电路的控制，其中单片机根据各种输入信号和检测信号按一定程序产生SPWM 信号； 驱动电路将单片机产生的SPWM 信号进行放大后控制逆变电路中IGBT的通断； 信号检测保护电路用于变频器的电压、电流、温度等的保护； 控制电路中还有存储电路、显示电路、隔离电路等。对于如矢量控制型变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU 以及一些相应的电路。

1.驱动电路

驱动电路的作用是根据控制单元的指令对IGBT 进行驱动，IGBT 栅极驱动电路有多种形式，按照驱动电路元件的组成可分为分立元件驱动电路和集成化驱动电路。图3.28 所示为光耦合器和三极管等分立元器件构成的IGBT 驱动电路，当输入控制信号Vg时，光耦HU 导通，VT1截止，VT2导通，输出+15 V 驱动电压； 当输入控制信号为零时，HU 截止，VT1、VT3导通，输出-10 V 关断电压。

图3.28　分立元器件构成的IGBT 驱动电路

专为驱动电力MOSFET 而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16 mA，输出最大脉冲电流为+2 A 和-3 A，输出驱动电压为+15 V 和-10 V。

IGBT 的驱动多采用专用的混合集成驱动器，常用的有三菱公司的M579 系列（如M57962L 和M57959L）和富士公司的EXB 系列 （如EXB840、EXB841、EXB850 和EXB851），内部具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应且慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。

M57962L 输出的正驱动电压均为+15 V 左右，负驱动电压为-10 V，如图3.29 所示。

2.变频器的控制方式

1）恒压频比控制

为避免电动机因频率变化导致磁饱和而造成励磁电流增大，引起功率因数和效率的降低，需要对变频器的电压和频率的比率进行控制，使该比率保持恒定，即恒压频比控制，以维持气隙磁通为额定值。

图3.29　M57962L 型IGBT 驱动器的原理图和接线图

（a）原理图； （b）接线图

恒压频比控制方法比较简单，是一种被广泛采用的控制方式，该方式被用于转速开环的交流调速系统，适用于生产机械对调速系统的静、动态性能要求不高的场合。恒压频比控制的变频调速系统框图如图3.30 所示。

图3.30　恒压频比控制的变频调速系统框图

工作原理： 转速给定既作为调节加减速的频率f 指令值，同时乘以适当比例作为定子电压V1的指令值，该比例决定了V/f 比值。频率和电压由同一给定值控制，因此可以保证压频比为恒定。

在给定信号之后设置的给定积分器，将阶跃给定信号转换为按设定斜率逐渐变化的斜坡信号ugt，从而使电动机的电压和转速都平缓地升高或降低，避免产生冲击。

给定积分器输出的极性代表电动机转向，幅值代表输出电压、频率。绝对值变换器输出ugt的绝对值uabs，电压频率控制环节根据uabs及ugt的极性得出电压及频率的指令信号，经PWM 生成环节形成控制逆变器的PWM 信号，再经驱动电路控制变频器中IGBT 的通断，使变频器输出所需频率、相序和大小的交流电压，从而控制交流电动机的转速和转向。

普通控制型V/f 通用变频器是转速开环控制方式，无速度传感器，优点是控制电路简单，采用通用标准异步电动机，通用性强，性价比高。其缺点如下：

（1）不能恰当地调整电动机转矩。

普通控制型V/f 通用变频器为了适应不同型号的电动机和不同的生产机械，一般采用两种方法实现转矩提升功能： 一是在存储器中存入多种V/f 函数的不同曲线图形，由用户根据需要选择； 二是根据定子电流的大小自动补偿定子电压。利用选定V/f 曲线模式的方法，很难恰当地调整电动机的转矩，容易出现负载冲击或启动过快，有时还会引起过流而跳闸。由于定子电流不完全与转子电流成正比，所以根据定子电流调节变频器电压的方法，并不反映负载转矩。因此，定子电压也不能根据负载转矩的改变而恰当地改变电磁转矩。而定子电阻压降又随负载变化，当负载较重时可能补偿不足； 负载较轻时可能产生过补偿，磁路过饱和，这两种情况都可能引起变频器的过流跳闸。

（2）无法准确地控制电动机的实际转速。

由于普通控制型V/f 通用变频器是转速开环控制，由异步电动机的机械特性图可知，设定值为定子频率是理想空载转速，而电动机的实际转速由转差率决定，所以，V/f 控制方式存在的稳态误差不能控制，所以无法准确地控制电动机的实际转速。

（3）转速极低时由于转矩不足而无法克服较大的静摩擦力。

2）具有恒定磁通功能的V/f 通用变频器

通用变频器驱动不同类型的异步电动机时，根据电动机的特性对V/f 的值进行恰当的调整是十分困难的。一旦出现电压不足，电动机的特性与负载特性就会没有稳定运行交点，可能出现过载或跳闸。要想使电动机特性在最大转矩范围内与负载特性处处都有稳定运行交点，就应当让转子磁通恒定而不随负载发生变化。普通控制型V/f 通用变频器的SPWM 控制主要是使逆变器输出电压尽量接近正弦波，或者说，希望输出SPWM 电压波形的基波成分尽量大，谐波成分尽量小。在控制上没有考虑负载电路参数对转子磁通的影响，如果采用磁通反馈控制让异步电动机所输入的三相正弦电流在空间产生圆形旋转磁场，那么就会产生恒定的电磁转矩，这样的控制方法叫作“磁链跟踪控制”。由于磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的，所以有人把“磁链跟踪控制”称为“电压空间矢量控制”。考虑到这种功能的实现是通过控制定子电压和频率之间的关系来实现的，所以恒定磁通的控制方法仍然属于V/f 控制方式。西门子公司的MICRO/MIDI MASTER，富士公司的FRENIC5000G7/P7、G9P9，三垦公司的SANCO-L 系列均属于此类。采用32 位DSP 或双16 位CPU 进行控制，为实现恒定磁通控制功能提供了必要的条件。(www.xing528.com)

3）矢量控制通用变频器

矢量控制方法的出现，使异步电动机变频调速后的机械特性及动态性能达到了足以和直流电动机调压时的调速性能相媲美的程度，从而使异步电动机变频调速在电动机的调速领域处于优势地位。

交流异步电动机的转子能够旋转的原因是交流电动机的定子能够产生旋转磁动势，而旋转磁动势是交流电动机三相对称的静止绕组A、B、C 通过三相平衡的正弦电流所产生的。但是，旋转磁动势并不一定非要三相平衡，如果给在空间位置上互相垂直，在时间上互差90°电角度的两相绕组通以平衡的电流，也能产生旋转磁动势。

直流电动机转子能够产生旋转是定子与转子之间磁场相互作用的结果。由于直流电动机的电刷位置固定不变，尽管电枢绕组在旋转，但电枢绕组所产生的磁场与定子所产生的磁场在空间位置上永远互相垂直。如果以直流电动机转子为参考点，那么定子所产生的磁场就是旋转磁动势。

由此可见，以产生同样的旋转磁动势为准则，三相交流绕组与两相直流绕组可以彼此等效。设等效两相交流电流绕组分别为α和β，直流励磁绕组和电枢绕组分别为M 和T，其坐标变换结构如图3.31 所示。

图3.31　异步电动机的坐标变换结构

从整体上看，输入为A、B、C 三相电压，输出转速为ω 的一台异步电动机。从内部看，经过3/2 变换和VR 同步旋转变换，变成一台由im1和it1输入、ω 输出的直流电动机，其中φ是等效两相交流电流与直流电动机磁通轴的瞬时夹角。

既然异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，就可以控制异步电动机。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以通过坐标变换实现的控制系统叫作矢量变换控制系统（Transvector Control System），或称矢量控制系统，所设想的结构如图3.32 所示。

图3.32　矢量控制系统的结构图

图3.32 中给定和反馈信号经过类似于直流调速系统所用的控制器，产生励磁电流的给定信号im1和电枢电流的给定信号，经过反旋转变换VR -1得到 和，再经过2/3 变换得到、 和。把这三个电流控制信号和由控制器直接得到的频率控制信号ω1，加到带电流控制器的变频器上，就可以输出异步电动机调速所需的三相变频电流，实现了用模仿直流电动机的控制方法去控制异步电动机，使异步电动机达到直流电动机的控制效果。

一般的矢量控制系统均需速度传感器，速度传感器是整个传动系统中最不可靠的环节，安装也很麻烦。许多新系列的变频器设置了“无速度反馈矢量控制”功能。对于一些在动态性能方面无严格要求的场合，可以将速度反馈环节省去。编码器与变频器的连接如图3.33 所示。

图3.33　编码器与变频器的连接

4）直接转矩控制

直接转矩控制是继矢量控制变频调速技术之后的一种新型的交流变频调速技术。它是利用空间电压矢量PWM （SVPWM）通过磁链、转矩的直接控制，确定逆变器的开关状态来实现的。直接转矩控制还可用于普通的PWM 控制，实行开环或闭环控制。

直接转矩控制有以下几个主要特点：

（1）直接转矩控制技术： 直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。它省掉了矢量旋转变换等复杂的计算。因此，它需要的信号处理工作特别简单，所用的控制信号使观察者对交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的判断。

（2）直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。

（3）直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制其各物理量，使问题变得简单明了。

（4）直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。它包含以下两层意思：

①直接控制转矩： 与矢量控制的方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩作为被控制量，直接控制转矩。因此，它并不需要极力获得理想的正弦波波形，也不用专门强调磁链的圆形轨迹。相反，从控制转矩的角度出发，它强调的是转矩直接控制效果，因而它采用离散的电压状态和六边形磁链的轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。

②对转矩的直接控制： 其控制方式是通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制。因此，它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。它的控制既直接又简单。

对转矩的这种直接控制方式也称“直接自控制”。这种“直接自控制”的思想不仅用于转矩控制，还用于磁链量的控制和磁链的自控制，但需以转矩为中心来进行综合控制。

综上所述，直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助离散的两点式调节（Band-Band 控制）产生PWM 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处理，没有通常的PWM 信号发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速，限在一拍以内且无超调，是一种具有高静态性能和动态性能的交流调速方法。