输出正弦波频率高达20000Hz的三相电机变频调速系统的制作方法
【专利摘要】一种输出正弦波频率高达20000Hz的三相电机变频调速系统，包括：DSP处理器，用于输出相位相差120度的三组三相驱动PWM信号；三相放大通道，其结构完全相同，并行排布，分别接收由DSP处理器发出的相对应的所述三相驱动PWM信号，并将三相驱动PWM信号的频率提高到大于等于20000Hz，用于控制驱动电路来驱动电机。本发明具有输出波形更加平滑，电机运行噪音小，平顺；信噪比高，信号失真小；动态范围宽、电路稳定性好；抗干扰能力强；可输入数字或模拟信号，使用灵活的优点。
【专利说明】输出正弦波频率高达20000Hz的三相电机变频调速系统
[0001]【技术领域】
本发明涉及一种输出正弦波频率高达20000Hz的三相电机变频调速系统。
[0002]【背景技术】
目前，如果想做小功率的电机性能测试，信号发生器可以产生足够高频率正弦信号，但不可能带载。变频器可以输出大功率，但输出频率太低，而且接线调试复杂。公知的普通三相交流电机如果用工频50赫兹工作，只能用于固定转速如3000转/分、1500转/分等固定转速的场合。普通变频调节范围也有限，这些都限制了三相电动机的使用范围。且普通变频器PWM频率普遍偏低，仅几十KHz赫兹，驱动器输出正弦波频率低，一般只有几百HZ，波形也不够平滑，特别是输出正弦频率较高的时候。控制电动机运行时噪音和振动都普遍偏大。普通控制器且运行速度慢，I/O有限，也不利于驱动器整体功能扩展。普通驱动电路上一般只作高低压隔离，并不是所有的信号都作隔离措施，抗干扰性能也不够好。
[0003]
【发明内容】
为了克服上述问题，本发明向社会提供一种可以减低电动机运行时噪音和振动的输出正弦波频率高达20000Hz的三相电机变频调速系统。
[0004]本发明的技术方案是:提供一种输出正弦波频率高达20000Hz的三相电机变频调速系统，包括:
DSP处理器，用于输出相位相差120度的三组三相驱动PWM信号；
三相放大通道，其结构完全相同，并行排布，分别接收由DSP处理器发出的相对应的所述三相驱动PWM信号，并将三相驱动PWM信号的频率提高到大于等于20000Hz，用于控制驱动电路来驱动电机。
[0005]作为对本发明的改进，每相所述放大通道包括:
PWM光耦电路，用于接收从DSP处理器输入的PWM信号，并光耦到滤波电路；
滤波电路，接收从PWM光耦电路过来的PWM信号，并进行滤波；
双输出高速比较器，接收从滤波电路过来的PWM信号，并将所述PWM信号的频率提高到大于等于20000Hz ；
放大电路，将频率大于等于20000Hz的PWM信号进行放大，并输送给驱动电路；
驱动电路，接收放大电路过来的PWM信号，并驱动电机旋转。
[0006]作为对本发明的改进，在所述滤波电路和双输出比较器之间还设有选择开关，所述选择开关用于在模拟信号输入和数字信号输入之间选择。
[0007]作为对本发明的改进，在所述滤波电路和双输出比较器之间还设有由RC电路构成的削峰电路。
[0008]作为对本发明的改进，还包括反馈电路，所述反馈电路包括有与驱动电路的输出端相连接的霍尔电流传感器、反馈光耦电路和反馈信号放大电路，霍尔电流传感器将所采集到的输出端电流输送给反馈光耦电路，所述反馈光耦电路再将电流输送给反馈信号放大电路，经放大后反馈给DSP处理器，控制DSP处理器的工作状态。
[0009]本发明由于提高了 PWM信号的输出频率，达到大于等于20000Hz，其输出正弦波的波形更加平滑，电机运行噪音小，平顺；而现有普通变频电路只能工作在从几十赫兹到几百K赫兹的低频段，输出正弦波不够平滑，控制电机时噪音和振动都较大。
[0010]在输出端接有LC低通电路，确保了高频率PWM转换成平滑正弦波的输出。当正弦波频率提高到20千赫兹后，应用领域比现有的同类电路更广泛。
[0011]本发明频率响应宽，信噪比高，信号失真小。由于合理运用了高频放大电路及高速元器件，双输出高速比较器U5 (LT1016)传导延迟时间典型值为10纳秒，高速驱动集成电路U6 (IR2011S)开关导通时间分别为80纳秒和60纳秒，对于工作在2兆赫兹上也留有充足的裕量。Ql和Q2在高频运用里接成共基极放大形式，使电路更加稳定。加入环路负反馈后，整个电路可以稳定工作在2兆赫兹上，甚至更高，并且还能保证高频率下优良的性能。
[0012]本发明动态范围宽、电路稳定性好。由于电路工作在高频率，高频电路工作对电源的稳定性要求就显得特别重要。普通的变频器或驱动器，电路只作简单滤波或只对小部分电路稳压，整体电路工作的稳定性明显不如全电路稳压。所以本系统除末级功率管供电之夕卜，全部采用线性三端稳压集成电路来供电，并加强了退耦，保证了电路工作的稳定性。正负双电源供电，保证了更宽的动态范围和频率响应。每组稳压电源均有完善的滤波和退耦电容。
[0013]本发明抗干扰能力强。反馈光耦U4和PWM光耦电路Ul均由DSP处理器一端的供电，均是由DSP处理器供电电源VDSP输入，PffN IN信号与1-SENSOR信号共用一个信号地回路，其他部分共用V+、V-的电源地回路。这样，无论是输入还是反馈，信号都是彻底隔离的，极大增强了抗干扰能力。
[0014]本发明可输入数字或模拟信号，使用灵活。由于高频性能良好，本系统不仅可以应用于工业控制，还可以用于电机性能测试。一般的驱动器只能输入数字PWM信号，限制了使用范围。
[0015]过流保护电路稳定、可靠。运用线性光耦及轨对轨运放放大微弱采样信号，不仅隔离了不必要的干扰，而且运放的带通电路对信号再进行一次滤波，确保了信号的纯净。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明的一种实施例的结构示意图。
[0017]图2是本发明其中一相放大通道的方框示意图。
[0018]图3是图2的电路原理示意图。
【具体实施方式】
[0019]请参见图1至图3，图1至图3揭示的是一种输出正弦波频率高达20000Hz的三相电机变频调速系统，包括:
DSP处理器，用于输出相位相差120度的三组三相驱动PWM信号；
三相放大通道，其结构完全相同，并行排布，分别接收由DSP处理器发出的相对应的所述三相驱动PWM信号，并将三相驱动PWM信号的频率提高到大于等于20000Hz，用于控制驱动电路来驱动电机。
[0020]作为对本发明的改进，每相所述放大通道包括:
PWM光耦电路，用于接收从DSP处理器输入的PWM信号，并光耦到滤波电路； 滤波电路，接收从PWM光耦电路过来的PWM信号，并进行滤波；
双输出高速比较器，接收从滤波电路过来的PWM信号，并将所述PWM信号的频率提高到大于等于20000Hz ；
放大电路，将频率大于等于20000Hz的PWM信号进行放大，并输送给驱动电路；
驱动电路，接收放大电路过来的PWM信号，并驱动电机旋转。
[0021]在所述滤波电路和双输出比较器之间还设有选择开关，所述选择开关用于在模拟信号输入和数字信号输入之间选择。
[0022]在所述滤波电路和双输出比较器之间还设有由RC电路构成的削峰电路。
[0023]本发明还包括反馈电路，所述反馈电路包括有与驱动电路的输出端相连接的霍尔电流传感器、反馈光耦电路和反馈信号放大电路，霍尔电流传感器将所采集到的输出端电流输送给反馈光耦电路，所述反馈光耦电路再将电流输送给反馈信号放大电路，经放大后反馈给DSP处理器，控制DSP处理器的工作状态。
[0024]本发明中，由DSP处理器输出的相位相差120度的A、B、C三相驱动PWM信号，分别进入A、B、C、三个放大通道的差分输入端。本实施例中，仅以A相放大通道为例加以说明，其余B相放大通道和C相放大通道结构相同，工作原理也一样；在A相放大通道中，信号在电路输入端PWM IN+和PWM IN-，经第一电阻R1、第二电阻R2到达光耦电路U1。光耦电路Ul的供电部分分为两组:发射端供电由DSP部分电源提供，输入电平与DSP匹配；接收端供电由驱动部分提供，与DSP是完全隔离的。隔离后的PWM信号由光耦电路Ul的6、7脚输出经第二十七电阻R27、第六二极管D6、第三十七电容C37和第二十六电阻R26、第五二极管D5和第三十六电容C36组成的滤波电路，分别输出经过选择开关SI后，再经第八电阻R8、第七电阻R7到双输出高速比较器U5 (LT1016 )的2、3脚，也就是双输出高速比较器U5的正反相输入端，双输出高速比较器U5 (LT1016)的7、8脚分别为正、反输出端。选择开关SI是输入选择开关，本实施例中采用的是单刀双掷开关；图3中选择开关SI的位置为数字PWM输入状态，如果需要模拟信号输入，将选择开关SI置于另外一个位置，模拟信号从SlA的公共端输入。第二十四电阻R24是为了匹配输入信号源的输出阻抗而设，第三十四电容C34可以滤去干扰杂波，保证信号的纯净。由于双输出高速比较器U5的3脚通过第八电阻R8接到地，输入的模拟信号如果是频率连续变化的，那么与地(低电平)相比较，可以产生一个PWM信号。双输出高速比较器U5(LT1016)是一个正负双输出高速比较器，开关周期典型值达10纳秒，可以输出一正一负两路高速信号，分别进入由第九电阻R9、第一三极管Q1、第十一电阻Rll和第十电阻R10、第二三极管Q2、第十二电阻R12两路共基极初级放大电路放大后输出驱动信号。驱动信号在这里进入高速驱动集成电路U6 (IR2011S)，高速驱动集成电路U6 (IR2011S)为高低输出的高速驱动集成电路，可以输出正负两路PWM信号。高速驱动集成电路U6 (IR2011S )输出的驱动电压，足以使输出级的大功率场效应管导通，产生足够的电流驱动电机。第三二级管D3、第十七电容C17构成自举电路，进一步增大高速驱动集成电路U6 (IR2011S)的驱动能力，第十五电阻R15、第十六电阻R16分别为第一大功率场效应管Tl、第二大功率场效应管T2的栅极电阻，第二二极管D2、第四二极管D4防止干扰脉冲通过第一大功率场效应管Tl和第二大功率场效应管T2。当PWM信号的正脉冲到来时，第一大功率场效应管Tl导通，第二大功率场效应管T2截止，电流经V+通过第一大功率场效应管Tl到第一电感LI输出到电机，当PWM信号的负脉冲到来时，第二大功率场效应管T2导通，第一大功率场效应管Tl截止，电流经V-通过第二大功率场效应管T2到第一电感LI输出到电机，这样就完成一个PWM周期内导通工作。
[0025]第十八电阻R18为负反馈电阻，用于调整整个电路的增益，同时也确保高频工作的稳定，第二十五电阻R25、第三十五电容C35为消除波形抖动而加入的。第一电感L1、第二十三电容C23组成LC低通滤波，使放大后的PWM方波变为平滑的正弦波，输出端OUT接电动机。第二十二电容C22、第十七电阻R17构成消尖峰电路，防止第一电感LI及电动机的线圈电感产生的尖峰脉冲损坏大功率场效应管。第二稳压集成电路U2、第三稳压集成电路U3、第七稳压集成电路U7、第八稳压集成电路U8四个稳压集成电路分别为相应的电路提供稳定电压。其中第三稳压集成电路U3和第八稳压集成电路U8分别给双输出高速比较器U5提供正负稳定电源，第七稳压集成电路U7给高速驱动集成电路U6提供稳定电源，第二稳压集成电路U2经第三稳压集成电路U3再次稳压后输出3.3V给光耦电路U1，第九电容C9、第二十七C27分别是光耦电路Ul两路电源的退耦电容。各组稳压电源不仅在各处的输入和输出端接有大容量电解电容滤波，同时也接有小容量的陶瓷电容进行高频退耦。末级的第一大功率场效应管Tl、第二大功率场效应管T2的供电，分别由第十九电容C19、第二十电容C20、第二十一电容C21及第二十四电容C24、第二十五电容C25、第二十六电容C26进行滤波和高频退耦，其中第十九电容C19和第二十四电容C24是专门为提高频率而增加的。在第一大功率场效应管Tl和第二大功率场效应管T2相连到第一电感L I的输出端，串接了一个霍尔电流传感器H，当特殊原因使输出电流超过设定值时，霍尔电流传感器H输出一个直流信号，经第三电阻R3、第四电阻R4、第一二极管D1、反馈光耦U4组成的光耦隔离电路产生反馈信号1-SENSOR送回DSP处理器，DSP处理器停止输出，以避免电流过大而造成元件损坏。反馈光耦U4输入端接第一二极管Dl防止输入信号过大，第十九电阻R19为信号限流电阻，第三十一电容C31对电流取样信号滤波后进入反馈光耦U4，本实施例中所述反馈光耦采用的型号为HCPL-7840芯片，HCPL-7840芯片属于低温漂线性光耦，偏置电压仅为
0.3mV，正好适用于直流电流的采样。反馈光耦U4也由两路隔离电源供电，第三十二电容C32、第三十三电容C33分别是两组电源的退耦电容。反馈光耦U4输出的信号经第二十电阻R20、第二十一电阻R21到反馈信号放大电路U9A进行放大，后再送到DSP处理器。反馈信号放大电路U9A型号为TLV2372，属于“轨到轨”运放，即运放输出范围可达电源电压，对于低电压工作的运放来说尤其重要。第二十二电阻R22是运放的负反馈电阻，它与第三十电容C30构成RC带通，防止非有用信号通过，第二十三电阻R23是运放输出电阻，第二十八电容C28再次对取样的信号进行滤波，得到纯净的电流取样信号给DSP处理器。第七二极管DAl是双二极管，内部接有两个一正一反的二极管，分别是第七A 二极管DA1A、第七B 二极管DA1B，限制信号电压不会超过电源电压。
[0026]同理，B相放大通道和C相放大通道的结构也是如此。这样，当DSP处理器送出的三个每相120度的PWM信号，一个周期内输出端就能使电机完成一转的动作，并且任意一相出现电流过大时都可以可靠地保护。
[0027]本发明中，电源V+、V-电压范围为+50V~+200V，-50~_200V，DSP处理器可选用型号:德州仪器的TMS320F2810或者TMS320F2811。
【权利要求】
1.一种输出正弦波频率高达20000Hz的三相电机变频调速系统，其特征在于，包括: DSP处理器，用于输出相位相差120度的三组三相驱动PWM信号； 三相放大通道，其结构完全相同，并行排布，分别接收由DSP处理器发出的相对应的所述三相驱动PWM信号，并将三相驱动PWM信号的频率提高到大于等于20000Hz，用于控制驱动电路来驱动电机。
2.根据权利要求1所述的输出正弦波频率高达20000Hz的三相电机变频调速系统，其特征在于，每相所述放大通道包括: P丽光耦电路，用于接收从DSP处理器输入的PWM信号，并光耦到滤波电路； 滤波电路，接收从PWM光耦电路过来的PWM信号，并进行滤波； 双输出高速比较器，接收从滤波电路过来的PWM信号，并将所述PWM信号的频率提高到大于等于20000Hz ； 放大电路，将频率大于等于20000Hz的PWM信号进行放大，并输送给驱动电路； 驱动电路，接收放大电路过来的PWM信号，并驱动电机旋转。
3.根据权利要求1或2所述的输出正弦波频率高达20000Hz的三相电机变频调速系统，其特征在于:在所述滤波电路和双输出比较器之间还设有选择开关，所述选择开关用于在模拟信号输入和数字信号输入之间选择。
4.根据权利要求1或2所述的输出正弦波频率高达20000Hz的三相电机变频调速系统，其特征在于:在所述滤波电路和双输出比较器之间还设有由RC电路构成的削峰电路。
5.根据权利要求1或2所述的输出正弦波频率高达20000Hz的三相电机变频调速系统，其特征在于:还包括反馈电路，所述反馈电路包括有与驱动电路的输出端相连接的霍尔电流传感器、反馈光耦电路和反馈信号放大电路，霍尔电流传感器将所采集到的输出端电流输送给反馈光耦电路，所述反馈光耦电路再将电流输送给反馈信号放大电路，经放大后反馈给DSP处理器，控制DSP处理器的工作状态。
【文档编号】H02P11/06GK103475308SQ201310395382
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月3日 优先权日:2013年9月3日
【发明者】李青海, 朱克敏, 余得贵, 黄河治 申请人:山东润峰电子科技有限公司