基于单片机和大容量存储器组合的特定消谐式电动车用变压变频系统
张文义 佟为明 杨乐民 徐会明
摘 要：特定消谐技术应用于以单片机83C552和大容量存储器27PC040为核心的电动车用变压变频调速系统。通过对控制信号的调整，系统可实现变压、变频、稳压、稳频的闭环控制。由特定消谐技术得到的开关角所确定的控制规律可以用较低的开关频率消除较多的低次谐波，使变压变频调速系统输出高质量的正弦波。该系统有效地实现了变压变频调速并且改善了电动车的运行性能。
关键词：电动车；特定消谐；变压变频
电动车作为新型交通工具，具有节能和环保的优点［1］。电动车由蓄电池、充电系统、调速系统、车体等部分组成，其中调速系统是电动车的重要组成部分［2］。由于交流调速比直流调速有诸多优点，调速系统的发展趋势是交流调速系统所占的比例越来越大［3］。
现有的交流调速系统种类繁多，其中变压变频调速系统是效率最高、性能最好的调速系统［3］。变压变频调速系统进行调速时，需要同时调节定子电源的电压和频率，以保证电动机中每极磁通量为额定值。
变压变频调速系统的输出谐波会使异步电动机的损耗增大，效率降低，功率因数降低，并会产生电 磁噪声等。而最大的影响则是谐波导致转矩的脉动，最终造成转速的脉动［3］。特定消谐技术是一种有效的消除谐波的方法，它能通过计算出来的开关角消除指定次谐波，以较低的开关频率消除较多的低次谐波［4］。随着计数器、光电耦合器等电子器件的速度不断提高，存储器容量的不断增大，将对应不同输出基波电压的大量开关角组存储并快速寻址、传输成为可能。因此，将特定消谐技术应用于变压变频调速系统中可以得到特定消谐式变压变频调速系统。
电动车用特定消谐式变压变频调速系统由蓄电池供电，将直流电通过逆变电路变为频率可调的三相交流电，驱动三相交流电动机，使电动车可以匀速和变速行驶，并且具有多种控制功能。
1 系统简介
1．1 特定消谐技术的基本原理
上世纪70年代美国密苏里大学的H．S．Patel和R．G．Hoft提出的特定消谐技术［4］具有消除谐波次数多、残余的谐波分量幅值小、电压利用率高等优点。
在特定消谐技术中，首先是根据人为设计的逆变器输出波形的特点及拟消除谐波的次数和个数来建立输出波形的数学模型，然后由数学模型求解开关角以得到所希望的输出波形，从而达到逆变器的输出波形中不含拟消除次数及个数谐波的目的。
1．2 系统总体设计方案
电动车用特定消谐式变压变频调速系统的原理框图如图1所示。系统能够实现变压、变频、稳压、稳频、锁存、保护等功能，可以输出高质量的正弦波。
系统主电路（逆变电路）如图2所示，其开关管的型号为PM25RSB120（IPM）。主电路将蓄电池提供的直流电变换为电压和频率可调的三相交流电。
单片机83C552是一个专为实时闭环控制场合而设计的高性能微控制器，它有8路输入的模数转换器和两路脉宽调制输出。本系统中它对输入端的电压、频率控制信号与电压、频率反馈信号进行比较，如有误差则对输出端的电压、频率控制信号进行调整，达到相对于控制信号的稳压、稳频。
单片机处理后的电压控制信号通过锁存电路送给存储器的高位地址，单片机处理后的频率控制信号从PWM端输出并滤波后经压频变换电路和循环计数电路送给存储器的低位地址。按特定消谐原理计算好的开关角量化数值存在存储器中，以便在变压变频过程中被实时地选取。存储器高位地址的状态决定了逆变器的输出电压，循环计数器的计数频率决定了逆变器的输出频率。存储器数据端的信号经驱动隔离电路送入逆变电路中各开关管的控制端，从而使系统输出电压和频率可变的电信号，控制电动车的调速运行。为了保持电动车中电动机的转矩恒定，在电动机的基频（50 Hz）以下应使输出电压和输出频率同步调节。
2 系统硬件设计
2．1 压频变换电路
压频变换电路如图3所示，其核心器件是压频变换器VFC32，它的输出频率与输入电压之间为线性关系且最高输出频率可达500 kHz。存储器中某一输出电压的一个周期开关角量化数值存储空间对应地址线的低12位，容量为4 kB。逆变器输出频率为50 Hz时，VFC32的输出频率应为200 kHz。
VFC32的主要外接器件有积分电容C1和输入端电阻RIN。其参数按下述公式计算：
式中：fmax是满量程输入VINmax时对应的输出频率。输入电阻RIN由固定电阻R1和电位器P1组成，以便调节压频关系。本系统中fmax＝200 kHz，VINmax＝5V。
2．2 循环加法计数器
频率控制信号经压频变换器转换为频率信号后作为循环加法计数器4040的计数脉冲送入其时钟输入端。压频变换器的输入为连续可调的控制电压且压频变换器输出的计数脉冲频率和输入电压之间为线性关系，所以计数脉冲的频率也是连续可调的。循环加法计数器的输出对存储器的低位地址A0～A11进行寻址，使存储器数据端输出对应某一电压的频率可调的控制信号。循环加法计数器每计满一次，变频器即完成一个周期电压的输出。因此，通过改变循环加法计数器的计数脉冲频率可以实现在线实时变频，从而实现对
张文义 佟为明 杨乐民 徐会明
（哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001）
摘 要：特定消谐技术应用于以单片机83C552和大容量存储器27PC040为核心的电动车用变压变频调速系统。通过对控制信号的调整，系统可实现变压、变频、稳压、稳频的闭环控制。由特定消谐技术得到的开关角所确定的控制规律可以用较低的开关频率消除较多的低次谐波，使变压变频调速系统输出高质量的正弦波。该系统有效地实现了变压变频调速并且改善了电动车的运行性能。
关键词：电动车；特定消谐；变压变频
电动车作为新型交通工具，具有节能和环保的优点［1］。电动车由蓄电池、充电系统、调速系统、车体等部分组成，其中调速系统是电动车的重要组成部分［2］。由于交流调速比直流调速有诸多优点，调速系统的发展趋势是交流调速系统所占的比例越来越大［3］。
现有的交流调速系统种类繁多，其中变压变频调速系统是效率最高、性能最好的调速系统［3］。变压变频调速系统进行调速时，需要同时调节定子电源的电压和频率，以保证电动机中每极磁通量为额定值。
变压变频调速系统的输出谐波会使异步电动机的损耗增大，效率降低，功率因数降低，并会产生电 磁噪声等。而最大的影响则是谐波导致转矩的脉动，最终造成转速的脉动［3］。特定消谐技术是一种有效的消除谐波的方法，它能通过计算出来的开关角消除指定次谐波，以较低的开关频率消除较多的低次谐波［4］。随着计数器、光电耦合器等电子器件的速度不断提高，存储器容量的不断增大，将对应不同输出基波电压的大量开关角组存储并快速寻址、传输成为可能。因此，将特定消谐技术应用于变压变频调速系统中可以得到特定消谐式变压变频调速系统。
电动车用特定消谐式变压变频调速系统由蓄电池供电，将直流电通过逆变电路变为频率可调的三相交流电，驱动三相交流电动机，使电动车可以匀速和变速行驶，并且具有多种控制功能。
1 系统简介
1．1 特定消谐技术的基本原理
上世纪70年代美国密苏里大学的H．S．Patel和R．G．Hoft提出的特定消谐技术［4］具有消除谐波次数多、残余的谐波分量幅值小、电压利用率高等优点。
在特定消谐技术中，首先是根据人为设计的逆变器输出波形的特点及拟消除谐波的次数和个数来建立输出波形的数学模型，然后由数学模型求解开关角以得到所希望的输出波形，从而达到逆变器的输出波形中不含拟消除次数及个数谐波的目的。
1．2 系统总体设计方案
电动车用特定消谐式变压变频调速系统的原理框图如图1所示。系统能够实现变压、变频、稳压、稳频、锁存、保护等功能，可以输出高质量的正弦波。
系统主电路（逆变电路）如图2所示，其开关管的型号为PM25RSB120（IPM）。主电路将蓄电池提供的直流电变换为电压和频率可调的三相交流电。
单片机83C552是一个专为实时闭环控制场合而设计的高性能微控制器，它有8路输入的模数转换器和两路脉宽调制输出。本系统中它对输入端的电压、频率控制信号与电压、频率反馈信号进行比较，如有误差则对输出端的电压、频率控制信号进行调整，达到相对于控制信号的稳压、稳频。
单片机处理后的电压控制信号通过锁存电路送给存储器的高位地址，单片机处理后的频率控制信号从PWM端输出并滤波后经压频变换电路和循环计数电路送给存储器的低位地址。按特定消谐原理计算好的开关角量化数值存在存储器中，以便在变压变频过程中被实时地选取。存储器高位地址的状态决定了逆变器的输出电压，循环计数器的计数频率决定了逆变器的输出频率。存储器数据端的信号经驱动隔离电路送入逆变电路中各开关管的控制端，从而使系统输出电压和频率可变的电信号，控制电动车的调速运行。为了保持电动车中电动机的转矩恒定，在电动机的基频（50 Hz）以下应使输出电压和输出频率同步调节。
2 系统硬件设计
2．1 压频变换电路
压频变换电路如图3所示，其核心器件是压频变换器VFC32，它的输出频率与输入电压之间为线性关系且最高输出频率可达500 kHz。存储器中某一输出电压的一个周期开关角量化数值存储空间对应地址线的低12位，容量为4 kB。逆变器输出频率为50 Hz时，VFC32的输出频率应为200 kHz。
VFC32的主要外接器件有积分电容C1和输入端电阻RIN。其参数按下述公式计算：
式中：fmax是满量程输入VINmax时对应的输出频率。输入电阻RIN由固定电阻R1和电位器P1组成，以便调节压频关系。本系统中fmax＝200 kHz，VINmax＝5V。
2．2 循环加法计数器
频率控制信号经压频变换器转换为频率信号后作为循环加法计数器4040的计数脉冲送入其时钟输入端。压频变换器的输入为连续可调的控制电压且压频变换器输出的计数脉冲频率和输入电压之间为线性关系，所以计数脉冲的频率也是连续可调的。循环加法计数器的输出对存储器的低位地址A0～A11进行寻址，使存储器数据端输出对应某一电压的频率可调的控制信号。循环加法计数器每计满一次，变频器即完成一个周期电压的输出。因此，通过改变循环加法计数器的计数脉冲频率可以实现在线实时变频，从而实现对
电动车的无级调速。
2．3 锁存器
变压过程中，如果数字量输出直接送入存储器的高位地址，当电压控制信号变化过快时会使存储器中对应不同输出电压的开关角量化数值频繁切换，从而使输出电压出现许多尖峰，导致逆变器工作失常。在存储器之前加入锁存器可以避免这种情况的发生，因为锁存器以计数器输出的最高位为时钟源，只在一个计数周期（对应逆变器一个输出周期）结束时才触发锁存器传送信号，使逆变器的输出波形能够平稳地变化。
所用的锁存器为74LS373，其输出对EPROM的高位地址A12～A18进行寻址，因此调压误差为0．78％。这种方案的特点是速度快，实时性好；虽然是有级调压，但当高位地址的位数较多时，可以得到足够的精度。
2．4 存储器
所选用的存储器为27PC040EPROM，其中存储的内容是根据特定消谐原理计算的对应不同输出电压的多组开关角量化数值。它共有19根地址线，A0～A11为低位地址，所对应的单元存储对应某一电压一个周期的开关角量化数值，每个字节的前6位分别对应逆变器中的6个开关管；A12～A18为高位地址，它构成的128个地址块内分别存储对应不同输出电压一个周期的开关角量化数值。当高位地址变化时，存储器的数据端输出对应调速系统不同输出电压的开关管控制信号。如果需要更精确地调压，可选择更大容量的EPROM。
2．5 驱动隔离电路
对控制信号需要进行功率放大并减少强电信号对弱电信号的干扰，以便能够有效地控制 逆变电路中的开关管通断。驱动隔离电路采用光耦6N136并由DC－DC变换器提供的四个独立电源为输出电路供电，可以有效地提高抗干扰能力。逆变器的三个共阳极开关管没有公共接地端，须选用三个电源分别为6N136的输出电路供电；而三个共阴极开关管有公共接地端，只用一个电源供电即可满足要求。IPM的保护信号通过光耦TLP5211反馈回来作为变压变频控制系统的制动信号，当IPM过热时，保护信号为低电平，封锁IPM的控制信号，使变频器的输出下降，从而达到保护的目的。图4示出一路控制信号和保护信号所对应的驱动隔离电路，其余五路的原理与图4相似。
3 系统软件设计
系统主程序的作用是初始化和在主循环中实现在线变压、变频、稳压、稳频，其流程图如图5所示。
软件设计的目标是使变压变频调速系统输出电压和频率始终跟随输入控制电压和输入控制频率的变化，在实现变压、变频的同时，实现相对于输入控制信号的稳压、稳频。
输入控制电压信号、反馈控制电压信号、输入控制频率信号、反馈控制频率信号经83C552的A／D转换器变为数字量。如果输入控制电压与反馈控制电压的误差大于允许值，需要通过83C552进行调整：当反馈控制电压小于输入控制电压时，应增大83C552的输出控制电压；当反馈控制电压大于输入控制电压时，应减小83C552的输出控制电压。如果输入控制频率与反馈控制频率的误差大于允许值，其调整过程与电压调整过程相似。
4 结束语
本系统已用于电动三轮车，其蓄电池提供的直流电压为36 V，电动机的额定功率为8 kW。实际运行表明，该系统能够有效地实现变压变频调速，运行性能良好，具有输出电压谐波含量少、电动机转矩脉动小、电动车可平稳地进行匀速和变速运行等优点。
参考文献
［1］ 魏铭炎．促进．推动和影响电动车发展的因素［J］．电机电器技术，2000，（4）：8－10．
［2］ 易将能，韩力．电动车驱动电机及其控制技术综述［J］．微特电机，2001，（4）：36－38．
［3］ 陈伯时，陈敏逊．交流调速系统［M］．北京：机械工业出版社，1998．
［4］ Patel HS，et al．Generalized Techniques of Harmonic Elimi－nation and Voltage Control in Thyristor Inverters：Part I———Harmonic Elimination［J］．IEEE．Trans On IA，1973，9（3）：310－317．
