一种矢量控制调速系统的设计与实现-新品速递

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山东工业大学刘玉庆张承慧

1引言变频调速技术是提高传动系统控制性能、实现节能的重要途径［1，2］。目前国内数控机床主轴伺服系统主要采用直流伺服系统，而部分采用交流调速的主轴伺服系统则全部依赖进口，价格昂贵，其它异步机交流传动系统绝大多数也采用进口变频器，这不但使国家损失大量外汇，而且严重制约了我国电力电子领域高新技术产业的形成和发展。国内对变频调速技术的研究较多，但形成产品并推广应用的较少。一般的变频器大多采用V/F控制，存在着控制精度低、动态性能差、故障率高、控制功能少等缺点，尤其不适用于诸如数控机床主轴伺服等要求高精度、快响应的传动机械。本文设计了一类由IGBT、MCS96系列CPU芯片支持的全数字转差式矢量控制系统。该系统具有精度高，调速范围宽，动态响应快，节能效果显著，可靠性高，谐波电流小，对电网污染小，安全可靠，保护功能齐全等显著优点，不仅使用于数控机床主轴伺服传动，而且还可广泛用于普通机床、风机、水泵及其它传动机械的速度控制。

2控制策略矢量变换控制是在电机统一理论、机电能量转换和坐标变换理论的基础上发展起来的，具有先进性、新颖性和实用性的特点。矢量控制是把交流电机模拟成直流电机来控制，通过坐标变换的方法把交流电机定子电流矢量分解成按转子磁场定向的两个直流分量，并对这两个分量进行控制。矢量控制所依据的异步机数学模型是按转子磁场定向的异步电动机电压方程［3］：

依此可推导出如下矢量控制基本方程为

M、T坐标以同步角速度ωs旋转，M轴与转子磁通Ψr重合，θM为转子磁通定向角，随时间变化，即

定子三相电流iA、iB和iC经过坐标变换，得到同步旋转M、T坐标的两个电流分量iM和iT,它们之间的变换关系为

根据上述原理，得到矢量控制系统的框图如图1所示。

图中逆变器采用电流跟踪型PWM逆变器，励磁给定φ*r由ωr/φr函数发生器获得，转矩给定T*m由速度调节器ST给出。矢量控制器根据φ*r和T*m算出励磁电流给定i*T和转差角频率给定ω*f。ω*f与电动机转速ωr相加得到定子角速度ωs，再经积分，即得转子磁通的相位信号θM。三相电流iA、iB和iC经矢量转换器得到磁场定向电流分量iM和iT。iM和iT分别与i*M，i*T比较，其偏差ΔiM、ΔiT通过三级磁滞控制器输出dM、dT。dM、dT和θM形成一个数据字，该数据字通过开关控制表选择相应的电压矢量，同时产生一组开关脉冲SA，SB，SC，这样就能及时而准确地控制逆变器，以获得优良的调速性能。3系统硬件设计该变频器采用交直交电压型结构和SPWM磁通矢量控制方式，主回路主要由整流电路、滤波器及逆变电路等组成。其逆变电路则由IGBT模块组成，控制部分以80C196双CPU为，构成功能齐全的全数字化转差矢量控制系统。系统采用通用性模块化结构，全部硬件如下：

系统硬件框图如下：

CPU1#主要完成转速环的工作，完成转速检测、转速给定的A/D采样、键盘输入、参数修改、状态显示、保护功能及故障自诊断等功能。CPU1#重要的任务是完成转速调节器和转差调节器的数字实现，向CPU2#提供指令信号i*M、i*T、ω*f。CPU2#主要完成电流环的工作，通过12位A/D获取三相电流和电压信号值，而后从共享RAM中得到CPU1#提供的指令值及其它重要的系统参数。根据矢量变换原理进行矢量变换运算，组成转矩角生成器、转子磁通位置合成器、MT/ABC旋转变换器、电压矢量优化器、零矢量作用时间决定器及电流滞环比较器等环节，完成矢量控制的主要工作。输出的控制电压矢量进入8255组成的互锁驱动信号电路，通过光电耦合器进入IGBT基极驱动电路。

4系统软件设计在本双机系统中，CPU1#主要完成转速外环的调节工作，同时给CPU2#提供PWM资源，CPU2#则主要完成电流内环的调节工作，两者共享8155内部RAM的资源。系统实时性要求较强，鉴于此，系统软件用汇编语言中的原码无符号数进行运算，以模块化方式如下编制：

由于本系统是通过控制定子电流的瞬时位置和幅值大小来控制电机的转矩和转速的，所以电流跟随特性是实现该方案的关键。通过采用先进的CPU2#芯片，改进程序设计，极大地提高了系统的运算速度。这里采用的是三电流滞环比较方案，即利用CPU2#得到三相电流给定值，由三路霍尔元件直接测量三相实际电流的大小，两者作为电流滞环比较器的输入进行比较，得到各相输出电压矢量控制信号。另外，它还可以预防由于A/D环节采样来的实际电流值的不确定性而造成的系统运算误差甚至错误。每路输出信号控制一相桥臂晶体管的开通与关断，使每相的电流偏差变化能够控制在滞环宽度以内。滞环宽度越小，开关频率也将越高，相电流也越接近正弦波。但是频率的大小还受限于开关元件的开关频率极限能力。为了尽量降低元件的开关频率，本方案优化了输出的电压矢量，灵活地插入了零电压矢量，实际运行中可看出，它有效地降低了电机运行中的高次谐波分量，电流波形得到明显的改善，提高了本系统的稳定度，明显降低了主回路的热损耗。5保护电路设计众所周知，检测、保护电路是变频器的生命线，设计周密、功能完善的检测及保护回路历来是至关重要的。控制板从主回路检测的信号共有6种，这些信号用来完成矢量控制算法和各种保护功能。5.1电流检测及过流保护电路电流检测信号来自逆变器U、V两相输出端的霍尔元件，霍尔元件通过插座CN2获得15V电源。U、V两相电流检测信号经首级运放A6和A5放大20倍后送入两级运放A8和A7(如图3所示)。调整两级运放的放大倍数即可确定过流保护动作值。U、V两相电流通过反相加法器A9叠加获得W相电流信号。U、V、W各相电流分别同时送入两个比较器的正、反相输入端。比较器正、反相输入端的参考电压分别为+10V和-10V。当三相电流正常时其对应的电压在±10V之间，六个比较器相与后输入为1，此信号经三极管反相后送入由多谐振荡器D4528组成的单稳态触发器，-Q输出为0，比较器A17、A18输出信号也应为0，保护电路不动作。一旦过流，比较器相与输出信号为0，D4528的输入信号(12脚)为1，其输出经单稳延时后才变为1，通过三极管N2放大后去关闭GTR的驱动信号并通知CPU发出过电流报警信号。单稳态触发器的作用是避免一些干扰信号或瞬间尖峰电流造成的保护电路误动作。

5.2过压和欠压保护电路直流电压检测从中间直流回路两端采集信号(如图4所示)。直流高电压(约600V)经R61、R62分压后，分别送至四个比较器A1～A4的正相输入端与四个参考电压A、B、C、D比较，以完成过压和欠压保护并通知CPU发出相应的报警信号。

比较器参考电压取自电阻R51～R57组成的分压器，10V标准电压经电阻分压后取出四个不同的参考电压分别送至四个比较器的反相输入端，比较器输出信号经光耦隔离、阻容滤波之后再经施密特反相器把信号送至CPU进行处理。其余三个比较器的周围电阻参数均相同。正常状态下，电压取样值(3V左右)处于B点和C点的电位之间，比较器A1、A2输出1，A3、A4输出0。B、C间的电压范围较大，当电源电压在300～460V间变化时，变频器正常工作。A、B和C、D间的电压范围均较小，一旦电压处于此范围外，变频器便发出过压或欠压预报警信号，按预定的控制顺序关机。5.3过热检测电路厢体内四块散热器上各安装一只热敏元件PTH5～PTH8，四只热敏元件串联后接光耦元件P4，其原理图见图5。正常状态下，热敏元件为常闭触点，光耦导通输出信号为0；当散热片过热时热敏元件断开，光耦截止输出信号为1，该信号经RC滤波后去关闭GTR的驱动信号并通知CPU发出过热报警信号。

5.4接地故障检测电路接地故障检测是通过套在主回路上的线圈来检测三相电流平衡程度来实现的，其原理图见图6。正常时光耦截止输出为1。当某相对地漏电时，三相电流不平衡，检测线圈感生电势使光耦P512导通，发出故障信号。5.5熔断器熔断检测电路熔断器检测是从F两端取电压信号，其原理图见图6。快熔正常时，两端电压极小，保护电路不动作。当快熔因过流烧断时，两端电压变高，光耦导通发出故障信号，经两个施密特反相器驱动后送至CPU。

5.6转速采样本系统要求转速采样信号准确，一般的测速器件难以满足要求，为此我们采用1024高分辨率的旋转编码器。利用A、B两相信号，通过光耦隔离输入数字测速单元。

6实验结果及结论这里给出了容量为22kVA的变频器的主要技术指标：输出电流为31A，基速为1500r/min，调速范围为50～4800r/min，速度控制精度小于转速的0.2%(10%～100%负载)。图7给出了三电流滞环控制及优化电压矢量控制变频器在10Hz时的输出电压和输出电流波形，从实际波形中可看出，电流