矢量變頻器

　　簡(jiǎn)介

　　矢量變頻器技術(shù)是基于DQ軸理論而產(chǎn)生的,它的基本思路是把電機(jī)的電流分解為D軸電流和Q軸電流，其中D軸電流是勵(lì)磁電流，Q軸電流是力矩電流,這樣就可以把交流電機(jī)的勵(lì)磁電流和力矩電流分開(kāi)控制，使得交流電機(jī)具有和直流電機(jī)相似的控制特性，是為交流電機(jī)設(shè)計(jì)的一種理想的控制理論，大大提高了交流電機(jī)的控制特性。不過(guò)目前這種控制理論已經(jīng)不僅僅應(yīng)用在交流異步電動(dòng)機(jī)上了，直流變頻電動(dòng)機(jī)（BLDC,也就是永磁同步電動(dòng)機(jī)）也大量使用該控制理論。

　　矢量與向量是數(shù)學(xué)上矢量（向量）分析的一種方法或概念，兩者是同一概念，只是叫法不同，簡(jiǎn)單的定義是指既具有大小又具有方向的量。

　　矢量是我們（大陸）的說(shuō)法，向量的說(shuō)法一般是港臺(tái)地區(qū)的文獻(xiàn)使用的。意義和“布什”和“布希”的意思大致一樣。矢量控制主要是一種電機(jī)模型解耦的概念。

　　在電氣領(lǐng)域主要用于分析交流電量，如電機(jī)分析等，在變頻器中的應(yīng)用即基于電機(jī)分析的理論進(jìn)行變頻控制的，稱(chēng)為矢量控制型變頻器，實(shí)現(xiàn)的方法不是唯一的，但數(shù)學(xué)模型基本一致。

　　引言

　　交流電機(jī)矢量控制理論是德國(guó)學(xué)者K Hass和FBlaschke建立起來(lái)的，作為交流異步電機(jī)控制的一種方式，矢量控制技術(shù)已成為高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)的首選方案。

　　交流電機(jī)的矢量控制技術(shù)是基于交流電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型，通過(guò)建立交流電機(jī)的空間矢量圖，采用磁場(chǎng)定向的方法將定子電流分解為與磁場(chǎng)方向一致的勵(lì)磁分量和與磁場(chǎng)方向正交的轉(zhuǎn)矩分量，并分別對(duì)磁通和力矩進(jìn)行控制，而使異步電機(jī)可以像他勵(lì)直流電機(jī)一樣控制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，功能強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的廣泛應(yīng)用使得矢量控制逐漸走向了實(shí)用化。

　　DSP按數(shù)據(jù)格式可分為定點(diǎn)DSP和浮點(diǎn)DSP兩類(lèi)?？紤]到價(jià)格原因，早期的矢量控制器多采用定點(diǎn)DSP，而浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算要經(jīng)過(guò)軟件處理，因此增加了軟件的復(fù)雜性。隨著浮點(diǎn)DSP性?xún)r(jià)比的提高，更多的矢量控制器將采用浮點(diǎn)DSP。而要完成電機(jī)的高性能控制，PWM調(diào)制必須進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在這種情況下，一個(gè)DSP很難完成矢量控制器和優(yōu)化的PWM調(diào)制兩項(xiàng)工作，需要雙機(jī)協(xié)同工作才能完成高性能的矢量控制系統(tǒng)。本文基于TI公司的浮點(diǎn)DSP芯片TMS320VC33和TMS320F240設(shè)計(jì)了雙微機(jī)結(jié)構(gòu)的矢量控制系統(tǒng)。TMS320VC33主要完成矢量控制計(jì)算，發(fā)揮它浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算快的特點(diǎn)，而TMS320F240用硬件實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制功能。本文給出一全數(shù)字化的雙DSP矢量控制系統(tǒng)，并在1．5kW籠型異步電機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，取得了良好效果。

　　原理

　　矢量控制技術(shù)通過(guò)坐標(biāo)變換，將三相系統(tǒng)等效變換為M－T兩相系統(tǒng)，將交流電機(jī)定子電流矢量分解成兩個(gè)直流分量（即磁通分量和轉(zhuǎn)矩分量），從而達(dá)到分別控制交流電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩的目的，因而可獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣好的控制效果。

　　矢量控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，圖1是其矢量控制系統(tǒng)框圖。

　　本系統(tǒng)中由測(cè)量所得的電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)矢量運(yùn)算器產(chǎn)生磁場(chǎng)定向定子電流分量給定值和滑差角頻度給定值和測(cè)量所得的電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算可得轉(zhuǎn)子磁通位置角θ，并送至旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)。由測(cè)得的電流經(jīng)矢量變換得到轉(zhuǎn)矩電流分量iM和勵(lì)磁電流分量iT，利用

　　系統(tǒng)

　　系統(tǒng)組成

　　基于雙DSP矢量控制的三相籠型異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的變頻器采用交直交電壓型結(jié)構(gòu)和SVPWM脈寬調(diào)制方式。系統(tǒng)由三相整流器、濾波電容、電壓型逆變器、逆變器驅(qū)動(dòng)電路、三相籠型異步電機(jī)和雙DSP控制系統(tǒng)構(gòu)成。

　　其中雙DSP控制系統(tǒng)由VC33子系統(tǒng)，F(xiàn)240子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)交換單元三部分構(gòu)成。矢量控制以VC33芯片為核心，用來(lái)完成矢量控制核心算法，及兩相電流檢測(cè)。F240主要完成三相PWM波形生成，電機(jī)測(cè)速及過(guò)壓保護(hù)功能。數(shù)據(jù)交換部分采用雙端口RAM，可使兩個(gè)DSP芯片迅速、方便地交換數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了雙DSP系統(tǒng)的并行處理能力。

　　系統(tǒng)軟件

　　系統(tǒng)軟件由兩部分組成，VC33子系統(tǒng)矢量控制軟件和F240子系統(tǒng)的SVPWM控制軟件。

　　矢量控制包含大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，整個(gè)算法由多個(gè)模塊構(gòu)成，如坐標(biāo)變換、磁通計(jì)算、速度調(diào)節(jié)及轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)模塊等。本系統(tǒng)中電流內(nèi)環(huán)的控制時(shí)間為50μs，速度外環(huán)為400μs，如圖3所示為VC33子系統(tǒng)的控制軟件流程圖。

　　F240子系統(tǒng)控制軟件主要完成SVPWM波形生成和電機(jī)測(cè)速程序，為達(dá)到良好的控制效果，本系統(tǒng)采用電壓空間矢量，也就是利用六個(gè)非零電壓矢量和兩個(gè)零矢量的組合起來(lái)，使電壓矢量盡量逼近圓周運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)速測(cè)量用該芯片的脈沖捕獲單元。如圖4所示為F240的程序流程圖。

　　實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　本文針對(duì)上述的控制方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。電機(jī)為2對(duì)極三相籠型異步電機(jī)，直流側(cè)電源是通過(guò)整流橋?qū)θ嘟涣麟娬?、濾波產(chǎn)生的。電機(jī)額定參數(shù)為：PN=1．5k W；UN=220V；IN=3．55A；fN=50Hz；nN=1400r/min。圖5是電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，逆變器的驅(qū)動(dòng)波形，定子電流、電壓的波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了控制方案的優(yōu)良性能。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)論

　　由上述結(jié)果可得出以下結(jié)論：

　?。?）本文所設(shè)計(jì)的雙DSP結(jié)構(gòu)矢量控制系統(tǒng)中各子系統(tǒng)分工明確，能可靠完成各自功能，且設(shè)計(jì)合理。

　?。?）實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)控制精度高、實(shí)時(shí)性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。

　　應(yīng)用

　　在不對(duì)扶梯的正常使用產(chǎn)生任何負(fù)面影響的前提下，引入矢量變頻調(diào)速的概念。即變頻器根據(jù)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)，在有人乘坐時(shí)，扶梯以原有速度運(yùn)行(50Hz)；當(dāng)無(wú)人時(shí)，扶梯減速到低速或停止運(yùn)行。

　　系統(tǒng)要求變頻器啟動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)，加速性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，同時(shí)應(yīng)具備當(dāng)變頻器調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行，保障扶梯輸送功能的正常實(shí)施。

　　對(duì)于客用自動(dòng)扶梯，一般使用高峰期出現(xiàn)在下午及晚間時(shí)段，其余時(shí)段使用率較低，具有相當(dāng)節(jié)能空間。根據(jù)以上改造原則，從投資成本及自動(dòng)化水平兩方面考慮，擬使用以下變頻拖動(dòng)方案：

　　·采用SAJ-8000G變頻器驅(qū)動(dòng)電梯主機(jī)，變頻器采用多段速控制模式，并設(shè)置主頻率(低速)、多段速頻率1(高速)兩種運(yùn)行頻率；

　　·在電梯首尾處各安裝一支紅外傳感器開(kāi)關(guān)，乘客通過(guò)電梯時(shí)，紅外傳感器開(kāi)關(guān)被觸發(fā)并發(fā)出開(kāi)關(guān)信號(hào)給變頻器；

　　·有客流時(shí)，紅外傳感開(kāi)關(guān)被觸發(fā)，變頻器立即加速到多段速頻率2，并使電梯高速運(yùn)行；

　　·電梯高速運(yùn)行時(shí)，變頻器內(nèi)置計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，若在計(jì)時(shí)的時(shí)間段內(nèi)再無(wú)乘客通過(guò)電梯，計(jì)時(shí)結(jié)束后變頻器將自動(dòng)切換到多段速頻率1，進(jìn)行低速運(yùn)行；

　　·若在計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)期間，有乘客重新觸發(fā)光電開(kāi)關(guān)，計(jì)時(shí)器將重新計(jì)時(shí)；

　　·對(duì)電梯上行和下行，外圍控制采用開(kāi)關(guān)互鎖，保證扶梯系統(tǒng)的正常工作；

　　·為消耗下行，或者制動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的多余能量，需在變頻器上加裝制動(dòng)電阻。

　　采用三晶矢量通用型變頻器驅(qū)動(dòng)電梯主機(jī)，不但能夠滿足系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過(guò)載能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)精度高的要求；而且電機(jī)通過(guò)變頻拖動(dòng)，可減少機(jī)械磨損，延長(zhǎng)使用壽命，工作更加安全可靠，因?yàn)檎{(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速空間大，使得系統(tǒng)節(jié)能效果更為顯著。

　　SAJ S350高性能矢量變頻器

　　S350系列是新一代高性能矢量變頻器，有如下特點(diǎn)：

　　■采用最新高速電機(jī)控制專(zhuān)用芯片DSP，確保矢量控制快速響應(yīng)

　　■硬件電路模塊化設(shè)計(jì)，確保電路穩(wěn)定高效運(yùn)行

　　■外觀設(shè)計(jì)結(jié)合歐洲汽車(chē)設(shè)計(jì)理念，線條流暢，外形美觀

　　■結(jié)構(gòu)采用獨(dú)立風(fēng)道設(shè)計(jì)，風(fēng)扇可自由拆卸，散熱性好

　　■無(wú)PG矢量控制、有PG矢量控制、轉(zhuǎn)矩控制、V/F控制均可選擇

　　■強(qiáng)大的輸入輸出多功能可編程端子，調(diào)速脈沖輸入，兩路模擬量輸出

　　■獨(dú)特的“挖土機(jī)”自適應(yīng)控制特性，對(duì)運(yùn)行期間電機(jī)轉(zhuǎn)矩上限自動(dòng)限制，有效抑制過(guò)流頻繁跳閘

　　■寬電壓輸入，輸出電壓自動(dòng)穩(wěn)壓（AVR），瞬間掉電不停機(jī)，適應(yīng)能力更強(qiáng)

　　■內(nèi)置先進(jìn)的 PID 算法 ，響應(yīng)快、適應(yīng)性強(qiáng)、調(diào)試簡(jiǎn)單 ； 16 段速控制，簡(jiǎn)易PLC 實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定速、定向等多功能邏輯控制，多種靈活的控制方式以滿足各種不同復(fù)雜工況要求

　　■內(nèi)置國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的 MODBUS RTU ASCII 通訊協(xié)議，用戶可通過(guò)PC/PLC控制上位機(jī)等實(shí)現(xiàn)變頻器485通訊組網(wǎng)集中控制