矢量變頻器

　　簡介

　　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。不過目前這種控制理論已經(jīng)不僅僅應(yīng)用在交流異步電動機(jī)上了，直流變頻電動機(jī)（BLDC,也就是永磁同步電動機(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）的說法，向量的說法一般是港臺地區(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學(xué)者K Hass和FBlaschke建立起來的，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)的動態(tài)模型，通過建立交流電機(jī)的空間矢量圖，采用磁場定向的方法將定子電流分解為與磁場方向一致的勵(lì)磁分量和與磁場方向正交的轉(zhuǎn)矩分量，并分別對磁通和力矩進(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?？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)過軟件處理，因此增加了軟件的復(fù)雜性。隨著浮點(diǎn)DSP性價(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)中由測量所得的電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過矢量運(yùn)算器產(chǎn)生磁場定向定子電流分量給定值和滑差角頻度給定值和測量所得的電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)過積分運(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，用來完成矢量控制核心算法，及兩相電流檢測。F240主要完成三相PWM波形生成，電機(jī)測速及過壓保護(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，使電壓矢量盡量逼近圓周運(yùn)動。轉(zhuǎn)速測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

　　本文針對上述的控制方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。電機(jī)為2對極三相籠型異步電機(jī)，直流側(cè)電源是通過整流橋?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、動態(tài)響應(yīng)快。

　　應(yīng)用

　　在不對扶梯的正常使用產(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，在有人乘坐時(shí)，扶梯以原有速度運(yùn)行(50Hz)；當(dāng)無人時(shí)，扶梯減速到低速或停止運(yùn)行。

　　系統(tǒng)要求變頻器啟動運(yùn)行平穩(wěn)，加速性能好，啟動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(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)自動切換到工頻運(yùn)行，保障扶梯輸送功能的正常實(shí)施。

　　對于客用自動扶梯，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，從投資成本及自動化水平兩方面考慮，擬使用以下變頻拖動方案：

　　·采用SAJ-8000G變頻器驅(qū)動電梯主機(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關(guān)，乘客通過電梯時(shí)，紅外傳感器開關(guān)被觸發(fā)并發(fā)出開關(guān)信號給變頻器；

　　·有客流時(shí)，紅外傳感開關(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)器開始計(jì)時(shí)，若在計(jì)時(shí)的時(shí)間段內(nèi)再無乘客通過電梯，計(jì)時(shí)結(jié)束后變頻器將自動切換到多段速頻率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)光電開關(guān)，計(jì)時(shí)器將重新計(jì)時(shí)；

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

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

　　采用三晶矢量通用型變頻器驅(qū)動電梯主機(jī)，不但能夠滿足系統(tǒng)啟動運(yùn)行平穩(wěn)、啟動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)精度高的要求；而且電機(jī)通過變頻拖動，可減少機(jī)械磨損，延長使用壽命，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，對運(yùn)行期間電機(jī)轉(zhuǎn)矩上限自動限制，有效抑制過流頻繁跳閘

　　■寬電壓輸入，輸出電壓自動穩(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)試簡單 ； 16 段速控制，簡易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)置國際標(biāo)準(zhǔn)的 MODBUS RTU ASCII 通訊協(xié)議，用戶可通過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