無速度反饋矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)

1、無速度反饋矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)劉鋒（浙江大學(xué)杭州 310027）魏 青（濟(jì)南市自來水公司） KING OF SENSOR LESS VECTOR CONTROLLED VVVF SYSTEMAbstract The paper intioducei a fully dijttii gfperil VWF sysfim with high bfrformanet In the lyflirnttht>tn>or vector control ibeory » bated nn i ihv lintjk chip rnicrocoiDputer Intel 80Cil>

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3、econirol摘要介紹了一種全數(shù)字化高性能通用變頻調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)以無速度傳感器矢量控制技術(shù)作為理論基礎(chǔ)，以單片微機(jī)80C196KC和DSP TMS320c2s作為控制核心，采用IPM智能功率模塊作為功率元件組成交一直一交電壓型逆變主回路。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有優(yōu)良的動、靜態(tài)性能。敘詞變頻器矢量控制微機(jī)控制1引言通常，矢量控制系統(tǒng)中速度傳感器（一般采用光電碼盤）是必不可少的，但由于成本、可靠性和工作環(huán)境等原因，有些情況無法安裝。無速度反饋矢量控制通用變頻器，不需任何速度檢測器件，在保持常規(guī)變 頻器靈活方便、可靠等優(yōu)點(diǎn)的前提下，無需增加過多的硬件成本，但性能接近矢量控制，能克服以往變頻 調(diào)速系

4、統(tǒng)中存在的缺點(diǎn)，為國際上高性能通用變頻器的潮流，也是當(dāng)前交流傳動研究起點(diǎn)之一。通用變頻調(diào)速器一般采用恒壓/頻比的開環(huán)控制，難以獲得良好的調(diào)速特性，如在低頻區(qū)力矩不足，負(fù)載時(shí)速度變動大，動態(tài)性能欠佳，應(yīng)用場合受到限制。我們茌給山東某單位調(diào)試-PVC生產(chǎn)線時(shí)就遇到這些問題。為解決問題，我們決定開發(fā)無速度反饋矢量控制型通用變頻器應(yīng)用于這一生產(chǎn)線的調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用的是轉(zhuǎn)子磁通定向矢量控制方向，從定子電流中推斷岀電機(jī)轉(zhuǎn)速形成同步旋轉(zhuǎn)信號和進(jìn)行轉(zhuǎn)速反饋，即由軟件構(gòu)成轉(zhuǎn)速推算器。主電路采用通用的交一直一交逆變器結(jié)構(gòu)，功率器件為智能功率模塊IPM，控制核心為lnte180C196KC單片微機(jī)和TMS320

5、C25信號處理器，雙機(jī)的并行通訊工作通過雙口 RAM實(shí)現(xiàn)。 測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有控制精度高、調(diào)速范圍寬、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。2無速度傳感器矢量控制原理交流電機(jī)的矢量控制是通過坐標(biāo)變換將定子電流分解為轉(zhuǎn)矩電流和勵磁電流分量，并分別進(jìn)行控制，再 經(jīng)過反變換控制達(dá)到像直流機(jī)一樣的控制方式和性能。實(shí)現(xiàn)矢量控制的關(guān)鍵就是求取坐標(biāo)變換所需的磁場 定向。2-1轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制原理d-q軸本系統(tǒng)采用的是轉(zhuǎn)子磁鏈定向磁鏈開環(huán)矢量控制方案2。在磁場定向矢量控制中，當(dāng)參考坐標(biāo)系放在同步旋轉(zhuǎn)磁場中時(shí)，三相交流異步電動 機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型可由以下方程表示:(1)將參考坐標(biāo)系的矗軸放在轉(zhuǎn)子磁鏈方向上，采取轉(zhuǎn)子磁鏈定

6、向，并采用轉(zhuǎn)子磁鏈開環(huán)控制，即當(dāng)轉(zhuǎn)子磁 鏈為常數(shù).為O時(shí)方程（1）可簡化為:卩出=< 民L十尸幾一訶/J +尸）加+輸打4 巫y Mi皿式中 磯隔定、轉(zhuǎn)子電陰M定、轉(zhuǎn)尸互感 如同步旋轉(zhuǎn)和頻率«電動機(jī)板對數(shù)一也軸定子電壓 日沖軸轉(zhuǎn)子毬璉 定、轉(zhuǎn)予口感L-溺也感=弘一M7Lt由此得到無速度反饋矢量控制原理圖（圖1A部分）Ei：兀速岌反誡靈at攔制徒雀框圈2.2轉(zhuǎn)速推算器圖1的B部分就是轉(zhuǎn)速推算器的推算過程簡圖。首先用霍爾電流傳感器和高速高精度AID芯片檢測定子電流，再經(jīng)三相/兩相坐標(biāo)變換將其轉(zhuǎn)換成電機(jī)的d-q軸電流，經(jīng)補(bǔ)償電路進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算以減輕d軸電流變化對電流解耦造成的影響）作用

7、后，求岀值，經(jīng)轉(zhuǎn)速推算器便可求岀電機(jī)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速推算器的具體工 作原理如下：由式中的異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式知:又由矢量控制下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速（T-N）特性曲線而知:所以由式3）.（4）和鴨）得；而魁動機(jī)角速度肌(7)這樣就得到電機(jī)轉(zhuǎn)速的最后推算公式:這里，K（i=1，2, 3）為常數(shù)，具體可參見文獻(xiàn)3。這樣，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速推算器的增益和積分時(shí)間常數(shù)以使推 算模型與實(shí)際電動機(jī)運(yùn)行情況一致，求得電機(jī)的轉(zhuǎn)速。簡單地講，因轉(zhuǎn)矩電流變化量的積分可以反映電動 機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速推算器用推算增益作積分運(yùn)算實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速推測。由上述分析可知，電動機(jī)轉(zhuǎn)速的推算只需檢測定子電流，由于對無中性點(diǎn)的三相異步機(jī)來講，其三相電 流之和為零

8、，所以只需檢測兩相電流即可知道全部定子電流信息。另外，利用d軸電流的指令值與反饋值間的差值對g軸電流進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算，其目的是解決轉(zhuǎn)子磁鏈定向不精確而引起電流解耦失效。2.3 無速度反饋矢量控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖1中A、B兩部分構(gòu)成整個無速度反饋矢量控制系統(tǒng)。其中，ST為速度調(diào)節(jié)器。速度指令與來自轉(zhuǎn)速推算器的速度反饋信號比較后作為速度調(diào)節(jié)器 ST的輸入。ST采用砰砰控制與PI控制相結(jié)合的雙模式方式， 在速度誤差較大時(shí)采用砰砰控制，使系統(tǒng)以最大的加速度消除誤差；當(dāng)速度誤差較小時(shí)，調(diào)節(jié)器自動轉(zhuǎn)入PI調(diào)節(jié)方式，以消除靜態(tài)誤差和保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。ST的設(shè)計(jì)采用變結(jié)構(gòu)變參數(shù)方法并帶限幅功能。速度調(diào)節(jié)器的輸出轉(zhuǎn)矩電

9、流指令信號與直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電樞電流給定信號相當(dāng)，勵磁電流指令值由轉(zhuǎn)子 磁通倍號產(chǎn)生。為實(shí)現(xiàn)寬的調(diào)速范圍，系統(tǒng)設(shè)置了弱磁環(huán)節(jié)，在基速以下，保持磁通為恒定值，電動機(jī)運(yùn) 行在恒轉(zhuǎn)矩輸出方式；在基速以上，磁通與轉(zhuǎn)速成反比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，電動機(jī)運(yùn)行在恒功率輸出方式。利用 計(jì)算機(jī)的邏輯判斷和處理能力，可實(shí)現(xiàn)兩種運(yùn)行模式的平滑切換。3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成 高的集成度和精簡的電路結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)可靠的保障。從性能、成本和可靠性等各方面綜合論證，系統(tǒng)采用了全數(shù)字化設(shè)計(jì)（單片微機(jī)加 DSP、雙口 RAM和高速高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片為控制電路主體），集驅(qū)動保 護(hù)于一體的 IPM 模塊和高靈敏度的檢測電路（如霍爾傳感器），還有高

10、可靠性的開關(guān)電源技術(shù)和快速的保 護(hù)電路。3.1 主電路主電路結(jié)構(gòu)采用了國際上通用的交一直一交電壓型模式。逆變部分采用了智能功率模塊IPM （三菱公司）。 IPM 模塊內(nèi)部除了三相全橋 IGBT 外，還 內(nèi)置驅(qū)動電路、過流過熱保護(hù)電路及放電用品體管（對小容量而言）。由于IPM 的使用，使得主電路結(jié)構(gòu)大為簡化且可靠性增強(qiáng)。 另外， 為保證定子電流檢測的精度和速度， 我們采用 KT 系列霍爾電流傳感器 （科 海公司）。3 2控制電路為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全數(shù)字化矢量調(diào)速，系統(tǒng)采用了 Intel 單片微機(jī) 80C19 6KC 和數(shù)字信號處理器 TMS320C25 組成控制核心。在系統(tǒng)中，單片機(jī)主要完成整個系統(tǒng)的控

11、制、管理和監(jiān)測等工作，DSP則進(jìn)行復(fù)雜的矢量控制的運(yùn)算及逆變器驅(qū)動等工作，它們之間的并行通訊由一片雙口RAM （IDT7130） 來實(shí)現(xiàn)。為了保證電流檢測的精度和速度，將霍爾電流傳感器得到的電流信號經(jīng)高精度（12位）、高速 （iorls 轉(zhuǎn)換時(shí)間）的雙極性模數(shù)轉(zhuǎn)換器件AD16 74 （美國AD會司）讀入處理器。如前所述，系統(tǒng)采用兩套同樣的電路采樣兩相電流便獲得三相的信息。系統(tǒng)還預(yù)留光電碼盤接口電路端子，供需速度閉環(huán)時(shí)使用?？刂齐娐返慕Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。4系統(tǒng)軟件整個系統(tǒng)的功能全部由單片微機(jī)和 DSP軟件實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)軟件包括單片機(jī)系統(tǒng)軟件和 DSP系統(tǒng)軟件兩大 部分。4.1單片機(jī)系統(tǒng)軟件單片機(jī)系統(tǒng)軟

12、件完成初始化、鍵盤顯示、雙機(jī)通訊、I/O端子控制和串行通訊等軟件功能模塊。初始化部分主要完成系統(tǒng)自檢及賦予初值、中斷等初始化、電機(jī)參數(shù)檢測匹配等功能。由于矢量變換控 制方程中用到了電機(jī)參數(shù)，所以本系統(tǒng)設(shè)有電機(jī)參數(shù)自測試功能，利用現(xiàn)有的逆變主電路向電機(jī)加入一定 的測試信號，實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)自檢測，并將其存人串行EEPROM （9346）中，有些電機(jī)自動參數(shù)匹配可能無法提供滿意的精度，此時(shí)實(shí)際的電機(jī)參數(shù)可由鍵盤輸入。另外鍵盤設(shè)定參數(shù)存入EEPROM，這樣相應(yīng)信息掉電亦可保存。雙機(jī)通訊：將電動機(jī)參數(shù)、轉(zhuǎn)速給定、啟剞動信號等輸入雙口 RAM的相應(yīng)單元，為DSP提供運(yùn)算參數(shù), 同時(shí)獲得電流采樣值。鍵盤顯示功

13、能是由8279控制下的4M鍵和6位LED來實(shí)現(xiàn)的，軟件編程較簡單；I/O功能（如保護(hù)信號和外部模擬控制端子）利用單片機(jī)的 I/O資源由軟件查詢或中斷實(shí)現(xiàn)；串行通訊則按 相應(yīng)的通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的信息交流，接受上位機(jī)的控制，同時(shí)將系統(tǒng)信息反饋給上位機(jī)。4 2 DSP系統(tǒng)軟件DSP系統(tǒng)軟件主要完成雙機(jī)通訊、電流采樣、電流矢量變換、轉(zhuǎn)速推算、位置運(yùn)算、電流電壓變換、電壓坐標(biāo)變換和電壓空間矢量選取等，最后生成PWM驅(qū)動信號，同時(shí)兼顧保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)DSP在系統(tǒng)上電之初進(jìn)行系統(tǒng)自檢，并將系統(tǒng)程序從EPROM轉(zhuǎn)移至RAM區(qū)以利用和適應(yīng)DSP的快速性，通過雙口 RAM讀取各種參數(shù)、給定信息，一旦接到啟動信號

14、，它便開始循環(huán)進(jìn)行矢量控制運(yùn)算并生成PWM驅(qū)動信號。在每次循環(huán)中，首先啟動兩片A/D芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，接著讀取存放于雙口RAM中的運(yùn)算資源信息，將采樣到的定子電流信息輸入雙口RAM，為單片機(jī)提供信息。然后查詢 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，轉(zhuǎn)換完成時(shí)便將兩相電流數(shù)據(jù)分別讀入DSP，并經(jīng)標(biāo)度變換得得三相定予電流的瞬時(shí)值，經(jīng)過坐標(biāo)交換得到d-q軸系電流分量。接下來進(jìn)行轉(zhuǎn)速推算并進(jìn)行速度調(diào)節(jié)運(yùn)算，對定子角頻率積分求得轉(zhuǎn)子磁通的位置，然后再經(jīng)過d-q軸系的電流電壓變換和兩相/三相電壓坐變換后，選擇岀合適的電壓矢量，形成開關(guān)信號驅(qū)動逆變器，對電機(jī)進(jìn)行速度控制。系統(tǒng)還利用電流瞬時(shí)方 向控制的前饋補(bǔ)償法對死區(qū)電壓進(jìn)行

15、了有效的補(bǔ)償，以防止在低頻區(qū)的電流失真和轉(zhuǎn)矩脈動。另外，雙機(jī)讀取雙口 RAM的數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢測相應(yīng)的標(biāo)志位，以確保數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確。這樣的軟件結(jié)構(gòu)有效地提高了系統(tǒng)的可靠性，雙機(jī)信息共享系統(tǒng)的程序框圖如圖3、圖4所示。數(shù)據(jù)并行傳輸滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。mt電 buSi DSF程慮框圏5豐富的系統(tǒng)功能系統(tǒng)的軟硬件資源保證了如下豐富的系統(tǒng)功能VF 運(yùn)轉(zhuǎn)模式：系統(tǒng)軟件內(nèi)配備通用的 V/F 模式供調(diào)速性能要求不高和特殊場合用。這時(shí)可簡化許多 電路結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本。自動調(diào)壓功能：通過檢測出直流母線電壓值與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，依二者誤差修正指令電壓的脈寬，由 此實(shí)現(xiàn)輸出電壓的自動調(diào)整功能，以克服電網(wǎng)波動和負(fù)

16、載變化引起的輸出電壓與指令電壓不相吻合現(xiàn)象。節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)：在 V/F 模式下，當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，通過選擇合適的VF 曲線便可實(shí)現(xiàn)節(jié)能。本系統(tǒng)已自測試或輸入電機(jī)參數(shù)（如定、轉(zhuǎn)子電阻、電感等），結(jié)合這些參數(shù)在一定電壓范圍內(nèi)搜索維持磁通恒定而電流 最小的最佳工作點(diǎn)，找到后調(diào)整對應(yīng)的 V/F 值便可實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)功能。速度閉環(huán)控制： 無速度反饋矢量控制系統(tǒng)，靜特 性已很完美，但動特性較速度閉環(huán)系統(tǒng)還有待于進(jìn) 一步 提高；對動特性要求高時(shí)，系統(tǒng)采取加接速度表形成速度閉環(huán)。速度脈沖輸入由單片微機(jī)的外部事件計(jì)數(shù) 器管理。另外系統(tǒng)還具備的功能有：起動過電流失速防止和制動過電壓防止；瞬停再起動轉(zhuǎn)逮自動跟蹤；常規(guī)的 過載、

17、過壓、短路、缺相、過熱、接地等保護(hù)；良好的人機(jī)對話；內(nèi)藏 RS485 串行通訊接口，可進(jìn)行遠(yuǎn)距 離控制；內(nèi)含PID，任意形狀的S字曲線加減速功能及靜音化運(yùn)轉(zhuǎn)等。6 系統(tǒng)測試依上述方案設(shè)計(jì)的 18. 5kW 變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了帶負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)試，實(shí)驗(yàn)用電動機(jī)為4極鼠籠式結(jié)構(gòu)，額定功率為 18. 5kW， 變頻器輸出參數(shù)：額定容量 30kVA ；額定電流 39A ；承受過電流能力：百分之 150Imin， 百分之 200 ls 。靜態(tài)特性測試：圖5為V/F控制模式與無速度反饋矢量控制模式下，加載不同負(fù)載作穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果。其中，橫坐標(biāo)為額定轉(zhuǎn)矩的百分比，縱坐標(biāo)為額定轉(zhuǎn)速的百分比。由圖可見，VF 模式下，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化較強(qiáng)烈，而無速度反饋矢量控制方式下，電機(jī)速度幾乎不受負(fù)載的影響，穩(wěn)態(tài)精度高。昭5矢量撿刑與VF篡決下乩態(tài)性能對tt動態(tài)特性測試:圖6為系統(tǒng)啟動時(shí)的電流、轉(zhuǎn)速動態(tài)圖。由圖可見，系統(tǒng)啟動平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速、電流控制較好；測試表明, 系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快，無大的速度超調(diào)，抗干擾能力強(qiáng)。7結(jié)語在無速度反饋矢量控制模式下，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)常規(guī)變頻器無法實(shí)現(xiàn)的低速驅(qū)動、高起動轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速精度、高加減速性能，使變頻調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。除了滿足