無速度反饋矢量控制變頻調速系統
劉 鋒（浙江大學杭州310027）
魏 青（濟南市自來水公司）
摘 要 介紹了一種全數字化高性能通用變頻調速系統，該系統以無速度傳感器矢量控制技術作為理論基礎，以單片微機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。測試結果表明，系統具有優良的動、靜態性能。
敘 詞 變頻器矢量控制微機控制
1 引 言
通常，矢量控制系統中速度傳感器（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，在保持常規變頻器靈活方便、可靠等優點的前提下，無需增加過多的硬件成本，但性能接近矢量控制，能克服以往變頻調速系統中存在的缺點，為國際上高性能通用變頻器的潮流，也是當前交流傳動研究起點之一。
通用變頻調速器一般采用恒壓／頻比的開環控制，難以獲得良好的調速特性，如在低頻區力矩不足，負載時速度變動大，動態性能欠佳，應用場合受到限制。我們茌給山東某單位調試- PVC生產線時就遇到這些問題。為解決問題，我們決定開發無速度反饋矢量控制型通用變頻器應用于這一生產線的調速系統。該系統采用的是轉子磁通定向矢量控制方向，從定子電流中推斷出電機轉速形成同步旋轉信號和進行轉速反饋，即由軟件構成轉速推算器。主電路采用通用的交一直一交逆變器結構，功率器件為智能功率模塊IPM，控制核心為Inte180C196KC單片微機和TMS320C25信號處理器，雙機的并行通訊工作通過雙口RAM實現。測試結果表明，該系統具有控制精度高、調速范圍寬、響應速度快等特點。
2 無速度傳感器矢量控制原理
交流 電機的矢量控制是通過坐標變換將定子電流分解為轉矩電流和勵磁電流分量，并分別進行控制，再經過反變換控制達到像直流機一樣的控制方式和性能。實現矢量控制的關鍵就是求取坐標變換所需的磁場定向。 2-1轉子磁鏈定向的矢量控制原理
本系統采用的是轉子磁鏈定向磁鏈開環矢量控制方案[2]。在磁場定向矢量控制中，當參考坐標系d-q軸放在同步旋轉磁場中時，三相交流異步電動
機的動態數學模型可由以下方程表示：
將參考坐標系的矗軸放在轉子磁鏈方向上，采取轉子磁鏈定向，并采用轉子磁鏈開環控制，即當轉子磁鏈為常數.為O時方程(1)可簡化為：
由此得到無速度反饋矢量控制原理圖（圖1A部分）。
2.2轉速推算器
圖1的B部分就是轉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AlD芯片檢測定子電流，再經三相／兩相坐標變換將其轉換成電機的d-q軸電流，經補償電路進行補償運算以減輕d軸電流變化對電流解耦造成的影響）作用后，求出值，經轉速推算器便可求出電機的轉速。轉速推算器的具體工作原理如下：
由式(2)中的異步電動機的轉矩公式知：
又由矢量控制下的電機轉矩一轉速(T-N)特性曲線而知：
這樣就得到電機轉速的最后推算公式：
這里，K(i=1，2，3)為常數，具體可參見文獻[3]。這樣，調節轉速推算器的增益和積分時間常數以使推算模型與實際電動機運行情況一致，求得電機的轉速。簡單地講，因轉矩電流變化量的積分可以反映電動機的轉速，轉速推算器用推算增益作積分運算實現轉速推測。
由上述分析可知，電動機轉速的推算只需檢測定子電流，由于對無中性點的三相異步機來講，其三相電流之和為零，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軸電流進行補償運算，其目的是解決轉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的構成
圖1中A、B兩部分構成整個無速度反饋矢量控制系統。其中，ST為速度調節器。速度指令與來自轉速推算器的速度反饋信號比較后作為速度調節器ST的輸入。ST采用砰砰控制與PI控制相結合的雙模式方式，在速度誤差較大時采用砰砰控制，使系統以****的加速度消除誤差；當速度誤差較小時，調節器自動轉入PI調節方式，以消除靜態誤差和保持系統的穩定性。ST的設計采用變結構變參數方法并帶限幅功能。速度調節器的輸出轉矩電流指令信號與直流雙閉環調速系統的電樞電流給定信號相當，勵磁電流指令值由轉子磁通倍號產生。為實現寬的調速范圍，系統設置了弱磁環節，在基速以下，保持磁通為恒定值，電動機運行在恒轉矩輸出方式；在基速以上，磁通與轉速成反比例進行調節，電動機運行在恒功率輸出方式。利用計算機的邏輯判斷和處理能力，可實現兩種運行模式的平滑切換。
3 系統硬件構成
高的集成度和精簡的電路結構是系統可靠的保障。從性能、成本和可靠性等各方面綜合論證，系統采用了全數字化設計（單片微機加DSP、雙口RAM和高速高精度A/D轉換芯片為控制電路主體），集驅動保護于一體的IPM模塊和高靈敏度的檢測電路（如霍爾傳感器），還有高可靠性的開關電源技術和快速的保護電路。
3.1主電路
主電路結構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模塊內部除了三相全橋IGBT外，還
內置驅動電路、過流過熱保護電路及放電用品體管（對小容量而言）。由于IPM的使用，使得主電路結構大為簡化且可靠性增強。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
為實現實時全數字化矢量調速，系統采用了Intel單片微機80C19 6KC和數字信號處理器TMS320C25組成控制核心。在系統中，單片機主要完成整個系統的控制、管理和監測等工作，DSP則進行復雜的矢量控制的運算及逆變器驅動等工作，它們之間的并行通訊由一片雙口RAM (IDT7130)來實現。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高精度（12位）、高速(iorls轉換時間)的雙極性模數轉換器件AD16 74（美國AD會司）讀入處理器。如前所述，系統采用兩套同樣的電路采樣兩相電流便獲得三相的信息。系統還預留光電碼盤接口電路端子，供需速度閉環時使用�？刂齐娐返慕Y構圖如圖2所示。
4系統軟件
整個系統的功能全部由單片微機和DSP軟件實現，系統軟件包括單片機系統軟件和DSP系統軟件兩大部分。
4.1單片機系統軟件
單片機系統軟件完成初始化、鍵盤顯示、雙機通訊、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自檢及賦予初值、中斷等初始化、電機參數檢測匹配等功能。由于矢量變換控制方程中用到了電機參數，所以本系統設有電機參數自測試功能，利用現有的逆變主電路向電機加入一定的測試信號，實現電機參數自檢測，并將其存人串行EEPROM (9346)中，有些電機自動參數匹配可能無法提供滿意的精度，此時實際的電機參數可由鍵盤輸入。另外鍵盤設定參數存入EEPROM，這樣相應信息掉電亦可保存。
雙機通訊：將電動機參數、轉速給定、啟剞動信號等輸入雙口RAM的相應單元，為DSP提供運算參數，同時獲得電流采樣值。鍵盤顯示功能是由8279控制下的4×4鍵和6位LED來實現的，軟件編程較簡單；I/O功能（如保護信號和外部模擬控制端子）利用單片機的I/O資源由軟件查詢或中斷實現；串行通訊則按相應的通訊協議實現與上位機的信息交流，接受上位機的控制，同時將系統信息反饋給上位機。
4·2 DSP系統軟件
DSP系統軟件主要完成雙機通訊、電流采樣、電流矢量變換、轉速推算、位置運算、電流電壓變換、電壓坐標變換和電壓空間矢量選取等，最后生成PWM驅動信號，同時兼顧保護功能的實現。
DSP在系統上電之初進行系統自檢，并將系統程序從EPROM轉移至RAM區以利用和適應DSP的快速性，通過雙口RAM讀取各種參數、給定信息，一旦接到啟動信號，它便開始循環進行矢量控制運算并生成PWM驅動信號。
在每次循環中，首先啟動兩片A/D芯片進行模
數轉換，接著讀取存放于雙口RAM中的運算資源信息，將采樣到的定子電流信息輸入雙口RAM，為單片機提供信息。然后查詢A/D轉換結束標志，轉換完成時便將兩相電流數據分別讀入DSP，并經標度變換得得三相定予電流的瞬時值，經過坐標交換得到d-q軸系電流分量。接下來進行轉速推算并進行速度調節運算，對定子角頻率積分求得轉子磁通的位置，然后再經過d-q軸系的電流電壓變換和兩相／三相電壓坐變換后，選擇出合適的電壓矢量，形成開關信號驅動逆變器，對電機進行速度控制。系統還利用電流瞬時方向控制的前饋補償法對死區電壓進行了有效的補償，以防止在低頻區的電流失真和轉矩脈動。
另外，雙機讀取雙口RAM的數據時，首先檢測相應的標志位，以確保數據信息的準確。這樣的軟件結構有效地提高了系統的可靠性，雙機信息共享系統的程序框圖如圖3、圖4所示。數據并行傳輸滿足了系統的實時性要求。
5 豐富的系統功能
系統的軟硬件資源保證了如下豐富的系統功能。
V／F運轉模式：系統軟件內配備通用的V/F模式供調速性能要求不高和特殊場合用。這時可簡化許多電路結構，降低系統成本。
自動調壓功能：通過檢測出直流母線電壓值與基準電壓進行比較，依二者誤差修正指令電壓的脈寬，由此實現輸出電壓的自動調整功能，以克服電網波動和負載變化引起的輸出電壓與指令電壓不相吻合現象。
節能運轉：在V/F模式下，當負載較輕時，通過選擇合適的V／F曲線便可實現節能。本系統已自測試或輸入電機參數（如定、轉子電阻、電感等），結合這些參數在一定電壓范圍內搜索維持磁通恒定而電流最小的****工作點，找到后調整對應的V/F值便可實現節能運轉功能。
速度閉環控制：無速度反饋矢量控制系統，靜特 性已很****，但動特性較速度閉環系統還有待于進 一步提高；對動特性要求高時，系統采取加接速度表形成速度閉環。速度脈沖輸入由單片微機的外部事件計數器管理。
另外系統還具備的功能有：起動過電流失速防止和制動過電壓防止；瞬停再起動轉逮自動跟蹤；常規的過載、過壓、短路、缺相、過熱、接地等保護；良好的人機對話；內藏RS485串行通訊接口，可進行遠距離控制；內含PID,任意形狀的S字曲線加減速功能及靜音化運轉等。
6系統測試
依上述方案設計的18. 5kW變頻調速系統進行了帶負載運轉調試，實驗用電動機為4極鼠籠式結構，額定功率為18. 5kW,變頻器輸出參數：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，加載不同負載作穩態實驗得到的結果。其中，橫坐標為額定轉矩的百分比，縱坐標為額定轉速的百分比。由圖可見，V／F模式下，電機轉速隨負載變化較強烈，而無速度反饋矢量控制方式下，電機速度幾乎不受負載的影響，穩態精度高。
動態特性測試：
圖6為系統啟動時的電流、轉速動態圖。由圖可見，系統啟動平穩，轉速、電流控制較好；測試表明，系統動態響應快，無大的速度超調，抗干擾能力強。
7結語
在無速度反饋矢量控制模式下，系統可實現常規變頻器無法實現的低速驅動、高起動轉矩、高轉速精度、高加減速性能，使變頻調速應用領域進一步擴大。除了滿足本文提出的實際問題外，該類通用變頻器還可應用于金屬加工、造紙、紡織、印染、運輸機械等調速精度和加減速轉矩控制性能要求較高的場
|
