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（濟南市自來水公司）
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)速系統(tǒng)中存在的缺點，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，負載時速度變動大，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，從定子電流中推斷出電機轉(zhuǎn)速形成同步旋轉(zhuǎn)信號和進行轉(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(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。
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(biāo)變換將定子電流分解為轉(zhuǎn)矩電流和勵磁電流分量，并分別進行控制，再經(jīng)過反變換控制達到像直流機一樣的控制方式和性能。實現(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
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d-q軸放在同步旋轉(zhuǎn)磁場中時，三相交流異步電動
機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型可由以下方程表示：
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(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AlD芯片檢測定子電流，再經(jīng)三相／兩相坐標(biāo)變換將其轉(zhuǎn)換成電機的d-q軸電流，經(jīng)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(jīng)轉(zhuǎn)速推算器便可求出電機的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩公式知：
又由矢量控制下的電機轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速(T-N)特性曲線而知：
這樣就得到電機轉(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[3]。這樣，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速推算器的增益和積分時間常數(shù)以使推算模型與實際電動機運行情況一致，求得電機的轉(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的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速推算器用推算增益作積分運算實現(xiàn)轉(zhuǎn)速推測。
由上述分析可知，電動機轉(zhuǎn)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(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，在速度誤差較大時采用砰砰控制，使系統(tǒng)以****的加速度消除誤差；當(dāng)速度誤差較小時，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，電動機運行在恒轉(zhuǎn)矩輸出方式；在基速以上，磁通與轉(zhuǎn)速成反比例進行調(diào)節(jié)，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(xiàn)兩種運行模式的平滑切換。
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（單片微機加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(guān)電源技術(shù)和快速的保護電路。
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。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(xiàn)實時全數(shù)字化矢量調(diào)速，系統(tǒng)采用了Intel單片微機80C19 6KC和數(shù)字信號處理器TMS320C25組成控制核心。在系統(tǒng)中，單片機主要完成整個系統(tǒng)的控制、管理和監(jiān)測等工作，DSP則進行復(fù)雜的矢量控制的運算及逆變器驅(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)時使用。控制電路的結(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和DSP軟件實現(xiàn)，系統(tǒng)軟件包括單片機系統(tǒng)軟件和DSP系統(tǒng)軟件兩大部分。
4.1單片機系統(tǒng)軟件
單片機系統(tǒng)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(tǒng)自檢及賦予初值、中斷等初始化、電機參數(shù)檢測匹配等功能。由于矢量變換控制方程中用到了電機參數(shù)，所以本系統(tǒng)設(shè)有電機參數(shù)自測試功能，利用現(xiàn)有的逆變主電路向電機加入一定的測試信號，實現(xiàn)電機參數(shù)自檢測，并將其存人串行EEPROM (9346)中，有些電機自動參數(shù)匹配可能無法提供滿意的精度，此時實際的電機參數(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。
雙機通訊：將電動機參數(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提供運算參數(shù)，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(xiàn)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(xiàn)；串行通訊則按相應(yīng)的通訊協(xié)議實現(xiàn)與上位機的信息交流，接受上位機的控制，同時將系統(tǒng)信息反饋給上位機。
4·2 DSP系統(tǒng)軟件
DSP系統(tǒng)軟件主要完成雙機通訊、電流采樣、電流矢量變換、轉(zhuǎn)速推算、位置運算、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，同時兼顧保護功能的實現(xiàn)。
DSP在系統(tǒng)上電之初進行系統(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，它便開始循環(huán)進行矢量控制運算并生成PWM驅(qū)動信號。
在每次循環(huán)中，首先啟動兩片A/D芯片進行模
數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，轉(zhuǎn)換完成時便將兩相電流數(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值，經(jīng)過坐標(biāo)交換得到d-q軸系電流分量。接下來進行轉(zhuǎn)速推算并進行速度調(diào)節(jié)運算，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，選擇出合適的電壓矢量，形成開關(guān)信號驅(qū)動逆變器，對電機進行速度控制。系統(tǒng)還利用電流瞬時方向控制的前饋補償法對死區(qū)電壓進行了有效的補償，以防止在低頻區(qū)的電流失真和轉(zhuǎn)矩脈動。
另外，雙機讀取雙口RAM的數(shù)據(jù)時，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)的實時性要求。
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。
V／F運轉(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)電壓進行比較，依二者誤差修正指令電壓的脈寬，由此實現(xiàn)輸出電壓的自動調(diào)整功能，以克服電網(wǎng)波動和負載變化引起的輸出電壓與指令電壓不相吻合現(xiàn)象。
節(jié)能運轉(zhuǎn)：在V/F模式下，當(dāng)負載較輕時，通過選擇合適的V／F曲線便可實現(xiàn)節(jié)能。本系統(tǒng)已自測試或輸入電機參數(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****工作點，找到后調(diào)整對應(yīng)的V/F值便可實現(xiàn)節(jié)能運轉(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****，但動特性較速度閉環(huán)系統(tǒng)還有待于進 一步提高；對動特性要求高時，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的外部事件計數(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、過壓、短路、缺相、過熱、接地等保護；良好的人機對話；內(nèi)藏RS485串行通訊接口，可進行遠距離控制；內(nèi)含PID,任意形狀的S字曲線加減速功能及靜音化運轉(zhuǎn)等。
6系統(tǒng)測試
依上述方案設(shè)計的18. 5kW變頻調(diào)速系統(tǒng)進行了帶負載運轉(zhuǎn)調(diào)試，實驗用電動機為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，加載不同負載作穩(wěn)態(tài)實驗得到的結(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，V／F模式下，電機轉(zhuǎn)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(wěn)態(tài)精度高。
動態(tài)特性測試：
圖6為系統(tǒng)啟動時的電流、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。
7結(jié)語
在無速度反饋矢量控制模式下，系統(tǒng)可實現(xiàn)常規(guī)變頻器無法實現(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(yīng)用于金屬加工、造紙、紡織、印染、運輸機械等調(diào)速精度和加減速轉(zhuǎn)矩控制性能要求較高的場
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