無速度傳感器矢量控制變頻系統(tǒng)研究
0 引言
矢量控制也稱磁場定向控制。它是上世紀70年代初由德國西門子公司F. Blaschke等人首先提出,以直流電動機和交流電動機比較的方法分析闡述了這一原理。作為異步電機控制的一種方式,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。隨著計算機技術(shù)飛速發(fā)展,功能強大的數(shù)字信號處理器(DSP)的廣泛應用使得矢量控制逐漸走向了實用化。
在高性能的異步電機矢量控制系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)一般是必不可少的。通常,采用光電碼盤等速度傳感器來進行轉(zhuǎn)速檢測,并反饋轉(zhuǎn)速信號。
但是,由于速度傳感器的安裝給系統(tǒng)帶來一些缺陷使得系統(tǒng)的成本大大增加;精度越高的碼盤價格也越貴;碼盤在電機軸上的安裝存在同心度的問題,安裝不當將影響測速的精度;使電機軸的體積增大,而且給電機的維護帶來一定困難,在惡劣的環(huán)境下,碼盤工作的精度易受環(huán)境的影響。因此,越來越多的學者將眼光投向無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究。
1 轉(zhuǎn)子磁場定向無速度傳感器矢量控制原理
1.1 系統(tǒng)矢量控制原理
所謂無速度傳感器控制系統(tǒng)就是取消了傳統(tǒng)的交流電機調(diào)速系統(tǒng)中的速度檢測裝置,通過檢測定子的電壓電流來間接估算電機運行的實際轉(zhuǎn)速值,將該值作為轉(zhuǎn)速反饋信號。本系統(tǒng)采用電流與電壓相結(jié)合的轉(zhuǎn)子磁鏈估算模型以及基于異步電機數(shù)學模型的速度估算方法,可得轉(zhuǎn)子磁通位置角,并送至旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)。用霍爾電流傳感器檢測三相輸出的兩相電流iA、iB,計算出第三相電流iC=-(iA+iB),從而獲得實時的輸出電流信號,亦為電機上的電流信號,為矢量控制的計算提供實時信號。由測得的電流經(jīng)矢量變換得到轉(zhuǎn)矩電流分量iT和勵磁電流分量iM,利用iMref-iM、iTref-iT所產(chǎn)生的電流誤差經(jīng)PI 控制器產(chǎn)生VMref、VTref ,經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換后求出兩相輸出電壓VDref、VQref,進而控制逆變器。圖1是其矢量控制系統(tǒng)框圖。
1.2 異步電機轉(zhuǎn)子磁場定向基本方程
如果規(guī)定MT 坐標系的M 軸沿著轉(zhuǎn)子磁鏈鬃r的方向,則MT 坐標系就沿轉(zhuǎn)子磁場定向,此時異步電機的電壓方程為
1.3 轉(zhuǎn)子磁鏈位置的估算
在轉(zhuǎn)子磁場定向的無速度傳感器的異步電機控制系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)子磁鏈估算是至關(guān)重要的一環(huán)。如果轉(zhuǎn)子磁鏈估算不準確,則轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)的優(yōu)點,即實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制將無法實現(xiàn)。根據(jù)兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下異步電機的基本方程,可以得到電流型轉(zhuǎn)子磁鏈估算模型。
在低頻時,式(7)和式(8)中的定子電壓值變小,定子電阻壓降的偏差對積分結(jié)果的影響增大,因此必須準確檢測定子電阻,但是定子電阻會隨溫度變化,要十分準確地檢測是比較困難的。而對于電流模型來說,電動機在高速運行時,由于電機參數(shù)的偏差,容易引起磁通振蕩。所以,本系統(tǒng)將這兩種方法綜合在一起,以相互彌補高頻和低頻的不足。其運算框圖如圖2所示。
1.4 轉(zhuǎn)速的估算
根據(jù)兩相靜止坐標系下異步電機的基本方程,
可以得到轉(zhuǎn)速估算模型。本模型中電機參數(shù)值也至關(guān)重要,否則容易出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差。模型方程式為
估算模型框圖如圖3所示。
2 系統(tǒng)組成及設(shè)計
控制系統(tǒng)由主電路、控制電路和輔助電路構(gòu)成。
主電路中逆變器采用6管封裝的IGBT 功率模塊,完成功率變換??刂齐娐芬訲MS320F2407 芯片為核心,用來完成矢量控制核心算法、PWM 產(chǎn)生、相關(guān)電流的檢測處理等功能。輔助電路由輔助開關(guān)電源,驅(qū)動電路,電流傳感器組成,開關(guān)電源給系統(tǒng)提供多路隔離電源。
2.1 系統(tǒng)主回路
系統(tǒng)主回路包含整流器、逆變器、輔助電源、光耦隔離等。整流電路采用單相橋式電力二極管,把交流電整流成脈動直流電,并用大電解電容濾波儲能。
逆變部分采用智能功率模塊(Intelligent PowerModule,IPM),由于IPM內(nèi)置保護電路和相關(guān)的驅(qū)動電路,縮短了系統(tǒng)的設(shè)計周期,也減小了系統(tǒng)的體積,提高了系統(tǒng)的可靠性。
2.2 DSP 2407控制板
控制板除了能夠完成空間電壓矢量調(diào)制算法外,還應當具有一個調(diào)速系統(tǒng)所必需的其它功能??刂瓢宓脑O(shè)計主要包括DSP 基本外圍電路的設(shè)計、采樣電路的設(shè)計、保護電路的設(shè)計、通信電路的設(shè)計和輸入/輸出I/O口設(shè)計。通用變頻控制需要檢測的量有直流母線電壓、三相相電流、散熱器溫度等。
3 實驗結(jié)果
3.1 實驗結(jié)果
本文針對上述的控制方案進行了實驗研究。
SVPWM的開關(guān)頻率為10 kHz,軟件死區(qū)為4μs,電流環(huán)的采樣周期為100 μs,電流環(huán)的輸出限幅為額定電壓的1.25倍。電機為2 對極三相籠型異步電機,直流側(cè)電源是通過整流橋?qū)蜗嘟涣麟娬?、濾波產(chǎn)生的。電機額定參數(shù)為:PN= 0.6 kW ;UN=380 V;IN=1.6 A;fn=50 Hz;nN=1 400 r/min。系統(tǒng)實驗波形如圖4—圖6所示。
實驗結(jié)果表明響應有很好的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)精度,表明了控制方案的優(yōu)良性能,但是由于電機參數(shù)問題,估計的轉(zhuǎn)速曲線稍微有點波動,和給定轉(zhuǎn)速相比有些誤差。
3.2 誤差分析
1)無論是轉(zhuǎn)子磁鏈位置估計還是速度估計,對參數(shù)的依賴性都較強,也正是因為如此,無速度傳感器控制系統(tǒng)對電機參數(shù)的變化更為敏感,在速度調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)矩響應等動態(tài)指標上會出現(xiàn)跟蹤誤差。
2)由于轉(zhuǎn)子時間常數(shù)變化、磁飽和、渦流等影響,要實現(xiàn)異步電機轉(zhuǎn)子磁場準確定向難度很大。另外,在數(shù)字控制中,存在計算精度、離散化和時間滯后問題,這些也會導致磁鏈觀測角度的誤差。
4 結(jié)語
從異步電機矢量控制的基本方程式出發(fā),并根據(jù)基本方程構(gòu)建了一個無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)。詳細介紹了轉(zhuǎn)子磁鏈估算模型和轉(zhuǎn)速估算模型,并由上述結(jié)果可得出以下結(jié)論:
1)本文所設(shè)計的矢量控制系統(tǒng),充分利用了DSP的高速運算能力和豐富的內(nèi)外設(shè)資源,使系統(tǒng)外圍電路少,結(jié)構(gòu)緊、可靠性高;
2)實驗表明,系統(tǒng)控制精度高、實時性好、動態(tài)響應快。