【正文】 快速電流跟蹤系統(tǒng)的變頻裝置、DSP 信號(hào)處理器以及高性能釹鐵硼永磁材料的發(fā)展，為各類永磁同步電動(dòng)機(jī)及 其控制系統(tǒng)的發(fā)展帶來(lái)生機(jī)。 永磁同步無(wú)齡輪電動(dòng)機(jī)及控制系統(tǒng)，是新一代的綠色電梯驅(qū)動(dòng)裝置。國(guó)外該類電梯專用變頻裝置有十分完善的軟件支持，可接受任意位置傳感器的反饋信號(hào)，具有自學(xué)習(xí)功能，自動(dòng)識(shí)別電動(dòng)機(jī)參數(shù)，在實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向伺服時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行初始定位，具有和直流電動(dòng)機(jī)一樣優(yōu)良的線性轉(zhuǎn)矩控制特性。其體積小、效率高、功率因數(shù)高、振動(dòng)小、噪聲低，平 層精度好，在高層建筑、無(wú)機(jī)房電梯和家庭小梯中都有很大的市場(chǎng)。 PWM技術(shù)的發(fā)展 PWM 控制是變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心 [1]，任何控法幾乎都是以各種 PWM控制方式實(shí)現(xiàn)。九 十年代以來(lái)的產(chǎn)品，正弦形 PWM（ SPWM）調(diào)制方法已逐步為以下方式取代：快速電流跟蹤 PWM 技術(shù)快速電流跟蹤型 PWM 逆變器為電流控制型的電壓源逆變器，一般采用滯環(huán)電流控制，使三相電流快速跟蹤指令電流。該逆變器硬件簡(jiǎn)單，電流控制響應(yīng)快，兼有電壓和電流控制型逆變器的優(yōu)點(diǎn)，普遍用于 PMSM 伺服系統(tǒng)和異步電動(dòng)機(jī)矢量變換控制系統(tǒng)。磁鏈跟蹤控制 PWM 技術(shù)這種方法把逆變器和電動(dòng)機(jī)視為一體，以三相對(duì)稱正弦波電壓 供電 時(shí)交流電動(dòng)機(jī)理想的圓形磁場(chǎng)為基準(zhǔn)，用逆變器不同開(kāi)關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁鏈?zhǔn)富?DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 共 43 頁(yè) 2 量來(lái)跟蹤基準(zhǔn)磁鏈園，由跟蹤結(jié)果決定逆變器的開(kāi)關(guān)模式，形成 PWM 波。由于磁鏈的軌跡是靠空間矢量的選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此又稱電壓空間矢量法。直接轉(zhuǎn)矩的智能控制 PWM 技術(shù)常規(guī)的直接轉(zhuǎn)矩 PWM 技術(shù)無(wú)法區(qū)別轉(zhuǎn)矩、磁鏈的非常大的偏差和相對(duì)小的偏差，這將造成 電機(jī) 啟動(dòng)期間系統(tǒng)的停滯。而采用智能控制中的模糊控制，可以通過(guò)定子磁鏈的空間位置，由一系列偏差的正大，正 小等模糊語(yǔ)言，根據(jù)模糊規(guī)則推出逆變器的開(kāi)關(guān)模式，使系統(tǒng)性能改善。雙 PWM 控制技術(shù)交一直一交電壓型逆變器是目前最廣泛使用的型式，但常對(duì)電網(wǎng)構(gòu)成諧波污染。目前雙 PWM控制技術(shù)的研究非?；钴S，即由 PWM 整流器和 PWM 逆變器組成的雙 PWM 變頻器無(wú)須任何附加電路就可使電網(wǎng)側(cè)的輸入電流接近正弦波，使系統(tǒng)的功率因數(shù)約為 1，徹底消除網(wǎng)側(cè)的諧波污染，并實(shí)現(xiàn)了四象限運(yùn)行。 電力電子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)況和趨勢(shì) 自從 1956 年第一只晶閘管的問(wèn)世，電力電子技術(shù)作為電子技術(shù)的一個(gè)分支建立以來(lái)，電力電子技術(shù)已取得了令人注目的發(fā)展，早期的 半控型電力電子器件 SCR已逐漸被全控型半導(dǎo)體器件所代替，并發(fā)展出了多種高電壓、大電流、快速 (高頻 )、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、復(fù)合化和智能化的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件。例如，單極型器件有功率 。雙極型全控器件有 [3]:GTR、達(dá)林頓管、 GTO 等 。復(fù)合器件有 IGBT， MCT， MGT， sITH 等 。近幾年發(fā)展的智能型功率器件 IPM， SMARTFET， TOPSwctih 等。其中場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為一種電壓控制型多子器件，具有快速、安全工作區(qū)大、容易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，因此，近些年來(lái)復(fù)合型器件被廣泛應(yīng)用在高頻開(kāi)關(guān)和電機(jī)控制中，并隨著生產(chǎn)工藝和制造技術(shù)的 發(fā)展，性能不斷被改進(jìn)。例如 MOSFET 的通態(tài)內(nèi)阻不斷減小，新的MOSFET 通態(tài)內(nèi)阻不僅比 PN結(jié)的正向好，甚至比肖特基二極管的正向內(nèi)阻還小，己成為最佳的整流器件之一 。以 MOSFET 為基礎(chǔ)的復(fù)合型器件 IGBT、 EIGT、 MER(固態(tài)繼電器 )、 FETKEY(MOSFET+SCHOTTKY)等器件耐壓不斷增加，電流逐漸增大。如目前 IGBT 耐壓已達(dá)到 450V 以上， EIGT 已有 4500v/1000A 的產(chǎn)品。同時(shí)由于電壓控制型器件的應(yīng)用，使功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路大大簡(jiǎn)化，例如 IGBT 器件的門極驅(qū)動(dòng)電路比雙極型晶體管的基極驅(qū) 動(dòng)電路所用的元器件要小得多，而且，所需要的驅(qū)動(dòng)功率也比雙極型晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電路的要少很多，從而使將驅(qū)動(dòng)電路和功率開(kāi)關(guān)管集成在同一芯片或模塊中成為可能，并且經(jīng)過(guò)了近些年來(lái)的發(fā)展，功率電基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 共 43 頁(yè) 3 子器件制造公司以推出了多種有智能特性的復(fù)合器件或模塊，例如 SMARTFET 和護(hù)M，它們內(nèi)部不僅集成了各種自保護(hù)功能，也將控制芯片集成在里面。其中 SMARTFET是采用了微電子工藝集成的器件， IPM 是一種智能功率模塊。從電力電子器件的發(fā)展歷程，我們可以看出電力電子器件正在向高耐壓、大電流、小的正向內(nèi)阻、智能化的電壓控制型器件發(fā)展 。 國(guó)內(nèi)外交流調(diào)速現(xiàn)狀 國(guó)外現(xiàn)狀 在大功率交一交變頻調(diào)速技術(shù)方面，法國(guó)阿爾斯通己能提供單機(jī)容量達(dá) 3 萬(wàn)的電氣傳動(dòng)設(shè)備用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)。在大功率無(wú)換向器電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)方面，意大利 ABB 公司提供了單機(jī)容量為 6 萬(wàn)的設(shè)備用于抽水蓄能電站。在中功率變頻調(diào)速技術(shù)方面，德國(guó)西門子公司 simovertA 電流型晶閘管變頻調(diào)速設(shè)備單機(jī)容量為 10 一 2600kVA，其控制系統(tǒng)己實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，用于電力機(jī)車、風(fēng)機(jī)、水泵傳動(dòng)。在小功率交流變頻調(diào)速技術(shù)方面，日本富士 BTJ 變頻器最大單機(jī)容量可達(dá) 7OkVA，IGBT 變頻器已形 成系列產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)也已實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。 國(guó)外交流變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展有以下特點(diǎn) : 1)市場(chǎng)的大量需求。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高和能源的全球性短缺，變頻器越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在機(jī)械、紡織、化工、造紙、冶金、食品等各個(gè)行業(yè)以及風(fēng)機(jī)、水泵等的節(jié)能場(chǎng)合，已取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 2)功率器件的發(fā)展。近年來(lái)高電壓、大電流的 SCR， GTO， IGBT， IGCT 等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。 3)控制理論和微電子技術(shù)的發(fā)展。矢量控制、磁通控制、轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制等 新的控制理論為高性能的變頻器提供了理論基礎(chǔ)， 16 位、 32 位高速微處理器以及數(shù)字信號(hào)處理器 (DPS)和專用集成電路 (ASIC)技術(shù)的快速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)變頻器高精度、多功能提供了硬件手段。 4)基礎(chǔ)工業(yè)和各種制造業(yè)的高速發(fā)展，變頻器相關(guān)配套件社會(huì)化、專業(yè)化生產(chǎn)。 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 共 43 頁(yè) 4 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 從總體上看我國(guó)電氣傳動(dòng)的技術(shù)水平較國(guó)際先進(jìn)水平差距 10 一 15 年。在大功率交一交、無(wú)換向器電機(jī)等變頻技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，但在數(shù)字化及系統(tǒng)可靠性方面與國(guó)外還有相當(dāng)大的差距。在中小功率變頻技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者作了大量的變 頻理論的基礎(chǔ)研究，早在二十世紀(jì) 80 年代，已成功引入矢量控制的理論，針對(duì)交流電機(jī)具有多變量、強(qiáng)耦合 、非線性的特點(diǎn)，采用了線性解 耦合 非線性解 耦合 的方法，探討交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制策略。隨著高性能單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器的使用，國(guó)內(nèi)學(xué)者緊跟國(guó)外最新控制策略，針對(duì)交流感應(yīng)電機(jī)特點(diǎn)，采用高次諧波注入國(guó)內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下 : 1)變頻器的整機(jī)技術(shù)落后，國(guó)內(nèi)雖有很多單位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒(méi)有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模。 2)變頻器產(chǎn)品所用半導(dǎo)體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白。 3)相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè) 落后。 4)產(chǎn)銷量少，可靠性及工藝水平不高。 本論文的研究?jī)?nèi)容 本文在掌握交流電機(jī)變頻調(diào)速基本原理的基礎(chǔ)上，采用電機(jī)控制專用 DSP 芯片 TMS320LF2407A，運(yùn)用變頻調(diào)速的價(jià)廠控制方式和 SPWM 控制算法，提出了交流電機(jī)變 頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 ，有 速度傳感器，控制電路比較簡(jiǎn)單，電機(jī)選擇通用標(biāo)準(zhǔn)異步電動(dòng)機(jī)，因此其通用性比較強(qiáng)，性能 /價(jià)格比比較高。 具體研究工作包括 :交流電機(jī)變頻調(diào)速原理的研究 。變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件電路的研究和設(shè)計(jì)，包括主電路、系統(tǒng)保護(hù) 電路和控制電路 。變頻調(diào)速系統(tǒng)控制軟件的研究和設(shè)計(jì)。 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 43 頁(yè) 5 2交流電機(jī)變頻調(diào)速原理 三相交流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 定子是電動(dòng)機(jī)的不動(dòng)部分、它主要由鐵心、定子繞組和機(jī)座組成。定子繞組是定子中的電路部分，中，小型電動(dòng)機(jī)一般采用漆包線繞制卜其三相對(duì)稱繞組共有六個(gè)出線端，每相繞組的首端和末端分別用 D1,D2,D3 和 D4,D5,D6 標(biāo)記，可以根據(jù)電源電壓和電動(dòng)機(jī)的額定于電壓把三相繞組接成星形或三角形，參見(jiàn)圖 21。 D3 D1 D5 D3 D1 D5 D4 D2 D6 D2 D6 D4 D2 D1 D6 D5 D1 D4 D2 D3 D4 D3 D6 D5 圖 21三相交流異步電動(dòng)機(jī)接線柱的聯(lián)接 轉(zhuǎn)子是電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和風(fēng)扇等組成。轉(zhuǎn)子鐵心是一個(gè)圓柱體，也由硅鋼片疊壓而成，其外圓周表面沖有槽孔，以便嵌置轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子繞組根據(jù)其構(gòu)造分為兩種形式 :鼠籠式和線繞式。 (a)鼠籠式 鼠籠式轉(zhuǎn)子是在轉(zhuǎn)子飲心的槽內(nèi)壓進(jìn)銅條，銅條 的兩端分別焊接在兩個(gè)銅環(huán)基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 43 頁(yè) 6 上，因其形狀如同鼠籠，故得名。現(xiàn)在巾、小型電動(dòng)機(jī)更多地采用鑄鋁轉(zhuǎn)子，即把熔化的鋁澆鑄在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)，兩端的圓環(huán)及風(fēng)扇也一并鑄成。用鑄鋁轉(zhuǎn)子可節(jié)省銅材，簡(jiǎn)化了制造工藝，降低了電機(jī)的成本。 (b)線繞式 其轉(zhuǎn)子鐵心與鼠籠式相同，不同的是在轉(zhuǎn)子的槽內(nèi)嵌置對(duì)稱的三相繞組。三相繞組接成星形，末端接在一起，首端分別接在轉(zhuǎn)軸上三個(gè)彼此絕緣的銅制滑環(huán)上?；h(huán)對(duì)軸也是絕緣的，滑環(huán)通過(guò)電刷將轉(zhuǎn)子繞組的三個(gè)首端引到機(jī)座上的接線盒里，以便在轉(zhuǎn)子電路中串入附加電阻，用來(lái)改善電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速性能。 三相交流電機(jī)的工作原理 交流電動(dòng)機(jī)是利用載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中產(chǎn)生電磁力的原理制成的。 假設(shè)將定子繞組聯(lián)接成星形，并接在三相電源上，繞組中便通入三相對(duì)稱電流 : iU t?sinIm? (21) iv=Imsin(? t1200) (22) Iw=Imsin(? t+1200) (23) 其波形如圖 22所示。 三相電流共同產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)將隨著電流的交變而在空間不斷地旋 轉(zhuǎn)，即形成所謂的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)， i iu iv iw 0 1800 3600 t? 圖 22三相電流波形 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，便在其中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)和電流，如圖 23 所示。電動(dòng)勢(shì)的方向可由右手定則確定。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用便產(chǎn)生電磁力 F 施加于導(dǎo)體上。電磁力 F 的方向可由左手定則確定。由電磁力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 43 頁(yè) 7 而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向與磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的方向相同，而磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的方向與通入繞組的三相電流的相序有關(guān)。如果將聯(lián)接三相電源的三相繞組端子中的任意兩相對(duì)調(diào)，就可改變轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向。 F n0 F 圖 23轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)原理圖 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速 no 稱為同步轉(zhuǎn)速，其大小取決于電流頻率關(guān)和磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)p,當(dāng)定子每相繞組只有一個(gè)線圈時(shí)，繞組的始端之間相差 1200 空間角，如圖 23所示，則產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)具有一對(duì)極，即 p=，磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)一周，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的 (每分鐘 )轉(zhuǎn)速 no = 60f。若每相繞組有兩個(gè)線圈串聯(lián)，繞組的始端相差 600空間角，則產(chǎn)生兩對(duì)極，即 p=2。電流交變一次時(shí)，磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)半周，即 (每分鐘 )轉(zhuǎn)速 21600 fn? 以此類推，可得 pfn 1600? (24) 式中 : 0n 的單位為 minr 在我國(guó)，工頻 501?f Hz，電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)極對(duì)數(shù) p=1~4 由工作原理可知， 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 n必然小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速 0n 所謂“異步