【文章內(nèi)容簡介】 來達到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復(fù)雜的變換計算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出100%的額定轉(zhuǎn)矩，對于多拖動具有負(fù)荷平衡功能。 　?、?最優(yōu)控制 　　最優(yōu)控制在實際中的應(yīng)用根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對某一個控制要求進行個別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應(yīng)用中，就成功的采用了時間分段控制和相位平移控制兩種策略，以實現(xiàn)一定條件下的電壓最優(yōu)波形。 　　⑥其他非智能控制方式 　　在實際應(yīng)用中，還有一些非智能控制方式在變頻器的控制中得以實現(xiàn)，例如自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、差頻控制、環(huán)流控制、頻率控制等。 　 ⑵ 智能控制方式 　　智能控制方式主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、專家系統(tǒng)、學(xué)習(xí)控制等。在變頻器的控制中采用智能控制方式在具體應(yīng)用中有一些成功的范例。 　　① 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式應(yīng)用在變頻器的控制中，一般是進行比較復(fù)雜的系統(tǒng)控制，這時對于系統(tǒng)的模型了解甚少，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)既要完成系統(tǒng)辨識的功能，又要進行控制。而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式可以同時控制多個變頻器，因此在多個變頻器級聯(lián)時進行控制比較適合。但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)太多或者算法過于復(fù)雜都會在具體應(yīng)用中帶來不少實際困難。 　　②模糊控制 　　模糊控制算法用于控制變頻器的電壓和頻率，使電動機的升速時間得到控制，以避免升速過快對電機使用壽命的影響以及升速過慢影響工作效率。模糊控制的關(guān)鍵在于論域、隸屬度以及模糊級別的劃分，這種控制方式尤其適用于多輸入單輸出的控制系統(tǒng)。 　?、蹖＜蚁到y(tǒng) 　　專家系統(tǒng)是利用所謂“專家”的經(jīng)驗進行控制的一種控制方式，因此，專家系統(tǒng)中一般要建立一個專家?guī)?，存放一定的專家信息，另外還要有推理機制，以便于根據(jù)已知信息尋求理想的控制結(jié)果。專家?guī)炫c推理機制的設(shè)計是尤為重要的，關(guān)系著專家系統(tǒng)控制的優(yōu)劣。應(yīng)用專家系統(tǒng)既可以控制變頻器的電壓，又可以控制其電流。 　 ④學(xué)習(xí)控制 　　學(xué)習(xí)控制主要是用于重復(fù)性的輸入，而規(guī)則的PWM信號(例如中心調(diào)制PWM)恰好滿足這個條件，因此學(xué)習(xí)控制也可用于變頻器的控制中。學(xué)習(xí)控制不需要了解太多的系統(tǒng)信息，但是需要1~2個學(xué)習(xí)周期，因此快速性相對較差，而且，學(xué)習(xí)控制的算法中有時需要實現(xiàn)超前環(huán)節(jié)，這用模擬器件是無法實現(xiàn)的，同時，學(xué)習(xí)控制還涉及到一個穩(wěn)定性的問題，在應(yīng)用時要特別注意。 目前全球正面臨能源危機,節(jié)能降耗成為不可避免的重大問題,而這些能源中絕大部分是被電機消耗掉,所以研究電機的變頻調(diào)速得到了大家密切關(guān)注。目前節(jié)能降耗的主題已經(jīng)深入人心，世界各國都在紛紛研究開發(fā)節(jié)能電器，但多數(shù)都關(guān)注于大容量（功率）的電氣設(shè)備，而忽略了小容量電器的耗能。近年來，日本和歐洲一些科學(xué)家非常關(guān)注家用電器、小容量電器的節(jié)能降耗，這些年來我國家電研發(fā)者也開始越來越青睞家電的節(jié)能了。因為家電的用量非常大，一旦節(jié)能其規(guī)模和數(shù)量是非?？捎^的，因此關(guān)注家用電器的節(jié)能是世界發(fā)展潮流。而且減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率，提高設(shè)備使用效率。研發(fā)節(jié)能家電是將來市場的必然需求。本項目旨在設(shè)計出一個能夠根據(jù)需要來調(diào)節(jié)控制設(shè)備的運行狀態(tài)，達到電能合理利用，實現(xiàn)裝置的變頻運行。統(tǒng)計數(shù)字顯示，我國變頻器總的潛在市場應(yīng)為1200~1800億元，其中常壓變頻器約占市場份額的60％左右，中、高壓變頻器需求數(shù)量相對比較少，但由于單臺變頻器功率大、售價高，占市場的40%左右。況且，目前廣泛倡導(dǎo)的低碳經(jīng)濟，帶來的變頻空調(diào)，變頻洗衣機，變頻冰箱的大范圍使用。加之，我國家電產(chǎn)品在全世界的市場占有率高達80%。如果我們能夠很好的利用這個優(yōu)勢，這給我們也是一個非常好的發(fā)展機會。另外，我們設(shè)計的這款變頻器完全可以進行優(yōu)化后做到體積很小，質(zhì)量很輕，將會有很強的市場競爭力。如果實現(xiàn)批量生產(chǎn)，成本進一步壓縮，能夠和空調(diào)、洗衣機、冰箱、油煙機等作為內(nèi)置設(shè)備捆綁銷售，只需要比普通非變頻的家電高出少量的錢，但是節(jié)能效果是顯而易見的。加上價格上的優(yōu)勢，我們的市場占有率將會提高。本系統(tǒng)是采用交直交電力電子變壓變頻的典型結(jié)構(gòu)，以額定功率為1KW的空調(diào)壓縮機作為負(fù)載，通過計算與仿真，獲得各個電子器件的參數(shù)。相比普通的單相電機,異步電機由于具有結(jié)構(gòu)簡單,制造成本較低等優(yōu)點,以及單相電機在諸多領(lǐng)域尤其家用電器中的廣泛應(yīng)用,使得它在工業(yè)控制特別是家用電器行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。在系統(tǒng)硬件電路設(shè)計過程中,采用美國Microchip公司生產(chǎn)的具有DSP內(nèi)核的dsPIC30F6010A芯片作為系統(tǒng)控制器,不僅滿足了單相電動機變頻調(diào)速控制的實時性要求,而且使系統(tǒng)的硬件電路變得更加簡單。文章中詳細(xì)介紹了檢測電路、控制電路及其它外圍電路的設(shè)計。軟件設(shè)計部分包括主程序、SVPWM子程序和故障中斷子程序,整個程序采用模塊化設(shè)計,便于程序的修改和移植。在研究SVPWM的同時,本人也對當(dāng)今應(yīng)用比較成熟的SPWM控制方法進行了研究,通過兩者實驗波形的比較,體現(xiàn)了SVPWM的優(yōu)良性能。實驗證明使用SVPWM控制單相電機能夠達到良好的效果。20世紀(jì)60年代以后，電力電子器件經(jīng)歷了SCR(晶閘管)、GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)、顯示光電BJT(雙極型功率晶體管)、MOSFET(金屬氧化物場效應(yīng)管)、SIT(靜電感應(yīng)晶體管)、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管)、MGT(MOS控制晶體管)、MCT(MOS控制晶閘管)、IGBT(盡緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT(耐高壓盡緣柵雙極型晶閘管)的發(fā)展過程，器件的更新促進了電力電子變換技術(shù)的不斷發(fā)展。20世紀(jì)70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM－VVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化題目吸引著人們的濃厚愛好，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世紀(jì)80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達國家的VVVF變頻器已投進市場并獲得了廣泛應(yīng)用。我國從第一臺變頻器生產(chǎn)，再經(jīng)過30年不斷的研發(fā)和實踐，同時隨著新型電子技術(shù)不斷提高，變頻器的功能設(shè)計越來越完善，穩(wěn)定性越來越好，變頻器的性價比越來越高，體積越來越小。面對市場的競爭，廠家不斷對變頻器進行更多更完善的改進。 　　變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實現(xiàn)對交流異步電機的軟起動、變頻調(diào)速、提高運轉(zhuǎn)精度、改變功率因數(shù)、過流/過壓/過載保護等功能。 電動機使用變頻器的作用就是為了調(diào)速，并降低啟動電流。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC），這個過程叫整流。把直流電（DC）變換為交流電（AC）的裝置，其科學(xué)術(shù)語為“inverter”(逆變器)。一般逆變器是把直流電源逆變?yōu)橐欢ǖ墓潭l率和一定電壓的逆變電源。對于逆變?yōu)轭l率可調(diào)、電壓可調(diào)的逆變器我們稱為變頻器。變頻器輸出的波形是模擬正弦波，主要是用在三相異步電動機調(diào)速用，又叫變頻調(diào)速器。對于主要用在儀器儀表的檢測設(shè)備中的波形要求較高的可變頻率逆變器，要對波形進行整理，可以輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，叫變頻電源。一般變頻電源是變頻器價格的15－－20倍。變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發(fā)展。 變頻器性能的優(yōu)劣，一要看其輸出交流電壓的諧波對電機的影響，二要看對電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù)，三要看本身的能量損耗（即效率）如何？這里僅以量大面廣的交—直—交變頻器為例，闡述它的發(fā)展趨勢： 主電路功率開關(guān)元件的自關(guān)斷化、模塊化、集成化、智能化，開關(guān)頻率不斷提高，開關(guān)損耗進一步降低。 圖13 高性能塑殼變頻器　　變頻器的網(wǎng)側(cè)變流器對低壓小容量的裝置常采用6脈沖變流器，而對中壓大容量的裝置采用多重化12脈沖以上的變流器。負(fù)載側(cè)變流器對低壓小容量裝置常采用兩電平的橋式逆變器，而對中壓大容量的裝置采用多電平逆變器。對于四象限運行的傳動，為實現(xiàn)變頻器再生能量向電網(wǎng)回饋和節(jié)省能量，網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)為可逆變流器，同時出現(xiàn)了功率可雙向流動的雙PWM變頻器，對網(wǎng)側(cè)變流器加以適當(dāng)控制可使輸入電流接近正弦波，減少對電網(wǎng)的公害。目前，低、中壓變頻器都有這類產(chǎn)品。 　　脈寬調(diào)制變壓變頻器的控制方法可以采用正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）控制、消除指定次數(shù)諧波的PWM控制、電流跟蹤控制、電壓空間矢量控制（磁鏈跟蹤控制）。交流電動機變頻調(diào)整控制方法的進展主要體現(xiàn)在由標(biāo)量控制向高動態(tài)性能的矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制發(fā)展和開發(fā)無速度傳感器的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)方面。 　　微處理器的進步使數(shù)字控制成為現(xiàn)代控制器的發(fā)展方向：運動控制系統(tǒng)是快速系統(tǒng)，特別是交流電動機高性能的控制需要存儲多種數(shù)據(jù)和快速實時處理大量信息。近幾年來，國外各大公司紛紛推出以DSP（數(shù)字信號處理器）為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以電機控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內(nèi)的稱為DSP單片電機控制器，價格大大降低，體積縮小，結(jié)構(gòu)緊湊，使用便捷，可靠性提高。DSP和普通的單片機相比，處理數(shù)字運算能力增強10～15倍，以確保系統(tǒng)有更優(yōu)越的控制性能。數(shù)字控制使硬件簡化，柔性的控制算法使控制具有很大的靈活性，可實現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律，使現(xiàn)代控制理論在運動控制系統(tǒng)中應(yīng)用成為現(xiàn)實，易于與上層系統(tǒng)連接進行數(shù)據(jù)傳輸，便于故障診斷加強保護和監(jiān)視功能，使系統(tǒng)智能化（如有些變頻器具有自調(diào)整功能）。 交流同步電動機已成為交流可調(diào)傳動中的一顆新星，特別是永磁同步電動機，電機獲得無刷結(jié)構(gòu)，功率因數(shù)高，效率也高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速嚴(yán)格與電源頻率保持同步。同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)有他控變頻和自控變頻兩大類。自控變頻同步電機在原理上和直流電機極為相似，用電力電子變流器取代了直流電機的機械換向器，如采用交—直—交變壓變頻器時叫做“直流無換向器電機”或稱“無刷直流電動機（BLDC）”。傳統(tǒng)的自控變頻同步機調(diào)速系統(tǒng)有轉(zhuǎn)子位置傳感器，現(xiàn)正開發(fā)無轉(zhuǎn)子位置傳感器的系統(tǒng)。同步電機的他控變頻方式也可采用矢量控制，其按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制比異步電機簡單。 2硬件電路設(shè)計本系統(tǒng)要實現(xiàn)產(chǎn)生兩對互補的SPWM波來驅(qū)動單相IGBT逆變橋，同時具有IGBT內(nèi)部溫度檢測、直流電壓檢測、輸出電流檢測等功能，并能夠?qū)崟r地把檢測到的各種參數(shù)通過CAN總線傳輸給上位PC機，同時能夠隨時接收上位PC機發(fā)送下來的各種命令，如單相電機的起、停、轉(zhuǎn)速等，并能夠按照收到的命令正確地控制單相電機工作。基于以上要求，可以提出下面的解決面案。一種是使用TI公司的DSP作為控制芯片，它內(nèi)部集成有多個PWM通道，可以產(chǎn)生控制需要的SPWM波；具有CAN總線模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)和其他CAN總線上的節(jié)點通信；具有10位的ADC模塊，能夠較準(zhǔn)確、較方便地實現(xiàn)溫度檢測。由于其內(nèi)部資源豐富，可以使用較少的外圍器件，即可輕松實現(xiàn)本系統(tǒng)所需要的功能。但是TI公司的DSP芯片一般要求環(huán)境溫度為0~70℃，而本系統(tǒng)需要其工作在150℃的高溫環(huán)境下，這點不能滿足本系統(tǒng)要求?？刂破鞴ぷ髟跇?biāo)稱環(huán)境外，增加了其性能的不確定性，而電機控制要求其控制必須可靠，故不能使用這種方案。另外就是使用Microchip公司生產(chǎn)的DSPIC系列微控制器。Microchip公司生產(chǎn)有專門的耐高溫器件，以使其應(yīng)用于高溫高壓等惡劣環(huán)境下。而DSPIC30F6010A是Microchip公司生產(chǎn)的一款可適用于電機控制等領(lǐng)域的數(shù)字信號控制器，其高溫型標(biāo)稱工作環(huán)境溫度可高達125℃。經(jīng)過試驗驗證，這種芯片可在150℃以上時仍能正?？煽康毓ぷ?。另外，DSPIC30F6010A這款控制器內(nèi)部集成有PWM模塊、CAN模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）模塊、輸入捕捉（IC）模塊等，可以很容易的產(chǎn)生SPWM控制信號，和上位PC機實現(xiàn)CAN總線通信，測速測溫電路也可以使用傳感器和簡單的外圍電路實現(xiàn)?？傊@款單片機可以滿足本系統(tǒng)的全部需要。故此，本系統(tǒng)選用DSPIC30F6010A這款微控制器。其他外圍器件根據(jù)需要適當(dāng)選取。如圖21為本系統(tǒng)的方案框圖。確定了單片機，就可以利用單片機的資源進行電路的設(shè)計。DSPIC30F6010A這款單片機具有4個PWM模塊，可輸出8路的PWM波，即可以為獨立輸出模式，也可以選擇互補輸出模式。 本系統(tǒng)中選用的是PWMPWM二個PWM模塊，在單片機PWM1L、PWM1H、PWM2L、PWM2H，4個管腳上會輸出2路互補的PWM波形來驅(qū)動逆變橋。此單片機具有兩個CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，本系統(tǒng)中只用了其中的一個：CAN1。用CAN1模塊即可完成本系統(tǒng)所需要 圖21 系統(tǒng)模塊框圖的數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)。CAN1的數(shù)據(jù)收發(fā)分別對應(yīng)于單片機的C1RX和C1TX管腳。直流電壓檢測使用的是單片機內(nèi)部的模擬輸入通道，信號從AN9管腳進入單片機。信號的采集使用的是TL082差分放大電路，其特點有，較低的輸入電壓和偏移電流；輸出設(shè)有短路保護；輸入級具有較高的輸入阻抗；內(nèi)建頻率補償電路；較高的壓擺率。輸出電流檢測使用的也是單片機內(nèi)部的模擬輸入通道，信號從AN6進入單片機。信號采集使用的是LF353四電壓比較器，在輸入差分放大級和主電壓放大級之間是一個由射極跟隨器構(gòu)成的電流放大級，用來提高主電壓放大級的輸入阻抗和共源極差分電路的負(fù)載增益。IGBT內(nèi)部溫度檢測使用的也是單片機內(nèi)部的模擬輸入通道，信號從AN10管腳進入單片機。信號采集端使用的是IGBT內(nèi)部自帶的NTC，它的阻值不隨溫度呈線性變化，需做適當(dāng)處理，將它們的關(guān)系線性化，這樣就可以直接使用單片機的ADC模塊檢測IGBT的內(nèi)部溫度。選定了主要器件，通過需求分析，設(shè)計出了圖22所示的系統(tǒng)。經(jīng)過理論分析和實踐驗證，本系統(tǒng)是符合設(shè)計要求的。 SPWM技術(shù)介紹采樣控制理論中有一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時,其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),對半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制,既可改變逆變電路輸出電壓的大小,也可改變其輸出頻率。SPWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出,但