【文章內容簡介】 調速 系統(tǒng) 的控制板 ，并 進行了抗干擾措施的分析討論 。 本論文的章節(jié)安排：第一章緒論，介紹了本課題研究的背景、方法及發(fā)展趨勢；第二章介紹了 矢量控制 的原理及實現(xiàn)， 以及 SVPWM 原理 ； 第三章 主要講了變頻系統(tǒng)控制板的硬件設計，介紹了電源電路、通信接口電路以及調理板 電路設計 ；第四章 對控制板的 PCB 進行設計 ；第五章 對硬件 和軟件 抗干擾做了簡要介紹 。 6 2. 矢量控制原理 概述 轉子磁鏈定向條件下的電機模型 異步電動機經過坐標變換可以等效成直流電動機，所以模仿直流電動機的控制策略，就可以控制這個等效的 “ 直流電動機 ” 從 而獲得較好的轉矩特性，也就能夠較好地控制異步電動機的電磁轉矩了。由于進行坐標變換的是電流 (代表磁動勢 )的空間矢量，所以這樣通過坐標變換實現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫做矢量控制系統(tǒng)。由于是以轉子磁鏈的方向作為 M 軸的方向，學術界也將這種控制策略稱為轉子磁鏈定向 [4]。 異 步電機矢量控制調速系統(tǒng)的控制方式比較復雜，首先建立一個適當?shù)臄?shù)學模型對其進行分析。在忽略磁飽和、渦流及鐵芯損耗且假定電機定轉子三相繞組完全對稱的前提下，建立異步電機的坐標系，在該坐標系中分別標出了 abc 三相靜止坐標系、 αβ兩相靜止坐標系和以 ω(相對于 a 相繞組軸線 )旋轉的 dq 旋轉坐標系 [5]，坐標系如圖 21 所示 。 ?abcdq???is 圖 21 異步電機的坐標系 在 dq 坐標系下分析轉子磁鏈定向時異步電機的模型以及以轉子磁鏈定向的作用，選擇 ? ?Tsqsdsdq iii ? ， ? ?Trqrdrdq ??? ? 作為狀態(tài)變量。 7 則電壓方程為： ? ? ? ?? ?? ? ???????????? ????????????? r d qs d qSrrmrmssss d q iJIpTITL JpILLJLIpLRu ?????? 10 11 (21) 在進行兩相同步旋轉坐標變換時只規(guī)定了 d， q 兩軸的相互垂直關系和與定子頻率同步的旋轉速度，并未規(guī)定兩軸與電機旋轉磁場的相對位置。 如果取 d 軸沿轉子磁鏈矢量 ψr 的方向，稱之為 M(magization)軸，而 q軸為逆時針轉 90176。，即垂直于矢量 ψr，稱之為 T(torque)軸，這樣的兩相同步旋轉坐標系就具體規(guī)定為 MT 坐標系，即按轉子磁鏈 定向的旋轉坐標系 [6]。 由于是是轉子磁鏈 ψr 的方向作為 M 軸的方向，此時應有： rrM ??? ??rd (22) 0rq ?? rT?? (23) 將上式帶入轉矩方程式和式，并用 {M， T}替代 {d， q}，可得此時電磁轉矩和電 方程分別為： ? ?? ?? ?? ? rMrsTrmprMsTrmprTsMrMsTrmpipTiLLniLLniiLLnT11e2???????? (24) ? ????????????????????????????????????????????0000100000111rMsTsMsrmrrmrmsssrmssssTsMiiTLpTTLLLpLRLpLLLpLRuu????????? (25) 式 (25)中，由于 ψr=0，矩陣的第 3 列可改寫為零。 對于滑差頻率 s? ，由第 4 行sTrmrMs iLL?? ??0可得： 01 ????rTrMrsTmrs T iL????? (26) 同時，由式 (25)第 3 行可得： sMr mrM ipT L 1??? (27) 式 (27)表明，轉子磁鏈 ψr 僅由定子電流勵磁分量 isM 產生，與轉矩分量 isT無關，從這個意義上看，定子電流的勵磁分量與轉矩分量是解耦的，而且 ΨrM 與isT 之間的傳遞函數(shù)是一階慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù) Tr 為轉子時間常數(shù)，當勵磁電流分量 isM 突變時， Ψr 的變化要受到勵磁慣性的阻撓，這和直流電動機勵磁繞組的慣性作用是一致的。由式 (24)可知， Te 同時受到變量 isT 和 ΨrM 的影響，仍然 8 是耦合的。 ΨrM=|Ψr|=Const 條件下電磁轉矩 Te 與轉矩電流分量 isT 變成了線性 關系，因此，對轉矩的控制問題就轉化為對轉矩電流分量的控制問題。 此外，由電機原理知，為了輸出最大轉矩，通常需要使電機工作在額定磁鏈狀態(tài)。 注意到在 ΨrM=|Ψr|=Const 條件下， ? ? rMrm LL ??1 可由式 (26)得到以下等式： ? ? ? ?? ?? ? ? ?sTrrmrMrmrrMrmsrrMrm iRLLLL LLLL 21 ?? ?? ?? ????? (28) 如圖 22 所示，由于參數(shù) σLs 的值非常小，可以忽略耦合項 ω1σLs 對各軸的影響，所以 ΨrM=Const 條件下電機可被分為兩個相互基本獨立并具有以下特征的子 系統(tǒng)。 (1) 由電壓分量 usM 作為輸入、定子電流的勵磁分量 isM 決定的勵磁子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)可以保證電機工作在設計的額定勵磁值附近，這樣電機可輸出最大的電磁轉矩。 (2) 由電壓分量 usT 作為輸入、定子電流的轉矩分量 isT 作為輸出的轉矩子系統(tǒng)，轉矩分量 isT 與轉矩 Te 為線性關系。 圖 22 中的項 (Lm/Lr)ψrMωr 正比于轉子轉速，該項相當于他勵直流電機的反電勢。在 MT 坐標系下電機電壓方程仍有 4 個獨立狀態(tài)變量，即定子電流 {isT， isM}轉子磁鏈矢量的幅值 ψrM 和位置 θr。 1ssR L p??1 sL??1 sL??21{ ( / ) }s r m r sR R L L L p???pnepnJsMusTusMisTi rTi?++.rM C onst? ?LTeT r?1mrLTp ?+mrLL /mrLLM 軸?軸r? 圖 22 TM 坐標上 Ψ rM=|Ψ r|=Const 條件下異步電機的模型 9 轉子磁鏈開環(huán)轉差型矢量控制系統(tǒng)的算法 根據(jù)公式 (21)與公式 (27)等價性，利用式 (27)得到的滑差頻率計算磁鏈的位置，利用式 (28)求得磁鏈幅值。這樣構成的系統(tǒng)反而會簡單一些。 如圖 23 所示，目的是求得轉子磁鏈幅值 ψrM 和磁鏈位置 θr 以在控制器中重構域電機相同的 MT 模型。設電機的 Tr 已知，則可在控制器中設定 Tr*=Tr，由于電機的定子電流 is 可測，由式可得轉差角頻率： ? ? rMsTrmS iTL ?? // ?? (29) T M1? *r?*r?T*sTi sMi M1? r?r?sTi sMi (a) 控制器中的模型示意 (b) 實際電機模型示意 圖 23 電機中的 MT 坐標和控制器中的 MT 坐標 此外，在系統(tǒng)中一般設計定制電流閉環(huán)以使得： ss ii?* ， 即 sTsT ii ?* ， sMsM ii ?* (210) 所以一般在工程上有： **** )( rMsTrms iTL ?? ? (211) 式中， ψrM*為轉子磁鏈幅值的指令值，其額定值可根據(jù)電機的參數(shù)求得。 由于轉子轉速 ωs 可被檢測，所以轉子磁鏈的位置可由式 (211)得出： )0()(0 ** rt srrr dt ????? ???? ? (212) 對于異步電機，由于其轉子磁鏈的初始位置 θr(0)是由定子電流決定的，如果在系統(tǒng)運行開始時就采用矢量控制，可以認為 θr(0)=0。 所以在 Tr*=Tr 和 is*=is的條件下，依據(jù)式 (29)可以通過控制器內的間接運算得到轉子磁鏈的位置 [7]。 dttsrr ? ?? 0 * )( ??? (213) 得到磁鏈位置 θr 后，可以 通過旋轉變換得到勵磁電流分量 isM，進而可以根據(jù)式求得 ψrM*并實施反饋控制 ，間接控制矢量結構 如圖 24 所示。 10 整 流 器V S II MA / DS V P W M2 r / S VA C RMA C RT1 / Lm3 s / 2 r??? ?erMmprsT TLnLi?A S RA P Rnp∫∫ωs*= ( Lm/ Tr*) is T*/ ψr M*+uA , B , C iA , B , C 速 度傳 感 器交 流 電 源ψr M*is M*+++++us M*is T*us T*is Tis MT e*ωr*ωrωs*ωrθr* 圖 24 間接矢量控制框圖 (1) 轉速調節(jié)器 ASR 的輸出是轉矩指令 Te*，由矢量控制方程式可求出定子電流轉矩分量轉差頻率給定信號 ωs*可由式 (211)計算，而轉矩電流分量 isT*由式的變形即式 (214)得到： *** erMmprsT TLn Li ?? (214) (2) 由式 (211)用轉差頻率給定信號 ωs*與測得的轉子轉速，可以計算出轉子磁鏈的位置 θr*。 (3) 定子電流勵磁分量給定信號 isM*和轉子磁鏈給定信號 ψr*之間的關系如式 (27)所示。運行時如果設定 ψrM*=Const，就可以將式中比例微分環(huán)節(jié)省略，用 isM*=ψrM*/Lm 得到 isM*。此外，在條件下，某些控制方案化簡式 (210)和式 (211)，按下式計算 ωs*和 isT*。 **** )1( sMsTrs iiT?? (215) **2* esMmp rsT TiLn Li ? (216) (4) 檢測出的定子電流經 3/2 變換和旋轉變換后得到 MT 軸上的 [isM isT]T，并由此構成電流反饋控制。 (5) MT 軸的電流調節(jié)器 ACR 的輸出為 [isM isT]T，經旋轉反變換之后作為電壓型逆變器的控制信號，在圖中用 2r/SV 表示。 (6) 圖所示系統(tǒng)的電流控制在 MT 坐標系上進行。由于穩(wěn)態(tài)時為直流形態(tài)，并且由圖 24 可知電流環(huán)的傳函簡單，因此使用 PI 調節(jié)器就可以獲得 較好的電流響應，也就是獲得較優(yōu)良的轉矩動態(tài)響應。 間接型矢量控制系統(tǒng)的磁場定向由磁鏈和轉矩的給定信號和速度檢測值確 11 定、靠無靜差的電流環(huán)保證，并沒有采用磁鏈模型實際計算轉子磁鏈及其相位，所以屬于間接的磁場定向。此外，轉矩控制的效果取決于電流控制的快速性與精度以及控制器中的轉子轉差角頻率 ωs*是否與電機的真值 ωs 相等。 坐標變換技術 異步電動機的數(shù)學模型之所以復雜，是因為有一個復雜的 66 電感矩陣，它體現(xiàn)了影響磁鏈和受磁鏈影響的復雜關系，要簡化數(shù)學模型，需從簡化磁鏈關系入手。由圖 21 可知，電機方程式除 了用三相靜止坐標系表示外，還可以用其它坐標來表示，如兩相靜止坐標系，兩相旋轉坐標系，根據(jù)本章設計需要，列出2s/2r 變換和 3s/2r 變換的關系如下： 三相靜止 /任意二相旋轉坐標系上的變換 (3s/2r變換 ) 三相靜止坐標系到兩相旋轉坐標系的變換矩陣和逆變換矩陣如下 [13]： 3 s / 2 r22c os c os ( ) c os ( )332 2 2si n si n( ) si n( )3 3 31 1 1