【正文】 2. 根據(jù)系統(tǒng)的通體設(shè)計要求，在實現(xiàn)要求功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計了變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體方案。 本章小結(jié) 本章列舉了變頻器的仿真模型，并觀察不同頻率下的各模塊輸出波形，最后通過仿真輸出波形分析了變頻器的變速原理。在電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩將隨轉(zhuǎn)速下降而增大，電機(jī)負(fù)載增加，轉(zhuǎn)速必然下降，旋轉(zhuǎn)磁場切割導(dǎo)體的速度增加，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)較大的電流，增加電磁力對轉(zhuǎn)子的推動作用，使電機(jī)長生較大轉(zhuǎn)矩。 3. 轉(zhuǎn)矩越大，功率也就越大，但是同時也更耗電。 2. 隨著輸入頻率的減小，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之減小，并且與輸入頻率的減小成比例，當(dāng) f=20 時， f=10 時， f=5 時，即實現(xiàn)變頻調(diào)速的目的。 1011010 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1101 (a)20Hz 時 IGBT 觸發(fā)信號 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 35 1011010 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1101 (b)15Hz 時 IGBT 觸發(fā)信號 1011010 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1101 (c)10Hz 時 IGBT 觸發(fā)信號 1011010 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1101 (d)5Hz 時 IGBT 觸發(fā)信號 圖 57 各頻率下生成的 PWM 波波形 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 36 5 0 00500 5 0 005000 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 5 0 00500 (a)20Hz 時逆變電路輸出電壓波形 5 0 00500 5 0 005000 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 5 0 00500 (b)15Hz 時逆變電路輸出電壓波形 5 0 00500 5 0 005000 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 5 0 00500 (c)10Hz 時逆變電路輸出電壓波形 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 37 5 0 00500 5 0 005000 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 5 0 00500 (d) 5Hz 時逆變電路輸出電壓波形 圖 58 各頻率下逆變后生成電壓波形 隨著輸入頻率逐漸減小，電動機(jī)輸入的線電壓的頻率也隨之減小，周期逐漸增大，但幅值保持不變。如在波比 N 的公式所示 (51) 式中，是載波信號的頻率，是參考信號的頻率。如圖 56(a)(b)(c)(d)所示 。如圖 55 所示 。如圖 54 所示 。 某一對二極管導(dǎo)通時，輸出電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的 一個，該線電壓既向電容供電，也向負(fù)載供電。如圖53 所示 。 圖 51 仿真電路總體設(shè)計 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 31 圖 52 三相整流橋 在本 文 中，采用脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過對一系列脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，對等效的獲得需要的波形（含形狀和幅值）。是被調(diào)制以傳輸信號的波 形，一般為正弦波。橋臂 5 的電流相加可得到直流側(cè)電流的波形，每 60 脈動一次，直流電壓基本無脈動，因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的公路是脈動的，這是電壓型逆變電路的一個特點。任意瞬間有三個橋臂同時導(dǎo)通。 三相不可控整流電路如圖 52。 本次設(shè)計主要用的是 M 語言進(jìn)行編程仿真，通過顯示的坐標(biāo)曲線圖形來觀察仿真效果，得出結(jié)論。目前MATLAB 產(chǎn)品的工具箱有 40 多個，分別涵蓋了數(shù)據(jù)獲得，計算科學(xué)、控制系統(tǒng)設(shè)計與分析、數(shù)字信 號處理、數(shù)字圖像處理、金融財務(wù)分析以及生物遺傳工程等專業(yè)領(lǐng)域。 MATLAB 簡介 MATLAB 是目前國際上最流行、應(yīng)用最廣泛的科學(xué)與工程計算軟件，其強(qiáng)項就是強(qiáng)大的矩陣計算。另一方面是由于系統(tǒng)仿真方法具有可控性、無破壞性、安全、不受外界條件的限制等優(yōu)點，他能通過建立逼真的仿真模型和在計算機(jī)上反復(fù)的仿真實驗，對復(fù)雜問題進(jìn)行綜合分析和比較，從而為科學(xué)決策提供了可靠的依據(jù)。系統(tǒng)仿真如此蓬勃發(fā)展，一方面由于本文面臨的各種實際系統(tǒng)往往都是包括大量隨機(jī)因素的動態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計，在日本企業(yè)，用系統(tǒng)工程解決的事件管理與決策的問題中，有 80%以上是通過系統(tǒng)仿真方法解決的。 仿真技術(shù)是集控制論、系統(tǒng)理論、相似原理、計算機(jī)技術(shù)于一體的綜合性高科技。 系統(tǒng)仿真是指使用數(shù)學(xué)計算機(jī)設(shè)備來模擬或描述一個系統(tǒng)或過程的行為從而解決問題的一種技術(shù)。從而選出適合不同情況下，最合適的控制方式。 以上討論的控制方法的控制特性的技術(shù)指標(biāo)見表 41 所示。3%（帶 PG）。其他公司也以直接轉(zhuǎn)矩控制為努力目標(biāo)，如富士公司的 FRENIC5000VG7S系列高性能無速度傳感器矢量控制通用變頻器，雖與直接轉(zhuǎn)矩控制方式還有差別，但它也已做到了速度控制精度177。 1995 年 ABB公司首先推出的 ACS600 系列直接轉(zhuǎn)矩控制通用變頻器，動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度已達(dá)到 2ms，在帶速度傳感器 PG 時的靜態(tài) 速度精度 達(dá)土 %，在不帶速度傳感器 PG 的情 況下即使受到輸入電壓的變化或負(fù)載突變的影響，同樣可以達(dá)到 177。 Depenbrock 最初提出的直接自 控制理論 ，主要在 高壓 、大功率且開關(guān)頻率較低的逆變器控制中廣泛應(yīng)用。它不需要將交流電動機(jī)化成等效直流電動機(jī)，因而省去了矢量變換中的許多復(fù)雜計算，它也不需要模仿直流電動機(jī)的控制，從而也不需要為 解耦 而簡化交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，而只需關(guān)心電磁轉(zhuǎn)矩的大小，因此控制上對除定子電阻外的所有電機(jī)參數(shù)變化 魯棒性 良好，所引入的定子 磁鏈 觀測器能很容易得到磁鏈模型，并方便地估 算出同步速度信息，同時也很容易得到轉(zhuǎn)矩模型，磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型就構(gòu)成了完整的電動機(jī)模型，因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器控制，如果在系統(tǒng)中再設(shè)置轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，即可進(jìn)一步得到高性能動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制了。除了以上幾種最主要的方面外，一些學(xué)者還通過其他途徑試圖提高系統(tǒng)的性能。這樣既增加了成本，又降低了系統(tǒng)的可靠性。死區(qū)效應(yīng)積累的誤差使逆變器 輸出電壓 失哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 真，于是又產(chǎn)生電流失真，加劇轉(zhuǎn)矩脈動和系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定等問題，在低頻低壓時，問題更嚴(yán)重，還會引起轉(zhuǎn)矩脈動。顯然，轉(zhuǎn)矩和磁鏈的偏差區(qū)分的越細(xì)，電壓矢量的選擇就越精確，控制性能也就越好。因為不同的電壓矢量對轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的調(diào)節(jié)作用不相同，所以只有根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)矩和磁鏈的實時值來合理的選擇 。目前，常用的方法有參考模型自適應(yīng)法、 卡爾曼濾波 法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊理論構(gòu)造在線觀測器的方法對定子 電阻 進(jìn)行補(bǔ)償，研究結(jié)果表明，在線辨識是一 個有效的方法。采用簡單的 ui 磁鏈 模型，在中高速區(qū)，定子電阻的變化可以忽略不考慮，應(yīng)用磁鏈的 ui 磁鏈模型可以獲得令人滿意的效果； 但在低速時定子 電阻 的變化將影響磁通發(fā)生畸變，使系統(tǒng)性能變差。有的學(xué)者從模型參考自適應(yīng)理論出發(fā)，利用轉(zhuǎn)子磁鏈方程構(gòu)造了無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，只要選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)自適應(yīng)律，速度辨識器就可以比較準(zhǔn)確地辨識出電機(jī)速度。因此 ，無速度傳感器的研究便成了交流傳動系統(tǒng)中的一個重要的研究方向，且取得了一定的成果。直接轉(zhuǎn)矩控制也具有明顯的缺點即：轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動。它省去了復(fù)雜的矢量變換與電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡化處理，沒有通常的 PWM 信號發(fā)生器。 1987 年，直接轉(zhuǎn)矩控制理論又被推廣到 弱磁調(diào)速 范圍。 直接轉(zhuǎn)矩控制 (Direct Torque Control， DTC)變頻調(diào)速，是繼矢量控制技術(shù)之后又一新型的高效變頻調(diào)速技術(shù)。這種直接轉(zhuǎn)矩控制方法不僅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對電機(jī)參數(shù)變化不敏感，而且控制性能比矢量控制還要好，這是目前最先進(jìn)的控制方式。它以異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量，強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，并不極力追求正弦波。 直接轉(zhuǎn)矩控制 由于矢量控制對電機(jī)參數(shù)變化的依賴性較大，特別當(dāng)電機(jī)參數(shù)變化較大時，難以保證動態(tài)過程完全解耦。以正弦函數(shù)為例，它的輸入 數(shù)據(jù)為 Q15，任何 ?π 和 π之間的數(shù)可以表示為，數(shù)據(jù)被放大了近 10430 倍，因此精度大大的提高。 為了提高代碼的效率，論文采用了 TI公司提供的 QMATH數(shù)學(xué)函數(shù)庫，該數(shù)學(xué)函數(shù)庫為定點數(shù)學(xué)函數(shù)庫，它包括所有的三角函數(shù)、求平方根函數(shù)、除法等用 C 代碼實現(xiàn)效率比較低的函數(shù)。在本論文中，是通過給定角度來確定空間電壓矢量的。 仿照上述的計算方法，同理可推得 Vref處于其它扇區(qū)時的開關(guān)矢量作用時間。把用矢量表示的式 (45)分解到 α?β坐標(biāo)軸上，如圖 42 所示，寫成標(biāo)量形式： 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 圖 42 矢量分解 (46) 式中 由上式解得兩個矢量的作用時間： (47) 然后計算零矢量的作用時間 : 1. 若 +，則 = 2. 若 +，則要采用過調(diào)制的方法。又因為 PWM 中斷周期 TS 很小，認(rèn)為在一個周期內(nèi) Vref是不變的。不失一般性，假設(shè) Vref 處于扇區(qū) Ⅲ ，則 Vref可以由 V4 和 V6 合成。 PWM 調(diào)制的基本原理是用若干個開關(guān)電壓矢量去逼近給定的參考空間電壓矢量 [14]。逆變器輸出的開關(guān)電壓矢量為 (41) 式中， 、 、 分別是逆變器三相橋臂的開關(guān)狀態(tài)。它以三相對稱正弦電壓供電時電機(jī)的理想圓形磁通軌跡為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準(zhǔn)磁通圓，并由它們比較的結(jié)果決定逆哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 變器的開關(guān)狀態(tài)，形成 PWM 波形。其優(yōu)點是轉(zhuǎn)差頻率變化能反映負(fù)荷變化，能適應(yīng)于系統(tǒng)急劇加速時及負(fù)載變化大的情況，大大提高了加速控制精度，但其機(jī)械特性同 恒壓頻比 控制方式一樣都是非線性的，因而產(chǎn)生的動態(tài)轉(zhuǎn)矩受到限制。 從頻率指令和定子端電壓指令后，其線路結(jié)構(gòu)和 恒壓頻比 控制方式相同。該方式往往包含電流控制環(huán)節(jié)，由于轉(zhuǎn)差頻率和電流共同被控制，因而穩(wěn)定性較好，能承受急劇的加減速和負(fù)載波動，并因采用了速度反饋環(huán)節(jié)，大大提高了轉(zhuǎn)速控制精度。 由于 恒壓頻比 控制方式在前面已經(jīng)作了 詳 細(xì)介紹，這里不在贅述 。定子頻率控制是異步電機(jī)獲得平穩(wěn)調(diào)速的關(guān)鍵。在磁通恒定時，不同頻率異步電機(jī)的機(jī)械特性硬度變化很小，所以在調(diào)速時氣隙磁通保持為恒定值至關(guān)重要。 保護(hù)現(xiàn)場 封鎖 PWM 信號 判斷故障類型設(shè)置故障標(biāo)志 恢復(fù)保護(hù) 中斷入口 退出中斷 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 第 4 章 通用變頻器控制算法研究 變頻調(diào)速的主要工作原理是借助于控制技術(shù)、電力電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，使系統(tǒng)獲得需要的電壓、電流和頻率。 圖 311 主 程序 流程 初始化系統(tǒng)配置寄存器 初始化外設(shè) 初始化參數(shù) 開中斷 上強(qiáng)電 啟動 開始 進(jìn)入程序 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 圖 312 中斷服務(wù)程序 本章小結(jié) 本章主要介紹變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)，對硬件系統(tǒng)的各部分的電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析。 故障中斷服務(wù)程序的功能是對系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行檢測，當(dāng)故障發(fā)生時進(jìn)行診斷，并作出相應(yīng)的處理措施。本文涉及的系統(tǒng)主要有過呀故障過流故障 IGBT 故障，一旦出現(xiàn)故障時，故障信號就會被傳送到 CPU,判斷是否關(guān)斷 PWM 波輸出。在變頻器未運(yùn)行時，可以通過鍵盤來設(shè)置參數(shù)，這些參數(shù)可以被存儲在 PROM 上，待斷電下次起動時，系統(tǒng)在初始化中自動讀入上次用戶設(shè)定的參數(shù)。 圖 310 母線電流和轉(zhuǎn)矩檢測電路 軟件結(jié)構(gòu) 軟件 主 程序 流程 如圖 311 所示，由初始化程序、主程序、 PWM 中斷、T0 中斷服務(wù)子程序組成。功率驅(qū)動芯片 IR2233J 的電路檢測管腳 ITRIP 就是通過圖中的 R4 R43 分壓而來的。而母線電流的大小是判斷力矩大小和一個最直