【正文】 。 、磁鏈雙閉環(huán)矢量控制的電流滯環(huán)型 PWM 變頻調速系統(tǒng) 應用矢量控制理論，對轉速、磁鏈進行分別控制，采用了滯環(huán)電流跟蹤型PWM 逆變器，所以其動態(tài)性能很好，還配有精確的轉子磁鏈觀測器，則系統(tǒng)都達到與直流電動機調速系統(tǒng)相媲美。首先，在逆變器供電的交流調速系統(tǒng)中，電動機的運行條件發(fā)生了很大變化，針對逆變器供電的特點給出了變頻調速異步電動機的選擇方法。最后，為適應變頻調速電機的要求，設計了一套基于單片機生成的 SPWM 控制逆變器來控制電動機變頻調速系統(tǒng)，對于硬件電路部分和實現(xiàn)控制策略的軟件部分進行設計。要求完成任務主要有： 變頻器及其工作原理 變頻調速基本原理 控制方案確定 軟件與硬件設計 第 二 章 異步電動機變頻調速 變頻器 變頻器是利用電力半導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。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制 4 個部分組成。 變頻器的選型 變頻器選型時要確定以下幾點： (1)采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。 (3)變頻器與負載的匹配問題； ① 電壓匹配；變頻器的額定電壓與負載的額定電壓相符。對于特殊的負載如深水泵等則需要參考電機性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。 (4)在使用變頻器驅動高速電機時，由于高速電機的電抗小，高次諧波增加導致輸出電流值增大。 (5)變頻器如果要長電纜運行時，此時要采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安 裝輸出電抗器。 變頻器的工作原理 變頻器是一種將電網(wǎng)電源整流后再逆變成頻率、電壓可變的交流電，供三相交流電動機專用的。而 6個 SKIIP模塊組成二組 ,三相橋式交流電路，其中一組為變頻器輸出逆變器；另一組為 向 發(fā)電電網(wǎng)反饋的逆變橋。如果在改變 f的同時同步改變電源電壓 u即可實現(xiàn)轉矩T不變的調速性能其原理圖如圖 。在這里通過改變矩形脈沖的寬度控制其電壓幅值；通過改變調制周期控制其輸出頻率，從而在逆變器上同時實現(xiàn)輸出電壓和頻率的控制，而滿足變頻調速對 U /f的協(xié)調控制要求。 異步電動機的同步轉速與實際轉速 n 之差與同步轉速之比，叫異步電動機的轉差率，以 s 表示 s = (n1 – n) / n1 = 1 – n / n1 n1s = n1 – n n = n1(1s) n = (1s) 60f / p 由電機學理論可知，電動機的轉速為 n=60f/p，式中 f— 電源頻率； p— 磁極對數(shù)；當 P 為定值時， n 與 f 成正比。而變頻調速的關鍵設備就是變頻器它決定整個調速系統(tǒng)的性能。變頻器就是在調整頻率的同時還要調整電壓，故簡稱 VVVF（裝置）。 目前使用較多的是“交 — 直 — 交”變頻，將 50Hz 交流整流為直流電 Ud，再由三相逆變器將直流逆變?yōu)轭l率可調的三相交流供給鼠籠電機實現(xiàn)變頻調速。 第 三 章 脈寬調制技術 PWM 技術是利用半導體開關器件的導通與關斷把直流電壓變?yōu)殡妷好}沖序列，通過控制電壓脈沖寬度和電壓脈沖序列的周期以達到變壓和變頻的目的。 PWM 脈寬調制是利用相當于基波分量的信號波（調制波）對三角載波進行調制，以達到調節(jié)輸出脈沖寬度的目的。 采樣控制理論中有一個重要結論：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。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。直到進入上世紀 80 年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展， PWM 控制技術才真正得到應用。由于當今科學技術的發(fā)展已經(jīng)沒有了學科之間的界限 ,結合 現(xiàn)代控制理論 思想或實現(xiàn)無諧振軟開關技術將會 成為PWM 控制技術發(fā)展的主要方向之一 。 相電壓控制 PWM 等脈寬 PWM 法 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是采用 PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術來實現(xiàn)的，其逆變器部分只能輸出頻率可調的方波電壓而不能調壓。它是把 每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為 PWM 波，通過改變脈沖列的周期可以調頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調變化。正因為如此，即使在 IGBT 已被廣泛應用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機 PWM 仍然有其特殊的價值；另一方面則說明了消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲 目地提高工作頻率，隨機 PWM 技術正是提供了一個分析、解決這種問題的全新思路。前面提到的采樣控制理論中的一個重要結論：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。該方法的實現(xiàn)有以下幾種方案。因此，為了提高直流電壓利用率，提出了一種新的方法 —— 梯形波與三角波比較法。 由于當梯形波幅值和三角波幅值相等時，其所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值，從而可以有效地提高直流電壓利用率。 線電壓控制 PWM 前面所介紹的各種 PWM 控制方法用于三相逆變電路時，都是對三相輸出相電壓分別進行控制的，使其輸出接近正弦波，但是，對于像三相異步電動機這樣的三相無中線對稱負載，逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦，而可著眼于使線電壓趨于正弦。 馬鞍形波與三角 波比較法 馬鞍形波與三角波比較法也就是諧波注入 PWM 方式 (HIPWM)，其原理是在正弦波中加入一定比例的三次諧波，調制信號便呈現(xiàn)出馬鞍形，而且幅值明顯降低，于是在調制信號的幅值不超過載波幅值的情況下，可以使基波幅值超過三角波幅值，提高了直流電壓利用率。除了可以注入三次諧波以外，還可以注入其他 3 倍頻于正弦波信號的其他波形，這些信號都不會影響線電壓。 單元脈寬調制法 因為，三相對稱線電壓有 Uuv+Uvw+Uwu=0 的關系，所以，某一線電壓任何時刻都等于另外兩個線電壓負值之和。對于某一線電壓例如 Uuv，半個周期兩邊 60176。區(qū)間用 (Uvw+Uwu)表示，當將 Uvw和 Uwu 作同樣處理時，就可以得到三相線電壓波形只有半周內兩邊 60176。把這樣的電壓波形作為脈寬調 制的參考信號，載波仍用三角波，并把各區(qū)間的曲線用直線近似 (實踐表明，這樣做引起的誤差不大，完全可行 )，就可以得到線電壓的脈沖波形，該波形是完全對稱，且規(guī)律性很強，負半周是正半周相應脈沖列的反相，因此， 只要半個周期兩邊 60176。這個脈沖并不是開關器件的驅動脈沖信號，但由于已知三相線電壓的脈沖工作模式，就可以確定開關器件的驅動脈沖信號了。 電流控制 PWM 電流控制 PWM 的基本思想是把希望輸出的電流波形作為指令信號，把實際的電流波形作為反饋信號，通過兩者瞬時值的比較來決定各開關器件的通斷，使實際輸出隨指令信號的改變而改變。 滯環(huán)比較法 這是一種帶反饋的 PWM 控制方式，即每相電流反饋回來與電流給定值經(jīng) 過滯環(huán)比較器，得出 的 相應橋臂開關器件的開關狀態(tài)，使得實際電流跟蹤給定電流的變化。其缺點是開關頻率不固定造成 較為嚴重的噪音，和其他方法相比，在同一開關頻率下輸出電流中所含的諧波較多。此時開關頻率一定，因而克服了滯環(huán)比較法頻率不固定的缺點。 預測電流控制法 預測電流控制是在每個調節(jié)周期開始時，根據(jù)實際電流誤差，負載參數(shù)及其它負載變量，來預測電流誤差矢量趨勢，因此，下一個調節(jié)周期由 PWM 產生的電壓矢量必將減小所預測的誤差。目前，這類調節(jié)器的局限性是響應速度及過程模型系數(shù)參數(shù)的準確性。它以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，用逆變器不同的開關模式所產生的實際磁通去逼近基準圓磁通，由它們的比較結果決定逆變器的開關，形成 PWM 波形。 具體方法又分為磁通開環(huán)式和磁通閉環(huán)式。此法輸出電壓比正弦波調制時提高 15%，諧波電流有效值之和接近最小。在比較估算磁通和給定磁通后，根據(jù)誤差決定產生下一個電壓矢量，形成 PWM 波形。但由于未引入轉矩 的調節(jié)，系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度、磁場兩個分量進行獨立控制。 但是，由于轉子磁鏈難以準確觀測，以及矢量變換的復雜性，使得實際控制效果往往難以達到理論分析的效果，這是矢量控制技術在實踐上的不足。 直接轉矩控制 PWM 直接轉矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量來控制， 它也不需要解耦電機模型，而是在靜止的坐標系中計算電機磁通和轉矩的實際值，然后，經(jīng)磁鏈和轉矩的 BandBand控制產生 PWM 信號對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳控制，從而在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，能方便地實現(xiàn)無速度傳感器化，有很快的轉矩響應速度和很高的速度及轉矩控制精度，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結構、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展 。 非線性控制 PWM 單周控制法又稱積分復位控制 (Integration Reset Control， 簡稱 IRC)，是一種新型非線性控制技術，其基本思想是控制開關占空比，在每個周期使開關變量的平均值與控制參考電壓相等或成一定比例。單周控制器由控制器、比較器、積分器及時鐘組成，其中控制器可以是 RS 觸發(fā)器 。雖然硬件電路較復雜，但其克服了傳統(tǒng)的 PWM 控制方法的不足，適用于各種脈寬調制軟開關逆變器，具有反應 快、開關頻率恒定、魯棒性強等優(yōu)點 。隨著電力電子技術的日益發(fā)展和 PWM控制技術的成熟 , 利用電機的轉速和輸入電源的頻率是線性關系這一原理 , 將 50Hz 的交流電通過整流和逆變轉換為頻率可調的電源 , 供給異步電動機 ,實現(xiàn)調速的目的。 系統(tǒng)工作原理 交流變頻調速系統(tǒng)原理框圖如圖 所示，從結構上主要分為控制部分和執(zhí)行部分。執(zhí)行部分為三相異步交流電動機?；魻栯娏鳌㈦妷簜鞲衅鲗z測到的逆變模塊的三相輸出電流、電壓信號，經(jīng)采樣保持后進入單片機，完成 A/D 轉換后，由 CPU 進行處理。 基于 8051 的變頻調速系統(tǒng)的總體設計方案方框圖如圖 所示。主要由主電路（整流電路、逆變和逆變驅動電路、檢測電路、濾波電路）、光電隔離電路、過壓保護電路、 8051 控制電路和人機接口電路組成。由微控制器來實現(xiàn) SPWM 波形的方法有表格法、隨時計算法和實時計算法，但前兩種無實時處理能力。典型的單 極性對稱規(guī)則采樣法， 在三角波的峰值時刻采樣正弦調制 波并將采樣值保持，分別取保持值和三角波交點作為脈沖寬度時間。根據(jù)三角形相似關系，得到rcT U wtUtSsin2on ? 所以 ， wtMTt son ? ， 其中 ， M=Uc/Ur 為調制比 ， t 為采樣點（這里為頂點采樣）的時刻。 在對稱規(guī)則采樣情況下，只要知道采樣點時刻 t 就可以確定這個采樣周期內的脈沖寬度 TPM和時間間隔 Toff，從而可以計算出 SPWM波形高、低脈沖的寬度。如圖 2 所示， 16 位 PCA 專用計數(shù)器 /定時器的時基信號可有多種選擇，可通過配置相關的系統(tǒng)控制器的特殊功能寄存器 （ SFR） 來實現(xiàn)。本文中，產生頻率可變的 SPWM 波形是使用了捕捉 /比較模塊的高速輸出工作方式， 其原理如下： 當 PCA 的 16 位計數(shù)器 /定時器 PCA0H（高 8 位）和 PCA0L（低 8 位）與16 位捕捉 /比較模塊寄存器 PCA0CPHn（高 8 位）和 PCA0CPLn（低 8 位）發(fā)生匹配時，模塊的 CEXn 引腳上的邏輯電平將發(fā)生跳變，并產生一個中斷請求，即將控制寄存器 PCA0CN 中相應的 CCFn 位置位，當 CCF 中斷被允許時， CPU 將轉向 CCF 中斷服務程序。置位 PCA0CPMn 寄存器中的 TOGn、 MATn、 ECOMn 和 ECCFn 位，將允許高速輸出方式，同時允許 CCF 中斷。 如果選用捕捉 /比較模塊 0 輸出此路 SPWM，則首先將 l0 裝入 16 位捕捉 /比較寄存器 PCA0CP0 中，并且將 16 位計數(shù)器 /定時器 PCA0H 和 PCA0L 清零，然后啟動 PCA 計數(shù)器；當捕捉 /比較寄存器的數(shù)值與計數(shù)器 /定時器的數(shù)值相等時，CEX0 引腳就會由原來的低電平跳變?yōu)楦唠娖?，并且產生一個 CCF 中斷；在 CCF中斷程序中，將 h0 累加到 PCA0CP0 上；中斷過程中，計數(shù)器的數(shù)值是連續(xù)增加的，當其值與改變過后的捕捉 /比較寄存器的數(shù)值相等時，又會使得 CEX0 引腳由原來的高電平跳變?yōu)榈碗娖?，并且產生一個 CCF 中斷；然后在中斷過程中又將 l1 累加到 PCA0CP0 上。 (3)程序流程 主程序流程如圖 所示，在系統(tǒng)初始化過后首先通過鍵盤設置輸出頻率，然后進入 SPWM 脈寬計算程序，根據(jù)所設置頻率選擇調制比 N，計算脈寬并確定 max。在中斷服務程序中，首先根據(jù) CCFn 的值來判斷發(fā)生匹配的捕捉 /比較模塊，然后根據(jù)該模塊 CEX 引腳上的電平狀態(tài)判斷是將SPWM 波形的高電平脈寬值還是低電平脈寬值累加到捕 捉 /比較模塊寄存器上；同時，根據(jù)脈寬數(shù)據(jù)指針與 max 是否相等來確定一個 SPWM 周期的結束和下一個周期的開始，以便正確載入