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矢量变频器

信息来源:gkong.biz  时间:2010-07-09  浏览次数:181

  矢量变频器技术是基于DQ轴理论而产生的,它的基本思路是把电机的电流分解为D轴电流和Q轴电流,其中D轴电流是励磁电流,Q轴电流是力矩电流,这样就可以把交流电机的励磁电流和力矩电流分开控制,使得交流电机具有和直流电机相似的控制特性,是为交流电机设计的一种理想的控制理论,大大提高了交流电机的控制特性.不过目前这种控制理论已经不仅仅应用在交流异步电动机上了,直流变频电动机(BLDC,也就是永磁同步电动机)也大量使用该控制理论.
  矢量与向量是数学上矢量(向量)分析的一种方法或概念,两者是同一概念,只是叫法不同,简单的定义是指既具有大小又具有方向的量。
  矢量是我们(大陆)的说法,向量的说法一般是港台地区的文献是用的.意义和"布什"和"布希"的意思大致一样.矢量控制主要是一种电机模型解耦的概念.
  在电气领域主要用于分析交流电量,如电机分析,等,在变频器中的应用即基于电机分析的理论进行变频控制的,称为矢量控制型变频器,实现的方法不是唯一的,但数学模型基本一致。
  1 引言
  交流电机矢量控制理论是德国学者K Hass和FBlaschke建立起来的,作为交流异步电机控制的一种方式,矢量控制技术已成为高性能变频调速系统的首选方案。
  交流电机的矢量控制技术是基于交流电机的动态模型,通过建立交流电机的空间矢量图,采用磁场定向的方法将定子电流分解为与磁场方向一致的励磁分量和与磁场方向正交的转矩分量,并分别对磁通和力矩进行控制,而使异步电机可以像他励直流电机一样控制。随着计算机技术飞速发展,功能强大的数字信号处理器(DSP)的广泛应用使得矢量控制逐渐走向了实用化。
  DSP按数据格式可分为定点DSP和浮点DSP两类。考虑到价格原因,早期的矢量控制器多采用定点DSP,而浮点数运算要经过软件处理,因此增加了软件的复杂性。随着浮点DSP性价比的提高,更多的矢量控制器将采用浮点DSP。而要完成电机的高性能控制,PWM调制必须进行优化设计。在这种情况下,一个DSP很难完成矢量控制器和优化的PWM调制两项工作,需要双机协同工作才能完成高性能的矢量控制系统。本文基于TI公司的浮点DSP芯片TMS320VC33和TMS320F240设计了双微机结构的矢量控制系统。TMS320VC33主要完成矢量控制计算,发挥它浮点数运算快的特点,而TMS320F240用硬件实现PWM调制功能。本文给出一全数字化的双DSP矢量控制系统,并在1.5kW笼型异步电机上进行了实验,取得了良好效果。
  2 矢量控制的原理
  矢量控制技术通过坐标变换,将三相系统等效变换为M-T两相系统,将交流电机定子电流矢量分解成两个直流分量(即磁通分量和转矩分量),从而达到分别控制交流电动机的磁通和转矩的目的,因而可获得与直流调速系统同样好的控制效果。
  矢量控制系统采用双闭环控制系统,图1是其矢量控制系统框图。
  本系统中由测量所得的电机转速,通过矢量运算器产生磁场定向定子电流分量给定值500)this.style.width=500; border=0>和滑差角频度给定值500)this.style.width=500; border=0>。由500)this.style.width=500; border=0>和测量所得的电机转速经过积分运算可得转子磁通位置角θ,并送至旋转变换环节。由测得的电流经矢量变换得到转矩电流分量iM和励磁电流分量iT,利用
  500)this.style.width=500; border=0>
  3 系统组成及设计
  如图2所示为基于双DSP矢量控制的三相笼型异步电机驱动系统的系统电路结构图,该变频器采用交直交电压型结构和SVPWM脉宽调制方式。系统由三相整流器、滤波电容、电压型逆变器、逆变器驱动电路、三相笼型异步电机和双DSP控制系统构成。
  其中双DSP控制系统由VC33子系统,F240子系统和数据交换单元三部分构成。矢量控制以VC33芯片为核心,用来完成矢量控制核心算法,及两相电流检测。F240主要完成三相PWM波形生成,电机测速及过压保护功能。数据交换部分采用双端口RAM,可使两个DSP芯片迅速、方便地交换数据,增强了双DSP系统的并行处理能力。
  4 系统软件设计
  系统软件由两部分组成,VC33子系统矢量控制软件和F240子系统的SVPWM控制软件。
  矢量控制包含大量的数学运算,整个算法由多个模块构成,如坐标变换、磁通计算、速度调节及转矩电流调节模块等。本系统中电流内环的控制时间为50μs,速度外环为400μs,如图3所示为VC33子系统的控制软件流程图。
  F240子系统控制软件主要完成SVPWM波形生成和电机测速程序,为达到良好的控制效果,本系统采用电压空间矢量,也就是利用六个非零电压矢量和两个零矢量的组合起来,使电压矢量尽量逼近圆周运动。转速测量用该芯片的脉冲捕获单元。如图4所示为F240的程序流程图。
  5 实验结果
  本文针对上述的控制方案进行了实验研究。电机为2对极三相笼型异步电机,直流侧电源是通过整流桥对三相交流电整流、滤波产生的。电机额定参数为:PN=1.5k W;UN=220V;IN=3.55A;fN=50Hz;nN=1400r/min。图5是电机稳态运行时,逆变器的驱动波形,定子电流、电压的波形,实验结果表明了控制方案的优良性能。
  6 结论
  由上述结果可得出以下结论:
  (1)本文所设计的双DSP结构矢量控制系统中各子系统分工明确,能可靠完成各自功能,且设计合理。
  (2)实验表明,系统控制精度高、实时性好、动态响应快。

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