高壓同步電機全數(shù)字化矢量控制變頻器
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三相定子繞組靜止電氣方程：
同步電機采用改進的空間矢量磁場定向控制策略，控制系統(tǒng)采用速度環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，電流環(huán)采用pi調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)簡單，并能獲得較好的電流跟蹤性能。速度環(huán)采用pi調(diào)節(jié)器，能有效地限制動態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量，加快響應(yīng)速度。系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)；系統(tǒng)全數(shù)字式的關(guān)鍵是電流環(huán)數(shù)字化，就是把數(shù)?；旌鲜阶冾l系統(tǒng)中的模擬電流環(huán)，采用數(shù)字方式加以實現(xiàn)，其核心是提高電流環(huán)的處理速度，達到或接近模擬電流環(huán)的響應(yīng)速度。根據(jù)目前的微處理器dsp、a/d器件的水平，可以滿足硬件的需要；另一方面在于控制策略及控制軟件的優(yōu)化。良好的系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計是使研制的系統(tǒng)達到實用化的保證，在滿足性能要求的基礎(chǔ)上，必須充分利用硬件資源，提高集成度，降低硬件成本，達到產(chǎn)品化的目標。
矢量控制系統(tǒng)的解耦，速度給定ω與速度反饋相減得出速度誤差，速度誤差經(jīng)pi調(diào)節(jié)后輸出轉(zhuǎn)矩電流給定，iq，id勵磁電流給定是根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)需要進行調(diào)整，其值根據(jù)不同的電機和負載得出的經(jīng)驗值。電機三相電流反饋ia、ic、ib經(jīng)傳感器采樣，然后再根據(jù)轉(zhuǎn)子位置電氣角度θ進行clarke變換，變換后輸出iα、iβ，iα、iβ經(jīng)park變換輸出id、iq， id、iq值與給定值iqref、idref求誤差，進行pi調(diào)節(jié)后輸出vq、vd，電壓矢量和轉(zhuǎn)子位置電氣角度θ經(jīng)過park逆變換，clarke逆變換，輸出電機定子三相電壓va、vb、vc值，三相電壓va、vb、vc值作為pwm（脈寬調(diào)制）的比較值比較，輸出pwm波形到逆變器然后驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。
整個系統(tǒng)的控制原理框圖如圖5所示。
本方案的同步電機的勵磁電流是if是按照固定勵磁電流給定方式工作。對于同步電機的轉(zhuǎn)子勵磁電流if的給定，通過對同步電機的空載特性試驗和短路實驗，測出電機的各項參數(shù)并計算出所需運行的額定勵磁電流，此時根據(jù)額定的勵磁電流if調(diào)節(jié)定子側(cè)的去磁電流idref就可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功率因數(shù)，功率因數(shù)角δ=arctan（iq）/（id），控制idref就可以使得系統(tǒng)是運行在功率因數(shù)超前還是滯后。
2.5硬件主控實現(xiàn)部分
系統(tǒng)的軟硬件控制如圖6所示，由dsp數(shù)字信號處理器作為主控cpu，可編程邏輯器件實現(xiàn)部分算法的計算和波形發(fā)生及各種信號的處理，ad采樣處理電流電壓反饋信號并傳到dsp，單元與主控板cpu的通信采用光纖串行高速通信方式，單元的狀態(tài)信息經(jīng)可編程邏輯器件進行串行編碼后通過光纖發(fā)送到主控制器的接收板，主控制器接收板進行串行到并行解碼后傳輸?shù)街骺豤pu；主控cpu根據(jù)單元的狀態(tài)信息，調(diào)整系統(tǒng)的控制狀態(tài)；速度與位置傳感器的信號經(jīng)傳感器板、可編程邏輯器件進行串行編碼后，經(jīng)高速串行傳輸?shù)街骺仄靼宓目删幊踢壿嬈骷?，可編程邏輯器件對傳感器反饋的速度位置信號進行運算處理，測速方式采用變m/t測速，可以實現(xiàn)高精度的測速要求，可編程邏輯器件計算出速度和位置的有效值，并對傳感器檢測有無故障狀態(tài)，上報主控cpu，同時主控cpu可以根據(jù)測速的要求動態(tài)調(diào)整測速方式和時間；本系統(tǒng)中的電流檢測元件選擇了根據(jù)磁場補償原理制成的霍爾效應(yīng)電流互感器，以滿足實時監(jiān)測電流的要求，電機的三相電流和電壓信號經(jīng)信號處理電路處理后，變成模擬電壓信號輸入到主控板的ad轉(zhuǎn)換芯片，該ad芯片可以在瞬時情況下對三相的電壓電流信號進行采樣保持并轉(zhuǎn)換，這樣能保證真實的再現(xiàn)電機瞬態(tài)三相電壓電流的波形，ad轉(zhuǎn)換芯片采樣完成后上傳三相的數(shù)據(jù)；主控制cpu與上位系統(tǒng)采用的是rs-232通訊模式，實時地接收上位機給定的各項參數(shù)設(shè)定值，并上報整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)和各項數(shù)據(jù)；系統(tǒng)的外部i/o輸入輸出經(jīng)隔離傳輸?shù)街骺豤pu的i/o口，主控cpu根據(jù)控制要求作出相應(yīng)的執(zhí)行控制；at25128是串行eeprom與主控cpu通信采用spi方式，eeprom主要起著保存上位系統(tǒng)各項設(shè)定參數(shù)值和存儲系統(tǒng)的一些運行狀態(tài)信息；主控cpu采用的是dsp它是ti公司c2000系列的tms320lf2407a，dsp是一種高速的微處理器，其最大特點是運算速度快，比目前16/32位微處理器和單片機的運算速度至少快一個數(shù)量級，dsp這種高運算處理能力能夠滿足電流環(huán)實時控制的高要求，可以同時對電機的轉(zhuǎn)子位置和速度進行辨識以實現(xiàn)無速度傳感器矢量控制要求，并且可以采用先進的現(xiàn)代控制策略，獲得更高的控制性能，更完善的功能；整個硬件的原理框圖如圖6所示。
2.6可編程邏輯器件的實現(xiàn)原理
單元模塊與主控制器的通訊采用光纖串行高速通訊模式，其通訊速率為4mhz，這樣可以滿足實時控制要求，每個模塊與主控制板通訊采用雙工模式，可編程邏輯器件發(fā)出的pwm波形信號經(jīng)編碼后并串轉(zhuǎn)換，通過光纖驅(qū)動發(fā)送到單元模塊，同時可編程邏輯器件接收單元的串行編碼進行串并轉(zhuǎn)換，把單元的狀態(tài)信息和故障信號以中斷方式上傳給主控dsp，具體如圖7所示。
傳感器信號的測速，對串行輸入的編碼進行解碼輸出電機轉(zhuǎn)子的位置信號數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器的轉(zhuǎn)速脈沖信號進行測速，測速方式采用變m/t測速，根據(jù)測速的m值與t值進行數(shù)據(jù)運算得出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。由于采用了可編程邏輯器件硬件邏輯測速方式，使得測速范圍很寬和精度很高，能夠滿足系統(tǒng)精度要求。
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