异步电动机矢量控制调速系统设计

１Ｏ６　异步电动机矢量控制调速系统设计　异步电动机矢量控制调速系统设计　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｍｏｔｏｒ　Ｖｅｃｔｏｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｐｅｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　陈德增　（青岛科技大学，山东青岛２６６０４２）　摘　要　异步电动机的各种调速方式中，矢量控制的调速方式响应快、稳定性好、传动性能高、调速范围宽。针对异步电动机的调　速需要，设计以８０Ｃ１９６为控制器的矢量控制调速系统，并详细介绍了系统的硬件设计和软件设计。该系统有效地完成了异　步电动机矢量控制调速系统设计，调速性能好、结构简单，具有很好的发展前景。　关键词：异步电动机，调速，矢量控制　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｊｎ　ａｌｌ　ｔｈｅ　ｓｐｅｅｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ，ｖｅｃｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｆａｓｔ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｇｏｏｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｈｉｇｈ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｗｉｄｅ　ｓｐｅｅｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｓｃｏｐｅ　Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｎｅｅｄ　ｏｆ　Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｈｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｈｅ　ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ　ｔａｋｉｎｇ　８０Ｃ１　９６　ａｓ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ａｎｄ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｅｅｄ　ｖｅｃｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓ—　ｔｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ　Ｔｈｅ　ｓｐｅｅｄ　ｖｅｃｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　Ｓｐｅｅｄ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｓｉｍｐｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄ　ｇｏｏｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ，ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ，Ｖｅｃｔｏｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　交流异步电动机是一个高阶、多变量、非线性、强藕合的被　控对象，采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实　现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解藕，实　现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，　使交流调速系统的动态性能得到显著的改善和提高，从而使交　流调速最终取代直流调速成为可能。目前对调速特性要求较高　的生产工艺已较多地采用矢量控制型变频调速装置。　１　矢量控制　图１　矢量控制系统原理结构图　以产生完全一致的旋转磁动势为准则，在三相坐标系下的　定子交流电流ｉ　ｉＢ、ｉｃ通过３Ｓ／２Ｓ变换，可以等效成两相静止坐　标系下的交流电流　（，再通过按转子磁场定向的矢量旋转变　换，可以等效成同步旋转坐标系下的直流电流ｌｖ、　。当观察者站　在铁心上与坐标系一起旋转时，交流机就变成了直流机。其中，　交流异步电动机的转子总磁通　，就变成了等效的直流电动机　的磁通，ｄ。绕组相当于直流电机的励磁绕组，ｉ二相当于励磁电　流，ｑ。绕组相当于伪静止绕组，．＝相当于与转矩成正比的电枢电　流。异步电动机经过如上的变换后就等效成了直流电动机。因　而，可以模仿直流电机的控制方法，求得直流电机的控制量，再　经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电动机了。由于进行坐　图２系统框图　三相电压检测单元、转速反馈单元、控制信号输出单元等部分组　成。系统框图如图２所示，系统是以１６位单片机８０Ｃ１９６为控　制核心，由一些硬件模拟电路组成异步电动机的矢量控制变频　凋速系统。一方面，通过８ＯＣ１９６的Ａ／Ｄ模块获得转速给定及　标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以，这样通过坐标　变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统，简称ＶＣ系统。按照　ａ　测速反馈的速度信号，经过速度调节器获得饱和限幅的转矩给　定，从而获得给定的转矩电流；利用函数发生器获得给定转子磁　通，经磁通观测获得实际转子磁通，再经磁通调节获得定子电流　这种设想，可以构成直接控制　和ｉ：的矢量控制系统，如图１　所示。图中给定和反馈信号经过类似于直流凋速系统所用的控　●　。　口　制器，产生励磁电流的给定信号ｉ二　和电枢电流的给定信号ｌ＝。　，　经过反旋转变换ＶＲ　得到　和．＝　，再经过２Ｓ／３Ｓ变换得　给定励磁分量电流，然后经过Ｋ／Ｐ变换将给定的励磁电流和转　矩电流合成，得到定子电流的幅值和相位，定子电流的幅值与电　流互感器的检测电流相比较后通过电流调节器去控制定子电流　到ｊ　、ｊ　Ｂ、ｊ　ｃ。把这三个电流控制信号和由控制器得到的频率　的大小；另一方面，定子电流的频率是把计算得到的同步速度转　换为控制逆变器的时间常数，用定时器定时，通过单片机上的　Ｐ１口，送出触发字来完成逆变器的触发。　３硬件电路及软件设计　信号（ｏ　加到电流控制的变频器上，即可输出异步电动机调速所　需的三相变频电流。　２设计内容及设计思想　本系统以单片机８ＯＣ１９６为控制器，由定子三相电流检测　单元、键盘输入单元、ＬＣＤ显示单元、模拟转速给定单元、定子　本系统硬件电路主要由交一直一交电流型变频器电路、逆变　晶闸管触发电路、整流晶闸管触发电路、速度给定与测速反馈电　《工业控制计算机｝２００９年２２卷第１１期　１０７　路、电流环调节电路、保护电路等典型电路组成；软件设计主要　件的Ｐｌ调节器中进行调节，以消除静差并能提高调节速度。模　包括：速度调节器控制和磁通检测与调节两部分。　拟器件的输出作为整流触发的移相控制信号。电流环调节电路　３．１交一直一交电流型变频器电路　如５图所示。　系统的主回路采用图３所示的交一直一交变频器，由图可知　它具有以下主要特点：　１）主回路结构简单，使用的元器件少。便于四象限运行，当　再生发电制动时，主回路电流方向不变，只改变电压极性，整流　器工作于逆变状态，逆变器工作于整流状态。可方便的进入逆　变，进行再生制动，动态响应快。而电压型变频器必须另接一组　逆变器才能进行再生制动，把电能回馈给电网。　２）由于中间采用的是电抗器，故具有限流作用，是恒流源。　再加上本系统设有电流环调节、限流，所以可耐受负载瞬时短　路，自动进行保护，从而提高了过流保护和运行可靠性。　３）此电流型逆变器带强迫换流，电流型逆变器所控制的是　输出电流瞬时值，符合交流电动机矢量控制的要求。换流电容器　图５电流环调节电路　的充放电电流由直流回路的滤波电抗器所抑制，不像电压型逆　３．４速度调节器控制　变器中有较大的浪涌电流，故换流电容器的利用率较高。　速度调节器采用双模控制。设定一个速度误差值ＮＴ，当系统　４）电流型逆变器与负载电动机形成一个整体，电动机绕组　大于此偏差状态下（大于１Ｏ％的额定频率），作为开始段粗定位，　的储能也参与换流，故其换流能力依赖于负载电流，而较少依赖　采用开关式的砰一砰控制，这时，转速调节器处于限幅状态，相当　于逆变器电压，因此有一定的负载能力。　于转速环开环，使电流环处于最大恒值电流调节。因而，能够充分　发挥电机的过载能力，使系统调节过程尽可能最快。当系统偏差　…　已经进入很小的范围时，使系统由开关式的砰一砰控制，转换成ＰＩ　ｕ　宁　—ｗ　Ｌ—Ｊ　＿／　。ＣＩ。Ｉ　ｌ　Ｉ　　ｍ　ｌ”　。ｕ　川　…　…　。　一ｃＩｒ—　ｖ　”　。　ｌ　ｏｏｖ　…　　…。｝ｉ　Ｊ　』　　线性控制。这样，集中了非线性和线性控制的优点，使系统即满足　。　Ｖ　］　。。ｆ　稳定性又满足精确性。速度调节器功能流程图如图６所示。　Ｂ　撼　Ｉｊ　∞７　∞　】　∞　，　ｍ…。　１０。Ｖ　　…Ｏｊ　ＶＵ［１　Ｖ１∞）Ｉ　２　　』　＿．　１　墨　。　。…帆　　ｒ』　ｒ　图３交一直一交电流型变频器电路　３－２逆变晶闸管触发驱动电路　逆变晶闸管触发驱动电路如图４所示。逆变触发信号由单　片机８ＯＣ１９６的Ｐ１口控制，转差信号在单片机内经ＰＷＭ调节　后由Ｐ１　Ｉ：Ｉ输出，经光电隔离器隔离放大，去控制逆变晶闸管的　触发端。本系统用Ｐ１．６作为控制端，用Ｐ１．Ｏ－Ｐ１．５作为另一端　分别控制６个逆变晶闸管，故逆变晶闸管触发电路由６个如图　４所示的电路组成。　图６磁通调节流程图　３．５磁通调节　采用转差型的矢量控制系统易受电机参数变化的影响，使实　际磁通与给定磁通发生偏差。故本系统中对磁通幅值进行了观测　和反馈，对转子的磁通进行调节，使实际磁通跟随给定磁通变化。　图４逆变晶闸管触发驱动电路　磁通调节器也象速度调节器一样，使用ＰＩ调节器。它的离　逆变晶闸管触发驱动电路原理如下：由Ｐ１口输出的ＰＷＭ　散化公式为：　经与门后是高电平信号时，光电隔离管不导通，复合管处于饱和导　通状态，变压器左边形成回路，并且此信号经复合管功率放大（电　『ｍ（ｎ）＝０（ｎ一７）＋　｛Ａｅｉ（ｎ）＋　（ｎ）／ｔｎ　（１）　流放大）；当从Ｐ１口输出的ＰＷＭ经与门后为低电平时，光电隔离　外加一个外催器进行预报校正：　管导通，复合管基极电流几乎为零，复合管处于截止状态，变压器　『ｍ＝２‘ｎ（ｎ）一『用（ｎ一７）　（２）　左边就不会形成回路；这样，复合管就相当于一个电子开关，这个　式中为ｋ　比例系数，ｔ　为积分系数，ＴＳ为采样周期，Ｉ　为实　开关的通断频率由ＰＷＭ的频率决定，从而使变压器左边形成交　际输出值。　流信号，经变压器降压、半波整流、滤波后去触发逆变晶闸管。　△　＝ｅ（ｎ）一ｅ（ｎ一７）　（３）　３．３电流环调节电路　ｅｎ　２（ｎ）一中２（ｎ）　（４）　由８ＯＣ１９６经过矢量计算，再由它的Ｄ／Ａ模块输出电流给　当在低频时（ｆ＜ＳＨＺ），由于　ｒ　不可忽略，Ｖ　和Ｅ１相位相差　定，由电流检测电路检测到反馈电流，同时把他们送人到模拟器　（下转第１０９页）　《工业控制计算机￣２００９年２２卷第１　１期　１Ｏ９　Ｈ　Ｈ　Ｈ　Ｈ　Ｓ　Ｓ　Ｓ　Ｓ　２　３　４　ｌ　２　３　４　为信号的小波系数。信号在各尺度空间的能量可表示为：　三　ｋ＝０　。　Ｅ＿＝　（ｄ＿　）　（９）　式中，ｎｉ为Ｊ层小波系数点数。在尺度ｊ上的重构信号代表　的频率范围为ｆ　～ｆ　２Ｈ。信号各尺度空间能量分布比例即为　各子空间的信号能量占信号总能量的分数来表示。　选取对称性和光滑性较好的ｓｙｍ８小波，对经过消噪处理后　Ｈ　＂　；　∞盯　腿∞　＿２　一３　一４　一５　一　６　的脉搏信号进行分解。由于脉搏的采样频率为ｆ￣＝２ＯＯＨｚ，则信号　的最高频率可以为ｆ－　２。正常人脉象信号的能量大部分集中在　图２健康人脉搏信号　频带能量比图　０　Ｏ　０　０　０　０　０　Ｏ　图３患者脉搏信号频带　能量比例图　１０Ｈｚ以内，最高频率不超过４０Ｈｚ，因此，对信号进行五个尺度上　的二进离散小波变换。则五个尺度上的重构信号的频率范同为：　ｎ　ｆ　ｆ　ｆ　ｆ　ｆ　ｆ　ｆ　ｆ　｛　ｆ　｛＼　在前三个频带范围内（０～１２　５Ｈｚ）。其中心脑血管疾病初期患者　∞　…　的脉搏信号在第一频带（０－０：３．１２５Ｈｚ）范围内的能量分布比例　’　’２４‘　’　‘　’　‘２　２　２０　ｆ　大于健康人，而健康人脉搏信号能量在第二频带分布比例比患　者大。心脑血管疾病患者脉搏信号的这种能量向低频区移动的　趋势表明：患者的血管弹性的变化比正常人要小。因此，可以以　其中信号在第一频带的能量即为第ｊ层的近似分量的能　量。由小波能量计算公式（９）计算出各子空间的能量值，进而再　算出各个频带的能量分布比例。由于样本较多，这里只列出４例　脉搏信号频带能量分布特点对健康人和患者作以区分。　…　●ｌ　Ｏ　０　０　０　０㈣　㈣　㈣　　）３结束语　健康人和４例病人的频带能量分布比例情况如表１示，并对所　有样本进行平均值统计如表２示。其中健康人用Ｈ表示，心脑　血管疾病患者用Ｓ示。　表１　健康人和心脑血管疾病患者各频带能量分布比例数据　０　０　０　Ｏ　８　６　４　２　Ｏ　频带（Ｈｚ）０．３　Ｉ２５　３　１　２５。６　２５　结果谱而有明显改进。为了减少误差，使功率谱估计更加平　滑，可本文运用小波变换法对脉搏信号进行处理，提取出脉搏信　号的不同频带能量分布比例特征。根据表２数据，对样本的各频　带能量分布比例数据平均值做拟合函数为ｙ＝ｋ／ｘ＋ｂ的拟合，得　出健康人的拟合参数ｋ＝ｌ６．０３，而患者的拟合参数ｋ＝４．２１，表现　６　２５：１２　５　ｆ％）　３　４０　ｌ２　５：２５　ｆ％）　ｒ　８２　４３　（％）　为健康人脉搏信号的频带能量变化趋势比患者的要缓和的多，　所有样本信号的频带能量比例图也均表现出此特点。所以，小波　变换分析得到的频带能量分布比例特征从另一个角度也显示了　７６　６２　３　１　２　２１　８　８Ｏ　２３　８１　Ｏ３　９２９２　９４　３１　９７　０３　９３　４８　３　５４　１　２０　０　６６　脉搏信号能量变化趋势的快慢程度。因此这种分析方法可作为　心脑血管疾病临床诊断的一种依据。　参考文献　［１］赵恩俭中医脉诊学［Ｍ］天津：天津科学技术出版社，１９９０　５０：１Ｏ０　【％）　０　４９　ｉ　０　１　１　５　表２所有样本各频带能量分布数据平均值　频带【ｔｔｚ）０：３　１２５　３　１２５：６　２５　（％）　ｒ　）　６　２５：１２．５　（％）　１２　５：２５　Ｌ％）　２５：５０　ｆ％）　［２］张爱华，杨风霞，王润东基于脉象信号的亚健康状态的识别［Ｊ］兰　州理工大学学报，２００６，３３（６）　健康人病人　８１　０５　９４　５３　１６　２１　４　７５　２　５４　Ｏ　６８　０１７　０　０２　０　Ｏｌ　０　Ｏ０　Ｏ　Ｏ０　０　Ｏ０　［３］王炳和，相敬林．脉搏声信号检测系统实验设计及功率谱特征［Ｊ］中　华物理医学杂志，１９９８，２０（３）：１５８—１６１　『４］Ｍ　Ｊ．Ｖｒｈｅ１．Ｍ．Ｕｎｓｅｒ　Ｒａｐｉｄ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｗａｖｅｌｅｔ　图２和图３为１例健康人和１例心脑血管疾病患者的脉搏　信号频带能量分布比例条形图，对比两图即可以宏观地看出健　康人和病人的脉象在各频带能量分布比例有明显的不同。由表　１和表２统计结果可得，脉象信号的绝大部分能量都集中分布　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｂｙ　ｏｂｌｉｑｕｅ　ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｓ．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ＳＰ．１９９７，４５　４：　８９１—９００　『收稿日期：２００９　６　９］　（上接第１０７页）　增大，原近似地认为Ｖ　Ｖ　不再成立。由近似的转子磁通观测　２）电流型逆变器采用强迫换流，最高工作频率不受电网工　频限制，调速范围宽。　器，由式子中　＝／　Ｌ　＝（Ｖ　一Ｉｒｒ　）Ａｏ。－／　一Ｌ来观测磁通幅值，只能　对磁通开环控制，即由给定磁通来计算，即　＝中　／Ｌ　。　另外，为了使电机不至于失凋或过分弱磁及强磁，在软件编　制中，对ｉ　输出进行限幅，使之在额定值７５％～１１５％内。　４设计总结　３）系统的控制思想是采用恒磁通控制。以保持磁通的恒定，　设计中采用定子物理量电压幅值来近似的观测磁通幅值，以克　服参数变化对磁通的影响。此方法实施简便有效。　参考文献　［１］李大，杨庆东，刘泉基于ＤＳＰ交流永磁同步直线电机矢量控制系统　［Ｊ］．微计算机信息，２００７（０９—２）：１９５—１９６　［２］刘伟关于矢量控制电流环复合控制的应用设计［Ｊ］微计算机信息，　２００７（０７—１）：６８—７０　本文研究了异步电动机的欠量榨制变频调速系统的设计，采　用了单片机８０Ｃ１９６和外周硬件电路有效地完成了异步电动机矢　量控制调速系统设汁，达到了适时地控制要求。从对异步电动机矢　苗控制凋速系统的分析和设汁来看，矢量控制系统设汁思路清晰、　调速性能好、结构简　，县有　广的Ｊ兀途８１，ｌｆ４￣．ｆ－的发展前景。　水文作行的创新点：　［３］赵涛，姜卫东，陈权，等．基于双模控制的永磁直流电机驱动系统的研　究［Ｊ］电力电子技术，２００６，４０（５）：３２—３４　『４］Ｈｉｓａｏ　Ｋｕｂｏｔａ　ａｎｄ　Ｋｏｕｋｉ　Ｍａｔｓｕｓｅ”Ｓｐｅｅｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｌｅｓｓ　Ｆｉｅｌｄ—　Ｏｒｉｅｎｔｅｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｉ　ｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｍｏｔｏｒ　ｗｉｔｈ　Ｒｏｔｏｒ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　Ａｄａｐｔａｔｉｏｎ　ｌＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　Ｉｎｄ　Ａｐｐｌ，ｖｏｌ　３０．ＮＯ　Ｓ，ＰＰ．１２１９—１２２４。　１９９４　４６－７０　１）利川８０Ｃ１９６　地使门ｊ　机小身的Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ分别先成转述　１　效地　竹ｒ死　竹　｝Ｕ　的数掂采集以及刈　制　Ｉ　，Ｊ的输…，　】牧稿日期：２００９　６　２７　ｆ