无速度反馈矢量控制变频调速系统
刘 锋（浙江大学杭州310027）
魏 青（济南市自来水公司）
摘 要 介绍了一种全数字化高性能通用变频调速系统，该系统以无速度传感器矢量控制技术作为理论基础，以单片微机80C196KC和DSP TMS320c2s作为控制核心，采用IPM智能功率模块作为功率元件组成交一直一交电压型逆变主回路。测试结果表明，系统具有优良的动、静态性能。
叙 词 变频器矢量控制微机控制
1 引 言
通常，矢量控制系统中速度传感器（一般采用光电码盘）是必不可少的，但由于成本、可靠性和工作环境等原因，有些情况无法安装。无速度反馈矢量控制通用变频器，不需任何速度检测器件，在保持常规变频器灵活方便、可靠等优点的前提下，无需增加过多的硬件成本，但性能接近矢量控制，能克服以往变频调速系统中存在的缺点，为国际上高性能通用变频器的潮流，也是当前交流传动研究起点之一。
通用变频调速器一般采用恒压／频比的开环控制，难以获得良好的调速特性，如在低频区力矩不足，负载时速度变动大，动态性能欠佳，应用场合受到限制。我们茌给山东某单位调试- PVC生产线时就遇到这些问题。为解决问题，我们决定开发无速度反馈矢量控制型通用变频器应用于这一生产线的调速系统。该系统采用的是转子磁通定向矢量控制方向，从定子电流中推断出电机转速形成同步旋转信号和进行转速反馈，即由软件构成转速推算器。主电路采用通用的交一直一交逆变器结构，功率器件为智能功率模块IPM，控制核心为Inte180C196KC单片微机和TMS320C25信号处理器，双机的并行通讯工作通过双口RAM实现。测试结果表明，该系统具有控制精度高、调速范围宽、响应速度快等特点。
2 无速度传感器矢量控制原理
交流电机的矢量控制是通过坐标变换将定子电流分解为转矩电流和励磁电流分量，并分别进行控制，再经过反变换控制达到像直流机一样的控制方式和性能。实现矢量控制的关键就是求取坐标变换所需的磁场定向。
2-1转子磁链定向的矢量控制原理
本系统采用的是转子磁链定向磁链开环矢量控制方案[2]。在磁场定向矢量控制中，当参考坐标系d-q轴放在同步旋转磁场中时，三相交流异步电动
机的动态数学模型可由以下方程表示：
将参考坐标系的矗轴放在转子磁链方向上，采取转子磁链定向，并采用转子磁链开环控制，即当转子磁链为常数.为O时方程(1)可简化为：
由此得到无速度反馈矢量控制原理图（图1A部分）。
2.2转速推算器
图1的B部分就是转速推算器的推算过程简图。首先用霍尔电流传感器和高速高精度AlD芯片检测定子电流，再经三相／两相坐标变换将其转换成电机的d-q轴电流，经补偿电路进行补偿运算以减轻d轴电流变化对电流解耦造成的影响）作用后，求出值，经转速推算器便可求出电机的转速。转速推算器的具体工作原理如下：
由式(2)中的异步电动机的转矩公式知：
又由矢量控制下的电机转矩一转速(T-N)特性曲线而知：
这样就得到电机转速的最后推算公式：
这里，K(i=1，2，3)为常数，具体可参见文献[3]。这样，调节转速推算器的增益和积分时间常数以使推算模型与实际电动机运行情况一致，求得电机的转速。简单地讲，因转矩电流变化量的积分可以反映电动机的转速，转速推算器用推算增益作积分运算实现转速推测。
由上述分析可知，电动机转速的推算只需检测定子电流，由于对无中性点的三相异步机来讲，其三相电流之和为零，所以只需检测两相电流即可知道全部定子电流信息。另外，利用d轴电流的指令值与反馈值间的差值对g轴电流进行补偿运算，其目的是解决转子磁链定向不精确而引起电流解耦失效。
2.3无速度反馈矢量控制系统的构成
图1中A、B两部分构成整个无速度反馈矢量控制系统。其中，ST为速度调节器。速度指令与来自转速推算器的速度反馈信号比较后作为速度调节器ST的输入。ST采用砰砰控制与PI控制相结合的双模式方式，在速度误差较大时采用砰砰控制，使系统以最大的加速度消除误差；当速度误差较小时，调节器自动转入PI调节方式，以消除静态误差和保持系统的稳定性。ST的设计采用变结构变参数方法并带限幅功能。速度调节器的输出转矩电流指令信号与直流双闭环调速系统的电枢电流给定信号相当，励磁电流指令值由转子磁通倍号产生。为实现宽的调速范围，系统设置了弱磁环节，在基速以下，保持磁通为恒定值，电动机运行在恒转矩输出方式；在基速以上，磁通与转速成反比例进行调节，电动机运行在恒功率输出方式。利用计算机的逻辑判断和处理能力，可实现两种运行模式的平滑切换。
3 系统硬件构成
高的集成度和精简的电路结构是系统可靠的保障。从性能、成本和可靠性等各方面综合论证，系统采用了全数字化设计（单片微机加DSP、双口RAM和高速高精度A/D转换芯片为控制电路主体），集驱动保护于一体的IPM模块和高灵敏度的检测电路（如霍尔传感器），还有高可靠性的开关电源技术和快速的保护电路。
3.1主电路
主电路结构采用了国际上通用的交一直一交电压型模式。逆变部分采用了智能功率模块IPM（三菱公司）。IPM模块内部除了三相全桥IGBT外，还
内置驱动电路、过流过热保护电路及放电用品体管（对小容量而言）。由于IPM的使用，使得主电路结构大为简化且可靠性增强。另外，为保证定子电流检测的精度和速度，我们采用KT系列霍尔电流传感器（科海公司）。
3·2控制电路
为实现实时全数字化矢量调速，系统采用了Intel单片微机80C19 6KC和数字信号处理器TMS320C25组成控制核心。在系统中，单片机主要完成整个系统的控制、管理和监测等工作，DSP则进行复杂的矢量控制的运算及逆变器驱动等工作，它们之间的并行通讯由一片双口RAM (IDT7130)来实现。为了保证电流检测的精度和速度，将霍尔电流传感器得到的电流信号经高精度（12位）、高速(iorls转换时间)的双极性
模数转换器件AD16 74（美国AD会司）读入处理器。如前所述，系统采用两套同样的电路采样两相电流便获得三相的信息。系统还预留光电码盘接口电路端子，供需速度闭环时使用。控制电路的结构图如图2所示。
4系统软件
整个系统的功能全部由单片微机和DSP软件实现，系统软件包括单片机系统软件和DSP系统软件两大部分。
4.1单片机系统软件
单片机系统软件完成初始化、键盘显示、双机通讯、I/O端子控制和串行通讯等软件功能模块。
初始化部分主要完成系统自检及赋予初值、中断等初始化、电机参数检测匹配等功能。由于矢量变换控制方程中用到了电机参数，所以本系统设有电机参数自测试功能，利用现有的逆变主电路向电机加入一定的测试信号，实现电机参数自检测，并将其存人串行EEPROM (9346)中，有些电机自动参数匹配可能无法提供满意的精度，此时实际的电机参数可由键盘输入。另外键盘设定参数存入EEPROM，这样相应信息掉电亦可保存。
双机通讯：将电动机参数、转速给定、启剞动信号等输入双口RAM的相应单元，为DSP提供运算参数，同时获得电流采样值。键盘显示功能是由8279控制下的4×4键和6位LED来实现的，软件编程较简单；I/O功能（如保护信号和外部模拟控制端子）利用单片机的I/O资源由软件查询或中断实现；串行通讯则按相应的通讯协议实现与上位机的信息交流，接受上位机的控制，同时将系统信息反馈给上位机。 4·2 DSP系统软件
DSP系统软件主要完成双机通讯、电流采样、电流矢量变换、转速推算、位置运算、电流电压变换、电压坐标变换和电压空间矢量选取等，最后生成PWM驱动信号，同时兼顾保护功能的实现。
DSP在系统上电之初进行系统自检，并将系统程序从EPROM转移至RAM区以利用和适应DSP的快速性，通过双口RAM读取各种参数、给定信息，一旦接到启动信号，它便开始循环进行矢量控制运算并生成PWM驱动信号。
在每次循环中，首先启动两片A/D芯片进行模
数转换，接着读取存放于双口RAM中的运算资源信息，将采样到的定子电流信息输入双口RAM，为单片机提供信息。然后查询A/D转换结束标志，转换完成时便将两相电流数据分别读入DSP，并经标度变换得得三相定予电流的瞬时值，经过坐标交换得到d-q轴系电流分量。接下来进行转速推算并进行速度调节运算，对定子角频率积分求得转子磁通的位置，然后再经过d-q轴系的电流电压变换和两相／三相电压坐变换后，选择出合适的电压矢量，形成开关信号驱动逆变器，对电机进行速度控制。系统还利用电流瞬时方向控制的前馈补偿法对死区电压进行了有效的补偿，以防止在低频区的电流失真和转矩脉动。
另外，双机读取双口RAM的数据时，首先检测相应的标志位，以确保数据信息的准确。这样的软件结构有效地提高了系统的可靠性，双机信息共享系统的程序框图如图3、图4所示。数据并行传输满足了系统的实时性要求。
5 丰富的系统功能
系统的软硬件资源保证了如下丰富的系统功能。
V／F运转模式：系统软件内配备通用的V/F模式供调速性能要求不高和特殊场合用。这时可简化许多电路结构，降低系统成本。
自动调压功能：通过检测出直流母线电压值与基准电压进行比较，依二者误差修正指令电压的脉宽，由此实现输出电压的自动调整功能，以克服电网波动和负载变化引起的输出电压与指令电压不相吻合现象。 节能运转：在V/F模式下，当负载较轻时，通过选择合适的V／F曲线便可实现节能。本系统已自测试或输入电机参数（如定、转子电阻、电感等），结合这些参数在一定电压范围内搜索维持磁通恒定而电流最小的最佳工作点，找到后调整对应的V/F值便可实现节能运转功能。
速度闭环控制：无速度反馈矢量控制系统，静特 性已很完美，但动特性较速度闭环系统还有待于进 一步提高；对动特性要求高时，系统采取加接速度表形成速度闭环。速度脉冲输入由单片微机的外部事件计数器管理。
另外系统还具备的功能有：起动过电流失速防止和制动过电压防止；瞬停再起动转逮自动跟踪；常规的过载、过压、短路、缺相、过热、接地等保护；良好的人机对话；内藏RS485串行通讯接口，可进行远距离控制；内含PID,任意形状的S字曲线加减速功能及静音化运转等。
6系统测试
依上述方案设计的18. 5kW变频调速系统进行了带负载运转调试，实验用电动机为4极鼠笼式结构，额定功率为18. 5kW,变频器输出参数：额定容量30kVA；额定电流39A；承受过电流能力：百分之150Imin，百分之200 ls。
静态特性测试：
图5为V/F控制模式与无速度反馈矢量控制模式下，加载不同负载作稳态实验得到的结果。其中，横坐标为额定转矩的百分比，纵坐标为额定转速的百分比。由图可见，V／F模式下，电机转速随负载变化较强烈，而无速度反馈矢量控制方式下，电机速度几乎不受负载的影响，稳态精度高。
动态特性测试：
图6为系统启动时的电流、转速动态图。由图可见，系统启动平稳，转速、电流控制较好；测试表明，系统动态响应快，无大的速度超调，抗干扰能力强。
7结语
在无速度反馈矢量控制模式下，系统可实现常规变频器无法实现的低速驱动、高起动转矩、高转速精度、高加减速性能，使变频调速应用领域进一步扩大。除了满足本文提出的实际问题外，该类通用变频器还可应用于金属加工、造纸、纺织、印染、运输机械等调速精度和加减速转矩控制性能要求较高的场