矢量变频器

　　简介

　　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使用的。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。

　　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。

　　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和滑差角频度给定值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

　　系统

　　系统组成

　　基于双DSP矢量控制的三相笼型异步电机驱动系统的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。

　　系统软件

　　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。

　　实验

　　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。

　　实验结论

　　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。

　　应用

　　在不对扶梯的正常使用产生任何负面影响的前提下，引入矢量变频调速的概念。即变频器根据传感器产生的信号，在有人乘坐时，扶梯以原有速度运行(50Hz)；当无人时，扶梯减速到低速或停止运行。

　　系统要求变频器启动运行平稳，加速性能好，启动转矩大，过载能力强，同时应具备当变频器调速系统出现故障时，控制系统自动切换到工频运行，保障扶梯输送功能的正常实施。

　　对于客用自动扶梯，一般使用高峰期出现在下午及晚间时段，其余时段使用率较低，具有相当节能空间。根据以上改造原则，从投资成本及自动化水平两方面考虑，拟使用以下变频拖动方案：

　　·采用SAJ-8000G变频器驱动电梯主机，变频器采用多段速控制模式，并设置主频率(低速)、多段速频率1(高速)两种运行频率；

　　·在电梯首尾处各安装一支红外传感器开关，乘客通过电梯时，红外传感器开关被触发并发出开关信号给变频器；

　　·有客流时，红外传感开关被触发，变频器立即加速到多段速频率2，并使电梯高速运行；

　　·电梯高速运行时，变频器内置计时器开始计时，若在计时的时间段内再无乘客通过电梯，计时结束后变频器将自动切换到多段速频率1，进行低速运行；

　　·若在计时器计时期间，有乘客重新触发光电开关，计时器将重新计时；

　　·对电梯上行和下行，外围控制采用开关互锁，保证扶梯系统的正常工作；

　　·为消耗下行，或者制动过程产生的多余能量，需在变频器上加装制动电阻。

　　采用三晶矢量通用型变频器驱动电梯主机，不但能够满足系统启动运行平稳、启动转矩大、过载能力强、转速调节精度高的要求；而且电机通过变频拖动，可减少机械磨损，延长使用寿命，工作更加安全可靠，因为调节电机转速空间大，使得系统节能效果更为显著。

　　SAJ S350高性能矢量变频器

　　S350系列是新一代高性能矢量变频器，有如下特点：

　　■采用最新高速电机控制专用芯片DSP，确保矢量控制快速响应

　　■硬件电路模块化设计，确保电路稳定高效运行

　　■外观设计结合欧洲汽车设计理念，线条流畅，外形美观

　　■结构采用独立风道设计，风扇可自由拆卸，散热性好

　　■无PG矢量控制、有PG矢量控制、转矩控制、V/F控制均可选择

　　■强大的输入输出多功能可编程端子，调速脉冲输入，两路模拟量输出

　　■独特的“挖土机”自适应控制特性，对运行期间电机转矩上限自动限制，有效抑制过流频繁跳闸

　　■宽电压输入，输出电压自动稳压（AVR），瞬间掉电不停机，适应能力更强

　　■内置先进的 PID 算法 ，响应快、适应性强、调试简单 ； 16 段速控制，简易PLC 实现定时、定速、定向等多功能逻辑控制，多种灵活的控制方式以满足各种不同复杂工况要求

　　■内置国际标准的 MODBUS RTU ASCII 通讯协议，用户可通过PC/PLC控制上位机等实现变频器485通讯组网集中控制