1 引言

電力電子技術(shù)的主要任務(wù)為實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換，它的主要研究目標(biāo)是節(jié)能，努力挖掘一切潛在的提高效率的途徑，來(lái)節(jié)省有限的能源，保護(hù)人類(lèi)生存的環(huán)境。功率變換技術(shù)正是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要手段，所以它始終是電力電子學(xué)的核心技術(shù)。經(jīng)過(guò)三十多年，特別是近十多年的發(fā)展，功率變換技術(shù)已比較成熟，近年來(lái)的發(fā)展動(dòng)向主要集中在軟開(kāi)關(guān)、高壓、大功率和低壓、大電流變換技術(shù)方面。

近年來(lái)交流異步電機(jī)的調(diào)速應(yīng)用得到較快的發(fā)展，與交流異步電機(jī)相比較，同步電機(jī)有著先天的優(yōu)勢(shì)，異步電動(dòng)機(jī)由于勵(lì)磁的需要，必須從電源吸取滯后的無(wú)功電流，空載時(shí)功率因數(shù)很低。而同步電動(dòng)機(jī)則可通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的直流勵(lì)磁電流，改變輸入功率因數(shù)，可以滯后，也可以超前。當(dāng)cosθ=1時(shí)，電樞銅損最小，還可以節(jié)約變壓變頻裝置的容量。由于同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子有獨(dú)立勵(lì)磁，在極低的電源頻率下也能運(yùn)行，因此，在同樣條件下，同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍比異步電動(dòng)機(jī)更寬。異步電動(dòng)機(jī)要靠加大轉(zhuǎn)差才能提高轉(zhuǎn)矩，而同步電機(jī)只須加大功角就能增大轉(zhuǎn)矩，同步電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)具有更強(qiáng)的承受能力，能作出更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。由于交流同步電機(jī)在可靠性與維護(hù)量、功率因數(shù)、電機(jī)尺寸與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、控制精度、弱磁比等方面有其自身的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于大容量電機(jī)，世界各國(guó)已基本趨向于使用同步電機(jī)。比如工業(yè)應(yīng)用上大功率空氣壓縮機(jī)、水泵、煤炭與有色金屬行業(yè)中的大功率提升機(jī)和鋼廠大容量軋鋼機(jī)等均采用同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

交流同步電機(jī)的調(diào)速是電氣驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的一大難題，我國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始進(jìn)行交流同步電機(jī)調(diào)速技術(shù)的研究，80年代初已研制成功交—交變頻同步電機(jī)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，但大功率交流變頻調(diào)速裝置直到90年代后期才得到發(fā)展。目前國(guó)產(chǎn)大功率變頻裝置成功應(yīng)用于同步電機(jī)的實(shí)例很少，都是國(guó)外品牌一統(tǒng)天下。目前我國(guó)大型同步電機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)速雖然剛剛起步，但國(guó)外已經(jīng)廣泛使用。通過(guò)他們長(zhǎng)期的運(yùn)行實(shí)踐表明：應(yīng)用高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益良好、其可靠性也可以得到保證。因此我國(guó)高壓同步電機(jī)變頻調(diào)速裝置將來(lái)的市場(chǎng)前景巨大。

國(guó)內(nèi)大功率交流同步電機(jī)傳動(dòng)方面，以交-交變頻調(diào)速傳動(dòng)為主。這些變流、變頻傳動(dòng)裝置功率大，一般為幾百千瓦至數(shù)千千瓦。在水泥，采礦與礦山行業(yè)、船舶行業(yè)、冶金行業(yè)、化工，石油與天然氣行業(yè)、電力行業(yè)、紙漿造紙行業(yè)、供水與污水處理、煤炭、有色金屬等特別是礦山的大型礦井提升機(jī)傳動(dòng)與調(diào)速等領(lǐng)域已有較多的應(yīng)用。大容量、低轉(zhuǎn)速、高過(guò)載、響應(yīng)快、四象限運(yùn)行等傳動(dòng)領(lǐng)域主要用于礦井提升機(jī)和鋼鐵廠的主軋機(jī)，對(duì)變頻器的控制要求特別嚴(yán)格，這是普通異步電機(jī)及其變頻器所不能解決的，在此類(lèi)系統(tǒng)中應(yīng)用的大多是大功率同步電機(jī)。我國(guó)目前在高壓大功率同步電機(jī)控制系統(tǒng)中采用的技術(shù)主要以交－交控制方式的變頻為主，還有交－直－交方式，交－交變頻器由于其控制原理方式的制約，造成其功能和應(yīng)用范圍受限。交－交變頻器的結(jié)構(gòu)方式把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電，屬于直接變頻電路，廣泛用于大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)。改變切換頻率，就可改變輸出頻率；改變交流電路的導(dǎo)通角，就可以改變交流輸出電壓幅值；輸出頻率增高時(shí)，輸出電壓一周期所含電網(wǎng)電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴(yán)重，電壓波形畸變及其導(dǎo)致的電流波形畸變和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是限制輸出頻率提高的主要因素。輸出波形畸變和輸出上限頻率的關(guān)系，很難確定明確界限。例當(dāng)采用6脈波三相橋式電路時(shí)，輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率的1/3～1/2。電網(wǎng)頻率為50hz時(shí)，交－交變頻電路的輸出上限頻率約為20hz。

還有一種變頻器是交-直-交型高壓變頻器，這種變頻器的驅(qū)動(dòng)高壓同步電機(jī)的方式目前以v/f控制為主，這種方式在一些對(duì)調(diào)速比要求不高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)低的場(chǎng)合適用，它的控制方式是采用異步電機(jī)的控制策略，啟動(dòng)過(guò)程：高壓同步電機(jī)先進(jìn)行異步變頻啟動(dòng)，等轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，再對(duì)轉(zhuǎn)子投入勵(lì)磁電流，使系統(tǒng)進(jìn)入同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行。這種控制方式的缺點(diǎn)是，響應(yīng)慢，調(diào)速比小， 不能發(fā)揮同步電機(jī)的特長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，高壓同步電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩低，起動(dòng)電流大，容易失步，這種變頻器只能用于負(fù)載較輕，負(fù)載變化不大的場(chǎng)合。

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，計(jì)算機(jī)用于控制，使交流變頻控制系統(tǒng)由模擬式進(jìn)入數(shù)模混合式，進(jìn)一步發(fā)展到全數(shù)字式，實(shí)現(xiàn)控制方案和控制策略的軟件化，在控制系統(tǒng)全數(shù)字化的情況下，由于改變軟件即可改變控制模式和參數(shù)，這就大大提高了系統(tǒng)的通用性和靈活性，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，并可采用一些基于現(xiàn)代控制理論的控制算法來(lái)提高系統(tǒng)的性能。更重要的是，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、總線技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，全數(shù)字方式是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此全數(shù)字化交-直-交大功率同步電機(jī)矢量控制器的應(yīng)用是未來(lái)應(yīng)用的方向，這方面在我國(guó)的應(yīng)用和研究還是空白，變頻調(diào)整控制方法的進(jìn)展主要體現(xiàn)在由早期的靜態(tài)控制方式向高動(dòng)態(tài)性能的四象限運(yùn)行的矢量控制發(fā)展，采用這種控制方式可以有效地解決高壓同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、調(diào)速比寬等要求，系統(tǒng)可以恒轉(zhuǎn)矩輸出。

2 全數(shù)字化矢量控制方式技術(shù)方案的原理

2.1技術(shù)方案詳細(xì)闡述

鑒于現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)，和要實(shí)現(xiàn)的技術(shù)目的，我們要實(shí)現(xiàn)的高壓同步電機(jī)矢量控制變頻器的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)特點(diǎn)和單元組成，三相高壓電輸入移相隔離變壓器，經(jīng)移相隔離降壓多路交流輸出后，輸入到帶能量回饋的功率單元igbt整流并濾波成直流再經(jīng)igbt逆變輸出到同步電機(jī)；電機(jī)的位置速度傳感器反饋的信號(hào)經(jīng)高速串行編碼傳輸方式傳送給主控板的fpga進(jìn)行解碼處理后，送給dsp進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理；電流反饋經(jīng)霍爾傳感器采樣，上傳信號(hào)板經(jīng)模擬信號(hào)處理電路濾波處理后再上傳給dsp主控板的ad采樣并運(yùn)算；主控板與上位機(jī)的人機(jī)界面進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，并上報(bào)系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)和故障狀態(tài)；輸入輸出信號(hào)單元板與主控制器進(jìn)行通迅，處理外部輸入輸出信號(hào)的控制功能；系統(tǒng)的原理如圖1所示。

）

2.2交-直-交單元串聯(lián)多電平方式

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的同步電機(jī)變頻器，大部分采用的是交-交變頻，和交-直-交變頻器相比，缺點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)晶閘管復(fù)雜；輸出頻率范圍低，只能達(dá)到電網(wǎng)頻率得1/3運(yùn)行；功率因數(shù)低，諧波污染嚴(yán)重。在一些控制場(chǎng)合，交-交變頻器的原理帶來(lái)了它在高速上的應(yīng)用不能實(shí)現(xiàn)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的缺點(diǎn)。

交-直-交方式使用移相的目的可以提高整流設(shè)備的脈波數(shù)，減小網(wǎng)側(cè)高次諧波，整流變壓器采用二次側(cè)延邊三角形移相，交-直-交方式頻率調(diào)速范圍寬，功率變換電路采用多電平變換器，如圖2所示，各級(jí)功率模塊均采用h全橋igbt驅(qū)動(dòng)方式，由于輸出電平數(shù)較多，輸出波形階梯增多，就可以使調(diào)制波接近正弦，降低電壓跳變，這樣諧波就少。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓的dv/dt較小，對(duì)負(fù)載電機(jī)的沖擊小。如一些軋鋼機(jī)，提升機(jī)，卷?yè)P(yáng)機(jī)。如果采用交-交變頻，必須加減速機(jī)構(gòu)。而交-直-交變頻器可以在設(shè)備許可的范圍內(nèi)，其頻率任意調(diào)節(jié)，這就解決了上述問(wèn)題。

2.3基于能量回饋的功率單元

普通高壓變頻器不能直接用于需要快速起、制動(dòng)和頻繁正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)，如高速電梯、礦用提升機(jī)、軋鋼機(jī)、大型龍門(mén)刨床、卷繞機(jī)構(gòu)張力系統(tǒng)及機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。因?yàn)檫@種系統(tǒng)要求電機(jī)四象限運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)減速、制動(dòng)或者帶位能性負(fù)載重物下放時(shí)，電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)。由于二極管不控整流器能量傳輸不可逆，產(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)濾波電容上，產(chǎn)生泵升電壓。而以gtr、igbt為代表的全控型器件耐壓較低，過(guò)高的泵升電壓有可能損壞開(kāi)關(guān)器件、電解電容，甚至?xí)茐碾姍C(jī)的絕緣，從而威脅系統(tǒng)安全工作，這就限制了普通高壓變頻器的應(yīng)用范圍，而基于能量反饋的系統(tǒng)解決了上述問(wèn)題，并且實(shí)現(xiàn)了真正的節(jié)能目標(biāo)而不是浪費(fèi)掉能量。

帶能量回饋的功率單元，輸入為移相隔離變壓器副邊降壓繞組的三相，igbt的控制信號(hào)為經(jīng)光纖傳輸過(guò)來(lái)的pwm信號(hào)控制其導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出經(jīng)單元串聯(lián)后到電機(jī)。原理圖如圖2所示。

2.4數(shù)字矢量控制方式

矢量控制的目的是為了改善轉(zhuǎn)矩控制性能，而最終實(shí)施仍然是對(duì)定子電流的控制。由于在定子側(cè)的各物理量（電壓、電流、電動(dòng)勢(shì)、磁動(dòng)勢(shì)）都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)、控制和計(jì)算均不方便。因此，需借助于坐標(biāo)變換，使各物理量從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，站在同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系上觀察，電動(dòng)機(jī)的各空間矢量都變成了靜止矢量，在同步坐標(biāo)系上的各空間矢量就都變成了直流量，可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式的幾種形式，找到轉(zhuǎn)矩和被控矢量的各分量之間的關(guān)系，實(shí)時(shí)地計(jì)算出轉(zhuǎn)矩控制所需的被控矢量的各分量值——直流給定量。按這些給定量實(shí)時(shí)控制，就能達(dá)到直流電動(dòng)機(jī)的控制性能。由于這些直流給定量在物理上是不存在的，是虛構(gòu)的，因此，還必須再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)的逆變換過(guò)程，從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系回到靜止坐標(biāo)系，把上述的直流給定量變換成實(shí)際的交流給定量，在三相定子坐標(biāo)系上對(duì)交流量進(jìn)行控制，使其實(shí)際值等于給定值。在矢量變換的控制方法中，需用到靜止和旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，以及矢量在各坐標(biāo)系之間的變換，交流同步電機(jī)的矢量控制，需要把電機(jī)的abc三相定子靜止坐標(biāo)系的電流ia、ib、ic、變換成α和β兩相靜止坐標(biāo)系（clarke變換），也叫三相－二相變換，再?gòu)膬上囔o止坐標(biāo)系變換成同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)定向坐標(biāo)系（park變換），等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流iq、id（id相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；iq相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)逆變換（park逆變換）（clarke逆變換），實(shí)現(xiàn)對(duì)同步電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交解耦控制。

如圖3所示，二極同步電機(jī)的物理模型，定子三相繞組軸線a、b、c是靜止的，三相電壓ua、ub、uc和三相電流ia、ib、ic都是平衡的，轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速ω1旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁繞組在勵(lì)磁電壓uf供電下流過(guò)勵(lì)磁電流if。沿勵(lì)磁磁極的軸線為d軸，與d軸正交的是q軸，d-q坐標(biāo)在空間也以同步轉(zhuǎn)速ω1旋轉(zhuǎn)，d軸與a軸之間的夾角θ為變量。

三相定子繞組靜止電氣方程：

同步電機(jī)采用改進(jìn)的空間矢量磁場(chǎng)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)，其核心是提高電流環(huán)的處理速度，達(dá)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(jì)是使研制的系統(tǒng)達(dá)到實(shí)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(dá)到產(chǎn)品化的目標(biāo)。

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(lì)磁電流給定是根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)需要進(jìn)行調(diào)整，其值根據(jù)不同的電機(jī)和負(fù)載得出的經(jīng)驗(yàn)值。電機(jī)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(jìn)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(jìn)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(guò)park逆變換，clarke逆變換，輸出電機(jī)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(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

整個(gè)系統(tǒng)的控制原理框圖如圖5所示。

本方案的同步電機(jī)的勵(lì)磁電流是if是按照固定勵(lì)磁電流給定方式工作。對(duì)于同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流if的給定，通過(guò)對(duì)同步電機(jī)的空載特性試驗(yàn)和短路實(shí)驗(yàn)，測(cè)出電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)并計(jì)算出所需運(yùn)行的額定勵(lì)磁電流，此時(shí)根據(jù)額定的勵(lì)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(yùn)行在功率因數(shù)超前還是滯后。

2.5硬件主控實(shí)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(hào)處理器作為主控cpu，可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)部分算法的計(jì)算和波形發(fā)生及各種信號(hào)的處理，ad采樣處理電流電壓反饋信號(hào)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(jìn)行串行編碼后通過(guò)光纖發(fā)送到主控制器的接收板，主控制器接收板進(jìn)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(hào)經(jīng)傳感器板、可編程邏輯器件進(jìn)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?duì)傳感器反饋的速度位置信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，測(cè)速方式采用變m/t測(cè)速，可以實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)速要求，可編程邏輯器件計(jì)算出速度和位置的有效值，并對(duì)傳感器檢測(cè)有無(wú)故障狀態(tài)，上報(bào)主控cpu，同時(shí)主控cpu可以根據(jù)測(cè)速的要求動(dòng)態(tài)調(diào)整測(cè)速方式和時(shí)間；本系統(tǒng)中的電流檢測(cè)元件選擇了根據(jù)磁場(chǎng)補(bǔ)償原理制成的霍爾效應(yīng)電流互感器，以滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流的要求，電機(jī)的三相電流和電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路處理后，變成模擬電壓信號(hào)輸入到主控板的ad轉(zhuǎn)換芯片，該ad芯片可以在瞬時(shí)情況下對(duì)三相的電壓電流信號(hào)進(jìn)行采樣保持并轉(zhuǎn)換，這樣能保證真實(shí)的再現(xiàn)電機(jī)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(shí)時(shí)地接收上位機(jī)給定的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定值，并上報(bào)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和各項(xiàng)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(xiàng)設(shè)定參數(shù)值和存儲(chǔ)系統(tǒng)的一些運(yùn)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(diǎn)是運(yùn)算速度快，比目前16/32位微處理器和單片機(jī)的運(yùn)算速度至少快一個(gè)數(shù)量級(jí)，dsp這種高運(yùn)算處理能力能夠滿足電流環(huán)實(shí)時(shí)控制的高要求，可以同時(shí)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和速度進(jìn)行辨識(shí)以實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器矢量控制要求，并且可以采用先進(jìn)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(gè)硬件的原理框圖如圖6所示。

2.6可編程邏輯器件的實(shí)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(shí)時(shí)控制要求，每個(gè)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(hào)經(jīng)編碼后并串轉(zhuǎn)換，通過(guò)光纖驅(qū)動(dòng)發(fā)送到單元模塊，同時(shí)可編程邏輯器件接收單元的串行編碼進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，把單元的狀態(tài)信息和故障信號(hào)以中斷方式上傳給主控dsp，具體如圖7所示。

傳感器信號(hào)的測(cè)速，對(duì)串行輸入的編碼進(jìn)行解碼輸出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)速，測(cè)速方式采用變m/t測(cè)速，根據(jù)測(cè)速的m值與t值進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)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(cè)速方式，使得測(cè)速范圍很寬和精度很高，能夠滿足系統(tǒng)精度要求。

pwm信號(hào)生成，根據(jù)dsp運(yùn)算輸出的的數(shù)據(jù)可編程邏輯器件用高速時(shí)鐘生成數(shù)據(jù)，并進(jìn)行單元串聯(lián)的pwm波形移相，輸出到光纖發(fā)送模塊。

由于系統(tǒng)采用全數(shù)字化控制方式，所有的控制策略全由軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而，軟件的設(shè)計(jì)決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能?？刂撇呗圆捎棉D(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中轉(zhuǎn)速環(huán)采用pi調(diào)節(jié)、電流環(huán)采用pi調(diào)節(jié)，算法由dsp數(shù)字信號(hào)處理器軟件編程實(shí)現(xiàn)。速度環(huán)的輸入是速度反饋和速度給定的差值，輸出作為電流環(huán)的給定。電流環(huán)的輸出來(lái)控制pwm波形生成器，所生成的pwm波形控制逆變器中功率開(kāi)關(guān)器件的通斷，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速。整個(gè)軟件處理系統(tǒng)采用前后臺(tái)處理模式，程序的中斷服務(wù)采用嵌套處理的形式，以保證整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)信號(hào)的處理，中斷源有4種，包括系統(tǒng)保護(hù)中斷，片內(nèi)電流環(huán)定時(shí)處理中斷，速度環(huán)定時(shí)處理中斷，外部通訊中斷。

軟件系統(tǒng)上電進(jìn)行初始化，關(guān)中斷清各種標(biāo)志位，配置dsp的各個(gè)外設(shè)模塊和i/o口，讀取eeprom中的參數(shù)信息，計(jì)算電機(jī)的位置信號(hào)和電角度，延時(shí)檢測(cè)高壓上電否？進(jìn)入系統(tǒng)主循環(huán)。

系統(tǒng)保護(hù)中斷，檢測(cè)單元模塊的故障狀態(tài)和系統(tǒng)的保護(hù)中斷，在出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓、plc等故障時(shí)，系統(tǒng)關(guān)斷igbt的輸出并停機(jī)上報(bào)系統(tǒng)的故障信息。

系統(tǒng)主流程，系統(tǒng)上電后，對(duì)系統(tǒng)的ram空間和各項(xiàng)外設(shè)模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，對(duì)ram清零，接著對(duì)外部i/o和plc進(jìn)行復(fù)位初始化，從eeprom中讀取初始電機(jī)的轉(zhuǎn)子定位信息，檢測(cè)高壓是否就緒，如就緒開(kāi)放各種中斷進(jìn)入主循環(huán)，否則一直檢測(cè)高壓就緒狀態(tài)信息，直到高壓就緒，主流程如圖8所示。

速度環(huán)與電流環(huán)中斷處理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速信息，速度給定由人機(jī)界面設(shè)置輸入，檢測(cè)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和加減速時(shí)間的各項(xiàng)參數(shù)值計(jì)算出當(dāng)前的速度給定，根據(jù)給定速度指令與速度反饋計(jì)算誤差并進(jìn)行pid調(diào)節(jié)，然后輸出iqref，根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)矩電流最大最小值限制iqref值，輸出iqref到電流環(huán)做為轉(zhuǎn)矩電流指令的給定，霍爾傳感器檢測(cè)ia，ic兩相電流反饋值，計(jì)算出三相電流反饋值，根據(jù)位置速度傳感器反的轉(zhuǎn)子位置計(jì)算當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置電角度θ，由ia、ib、ic進(jìn)行clarke輸出iα和iβ，由iα、iβ進(jìn)行park變換輸出iq、id，根據(jù)速度環(huán)輸出得轉(zhuǎn)矩給定和去磁電流給定與反饋值求誤差并進(jìn)行pi調(diào)節(jié)輸出vq、vd，由vq、vd進(jìn)行park逆變換輸出vα、vβ，由vα、vβ進(jìn)行clarke逆變換輸出va、vb、vc，輸出三相va、vb、vcpwm的占空比值到fpga；驅(qū)動(dòng)波形通過(guò)fpga的pwm波形發(fā)生模塊輸出到光纖驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)光纖傳輸?shù)礁鱾€(gè)功率單元模塊控制igbt的開(kāi)關(guān)。部分流程，如圖9所示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

上述的技術(shù)方案經(jīng)過(guò)產(chǎn)品化后驗(yàn)證整個(gè)設(shè)計(jì)方案是可行的并在不同的設(shè)備上進(jìn)行了技術(shù)測(cè)試和考核。

例一：試驗(yàn)設(shè)備6000v、630kw、6極的同步電機(jī)，在該設(shè)備上得到了測(cè)試驗(yàn)證，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行頻率低速可以達(dá)到0.01hz運(yùn)行，高速可以達(dá)額定轉(zhuǎn)速的1.5倍頻率運(yùn)行，低速轉(zhuǎn)矩特性平穩(wěn)，可以運(yùn)行在0hz恒轉(zhuǎn)矩，整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)可調(diào)，如圖10，圖11所示。

例二：試驗(yàn)設(shè)備6000v、630kw、36極的球磨機(jī)同步電機(jī)，圖11是在球磨機(jī)同步電機(jī)負(fù)載上做實(shí)驗(yàn)的記錄波形，在球磨機(jī)負(fù)載實(shí)驗(yàn)過(guò)程，系統(tǒng)在重載情況下啟動(dòng)，變頻器的輸出波形很平穩(wěn)，系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程均勻加速，而且無(wú)沖擊電流。從圖12中可以看出電流超前于電壓，系統(tǒng)運(yùn)行在功率因數(shù)超前狀態(tài)。而原來(lái)的球磨機(jī)同步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程是用水電阻啟動(dòng)，沖擊電流大超過(guò)額定負(fù)載電流的3倍，對(duì)電網(wǎng)的危害較大，改成同步電機(jī)矢量控制變頻器后有效的解決了啟動(dòng)運(yùn)行問(wèn)題。圖13、圖14示出了現(xiàn)場(chǎng)情景。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)的敘述了如何實(shí)現(xiàn)高壓同步電機(jī)矢量控制變頻器，對(duì)矢量控制原理做了詳細(xì)的闡述，如坐標(biāo)變換、電流環(huán)控制、速度環(huán)控制、pwm系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等等。這種變頻器的各項(xiàng)特點(diǎn)在實(shí)際負(fù)載上通過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證。