基于矢量控制的礦井提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

1、河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院摘要本文主要設(shè)計(jì)了礦井提升機(jī)的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)要求的分析，闡述了轉(zhuǎn)差頻率型矢量控制變頻調(diào)速的基本原理，從系統(tǒng)控制方式的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，闡述了單片機(jī)和變頻器組成的速度、電流雙閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)的組成及系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)方法。依據(jù)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建系統(tǒng)的仿真模型。同時(shí)又完成了對(duì)PWM變頻器能量回饋裝置的設(shè)計(jì)方法?？梢越鉀Q電機(jī)由高速制動(dòng)至停車時(shí)電能回饋給電網(wǎng)等問(wèn)題，由于條件有限，沒(méi)有進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)的搭建設(shè)計(jì)及組織現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，因此只是在理論上證明了該方案的可行性，尚未達(dá)到商品化的科研成果階段。關(guān)鍵詞：礦井提升機(jī)，變頻調(diào)速，矢量控制，變頻器目 錄1 系統(tǒng)分析11.

2、1提升機(jī)工作原理及機(jī)械結(jié)構(gòu)11.2調(diào)速控制方式及調(diào)速性能分析21.2.1直流調(diào)速性能分析21.2.2交流調(diào)速性能分析31.2.3傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)62矢量控制異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)82.1變頻調(diào)速基本原理82.1.1變頻調(diào)速基本原理82.1.2 變頻器簡(jiǎn)介92.1.3 逆變器工作原理說(shuō)明92.2矢量控制的基本概念112.3矢量控制系統(tǒng)132.4矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)模型建立152.4.1異步電動(dòng)機(jī)矢量變換模型152.4.2間接轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模型162.4.3矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)模型183礦井提升機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)193.1單片機(jī)變頻器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)193.1.1速度閉環(huán)結(jié)構(gòu)2

3、13.1.2電流閉環(huán)結(jié)構(gòu)284結(jié)論34參考文獻(xiàn)35附圖36371 系統(tǒng)分析1.1 提升機(jī)工作原理及機(jī)械結(jié)構(gòu)(1)提升機(jī)工作原理：煤礦井下采煤，采好的煤通過(guò)斜井用提升機(jī)將煤車拖到地面上來(lái)。煤車廂與火車的運(yùn)貨車廂類似，只不過(guò)高度和體積小一些。在井口有一絞車提升機(jī)，由電機(jī)經(jīng)減速器帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，鋼絲繩在卷筒上纏繞數(shù)周后掛上一列煤車車廂（單提升，多數(shù)煤礦都采用單提升），在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下將裝滿煤的列車從斜井拖上來(lái)；卸載完成后，再將空車在電機(jī)的拖動(dòng)下沿斜井放下去。當(dāng)提升機(jī)需要停車時(shí)，從操作臺(tái)發(fā)出停車指令，從而對(duì)卷筒進(jìn)行抱閘制動(dòng)。 礦井提升的整個(gè)過(guò)程可以分為五個(gè)階段加速階段、等速階段、減速階段、爬行階段、停車抱

4、閘階段。加速階段是提升機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)加速到最高速度；等速階段是提升機(jī)的主要運(yùn)行階段，提升機(jī)以最高速度穩(wěn)速運(yùn)行；減速階段是提升機(jī)從最高速度減速到爬行速度；爬行階段是箕斗定位和準(zhǔn)備安全停車階段。（2)礦井提升的工作特點(diǎn)：箕斗在一定的距離（井深）內(nèi)，以較高的速度往復(fù)運(yùn)行，完成上升與下降的任務(wù)。鑒于在礦井提升機(jī)的工作特點(diǎn)，為確保提升機(jī)能夠達(dá)到高效、安全、可靠地連續(xù)工作，其必須具備良好的機(jī)械性能，良好的電氣控制設(shè)備和完善的保護(hù)裝置。礦井提升機(jī)的基本參數(shù)是：電機(jī)功率7KW ，卷筒直徑1200mm ，減速器減速比24 : 1 ，最高運(yùn)行速度2 . 5m / s ，鋼絲繩長(zhǎng)度為400m 。斜井提升機(jī)的機(jī)械傳

5、動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-1所示：圖1-1 提升機(jī)卷筒機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1.2 調(diào)速控制方式及調(diào)速性能分析礦井提升機(jī)電力拖動(dòng)部分有兩種調(diào)速控制方式：直流調(diào)速和交流調(diào)速。其各有優(yōu)缺點(diǎn)，下面分別敘述。1.2.1直流調(diào)速性能分析礦井提升機(jī)采用直流拖動(dòng)的調(diào)速系統(tǒng)主要有：G- M 系統(tǒng)、V - M 系統(tǒng)及直流脈寬調(diào)制（PWM ）系統(tǒng)。1、G-M 系統(tǒng)（發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)） 此系統(tǒng)中，電源是旋轉(zhuǎn)裝置，由旋轉(zhuǎn)電機(jī)即直流發(fā)電機(jī)供電。通常，直流發(fā)電機(jī)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，以某一不可調(diào)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流弓的方向和大小來(lái)改變發(fā)電機(jī)輸出電壓的極性和大小。原動(dòng)機(jī)一般采用交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)或交流同步電動(dòng)機(jī)，使

6、直流電源以電機(jī)機(jī)組的形式構(gòu)成。這種直流調(diào)速系統(tǒng)稱“發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)”簡(jiǎn)稱“G -M 系統(tǒng)” ( G 一generator ;發(fā)電機(jī)；M 一motor 電動(dòng)機(jī)）。這種調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝需打地基、運(yùn)行有噪聲、維護(hù)不方便。2 、V-M 系統(tǒng)（晶閘管一電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)） 此系統(tǒng)中，電源是靜止裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)器GT 的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，而改變晶閘管可控整流器的控制角。，從而改變可控整流器輸出電壓的極性和大小，實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)M 的平滑調(diào)速。這種直流調(diào)速系統(tǒng)稱“晶閘管一電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)”簡(jiǎn)稱“V-M 系統(tǒng)”( V-晶閘管整流裝置）。與G-M 系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性、

7、可靠性及技術(shù)性能上也有較大的優(yōu)勢(shì)。其設(shè)備簡(jiǎn)單，調(diào)速更快。但此系統(tǒng)只允許電機(jī)在、象限運(yùn)行，不能滿足提升機(jī)四象限運(yùn)行的要求；且低速運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓小型畸變，形成污染。3 、直流脈寬調(diào)制（PWM ）系統(tǒng)此系統(tǒng)中，電源是靜止裝置，能過(guò)改變晶體管VT 的導(dǎo)通及關(guān)斷及通斷比（即脈沖寬度調(diào)制，PWM ）來(lái)改變輸出電壓的極性和大小。 與V-M 系統(tǒng)相比，直流PWM 調(diào)速系統(tǒng)性能更優(yōu)越：a 、低速運(yùn)行平穩(wěn)，電機(jī)損耗及發(fā)熱小b 、快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。1.2.2交流調(diào)速性能分析礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用交流異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，其交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：n=6Of/p(l-s)從上式可

8、見(jiàn)，改變供電頻率f 、電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)p 及轉(zhuǎn)差率S 均可達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。從調(diào)速的本質(zhì)來(lái)看，不同的調(diào)速方式無(wú)非是改變交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速或不改變同步轉(zhuǎn)速兩種。在生產(chǎn)機(jī)械上廣泛使用的調(diào)速方法中，不改變同步轉(zhuǎn)速的有：繞線式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級(jí)調(diào)速等。改變同步轉(zhuǎn)速的有：變極對(duì)數(shù)調(diào)速，改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速，無(wú)換向電動(dòng)機(jī)調(diào)速等。一、 變極對(duì)數(shù)調(diào)速方法這種調(diào)速方法是用改變定子繞組的接線方式來(lái)改變籠型電動(dòng)機(jī)定子極對(duì)數(shù)達(dá)到調(diào)速目的，特點(diǎn)如下：1 、具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好；2 、無(wú)轉(zhuǎn)差損耗，效率高；3 、接線簡(jiǎn)單、控制方便、價(jià)格低；4 、有級(jí)調(diào)速，級(jí)差較大，不能獲得平滑調(diào)速；

9、此調(diào)速方法可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。二、變頻調(diào)速方法變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流一直流一交流變頻器和交流一交流變頻器兩大類，目前國(guó)內(nèi)大都使用交一直一交變頻器。其特點(diǎn)：1 、效率高，調(diào)速過(guò)程中沒(méi)有附加損耗；2 、應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動(dòng)機(jī)；3 、調(diào)速范圍大，特性硬，精度高；4 、技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)高，維護(hù)檢修困難。三、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速改變轉(zhuǎn)差率的方法主要有三種：定子調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速和串級(jí)調(diào)速。下面分別介紹。a 、定子調(diào)壓調(diào)速方法當(dāng)改變電動(dòng)機(jī)的定子

10、電壓時(shí)，可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線，從而獲得不同轉(zhuǎn)速。由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，因此最大轉(zhuǎn)矩下降很多，其調(diào)速范圍較小，使一般籠型電動(dòng)機(jī)難以應(yīng)用。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值大的籠型電動(dòng)機(jī)，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動(dòng)機(jī)，或者在繞線式電動(dòng)機(jī)上串聯(lián)頻敏電阻。調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個(gè)能提供電壓變化的電源，目前常用的調(diào)壓方式有串聯(lián)飽和電抗器、自藕變壓器以及晶閘管調(diào)壓等幾種。晶閘管調(diào)壓方式為最佳。調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)：1 、調(diào)壓調(diào)速線路簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；2 、調(diào)壓過(guò)程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低。3 、調(diào)壓調(diào)速一般適用于IOOKW以下的生產(chǎn)機(jī)械。 b 、轉(zhuǎn)子電路串

11、電阻調(diào)速方法 繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動(dòng)機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。串入的電阻越大，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。 此方法設(shè)備簡(jiǎn)單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上，屬有級(jí)調(diào)速，機(jī)械特性較軟。 c 、串級(jí)調(diào)速 串級(jí)調(diào)速是指繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢(shì)來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差，達(dá)到調(diào)速的目的。大部分轉(zhuǎn)差功率被串入的附加電勢(shì)所吸收，再利用裝置，把吸收的轉(zhuǎn)差功率返回電網(wǎng)或轉(zhuǎn)換為其它能量加以利用。根據(jù)轉(zhuǎn)差功率吸收利用方式，串級(jí)調(diào)速可分為電機(jī)串級(jí)調(diào)速、機(jī)械串級(jí)調(diào)速及晶閘管串級(jí)調(diào)速形式。應(yīng)用中多采用晶閘管串級(jí)調(diào)速，其特點(diǎn)為：1 、可將調(diào)速過(guò)程中的轉(zhuǎn)差損耗回饋到電網(wǎng)或生產(chǎn)

12、機(jī)械上，效率較高；2 、裝置容量與調(diào)速范圍成正比，投資小，適用于調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速70 一90 的生產(chǎn)機(jī)械上；3 、調(diào)速裝置故障時(shí)可以切換至全速運(yùn)行，避免停產(chǎn)；4 、晶閘管串級(jí)調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大。綜上所述，直流調(diào)速的電樞和勵(lì)磁是分開的，能夠精確控制；且直流調(diào)速轉(zhuǎn)矩速率特性好并能在大范圍內(nèi)平滑地調(diào)速，因此在礦井提升系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。電刷是直流電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要部件，但在實(shí)際應(yīng)用中，電刷磨損嚴(yán)重，且在負(fù)載工作條件下，出現(xiàn)打火現(xiàn)象，甚至形成環(huán)火，極易造成電樞兩極短路，危及整個(gè)系統(tǒng)的安全。但交流電機(jī)不存在電刷損壞的問(wèn)題，因此也得到廣泛應(yīng)用，但交流調(diào)速性能離直流電機(jī)優(yōu)越的調(diào)速性能還有差距。隨

13、著電子科技技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論，將直流調(diào)速原理應(yīng)用于交流調(diào)速控制系統(tǒng)中，使交流調(diào)速在很大程度上得到發(fā)展。1.2.3傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的主電路結(jié)構(gòu)如圖1-2 所示圖1-2 轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速圖在加速過(guò)程中，交流接觸器KM1 , KM2 , KM3 , KM4 逐級(jí)吸合，轉(zhuǎn)子回路電阻依次減小，以保證加速力矩的平均值不變。如果要求提升機(jī)低速運(yùn)行，則需在轉(zhuǎn)子回路串較大電阻。為了解決減速段的負(fù)力要求，通常采用動(dòng)力制動(dòng)方案，即將定子側(cè)的高壓電源切除，施加直流電壓，或在定子繞組上施加低頻電源，讓電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。這種拖動(dòng)方案存在的問(wèn)題是：l 開環(huán)有級(jí)調(diào)速，加速度難以準(zhǔn)確

14、控制，調(diào)速精度差；2 觸點(diǎn)控制，大量使用大容量開關(guān)，系統(tǒng)維護(hù)工作量大，可靠性差；3 運(yùn)行效率低，在低速時(shí)大部分功率都消耗在電阻上；4 電機(jī)的機(jī)械特性偏軟，一般電阻上消耗的功率約為電動(dòng)機(jī)輸出功率的2030 。雖然這種調(diào)速方案技術(shù)性能差，且運(yùn)行效率低，但控制方式簡(jiǎn)單、初期設(shè)備投資小，許多中小礦井的提升機(jī)仍采用這種調(diào)速方案。2矢量控制異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)2.1 變頻調(diào)速基本原理2.1.1變頻調(diào)速基本原理根據(jù)電機(jī)學(xué)原理可知，交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速式中，定子供電頻率；電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)差率。 由此可見(jiàn)，若能連續(xù)地改變異步電動(dòng)機(jī)的供電頻率，就可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速和相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從

15、而實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，達(dá)就是變頻調(diào)速的基本原理。 變頻調(diào)速的最大特點(diǎn)是：電動(dòng)機(jī)從高速到低速，其轉(zhuǎn)差率始終保持最小的數(shù)值，因此變頻調(diào)速時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)都很高?？梢?jiàn)，變頻調(diào)速是一種理想的調(diào)速方式。但它需要由特殊的變頻裝置供電。以實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的協(xié)調(diào)控制。一、基頻以下調(diào)速 要保持不變，當(dāng)頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低，使常數(shù)即采用恒電動(dòng)勢(shì)頻比控制方式。 然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接控制的，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓，則得常數(shù) 這是恒壓頻比的控制方式。二、基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從往上增高，但電壓卻不能增加得比額定電壓還要

16、大，最多只能保持。這將迫使磁通與頻率成反比地減少，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)弱磁升速的情況。 2.1.2 變頻器簡(jiǎn)介 一、變頻器的分類及其特點(diǎn)1變頻器按裝置的結(jié)構(gòu)形式分為交交變頻器和交直交變頻器 a.交交變頻器 交交變頻器又叫做直接變頻器。它是把某一恒壓恒頻的交流電直接變換成電壓和頻率部可調(diào)的交流電。 b交直交變頻器 交直交變額器又叫做間接變頻器。它是把某一恒壓恒頻的交流電先經(jīng)變流器整流成直流電，然后再經(jīng)逆變器將此直流電變換成電壓和頻率都可調(diào)的交流電。2變頻器按變頻電源的性質(zhì)分為電壓型變頻器和電流型變頻器 a.電壓型變頻器 對(duì)于交直交變頻器，當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)主要采用大電容濾波時(shí)，直流電壓波形比較平直，在理

17、想情況下是種內(nèi)阻抗為零的恒壓源，這叫做電壓(源)型變頻器。 b.電流型變頻器 當(dāng)交直交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時(shí)，直流回路中的電流波形比較平直，對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō)基本上是一個(gè)恒流源，這叫做電流(源)型變頻器。2.1.3 逆變器工作原理說(shuō)明 (一)主回路 將工頻電源變成電壓或電流及頻率可調(diào)的交流電來(lái)為異步電動(dòng)機(jī)供電的電力變換部分為變頻器的主回路。圖2-1所示為典型的電壓型變頻器主回路的一個(gè)例子。如圖所示，主回路由變流器、濾波回路和逆變器三部分構(gòu)成，另外，一旦電動(dòng)機(jī)需要制動(dòng)時(shí)需附加“制動(dòng)回路”。圖2-1 典型的電壓型變頻器1變流器 2濾波回路 3制動(dòng)回路 4逆變器 (二)控制回路向變頻器主回路提

18、供多種控制信號(hào)的回路，稱為控制回路?？刂苹芈酚梢韵虏糠纸M成：決定U/F特性的頻率電壓"運(yùn)算回路"，主回路的“電壓電流檢測(cè)回路”，電動(dòng)機(jī)的"轉(zhuǎn)速檢測(cè)回路”，根據(jù)運(yùn)算回路的結(jié)果生成相應(yīng)的PWM脈沖并進(jìn)行隔離和放大的“PWM生成及驅(qū)動(dòng)回路” ，以及變頻器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)回路” ?？刂苹芈稟沒(méi)有速度檢測(cè)為速度開環(huán)控制。適用于簡(jiǎn)單、速度精度要求不高的場(chǎng)合控制回路B包含速度檢測(cè)，為速度閉環(huán)控制，適用于速度精度要求高的場(chǎng)合。1運(yùn)算回路：將外部的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測(cè)口路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算變頻器的輸出電壓、頻率。2電壓電流檢測(cè)回路：檢測(cè)主回路電壓、電流，并與主回路隔離。

19、3驅(qū)動(dòng)回路：它將控制信號(hào)與主回路隔離，并將控制功率放大以使主回路功率開關(guān)導(dǎo)通關(guān)斷。4速度檢測(cè)回路：在異步電動(dòng)機(jī)軸上裝上速度檢測(cè)器(測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電編碼器等)檢測(cè)速度信號(hào)并送入運(yùn)算回路。5保護(hù)回路：檢測(cè)主電路的電壓、電流等。當(dāng)發(fā)生過(guò)載或過(guò)電壓等異常時(shí)，停止變頻器工作成抑制電壓、電流值，以防止變頻器和異步電動(dòng)機(jī)損壞：保護(hù)回路分為變頻器保護(hù)和異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)兩種。2.2 矢量控制的基本概念1.問(wèn)題的提出直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)之所以具有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，是因?yàn)槠渚哂幸粋€(gè)能獨(dú)立控制的空間位置固定的勵(lì)磁磁通和一個(gè)經(jīng)電刷換相器引入的電樞電流，若忽略磁路飽和和電樞反應(yīng)，電動(dòng)機(jī)電刷置于幾何中線上，直流電動(dòng)機(jī)的主磁通與電

20、樞電流產(chǎn)生的磁通是相互垂直的。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩就可以寫成：可是對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，情況要復(fù)雜得多，其轉(zhuǎn)距的表達(dá)方式為 由此可見(jiàn)，直流調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)單變量(單輸入單輸出)的三階線性系統(tǒng)，而交流變額調(diào)速系統(tǒng)則是一個(gè)多變量的高階非線性系統(tǒng)。2.矢量控制的基本思想如果能將交流電動(dòng)機(jī)的物理模型等效地變換成類似直流電動(dòng)機(jī)的模式，分析利擰制問(wèn)題就可大為簡(jiǎn)化：不同電動(dòng)機(jī)模型彼此等效的原則是在不同坐標(biāo)系下所產(chǎn)生的磁通勢(shì)相等。眾所周知，交流電動(dòng)機(jī)三相對(duì)稱的靜止繞組U、V、W，通過(guò)三相平衡的正弦電流時(shí)，所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)F成為旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，它在空間呈正弦分布，并以同步轉(zhuǎn)速(即電流的角頻率)順著U-V-W的順序旋轉(zhuǎn)。

21、3.坐標(biāo)變換圖2-2 不同坐標(biāo)系中電流分量的等效關(guān)系 矢量變換控制的基本思想是通過(guò)數(shù)學(xué)上的坐標(biāo)變換方法，把交流三相繞組U、V、W中的電流變換到兩相靜止繞組中的電流。再由數(shù)學(xué)變換變換到兩極旋轉(zhuǎn)繞組M、T中的電流電流，實(shí)質(zhì)上就是通過(guò)數(shù)學(xué)變換把三相交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成兩個(gè)分量，一個(gè)用來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的勵(lì)磁分量，另個(gè)是用來(lái)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩分量可見(jiàn)，通過(guò)坐標(biāo)變換，就可以把一臺(tái)關(guān)系復(fù)雜的異步電動(dòng)機(jī)等效為一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)。 圖2-3 異步電動(dòng)機(jī)坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖一、三相二相（32)變換和二相三相(23)變換 圖2-4 3/2變換器電路 三相與二相的變換分兩種情況，是在功率不變條件下的變換，二是在磁通勢(shì)基波

22、幅值不變條件下的變換，它們的變換矩陣相同，只是系數(shù)不同，本節(jié)分析在磁通勢(shì)基波幅值不變條件下的變換。二、矢量旋轉(zhuǎn)變換(VR)及反矢量旋轉(zhuǎn)變換(VR) 圖2-5 矢量旋轉(zhuǎn)變換在矢量變換控制系統(tǒng)中，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，常將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸M選取與磁通矢量方向致，故旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)M和T又稱為磁場(chǎng)定向坐標(biāo)，矢量變換控制系統(tǒng)又稱為磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)。2.3矢量控制系統(tǒng)1.矢量變換控制系統(tǒng)構(gòu)想既然異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換可以等效成直流電動(dòng)機(jī)，那么模仿直流電動(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)反變換，就能夠控制異步電動(dòng)機(jī)了，由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流(代表磁通勢(shì))的空間矢量，所以這種通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就是矢量

23、變換控制系統(tǒng)，或稱矢量控制系統(tǒng)給定和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)類似于直流調(diào)速系統(tǒng)所用的控制器，產(chǎn)生勵(lì)磁電流的給定信號(hào)和電樞電流的給定信號(hào)經(jīng)過(guò)反旋轉(zhuǎn)變換VR得到,在經(jīng)過(guò)23變換得到、把這三個(gè)電流控制信號(hào)和由控制器直接得到的頻率控制信號(hào)。加到帶電流控制的變頻器上，就可以輸出異步電機(jī)調(diào)速所需的三相變頻電流。在設(shè)計(jì)矢量控制系統(tǒng)時(shí)，可以認(rèn)為，在控制器后面引入的反旋轉(zhuǎn)變換與電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)VR抵消，如果再忽略變頻器中可能產(chǎn)生的滯后，剩下的部分就和直流調(diào)速系統(tǒng)非常相似了?？梢韵胂螅噶靠刂平涣髯儔鹤冾l凋速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)特性與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。2.磁場(chǎng)定向控制 圖2-6 直接磁場(chǎng)定向矢量變換控制變頻調(diào)速系統(tǒng) AS

24、R轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器； ATR轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器 AR磁鏈調(diào)節(jié)器；BRT轉(zhuǎn)速傳感器 最早提出矢量變換控制時(shí)，用直接測(cè)得的磁通作為反饋信號(hào)。直接檢測(cè)方法，一種是在電動(dòng)機(jī)內(nèi)埋沒(méi)探測(cè)線圈，一種是利用貼在定子內(nèi)表面的霍爾片或其它電磁元件。從理論上說(shuō)，直接檢測(cè)應(yīng)該比較準(zhǔn)確。但實(shí)際上埋設(shè)線圈和磁感元件都遇到不少工藝和技術(shù)問(wèn)題，特別是由于齒檔的影響，測(cè)得的磁通脈動(dòng)較大，尤其是在低速運(yùn)行時(shí)，使得實(shí)際應(yīng)用有困難。因此現(xiàn)在的實(shí)用系統(tǒng)中，大多采用間接檢測(cè)磁通的力法，即根據(jù)容易測(cè)得的電壓、電流或轉(zhuǎn)速等物理量，利用轉(zhuǎn)子磁通(磁鏈)觀測(cè)模型實(shí)時(shí)計(jì)算磁通(磁鏈)的幅值和相位。直接磁場(chǎng)失量變換控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的磁鏈?zhǔn)情]環(huán)控制的，因而矢量控制

25、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能較高。但它對(duì)磁鏈反饋信號(hào)的精度要求很高，如果采用磁鏈觀測(cè)模型間接測(cè)磁鏈時(shí)，則由于磁鏈模型本身的精確度受到參數(shù)變化的影響可能導(dǎo)致反饋信號(hào)失真，而使實(shí)際系統(tǒng)的精度變差。2.4矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)模型建立2.4.1異步電動(dòng)機(jī)矢量變換模型由于被控量是定子電流，因此必須從模型中找到定子電流的兩個(gè)分量與其他物理量的關(guān)系。由上述表達(dá)式推導(dǎo)出: -（2-1）-（2-2）-（2-3）-（2-4）-（2-5）從而得到圖2-7 所示的模型框圖。圖2-7三相異步電動(dòng)機(jī)矢量變換模型框圖2.4.2 間接轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模型矢量控制中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是要達(dá)到矢量控制系統(tǒng)和直流調(diào)速系統(tǒng)一樣的動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)子磁鏈在動(dòng)態(tài)過(guò)

26、程中是否能夠真正恒定。本系統(tǒng)所采用的對(duì)磁鏈的控制是開環(huán)的，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中肯定會(huì)存在偏差。要解決這個(gè)問(wèn)題應(yīng)增加磁通反饋和磁通調(diào)節(jié)器，或采用實(shí)際轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，即直接磁場(chǎng)定向。由于無(wú)論是磁通反饋還是直接磁場(chǎng)定向，磁通是通過(guò)直接利用霍爾片測(cè)量或在電機(jī)槽內(nèi)埋設(shè)探測(cè)線圈檢測(cè)，使檢測(cè)信號(hào)中含有較大的脈動(dòng)分量，越到低速影響越嚴(yán)重。故在實(shí)際系統(tǒng)中多采用間接觀測(cè)方法。即檢測(cè)出電機(jī)電壓、電流或轉(zhuǎn)速等容易測(cè)得的物理量，利用轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測(cè)模型，實(shí)時(shí)計(jì)算出磁鏈的幅值和相位，用于計(jì)算磁場(chǎng)定向角，實(shí)現(xiàn)間接磁場(chǎng)定向及對(duì)轉(zhuǎn)矩電流的瞬時(shí)控制。本文只研究M-T 坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)子磁通觀測(cè)模型如圖2-8。由異步電機(jī)在M-T 二相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)

27、系上的數(shù)學(xué)模型可以得到：（2-6）（2-7）（2-8）由表達(dá)式（2-7)，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制方程式。轉(zhuǎn)差頻率矢量控制不需要復(fù)雜的磁通檢測(cè)，運(yùn)算和控制簡(jiǎn)單，因而在基頻以下的調(diào)速系統(tǒng)中得到較多的應(yīng)用。但由于觀測(cè)模型依賴于電機(jī)參數(shù)和，它們的精確度都會(huì)受到參數(shù)變化的影響，這是間接觀測(cè)法的主要缺點(diǎn)。圖2-8 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模型框圖2.4.3矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)模型系統(tǒng)采用磁鏈開環(huán)、轉(zhuǎn)差頻率型矢量控制方案。圖2-9為矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)模型框圖，采用電流控制策略。圖中有上標(biāo)*的為指令給定值，其余為實(shí)際值。首先將角頻率指令和的偏差信號(hào)送至速度PI調(diào)節(jié)器（ASR）,速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)矩給定指令值；根據(jù)系統(tǒng)要求

28、確定磁鏈給定值，根據(jù)式（2-1）計(jì)算出定子勵(lì)磁電流分量給定值，由電機(jī)實(shí)際定子電流經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換得到，再根據(jù)式（2-6）和（2-7）得到動(dòng)態(tài)過(guò)程中的實(shí)際值和轉(zhuǎn)差角頻率求出值，同時(shí)由和(2-3）算出定子轉(zhuǎn)矩電流分量給定值。給定電流值、經(jīng)過(guò)坐標(biāo)反變換得到定子三相電流給定值。在電流調(diào)節(jié)部分，由電流指令給定值和實(shí)時(shí)檢測(cè)所得的三相電流偏差信號(hào)送至電流調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器采用滯環(huán)比較器，它的輸出即為IGBT 逆變器的控制信號(hào)。采用速度、電流雙閉環(huán)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩的分別控制，即電機(jī)勵(lì)磁僅僅取決于定子電流勵(lì)磁分量，而轉(zhuǎn)矩僅取決于定子電流轉(zhuǎn)矩分量，只要確定了所需的電機(jī)勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩值，就確定了和。應(yīng)用矢量變換通過(guò)對(duì)

29、定子電流跟蹤給定值的控制實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，并且定子電流勵(lì)磁分量給定值和定子電流轉(zhuǎn)矩分量給定值到實(shí)際值的傳遞是解藕的，解藕的效果只與逆變器的延時(shí)時(shí)間有關(guān)，不依賴電機(jī)參數(shù)，有利于提高系統(tǒng)的控制性能，實(shí)現(xiàn)高性能的異步電機(jī)變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)。圖2-9 矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)模型框圖3 礦井提升機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)3.1單片機(jī)一變頻器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)圖3-1 矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)組成原理圖 礦井提升機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。該系統(tǒng)包含速度、電流兩環(huán)控制系統(tǒng)，其中速度外環(huán)是由單片機(jī)與速度檢測(cè)電路、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向判別電路、位置檢測(cè)電路、軸脈沖編碼器組成，電流內(nèi)環(huán)是由單片機(jī)與霍爾傳

30、感器、隔離放大電路、PWM 輸出電壓互鎖驅(qū)動(dòng)電路及光電隔離電路組成。除此之外，共用片外8KRAM6264 。變頻器選擇交一直一交電壓型通用變頻器。單片機(jī)對(duì)速度環(huán)主要完成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)，提供指令信然后根據(jù)矢量變換原理實(shí)現(xiàn)MT/ABC的變換，產(chǎn)生定子電流給定值作為電流環(huán)的初始值，以上可由程序?qū)崿F(xiàn)。與霍爾傳感器測(cè)得的實(shí)際電流相比較后得到的電流偏差值送入電流滯環(huán)控制器，輸出PWM 電壓波形直接驅(qū)動(dòng)逆變器的門級(jí)電路，控制變頻器輸出的定子三相電流頻率實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速跟蹤給定值運(yùn)行。選用高性能單片機(jī)80C196MC 作為與變頻器相連的微處理器。80C196MC 是INTEL公司于1992年推出的最

31、新一代單片機(jī)，是真正的16 位微控制器。該單片機(jī)特別適用于電動(dòng)機(jī)和反向器等高速控制領(lǐng)域，具有性能高，功能全，用戶使用方便等特點(diǎn)，尤其是高速的處理能力和對(duì)交流電的特殊應(yīng)用。它的CPU 寄存器為16 位，對(duì)外數(shù)據(jù)通道為8 位，具有7 個(gè)8 位I/O 口，1 個(gè)13 路A/D轉(zhuǎn)換器，一個(gè)串行處理器陣列（EPA ) ，中斷系統(tǒng)中具有一個(gè)特殊的外圍事件服務(wù)器(PTS）系統(tǒng)，兩個(gè)16 位定時(shí)器，一個(gè)三相波形發(fā)生器( WG）、一個(gè)PWM 脈寬調(diào)制單元，高效的指令系列以及8K可加密的EPROM 。由它構(gòu)成的系統(tǒng)體積小、功耗低、可靠性高。3.1.1 速度閉環(huán)結(jié)構(gòu)3.1.1.1 軸脈沖編碼器的工作原理 采用EGC

32、-CWZ5C軸脈沖編碼器，它是一種增量式光電編碼器，不僅可以檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，而且還可以測(cè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置。增量式光電編碼器的結(jié)構(gòu)如圖3-2 所示。它有三組輸出信號(hào)，相應(yīng)的有三組光電轉(zhuǎn)換元件，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)盤上的槽與固定盤上的槽重合時(shí)，位于固定盤后面的光敏元件可接收到來(lái)自轉(zhuǎn)動(dòng)盤側(cè)相應(yīng)發(fā)光元件的光，然后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)盤隨電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，該編碼器可輸出三組電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形后三相輸出波形如圖所示，Z 相信號(hào)用來(lái)定位，因?yàn)閆 相在轉(zhuǎn)動(dòng)盤上只有一個(gè)對(duì)應(yīng)的槽，故每轉(zhuǎn)一周僅有一個(gè)Z 相脈沖，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子的一個(gè)固定位置。根據(jù)不同瞬時(shí)A 相或B 相輸出信號(hào)相對(duì)于Z 相定位脈沖的相位關(guān)系，便可確定該瞬時(shí)

33、轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置。A 相和B 相輸出信號(hào)可用于測(cè)定電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。由于A 相和B 相輸出信號(hào)的頻率與轉(zhuǎn)速成正比，故可通過(guò)在給定時(shí)間內(nèi)對(duì)輸出脈沖記數(shù)而求得轉(zhuǎn)速。通過(guò)對(duì)A 相脈沖上升沿和下降沿檢測(cè)電路可得對(duì)應(yīng)于上升沿和下降沿的脈沖信號(hào) 和，使其分別與B 相信號(hào)相與，可獲得反映正轉(zhuǎn)的信號(hào)和反轉(zhuǎn)的信號(hào)。 單片機(jī)80C196MC 的P4.5與RUN 端相連用來(lái)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)；P4.6與REV 端相連控制電機(jī)反轉(zhuǎn)；P4.7與EMG端相連用來(lái)使電機(jī)制動(dòng)。圖3-2增量光電編碼器結(jié)構(gòu)原理與輸出波形3.1.1.2速度檢測(cè)原理及電路M/T法測(cè)速的原理如圖3-3所示。其中由一個(gè)定時(shí)器定時(shí)，其值是不變的。檢測(cè)周期T由

34、結(jié)束后脈沖編碼器輸出的第一個(gè)脈沖來(lái)決定，即。設(shè)在檢測(cè)周期內(nèi)，被測(cè)軸的轉(zhuǎn)角為（單位為弧度），則（3-1）若脈沖編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出個(gè)脈沖，在周期T 內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)為，則轉(zhuǎn)角又可表示為 （3-2）設(shè)時(shí)鐘脈沖頻率為f，在周期T內(nèi)，對(duì)時(shí)鐘脈沖的記數(shù)值為，則周期（3-3）由三式便可求出轉(zhuǎn)速（3-4）圖3-3 M/T 法測(cè)速原理圖M/T法測(cè)速電路如圖3-4所示。主要由82C54可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器、74HC74雙D 觸發(fā)器和單片機(jī)80C196MC及EGC-CWZ5C軸脈沖編碼器組成。82C54 是INTEL公司為微型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的一種可編程的定時(shí)計(jì)數(shù)器芯片，它有3個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器。每個(gè)計(jì)數(shù)器可按照二進(jìn)制或二一十進(jìn)

35、制計(jì)數(shù)，可由程序設(shè)定6種不同的方式工作，所有的輸入輸出都與TTL兼容。82C54 的定時(shí)器用于定時(shí)時(shí)間的計(jì)時(shí)；定時(shí)器用于計(jì)算在檢測(cè)時(shí)間T內(nèi)的的個(gè)數(shù)；定時(shí)器用于計(jì)算在檢測(cè)時(shí)間T內(nèi)的個(gè)數(shù)。當(dāng)82C54 初始化后，三個(gè)定時(shí)器的輸出端out0-out2 置零，使D 觸發(fā)器的輸入端為O 。首先，80C196MC輸出的,，使82C54的門控端，計(jì)數(shù)器不工作。同時(shí), ,，使80C196MC 的外部中斷輸入端EXTINT=0，不產(chǎn)生中斷申請(qǐng)。當(dāng)時(shí)啟動(dòng)82C54，此時(shí)，當(dāng)有編碼器脈沖從CLK1端輸入，使，三個(gè)定時(shí)器開始計(jì)數(shù)。這時(shí)仍不提出中斷申請(qǐng)。當(dāng)82C54 的定時(shí)時(shí)間（）到時(shí)，out0=1使，直到下一個(gè)光電脈

36、沖打入后使D 觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，三個(gè)定時(shí)器停止計(jì)數(shù)，同理使，X向80C196MC提出中斷申請(qǐng)。在外部中斷服務(wù)程序中讀出82C54 定時(shí)器和的計(jì)數(shù)值和，由計(jì)算出轉(zhuǎn)速n 。圖3-4 M/T測(cè)速電路3.1.1.3電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向判別電路 系統(tǒng)采用的EGC-CEZ5C軸脈沖編碼器，每轉(zhuǎn)輸出1024個(gè)脈沖。由于旋轉(zhuǎn)方向的不同，A相分別超前和滯后B相。波形如圖3-5 所示。（a）從軸看右轉(zhuǎn)（b）方向信號(hào)（Q =0) （c）軸脈沖信號(hào)（ZMCA 有信號(hào)）(d）從軸看左轉(zhuǎn)（e）方向信號(hào)（Q=1) (f）軸脈沖信號(hào)（ZMCB有信號(hào)）。將軸脈沖編碼器輸出的相位差（90°45°）的兩通道輸出脈沖，分別作用于

37、D觸發(fā)器的D端和時(shí)鐘脈沖端CLK，如圖3-6所示。當(dāng)從軸看右轉(zhuǎn)時(shí)，相的上升沿加于CLK 端，這時(shí)相對(duì)應(yīng)低電平，所以Q =0。；當(dāng)從軸看左轉(zhuǎn)時(shí)，相的上升沿對(duì)應(yīng)相高電平，Q=1 。這樣電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的不同，方向電路輸出Q也不同，方向信號(hào)加于80C196MC的P2.2 腳。 圖3-5 方向判別、計(jì)數(shù)波形器 圖3-6 電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向判別電路原理圖3.1.1.4 位置檢測(cè)電路位置檢測(cè)電路用來(lái)測(cè)量提升機(jī)的運(yùn)行位置。軸脈沖編碼器每轉(zhuǎn)輸出1024 個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)行程為1cm 。通過(guò)累計(jì)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的脈沖個(gè)數(shù)便可確定提升機(jī)的確切位置。圖3-7 為位置檢測(cè)硬件原理圖。圖3-7 位置檢測(cè)硬件原理圖 由74HC74

38、D 觸發(fā)器輸出的方向信號(hào)、和、相與非后送入80C196MC單片機(jī)的以EPA 方式工作的P2.0口和P2.1口。當(dāng)從軸看右轉(zhuǎn)時(shí)，=0,=1,ZMCB = 1不變,ZMCA 信號(hào)與相反，其上升沿被記錄下來(lái)，使P2.1 口產(chǎn)生中斷,位置累計(jì)脈沖RAM單元加1 ；當(dāng)從軸看左轉(zhuǎn)時(shí)，Q=1,=0,ZMCA=1不變，ZMCB信號(hào)與相反，其上升沿被記錄下來(lái)，使P2.0口產(chǎn)生中斷，位置累計(jì)脈沖RAM單元加1。ZMCA 與ZMCB 信號(hào)波形如圖3-5 所示。如果定義右轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)提升機(jī)下放，其計(jì)數(shù)值為正，左轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)提升機(jī)提升，其值為負(fù)，這樣提升機(jī)的位置可由兩組數(shù)值的代數(shù)和來(lái)確定。312 電流閉環(huán)結(jié)構(gòu)3 .1.2.1 A/

39、D轉(zhuǎn)換及電流環(huán)處理 系統(tǒng)使用高靈敏度的霍爾傳感器作為電機(jī)三相電流實(shí)際值檢測(cè)元件，經(jīng)隔離放大電路處理后直接送至A/ D轉(zhuǎn)換器中（P0口），不需設(shè)外部A / D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度可由程序設(shè)定。為實(shí)現(xiàn)電流環(huán)的快速性，將A / D 轉(zhuǎn)換設(shè)成PTS（外圍事件服務(wù)器）方式，PTS 提供了一個(gè)微程序的中斷處理器，可替代正常的中斷服務(wù)程序。除去PTS 初始化所占很少的時(shí)間外，A / D 轉(zhuǎn)換將由PTS 啟動(dòng)完成，這段時(shí)間CPU可處理電流環(huán)。3.1.2.2 電流跟蹤型PWM逆變?cè)硐到y(tǒng)變頻器的控制方法采用電流跟蹤策略，通過(guò)采樣定子電流來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，所以電流跟蹤特性是實(shí)現(xiàn)方案的關(guān)鍵。速度環(huán)計(jì)算出給定電流、

40、與實(shí)際電流值相比較，其偏差經(jīng)滯環(huán)比較器（DHC ) ，控制逆變器某相上下兩個(gè)橋臂的IGBT通或斷，原理框圖如3-8所示。滯環(huán)比較器的環(huán)寬為2,其中是設(shè)定的最大電流偏差。以A相為例，當(dāng)實(shí)際相電流超過(guò)給定電流且偏差達(dá)到時(shí)，滯環(huán)比較器的輸出使A相上橋臂的晶體管關(guān)斷，經(jīng)過(guò)必要的保護(hù)延時(shí)后，下橋臂晶體管導(dǎo)通，故輸出電壓由U/2切換到- U/2，電流開始下降。同理當(dāng)實(shí)際電流降到比給定值低時(shí)，下橋臂晶體管關(guān)斷，上橋臂晶體管導(dǎo)通，電流再上升。如此反復(fù)迫使實(shí)際電流不斷跟蹤給定電流波形，僅在允許偏差范圍內(nèi)稍有波動(dòng)。圖3-8電流跟蹤控制PWM波形 電流控制的精度與滯環(huán)比較器的環(huán)寬有關(guān)，同時(shí)還受到功率器件開關(guān)頻率的制

41、約。環(huán)寬選得過(guò)大時(shí)，可降低開關(guān)頻率，但電流波形失真較多，諧波成分較大；如果環(huán)寬太小，電流波形雖然較好，卻會(huì)使開關(guān)頻率增大，有時(shí)還可能引起電流超調(diào)，反而會(huì)增大跟蹤誤差。所以環(huán)寬的正確選擇是很重要的。環(huán)寬的大小根據(jù)所用功率器件的允許開關(guān)頻率而定，所以必須討論環(huán)寬（即）與開關(guān)頻率f間的關(guān)系。為方便分析，作以下假設(shè)：為防止同一橋臂內(nèi)兩開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而設(shè)置的死區(qū)時(shí)間t可忽略不計(jì)；考慮到逆變器開關(guān)頻率較高，電機(jī)定子漏感的作用遠(yuǎn)大于定子電阻的作用，可忽略定子電阻的影響。設(shè)電流給定值為t，由圖3-8可得到以下二式:-（3-5）=-（3-6） 式中、電流的上升段和下降段L電動(dòng)機(jī)繞組漏感E電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)對(duì)圖3

42、-8的電流上升段，持續(xù)時(shí)間，由電流波形的近似三角形可以寫出：-（3-7）以式（3-5）代入式（3-7） ，得電流上升段時(shí)間為-（3-8）同理，對(duì)電流下降段可求得-（3-9）-（3-10)式中。取(3-8）、式（3-10）之和，則逆變器的一個(gè)開關(guān)周期為-（3-11）相應(yīng)的開關(guān)頻率為-（3-12）由式（3-12）可以看出，采用電流滯環(huán)跟蹤控制時(shí)，電力電子器件的開關(guān)頻率與環(huán)寬成反比，環(huán)寬的選擇應(yīng)使最大開關(guān)頻率小于所用器件的允許開關(guān)頻率。并且開關(guān)頻率還隨和/ 變化。反電動(dòng)勢(shì)決定于電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速越低就越小，也就越大，因此最大的開關(guān)頻率發(fā)生在堵轉(zhuǎn)情況，此時(shí)= O , 式（3-12 ）變成-（3-13） 由于給定電流是正弦函數(shù)，其導(dǎo)數(shù)為-（3-14）則在一個(gè)周期的不同時(shí)刻，導(dǎo)數(shù)在0之間不斷變化，堵轉(zhuǎn)開關(guān)頻率的最大與最小值為（）-（3-15）（）-（3-16）電流滯環(huán)跟蹤控制精度高，響應(yīng)快，且易于實(shí)現(xiàn)。只要保證在電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)給定電流峰值處的幾個(gè)瞬間決定的最高開關(guān)頻率，不超過(guò)器件的允許開關(guān)頻