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电机装置的设计与研发
编辑:娱乐吧亚洲第一品牌 发布日期:2018-09-09

  转差频率矢量控制系统具有多种优点。变频电动机由于临界转差率反比于电源频率,可以在临界转差率接近1时直接启动,因此,过载能力和启动性能不再需要过多地考虑,而要解决的关键问题是如何改善电动机对非正弦波电源的适应能力,及确保电机的使用寿命。微型电动机是一种体积、容量较小,输出功率一般在数百瓦以下,用途、性能及环境条件要求特殊的一类电动机。微型电动机是指直径小于160mm或额定功率小于750W的电机,微型电动机常用于控制系统或传动机械负载中,用于实现机电信号或能量的检测、解析运算、放大、实行或转换等功能。它采用矢量控制,即不但控制被控量的大小,而且要控制其相位。在Blascheke提出的转子(rotor)磁场(定义:传递实物间磁力作用的场)定向矢量控制系统(FOC)中,通过坐标变换和电压(voltage)补偿,巧妙地实现了异步电动机磁通和转矩的解耦和闭环控制。有时为简化控制系统的结构(Structure),可以直接忽略转子磁通的过渡过程,即在转子方程中,令Ψr d≈L m i sd,于是得到d轴电流(Electron flow),而q轴电流可直接从转矩参考值,即转速(Rotational Speed)调节(adjust)器的输出中求得。
  三相异步电动机转子的转速为:n = n 0(1 - s) = 60 f
  (1 - s) / p(1)由(1)式所示,改变定子(组成:定子铁芯、定子绕组和机座)绕组供电电源频率f可以改变三相异步电动机转子的转速,这种调速简称变频调速。
  它具有调速范围(fàn wéi)广、效率高、节能等优点,在当前具有非常广泛(extensive)的应用前景。
  1TMS 320 L F 2407 A的特点及其优势(说明:能压倒对方的有利形势)系统控制芯片(又称微电路)采用TI的DSP : TMS320L F2407A ,之所以选用该芯片,主要有以下几点考虑:(1)采用高性能静态CMOS技术,使得供电电压降为
  3. 3 V ,减小了控制器的损耗;最快40 MIPHOTOSHOP的实行速度使得指令周期缩短到25 ns(40 Mhz) ,从而提高了控制器的实时控制能力。
  (2)片内有高达32 K字的FLASH程序存储器,高达
  1. 5 K字的数据(data)/程序RAM ,544字双口RAM(DARAM)和2 K字的单口RAM(SARAM) .
  (3) 2个事件管理器EVA和EVB ,每个包括2个16位通用定时器和8个16位的脉宽调制通道。
  它们能够实现:三相反相器控制;PWM的对称(symmetry)和不对称波形;当外部引脚PDPIN Tx出现低电平时快速关断PWM通道,这对于智能(intelligence)功率模块(IPM)和交流马达的保护非常有利;可编程的PWM死区控制以防止(fáng zhǐ)上下桥臂同时输出触发脉冲,从而防止短路(电流不经用电器、直接连电源两极)的发生;3个捕获(catch)单元;片内光电编码器接口(interface)电路(Electric circuit)(QEP) ,这使得全数字调速系统的闭环实现(速度环)更为方便;16通道10位精度A/ D转换器,最小转换时间500 ns ,可选择2个事件管理器来触发2个8通道A/ D转换器或者一个16通道A/ D转换器,这个A/ D模块可以方便地进行电机三相电流的采样,从而构成闭环系统的电流环;SVPWM模块,这使得PWM的产生更加方便。事件管理器模块是其关键(说明:比喻事物的重要组成部分)部分,它适用于控制交流感应电机、同步电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机和电流变换器。
  这些特性使得全数字控制系统应用于交流电机调速成为可能。相对于传统(chuán tǒng)的模拟控制或者模拟、数字混合控制系统而言,全数字控制系统有以下优点:
  ①精心设计的微机控制系统能显著地降低控制器硬件成本。
  ②改善系统可靠性。
  ③数字电路不存在温漂问题,不存在参数变化的影响。
  ④可以设计统一的硬件电路,以适应不同的电机控制系统。
  ⑤可以完成复杂的功能,指令、反馈、校正、运算、判断、监控、报警、数据处理、故障诊断、状态估计、触发控制、PWM脉冲产生以及坐标变换等。
  2系统控制原理全数字交流调速系统设计框图如所示。
  整个调速系统都是基于以上框架(framework)进行实现的,采用的是空间转子磁场定向。通过霍尔获得电机电流的反馈,通过DSP的QEP单元实现速度反馈(虚线内为DSP实现的坐标变换以及其它数字运算) .因此,在系统实现过程中,其关键部分就在于对电流的解耦。
  这是因为转子磁场和转子实际旋转位置(position )之间存在着一个差角:转差角。 i d, i q分别为解耦后的磁场电流和转矩电流; iα, iβ为固定坐标系下的电流分解;θe,θsl,θr分别指转子磁链相对于横轴的角度、转差角以及转子实际位置。
  所谓转子磁场空间定向,就是将Park坐标变换的d轴定义在转子磁场方向上,这样就得到以下转子磁场以及力矩的方程:ψ∧r = L m i ds(2)
  T e = 3 kψ∧r i qs / 4(3)式中: k为一个与电机参数相关的常数。
  将(2)式代入(3)式中可得:T e = 3 kL m i ds i qs / 4(4)由(4)式,可得到以下结论:转子磁场矢量(方向和大小)只与d轴电流相关,而转矩则与d轴、轴电流分量都有关。
  但若要求空间磁场为定值的情况下,即d轴电流分量为定值,那么转矩就只与q轴分量相关。
  但是,由可以看出,解耦中所需要的θe角与转子实际电角度θr之间存在一个差角θsl,如果这个差角没有得到准确的估计,那么解耦就会失败。
  3系统App实现方案系统App主要完成以下功能:(1)速度采样和处理通过DSP的QEP单元实现速度的采样,并且进行标幺化处理。
  为了保证速度的稳定性(The stability of),App采用了变周期采样,不同的速度段采用不同的速度采样周期。
  (2)电流采样通过2407自带的AD单元进行采样,采样周期为100μs,同时进行数字滤波。
  (3)位置环、速度环和电流环的调节器设计。位置环采用的是变比例调节方式,从而实现位置跟随快速性和无超调性;速度环和电流环都是采用PI调节器实现。
  (4)脉宽调制系统采用空间矢量PWM(SVPWM) ,它依据逆变器(inverter)的开关逻辑将转子磁场空间划分为6个区间,在各部分对定子电压矢量进行分解,从而得到实际产生PWM波形所需的参数。
  伺服系统App由DSP事件管理器A的定时器1周期中断来触发。作为全数字调速系统,对反馈量的数字处理非常重要。鉴于选用的DSP为16位运算,因此对数字量进行了标幺化处理,这样表示的数字范围可以大大增加,而且对于运算也可以进行简化。但是它产生的问题就是需要小数表示,所以App运算中的数字量采用
  4. 12格式实现,即4位整数,12位小数。当然在运算精度比较高时也可以采用其它格式的表示方法。
  4试验结果及分析(Analyse)试验采用的异步电机参数为:额定转速1 430 r/ min ,额定电流
  4. 9 A ,额定功率
  2. 2 kW ,磁极对数为2.将异步电机与一直流电机相连,异步电机运转时,直流电机起发电机的作用,以驱动(Driver)3个100 W的灯泡为负载。指令速度为500 r/ min时的速度响应曲线。为脉冲响应位置跟随曲线。是位置跟随过程中的速度响应曲线。
  采用双闭环矢量控制系统后,在速度精度、抑制超调、抗扰动方面都有很大的提高,该系统在低速性能上较其它方案也有很大的改善。因此,在此速度环、电流环的基础上,加入位置环后实现的伺服系统也能够达到很好的性能指标。

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