专利名称：高性能变频器的矢量控制电路及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种变频器，尤其涉及一种该变频器中实现调速的精度和响应速度的控制电路及其控制方法。
背景技术：
变频调速器是一种新型调速装置，在各行各业中获得了广泛的应用。其良好的调速性能，显著的节能效果，在钢铁、矿山、石油化工、电力、机械、轻工、建材等行业得到了充分地体现。
目前，变频技术大都采用开环V/F控制，包括恒转矩调速和恒功率调速。基于这种技术的变频器用于驱动风机、水泵、压缩机类负荷，有一定的节能效果，但动态特性差，无法满足高精度、高响应速度、高节能要求的场合，如数控机床主轴变频器。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供了一种高性能变频器的矢量控制电路及其控制方法，旨在解决上述的缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的本发明的控制电路包括不可控整流器，中间直流环节，电流控制电路，电流检测电路，速度检测电路；还包括一个与中间直流环节、电流控制电路以及电流检测电路相连接的电流控制型PWM逆变器；一个与电流控制电路、电流检测电路以及速度检测电路相连的微处理器；本发明的控制方法是通过以下步骤实现的通过微处理器定时器(TIM)发出中断请求；保护现场；
转子磁链计算；转子磁链极小值限幅；转速调节；磁链调节；非线性状态反馈及解耦运算；i*ST和i*SM限幅；旋转变换；2/3变换；三相电流输出；跟踪变量输出；恢复现场；开中断；与现有技术相比，本发明的有益效果是通过电流调节器的快速调节，从而保证了系统的快速响应，通过电流调节器和速度调节器的双馈控制，从而保证了系统的调速精度；实现了更好的节能效果。
图1是本发明的电路框图；图2是图1中电流控制型PWM逆变器框图；图3是图1中电流偏差示意图；图4是图1中微处理器的框图；图5是本发明的方法流程图；具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述由图1、图2可见本发明的控制电路包括不可控整流器，中间直流环节，电流控制电路，电流检测电路，速度检测电路；还包括一个与中间直流环节、电流控制电路以及电流检测电路相连接的电流控制型PWM逆变器；一个与电流控制电路、电流检测电路以及速度检测电路相连的微处理器；所述的电流控制型PWM逆变器包括(以一相为例)定子电流给定值i*，与实际电流i相比较，经D触发器采样保持，作为IGBT功率元件的驱动信号；当给定值i*大于实际值i时，上桥臂导通，下桥臂阻断，使电机实际电流增大；反之，当i*小于i时，上桥臂阻断，下桥臂导通，迫使电流下降；所述的微处理器包括定时器(TIM)发出中断请求模块；保护现场模块；转子磁链计算模块；转子磁链极小值限幅模块；转速调节模块；磁链调节模块；非线性状态反馈及解耦运算模块；i*ST和i*SM限幅模块；旋转变换；2/3变换模块；三相电流输出模块；跟踪变量输出模块；恢复现场模块；开中断模块；高性能的交流调速系统，要求快速的微处理器及高性能PWM逆变器的支持，否则再好的控制规律也是枉然。考虑到实时控制系统需要进行线性调节、状态反馈、坐标变换等运算，还必须通过磁链模型对转子磁链进行计算，这些运算的速度和精度势必影响系统的控制性能。如果采用定点运算，不同的物理量有着不同的存贮系数，在进行乘除法运算时，还必须考虑这些存贮系数间的制约关系，难以既保证精度又避免数据溢出。因此，在系统中，采用浮点运算+定点运算相结合的方法，最后将电流给定值转换为定点数输出。
PWM逆变器是交流调速系统的功率放大部分，其电流闭环控制既能抑制反电动势的影响，还可保障系统安全可靠地工作。采用硬件闭环的方法，可简化系统结构，减少系统软件工作量。
基于以上两点，系统以TMS320F2407高速数据处理器(DSP)为控制器，电流控制型IGBT PWM逆变器为功率部分，其最高开关频率可达20kHz，使实际电流能很好跟随给定值。
电流闭环控制具有抑制反电动势的扰动、限制最大电流以保证系统安全可靠地工作等作用。电流控制型PWM逆变器具有结构简单、无需复杂的PWM生成算法等优点。常用的电流控制型PWM逆变器可分为滞环控制型与同步采样型，前者能严格控制电流偏差，但开关频率不定；而后者则相反，能严格控制其允许开关频率，但电流偏差随着给定值的变化而变化。系统采用IGBT同步采样电流控制型PWM逆变器。
电流控制型PWM逆变器(以一相为例)，定子电流给定值i*，与实际电流i相比较，经D触发器采样保持，作为IGBT功率元件的驱动信号。当给定值i*大于实际值i时，上桥臂导通，下桥臂阻断，使电机实际电流增大；反之，当i*小于i时，上桥臂阻断，下桥臂导通，迫使电流下降。其采样频率由D触发器控制，现设计为10kHz至连续可调。由于实际电机电流是连续的，而采样则是断续的，故实际电流在给定值附近波动。实验结果(图3)表明，电流具有良好的跟随性能。
由图4、图5可见系统软件是实现控制规律的关键部分，主要完成非线性状态反馈和解耦控制、转子磁链的计算与电流调节、转速调节以及坐标变换等功能，同时还要完成转速、电流检测、监控管理等功能。为了提高系统运算精度，避免数据溢出，控制软件采用浮点+定点运算方式。
鉴于交流调速系统是个快速系统，其采样及运算频率必须足够高，否则将影响到系统的性能，甚至造成系统的不稳定。因此，以TMS320F2407高速数据处理器(DSP)为控制器，可以使这些子程序得以全速运行，时间紧张的矛盾得以缓解。
定时中断服务程序每隔100US运行一次，由片内定时器(TIM)发出中断请求。定时中断服务程序要完成磁链的计算与调节、转速调节、状态反馈及解耦控制、坐标变换等工作，是整个控制软件中的关键部分，其运算量之大、功能之多也在整个软件中占据首位，程序框图参见图4。其中转速和电流调节器均为带有积分和输出限幅的PI调节器。
在异步电机调速系统中，相对容易检测的物理量是定子电压、定子电流和转速，各种转子磁链的计算方法，利用这三个物理量的部分或全部来计算转子磁链的幅值和相角。系统采用电流控制型PWM逆变器，采用定子电流和转速计算转子磁链的方法，具有形式简单、运算量小等优点。
电流的快速响应电流调节器的调节时间为100US，调节过程如下输出电流出现偏大->电流调节器减小输出电流->电机的输出电流减小；输出电流出现偏小->电流调节器加大输出电流->电机的输出电流加大；通过电流调节器的快速调节，从而保证了系统的快速响应。
调速的精度速度PI调节器的调节时间为1MS，电流调节器的调节时间为100US，调节过程如下在输出速度出现偏大->速度PI调节器首先减小目标力矩->电流调节器减小输出力矩电流->电机的输出速度减小；输出速度出现偏小->速度PI调节器首先加大目标力矩->电流调节器加大输出力矩电流->电机的输出速度加大；通过电流调节器和速度调节器的双馈控制，从而保证了系统的调速精度。
系统节能效果由于电流调节器和速度调节器的双馈控制，系统根据负载的大小动态调节输出功率，从而达到高效的节能效果，调节过程如下在负载减小->反馈速度加大->速度PI调节器首先减小目标力矩->电流调节器减小输出力矩电流->电机的输出速度减小->电机的输出功率减小；在负载加大->反馈速度减小->速度PI调节器首先加大目标力矩->电流调节器加大输出力矩电流->电机的输出速度加大->电机的输出功率加大。
权利要求
1.一种高性能变频器的矢量控制电路，包括不可控整流器，中间直流环节，电流控制电路，电流检测电路，速度检测电路；其特征在于还包括一个与中间直流环节、电流控制电路以及电流检测电路相连接的电流控制型PWM逆变器；一个与电流控制电路、电流检测电路以及速度检测电路相连的微处理器。
2.根据权利要求1所述的高性能变频器的矢量控制电路，其特征在于所述的电流控制型PWM逆变器包括(以一相为例)定子电流给定值i*，与实际电流i相比较，经D触发器采样保持，作为IGBT功率元件的驱动信号；当给定值i*大于实际值i时，上桥臂导通，下桥臂阻断，使电机实际电流增大；反之，当i*小于i时，上桥臂阻断，下桥臂导通，迫使电流下降；所述的微处理器包括定时器(TIM)发出中断请求模块；保护现场模块；转子磁链计算模块；转子磁链极小值限幅模块；转速调节模块；磁链调节模块；非线性状态反馈及解耦运算模块；i*ST和i*SM限幅模块；旋转变换；2/3变换模块；三相电流输出模块；跟踪变量输出模块；恢复现场模块；开中断模块。
3.一种如权利要求1的方法是通过以下步骤实现的通过微处理器定时器(TIM)发出中断请求；保护现场；转子磁链计算；转子磁链极小值限幅；转速调节；磁链调节；非线性状态反馈及解耦运算；i*ST和i*SM限幅；旋转变换；2/3变换；三相电流输出；跟踪变量输出；恢复现场；开中断。
全文摘要
本发明涉及一种高性能变频器的矢量控制电路及其控制方法，其电路包括不可控整流器，中间直流环节，电流控制电路，电流检测电路，速度检测电路；还包括一个与中间直流环节、电流控制电路以及电流检测电路相连接的电流控制型PWM逆变器；一个与电流控制电路、电流检测电路以及速度检测电路相连的微处理器；本发明的有益效果是通过电流调节器的快速调节，从而保证了系统的快速响应，通过电流调节器和速度调节器的双馈控制，从而保证了系统的调速精度；实现了更好的节能效果。
文档编号H02P27/04GK1829059SQ20051002422
公开日2006年9月6日 申请日期2005年3月4日 优先权日2005年3月4日
发明者黄景春 申请人:上海山宇电子设备有限公司