單片機控制的雙饋電機控制技術研究

王飛 劉雷

(1.新疆吐哈油田建設有限責任公司電氣儀表公司 2.吐哈油田公司技術監測中心)

1 引言

雙饋電機也叫交流勵磁電機，它包括電機本身和交流勵磁自動控制系統。雙饋電機是電機與電力電子技術和數字控制技術相結合的產物，在大中型交流調速系統中，如果采用雙饋電機，它的定子繞組直接接3kV、6kV、10kV的工頻電網，而轉子繞組可設計為低壓，這樣可采用低壓變頻裝置，因而可以大大降低變頻器的成本。據國外文獻報道，如容量為9000kW，同步速為1500r/min，調速范圍為30%的雙饋電機調速系統的價格以 100%計，則同容量、同轉速、同調速范圍的籠型感應電動機與變頻器構成變頻調速系統價格為300%[1～3]。雙饋電機是將電動機的定子繞組接到固定頻率的電網上，而變頻電源向轉子繞組饋電，改變轉子電流的頻率來調節電機轉速的方法即可以使電機轉速從低于同步速到高于同步速調節。

2 主電路和控制電路的設計

2.1 主電路拓撲比較

雙饋電機調速系統一般分為控制電路和主電路兩部分。主電路一般由整流、逆變電路構成。控制電路是以單片機為核心加上必要的外圍電路。控制電路發出控制信號，主電路按控制電路發出的信號給電機供電，實現調速[4]。

使用多功能變流器的雙饋調速不但可以滿足調速中的各種運行模式，而且還能節約成本，但是對檢測和控制系統提出了更高的要求。

2.2 主電路的設計

普通脈寬調制型逆變器電路的優點是：可得到接近正弦波的輸出電壓；整流電路采用二極管，可獲得接近1的功率因數；通過對輸出脈沖脈寬度的控制就可改變輸出電壓，大大加快了變頻器的動態響應。但這種變頻器無法實現從低于同步速到同步速和從同步速到超同步速的連續狀態轉換。因此，要對該電路加以改進。圖1是改進后的電路拓撲圖[5]。

圖1 多功能變流器的電路拓樸圖

2.3 軟啟動與斬波調阻調速模式

繞線轉子電動機的啟動通常是串電阻啟動，在開始啟動時，全部電阻接入回路，獲得最大的啟動轉矩，在啟動過程中逐段切除電阻。這里采用單片機發出PWM控制信號，對IGBT進行控制，形成斬波調阻啟動方式。可以證明：當忽略電機損耗時，低于同步速雙饋運行時，電機輸出機械功率為定子與轉子繞組輸入功率之差；而對高于同步速的雙饋調速，電機輸出機械功率為定子與轉子繞組輸入功率之和。因此，高于同步速比低于同步速時的雙饋調速效率會高些。

2.4 同步速運行模式

同步運行模式下的雙饋電機，需要向轉子繞組饋送直流電流，此時轉子三相繞組一般采用“兩并一串”聯接方式。多功能變流器的功能開關位置與雙饋運行模式相同，變流器以斬波方式控制不同橋臂的三個功率開關器件同時導通或關閉，輸出可控的直流勵磁電流，其等效電路如圖2 所示。

圖2 同步運行模式

2.5 驅動電路的設計

EXB系列 IGBT驅動電路的優點是電路參數一致性好，有防擎住效應的緩開關電路。該電路只有管壓降保護，僅能實現軟開關功能，無法記憶和封鎖IGBT的 PWM 驅動信號;在負載頻繁過載時易損壞IGBT。在變頻器應用中，通常希望驅動電路和驅動電源盡量簡單，而上述兩種模塊系列只能驅動一只IGBT，而且需要單獨的浮地電源，因此對于一個三相變頻器，增大了變頻器的成本，降低了可靠性。為了解決上述問題，這里選用IR公司的IRZ132。

2.6 控制電路的總體設計

控制電路的方框圖如圖3 所示。

圖3 控制器電路的框圖

控制回路以 80C196MC為核心，Xilinx公司的CPLD器件XC9572作為鍵盤、顯示的接口；電壓、電流傳感器測量電壓、電流信號；驅動器IRZ132驅動IGBT，串行接口芯片MAX232完成與微機的通訊；光電編碼器測量電機轉速；光電耦合器6N137使控制器和變流器隔離，這些器件組成控制和測量裝置。

3 控制算法

本文對雙饋電機的控制采用標量控制方式。在這種運行方式下，按速度特性公式，通過控制可控繞組激勵的幅值、頻率以及相位來實現對速度、轉矩以及電機性能（如功率因數、效率等）的控制。標量控制比開環控制運行穩定性有較大提高，動態性能也有所改善，適用于對動態性能要求不高的場合。

3.1 頻率控制

WG的重置寄存器(WG_RELOAD)中的數值決定載波頻率。變流器輸出調制波的頻率為:

式中： fTXAL為晶體振蕩器頻率；

實際系統 fTXAL的選取受到功率元件開關頻率和系統采樣頻率的限制，當不考慮死區時間時任意一相PWM輸出的有效時間 fout為:

在忽略死區時間的情況卜，占空比可表示為:

3.2 幅值控制

建立一個0°～360°的正弦函數數據表，由于正弦值有正負且為小數，單片機中的數據計算采用定點形式，因此把數據處理成定點。方法是這樣數據表的最小值為0，最大值為2000。載波比取209，數據從0°開始，每隔0.2°安排一項數據，每個數據是兩字節二進制數，1800個數據，占用3600字節。

將正弦函數表的數據存入EPROM，單片機通過查表與實時計算相結合的方法，計算出正弦波脈寬調制(SPWM)載波脈寬的給定值，其計算公式如下：

3.3 相位控制

為編程簡便，可按載波比N建立 0°～360°正弦函數數據表，按字存入相應的地址單元。這樣正弦函數數據表中每個數據所對應的相位角φ為：

根據上式計算出正弦函數數據表的地址指針變量n，電機啟動后，采樣轉子電流，找到饋入點后，向轉子饋入電流，由于電壓與電流存在著相位差，濾波器也使得電流的相位滯后，所以經過計算后，根據該式通過軟件控制變流器輸出的初始相位角。

4 實驗的波形分析

本次試驗中采用以 2.2kW 交流異步電動機帶動齒輪旋轉的方式進行電機調速試驗。圖4、圖5是電機調速波形。

圖4 低于同步速向雙饋運行方式轉換時轉子繞組電壓波形

圖5 低于同步速一同步速一高于同步速雙饋

實驗證明，本論文提出的基于 80C196MC單片機的雙饋電機控制技術、多功能變流器的電路拓樸結構及合理的控制器的設計，有效地解決了雙饋電機的軟起動和低于同步速、同步速以及高于同步速運行模式的轉換與控制問題。

5 結束語

本文設計了雙饋電機調速所用的多功能變流器和控制器，通過這套實驗裝置可以很好地實現雙饋調速，從低于同步的雙饋到高于同步速雙饋調速的連續調速。同步運行時，通過多功能變流器向轉子繞組通入直流電，電流的大小通過施加的斬波比進行控制。

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