無速度變頻控制系統(tǒng)在礦山機械傳動中的應(yīng)用

謝錦秋,董麗麗

(河北聯(lián)合大學(xué)，河北 唐山 063000)

1 概述

目前，我國礦山機械傳動調(diào)速控制多數(shù)采用V/F控制，在高轉(zhuǎn)矩，高精度的工況下不能滿足調(diào)速控制要求。為了達(dá)到高精度的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制及磁場定向的需要，在電機軸上安裝了速度傳感器。但是有許多場合不允許外裝任何速度和位置檢測元件，此外安裝速度傳感器一定程度上降低了調(diào)速系統(tǒng)的可靠性。隨著交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展和實際應(yīng)用的需要，國內(nèi)外許多學(xué)者和科技人員展開了無速度傳感器的交流調(diào)速系統(tǒng)研究，成為交流調(diào)速技術(shù)一個重要的應(yīng)用研究領(lǐng)域。

本文基于TMS320LF3407的高性能的異步電動機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)，充分利用了DSP的高速運算能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)結(jié)構(gòu)、使電機控制度外圍電路簡單，結(jié)構(gòu)緊湊。從試驗結(jié)果可以看出，系統(tǒng)采用軟計算代替了速度和位置檢測元件，提高了調(diào)速的可靠性。修正的自校正方法，增強了控制系統(tǒng)的魯棒性，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。一定程度上極大的促進(jìn)了需高精度、高起動轉(zhuǎn)矩的礦山機械傳動交流調(diào)速要求。

2 傳動過程中的速度辨識原理

2.1 速度辨識方法

采用模型參考自適應(yīng)(MRAS)法進(jìn)行速度辨識，在靜止坐標(biāo)系下，將含有真實速度ωr的轉(zhuǎn)子回路方程視為參考模型，將含有待辨識的速度ωr的轉(zhuǎn)子回路方程視為可調(diào)模型，根據(jù)Popov超穩(wěn)定性定理可得到轉(zhuǎn)速ωr的辨識結(jié)果ωr，ωr與定子電流、參考模型和可調(diào)模型的狀態(tài)變量ψr，ψr有關(guān).采用模型參考自適應(yīng)( MRAS)法可以獲得較好的穩(wěn)定性及較高的控制精度。

自適應(yīng)的感應(yīng)電機轉(zhuǎn)速辨識器設(shè)計

記被辨識對象和并聯(lián)估計模型如下：

辨識對象

(1)

(2)

并聯(lián)估計模型

(3)

(4)

(5)

方程式(1)～(3)是在靜止坐標(biāo)系中給出的,為便于推導(dǎo)自適應(yīng)律,假設(shè)轉(zhuǎn)速ωr為常數(shù).由式(2)減去式(4),可得誤差方程如下：

(6)

記

(7)

(8)

自定義律為

(9)

(10)

根據(jù)Popov超穩(wěn)定性定理知道,如果滿足下列條件：

(1)H(s)=D(SI-A)-1為嚴(yán)格正實矩陣；

即：模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)是漸近穩(wěn)定的。可以證明該模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)是漸近穩(wěn)定的。假設(shè)轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Tr可以準(zhǔn)確獲得,可得轉(zhuǎn)速ωr的自適應(yīng)律如下：

(11)

2.2 轉(zhuǎn)速辨識設(shè)計方法

在αβ定子坐標(biāo)系下,電機模型可由以下方程描述：

(12)

(13)

(14)

(15)

式中，im為勵磁電流矢量；em為定子繞組上的感應(yīng)電勢。

由式(14)、式(15)可得

(16)

(17)

圖1 并聯(lián)雙模型轉(zhuǎn)速觀測器

圖2 改進(jìn)的MRAS速度辨識結(jié)構(gòu)圖

在上述改進(jìn)的MRAS方案中,由于參考模型中不含純積分環(huán)節(jié),系統(tǒng)在低速時可獲得較好的性能.然而定子電阻阻值隨溫升而變化,這將直接影響系統(tǒng)的性能和模型參考自適應(yīng)速度辨識器的穩(wěn)定性,所以,如何使系統(tǒng)對定子電阻阻值變化具有低靈敏度便成為進(jìn)一步改進(jìn)辨識結(jié)構(gòu)的要求. 圖3給出了改進(jìn)的新型速度辨識器的結(jié)構(gòu)圖。

圖3 改進(jìn)的新型速度辨識器

將式(17)代入式(16)

(18)

3 調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計及技術(shù)方案

3.1 TMS320F2407的結(jié)構(gòu)和特點

TMS320 LF2907是TI公司高性價比的DSP器件。它具有相同的16位定點DSP內(nèi)核和指令集，該指令集源碼向下兼容TMS320C2x系列、向上兼容TMS320C5000系列，具有良好的可移植性。特點如下:

①指令周期33ns，運算能力30MIPS;②獨立

的讀寫數(shù)據(jù)總線和地址總線，支持并行的程序和雙數(shù)據(jù)操作數(shù)尋址;③支持并行算術(shù)邏輯(AIU)運算和乘法運算;④硬件堆棧，加快中斷處理其體系結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

DSP內(nèi)核的高性能運算能力，使TMS320 LF2407可運行復(fù)雜控制算法，如采用高階PID算法進(jìn)行精密控制，自適應(yīng)Kalman濾波算法可減小功率損耗，還可以用FFT算法對電機的機械諧振、線性諧波等進(jìn)行分析。“事件管理器”可輸出PWM脈沖，直接控制電機功率驅(qū)動器，此外還包括定時器、比較/捕獲、死區(qū)控制邏輯、空間矢量PWM發(fā)生器和直接與光電編碼器接口的編碼單元。TMS320LF2407片內(nèi)外設(shè)包括一對A/D轉(zhuǎn)換器、2個串口、CAN控制器模塊和看門狗定時器及實時中斷定時器。

3.2 調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。系統(tǒng)的控制核心是TMS320LF2407，逆變模塊IPM是由富士公司生產(chǎn)的7MBP50-RA120。該智能模塊內(nèi)含驅(qū)動電路、過流保護、斷路保護、過熱保護電路、報警輸出電路、制動電路。整個模塊采用陶瓷絕緣結(jié)構(gòu)，可直接裝在散熱片上。整流模塊采用6RI00G，電流檢測電路由接在逆變橋輸出端的霍爾傳感器電路組成，相電壓檢測電路為霍爾傳感器電路。接口電路主要是指鍵盤和顯示電路以及內(nèi)存擴展電路。

圖4 TMS320LF2407的體系結(jié)構(gòu)

3.3 調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計

圖6中，初始化程序主要完成DSP硬件及軟件變量的初始化，使能中斷的功能;初始化程序由TMS320LF2407的復(fù)位中斷驅(qū)動執(zhí)行DSP的復(fù)位中斷是一種不可屏蔽中斷，可由系統(tǒng)上電、片內(nèi)看門狗定時器溢出、非法地址操作及軟件指令觸發(fā)，初始化程序僅在系統(tǒng)復(fù)位及程序開始時執(zhí)行工次。運行程序則包括一個無限循環(huán)和一個中斷服務(wù)程序，其中中斷服務(wù)程序由電流及轉(zhuǎn)速計算、坐標(biāo)變換、PWM信號產(chǎn)生及故障保護等多個功能模塊構(gòu)成。各功能模塊按一定的順序關(guān)系，在固定的時間周期內(nèi)執(zhí)行，由GPTimerl的下溢中斷來啟動程序的運行(圖7)。

圖5 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

圖6 主程序流程圖 圖7 中斷服務(wù)程序

4 傳動系統(tǒng)的仿真與實踐

由圖8知，矢量控制系統(tǒng)由速度調(diào)節(jié)器，直接轉(zhuǎn)矩控制部分及逆變器等構(gòu)成，矢量控制部分主要完成磁鏈滯環(huán)比較、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較、最優(yōu)開關(guān)邏輯選擇、磁鏈、轉(zhuǎn)速辨識及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等功能。

圖8 矢量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

首先對一四極電機進(jìn)行了運行試驗，其額定功率為10kW，額定電壓為380 V，額定電流為19.7A，額定轉(zhuǎn)速為1460r/min。

圖 9、圖10分別給出了電機速度與轉(zhuǎn)矩的仿真曲線。

電動機的調(diào)速仿真和運行試驗對理論和計算公式進(jìn)行了驗證，得到了比較滿意的結(jié)果。

圖9 電機速度給定與仿真曲線

圖10 電機轉(zhuǎn)矩給定與仿真曲線

5 應(yīng)用與推廣

基于TMS320LF3407的高性能的異步電動機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)，充分利用了DSP的高速運算能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)結(jié)構(gòu)、使電機控制度外圍電路簡單，結(jié)構(gòu)緊湊。從實踐結(jié)果可以看出，系統(tǒng)采用軟計算代替了速度和位置檢測元件，提高了調(diào)速的可靠性。修正的自校正方法，增強了控制系統(tǒng)的魯棒性，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。使礦山機械傳動控制啟動平穩(wěn)，運行可靠，調(diào)速系統(tǒng)精度高，使交流電動機的控制具有直流電動機的特性，降低調(diào)速成本，提高生產(chǎn)效益。

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