风机、泵类负荷变频调速控制器设计

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引言

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1.1 问题的提出

三相交流异步电机，由于转子侧的电流不从外部引入，而由电磁感应产生，故而具有结构简单牢固、体积小、重量轻、价格低廉、便于维护等优点，备受人们的青睐。与其他电机相比，它在工农业生产设备中的占有率一直处于绝对优势的地位。

70年代矢量控制理论的引入使交流调速实用化。相继各类全控型器件层出不穷，变频调速技术日新月异。从生产到日用家电涉及方方面面，已进入一个高科技应用时代，使工业化生产应用技术发生了很大的变革。变频调速技术是现代电力传动的主要发展方向，它在节电、提高产品质量、产量实现自动化等方面，是基本技术之一，其重要性日趋增强。特别是在电力电子、微电子及计算机技术迅速发展的今天，各种电力器件SCR-GTR-GTO-IGBT以及GTO+IGBT的复合器件的开发，使变频调速技术得到了迅速的发展。交流变频调速技术已成为调速传动技术的主流。近10年来，随着矢量控制技术和直接转矩控制技术的发展，交流调速的性能达到和超过了直流调速，电机的交流调速价格己与直流接近或相当。因此，出现了以交流取代直流的趋势。国外基本上已全部采用交流调速，虽还贵一点，但能从减小维护和停机时间中得到补偿。我国目前直流还占一定的比例，但许多新上的项日已要求全调速。

矢量控制也叫磁场定向控制。80年代初矢量控制进入实用阶段，经过二十多年工业实践的考验、改进与提高，目前已达到成熟阶段。但其也有不足之处，即要进行坐标变换、计算量大、变换复杂、从而限制了它的发展与应用。但随着集成电路技术的发展，微机的速度越来越快、精度越来越高、功能越来越多，它己能够完成交流调速系统复杂的控制任务。特别是在1982年美国德州仪器公(TexasInstruments)成功推出DSP(数字信号处理器)以后，电机调速系统己可实现全数字化。DSP系统是以数字信号处理为基础，概括起来具有以下主要优点:

a)在一个指令周期内可以完成一次乘法和一次加法。 b)程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。

c)片内具有快速RAM，通常可以通过独立的数据总线同时访问两块不同的区域。 d)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。

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e)快速的中断处理和硬件1/O支持。

f)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 g)可以并行执行多个操作。

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h)支持流水线操作，使取指令、译码和执行等操作可以重叠进行。

当然，DSP系统也存在一定的缺点。如。系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏，功耗较大，成本较高等。但其突出的优点己经使它广泛地应用于通信、雷达、声纳、遥感、生物医学、机器人、语言和图像处理等领域。目前，我国的DSP电机控制系统尚处于研制阶段，各科研单位及高校也正加大这方面的研究和开发力度。相信，在不远的将来，DSP的运用将越来越广，也是以后发展的趋势。

目前，用于矢量控制的调节器都使用PI调节器。对于异步电机这样的强非线性的系统，PI调节器的能力便略显不足，因此，开发更为有效、非线性控制能力更强的智能控制器一直是矢量控制理论研究的热点。模糊控制器是解决非线性系统控制的有力手段，在许多实际问题的解决中己经取得了重大成功。如何将模糊控制器应用于电机调速就成了本文所研究的问题。

1.2 我国变频调速系统的发展概况

近年来，交流调速中最活跃，发展最快的就是变频调速技术。变频调速技术是交流调速的基础和主要内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变得可调了，从而可以充分利用这一极为有用得资源。

在电力电子技术发展之前，直流电机几乎占垄断地位。对于直流电机，只要改变电机的电压或者是励磁电流就可以实现电机的无极调速，且电动机的转矩容易控制，具有良好的动态性能。但是直流电机有其本身固有的缺点:

a)复杂，重量大，价格高; b)电刷易磨损，维修不方便；

c)环境要求高，不适合用于易然、易爆及有腐蚀性气体的场合;

这些都与现代调速系统要求的可靠性、可使用性、可维护性相矛盾，因此直流电动机已经难以适应现代电气传动的要求了。

交流电动机具有结构简单，坚固耐用，制造方便，价格低廉，容量没有限制，维修方便， 对环境要求不高等优点，在工农业生产中得到了广泛的应用。但是交流电机是

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个非线性、强祸合的多变量系统，其可控性较差:随着现代交流电机的调速控制理论和电力电子交流技术的发展，交流电机调速取得了突破性进展，电气传动交流化的时代将随之到来。电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3部分组成。电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态(位置、速度、加速度等)，实现电能一机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分为交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能，改善产品质量，提高产量。在我国60%的发电量是通过电动机消耗掉的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视，目前已有一定规模。今年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。

我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上80年代水平。随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对国外公司敞开。很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活需要。国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部门在自行设计制造的成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。虽然取得很大成绩，但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性严重。

从总体上看我国电气传动的总体水平较国际先进水平差距10^-15年。在大功率交一交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当的差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组启动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬方面有很大的需求。在中小功率变频技术方面，国内几乎所以的产品都是普通的V/F控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场的需要，每年大量进口。

交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合技术，既要处理巨大电能的转换(整流、逆变)，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技

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术问题，后者要解决(基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略)的软硬件开发问题〔在目前状况下主要是全数字控制技术〕。其主要发展方向有如下几项:

a)实现高水平的控制; b)开发清洁电能的变流器; c)缩小装置的尺寸; d)高速度的数字控制;

e)模拟与计算机辅助设计(CAD)技术。

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矢量控制技术

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2 .1 矢量控制的基本原理

矢量控制的思想就是将异步电动机模拟成直流电动机来控制，通过坐标变换，将定子电流矢量分解为按转子磁场定向的两个直流分量并分别加以控制，从而实现磁通和转矩的解耦控制，达到直流电机的控制效果。

整个系统为交直交变压变频电路，由主回路和控制回路两大部分组成。主回路由整流器（整流模块）、滤波器（滤波电容）和逆变器（智能电力电子模块IPM）三个主要部件组成。控制回路以TMS320F240为核心。还有辅助直流电源、光电编码器、霍尔传感器等辅助电路实现给系统提供多路直流电源，检测电机定子电流和转速等功能。

TMS320F240DSP为核心的典型数字控制变压变频调速系统原理框图如下图所示：

故障检测 驱动隔离 电流检测 光电 码盘 操作键 TMS320F240 显示 1.1 典型控制变频调速系统原理图

整流 IPM 模块 电动 机 LEM LEM

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