低壓變頻器功能和算法概述概要

1、低壓變頻器功能和算法概述1功能概述 低壓變頻器算法VVVF手動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升自動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升電流振蕩抑制電機(jī)參數(shù)辨識(shí)定子電阻定子自感額定勵(lì)磁電流 轉(zhuǎn)子電阻互感無速度傳感器矢量控制定子磁鏈轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)差速度速度估計(jì)轉(zhuǎn)矩控制JOG控制 2開環(huán)控制（VVVFXJW5Iit(TM_CULJHKX ¥11r +/"v+05C_»»$Tio_n>亂k，心;|點(diǎn)ID1001_K®STKWFnn_cirnunwiflir7IQ.FO iIE f < L_1 Hl Ji.計(jì)口 j疋：吐 HUi.訝 R*WiCTFLUEIJ_MJISMLTi竝調(diào)制

2、劌p何A- !lA Wmmis.uwa圖VVVF控制算法框圖2.1 VVVF特性曲線目前的算法中僅有直線 V/F曲線（適合于普通恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和2.0次幕V/F曲線 （適合于風(fēng)機(jī)、水泵等離心負(fù)載。FRQ_VF圖V F曲線示意圖2.1.1直線VF曲線令VF_F2=FRQ_M0T0R為電機(jī)額定頻率,VF_V2=VF_FIXP0INT 為電機(jī)額定 電壓M_VF=VF _V2? FRQ _VFVF _F22.1.2 2.0次幕V/F曲線令 VF_F2=FRQ_M0T0R, VF_V2=VF_FIXP0INT; VF_F1=FRQ _MOTOR3,VF_V仁VF _FIXPOINT3。1 若 FRQ_VF

3、小于 VF_F1,貝U:M_VF=VF _V1 ? FRQ _VFVF _F12若FRQ_VF大于等于VF_F1,則:M_VF=FRQ _VF- VF _F1 2VF _F2- VF _F1? VF_V2- VF_V1+VF_V12.2手動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升轉(zhuǎn)矩提升主要應(yīng)用于截止頻率（F4.12以下，提升后的V/F曲線如下圖所 示，轉(zhuǎn)矩 提升可以改善V/F的低頻轉(zhuǎn)矩特性。應(yīng)根據(jù)負(fù)載大小適當(dāng)選擇轉(zhuǎn)矩量，負(fù)載大可以增大提升，但轉(zhuǎn)矩提升不應(yīng)設(shè)置過 大，過大的轉(zhuǎn)矩提升，電機(jī)過勵(lì)磁運(yùn)行，容易過熱,變頻器輸出電流大，效率降低。當(dāng)轉(zhuǎn) 矩提升設(shè)置為0.0%時(shí)，變頻器為自動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升。轉(zhuǎn)矩提升截止頻率：在此頻率之下，轉(zhuǎn)矩提

4、升有效，超過此設(shè)定頻率，轉(zhuǎn)矩提升失FRQ_VF圖手動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升示意圖BOOST_VAL=VF _V2 ? ( VF_F1-運(yùn)行頻率 FRQ _VF VF _F1 ? TORQUEBOOST 1000式中：VF_V2=32767為電機(jī)額定電壓。VF_F1為轉(zhuǎn)矩提升截止頻率，由參數(shù)F4.02設(shè)定TORQUE_BOOST為鍵盤設(shè)定的手動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升量（百分?jǐn)?shù)M_VF= M_VF+ BOOST_VAL。2.3自動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升2.3.1算法原理VVVF（變壓變頻 控制變頻調(diào)速時(shí)改變的是同步旋轉(zhuǎn)速度，根據(jù)感應(yīng)電機(jī)的穩(wěn) 態(tài)模型可知電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為:T e =C m m I r cos式中的m為電機(jī)磁通。根據(jù)交 流磁通產(chǎn)生

5、的原理,E g =k ? f s ?m其中的E g和f s分別為電機(jī)的相反電動(dòng)勢(shì) 電壓和頻率，k =4.44W 1K w1為一常數(shù)，當(dāng)保持E gf s為常數(shù)時(shí)即可保持恒磁通調(diào)速。但是由于E g難于測(cè)量,所以經(jīng)常采用相電壓U s來近似代替E g,即保持U sf s就認(rèn)為已經(jīng)實(shí)現(xiàn)恒磁通，而感應(yīng)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路可知 U s和E g的關(guān)系為U s =E g +R s I s，其中R s和I s分別為定子電阻和定子電流。在高頻段（一般在額定 轉(zhuǎn)速的10%以上，感應(yīng)電勢(shì)E s較大,定子阻抗壓降R s I s相對(duì)很小，可以忽略不 計(jì); 而在低頻段感應(yīng)電勢(shì)E s較小,定子電阻壓降R s I s相對(duì)較大,不能

6、忽略特別是當(dāng)負(fù) 載比較重時(shí)，電機(jī)電流I s比較大,從而使得定子電阻壓降R s I s進(jìn)一步增大，所以當(dāng)用U s f s近似代替E gf s時(shí)，在低頻段會(huì)使磁通 m減小,從而使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩減小，帶負(fù)載能力變差。為了保證低頻時(shí)依然能獲得額定磁通和相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩，在低頻段應(yīng)適當(dāng)提高輸出電壓 U s，以補(bǔ)償R s I s的影響。由于在不同負(fù)載情況下電壓 Us的提升值并不同，重載時(shí)提升值大，輕載時(shí)提 升 值小，如果提升值不準(zhǔn)確，很容易造成過流故障或不能正常帶載起動(dòng)。 所以需要一 種自動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升方法。采用了矢量補(bǔ)償定子電阻壓降的方法，推導(dǎo)如下：U s =- 2 n f s L m I m +R s I s

7、 +j2 c Inf s L sUs -2 n f s L m I m +R s I sUs - R s I s -2 n f s L m I mjUs - jR s I sq - R s I sd-2 n f s L m I m反電動(dòng)勢(shì)的幅值近似為U s - R s I sq 2+R s I sd 2=U s反電動(dòng)勢(shì)與定子電壓的誤差為:U s -U s，此式即為定 子電阻壓降的補(bǔ)償量。定子電阻壓降補(bǔ)償是保持定子磁通幅值不變的，由于定子漏電感只占定子全電 感的2%5%,所以在工程應(yīng)用中科忽略定子漏電感，這樣近似認(rèn)為定子磁通等于氣 隙磁通。算法中加上氣隙磁通 PI調(diào)節(jié)器，用PI調(diào)節(jié)器的輸出修正V

8、VVF的電壓輸出，實(shí)現(xiàn)了恒磁通調(diào)速。 氣隙磁通表達(dá)式：FLUX_CAL=L m I m = U s - R s I sq 2+R s I sd 2 s2.3.2算法實(shí)現(xiàn)步驟如下:1根據(jù)壓頻比VF _V1FRQ _MOTOR和當(dāng)前運(yùn)行頻率FRQ_VF,根據(jù)公式M _VF =VF _V1FRQ _MOTOR? FRQ_VF,得到參考電壓M_VF。2采樣電流CUR_IV和CUR_IW。3將當(dāng)前運(yùn)行頻率FRQ_VF通過積分變換得電壓矢量旋轉(zhuǎn)角度。電流CUR_IV, CUR_IW和電壓矢量旋轉(zhuǎn)角度 經(jīng)坐標(biāo)變換得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的有功電流IREAL和無功電流IREACT 。CLARKE 變換:IS_ALPH

9、A=0.5*(CUR_IW-CUR_IVIS_BELTA=-SQRT(3.0*(CURW+CUR_IV/2PARK變換：IQ_FED=IS_BELTA*COSQ-IS_ALPHA*SINQID_FED=IS_ALPHA*COSQ+IS_BELTA*SINQIREAL=| IQ_FED * l_MOTOR_AMP|/212圖a到DQ坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)變換4計(jì)算定子電阻壓降的有功分量和無功分量UREAL= IREAL*RSD*26755/65536/l_MOTORUREACT=IREACT*RSD*26755/65536/l_MOTOR。5程序中定子電阻壓降補(bǔ)償表達(dá)式為：-M_VF磁通表達(dá)式：FLUX_C

10、AL=SQRT(M_VFO-UREALA2+UREACTA2*FRQ_MOTOR1/FRQ_REAL/8 節(jié)能時(shí)磁通給定量 FLUX_SET=2048。不節(jié)能時(shí)磁通給定量 FLUX_SET=4096。TOR_BOOST 為 FLUX_SET-FLUX_CAL經(jīng)PI調(diào)節(jié)后的輸出。自動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升量為 M_VF- UREAL -M_VF+TOR_BOOST。 2.4電流振蕩抑制 振蕩抑制算法不太成熟，起不了抑制振蕩的作用。2.5調(diào)制系數(shù)GPR_DX=UREAL+SQRT(M_VF*M_VF-UREACT*UREACT-M_VF+TOR_BOOST+OSC_BOOSTG P R _E X 3:01616

11、GPR_DX-MVF_COMP*2MVF_COMP*2MVF_COMP2若選擇直線 VF，則:M_VF=VF _V1? FRQ _VFFRQ _MOTOR式中，VF_V1=32767為電機(jī)額定電壓，F(xiàn)RQ_MOTOR為電機(jī)額定頻率，F(xiàn)RQ_VF為運(yùn)行頻率,M_VF為運(yùn)行頻率FRQ_VF對(duì)應(yīng)的輸出電壓。M_BOOST= M_VF+MVF_COMP如果啟動(dòng)AVR功能：GPR_AX= M_BOOST* VDC_NORM/ VDC如果不啟動(dòng)AVR功能：GPR_AX= M_BOOST如果啟動(dòng)飛速跟蹤：M_C0E1=K_V0UT_FT* GPR_AX* V_MOTOR/ V_INVERTER 如果不啟動(dòng)飛

12、 速跟蹤或者飛速跟蹤已經(jīng)結(jié)束：M_C0E1=GPR_AX* V_MOTOR/ V_INVERTERM_C0E1經(jīng)過調(diào)制判斷或計(jì)算后得到最終的調(diào)制系數(shù) M_COE。3參數(shù)辨識(shí)3.1定子電阻辨識(shí)圖逆變器主電路圖3.1.1實(shí)現(xiàn)方法控制DSP PWM輸出口，使逆變橋一個(gè)橋臂的上下兩管 T5、T6都關(guān)斷,相當(dāng)于 使電動(dòng)機(jī)一相繞組懸空；而在電機(jī)的另外兩相繞組之間產(chǎn)生電壓脈沖。使 Tl 一直 導(dǎo)通,T2、T3、T5、T6 一直關(guān)斷，而T4由脈沖序列驅(qū)動(dòng)，則在U、V兩相繞組上 產(chǎn)生了一個(gè)電壓脈沖序列，且極性為U正V負(fù),W相繞組懸空。3.1.2防止電流過流為了防止辨識(shí)過程中變頻調(diào)速系統(tǒng)的過電流故障，占空比的設(shè)定

13、應(yīng)正確考 慮。本方法采用電流環(huán)加PI調(diào)節(jié)器得出占空比的方法控制其大小，防止過電流Nrv圖pi控制的電流環(huán)3.1.3 IGBT導(dǎo)通壓降的影響測(cè)量定子電阻時(shí)，導(dǎo)通壓降的影響不容忽視，對(duì)導(dǎo)通壓降的補(bǔ)償正確與否直接影響辨識(shí)精度的高低。 導(dǎo)通壓降包括IGBT的導(dǎo)通壓降IGBT U和續(xù)流二 極管的導(dǎo)通壓降DIODE U。當(dāng)U、V繞組上有電壓脈沖時(shí)，電流將流經(jīng)兩個(gè) IGBT ;而沒有電壓脈沖時(shí),電流經(jīng)過一個(gè)IGBT和一個(gè)續(xù)流二極管續(xù)流。如圖所示,假設(shè)在U、V繞組之間產(chǎn)生電壓脈沖，有脈沖時(shí),電流流經(jīng)T1、U相繞組、V相繞 組、T4;沒有脈沖時(shí)，電流經(jīng)T1、U相繞組、V相繞組、VD3。因此，有脈沖時(shí)，繞 組上的

14、電壓脈沖的幅值實(shí)際應(yīng)為(DC U -2IGBT U ;在沒有脈沖時(shí)，繞組上電壓為- (IGBT U +DIODE U。這樣,U、V繞組上得到的直流電壓平均值為(2*(i *(*(avde IGBT IGBT DIODE de IGBT DIODE IGBT DIODE U U U D U U D U D U UD U U 若假設(shè) DIODE U =IGBT U ,則:*( av de IGBT DIODE U U D U U 。3.1.4程序?qū)崿F(xiàn)電流給定值BS_I_GIVEN= 0CCCH(0.8倍的電機(jī)額定電流,BS_KP =12, BS_KI=6。BS_I_FEEDBACK=BS_IW_A

15、D*I_CAL_COE*10033/2A27,給定電流BS_I_GIVEN與反饋電流BS_I_FEEDBACK的誤差小于BS_TOL=50(0.01倍的電機(jī)額定電流時(shí)，定子電阻辨識(shí)完成。3.2空載實(shí)驗(yàn)辨識(shí)勵(lì)磁電流I0_ID和定子電感LS_ID 3.2.1辨識(shí)原理空載實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用VVVF控制方式。當(dāng)電機(jī)在空載情況下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速基本上接近同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率s(電機(jī)轉(zhuǎn)子回路相當(dāng)于開路，此時(shí)電機(jī)的等效電路如下圖所示L L m圖空載實(shí)驗(yàn)等效電路等效阻抗為：Z eq =等效電抗為：X eq =U s I ssin 0定子電感為：L s=L m +L Is =X eq 3e=Uscoe? Issin 0式

16、中：oe為電流、電壓的同步角頻率。待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后。檢測(cè)電機(jī)的相電壓有效值Us,相電流有效值Is以及功率因素cos以辨識(shí)定子電感。值得注意的是，1s即為感應(yīng)電機(jī)勵(lì)磁電流的幅值。3.2.2程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)定ACTRA=999H,PWM比較輸出使能，載頻設(shè)定為4K,定時(shí)器4周期中斷啟動(dòng)AD采樣，AR7=100為定子電感和勵(lì)磁電流的累加次數(shù)。速度穩(wěn)定后 ，從 電壓零相位點(diǎn)開始，每個(gè)電壓周期內(nèi)采樣電流l_FFT_AD 256個(gè)點(diǎn)，調(diào)用離散 快速傅里葉變換（DFFT計(jì)算相電壓有效值Us,相電流有效值Is以及功率因 素cos。根據(jù) 式子 L s=L m +L ls =X eq 3e=Uscoe? Issin計(jì)算出L

17、s,并保存電流有效值Is。經(jīng)100次累加后得到定子電感和勵(lì)磁電流的平均值LS_ID和IO_ID。3.3轉(zhuǎn)子電阻RR_ID計(jì)算331辨識(shí)原理轉(zhuǎn)子電阻不是按照常用的堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)辨識(shí)出來的，而是通過空載實(shí)驗(yàn)辨識(shí)出勵(lì)磁電流sm i ,轉(zhuǎn)矩電流sT i （電機(jī)額定電流平方減去勵(lì)磁電流 sm i的平方,再 開方得 到，定子電感L sd和轉(zhuǎn)差率sl,然后根據(jù)轉(zhuǎn)子電阻與它們之間的關(guān)系推算出來的。按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁鏈r與勵(lì)磁電流sm有如下關(guān)系式：1r smrmdT p i L式中,rrr1sm md r rLTR為轉(zhuǎn)子電路時(shí)間常數(shù)i L T psm mdr rri L T p系統(tǒng)穩(wěn)定后

18、，OrP，則有：rsm md i L而轉(zhuǎn)矩電流sT i ,轉(zhuǎn)差速度si和轉(zhuǎn)子磁鏈r有如下關(guān)系：r r sTsimdT i L將rrr L T R代入上式,得到：r r sTsir mdL i R L進(jìn)而得到：rd r rsisT md將rsm md i L , rd sd L L 代入，得到: rd r rd md sm rd sm sd sm r si si si si sT md sT mdsTsTL L L i L i L i R i L i L i i即：sd sm rsisT3.3.2程序?qū)崿F(xiàn)根據(jù)空載實(shí)驗(yàn)辨識(shí)出的定子電感 LS_ID和勵(lì)磁電流IO_ID,根據(jù)下式計(jì)算轉(zhuǎn)子 電阻：RR_

19、ID= 2? IO_ID? LS_ID?FRQ_M0T0R1? 6-WR_MOTOR?NP_MOTOR式中：GPR_EX=375;額定轉(zhuǎn)差為FRQ _MOTOR1? 6 NP _MOTOR - WR_MOTOR ? NP _MOTOR GPR _EX。3.4互感LMD的計(jì)算互感LMD的計(jì)算是由經(jīng)驗(yàn)公式得到的,互感LMD等于自感LS_ID減去漏 感項(xiàng)。根據(jù)不同的電機(jī)功率，互感LMD和定子電感LS_ID之間有如下關(guān)系：LMD=GPR _AX1000? LS_ID式中：當(dāng)電機(jī)功率在1KW以下時(shí),GPR_AX=955;當(dāng)電機(jī)功率在1KW以上,30KW以下時(shí),GPR_AX=965;當(dāng)電機(jī)功率在30KW以

20、上時(shí),GPR_AX=9754無速度傳感器矢量控制模式| 口踐Mi減違I* = / R£Fuq_re r= i q_Ri r *rs+ i ID_REF*FRC Sm*LS 1i =n ud_ei r= ih_pi: r *rs - :I匸虹F*L譏JHT眼 I_r* FR-； 3 YUr-ji. 1aFULINUFUjHlTl轉(zhuǎn)f叫”巧一$ELT；耐10iLiLW計(jì)葺RfWairwLFM COST!JWBibl-*?m-nmLTQ REr居IDI til!沖迺空間->V_w_*irr -itmn t *mLAMEES.CtLn.1.:'-I圖無速度傳感器矢量控制4.1坐

21、標(biāo)變換*K_F(tT FII IE RET'ER jIt -«_WT n幗曲iju 產(chǎn) r=ID -虹 T *-3 -.；I -： p.E r*L 壯 C KTROL * i TR； SYNTDtmi十二asSM兀111pn閃制轉(zhuǎn)總計(jì)nUQ RET ->PUHj ' 哩換15 CDFOIDL «l_UQ REF5 Ilph lr-LAL Pm眄”,ELTl轉(zhuǎn)fftiKR ID4laE_1LP*，轉(zhuǎn)珂SHEE_4LfSt?M CCSTfE.HlTbJL*»*nrmCLAM企找IS_ALPHA=0.5*(CUR_IW-CUR_IVIS_BELTA

22、=-SQRT(3.0*(CUR_IW+CUR_IV/2 IQ_FED=IS_BELTA*COSQ-IS_ALPHA*SINQ ID_FED=IS_ALPHA*COSQ+IS_BELTA*SINQ4.2速度辨識(shí)4.2.1定子磁鏈FS_ALPHA=US _ALPHA- RS_ID ? IS_ALPHAs+WcFS_ALPHA(k=FS_ALPHA(k- 1 +TS_SAMPLE ? (US_ALPHA- RS_ID ? IS_ALPHA- FS_ALPHA ? Wc式中,Wc為低通濾波器的截止頻率，低通濾波器的截止頻率選為電機(jī)的同步旋 轉(zhuǎn)角頻率加上很小的常數(shù)。4.2.2轉(zhuǎn)子磁鏈FR_ALPHA=-

23、IS_ALPHA*(LA_CONTROL*500/FRQ_MAX1+LRM_CONTROL* FS_ALPHAFR_BELTA=-IS_BELTA*(LA_CONTROL*500/FRQ_MAX1+LRM_CONTROL*FS_BELTALA_CONTROL= (LS_CONTROL- LM_CONTROL*25LS_CONTROL =LS_ID* FRQ_MAX1/500LM_CONTROL= LM_ID* FRQ_MAX1/500LRM_CONTROL= LS_CONTROL/ LM_CONTROL4.2.3轉(zhuǎn)子磁鏈角THTA_FLUX=ARCTG(FR_BELTA/FR_ALPHA4.2

24、.4同步角速度W_FLUX=2*(THTA_FLUX-THTA0_FLUX *(640000/FRQ_MAX1 4.2.5 轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩電流為：r m d s m r s m r r sTsisisir mdr mdL L i L i L i R L R L R則轉(zhuǎn)差速度為：r s Tsir smR i L i程序中轉(zhuǎn)差速度表達(dá)式為：RR_ID? IQ_REF? FS_C0E1(FS_CAL_COE*IQ_REF*22/216* FS_COE1*26/216式中,FS_CAL_COE=( RR_ID*212/ ID_REF*210/ LS_CONTROL, FS_C0

25、E1 是 調(diào)整穩(wěn)態(tài)靜差系數(shù)。426轉(zhuǎn)子速度WR_FED_SVC= W_FLUX -(FS_CAL_COE* IQ_FED_SVC*22/216*FS_COE1*26/216式中的 FS_CAL_COE=RRD?222LS _CONTROL? ID_REF4.3速度PI調(diào)節(jié)FPI參數(shù)圖PI參數(shù)切換4.4電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型UQ_REF=IQ_REF*RS+ID_REF*FRQ_SYN*LSUD_REF=ID_REF*RS-IQ_REF*LA_CONTROL*FRQ_SYN4.5反PARK變換US_ALPHA=-UQ_REF*SINQ+UD_REF*COSQUS_BELTA=UQ_REF*COSQ+UD_REF*SINQ 4.6 調(diào)制及過調(diào)制9 與 VVVF 的調(diào)制和 過調(diào)制基本相同。5轉(zhuǎn)矩控制模式 直線加減速 轉(zhuǎn)矩設(shè)定FRQ_KEY正轉(zhuǎn)母線電壓 電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型IQ_REF UQ_REF V_VC_OUT幅值FRQ_CO