旋轉(zhuǎn)變壓器在永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

旎轉(zhuǎn)變壓器在永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用陳繼華【摘要】Averyconvenientinterfacecircuitforresolverandinverterwasdesigned.TheinterfacewasusedinthecontrolsystemoflowspeedandlittlepowerPMSM,Theworkingtheoryofresolverwasintroducedandtherequestofuniversalconverteraccordingtothespecialapplicationwasputforward.ThenthedesigningprincipleoftheinterfacethatisbasedonAU6802N1andmakeupacontrolsystemwiththeinterfacemodelwasintroduced.Experimentshowedthatthesystemhasaverygoodlowspeedcontrolperformanceandwaseasilytoachievebatchproduction.%設(shè)計了一種方便實(shí)用的旋轉(zhuǎn)變壓器與通用變頻器的接口電路，并將該接口電路應(yīng)用到低速小容量永磁同步電機(jī)的控制中.首先介紹了旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理，針對應(yīng)用場合的特殊性提出了通用變頻器的要求,然后詳細(xì)介紹了基于AU6802N1接口電路的設(shè)計原理，并組建了基于該接口模塊的控制系統(tǒng).試驗表明，該系統(tǒng)具有非常好的低速控制性能，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的量產(chǎn)化.【期刊名稱】《電機(jī)與控制應(yīng)用》【年(卷)，期】2012(039)005【總頁數(shù)】4頁(P18-21)【關(guān)鍵詞】旋轉(zhuǎn)變壓器;永磁同步電機(jī);低速小容量【作者】陳繼華【作者單位】上海華銀電器有限公司，上海201111【正文語種】中文【中圖分類】TM301.2;TM3510引言旋轉(zhuǎn)變壓器因其使用可靠、壽命長、能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境、抗沖擊、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在伺月服系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、航空航天等領(lǐng)域。在某些低速場合，如軌交的開門調(diào)速系統(tǒng)，也越來越多地使用基于低速永磁同步電機(jī)(PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM)的控制系統(tǒng)。但是，旋轉(zhuǎn)變壓器是模擬信號輸出，具有信號處理較復(fù)雜的特點(diǎn)，所以關(guān)于旋轉(zhuǎn)變壓器的研究多為針對某種獨(dú)特功能的專用系統(tǒng)［1］，這不利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化。本文綜合各類研究的成果，以低速PMSM控制系統(tǒng)為例，設(shè)計一種通用性較強(qiáng)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過一種實(shí)用的轉(zhuǎn)換處理電路，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與通用變頻器的對接，試驗證明方案切實(shí)可行，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化。1旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理本文使用的是正余弦二對極無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器，其工作原理如圖1所示［2］。圖1旋轉(zhuǎn)變壓器原理圖R1-R2為勵磁繞組，S1-S3、S2-S4是定子輸出繞組。工作時，在R1-R2兩端輸入高頻交流電壓信號，在旋轉(zhuǎn)變壓器氣隙產(chǎn)生脈振磁場，當(dāng)轉(zhuǎn)子隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，脈振磁場也隨之旋轉(zhuǎn)，從而在定子繞組感應(yīng)出與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的脈振電勢;因為S1-S3、S2-S4兩套繞組互相垂直，兩輸出信號相位差90°,形成隨轉(zhuǎn)子位置變化的正余弦信號，其輸入輸出關(guān)系如下：式中:E0——勵磁信號幅值；3——勵磁信號角頻率；K——變壓比；0——轉(zhuǎn)子位置角。2用于低速小容量PMSM的通用變頻器特點(diǎn)本文所研究的對象為低速小容量PMSM，因此用于驅(qū)動的變頻器需滿足以下要求：有良好的低速控制性能，即在較低頻率(0.01~5Hz)的低頻區(qū)間內(nèi)，能做到轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、輸出力矩足夠大且穩(wěn)定，有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力；能驅(qū)動50~200W這樣的小容量電機(jī)。普通變頻器最低能控制400W電機(jī)，這樣的變頻器用來驅(qū)動小容量電機(jī)時，會發(fā)生類似過載的故障信號，無法正常使用;具有PMSM的驅(qū)動能力，異步矢量變頻器只能做到開環(huán)運(yùn)行，無法達(dá)到要求；⑷有PG卡，能通過位置信號實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。這里要求變頻器能接收增量編碼器的輸出位置信號。3AU6802N1與通用變頻器的接口電路設(shè)計目前，市場上還沒有一款變頻器能直接兼容旋轉(zhuǎn)變壓器信號，因此本文的核心內(nèi)容為設(shè)計一實(shí)用的接口模塊，該模塊是基于多摩川公司的解碼芯片AU6802N1實(shí)現(xiàn)的[3],將PMSM、旋轉(zhuǎn)變壓器、通用變頻器連接成一閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)性能的最優(yōu)化。AU6802N1是一種高性能、使用方便的數(shù)字解碼芯片，可以方便的將旋變輸出的模擬信號解調(diào)成數(shù)字的絕對或增量信號，直接供給變頻器使用，下面具體介紹該芯片的接口電路。AU6802N1的控制設(shè)置芯片工作模式設(shè)置:MDSEL弓|腳設(shè)為L,T作在高分辯率模式，當(dāng)數(shù)據(jù)輸出模式為脈沖模式時，輸出精度為1024C/T;芯片輸出模式設(shè)置:OUTMD引腳設(shè)為L,數(shù)據(jù)輸出為脈沖模式，此時D11、D10、D9引腳分別輸出增量信號A、B、Z;⑶片選線及讀信號線設(shè)置:CSB、RDB弓I腳設(shè)為L,允許數(shù)據(jù)輸出；故障復(fù)位信號設(shè)置:由于是與通用變頻器相連，ERRSTB設(shè)為L,不鎖存故障狀態(tài)；勵磁信號頻率設(shè)置:FSEL1、FSEL2分別設(shè)為L、H，輸出勵磁信號源為10kHz,與旋轉(zhuǎn)變壓器的信號頻率一致；串行數(shù)據(jù)輸出口設(shè)置:SCSB引腳設(shè)為H，此時DATA引腳為高阻狀態(tài)，禁用串口輸出。AU6802N1與旋轉(zhuǎn)變壓器的接口電路AU6802N1與旋轉(zhuǎn)變壓器的接口電路原理如圖2所示，解碼芯片內(nèi)部生成10kHz的正弦信號，經(jīng)過勵磁放大電路進(jìn)行放大、濾波后，輸入旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁繞組R1、R2,同時該勵磁信號反饋回解碼芯片的R1E、R2E引腳進(jìn)行信號相位校正及斷線監(jiān)測;旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號S1S3、S2S4經(jīng)調(diào)理電路處理后進(jìn)入解碼芯片解調(diào)運(yùn)算，調(diào)理電路主要包括增益設(shè)置將信號幅值調(diào)節(jié)到2~3V、共模干擾抑制、直流電壓偏置等。圖2AU6802N1與旋轉(zhuǎn)變壓器的接口電路AU6802N1與通用變頻器的接口電路接口電路原理如圖3所示，旋變的輸出信號經(jīng)芯片解碼后得到位置增量信號A、B、Z，分別從芯片的D9、D10、D11引腳輸出，該信號為幅值5V的脈沖電壓，而變頻器一般可接收24V的輸入信號，且內(nèi)部有上拉電阻，因此A、B信號應(yīng)通過開關(guān)管T1、T2作電平轉(zhuǎn)換再輸入變頻器。由于所選旋轉(zhuǎn)編碼器為二對極，因此經(jīng)解碼后每轉(zhuǎn)會輸出2個零位Z信號，這個信號無法被通用變頻器讀取，因為通用變頻器只允許每轉(zhuǎn)一個零位信號，所以通過由D觸發(fā)器CD4013和與門DM7432N組成的二分頻電路進(jìn)行分頻處理，使每轉(zhuǎn)只產(chǎn)生一個零位信號，同樣經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后輸入至變頻器的Z口。另外，要注意將芯片的數(shù)字地與變頻器的COM端共地，否則電平不能正常轉(zhuǎn)換。圖3AU6802N1與變頻器的接口電路4控制系統(tǒng)接線原理及試驗結(jié)果有了實(shí)用的接口電路，可以很方便的將PMSM、旋轉(zhuǎn)變壓器、變頻器連接成一可靠的系統(tǒng)，如圖4所示。旋轉(zhuǎn)變壓器與接口模塊對接，接口模塊的增量輸出信號輸入變頻器，接口模塊的工作電源由變頻器提供，PMSM的三相線接入變頻器，整個系統(tǒng)非常簡單。變頻器的參數(shù)設(shè)置程序如圖5所示。變頻器上電后，按流程圖依次進(jìn)行設(shè)置，分別如下。初始設(shè)置:F0.01=1，距離控制方式1，此控制方式為有速度傳感器的閉環(huán)矢量控制;F0.02=0，設(shè)為變頻器面板操作模式，方便調(diào)試;F0.03=0，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向與接線方向相同;F0.04=24，最大輸出頻率為24Hz。編碼器設(shè)置:F4.00=0，編碼器信號為增量式;F4.01=2048，由于芯片的輸出精度為1024C/T，而旋轉(zhuǎn)變壓器為兩對極，實(shí)際每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為2048;F4.02=0，編碼器旋轉(zhuǎn)方向與實(shí)際接線方向相同。電機(jī)參數(shù)設(shè)置:按實(shí)際電機(jī)參數(shù)設(shè)置額定功率、額定電壓、額定電流、額定頻率、額定轉(zhuǎn)速等。圖4系統(tǒng)原理圖圖5變頻器設(shè)置程序矢量參數(shù)設(shè)置:一方面設(shè)置PI控制環(huán)的比例增益和積分增益，以達(dá)到最佳的動態(tài)性能另一方面設(shè)置輸出轉(zhuǎn)矩與電流的限值以保護(hù)變頻器，可設(shè)到變頻器額定電流的150%~200%。電機(jī)參數(shù)調(diào)諧:F6.07=1，變頻器開始調(diào)諧，調(diào)諧過程中，變頻器對電機(jī)輸入直流電流，使轉(zhuǎn)子磁極對準(zhǔn)定子A相繞組軸線，找到轉(zhuǎn)子初始位置;然后將電機(jī)緩慢旋轉(zhuǎn)兩周，找到旋轉(zhuǎn)變壓器的零位，同時計算出電機(jī)的電阻、電感等參數(shù)，完成調(diào)諧。若調(diào)諧不成功，則應(yīng)檢查接線是否正確，參數(shù)設(shè)置是否正確，調(diào)諧成功后方可進(jìn)入下一步運(yùn)行。動作曲線參數(shù)設(shè)置:可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場合的需要，對電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、起步加速、慢速爬行等設(shè)置，電機(jī)起動后即按照設(shè)定的動作曲線運(yùn)行。本試驗系統(tǒng)參數(shù)如下。PMSM:額定轉(zhuǎn)速180r/min，功率48W，極對數(shù)4，額定電壓65V;旋轉(zhuǎn)變壓器:勵磁信號10kHz，有效值5V，極對數(shù)2;通用變頻器:額定容量200W，額定電壓AC220V，調(diào)頻范圍0~60Hz,帶PMSM驅(qū)動程序。試驗數(shù)據(jù)見表1,試驗波形見圖6。表1負(fù)載試驗表150電壓/V38.244.551.35873.5電流/A0.260.490.730.961.46功率/W1224364872轉(zhuǎn)矩/(N-m)0.631.271.912.543.82功率因數(shù)0.980.970.960.96參數(shù)值負(fù)載(%PN)255075100參數(shù)0.96圖6試驗波形由表1可見，電壓電流隨負(fù)載的增加而正比增大，在整個負(fù)載范圍內(nèi)能保持較高的功率因數(shù);圖6的波形中(每張圖第一條曲線為轉(zhuǎn)速信號，第二條曲線為轉(zhuǎn)矩信號)。圖6(a)波形為空載起動波形，起動時間由變頻器的參數(shù)決定，約為500ms，波形顯示轉(zhuǎn)速有約3%的超調(diào);圖6(b)為滿載起動波形，達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速基本無超調(diào)現(xiàn)象；圖6(c)為突加負(fù)載波形，加載瞬間有6.5%的轉(zhuǎn)速下降，隨即達(dá)到穩(wěn)定值圖6(d)波形為突卸負(fù)載波形，卸載瞬間同樣有6.5%的轉(zhuǎn)速上升，然后迅速達(dá)到穩(wěn)定。試驗結(jié)果表明，使用了通用變頻器后，變頻器的PMSM矢量控制策略能將電機(jī)的性能達(dá)到最優(yōu)，系統(tǒng)具有快速的動態(tài)響應(yīng)能力、平穩(wěn)的低速運(yùn)行性能及較小的空載脈動轉(zhuǎn)矩。5結(jié)語試驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的基于AU6802N1的旋轉(zhuǎn)變壓器接口電路可以很好地實(shí)現(xiàn)PMSM與通用變頻器的統(tǒng)一，集多種優(yōu)勢于一體，易于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，位置檢測精度高，能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)