一种矢量控制型变频器的设计方案分析.doc

一种矢量控制型变频器的设计方案分析 刘希喆?? 吴? 捷 （华南理工大学电力学院 510641，广东水电职业技术学院510635） 摘? 要：本文针对美国A-B公司的1336 IMPACT变频器进行了深入的分析研究，根据产品资料和相关领域的研究成果，总结出了它的控制方案和设计思路，分析并阐述了其关键部分的控制算法和功能特点，得出了详细的控制系统结构图。 关键词：磁场定向控制（矢量控制）? 变频器? 参数自整定 Analysis of the Design for a Sort of Transducer Based on F.O.C Liu Xizhe? Wu Jie (Faculty of Electric Power, South China Univ. of Tech. Guangzhou 510641) Abstract: ?This paper studies on the transducer of 1336 IMPACT made by American company A-B. According to the User Manual and correlated research production, this paper concludes its control methods and design idea, and analyses or expounds its control arithmetic and function, and finally presents the diagram of its control system. Key words:? F.O.C (Vector Control); Transducer; Parameter Auto-tune 1? 引? 言 美国Allen-Bradly公司的1336 IMPACT变频器是基于交流感应电动机磁场定向控制理论（FOC），采用微处理器控制的一种全数字化、高性能的交-直-交变频器。该变频器针对单电机驱动的交流传动系统而设计，它采用了独特的参数自整定环节和简化的矢量控制算法，既保证了设备良好的传动性能，又降低了成本。其友好的用户界面设计和强大的参数自整定功能，可以有效提高用户操作的简便性。据产品资料[1]显示，该型号变频器在带编码器（Encorder）方式下运行的速度控制精度可达0.1%，在不带编码器（Encorderless）方式下也可达0.5%。本文将根据产品的用户手册和相关文献，并结合在生产实践中的使用经验，就其设计方案、思路以及关键部分的控制算法和功能特点，进行深入的分析和阐述。 1? 磁场定向控制理论[2] 众所周知，直流电动机是一种控制性能非常优越的电动机。究其原因，主要是因为直流电动机的主磁通Ф与电枢电流 所产生的电枢反应磁通在空间是互相垂直的，它们相互作用所产生的电磁转矩为 ，可以分别通过调节励磁电流 或电枢电流 来控制。特别是当主磁通保持恒定时，转矩T和电枢电流 成正比，可以通过对 的控制，实现对电机动态转矩的有效控制，使直流调速系统具有良好的动态性能。 相对而言，异步电动机的情况要复杂得多，如公式（1）所示： ???????????? （1） 异步电动机的转矩是由气隙磁通 和转子电流的有功分量 相互作用产生的。气隙磁通 和转子电流 相互耦合， 的大小取决于功率因数 ，而 又跟转差率有关系，这种非线性和强耦合特性使异步电动机的转矩控制变得困难。 受直流电机的启发，设法对异步电动机的转矩公式进行变换。从异步电动机的相量图（图1）可以看出，转子磁链 和转子电流 在相位上刚好相差90°，故存在 ，因为磁通和磁链成固定的比例关系，所以同样存在 ，代入公式（1）可得： ?????? （2） 式（2）在形式上与直流电机的转矩公式已十分相似，如果设法保持异步电动机的转子磁链 恒定，则电机的转矩T就和转子电流 成正比，异步电动机也同样可以达到较高的动态调速性能。 为实现这一目的，人们提出了一种以转子磁链定向的矢量变换方法，即利用坐标变换的办法，把三相静止坐标系下异步电动机的定子电流、电压和主磁链，变换到以转子磁链定向的二相旋转坐标系，即M-T坐标系。如图1所示，M-T坐标系的M轴取转子磁链 的相量方向，T轴与M轴正交，和电流 的方向相同。变换到M-T坐标系下的三相异步电动机的数学模型如下[2]： ?（3） 由公式（3）可推导出转子磁链为： ?????????????????? （4） 电机的输出转矩为： ???????????? （5） 其中转子时间常数 。 由公式（4）和（5）可见，在M-T坐标系下，定子电流被分解为两个正交分量 和 ，转子磁链 对 的响应是一阶惯性环节，