專利名稱：基于dsp芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高壓大功率變頻器，尤指一種基于DSP芯片全數(shù)字化控制的、無諧波污染的、具備自動檢測輸出電流并限幅的、能夠具備飛車啟動和斷電重啟動功能的高壓大功率變頻器。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器作為電力電子技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，在國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域如冶金、石化、自來水、電力等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，并發(fā)揮著越來越重要的作用，特別是，高壓大功率變頻器的應(yīng)用日漸廣泛。
如圖1所示，目前，通用的高壓大功率變頻器主要由多副邊繞組變壓器1’、若干個功率模塊單元2和控制系統(tǒng)3’構(gòu)成。功率模塊單元2為基本的交一直一交單相逆變電路(見圖2)，高壓大功率變頻器的每一相就是由這樣的若干個功率單元2串聯(lián)構(gòu)成，通過對功率模塊單元IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制，可得到如圖3所示的波形?？刂撇糠?’由控制器31’、工控PC機(jī)32’和可編程控制機(jī)33’(PLC)構(gòu)成；其中，控制器31’主要是由用于計(jì)算/產(chǎn)生PWM脈沖信號的單片機(jī)構(gòu)成，工控PC機(jī)32’主要是用來提供友好的全中文WINDOWS監(jiān)控和操作界面，可編機(jī)(PLC)33’主要是用于柜內(nèi)開關(guān)信號的邏輯控制。
由于這種通用的高壓大功率變頻器采用的是變壓變頻(VVVF)開環(huán)控制方式進(jìn)行調(diào)速，而且用于控制功率單元2導(dǎo)通的PWM信號是由運(yùn)算速度較慢的單片機(jī)產(chǎn)生，所以，造成這種由功率模塊單元串聯(lián)構(gòu)成的高壓大功率變頻器在使用中存在以下幾個缺點(diǎn)1、不能實(shí)現(xiàn)真正的恒轉(zhuǎn)矩控制，動態(tài)響應(yīng)速度慢，不能實(shí)現(xiàn)高性能的電機(jī)控制。
由于這種通用的高壓大功率變頻器采用的是變壓變頻(VVVF)開環(huán)控制方式，比較簡單，因此它不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制。雖然這種通用的變壓變頻(VVVF)開環(huán)控制方式在理論上是恒轉(zhuǎn)矩的，但是驅(qū)動功率器件開通和關(guān)斷的驅(qū)動指令從變頻器的控制器到最終驅(qū)動功率器件中間要經(jīng)過一系列的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，存在于各個環(huán)節(jié)上的誤差積累，使得變頻器實(shí)際輸出的轉(zhuǎn)矩與設(shè)計(jì)輸出的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩有所誤差，這樣就不能實(shí)現(xiàn)真正的恒轉(zhuǎn)矩，動態(tài)響應(yīng)也比較慢，不能實(shí)現(xiàn)高性能的電機(jī)控制。
2、不能實(shí)現(xiàn)工業(yè)上的旋轉(zhuǎn)再啟動。
由于通用高壓大功率變頻器采用變壓變頻(VVVF)開環(huán)控制方式，其控制器部分不能識別電機(jī)的速度，不能在功率器件驅(qū)動信號封鎖后某個時間再次跟蹤實(shí)際轉(zhuǎn)速繼續(xù)發(fā)驅(qū)動指令，即不能實(shí)現(xiàn)工業(yè)上的旋轉(zhuǎn)再起動。如果在起動前電機(jī)在旋轉(zhuǎn)，則不能立刻起動，必須等電機(jī)完全靜止才能再起動，否則就容易出現(xiàn)變頻器過流故障。同樣，由于它不能識別電機(jī)的實(shí)際速度，在變頻器供電電網(wǎng)電壓突然消失一段時間后不能跟蹤電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速而繼續(xù)對功率器件實(shí)現(xiàn)正確的控制和驅(qū)動，即不能實(shí)現(xiàn)掉電重起動功能。
3、過壓、過流保護(hù)功能弱，功率模塊單元易燒毀。
由于通用高壓大功率變頻器采用變壓變頻(VVVF)開環(huán)控制方式，其控制部分不能對減緩變頻器輸出后從電機(jī)反饋回變頻器的能量進(jìn)行識別和判斷，這樣導(dǎo)致在減小變頻器輸出電壓時如果設(shè)置的減速時間過短，由于機(jī)組的強(qiáng)大慣性，電機(jī)的回饋能量過多而變頻器的功率部分的儲能電容器不能及時吸收而發(fā)生直流母線過壓故障，導(dǎo)致變頻裝置不能繼續(xù)正常運(yùn)行。
另外，由于通用高壓大功率變頻器的控制部分是基于單片機(jī)及其外圍電路而設(shè)計(jì)的，其運(yùn)算、響應(yīng)速度比較慢，不能對變頻器輸出到電機(jī)繞組的電流進(jìn)行及時的檢測和監(jiān)控，不能在負(fù)載變化時自動限制變頻器的輸出。通常的情況就是在電動機(jī)負(fù)載突然增大時發(fā)生變頻器輸出電流突然增大從而發(fā)生過流故障，功率單元被燒毀。
4、不能實(shí)現(xiàn)一臺變頻器帶動多個電動機(jī)軟啟動。
由于這種通用高壓大功率變頻器采用變壓變頻(VVVF)開環(huán)控制方式，其缺乏對電網(wǎng)電壓幅值和相位的檢測，使得變頻器在將電機(jī)從被變頻器受控拖動狀態(tài)投入到供電網(wǎng)絡(luò)直接拖動時由于電機(jī)端電壓和電網(wǎng)的幅值和相位差別比較大而發(fā)生過流故障，也不能使電機(jī)在被變頻器受控拖動和直接投入電網(wǎng)兩種狀態(tài)之間自由切換，從而不能充分發(fā)揮變頻器控制電機(jī)的作用，不能實(shí)現(xiàn)一臺變頻器帶動多個電動機(jī)軟啟動的功能。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種控制精度高、運(yùn)算速度快、響應(yīng)速度快的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器。
本發(fā)明的另一目的是提供一種功率因數(shù)高、對電網(wǎng)無諧波污染、能實(shí)現(xiàn)對變頻器輸出電壓/電流檢測及變頻器輸出電流限幅的、快速、復(fù)雜、精確矢量計(jì)算的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器。
本發(fā)明的又一目的是提供一種能跟蹤變頻器輸出電壓相位、具有飛車啟動和斷電重啟動功能的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器。
為了解決變頻器的負(fù)載突然發(fā)生變化時變頻器容易出現(xiàn)過流、燒毀功率模塊單元的問題，本發(fā)明的又一個目的是提供一種具有硬件檢測和軟件檢測功能，可以自動限制變頻器輸出，保證在各種負(fù)載條件下都能正確控制和驅(qū)動電機(jī)的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器，它主要由多副邊繞組變壓器、多個功率模塊單元和控制系統(tǒng)構(gòu)成；其特征在于所述多副邊繞組變壓器為多副邊繞組移相變壓器；所述功率模塊單元連接在所述多副邊繞組移相變壓器和控制系統(tǒng)之間，用于執(zhí)行控制系統(tǒng)的指令輸出PWM電壓；變頻器的每一相就是由若干個功率模塊單元串聯(lián)構(gòu)成，變頻器的輸出端與電機(jī)相連；所述控制系統(tǒng)的主控板采用基于數(shù)字信號處理專用集成芯片DSP作為CPU；所述控制系統(tǒng)采用矢量控制方式計(jì)算變頻器的輸出頻率，控制功率模塊單元的導(dǎo)通頻率和時間。
在本發(fā)明的具體實(shí)施例中所述DSP芯片為主DSP芯片，控制系統(tǒng)主控板還配有速度更快的、用于進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算的協(xié)處理DSP芯片；所述主DSP芯片主要完成系統(tǒng)邏輯判斷、功率模塊單元的控制、以及故障中斷的處理；所述主DSP芯片通過雙口RAM芯片與所述協(xié)處理DSP芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；即主DSP芯片通過雙口RAM芯片，將檢測到的變頻器輸入/輸出側(cè)電壓、電流信號傳送給專門用于復(fù)雜矢量計(jì)算的、運(yùn)算速度更快的浮點(diǎn)協(xié)處理DSP芯片；協(xié)處理DSP芯片將運(yùn)算后的數(shù)據(jù)再通過雙口RAM傳遞給主DSP芯片；主DSP芯片根據(jù)協(xié)處理DSP芯片的運(yùn)算結(jié)果輸出控制信號控制各功率模塊單元的導(dǎo)通頻率和時間，改變變頻器的輸出頻率。
如果控制系統(tǒng)采用的控制方法需要的運(yùn)算量不大或者不需要快速響應(yīng)，也可省略協(xié)處理DSP芯片。
在所述變頻器的輸入端、輸出端連接有用于檢測變頻器輸入/輸出電壓的高壓電阻分壓板；在所述變頻器的輸入端、輸出端連接有用于檢測變頻器輸入/輸出電流的電流互感器；所述高壓電阻分壓板和電流互感器的信號輸出端與所述控制系統(tǒng)主控板相連。
所述高壓電阻分壓板和電流互感器輸出的模擬信號經(jīng)過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換、抗混迭濾波及濾波校正處理后，輸入到所述控制系統(tǒng)主控板上。高壓電阻分壓板和電流互感器輸出的模擬信號經(jīng)過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后輸入給所述主DSP芯片的AD通道；在主DSP芯片電壓檢測AD通道前，串聯(lián)有低通濾波器環(huán)節(jié)，克服直接采用AD轉(zhuǎn)換器采樣而引起的嚴(yán)重的頻譜混迭和失真問題，在主DSP電壓檢測AD通道后，串聯(lián)有低通濾波器的逆環(huán)節(jié)，可以將低通濾波的幅值和相位的影響通過軟件控制的方法補(bǔ)償回來。系統(tǒng)中采用抗混迭濾波及濾波校正技術(shù)，同時還確保了主DSP對電壓的AD檢測的信息完整性和準(zhǔn)確性。
如果直接采用AD轉(zhuǎn)換器采樣而引起的嚴(yán)重的頻譜混迭和失真問題在系統(tǒng)精度允許范圍內(nèi)，則可以忽略在主DSP電壓檢測AD通道前串聯(lián)的低通濾波器環(huán)節(jié)和檢測AD通道后串聯(lián)的低通濾波器逆環(huán)節(jié)。
所述控制系統(tǒng)主控板還外掛有FLASH參數(shù)存儲卡，保存重要的調(diào)試參數(shù)。
如果控制系統(tǒng)不需存儲調(diào)試參數(shù)或者有其他外設(shè)存儲調(diào)試參數(shù)，則可以省略外掛FLASH參數(shù)存儲卡。
所述控制系統(tǒng)主控板通過標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊RS232接口與軟件示波器通訊，在線顯示所有用于電機(jī)控制的中間變量和重要參數(shù)；通過通用的串行通訊芯片UART、標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊RS485接口與工控機(jī)通訊。
所述控制系統(tǒng)主控板還設(shè)有JTAG口，實(shí)現(xiàn)控制軟件的升級。
所述控制系統(tǒng)主控板還預(yù)留有速度傳感器數(shù)據(jù)輸入口，用于實(shí)現(xiàn)有速度傳感器的矢量控制，實(shí)現(xiàn)更高調(diào)速精度的電機(jī)控制。所述主控板還可以在沒有速度傳感器的情況下，根據(jù)有無速度傳感器的情況，自由選擇無速度傳感器矢量控制，實(shí)現(xiàn)高性能的無速度傳感器矢量控制。
所述控制系統(tǒng)主控板上還設(shè)有硬件過流值調(diào)節(jié)裝置，該裝置經(jīng)過電壓補(bǔ)償軟件模塊實(shí)現(xiàn)線性化，更便于進(jìn)行變頻器輸出過流故障的檢測。所述控制系統(tǒng)主控板上還設(shè)有輸出接地故障檢測及保護(hù)裝置，采用用硬件、軟件結(jié)合的方案對輸出端相電壓進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)有輸出接地故障立刻進(jìn)行故障處理。根據(jù)系統(tǒng)的保護(hù)需要，可以分別進(jìn)行變頻器輸出過流故障的檢測和輸出接地故障保護(hù)，或者同時進(jìn)行變頻器輸出過流故障的檢測和輸出接地故障保護(hù)。
所述控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的矢量控制方式控制變頻器的輸出；所述矢量控制包括磁鏈觀測和速度辨識方案、電機(jī)參數(shù)檢測和自動校正方案、電壓檢測抗混迭濾波及濾波校正方案、串級多電平逆變器的死區(qū)補(bǔ)償方案、電機(jī)反饋功率控制的制動方案、飛車重啟動和斷電重啟動方案。
所述控制系統(tǒng)根據(jù)采集的輸入、輸出電壓和電流值進(jìn)行磁鏈觀測和速度辨識，基于電機(jī)控制的矢量控制理論計(jì)算得到轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、定子頻率、滑差、轉(zhuǎn)子磁鏈、轉(zhuǎn)矩等電機(jī)的各個運(yùn)行變量，目的是將這些運(yùn)行變量作為變頻器控制電機(jī)的重要參數(shù)，有了這些電機(jī)運(yùn)行的所有參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)高性能、高精度、快速響應(yīng)的控制電機(jī)的高性能矢量控制。
由于采用了矢量控制方式，結(jié)合對系統(tǒng)狀態(tài)的檢測和估算，使得變頻器可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的再啟動，即飛車啟動方案。由于采用了矢量控制方式，結(jié)合對系統(tǒng)狀態(tài)的檢測和估算，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)斷電一段時間后再次上電情況下，變頻器的斷電再啟動方案。
所述控制系統(tǒng)還采用了基于電機(jī)電流方向的補(bǔ)償方法和變頻器輸出電壓反饋補(bǔ)償方法，對串級式逆變器的死區(qū)時間和開關(guān)管壓降造成的電流諧波、低頻振蕩、轉(zhuǎn)矩脈動、輸出電壓下降進(jìn)行有效的補(bǔ)償。
所述控制系統(tǒng)采用了電機(jī)反饋功率控制，計(jì)算減速時從電動機(jī)反饋回變頻器的能量大小，自動調(diào)整電機(jī)的減速時間，防止發(fā)生減速時的直流母線過壓故障，使電機(jī)以最快速度減速到零。解決了串級式高壓變頻器因直流電源太多而難以實(shí)現(xiàn)再生制動的缺點(diǎn)。
本發(fā)明控制系統(tǒng)提供了多種運(yùn)行方式，包括變壓變頻開環(huán)控制、矢量控制的閉環(huán)控制、零輸入輸出漂移檢測和自動校正功能，以及參數(shù)自動檢測功能。
所述控制系統(tǒng)主控板與PLC之間采用硬連接的信號定義，擴(kuò)展了與PLC間的信號傳遞。所述控制系統(tǒng)主控板與工控機(jī)之間的通訊采用工業(yè)通用的MODBUS協(xié)議，并采用標(biāo)準(zhǔn)化的工控機(jī)軟件。所述工控機(jī)的軟件采用標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)和參數(shù)表，參數(shù)增減和屬性修改方便靈活，修改量小，支持公式輸入，自動驗(yàn)算出結(jié)果，直接更改菜單配置。
本發(fā)明可以在系統(tǒng)上電后對系統(tǒng)進(jìn)行自檢，保證控制系統(tǒng)以正確的狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行初始化。系統(tǒng)同時帶有具有掉電保持功能的參數(shù)存儲卡，可以在調(diào)試人員或用戶對變頻器設(shè)置參數(shù)后把參數(shù)存儲起來，在下次系統(tǒng)上電時以這套參數(shù)運(yùn)行，從而保證了控制系統(tǒng)正確的狀態(tài)。系統(tǒng)同時支持雙DSP芯片運(yùn)行，可以把一些用于控制的復(fù)雜算法分配給運(yùn)算速度更快的浮點(diǎn)協(xié)處理DSP卡，從而將主DSP從繁雜的運(yùn)算中解放出來，專門處理控制邏輯和脈寬調(diào)制信號的輸出，使得系統(tǒng)可以兼顧精確的控制和快速的反映，同時確保精度與速度。
由于采用了先進(jìn)的矢量控制算法，可以對變頻裝置做高壓上電前的輸入電壓、輸入電流零點(diǎn)漂移的自動檢測和校正，以及高壓上電后變頻器待機(jī)狀態(tài)下的輸出電壓、輸出電流的零點(diǎn)漂移的自動檢測和校正，從而排除了全數(shù)字化控制系統(tǒng)零點(diǎn)漂移導(dǎo)致的測量誤差和控制不精確的缺點(diǎn)。
本發(fā)明還可以根據(jù)電動機(jī)提供的基本參數(shù)，根據(jù)通用的電機(jī)模型和變頻器驅(qū)動電機(jī)的原理，從一段變頻器以變壓變頻控制方式驅(qū)動電機(jī)的電壓、電流數(shù)據(jù)來計(jì)算電機(jī)參數(shù)，從而可以實(shí)現(xiàn)變頻器對不同參數(shù)的電機(jī)的自動適應(yīng)的目的。
除此之外，本發(fā)明還具有以下優(yōu)點(diǎn)1、由于本發(fā)明控制器部分采用運(yùn)算速度極快的主從雙DSP芯片設(shè)計(jì)，主DSP芯片主要完成系統(tǒng)邏輯判斷、功率模塊單元的控制以及故障中斷的處理，協(xié)處理DSP芯片主要完成復(fù)雜煩瑣的矢量計(jì)算，使得本發(fā)明控制器控制精度高、控制準(zhǔn)確、速度快。
2、由于本發(fā)明采用基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制方式，根據(jù)檢測的變頻器輸入/輸出側(cè)電壓、電流值，按照無速度傳感器矢量控制圖，進(jìn)行復(fù)雜的矢量計(jì)算，跟蹤變頻器輸出電壓相位，控制各功率模塊單元的導(dǎo)通時間、頻率，改變變頻器輸出的頻率，實(shí)現(xiàn)更精確和快速地控制電機(jī)運(yùn)行目的，避免變頻器出現(xiàn)過壓、過流故障；還可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)零漂檢測和自校正，自動參數(shù)測量，飛車重啟動功能，以及斷電重啟動等多種功能。
3、由于控制器采用雙DSP芯片設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度極快，使得控制器可以通過軟、硬件相結(jié)合的保護(hù)功能自動限制變頻器的輸出電流，保證在各種負(fù)載條件下都能正確控制和驅(qū)動電機(jī)。即，當(dāng)電機(jī)過載時，變頻器調(diào)整電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)以最大電流運(yùn)行，而不是簡單的以故障的形式跳閘，從外部現(xiàn)象上看，就是電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，直到變頻器能夠拖動為止；當(dāng)負(fù)載恢復(fù)正常時，轉(zhuǎn)速又恢復(fù)到設(shè)定的速度。甚至在最極端的情況，由于機(jī)械故障電機(jī)的軸被抱死，電機(jī)會被降速到零，而不會發(fā)生過流故障。從而保證負(fù)載沖擊及起動、停機(jī)不過流，達(dá)到自動限制負(fù)載的目的。
4、由于本發(fā)明控制器部分對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確和快速的矢量控制，大大改善了變頻器調(diào)速性能，可以在電機(jī)加速過程中始終保證電機(jī)以變頻器能提供的最大轉(zhuǎn)矩加速并不過流，在電機(jī)減速過程中自動實(shí)現(xiàn)最短的加速時間并不過壓。
5、由于本發(fā)明控制系統(tǒng)采用無速度傳感器的矢量控制方式對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，控制方式先進(jìn)，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜和精確的控制。另外，本發(fā)明控制系統(tǒng)具有磁鏈觀測和速度辨識方案，電機(jī)參數(shù)檢測和自動校正技術(shù)，電壓檢測抗混迭濾波及濾波校正技術(shù)，串級多電平逆變器的死區(qū)補(bǔ)償，回饋功率控制的制動方案。
6、由于本發(fā)明控制器部分對功率模塊單元的最大回饋功率進(jìn)行實(shí)時計(jì)算及限制，使得系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)減速，對于任何轉(zhuǎn)動慣量的負(fù)載無須調(diào)整減速時間，以變頻器最大的能力減速。操作簡單，只要在出廠前設(shè)定最大允許回饋功率即可。
7、由于本發(fā)明控制器部分用高壓分壓電阻板采用分壓加隔離測量的辦法測量變頻器輸入/輸出側(cè)電壓，而不用電壓互感器進(jìn)行測量，大大提高了測量精度，使這個系統(tǒng)控制更精確、更準(zhǔn)確。
8、由于本發(fā)明控制器主板外掛有FLASH參數(shù)存儲卡，大大提高了系統(tǒng)的控制精度和運(yùn)算速度，并保證重要運(yùn)行參數(shù)的及時存儲。
9、由于本發(fā)明控制器主板預(yù)留有光電測速編碼器數(shù)據(jù)口，使得在可以安裝光電測速編碼器的場合下，可以應(yīng)用有速度傳感器的矢量控制，實(shí)現(xiàn)更精確的控制，尤其可以大大減小低速的轉(zhuǎn)矩脈動這一電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域的頑固問題。
10、本發(fā)明控制器主板無需配備AD卡，由DSP芯片直接采集輸入輸出電壓、電流以及模擬量輸入，經(jīng)DSP計(jì)算后可實(shí)現(xiàn)輸入、輸出的有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電壓、電流的有效值的在線顯示，以及直觀的波形顯示，結(jié)構(gòu)更簡單。
11、本發(fā)明控制器主板配有功能完善的軟件保護(hù)方案，再與運(yùn)算速度極快的DSP芯片結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)全面的變頻器和電機(jī)保護(hù)。
12、由于本發(fā)明采用多副邊繞組的移相變壓器將高壓交流電分壓、移相后，給各個功率模塊單元供電，并經(jīng)過多級移相疊加形成非常接近正弦波的電壓波形，使得本發(fā)明對電網(wǎng)無諧波污染，對電機(jī)造成的諧波幾乎為零，可以很好地控制電機(jī)。


圖1為通用的功率單元串聯(lián)多電平式高壓大功率變頻器結(jié)構(gòu)示意2為功率模塊單元電路3為功率模塊單元輸出的PWM波形圖4為本發(fā)明基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5為本發(fā)明基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器控制器部分系統(tǒng)框6為本發(fā)明采用高壓分壓電阻板測量輸入輸出電壓的結(jié)構(gòu)7為本發(fā)明所采用的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測方法圖8為本發(fā)明所采用的基于DSP芯片的矢量控制系統(tǒng)框9為本發(fā)明所采用的電壓檢測抗混迭濾波及濾波校正原理框10為本發(fā)明軟件系統(tǒng)總體流程11為本發(fā)明軟件系統(tǒng)定時中斷流程12為本發(fā)明軟件系統(tǒng)故障中斷處理流程13為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下定子電流PI控制器系統(tǒng)圖具體實(shí)施方式
圖4為本發(fā)明基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。如圖所示，它主要由多副邊繞組的移相變壓器1、若干個功率模塊單元2和控制器3構(gòu)成；它與現(xiàn)有高壓大功率變頻器的區(qū)別在于本發(fā)明控制器3采用基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制方式進(jìn)行變頻調(diào)速。
如圖所示，本發(fā)明采用多副邊繞組的移相變壓器將高壓交流電分壓、移相后，給各個功率模塊單元供電，功率模塊單元接受來自控制器的指令，輸出PWM電壓，經(jīng)過多級移相疊加形成非常接近正弦波的電壓波形，對電網(wǎng)和電機(jī)造成的諧波幾乎為零，即能很好的控制電機(jī)。
為了實(shí)現(xiàn)對高壓大功率變頻器全數(shù)字化矢量控制，需要分析被控電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁通旋轉(zhuǎn)的空間矢量，以便準(zhǔn)確地控制被控電機(jī)，實(shí)現(xiàn)真正意義的恒轉(zhuǎn)矩控制，為此，如圖4所示，本發(fā)明控制器3實(shí)時檢測變頻器的輸入/輸出電壓、電流值。在變頻器和電機(jī)中間接有輸出電壓、電流的檢測電路，通過反饋回來的電壓、電流信號，根據(jù)電機(jī)控制理論，經(jīng)過一定的分析轉(zhuǎn)換和運(yùn)算，組成用于控制電機(jī)運(yùn)行的重要變量。
圖5為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化矢量控制控制器部分主板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。如圖所示，控制器部分的主板是基于DSP芯片設(shè)計(jì)的，它由雙DSP芯片構(gòu)成；一個為主DSP芯片，一個為用于浮點(diǎn)運(yùn)算的協(xié)處理DSP芯片。被控電機(jī)的電壓、電流信號以及控制器檢測到的變頻器輸入側(cè)電壓、電流信號經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片即AD芯片轉(zhuǎn)換后輸入給主DSP芯片，由主DSP芯片的AD通道直接檢測和處理，精度高，速度快。主DSP芯片為了將全部空間投入到邏輯判斷、處理，以及故障中斷處理中，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，主DSP芯片通過雙口RAM芯片，將檢測到的變頻器輸入/輸出側(cè)電壓、電流信號傳送給專門用于矢量計(jì)算的、運(yùn)算速度更快的浮點(diǎn)協(xié)處理DSP芯片。協(xié)處理DSP芯片將運(yùn)算后的數(shù)據(jù)再通過雙口RAM傳遞給主DSP芯片，主DSP芯片再根據(jù)協(xié)處理DSP芯片的運(yùn)算結(jié)果控制各功率模塊單元的導(dǎo)通頻率和時間，改變變頻器的輸出頻率。
基于DSP芯片的主控板通過標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口與軟件示波器Scope通訊，在線顯示所有用于電機(jī)控制的中間變量和重要參數(shù)，作為軟件示波器，使操作者最直接的了解變頻器控制電機(jī)的狀態(tài)，便于操作和控制。主DSP芯片還通過通用的串行通訊芯片UART、標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊接口(RS485接口)與工控機(jī)通訊，無需AD卡，實(shí)現(xiàn)由DSP芯片直接采集輸入/輸出電壓、電流以及模擬量輸入，實(shí)現(xiàn)程序各檢測量和任何中間結(jié)果量的顯示。主DSP芯片還可通過JTAG口實(shí)現(xiàn)控制軟件的升級，無需拆裝芯片。為了適用調(diào)速精度要求高的場合，主DSP還預(yù)留有光電測速編碼盤等速度傳感器數(shù)據(jù)輸入口，用于實(shí)現(xiàn)有速度傳感器的矢量控制，實(shí)現(xiàn)更高調(diào)速精度的電機(jī)控制。
為了提高控制精度，主DSP芯片和協(xié)處理DSP芯片均可以訪問外置的RAM，輔助完成參數(shù)傳遞和運(yùn)算。主DSP還與FLASH參數(shù)存儲卡通訊，將操作者設(shè)置的變頻器運(yùn)行參數(shù)和電機(jī)參數(shù)及時保存，當(dāng)系統(tǒng)掉電也能儲存，下次系統(tǒng)上電自動刷新。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，采用以TI公司出品的TMSC24x系列DSP芯片作為主CPU，采用C3s系列DSP芯片作為浮點(diǎn)協(xié)處理CPU。
為了實(shí)現(xiàn)矢量控制，提高系統(tǒng)的控制精度在很大程度上依賴于控制系統(tǒng)檢測的變頻器輸入/輸出側(cè)的電壓、電流信號。為了更好地檢測變頻器輸入/輸出側(cè)電壓，如圖6所示，本發(fā)明采用高壓分壓電阻板測量輸入輸出電壓。如圖所示，一塊輸入電阻分壓板安裝在電網(wǎng)與變頻器輸入變壓器間，用電阻分壓加隔離的辦法測量輸入電壓；另一塊結(jié)構(gòu)同樣的輸出電阻分壓板安裝在變頻器輸出端與電機(jī)機(jī)端之間，用同樣的辦法測量輸出電壓。為了檢測變頻器輸入/輸出側(cè)電流，本發(fā)明在變頻器的輸入側(cè)和輸出側(cè)分別設(shè)有電流互感器。并將檢測到的輸入、輸出電壓和電流信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳輸至DSP芯片。
本發(fā)明基于DSP芯片的全數(shù)字矢量控制系統(tǒng)中磁鏈觀測部分采用了一種帶補(bǔ)償?shù)姆e分方法，如圖7所示。從變頻器到電機(jī)端之間的檢測設(shè)備把電機(jī)定子電壓和電流檢測出來送給控制板的DSP處理芯片，經(jīng)過轉(zhuǎn)子反電動勢估算器算出轉(zhuǎn)子的反電勢，經(jīng)過一個一階慣性環(huán)節(jié)得到轉(zhuǎn)子磁鏈觀測值的主要部分，由于這個一階慣性環(huán)節(jié)存在相位誤差，所以再要將這部分偏差量補(bǔ)回來。由轉(zhuǎn)子磁鏈給定值的標(biāo)量部分，加上系統(tǒng)觀測的轉(zhuǎn)子磁鏈位置角度的正弦和余弦值，算出轉(zhuǎn)子磁鏈的矢量值。將這個矢量再經(jīng)過一個一階慣性環(huán)節(jié)補(bǔ)回前述觀測的相位誤差。將轉(zhuǎn)子磁鏈的兩部分加起來，就得到觀測的轉(zhuǎn)子磁通矢量，經(jīng)過直角坐標(biāo)系到極座標(biāo)系的數(shù)學(xué)變換，分別得到轉(zhuǎn)子磁通的幅值和角度。這樣就完成了電機(jī)的矢量控制中最核心的觀測轉(zhuǎn)子磁鏈觀測。這種磁鏈觀測器實(shí)質(zhì)上是一個純積分器，其優(yōu)點(diǎn)是(1)算法簡單；(2)算法中不含轉(zhuǎn)子電阻，因此受電機(jī)參數(shù)變化影響?。?3)不需轉(zhuǎn)速信息，這對于無速度傳感器系統(tǒng)頗具吸引力。這種磁鏈觀測方法在參數(shù)準(zhǔn)確的情況下可以做到無幅值相位誤差，而且在實(shí)際應(yīng)用中不存在純積分環(huán)節(jié)的初值問題和漂移問題。該觀測器的輸入為轉(zhuǎn)子電勢和轉(zhuǎn)子磁鏈參考值。轉(zhuǎn)子反電勢可以由檢測的電機(jī)定子電壓電流計(jì)算出來。在這種方法中，當(dāng)濾波時間常數(shù)取為與轉(zhuǎn)子時間相等時，觀測磁鏈的角度在零轉(zhuǎn)速附近對定子電阻的誤差有魯棒性。
本發(fā)明控制系統(tǒng)所采用的矢量控制方案的系統(tǒng)框圖如圖8所示。在系統(tǒng)中，通過簡單的代數(shù)變換，把輸入線電壓Uab、Ubc、Uac和相電壓Ua、Ub、Uc互相轉(zhuǎn)換。在系統(tǒng)采用的磁場定向矢量控制中，把d-q坐標(biāo)系放在同步旋轉(zhuǎn)磁場上，把靜止坐標(biāo)系中的各交流量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量，并使d軸與轉(zhuǎn)子磁場方向重合，此時轉(zhuǎn)子磁通q軸分量為零(ψrq＝0)，這就是本發(fā)明中采用的轉(zhuǎn)子磁場定向的基礎(chǔ)。在這種情況下，定子電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、定子頻率、滑差、轉(zhuǎn)子磁鏈、轉(zhuǎn)矩等等電機(jī)的各個控制分量都可以由電機(jī)控制理論得出，使用的方程式如下 Tcm=npLmLrisqψrd]]>磁鏈觀測方案即如圖7所示，和如前所述?；趧討B(tài)關(guān)系的電機(jī)派克方程，從電機(jī)電磁關(guān)系式及轉(zhuǎn)速的定義中得到關(guān)于滑差或轉(zhuǎn)速關(guān)系的表達(dá)式。
ωs=ddtθs=ddt[arctgψsβψsα]=pψsβψsα-pψsαψsβψsα2+ψsβ2...(3)]]>以及滑差計(jì)算ωsl=Lmτrisqψrd...(4)]]>則電機(jī)轉(zhuǎn)速ω可以由(3)和式(4)聯(lián)合求解即可得到ω＝ωs-ωsl(5)系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器可使用PI調(diào)節(jié)器，輸入為轉(zhuǎn)速誤差，輸出為給定轉(zhuǎn)矩，方程式即如式(6)Wpi(s)=Kpi·τ1s+1τ1s...(6)]]>而勵磁電流的參考值則由式(7)得到
isd*=Ψr*Lm...(7)]]>而轉(zhuǎn)矩電流的參考值則由式(8)得到isq=npRrψrd2ωslnpLmLrψrd*...(8)]]>由于電流穩(wěn)態(tài)誤差問題，在矢量控制系統(tǒng)中，尤其是對控制系統(tǒng)性能要求較高的場合，采用這種d-q同步坐標(biāo)系下的電流PI調(diào)節(jié)器。其控制原理如圖13所示，它是通過兩個PI調(diào)節(jié)器分別對同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中電流矢量的兩個分量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的。
由圖13可知，由于有磁場定向控制技術(shù)，使得這種方法得以實(shí)現(xiàn)。而且，如果脈寬調(diào)制控制采取一些優(yōu)化方式，比如優(yōu)化PWM、正弦PWM技術(shù)等，可以達(dá)到提高電壓利用率，優(yōu)化開關(guān)模式等目的。
多電平逆變器的輸出電壓波形雖然比兩電平逆變器的諧波含量低，但是由于有脈寬調(diào)制的成分與采樣頻率相當(dāng)，直接用AD轉(zhuǎn)換器采樣會引起嚴(yán)重的頻譜混迭，造成失真。因此在采樣前必須加一低通濾波器作為抗混迭之用，低通濾波的幅值和相位的影響可以在以后環(huán)節(jié)的控制軟件中加以校正，這一處理過程見圖9。
對于風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載低速輕載節(jié)能運(yùn)行或參數(shù)不同的多臺電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時，變頻器一般需要開環(huán)運(yùn)行。由于對于串級式的逆變器，死區(qū)時間和開關(guān)管壓降仍然存在較大的影響，主要表現(xiàn)是電流的諧波和低頻振蕩、轉(zhuǎn)矩脈動、輸出電壓下降等，在低速表現(xiàn)更加明顯。死區(qū)時間的補(bǔ)償策略可以消除振蕩和減少損耗。系統(tǒng)采用的補(bǔ)償方法是基于電機(jī)電流方向的補(bǔ)償方法和逆變器輸出電壓反饋補(bǔ)償方法。對于基于電流方向的補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)簡便，補(bǔ)償量的大小可以通過計(jì)算，也可以用實(shí)驗(yàn)的方法確定，即由小到大逐漸嘗試，同時觀察輸出電流電壓直到輸出的電壓或電流諧波最小。無速度傳感器矢量控制中由于有電流的閉環(huán)控制，將死區(qū)等干擾包含在電流環(huán)之內(nèi)、電流調(diào)節(jié)器之后，而磁鏈的觀測可以采用直接檢測的輸出電壓，所以可以不必考慮其影響。當(dāng)然如果想讓電流控制的更加理想，也可以采用死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)。
串級式高壓變頻器的一個缺點(diǎn)是直流電源太多，難以實(shí)現(xiàn)再生制動。為了使減速時的泵升電壓不至于過高，一般都設(shè)置很長的減速時間，如果不采取其它制動方式可達(dá)數(shù)分鐘以上。采用回饋功率限制的方法，根據(jù)功率單元的不變損耗的大小和電機(jī)定子損耗的情況，針對各轉(zhuǎn)速下的再生轉(zhuǎn)矩加以限制，從而限制了回饋功率，使直流母線電壓不快速上升，不產(chǎn)生過壓故障。這種制動方法的優(yōu)點(diǎn)是減速的機(jī)械能不過多消耗在電機(jī)上，電機(jī)不會因減速過熱損傷；在此類逆變器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)最小的減速時間，提高了生產(chǎn)部門的效率。矢量控制為回饋功率的控制提供了條件。
下面舉例計(jì)算制動時間。設(shè)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩限幅為額定轉(zhuǎn)矩為Tn，某電機(jī)和負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量等于J，額定轉(zhuǎn)速為wn，這里假定在負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零的情況下進(jìn)行減速，以額定功率的η倍進(jìn)行功率回饋，計(jì)算從wn減速到零的時間額定轉(zhuǎn)矩下的加速時間tinc＝J×wn/Tn總回饋能量＝J×wn2/2；額定功率＝Tn×wn；回饋功率＝Tn×wn×η；在減速過程中，轉(zhuǎn)速到達(dá)η×wn時進(jìn)入轉(zhuǎn)矩限幅，這時再經(jīng)過η×tinc即可減速到零。忽略上面有轉(zhuǎn)矩限幅時的剩余時間和無轉(zhuǎn)矩限幅時由η×wn減速到零的時間的差別，在減速過程中歷時為(J×wn2/2)/(Tn×wn×η)＝J×wn/Tn/(2×η)＝tinc/(2×η)。
即無負(fù)載轉(zhuǎn)矩情況下的加速時間和減速時間的比約為2×η。
(1-η)可以接近逆變器的額定效率，如果逆變器的額定效率為96％，則η可取4％，這種情況下上述比例可達(dá)8％。如果有負(fù)載轉(zhuǎn)矩，比如風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載，高速時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩也大，減速時間將更短，加速時間更長，此比例更接近于1。
無速度傳感器矢量控制中的磁鏈觀測和速度辨識的穩(wěn)定性和電流控制的快速性為停電再起動、旋轉(zhuǎn)啟動、快速加速減速、突變負(fù)載無跳閘控制提供了很好的解決手段。在停電再啟動中，檢測到電網(wǎng)斷電立即進(jìn)行減速，靠從電機(jī)反饋回變頻器的能量維持各功率單元工作，直至機(jī)械能消耗殆盡，除非電網(wǎng)重新供電。在電機(jī)任意旋轉(zhuǎn)狀態(tài)啟動時，由于有電流控制，以及轉(zhuǎn)速計(jì)算的收斂性，仍然可以保證無過流的正常啟動本發(fā)明控制系統(tǒng)主控板還預(yù)留有連接測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的速度傳感器(如碼盤)數(shù)據(jù)輸入口，用于實(shí)現(xiàn)有速度傳感器的矢量控制，實(shí)現(xiàn)更高調(diào)速精度的電機(jī)控制。
本發(fā)明控制系統(tǒng)主控板還可以在沒有速度傳感器的情況下，根據(jù)有無速度傳感器的情況，自由選擇無速度傳感器矢量控制，實(shí)現(xiàn)高性能的無速度傳感器矢量控制。
本發(fā)明矢量控制方式靈活。
圖10所示本發(fā)明系統(tǒng)軟件總體流程圖。在控制系統(tǒng)上電后，DSP控制芯片軟件首先復(fù)位和初始化，DSP主控板進(jìn)行自檢和初始化，此時就可以通過FLASH參數(shù)存儲卡讀入上次經(jīng)過調(diào)試的正確參數(shù)，減少此次調(diào)試的工作量。經(jīng)過一段時間的系統(tǒng)上電延遲，對數(shù)字信號處理芯片里的變量進(jìn)行初始化，同時主控制板上用于發(fā)出PWM脈沖的控制指令移相的控制芯片也進(jìn)行正確的初始化，軟件示波器Scope也進(jìn)行初始化，然后就可以打開DSP芯片處理器的中斷，進(jìn)入主循環(huán)。在主循環(huán)中，DSP進(jìn)行必要的控制邏輯判斷和控制變量的刷新，同時可被三個不同優(yōu)先級的中斷打斷運(yùn)行，分別是兼顧參數(shù)收發(fā)的軟件示波器Scope串行中斷、故障處理中斷和定時中斷。
圖11為定時中斷流程圖。DSP芯片在相應(yīng)中斷前，要先保存現(xiàn)場，以保證被打斷前的系統(tǒng)環(huán)境變量和運(yùn)算設(shè)置不被中斷破壞。由于故障處理的優(yōu)先級比定時中斷高，因此要首先打開故障處理中斷，以保證所有故障的及時處理。在每次定時中斷中都進(jìn)行一次AD采樣和處理，以保證采樣的均勻性，從而確保檢測量的真實(shí)可靠。對模擬量進(jìn)行正確的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換和正確的標(biāo)定后，將這些檢測量引入程序中進(jìn)行各種計(jì)算。其中包括對光電測速編碼器送來的脈沖信號處理后得到電機(jī)的實(shí)際測量轉(zhuǎn)速。根據(jù)異步電機(jī)模型得到變壓變頻開環(huán)控制和無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)需要的參數(shù)后，就可以根據(jù)程序選擇字自由選擇各種運(yùn)行方式，包括變壓變頻的開環(huán)VVVF控制，電機(jī)參數(shù)自動測量，零漂移的檢測和自校正，無速度傳感器的矢量控制，有速度傳感器的矢量控制。然后將不同控制方式作用后的對功率器件的驅(qū)動信號輸出給功率模塊的控制板。在定時中斷中，通過各種時鐘定時基準(zhǔn)的同步運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)各種顯示量的在線顯示和直觀的波形輸出。各種波形可以通過工控機(jī)，也可以通過軟件示波器Scope顯示和輸出。如圖11所示，定時中斷的退出同樣要經(jīng)過正確的現(xiàn)場恢復(fù)，以保證控制的連續(xù)性。
圖12展示了系統(tǒng)軟件的故障中斷程序。在故障中斷的處理中，先根據(jù)系統(tǒng)檢測的輸入電壓量判斷是否是電網(wǎng)供電掉電，如果不是，直接進(jìn)入故障處理程序；如果發(fā)生電網(wǎng)供電掉電，則根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的掉電超時時間判斷是否超過容忍范圍，在超過設(shè)計(jì)容忍的時間之后也進(jìn)入故障處理程序，按照故障參數(shù)來判斷是何種故障并作出相應(yīng)處理。如果還在設(shè)計(jì)能夠容忍的時間之內(nèi)，結(jié)束此次故障判斷并清除故障標(biāo)志，等待下一次故障中斷發(fā)生時再作判斷處理。最后依然保存中斷現(xiàn)場，退出故障處理中斷。
本發(fā)明不僅配有完善的故障保護(hù)軟件，在硬件上還裝配有變頻器輸出過流的硬件調(diào)節(jié)電路，經(jīng)過軟件處理實(shí)現(xiàn)信號間的線性化；在硬件上還裝配有輸出接地故障檢測及保護(hù)電路，這部分保護(hù)電路采用硬件、軟件結(jié)合的方案對輸出端相電壓進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)有輸出接地故障立刻進(jìn)行故障處理。
本發(fā)明控制器與PLC之間采用硬連接的信號定義方式傳遞信號，便于控制控制柜內(nèi)的電氣開關(guān)?？刂破骺刂浦靼迳系腄SP芯片與工控機(jī)之間的通訊采用工業(yè)上通用的MODBUS協(xié)議，便于建立標(biāo)準(zhǔn)的用戶系統(tǒng)。完成用戶對于系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定，以及系統(tǒng)各檢測量和任何中間結(jié)果量的顯示。工控機(jī)的軟件采用標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)和參數(shù)表，便于維護(hù)和修改。
以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明，很明顯本發(fā)明并不受這些實(shí)施例的限制。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員任何基于本發(fā)明實(shí)質(zhì)內(nèi)容的修改、變形或等同替換，均涵蓋在本發(fā)明權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器，它主要由多副邊繞組變壓器、多個功率模塊單元和控制系統(tǒng)構(gòu)成；其特征在于所述多副邊繞組變壓器為多副邊繞組移相變壓器；所述功率模塊單元連接在所述多副邊繞組移相變壓器和控制系統(tǒng)之間，用于執(zhí)行控制系統(tǒng)的指令輸出PWM電壓；變頻器的每一相就是由若干個功率模塊單元串聯(lián)構(gòu)成，變頻器的輸出端與電機(jī)相連；所述控制系統(tǒng)的主控板采用基于數(shù)字信號處理專用集成芯片DSP作為CPU；所述控制系統(tǒng)采用矢量控制方式計(jì)算變頻器的輸出頻率，控制功率模塊單元的導(dǎo)通頻率和時間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器，其特征在于所述DSP芯片為主DSP芯片，控制系統(tǒng)主控板還配有速度更快的、用于進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算的協(xié)處理DSP芯片；所述主DSP芯片主要完成系統(tǒng)邏輯判斷、功率模塊單元的控制、以及故障中斷的處理；所述主DSP芯片通過雙口RAM芯片與所述協(xié)處理DSP芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器，其特征在于在所述變頻器的輸入端、輸出端連接有用于檢測變頻器輸入/輸出電壓的高壓電阻分壓板；在所述變頻器的輸入端、輸出端連接有用于檢測變頻器輸入/輸出電流的電流互感器；所述高壓電阻分壓板和電流互感器的信號輸出端與所述控制系統(tǒng)主控板相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器，其特征在于所述高壓電阻分壓板和電流互感器輸出的模擬信號經(jīng)過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換、抗混迭濾波及濾波校正處理后，輸入到所述控制系統(tǒng)主控板上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器，其特征在于所述高壓電阻分壓板和電流互感器輸出的模擬信號經(jīng)過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后輸入給所述主DSP芯片的AD通道；在主DSP電壓檢測AD通道前，串聯(lián)有低通濾波器環(huán)節(jié)，在主DSP電壓檢測AD通道后，串聯(lián)有低通濾波器的逆環(huán)節(jié)，可以將低通濾波的幅值和相位的影響通過軟件控制的方法補(bǔ)償回來。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器，其特征在于所述控制系統(tǒng)主控板還外掛有FLASH參數(shù)存儲卡，保存重要的調(diào)試參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或6所述的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器，其特征在于所述控制系統(tǒng)主控板通過標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊接口與軟件示波器通訊，在線顯示所有用于電機(jī)控制的中間變量和重要參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2或6或7所述的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器，其特征在于所述控制系統(tǒng)主控板通過通用的串行通訊芯片、標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊接口與工控機(jī)通訊。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2或6或7或8所述的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器，其特征在于所述控制系統(tǒng)主控板還設(shè)有JTAG口，實(shí)現(xiàn)控制軟件的升級。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2或6或7或8或9所述的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器，其特征在于所述控制系統(tǒng)主控板還預(yù)留有速度傳感器數(shù)據(jù)輸入口，用于實(shí)現(xiàn)有速度傳感器的矢量控制，實(shí)現(xiàn)更高調(diào)速精度的電機(jī)控制。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2或6或7或8或9或10所述的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器，其特征在于所述控制系統(tǒng)主控板上還設(shè)有硬件過流值調(diào)節(jié)裝置，該裝置經(jīng)過電壓補(bǔ)償軟件模塊實(shí)現(xiàn)線性化。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或2或6或7或8或9或10或11所述的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器，其特征在于所述控制系統(tǒng)主控板上還設(shè)有輸出接地故障檢測及保護(hù)裝置，采用用硬件、軟件結(jié)合的方案對輸出端相電壓進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)有輸出接地故障立刻進(jìn)行故障處理。
13.根據(jù)權(quán)利要求1或2或所述的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器，其特征在于所述控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的矢量控制方式控制變頻器的輸出；所述矢量控制包括磁鏈觀測和速度辨識方案、電機(jī)參數(shù)檢測和自動校正方案、電壓檢測抗混迭濾波及濾波校正方案、串級多電平逆變器的死區(qū)補(bǔ)償方案、電機(jī)反饋功率控制的制動方案、飛車重啟動和斷電重啟動方案。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器，其特征在于所述控制系統(tǒng)根據(jù)采集的輸入、輸出電壓和電流值進(jìn)行磁鏈觀測和速度辨識，基于電機(jī)控制的矢量控制理論計(jì)算得到轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、定子頻率、滑差、轉(zhuǎn)子磁鏈、轉(zhuǎn)矩等電機(jī)的各個運(yùn)行變量，目的是將這些運(yùn)行變量作為變頻器控制電機(jī)的重要參數(shù)，有了這些電機(jī)運(yùn)行的所有參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)高性能、高精度、快速響應(yīng)的控制電機(jī)的高性能矢量控制。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器，其特征在于所述控制系統(tǒng)采用了基于電機(jī)電流方向的補(bǔ)償方法和變頻器輸出電壓反饋補(bǔ)償方法，對串級式逆變器的死區(qū)時間和開關(guān)管壓降造成的電流諧波、低頻振蕩、轉(zhuǎn)矩脈動、輸出電壓下降進(jìn)行有效的補(bǔ)償。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器，其特征在于所述控制系統(tǒng)對電機(jī)反饋功率進(jìn)行控制，計(jì)算減速時從電動機(jī)反饋回變頻器的能量大小，自動調(diào)整電機(jī)的減速時間，防止發(fā)生減速時的直流母線過壓故障，使電機(jī)以最快速度減速到零。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器，其特征在于所述系統(tǒng)提供了多種運(yùn)行方式，包括變壓變頻開環(huán)控制、矢量控制的閉環(huán)控制、零輸入輸出漂移檢測和自動校正功能，以及參數(shù)自動檢測功能。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器，其特征在于所述控制系統(tǒng)主控板與PLC之間采用硬連接的信號定義，擴(kuò)展了與PLC間的信號傳遞。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器，其特征在于所述控制系統(tǒng)主控板與工控機(jī)之間的通訊采用工業(yè)通用的MODBUS協(xié)議，并采用標(biāo)準(zhǔn)化的工控機(jī)軟件。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器，其特征在于所述工控機(jī)的軟件采用標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)和參數(shù)表。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率變頻器，它與傳統(tǒng)高壓大功率變頻器的區(qū)別在于它的控制部分主控板采用數(shù)字信號處理專用集成芯片DSP作為CPU；采用矢量控制方式計(jì)算對電機(jī)進(jìn)行控制的所有參數(shù)，從而得到變頻器的輸出頻率，控制功率模塊單元的導(dǎo)通頻率和時間。它解決了現(xiàn)有功率模塊串聯(lián)高壓大功率變頻器由于控制方式簡單和系統(tǒng)響應(yīng)慢，從而不能實(shí)現(xiàn)高性能控制的難題；實(shí)現(xiàn)了更精確和快速的控制，實(shí)現(xiàn)了真正的恒轉(zhuǎn)矩、快速動態(tài)響應(yīng)，飛車重啟動和斷電重啟動，自動負(fù)載限制，以系統(tǒng)能提供的最大轉(zhuǎn)矩加速減速而不發(fā)生加速過流、減速過壓的情況，并為變頻器控制運(yùn)行和直接投入電網(wǎng)運(yùn)行兩種運(yùn)行方式之間的無擾切換提供了可能性。
文檔編號H02M5/40GK1545197SQ03149889
公開日2004年11月10日 申請日期2003年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月29日
發(fā)明者李敏, 倚鵬, 李 敏 申請人:北京利德華福電氣技術(shù)有限公司