專利名稱：適用于振動(dòng)時(shí)效的交流變頻控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種交流電機(jī)在振動(dòng)時(shí)效中應(yīng)用的變頻控制方法。
背景技術(shù)：
振動(dòng)時(shí)效(Vibrating Stress Relief，簡(jiǎn)稱VSR)，旨在通過專業(yè)的振動(dòng)時(shí)效設(shè)備，使被處理的工件產(chǎn)生共振，并通過這種共振方式將一定的振動(dòng)能量傳遞到工件的所有部位，使工件內(nèi)部發(fā)生微觀的塑性變形一被歪曲的晶格逐漸回復(fù)平衡狀態(tài)、位錯(cuò)重新滑移并釘扎，從而使工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力得以消除和均化，最終防止工件在加工和使用過程中變形和開裂，保證工件尺寸精度的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的振動(dòng)時(shí)效是通過使用直流有刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)固定在工件上的激振器的偏心塊產(chǎn)生周期性激振力，使工件共振。但這種直流電機(jī)由于采用電刷換向，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有噪音，同時(shí)由于在振動(dòng)時(shí)效時(shí)電機(jī)需承受強(qiáng)烈振動(dòng)，會(huì)造成電刷和電樞頭之間產(chǎn)生間隙，電刷處就很容易產(chǎn)生火花，從而燒毀電刷和電樞頭。由于這些缺點(diǎn)和普通交流異步電機(jī)的許多優(yōu)良特性，人們一直在積極研究將普通交流異步電機(jī)用于振動(dòng)時(shí)效，如中國(guó)專利文獻(xiàn) CNl 105706公開的《交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)式振動(dòng)時(shí)效處理零件的方法及設(shè)備》和CN200945478Y 公開的《一種新型振動(dòng)裝置》，都是通過中央處理器(單片機(jī)或微機(jī))對(duì)變頻電路的電源進(jìn)行控制，對(duì)振動(dòng)時(shí)效的指令進(jìn)行處理，將產(chǎn)生的電信號(hào)直接控制變頻電路，變頻電路對(duì)工頻電壓進(jìn)行變頻后輸出給交流電動(dòng)機(jī)。普通異步交流電機(jī)用于振動(dòng)時(shí)效，它可獲得較直流電機(jī)更大的激振力，可承受較直流電機(jī)更強(qiáng)的振動(dòng)，更寬的頻帶，同時(shí)可以恒轉(zhuǎn)矩工作，使其在低頻下即可獲得很大的激振力，有效解決了高剛性工件和超大型工件振動(dòng)時(shí)效的難題。同時(shí)由于交流電機(jī)無(wú)刷，在工作時(shí)無(wú)噪音，無(wú)火花，使其使用壽命更長(zhǎng)，還有免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。但用普通的變頻器驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)存在穩(wěn)速精度低、過峰能力不足、成本高等問題，所以一直以來沒有得到應(yīng)用。目前，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制是通過單片機(jī)控制功率模塊(IGBT)輸出一個(gè)頻率和電壓都受控的標(biāo)準(zhǔn)交流信號(hào)給交流電機(jī)，交流電機(jī)上設(shè)置有與單片機(jī)連接的轉(zhuǎn)速傳感器，形成一個(gè)閉環(huán)控制回路。其中單片機(jī)控制功率模塊IGBT的信號(hào)是由通過單片機(jī)的CPU(中央處理器)計(jì)算正弦函數(shù)y=AsinX (y為驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓，A為電壓幅值，X為相位角)發(fā)出的，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)單片機(jī)按設(shè)定輸出對(duì)應(yīng)頻率和電壓的交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，交流電機(jī)上轉(zhuǎn)速傳感器將轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)通過對(duì)交流電機(jī)即時(shí)轉(zhuǎn)速和控制轉(zhuǎn)速的不斷比較來穩(wěn)速。眾所周知，交流電機(jī)的穩(wěn)速是個(gè)復(fù)雜過程，穩(wěn)速的時(shí)間取決于多種因素(IGBT的響應(yīng)速度，CPU處理速度，函數(shù)y=Asinx的運(yùn)算速度和轉(zhuǎn)速比較速度等等)，由于這些原因， 用傳統(tǒng)變頻控制方法無(wú)法滿足振動(dòng)時(shí)效設(shè)備對(duì)調(diào)速和穩(wěn)速的要求。同時(shí)由于受IGBT開關(guān)速度和死區(qū)時(shí)間的影響，實(shí)際輸出并不是正弦波。在變頻驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)的定子繞組時(shí)還會(huì)產(chǎn)生高次諧波，使變頻器的驅(qū)動(dòng)能力并沒有理論計(jì)算的那么高，無(wú)法滿足在共振峰時(shí)電機(jī)能量的輸出要求。
中國(guó)專利文獻(xiàn)CN101232270公開了一種《交流變頻器的變頻控制方法》，是在磁通跟蹤脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控制過程中導(dǎo)入基波降音調(diào)控制，即載波自動(dòng)調(diào)制技術(shù)，控制過程如下檢測(cè)逆變器與電動(dòng)機(jī)之間的電壓和電流物理量，到變換器計(jì)算后送入基波控制器，經(jīng)計(jì)算脈沖寬度調(diào)制的基頻幅寬后控制磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩比較器，實(shí)現(xiàn)載頻與脈寬的自動(dòng)調(diào)制。該《交流變頻器的變頻控制方法》是使交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能都得到改善，是基于磁通電流矢量和直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻控制方法。不能用于振動(dòng)時(shí)效時(shí)的穩(wěn)速，與v/f (電壓/頻率)控制模式相差甚遠(yuǎn)。中國(guó)專利文獻(xiàn)CN101777869A (申請(qǐng)?zhí)?01010011477. 1)公開了一種《一種適用于振動(dòng)時(shí)效的交流變頻控制方法》，該方法是“通過下位機(jī)控制功率模塊輸出一個(gè)頻率和電壓都受控的交流信號(hào)給交流電機(jī)，交流電機(jī)上設(shè)置有與下位機(jī)連接的轉(zhuǎn)速傳感器，交流電機(jī)上的轉(zhuǎn)速傳感器將轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋給上位機(jī)，上位機(jī)通過對(duì)交流電機(jī)即時(shí)轉(zhuǎn)速和控制轉(zhuǎn)速的不斷比較來穩(wěn)速；下位機(jī)根據(jù)正弦函數(shù)y=A (sinx+ksinNx, N=I, 2，3，……)設(shè)置函數(shù)波特表，其中y為驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓、A為電壓幅值、X為相位角、K為輸出電壓增量系數(shù)，這樣使下位機(jī)驅(qū)動(dòng)功率模塊的交流信號(hào)包含一個(gè)高次諧波”，當(dāng)該包含高次諧波的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過IGBT 輸出到電機(jī)繞組與繞組自感產(chǎn)生的高次諧波相抵消，有效地抑制了自感高次諧波對(duì)母線輸出的影響，同時(shí)由于這個(gè)高次諧波使正弦函數(shù)發(fā)生畸變，等于使IGBT的開關(guān)量超前放大， 彌補(bǔ)了 IGBT開關(guān)的延遲和死區(qū)損耗，有效提高了功率模塊IGBT的驅(qū)動(dòng)能力，為了節(jié)約成本和提高CPU計(jì)算速度，直接由軟件采用寄存器移位法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)查函數(shù)波特表法輸出功率模塊的驅(qū)動(dòng)方波。但是，要使包含高次諧波的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過IGBT輸出到電機(jī)繞組與繞組自感產(chǎn)生的高次諧波相抵消，有效地抑制自感高次諧波對(duì)母線輸出的影響，必須要事先知道電機(jī)的高次諧波的幅值和相位，然而電機(jī)由于設(shè)計(jì)和制造的差異，以及輸入的電源電壓波形的不同，電機(jī)繞組與繞組自感產(chǎn)生的高次諧波的幅值和相位都不相同。為獲得電機(jī)繞組與繞組自感產(chǎn)生的高次諧波，一般要采集電機(jī)輸出的電壓和電流的波形，進(jìn)行諧波分析運(yùn)算，才能得到電機(jī)的高次諧波的幅值和相位。該方法中只有速度傳感器采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)，無(wú)法獲得電機(jī)的高次諧波的幅值和相位，因此無(wú)法確定輸出電壓增量系數(shù)K。也就是說，該方法是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有普通交流異步電機(jī)在用于振動(dòng)時(shí)效時(shí)的穩(wěn)速技術(shù)存在的問題，提供一種簡(jiǎn)便可靠、穩(wěn)速速度高、能夠滿足在共振峰時(shí)電機(jī)能量輸出要求的適用于振動(dòng)時(shí)效的交流變頻控制方法。該方法是基于v/f變頻控制模式(保證輸出電壓跟頻率成正比)的改進(jìn)方法，可使普通交流異步電機(jī)能經(jīng)濟(jì)安全的適用于振動(dòng)時(shí)效設(shè)備中。本發(fā)明的適用于振動(dòng)時(shí)效的交流變頻控制方法，是
通過下位機(jī)控制功率模塊輸出一個(gè)頻率和電壓都受控的交流信號(hào)給交流電機(jī)，交流電機(jī)上設(shè)置有與下位機(jī)連接的轉(zhuǎn)速傳感器，交流電機(jī)上的轉(zhuǎn)速傳感器將轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋給上位機(jī)，上位機(jī)通過對(duì)交流電機(jī)即時(shí)轉(zhuǎn)速和控制轉(zhuǎn)速的不斷比較來穩(wěn)速；下位機(jī)根據(jù)正弦函數(shù) y=A (sinx+ksin3x)設(shè)置函數(shù)波特表，其中y為驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓、A為電壓幅值、X為相位角、 K為輸出電壓增量系數(shù)，K的取值范圍為0. 15-0. 25，具體K值根據(jù)具體電機(jī)在工作運(yùn)行時(shí)由實(shí)驗(yàn)測(cè)試基波電壓是否提升到v/f控制下所需220伏電壓而定，這樣使下位機(jī)驅(qū)動(dòng)功率模塊的交流信號(hào)包含一個(gè)三次諧波；采用寄存器移位法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)查函數(shù)波特表，當(dāng)上位機(jī)給下位機(jī)一個(gè)轉(zhuǎn)速指令時(shí)，下位機(jī)按順序調(diào)用數(shù)組中的點(diǎn)輸出一個(gè)正弦波，控制功率模塊輸出的交流信號(hào)是由下位機(jī)通過寄存器移位法自動(dòng)查函數(shù)波特表輸出的功率模塊的驅(qū)動(dòng)方波。所述函數(shù)波特表的設(shè)置過程如下
定義IOM個(gè)數(shù)值，組成一個(gè)完整的正弦周期，在頻率輸出時(shí)按順序調(diào)用數(shù)組中的點(diǎn)就能輸出一個(gè)正弦波，調(diào)用的速度越快輸出的正弦波頻率越高，通過計(jì)算正弦函數(shù)y=A (sinx+ksin3x)得到一個(gè)有IOM點(diǎn)的函數(shù)波特表。所述采用寄存器移位法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)查函數(shù)波特表的具體過程是
將指向波特表的指針定義為Sine_PC，這個(gè)寄存器每次加η就會(huì)得到下一個(gè)點(diǎn)的位置， 由上位機(jī)的轉(zhuǎn)速指令給下位機(jī)寄存器F_wdc，F(xiàn)_wdc是個(gè)15位寄存器，對(duì)應(yīng)0到12000轉(zhuǎn)， 下位機(jī)寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)左移11位后轉(zhuǎn)存到Delta_Phase寄存器內(nèi)，Delta_Phase 寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)在中斷時(shí)累加一次到Wiase變量中，Phase為32位寄存器，因?yàn)镕_wdc要右移11位才能符合理論計(jì)算結(jié)果，而左移了 11位，所以對(duì)Wiase要右移22位才能得到結(jié)果，得到Sine_PC，正好剩下10位，10位的最大值是1024，不會(huì)超過整個(gè)正弦波表，用Sine_ PC做指針就能夠自動(dòng)查函數(shù)波特表了。上述控制方法，由于驅(qū)動(dòng)信號(hào)中已包含一個(gè)三次諧波，當(dāng)該驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過功率模塊輸出到交流電機(jī)繞組時(shí)，由于相電壓中三次諧波相位相同、幅值相同，致使在三相線電壓時(shí)三次諧波互相抵消(線電壓之間的此三次諧波相抵消)。由于這個(gè)三次諧波使正弦函數(shù)發(fā)生畸變，等于使功率模塊的開關(guān)量超前放大(開關(guān)量增大)，彌補(bǔ)了功率模塊開關(guān)的延遲和死區(qū)損耗，相當(dāng)于使產(chǎn)生的高次諧波降低，有效提高了功率模塊IGBT的驅(qū)動(dòng)能力，降低了諧波產(chǎn)生及對(duì)最終輸出的影響。本發(fā)明是通過改變單片機(jī)的運(yùn)算方法，提高單片機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定速度，使交流電機(jī)的穩(wěn)速精度達(dá)到了士 Irpm ；在變頻控制時(shí)采用寄存器移位法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)查函數(shù)波特表輸出功率模塊的驅(qū)動(dòng)方波，使單片機(jī)節(jié)約了大量運(yùn)算正弦函數(shù)的資源，提高了 CPU處理速度，穩(wěn)速速度大幅提高，有效地降低了自感高次諧波對(duì)母線輸出的影響。


圖1是本發(fā)明的交流變頻控制原理圖。圖2是本發(fā)明中的寄存器移位流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的適用于振動(dòng)時(shí)效的交流變頻控制方法，主要是通過改變單片機(jī)的運(yùn)算方法，提高單片機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定速度，使電機(jī)的穩(wěn)速精度達(dá)到士 Irpm ；為了簡(jiǎn)化電路和減低成本， 本發(fā)明采用軟件進(jìn)行控制，并結(jié)合振動(dòng)時(shí)效設(shè)備的特點(diǎn)，在變頻控制時(shí)采用寄存器移位法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)查函數(shù)波特表的方法輸出功率模塊IGBT的驅(qū)動(dòng)方波，這就使單片機(jī)節(jié)約了大量運(yùn)算正弦函數(shù)的資源，提高了 CPU處理速度，穩(wěn)速速度大幅提高。圖1給出了本發(fā)明的交流變頻控制原理，是通過下位機(jī)(單片機(jī))控制功率模塊(IGBT)輸出一個(gè)頻率和電壓都受控的標(biāo)準(zhǔn)交流信號(hào)給交流電機(jī)，交流電機(jī)上設(shè)置有與下位機(jī)(單片機(jī))連接的轉(zhuǎn)速傳感器，形成一個(gè)閉環(huán)控制回路。交流電機(jī)上的轉(zhuǎn)速傳感器將轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋給上位機(jī)，上位機(jī)通過對(duì)交流電機(jī)即時(shí)轉(zhuǎn)速和控制轉(zhuǎn)速的不斷比較來穩(wěn)速。其中下位機(jī)的程序中根據(jù)正弦函數(shù)y=A(Sinx+kSin3X)(其中y為驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓、A為電壓幅值、 X為相位角、K為輸出電壓增量系數(shù))設(shè)置函數(shù)波特表，為了能根據(jù)轉(zhuǎn)速高低自動(dòng)取點(diǎn)，采用寄存器移位法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)查函數(shù)波特表。當(dāng)上位機(jī)給下位機(jī)一個(gè)轉(zhuǎn)速指令時(shí)，下位機(jī)只要按順序調(diào)用數(shù)組中的點(diǎn)就能輸出一個(gè)正弦波，這個(gè)正弦波轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)頻率和電壓的交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)方波控制功率模塊IGBT，交流電機(jī)就能按設(shè)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。 為了降低交流電機(jī)的繞組產(chǎn)生的高次諧波的影響，必須加大功率模塊單位脈沖的開關(guān)量，提高功率模塊IGBT輸出母線的利用率。在硬件不改變的前提下，本發(fā)明提出在變頻控制時(shí)，下位機(jī)(單片機(jī))根據(jù)正弦函數(shù)y=A (sinx+ksiMx)設(shè)置函數(shù)波特表，使下位機(jī)驅(qū)動(dòng)功率模塊的信號(hào)包含一個(gè)三次諧波；再采用寄存器移位法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)查函數(shù)波特表法輸出功率模塊的驅(qū)動(dòng)方波。具體K值根據(jù)不同類型電機(jī)在工作運(yùn)行時(shí)由實(shí)驗(yàn)測(cè)試基波電壓是否提升到v/f控制下所需電壓而定。驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)時(shí)的波形由基波和諧波組成，采用下表中的三個(gè)電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)(所使用的電機(jī)最高要求電壓220伏)，得出同樣的結(jié)果當(dāng)K=O時(shí)， 為不疊加三次諧波，這種情況下由于諧波的存在功率模塊最高輸出時(shí)電壓經(jīng)實(shí)測(cè)只能達(dá)到 190伏，當(dāng)K值在0. 15-0. 25之間時(shí)，功率模塊最高輸出時(shí)電壓在220伏附近波動(dòng)，K值取 0. 2時(shí)，實(shí)測(cè)功率模塊最高輸出時(shí)電壓為220伏，滿足電機(jī)的正常運(yùn)行，是最佳取值。
權(quán)利要求
1.一種適用于振動(dòng)時(shí)效的交流變頻控制方法，其特征是通過下位機(jī)控制功率模塊輸出一個(gè)頻率和電壓都受控的交流信號(hào)給交流電機(jī)，交流電機(jī)上設(shè)置有與下位機(jī)連接的轉(zhuǎn)速傳感器，交流電機(jī)上的轉(zhuǎn)速傳感器將轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋給上位機(jī)，上位機(jī)通過對(duì)交流電機(jī)即時(shí)轉(zhuǎn)速和控制轉(zhuǎn)速的不斷比較來穩(wěn)速；下位機(jī)根據(jù)正弦函數(shù) y=A (sinx+ksin3x)設(shè)置函數(shù)波特表，其中y為驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓、A為電壓幅值、X為相位角、 K為輸出電壓增量系數(shù)，K的取值范圍為0. 15-0. 25，具體K值根據(jù)具體電機(jī)在工作運(yùn)行時(shí)由實(shí)驗(yàn)測(cè)試基波電壓是否提升到v/f控制下所需220伏電壓而定，這樣使下位機(jī)驅(qū)動(dòng)功率模塊的交流信號(hào)包含一個(gè)三次諧波；采用寄存器移位法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)查函數(shù)波特表，當(dāng)上位機(jī)給下位機(jī)一個(gè)轉(zhuǎn)速指令時(shí)，下位機(jī)按順序調(diào)用數(shù)組中的點(diǎn)輸出一個(gè)正弦波，控制功率模塊輸出的交流信號(hào)是由下位機(jī)通過寄存器移位法自動(dòng)查函數(shù)波特表輸出的功率模塊的驅(qū)動(dòng)方波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于振動(dòng)時(shí)效的交流變頻控制方法，其特征是所述函數(shù)波特表的設(shè)置過程如下定義IOM個(gè)數(shù)值，組成一個(gè)完整的正弦周期，在頻率輸出時(shí)按順序調(diào)用數(shù)組中的點(diǎn)就能輸出一個(gè)正弦波，調(diào)用的速度越快輸出的正弦波頻率越高，通過計(jì)算正弦函數(shù)y=A (sinx+ksin3x)得到一個(gè)有IOM點(diǎn)的函數(shù)波特表。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于振動(dòng)時(shí)效的交流變頻控制方法，其特征是所述采用寄存器移位法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)查函數(shù)波特表的具體過程是將指向波特表的指針定義為Sine_PC，這個(gè)寄存器每次加η就會(huì)得到下一個(gè)點(diǎn)的位置， 由上位機(jī)的轉(zhuǎn)速指令給寄存器F_wdc，F(xiàn)_wdc是個(gè)15位寄存器，對(duì)應(yīng)0到12000轉(zhuǎn)，下位機(jī)將F_wdc寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)左移11位后轉(zhuǎn)存到Delta_Phase寄存器內(nèi)，Delta_Phase寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)在中斷時(shí)累加一次到Wiase變量中，Phase為32位寄存器，因?yàn)镕_wdc要右移11 位才能符合理論計(jì)算結(jié)果，而左移了 11位，所以對(duì)Phase要右移22位才能得到結(jié)果，得到 Sine_PC,正好剩下10位，10位的最大值是1024，不會(huì)超過整個(gè)正弦波表，用Sine_PC做指針就能夠自動(dòng)查函數(shù)波特表了。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于振動(dòng)時(shí)效的交流變頻控制方法，該方法是下位機(jī)根據(jù)正弦函數(shù)y=A(sinx+ksin3x)設(shè)置函數(shù)波特表，這樣使下位機(jī)驅(qū)動(dòng)功率模塊的交流信號(hào)包含一個(gè)三次諧波；當(dāng)上位機(jī)給下位機(jī)一個(gè)轉(zhuǎn)速指令時(shí)，下位機(jī)按順序調(diào)用數(shù)組中的點(diǎn)輸出一個(gè)正弦波，控制功率模塊輸出的交流信號(hào)是由下位機(jī)通過寄存器移位法自動(dòng)查函數(shù)波特表輸出的功率模塊的驅(qū)動(dòng)方波。本發(fā)明是通過改變下位機(jī)的運(yùn)算方法，提高單片機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定速度，使單片機(jī)節(jié)約了大量運(yùn)算正弦函數(shù)的資源，提高了CPU處理速度，穩(wěn)速速度大幅提高，降低了自感高次諧波對(duì)母線輸出的影響，彌補(bǔ)了功率模塊開關(guān)的延遲和死區(qū)損耗，有效提高了功率模塊的驅(qū)動(dòng)能力，滿足振動(dòng)時(shí)效工藝的要求。
文檔編號(hào)H02P27/04GK102497159SQ201110437328
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者傅世嘉, 李繼東, 趙顯華, 郝俊山 申請(qǐng)人:山東華云機(jī)電科技有限公司