摘 要: 在分析考慮鐵損時電梯用異步電機在同步旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng)下數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過研究不同運行條件下電機損耗與轉(zhuǎn)子磁通的關(guān)系，實現(xiàn)矢量控制變頻調(diào)速異步電機的優(yōu)化控制。為了進一步提高電機的調(diào)速性能，根據(jù)電機矢量控制的基本原理，利用數(shù)字信號處理器和智能功率模塊，給出了矢量控制硬件實現(xiàn)，并闡述了系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)方法。實驗表明，電梯用異步電機矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)能平穩(wěn)運行，具有較好的靜、動態(tài)特性，可以廣泛地應(yīng)用于電梯用電機拖動的電氣傳動系統(tǒng)中。 關(guān)鍵詞: 電梯用異步電機;矢量控制;鐵損;優(yōu)化控制 [b][align=center]Optimal Control of VVVF Speed Regulation Motor for Elevator based on DSP&IPM[/align][/b] 0 引言 　　隨著城市建筑業(yè)的發(fā)展，對高層建筑電梯的電機調(diào)速系統(tǒng)要求越來越高。由于受到數(shù)位分析方法和工具的限制，現(xiàn)在建立電梯用異步電機電動機動態(tài)數(shù)學(xué)模型和仿真模型時通常忽略鐵損。而電梯用異步電機電機中的鐵損是確實存在的，這就會使得輸出轉(zhuǎn)矩發(fā)生偏差，影響控制精度[1]。同時因矢量控制的實現(xiàn)需要實時地完成坐標變換、電流及轉(zhuǎn)速檢測、磁鏈估計、PWM信號產(chǎn)生及故障保護等多種功能，因此控制算法涉及大量的實時計算。過去這種高性能的交流電梯用異步電機電機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)相當復(fù)雜[2]。近年來，由于微電子和計算機技術(shù)的進步，尤其是具有較強計算能力的數(shù)字信號處理器（DSP）和智能功率模塊（1PM）的出現(xiàn)，使得設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單的矢量系統(tǒng)成為可能。本文詳細闡述了矢量控制系統(tǒng)的硬件組成和優(yōu)化算法的軟件設(shè)計方法。實驗結(jié)果表明，該矢量控制系統(tǒng)的實現(xiàn)具有優(yōu)良的動、靜態(tài)調(diào)速性能，是目前實時性較強、性能較為優(yōu)異的一種調(diào)速系統(tǒng)，變頻調(diào)速電梯具有節(jié)能、提升速度快、平層準確、舒適感好等優(yōu)點提供了動力保障。 1 控制原理 　　1.1考慮鐵損時電梯用異步電機電動機在同步旋轉(zhuǎn)坐標系dq軸的數(shù)學(xué)模型 　　根據(jù)交流電機理論，電梯用異步電動機可通過坐標變換等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系dq軸下的兩相電機模型，相比常規(guī)采用的dq軸電機模型，定子上增加了兩個鐵損等效繞組，由此可以得到如圖1所示的考慮鐵損時同步旋轉(zhuǎn)坐標系下異步電機在dq軸等效電路[3]。 [align=center] 圖1 考慮鐵損時同步旋轉(zhuǎn)坐標系下異步電動機在dq軸等效電路[/align] 　　取dq軸的旋轉(zhuǎn)速度等于定子的同步角速度ω[sub]1[/sub]，轉(zhuǎn)子的角轉(zhuǎn)速為ω[sub]r[/sub],dq軸相對于轉(zhuǎn)子的角速度為ω[sub]s[/sub]=ω[sub]1[/sub]-ω[sub]r[/sub]，即轉(zhuǎn)差。則根據(jù)上述等效電路，推導(dǎo)出異步電機在任意兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學(xué)模型: 　　 　　式（a）～（e） 構(gòu)成了考慮鐵損時異步電機在任意同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。 　　1.2磁鏈優(yōu)化模塊 　　因電機的總損耗等于輸入功率與輸出功率的差值，即 　　 　　由上式可以知，假設(shè)電動機參數(shù)不變，在一定的轉(zhuǎn)子角頻率和一定的負載轉(zhuǎn)矩Te條件下，異步電動機的可控損耗與轉(zhuǎn)子磁鏈的大小有關(guān)。忽略機械損耗和雜散損耗，異步電動機在輸出功率一定的情況下，異步電動機在損耗最小時其效率最高[4]。 　　損耗的凸函數(shù)，因此對上式求導(dǎo)令其等于零，即可得到損耗最小時的最優(yōu)磁通;其中 2 基于DSP&IPM的系統(tǒng)硬件設(shè)計 　　電梯用異步電機矢量控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2。整個系統(tǒng)主要由三大模塊組成：以智能功率模塊PS21867為核心的主電路功率變換模塊;以DSP為主要元件的運算控制模塊;以增量式光電編碼器、霍爾傳感器等組成的信號檢測模塊。 [align=center] 圖2電梯用異步電機矢控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　2.1功率變換模塊 　　系統(tǒng)主電路采用交-直-交電壓源變頻變壓電路。選用的逆變功率器件是三菱公司的小型雙列直插封裝格式的IPM（PS21867）。其這種新型DIP-IPM利用了最新的第5代IGBT技術(shù)，使其靜態(tài)性能和動態(tài)性能較過去都有了很大提高。并且由于采用了最先進的亞微米電源芯片設(shè)計技術(shù)和優(yōu)化的模塊設(shè)計技術(shù)及封裝工藝，使其不僅可以直接與控制MCU端子相連及采用單一電源自舉供電，還使其輸入邏輯由低電平有效轉(zhuǎn)變成了高電平有效。從而大大簡化了接口電路設(shè)計，提高了逆變系統(tǒng)的性價比。 　　2.2運算控制單元 　　控制系統(tǒng)由數(shù)字信號處理器TMS320F2407A實現(xiàn)對電梯用異步電機的控制。TMS320F240是專為電機控制設(shè)計而推出的新一代微控制器，其具有高性能的C2xLP內(nèi)核，最高運算能力達40MIPS，采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)，四級流水線操作;片內(nèi)集成的事件管理器包括3個獨立的雙向定時器，每一個都有單獨的比較寄存器，支持產(chǎn)生可編程死區(qū)的PWM輸出;4個捕獲口中的兩個可直接連接來自光電編碼器的正交編碼脈沖;兩個獨立的10位16路A/ D轉(zhuǎn)換器可同時并行地完成兩個模擬輸入的轉(zhuǎn)換;片內(nèi)集成的串行通訊接口（SCI）及串行外設(shè)接口（SPI）可用于與上位機、外設(shè)及多處理器之間的通訊。TMS320F240的這些卓越特性為高性能的電機控制提供了理想的解決方案[2]。 　　2.3信號檢測模塊 　　因為被控制的電機采用星形接法，所以只需對兩相電流進行檢測（）[2]?？紤]到轉(zhuǎn)換速度和精確度，系統(tǒng)采用霍爾傳感器來測量電機的定子電流i[sub]a[/sub]和i[sub]b[/sub] ，將i[sub]a[/sub]和i[sub]b[/sub] 轉(zhuǎn)換成電壓信號，再送入電平偏移電路，把雙極性的電流信號轉(zhuǎn)換成0—3.3 V單極性電平送入TMS320LF2407A的A/D轉(zhuǎn)換口ADCIN2、ADCIN3進行采樣，把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再進行數(shù)據(jù)處理。檢測電路采用兩級運算放大器LM358。速度采樣系統(tǒng)中采用精確度為1024p/r增量碼盤來檢測轉(zhuǎn)子位置，光電編碼器輸出的兩路正交脈沖信號經(jīng)差動放大后直接接到DSP的QEP1,QEP2上。 3 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn) 　　系統(tǒng)的主電路采用智能功率模塊以后顯得比較簡單，所有控制算法可在TMS320LF2407A DSP中實時完成的。本系統(tǒng)LF2407A DSP控制部分的軟件采用匯編語言在DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS下編寫，整個軟件主要包括初始化程序與下溢中斷服務(wù)子程序部分。其軟件結(jié)構(gòu)如圖5、6所示。其中初始化程序完成DSP硬件及軟件變量的初始化及使能中斷的功能。中斷服務(wù)程序由電流及轉(zhuǎn)速檢測信號處理、轉(zhuǎn)速和磁鏈調(diào)節(jié)、磁鏈估計、坐標變換、PWM信號產(chǎn)生等多個功能模塊構(gòu)成。各功能模塊依照一定的順序關(guān)系，在固定的時間周期內(nèi)執(zhí)行，由T1CNT的下溢中斷來啟動程序的運行。 [align=center] 圖3 初始化程序流程圖 圖4 下溢中斷服務(wù)子程序流程圖[/align] 　　3.1 PI調(diào)節(jié)器設(shè)計 　　PI調(diào)節(jié)是電機控制系統(tǒng)中最常用的一種控制器。調(diào)節(jié)器的目的是消除輸出與輸入的偏差，其數(shù)字實現(xiàn)離散化后算法為： 　　式中KP為比例增益，KI為積分增益， T為采樣時間。其原理如圖5所示。 [align=center] 圖5 防積分飽和PI調(diào)節(jié)器[/align] 　　3.2 優(yōu)化控制器設(shè)計 　　優(yōu)化控制器的輸出為，由于涉及到除法、開方等運算，為了提高程序效率，采用了C和匯編混合編程，除法及開方子程序用匯編語言編寫。首先由得到最優(yōu)磁通，然后根據(jù)穩(wěn)態(tài)時得到最優(yōu)勵磁電流。 　　3.3 轉(zhuǎn)子磁鏈位置計算 　　矢量控制系統(tǒng)的控制性能很大程度上決定于磁場定向的精度。系統(tǒng)中采用轉(zhuǎn)子磁鏈坐標系下的電流轉(zhuǎn)速模型來估計轉(zhuǎn)子磁鏈位置角，從而實現(xiàn)正確的磁場定向。磁鏈觀測模型方程為：式中為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)，F(xiàn)[sub]s[/sub]為轉(zhuǎn)子磁鏈角頻率與額定角頻率之比，ω[sub]n[/sub]為電額定角頻率，n為轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之比。 　　 　　3.4 SVPWM模塊 　　TMS320LF2407A的每個事件管理器都有3個全比較單元輸出6路帶有可編程死區(qū)的PWM波形。當定子相電壓矢量的分量和所在的扇區(qū)數(shù)已知，就可通過電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，產(chǎn)生PWM控制信號來控制逆變器。 4 實驗結(jié)果與分析 　　該實驗樣機為一臺2.2KW的矢量控制變頻驅(qū)動電梯用異步電動機調(diào)速系統(tǒng)，并在其上采用效率優(yōu)化控制策略進行了穩(wěn)態(tài)運行實驗研究。 　　該實驗中，電機空載運行，初始轉(zhuǎn)速設(shè)定為1600 r/min，穩(wěn)定運行后1.4s設(shè)定為1400 r/min。圖6和圖7分別為輸出線電流和輸出線電壓的實驗波形。 [align=center] 圖6 輸出線電流 圖7 輸出線電壓[/align] 　　從圖6和圖7實驗結(jié)果可以看出，輸出電流為良好的正弦波形，輸出電壓為經(jīng)過脈寬調(diào)制的正弦波，基波占絕對主要成分，諧波成分較少。證明了本文中提出的控制方法的有效性和可行性。 5 結(jié)論 　　在分析考慮鐵損時異步電機數(shù)學(xué)模型與磁鏈優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上，以DSP和IPM為核心組成的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)，可以有效地解決實際矢量控制實現(xiàn)時運算量太大而引起的實時性問題?？刂葡到y(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠，且具有動態(tài)響應(yīng)快，控制精確度高的優(yōu)點，是一種理想的矢量控制實現(xiàn)方案，可廣泛應(yīng)用于以電梯電機為驅(qū)動裝置的電氣傳動中，從而獲得高精確度的調(diào)速控制性能，為電梯節(jié)能、提升速度快、平層準確、舒適感好等提供了動力保障。 參考文獻 　　[1]Kouki Matsuse，Taniguchi S，Yoshizumi T. A speed-sensorless vector control of induction motor operating at high efficiency taking core loss into account. IEEE Trans.on Ind. Appl, 2001 37（2）：548-557. 　　[2]王曉明，王玲.電動機的DSP控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004. 　　[3]黎英，時維國.變頻調(diào)速電機的運行效率及節(jié)能控制研究[J].電氣傳動自動化，1999，21（1） ：21-25. 　　[4]崔納新.變頻驅(qū)動異步電動機最小損耗快速響應(yīng)控制研究[D].[博士論文].山東：山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，2005.