（电机与电器专业论文）电梯用永磁同步电机变频器的设计.pdf

浙江人学硕士学位论文 a b s t r a c t p er m a n e n t m a g n e t i cs y n c h r o n o u s1 1 1 0 t o r ( p m s m ) h a si tso u ts t a n d i n g p e r f o r m a n c er e l a t i v et oo t h e rm o t o r s s oi tisu s e ds ow i d e l yi ne v e r yf i e l do f i n d u s t r y e s p e c i a i l y i ne l e v a t o ta n dh i g hp r e c ls i o ns or v os y s t e m a n dr ar ee a r t h w h i c hc o o s is tt h ep e r m a n e n tm a g n e t iss or i c hi no u rc o u n t r y 。s oi tisv e r y i m p o r t a n t f oru st od or e f i e ar c hi nc e n t r o l li n go fp m s m h a v or e a ds om a n yd a t t x ma n dd o c u m e n t ，a n db a s e do nf n ll yo n d e r s t a n d i n g o fp m s mc e n tr o l l i n gt e c h n i q u ea n dt e n d e n c e ，t h ep a p e ra n n l y s e dt h ef u n c t i o no f e l e v a t o rs y s t o m a n dh a v ed es i g n e d t h eh a r d w a r eo f t h e s y s t e m t h ep a p e ra 1 s o a n a l y s e d s o m em e t h o do fc e n tr e lli n gp m s m r a is e d i a = 0 m e t h o do f r e a li z a ti o n b as e do nt h eh ar d w ar eo fp m s mc e n tr o l1i n gs y s t o m ，w ed e s i g n e dt h es o f t w a r e ， a n ds u c c e ss f u l l ym a d et h ei p v e r t ers y s t e r no fc o a t r e l 【i n g1 5 k w p m s m t h ed a t ao f e x p e r i m e n tv e t i f y t h a tt h ew h 0 1 es y s t e ms a t is f i e dt h e t a r g e t k e y w o r d ：p m s m ，e l e v a t 0r ，i e v e rl er 浙 1 1 人学硕十+ 位论文第章 第一章绪论 在直流电机、交流异步电机、交流同步电机三大电机形式中，永磁同步电动机因其优 良的性能和多样的结构而在工农业生产、日常生活、航空航天和国防等各个领域中得到广 泛应用为获得高性能、高精度的执行效果，需要使用变频电源对永磁同步电动机进行驱 动和控制，本课题正是针对这样一种需求而产生的。 本课题所涉及的电机是由变频电源供电、用于电梯驱动的永磁同步电动机它虽然 是用户基于电梯驱动的目的而提出的，但它的结构形式不同于电梯传动领域先进的永磁同 步无齿轮曳引机，因而应该将其视为普遍意义上的适于变频调速的永磁同步电动机永磁 同步无齿轮传动电梯电机是一种特殊结构的永磁同步电动机，它不同于本课题所涉及的电 机。这种电梯对电动机本身和控制系统都提出了更高的要求，因而技术难度较大为降低 技术风险，同时也是遵照循序渐进的技术创新原则，本课题做出上述选择，在满足用户当 前需要的同时，也为将来设计永磁同步无齿轮曳引电梯驱动系统做了铺垫 第一节永磁同步电机发展概况“川2 1 2 帕 纵观电气传动的发展过程，交、直流两大电气传动系统并存于各个工业领域，虽然 由于各个时期的科技发展使得他们的地位、所起作用不同，但他们始终随着工业技术的发 展，特别是电力电子技术和控制技术的发展而发展。在1 9 世纪8 0 年代以前，直流电气传 动是唯一的电气传动方式。直到19 世纪末叶，出现了交流电，解决了三相交流电的输送和 分配问题，并制成了经济实用的笼型异步电动机，这才使得交流电气传动在工业中得到了 广泛的应用。随着生产技术的发展，特别是精密机械加工和冶金等的进步，对电气传动在 启动、制动以及调速精度、调速范围等、静态特性和动态相应方面提出了更高的要求，直 流电机比交流电动机在技术上更容易满足上述要求，所以2 0 世纪以来，在需要可逆、调速 与高性能的电气传动技术领域中，相当长时问内一直使用的都是直流电气传动系统 但是由于直流电动机具有电刷和机械换向器，存在着自身的缺点，必须经常进行维 修检查，使用环境也受到了限制，并且限制了直流电动机向高转速，高电压，大容量方向 浙江人学硕十。学位论文 第一章 发展随着电力电子技术，微电子技术的发展以及现代电机控制理论的发展，使交流电气 传动系统逐步具备了宽范围、高稳态精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能 交流电气传动取代直流电气传动成为必然趋势。 交流电气传动分为同步电动机传动和异步电动机传动两大部分由于同步电动机的 转速是由定子电流频率和极对数决定的，电动机在固定频率下将恒速运行，当负载转矩加 到同步电动机轴上时，几乎是瞬时便建立起相应的拖动转矩，以维持电动机的稳定运行。 又由于在同步电动机中，磁场采用直流励磁，因此允许电动机在任何功率因数下工作，可 超前，可滞后，也可以等于l ，因此最初同步电动机只用于拖动恒速负载或用于改善功率 因数的场合在恒定频率下运行的大型同步电动机又存在着容易发生失步和震荡的危险， 以及启动困难等问题，因此，在没有变频电源的情况下，很难想象对同步电机的转速进行 控制。 从本世纪3 0 年代后，人们开始研究同步电动机的调速问题他们认识到同步电机的 控制需要检测转子的磁极的位置，以适 - 3 的顺序与电枢线圈相连的开关管的开通，代替直 流电动机的换向和电刷功能。在那个时期可以得到的闸流管是难以适应变流器工作的，因 此，由变流器供电的同步电机传动系统未曾得到足够的重视自从有了半导体固态变流器 后，逐渐升频启动完全可以代替过去的一套启动装置，是一种很好的启动方法；自控式调 频则从根本上解决了震荡，失步的问题因此，同步电动机变频调速的应用范围越来越广， 同步电机调速的研究有了长足的进步。 1 9 6 9 年b b c 公司研制成功世界上第一台6 4 0 0 k w 交一交变频同步电动机传动装置，用 做法国一家水泥厂的球磨机的无级调速装置。70 年代初，随着交流电机矢量控制理论的产 生及其应用技术的推广，世界各大电气公司都投入大量的人力和物力对交一交变频同步电动 机传动进行了研究，期望这一技术可以应用于高性能要求的轧机主传动及提升机传动1 9 8 1 年，西门子公司研制成功用于矿井提升的主传动，同年该公司又研制成功第一台4 0 0 0 k w 初 轧机交一交变频同步电动机传动系统，使大容量交流调速系统登上了高性能调速的舞台，标 志着这一技术的成熟。 我国从19 8 5 年开始引进大容量的同步电动机传动装置，有7 套大功率交一交频同步 电动机调速系统用于初轧机主传动，6 套用于矿井提升机传动，另外在高炉鼓风机、抽水 浙江人学硕十。位论文 第一章 蓄能电站中引进了和同步电动机配套的软启动系统，运行效果良好我国部分研究所也具 备提供20 0 0 _ ：2 5 0 0 k w 、带矢量控制的高性能交一交变频同步电动机调速设备的能力 各类同步电动机以及它们的控制日新月异得发展起来。用于调速用同步电动机分为以 下几种类型 1 、有刷励磁的同步电动机 它是最常用的一种同步电机，容量比较大。转子直流励磁电流可由静止励磁装置通过 集电环和电刷送到绕组中。由于电刷和集电环的存在，增加了检修维护的工作量，并限制 了电动机在恶劣环境下的使用。 2 、无刷可调励磁的同步电动机 这种同步电动机容量也比较大，其结构是同步电动机轴上安装一台交流发电机作为励 磁电源，经过固定在轴上的整流器变成直流电供给同步电动机的励磁绕组这样就无需集 电环和电刷，励磁电流的调节可阻通过控制交流励磁机定子上的磁场来实现因此，这种 同步电机维护简单，可用于防爆等特殊场合。 3 、永磁同步电动机 这种电机的转子采用稀土永磁材料励磁，如钕铁硼合金，使得电动机的体积和重量大 为减少，结构简单，维护方便，且效率比同容量的异步电动机提高4 一13 ，功率因数提 高5 一20 。在千瓦级的伺服系统中，用以取代直流电动机。 尤其值得一提的是我国是一个稀土材料的大国，稀土储量和稀土金属的提炼都居世界 首位。随着稀土材料技术的不断发展，永磁材料的磁能积已经做的很高，价格也早已满足 工业应用的需要，加上矢量控制水平的不断提高，永磁同步电动机越来越显出它效率高、 功率密度大，宽范围调速，脉动转矩小等高性能的优势。现在永磁同步电动机伺服系统在 我国也已有系列产品。 第二节各类电梯电机与控制的比较“”2 ”n 引 一：电梯驱动用电机的比较 从电梯的发展历史来看，其实就是电梯电机和控制技术的发展史 电梯电机，作为它使用场合的特殊性，对它的要求往往比通用电机要求要高一般来 说，电梯电机应该具有振动小，噪声低，起动电流小，有足够的起动转矩，运行平稳、等性 能要求。 电梯电机，按电机的类型分，可以分为直流电机和交流电机两大类按照电机所驱动 的曳引机有无齿轮箱可以分为有齿轮驱动和无齿轮驱动两种，按控制方式的不同可以分为 双速电机，调压调速电机和变频调速电机等电梯电机的分类见图i - 1 ： 直淀电梯电机 砹遮电梯电祝 电梯电机交流电梯电视强捱调遮电梯宅极 i 异步电规 蝴燃蝴翩 膨鲁祝屠麓黧暑箬嚣 特种电梯电移l 一一如篷线电机 图1 1 电梯电机的分类 下面将这几种电机的调速系统做一些比较。 1 ) 和交流调速系统相比，直流调速系统控制简单，调速性能好，交流装置结构简单， 长期以来在调速传动中占统治地位。但是随着交流调速理论和技术的发展，越来越多的场 合被交流电机替代。这主要是由于直流电机调速系统的以下缺点： a ) 直流电动机结构复杂、成本高、故障多、维护困难且工作量大，经常因火花大而影 响生产。 b ) 机械换向器的换向能力限制了电动机的容量、电压和速度，接触式的电流传输又限 浙江夫学颈十一弘位论文 第章 制了直流电动机的应用场合。 c ) 电枢在转子上，电动机效率低，散热条件差，冷却费用高为改善换向能力，减小 电枢漏感，转子变得粗短，转动惯量增加，影响系统的动态性能 2 ) 异步电动机调速系统的特点： 一般电梯用的异步电动机都是使用笼型转子，结构简单，牢固耐用用于电梯的异步 电动机控制从刚开始的调压调速，到使用调压调频的标量控制，再演变成磁链定向的矢量 控制。不但电机系统的控制精度提高，运行效率也提高了 但是异步电动机调速系统存在以下几个缺点： a ) 异步电动桃需要从定子侧励磁，因此，电动机功率因数低，造成变频装置输入的功率 也低。和同容量的同步电动机相比，所用变频装置容量大 b ) 在高性能的矢量控制异步电动机的调速系统中，转子参数受温度影响将发生变化，产 生控制误差，影响其控制精度。 c ) 异步电动机为提高其功率因数及效率，需尽量减小定转子间的气隙，这使得制造困难 3 ) 永磁同步电动机调速系统的特点： 永磁同步电机可分为两类，一类是反电动势波形和供电电流波形都是理想矩形波( 实际 为梯形波) 的无刷直流电动机，另一类永磁同步电动机两种波形都是正弦波，就是通常说的 永磁同步电动机。其中，他们的变频调速系统是使用转子位置检测装显构成闭环控制，由转 子的位置决定变频器相应功率管的通断，使得变频器的输出频率和电动机的转速始终保持同 步，即所谓的自控式调速系统。每当电动机转子转过一对磁极，变频器的输出电流正好变化 一个周期，电流和转予始终保持同步，不会出现失步现象变频器是通过调节电动机的输入 电压来进行调速的。由于前者的控制特性类似于直流电动机，又用电子换向代替了后者的机 械换向，取消了电刷，故此得名。无刷直流电动机主要用于计算机部件及外部设备、家用电 器、汽车部件、电动自行车等。一般来说，用于电梯的无刷直流和永磁同步电机控制器都安 装有转子位置检测装置，但也有无刷直流电机采反用电动势束检测位置，即所谓应用无位置 传感技术。 i ) 无刷直流电动机( 或称为方波永磁同步电动机) 调速系统的特点： 无刷直流电动机有效率高、功率因数高，过载能力大，体积小，易维护等优点随着新 型永磁材料的出现，使得同步电动机具有很高的动、静态品质这种系统控制方法非常简单 鼹洼天学疆士学 迁论文 第蠢 缺点是：制造工艺 匕异步电规略荛复杂，最致会鲤劣势是低逮时脉动明显。这榉会造成 电梯低速的舒适感要差。 一 1 1 ) 拳磁露步电菇撬戆特点跫： 1 ) 转矩纹波小，转速平稳，动态响应快速准确，过载能力强同步电动机比异步电动机 砖转矩黪拣囊其有趸强辫承受辘力，薤锨窭跑较浚魏反应。姿要多毫囊撬的受载转矩发生交 化时，要求电机的转差率也跟着变化，即电机的转速发生捆应的变化，但是系统转动部分的 喉经疆礴电税嗡应筠快速缝。弱步毫套撬蜘受裁转矩交纯嚣手，只簧毫琉鼹动煮馥适当交戴， 而转速始终维持在原来的同步速不变，转动部分的惯性不会影响电机对转矩的快遘响应永 磁同步黾动机的最大转簸可以达到额定转矩的3 倍以上，对电视豢统在负载转矩煲忧较大的 墨况下稳定运行非常有利。 2 ) 粥功率因数、高效率。永磁同步电动机与择步电动机相比，不需要无功励檄电流，可 以显著提翥功率魏数，减少定予电流和定予锭耗，薅且农稳定运孝子时没衣转子钢糕，进薅可 以因总损耗降低而减小风扁容量甚至去掉风扇，从而减小甚至省去了相应的风摩损耗这样， 窀终效搴毙弱筑格遮异步电磁撬霹滋提簧2 s 令吾分点。与电糖磁弱步电磅撬糖毙，瘩墩 同步电动机省去了励磁功率，提高了效率。而且，永磁同步电动机在2 5 一1 2 0 额定负载范 嚣瘫麓胃淡霖转较高戆凌搴霹教秘效率，使轻载运 亍薅警缝藏幕燹建显警，在长鬃戆爱用牵 可以大幅度地节省电能。 3 ) 傣积枣、燕量轻。近垫年来醚着嵩幢缝隶磁静辫翡不断盛弼，泰墩颡步毫动辘魏翡搴 密度得到很大提高，比起同容量的异步电动机来，体积和墼量都椒较大的减少，从而使其农 许多特殊场合得到应用。 4 ) 结均多样伲，应用范围广。隶磁两步电动机由于转予结构援其多样，产生了特点和性 能各异的许许多多的品种，从工业到农业，从民用到国防，从日常生活到航空航天，从筒单 电动工篡到高科技产品，几乎无魉不包， 5 ) 可靠性商。与直流电动机和电励磁同步电动机相比，它没有电刷，简化了结构，增加 了可靠犍。 正弦波永磁同步电动机由于其空载气隙磁通密度空间分布接近正弦彤，减少了气隙磁场 戆谱菠分藿，跌褥藏步了密谴浚磁场；l 慈媲各爨鞭琏和谐波转矩淡及蠹谴渡转矩l 起载电镦 搬动，掇高了电机的效率，并且使得电机在运行时转动更加平稳，噪声也得到了降低同时， 津 t 大学硪电学位沦吏蕊章 藏弦波表磁同步电动机可根据多神矢量控制方法寒橡成变颡调速系统，实骢离性能、亵j 蠢度 的传动，在动态响应要求高的场合其应用前景尤其看好。 正弦波枣磁麓步电动撬蕊矢量凌裁与舞步电动援；、电鳓磁离步电动竣，一撵，餐跫一释 蕊于磁场定向的控制策略只是由于前者转子上的永磁体所提供的磁场恒定，加之其结构 秘参数务势，秘旋翡控裁方法毫毽诧毒爨不藏。这整整裁方法生要凌：磊；0 整裁、c o s 炉= l 控制、总磁链恒定控制、最大转矩电流控制、最大输出功率控制、转矩线性控制等。它们 备有各鹤特点，如 ；0 箍镧最为简单，c o s 驴= l 按渤可毅洚低与乏器配魏交颏器容量，短 磁链控制可以增大电动机的最大输出转矩簿。 二冗齿轮曳引的永磁同步电梯用调速系统昀介绍 传统的电携驱动使壤魏多是凌齿趁传动系统，使用毂藏链撬童要是异步电动娥。鑫齿转传 动系统的主要问题是由于采用蜗轮蜗杆或行星齿轮等机械减速机构，不仅造成了系统结构复杂、 维驴王终难度增大、噪声较大鳃缺点，瑟且蠢予囊轮铸磅缝效率缀餐，如疑轮蟋耪戆传参效率 仅为7 0 左右，使整个系统能耗较大，运行成本增加。同时，这种传动方式由于齿轮箱和曳引 视翡依积较大，器要大翡上置式瓿房，不仅揍占了建筑戆瓣有效甏积鼠蔼蹭知了建筑痰本，薅 且影响了建筑物的立面整体美感。 为解凌上述潮题，跌9 0 年代超，电梯行盈肉辫有关金馥就开始了对薪蘩曳i 瓿鞠探索。1 9 9 6 每3 月，芬兰的通力( k o n ej 公司推出了震撼业界的3 0 0 0 m o n o s p a e e 无机房电梯，其核心是 e c o d is c 碟式永磁同步曳引机，从而开创了电梯无齿轮传动的新时代 永磁囿步无齿轮曳；l 机采用扁平、爨式外形，表轴向磁场、经肉磁场内转予，径自磁场玲 转子三种结构，电动机的径向尺寸太，多对极，整一种低速、高转矩的永磁同步电动机这种 照动规辍离足寸缀，重量轻，体织小，结按紧凑，定子绕组具寒良好的散热条馋，丐获褥缀亳 的功率密度。同时，该电动机的转子转动惯量小，机电时问常数小，峰值转矩和堵转转矩离， 转矩曩囊毙夫，抵速运行乎穗，是富饶轰瓣动态没缝。 永磁同步无齿轮曳引电梯的生要特点是： 褫梳结构篱证，实爱7 无祝房传动。该毫翳系统由蘸囊飙；蠹镶带动懿l 轮整| 电臻逶行， 不需要机械减速机构，使得无齿轮曳引机的机械结构变得非常简单，大犬减轻了繁重的日常维 护工作，使系统构可靠校也大为援高。受；i 视夤装在与曳 绳相嗣的平面内，变凝器翊胃以薹 浙江人学硕十。学位论文第璋 于顶层的电梯门内，彻底省去7 机房，降低了建筑成本。 节约能源。一方面，由于没有了减速机构，从而没有了相应的机械损耗，较大地提高了 系统的机械传动效率。另一方面，由于使用了高效的永磁同步电动机，减少了电机损耗，也提 高了系统的总体效率 噪声降低，系统稳定性增强。有齿轮曳引电梯的噪声主要来自齿轮箱产生的机械振动和 高速旋转的电动机本身的振动。无齿轮曳引机没有齿轮箱产生的噪声和机械振动，也消除了它 对电梯整体稳定性所造成的负面影响。同时，电动机以很低的转速( 9 0 18 0 r m i n ) 旋转，其 本身的噪声和振动都比较小，所以整个电梯系统的噪声得到了较大的降低。 高性能价格比。虽然永磁同步电动机的成本比异步电动机高，但是取消了减速机构，简 化了结构，从而降低了机械制造成本。同时由于系统传动效率的提高，驱动电动机的变频器的 容量就大为减小。这样，在获得较高性能的同时，系统的制造成本并没有明显增加。 永磁同步无齿轮曳引技术是当今电梯传动中的先进技术，代表了今后电梯技术发展的一个 方向。同时，它也对电动机、驱动装置、检测装置、控制系统以及整个系统的配套性提出了更 高的要求 电动机。高性能的永磁同步电动机是实现无齿轮曳引的基础系统对电动机的基本要求 主要包括两个方面：一是电动机低速运行的平稳性。由于电动机直接带动曳引轮曳引轿厢运动， 因此在电梯起动和停车过程中，罂隶电动机以1r m i f t 的低速旋转在负载变化的情况下，电动 机转速的任何微小波动都会直接传递到轿厢，使电梯舒适感变坏二是电动机高转矩性能由 于电动机与曳引轮同轴连接，而电引轮的直径受曳引绳直径的限制不可能太小，这样就要求电 动机必须有足够大的转矩输出，并且从零速到额定转速范围内都能输出足够大的转矩才能满足 无齿轮传动的要求。 驱动装置。传统的有齿轮传动系统由于有机械减速机构存在，从而降低了对变频驱动装 置的要求，因为即使变频器的控制存在轻微的不足，也不会对整个电梯系统造成过大的影响。 但是在无齿轮传动系统中，驱动装置在控制上的任何轻微不足都将在轿厢上产生强烈的响应。 因此，系统对驱动装置提出的要求是，除了要有快速的转矩响应特性以确保轿厢运行平稳外， 还要有较高的速度控制精度以保证轿厢平层的准确性，因为同样的速度偏差所引起的平层误差 无齿轮系统是有齿轮系统的十几倍。 控制系统。一般来说，无齿轮传动多应用于高速度、高楼层的电梯，这就对电梯的控制 兰坠兰望! ：竺丝堡兰 笙：兰 系统提出了更高的要求，包括更高的可靠性、完善的控制功能、并联、群控等 第三节本论文主要内容 正如前文所述，永磁同步电机由于其本身的优越性已经引起了人们的关注，随着永磁 同步电机基本理论的成熟和社会对于高性能电机的需要，国内外当前已经形成了一个永磁 同步直流电机的应用高潮，电梯工业伺服控制等都已经或将要选择永磁同步电机作为主 用驱动部件。 本论文共分六章。 第一章 绪论，简要回顾了永磁同步电机的发展，特点和应用、控制理论等方面的发 展概况。讨论了永磁同步电机这一新型电机的特点。 第二章 电梯用p m s m 变频器的系统结构，首先大致介绍了一般永磁同步交频器的硬件 设计思路，讨论了各种框架结构的利弊。然后详细描述了本课题中设计的电梯用永磁同步 变频器的硬件结构。 第三章p m s m 控制策略的选择，本章节介绍了设计永磁同步电机变频器的使用的各种 控制策略，比较了其中的优劣，说明选用课题使用的控制策略的原因。并给出了根据控制 策略设计出来的控制框图。 第四章p m s m 控制的软件实施，本章节介绍了永磁同步电机控制的软件实施方案，它 包括s v p w m 产生，、电机的起动过程具体方案。 第五章实验数据和分析，本章节记录了系统控制的实验结果，最后结合对实验结果 进行了分析。 第六章全文总结，对本沦文的工作做了一个总结，并对下一步应该从事的工作做了 一定的展望。 浙江人颁十? 位论文 第漳 第二章电梯用永磁同步变频器的系统结构 第一节控制系统总体概述“1 由于此项目是一个合作的项目，因此有必要界定一下我们的工作本系统是一个电 梯用永磁同步变频器的系统，因此它包括电机和控制器两个部分其中电机本体已经由钱 庆镳老师和和其学生马晓鹏设计完成。我们的工作只是完成电机变频器但是要具备和电 梯服务控制系统接口的功能。 、首先介绍我们的控制对象三相永磁同步电机的基本参数： 额定电压：3 8 0 v a c ( 三相) 额定电流：2 5 4 a 额定功率：1 5 k w 额定转速：15 0 0r p n | 额定转矩：。9 5 4 9 n m 2 、电机控制系统的设计要求： 永磁同步电机变频器的设计要求和要达到的运行指标：。 启动停止功能 正向反向功能 串行通信命令输入接口 过压、欠压、过流、和过热故障保护 调速范围：1 5 15 0 0 r p m 过载能力：15 0 额定负载，1 分钟 调速精度：0 5 以上 系统效率：大于8 4 3 、和电梯服务控制部分的接口 速度给定信号【模拟信号) 称重给定信号( 模拟信号) 方向给定信号( 数字信号) 洲江人：t 砸十? 他论芟笕一：章 准备就绪信号( 数字信号) 运行信号( 数字信号) 失速信号( 数字信号) 硬件故障信号( 数字信号，永磁同步电机的任何硬件故障都通过这个信号反应出来) 第二节系统硬件的设计”拈h “1 一 根据以上的系统要求，我们就可以从主回路设计、硬件系统的大致构成，到具体硬件 搭建一步步进行考虑。本节也是按照这样的思路在写的。 一、主回路的设计 我们在设计主回路的时候，必须注意到一般变频器的主回路有交一交变频和交一直一 交变频两大结构，但是一般1 生小功率的情况下，不便使用结构复杂的交一交变频结构，因 此我们还是采用了交一直一交结构的变频器。一般说来交一直一交变频器按照电源性质不 同可以分为电压型变频器和电流型变频器两种。 l 、电压型变频器 一种结构就是只使用一个三相不可控整流桥和一个电压型逆变器来组成，而且在主回 路中串联了一个小的电感。这种方式的特点是用一组逆变器同时完成调压和调频的功能， 但是无法把从电机本身的反馈能量回馈到三相电网，能量只能通过并联在母线上的开关管 的开通才能释放。作者现在采用的方法就是这种结构。 还有一种电压型变频器是由一组三相可控整流器和电压型逆变器组成在一般情况下 可控整流器起整流作用，通过逆变器把直流电逆变成三相交流电这种控制可以实现电机 的四象限运行，同时对于减少能量的损耗起着积极的作用。 2 、电流型的变频器 这种变频器具有电流源特性。电流型交一直一交型变频器在直流环节串联一个大容量 的电感，使中间直流电源电源近似为恒流源。由逆变器向负载输出的交流电流为不受负载 性质影响的矩形波。 赫0 袅2 一l ；p 日型和：弘逸登灾一壹一突变壤器静跑较 l ! f e 型变颧器电流烈变频器 壹淀翻菇逮渡骂莽 龟拳毫撬 输出电压波形矩形波决定于负载，对异步电动 梳负栽遥议为正弦波 输出电流波形：定于负栽，功串雕数氲矩形波 较大的谚漩分鼙 输出阻抗 小 犬 调遵动态响应较慢快 对功率管鲍罄隶荚磬时巅一志要缝辩菇要塞，对关夔酵阏没 有蒜求 根据以上的比较，也考飑：训t 的敞j ：，我们使用了变一直一交的变颛结构现在小功 率酶电祝控铡系统多采垌h i o s f e t ，或者呆疆i g b t 缱蕾电力蕺子技术的器薪筒异，越采 越多的产品替驻直接使用带弱动f i 、像护：p 路的i ( ：b t 的智能模块针对我们的系统要求， 设计方案中我们逸用了三菱公i ：豹p m l 0 0 ( s a j2 0 。 在选定了我们敢变烦嚣终l ，；嵌 j 善 - 根据电机控制系统螅娶求考虑我们电路的生 回路的实验方策 譬主￥基瓤臀 浙u ：人学砸i ：t 他论之 ：f 巾 _ 7 - 、系统硬件的规划 根据上面提及的系统要求，我们参照常用的按照硬件功能模块化的思路，作如下规 划： l 、电源和驱动板，它所发现的功能是利用一个开关电源把直流母线电压转换为多路的 系统的工作电源；以及lp m 模块的驱动电路，：还附带包括了电压和电流采样电路 2 、主控电路板，它是一块核心数字处理芯片为主的电路板，它实现了对i o 和模拟采 样信号的再处理功能，和核心的计算功能。还提供了和电梯服务控制系统接口的模拟信号， 来自光电编码器的p g 信号，和显示电路板的接口。 3 、1 0 电路板，它实现7 数字信号接【 电路，其中主要是和电梯服务控制系统接口的 数字信号 4 ，光电编码器的处理电路对来自光电编码器的信号进行整形和倍频处理，判向处理 本方案设计的变频器分为主回路和控瓤电路两个部分，在以下的说职中只介绍控制电 路的硬件框架结构 控制电路分为三个电路板，一块是主控板，第二块是电源和驱动扳，第三块是键盘输 入和显示板，第四块是输入，输出电路板【i o 板) 。框图如。f ： 浙江大学硕士学位论文 第二章 图2 2 控制电路硬件框图 三、系统硬件的搭建 1 、核心处理芯片的选择 一 从以上对系统硬件的规划可以看到其中首先是要选取一个功能强大的数字信号处理器 件能够从容不迫地处理发送控制信号的繁忙的数字计算( 由于是矢量控制运算因此计算量 比较大，矢量控制计算要求能够至少小于1o o us ) ，希望有足够的程序空间来放用户的程序， 希望有足够的1 0 口资源实现接口( 可以不需要对外扩展i o 资源) ，有足够的 d ( 要超过6 个) 转换接1 3 ，和足够快的转换速度( 为了提高响应时间，我们希望能够在8 k 甚至更高的载 波频率下实现多于6 路的a d 采样采样，这意味着a d 采样时间应该约为十几微妙) 而这些 需求是一般的微处理器( 如8 0 19 6 ，8 9 5 1 等) 无法满足的，因此我们选取了能够胜任这些工 作的d s p ( 数字信号处理器) 。在诸多的d s p 当中，其中很适合于电机控制的有t i 公司生产 的t m s 3 2 0 f 2 4 0 它本身就是为电机和电源等控制度身定制的下面简单介绍一下t i 公司 的这款d s p 的功能。 数字信号处理技术是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、 滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式数字信号处理 是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的数字信号处理在理论 上的发展推动了数字信号处理应用的发展。反过来，数字信号处理的应用又促进了数字信 号处理理论的提高。而数字信号处理的实现则是理论和应用之间的桥梁由于d s p 有运算 速度快，集成度高，性能稳定，内部资源丰富等优点，因此d s p 在通信、语音、图像、雷 达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用以t m s 3 2 0 f 2 4 0 为 例，它的运算速度是2 0 m i p s ，一次a d 采样时间为7 2 us ，它包含了三个通用定时器，每个通 用定时器都具有时间段的定时功能，还具有与预定的时间进行比较并产生各种事务的功能， 可以很方便的实现p w m 输出，有专门用于正交编码信号处理的电路。这使得测量速度和测 量电机的转子位置更为容易：包含w d 定时器，用来在程序意外飞掉后进行复位：包含了 1 2 个a d 转换通道，可以允许同时启动两个a d 转换；有12 路p w m 的输出，其中6 路的p w m 输出是可以通过编程，很容易实现空间矢量p w m ，并且考虑了死区时间；它还包含多个外 部中断的端口专用电路。基于以上这么多硬件资源，它可以非常好的实现电机控制的一般 要求。 型坐兰型型业主一 一篓! - j j 针刊电机柠制这个额琏专门设计的t , t $ 3 2 0 f 2 4 x 蓉鲥产品有f 2 4 0 。2 4 1 2 4 2 ，2 4 3 等等，它们的性能鍪彳：棺吲、在嘏多方面蔷肯盹敞点比如2 4 2 , 和2 4 0 此鞍前音有更 快的 d 转捷迹辰和更低艘曲价格i 口是它内部的资源和靖r t 散蕈托不如后者趟此在漾题 衰拖上蔓根据具体情况分祈 由- t 我f 3 砖婴使用的赉潆要求叱鞍多特别是端 1 个披， n 转换端口个敬电较_ 事，田北蒋墨镜刷t s 3 2 0 f 2 4 0 2 h ；信号的丧l = 理 从犀理图中i j “看利，码盛信号的处理酋荇= 是经过了万型滤波电路后再进行光耦踽 离处理光耦采用了商建光耦t l p 55 9 ，这种光耦的频率响应在几百k h z 困此对于我们额 定工作耐强洲z 的辍率t 巾帆督l 定运行挺率为2 5 转，秒，玛蠡是1 5 0 0 线) 的要求是竞全能够 满足的。使用光揭的一个恩鲴是篓现了光电磷码攀电上和投字信弓电压的转换。 倒2 3孵盘信号万型照渡和光辐隔离图 光辐出米鲍信号疑近4 0 1 0 6 的挚彤处i 哩舌，托婕理成7 一个脉冲沿掖理想的信号，坦 是由干季恿到电机运行时时缔嗣等澉西i 成蚺码盎腓：砷信号越后沿抖动的情况，因此错耍 作一个消毒 处理，下面簋一个角1 1 f _ | 最可垂缸废擘铯恋艇发器的和d 型| 吐发嚣设计的消抖处 理硬件愿哩是珂虫触囊肇媳奄魁发暴可l l 通过调节外加的l 电醒和i p = i 筝来调节触发脉冲垃 册与输出l s 号边界之阃眩适时终扁手i 用埏日十芾的迫m 泉作为时 申信号采读取真衰曲信号。 连可幔从硬件滓抖电路c i 町h j t 缝地香纠连一点 珊i i i 凡p 傩i ： 。p l 幸= 史 茶巾 码盘处理还包含了判向的艺路遮可以埔过的简单的n 型触发电鞠d 2 f l 出来。丽倍颇 信号就是由鸽盎的两个正交信号昀异成电路来描琏曲这里就不详细介绍了 圈2 4硬件清除抖硝博理网 3 一些功能的实现如过渡。过压ip 1 1 谴热坟陋的处堙 t 1 ) 通浇信弓鲍虬理 我们为了囊冠过滤奴陴眩谭护从硬件和软件m 了成重处理。首先是硬件上的处埋， 当举j f 昀电漉信号塌融j f 襁或曲面司元件) 超过i 附的最i 两照的8 0 x 时就奢有一个有中断 信号送到d s p 的川1 引腩，i ll ：产生一个不可以羼酸的巾断，当d s p 接刘这个中叠i i 后，q 以3 0 0 n s 之内封键遗缚p 生中断值得程序停止鞋避i ，州并发出过搋报警指示同时在 硬件上这样最重了惮护f 功率嚣什伽t p 机。 1 2 j 过e 信号的处理 同土上流信哥娄似当母投e ：臣蛔采柯1 吉号和i 上承比较趄准值剥应电压内7 0 0 v ) 比较后 妇果越过基班值后蕊蠢产：一个q 瓤1 言号莲引d s p 外部q 折口，迅速产生q t 蠹i 使蹲程 序箨止发送p 删芹整止j ：洱| r 警指乖问时口硬件上 l 芋双熏7 保护t 功雩器件和主回 路、 3j i 附的敞障榜测 浙江大学硕士学位论文 第二章 i p m 的故障的处理把利用来自i p m 内部的故障信号检测电路的处理结果把它的信号 经过光耦隔离，作为一个中断信号送到d s p 的p d p i n t 引脚由于d s p 本身在p d p i n t 发生 时就会把其硬件的p w m 的所有口全变成高阻态，从硬件上封锁p w m 波的发送 ( 4 ) 过热故障的处理 过热故障和其它故障的处理不同，由于它不需要特别的响应，因此就没必要采 用中断方式进行故障处理。我们只需要每4 m s 查询因此温度信息，来决定是否封锁p w m 波 或者只是输出报警信号。 浙江人学硕十学位论文第三章 第三章p m s m 控制策略的选择 第一节永磁同步电机控制策略的一般分析“。1 m 1 上一章介绍了永磁同步电机控制系统的硬件设计，这一章将就电机的控制策略进行分 析 同步电机调速系统分为他控式逆变器和自控逆变器供电两种方式他控式逆变器供电 的变频器调速系统中变频电源多采用电压源逆变器，其结构形式和异步电机的变频电源相 似，是一个频率独立调节的电源。其输出频率完全由频率调节系统决定通过改变逆交器 的输出频率，对同步电动机进行调速。这种控制系统调速精度很高，可以达到万分之几的 精度，但是容易出现失步的现象。而自控式逆变器的输出频率不是独立调节的，直接受同 步电动机的自身控制在自控式逆变器中是通过调节电机的输入电压调速的自控式控制 器的自身特点决定了它不会出现挟步现象的优点，这对于电梯电机的控制至关重要；而对 速度的控制精度要求不高，只要求达到千分之五的精度故本论文采用了自控式的控制方 法 正弦波永磁同步电动机的矢量控制与异步电动机、电励磁同步电动机一样，都是一种 基于磁场定向的控制策略，只是前者转子永磁体所提供的磁场恒定，加之其结构和参数各 异，故控制方法和其他电机也有所不同同步电动机按照磁链定向控制的方法分类可以分 为四种控制方案：转子磁链定向控制，定子磁链定向控制，气隙磁链定向控制，和阻尼磁 链定向控制。按照控制目标可以分为：l t = 0 控制、c o s 妒= 1 控制、总磁链恒定控制、最大 转矩电流控制、最大输出功率控制转矩线性控制、直接转矩控制等它们各有各的特点： ，d - 0 控制最为简单，c o s 妒= i 控制可以降低与之匹配的变频器容量，恒磁链控制可以增大 电动机的最大输出转矩等。 下面讨论一下各种控制策略的原理。先分析各种磁链定向方式的优劣 永磁同步电动机中由于转子有励磁，空载时转子磁场轴线的位置是明确的，在自控式 变频调速系统中，转子位置检测器的输出信号能明确指出转子的位置，这对同步电动机进 行磁场转子定向控制十分有利。在电机带上负载以后，由于电枢反应的影响，气隙合成磁 场的轴线不再和磁极轴线相重合，而是转过一个功角实际同步电动机的矢量控制中多采 浙江夫学硕十学位论文蒴二帮 用瑷下两种磁场定淘方法。一种是以转子磁撅轴线定向，设法接翩电橙电流，便它始终为 交轴电流，则电机瞬时转矩就与直轴磁场和交轴电流的零积成正 匕若傈u 持永磁同步电机 直轴磁链不变，邵保持直轴电流为0 ，刚电磁转矩就严格和电椴电流的瞬时值成正比。这 是一种麓单而严格的矢餐控制方法。但是这种情况下的阈步电动机反电动势在电抠反应的 影响下有相当穴的变化，而且电机的功率因数也不等于1 ，电机力能指标不够理想此方 素只鸯交轴电嘏反应，没有直耱蜜磁作用，这可蠢效皱防止永磁圈步电动规的拳磁体去嫩 而导致电机性能的变化。所以演方法多用于小功率自控式永磁同步电动机的控制 对于意秘磁绕缀戆弱步电枧蠢言，落希錾蟪毫莲不遮受载交耗，或凌枣霾数搂遥l ， 通常选气隙磁链作为磁场定向的依据。即把气隙磁链选为m ，t 坐标系参考轴m 的方向，t 轴魏方尚在空瓣超前m 轴9 0 交。该磁链定向稳方法下，把毫褪茂流f 分耱尧袭璐电流分薰 i 。和转矩电流分量i ，。营控割磁化电流i 。使有效总磁通保持不变，则同步电动机的端电压 就不会变化；搿且薪产生转矩蠹接和电枢电流串酌转楚分量i ，戚正比劳转子赫磁电流f ， 控制得巍，使峨枢电流的磁化分量等于0 ，电枢电流中只有有功分量与磁通垂直，则电机 的功率因数将接近于1 ，从而使电机其有较好的力能指标。由予转予磁链和转嫩电流分羹 耀互垂蠹，调节中互不干扰，盔阙步速下旋转鲍m t 坐标系中它们叉都是寰流量，因此可以 像和直流电机一样灵活的进行转矩的控制和调整。永磁同步电机和有励磁绕组的同步电机 不一饕，蓑孝悉法在电掇不嗣受载下仍然保拷气陡磁链为恒佳，嚣毙遵掌不按这辨控裁策 略进行控制。 下覆箕傣分析磁链定盘方式爵翼髂麓控割方案i ，= 0 ，c o s f a 。l 。菇绛麓在一辩获辣麓 转矩直接控制的方案被越来越多的使用，因此也在这里提出来做一个简单的介绍和比较。 浙江人学f l ! ； 采样信号的处川i 及一l 标系统的变换( 包括h r k 、c l a r k 变换) 、速度和 电流双闭朔：的州1 ，、逆变器驱动信号的形成。 3 1 一同步电机的矢量控制方法的选择 永磁l 司步u 机途吖i 同，电机 e l 流矢嚣 f 内控制方法也各不相同。可 采用的控制力 2 ：1 篮仃：id = 0 控制、c 0 8 妒2 1 控制、恒磁链控制、最大 转矩电流控制、弱磁控制、最大输出功率控制等。不同的电流控制方法 具有不同的优缺，i ，如i d = o 最为简单，。0 8 妒2 1 可降低与之匹配的逆变 器的容量，恒磁链控制可增大电动机的最人输出转矩等。出于本文设计 的变频器是j i j 化拖：u 梯用的“l 5 k w 永磁州步电机”中，从控制的角度 讲，jd = 0 的控制力式最为简便，所以本文采用的是i d = 0 的控制方式， 从式( 2 一j ) 小我们知道电磁转矩： 死= p 甲i ， ( 3 1 ) 所以只要控制7 t 吲c 可控制电磁$ 矩，从j f | 可以方便的控制同步电机的 转速。 3 1 3 闭环控制方法的选择”l 如图3 l i t l 7 i 永，本项目采用的是转述、电流双闭坏的p i 调节。在 转速外闭环的j ( 卜j 怿加电流的内闭坏r _ 以有效的防止电机在运行中出 现过流。 数字p 蚓“m 乍产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在冶会、 机械、化二l ：等彳r 、| l 获得广泛应用。数字p | 控制算法通常又分为位胃式 p i 控制算法删增：j ：控制算法，f 醴多资料都有介绍( 见参考文献1 ) ， 本论文卅i n 弧逑。，增；i ：控制算法仃如下优点： a 由j ：洲 1 , ) l4 d j t l ；增量，所以误动作川影月向小，必要时可用逻辑判 断的。法上押 i ，丁z 巩7 17 、0 l j j 倾时冲击小，f 虹j i 实脱尤扰动切换。此外，当计算 机发，卜故障l i 1 ，j ：输i i 通道或执 i 装鬣j i 有信号的锁存作用，姑能仍 然保持原位。 仉增戢 ，跏| 比f i 其不足之处：积分披断效应大，有静态误差；溢 出的影响人。小爻化选择时考虑到系统的j 谨性选择了增量式p i 控制算 法。 塑兰查兰型堡堕 一 塑三兰 ! = l f ，。叫( 3 - 1 ) nf q 。0 4 7 为转子磁钢在定子上的耦合磁链 乙，。为直、交轴主电感 定子电压方程如下： 5 。t ，5 + 上l o i , ，、一口妒q 。 ( 3 2 ) “q = ，、q + l , i p i v + 阿。， - t 转矩方程如f ： 7 ：，= 1 9 m ( 一。一。、。，、) = p 。 i , i + ( 乙一三。) 0 1 5 】 ( 3 3 ) 从上式可以看出，永磁同步电机的电磁转矩基本上决定于定子交轴电流分量和转子磁 链在永磁同步电机中，由于转子磁链恒定不变，故几乎都采用转子磁链定向方式来控制 永磁同步电机 在基速以下恒转矩运行，采用i 。，= 0 的控制策略，也就是所有的定予电流都作为电流转 矩分量，此时的电压方程可以改为： 2 观q ” ( 3 4 ) “q 5 = _ f 。+ q p i 。+ 酊、 此时电磁转矩方程可以改为： 乃= p 。妒， ( 3 5 ) 由上述推导公式可以看到，同步电动机转子磁链定向控制时，转矩只和转予磁链矽，及 定子电流的转矩分量i ，、( i 。、) 成正比，且和f ，相互解祸彼此独立，只要很好地控制转 予励磁电流f 。，。，保持转子磁链p 幅值恒定，则电磁转矩l 只受定子电流的转矩分量f 。5 控 制，这样同步电动机的矢量变频调速就和直流他励电动机的调压调速具有完全相同的品质 2 ，转子磁链定向i 。，= 0 控制方案的特点 从上述公式可以看出，只要在同步电动机的整个运行过程中，保证屯= 0 ，那么电磁 浙江夫学硕士学位论文第三誊 转矩鬟与定予电流静幅值i 、残正跑。转予磁链怒寅对，苯矮i 。= 0 控裁，共有以下辱誓赢： ( 1 ) 出于d 轴定子电流分量为0 ，d 轴阻尼绕组与励磁绕组是一对简单耦合的线圈，与定 子电流无相互作用，