矢量變頻器

矢量變頻器技術是基於DQ軸理論而產生的，它的基本思路是把電機的電流分解為D軸電流和Q軸電流，其中D軸電流是勵磁電流，Q軸電流是力矩電流，這樣就可以把交流電機的勵磁電流和力矩電流分開控制，使得交流電機具有和直流電機相似的控制特性，是為交流電機設計的一種理想的控制理論，大大提高了交流電機的控制特性。不過目前這種控制理論已經不僅僅應用在交流非同步電動機上了，直流變頻電動機（BLDC,也就是永磁同步電動機）也大量使用該控制理論。

矢量與向量是數學上矢量（向量）分析的一種方法或概念，兩者是同一概念，只是叫法不同，簡單的定義是指既具有大小又具有方向的量。

矢量是我們（大陸）的說法，向量的說法一般是港台地區的文獻使用的。意義和“布希”和“布希”的意思大致一樣。矢量控制主要是一種電機模型解耦的概念。

在電氣領域主要用於分析交流電量，如電機分析等，在變頻器中的應用即基於電機分析的理論進行變頻控制的，稱為矢量控制型變頻器，實現的方法不是唯一的，但數學模型基本一致。

交流電機矢量控制理論是德國學者KHass和FBlaschke建立起來的，作為交流非同步電機控制的一種方式，矢量控制技術已成為高性能變頻調速系統的首選方案。

交流電機的矢量控制技術是基於交流電機的動態模型，通過建立交流電機的空間矢量圖，採用磁場定向的方法將定子電流分解為與磁場方向一致的勵磁分量和與磁場方向正交的轉矩分量，並分別對磁通和力矩進行控制，而使非同步電機可以像他勵直流電機一樣控制。隨著計算機技術飛速發展，功能強大的數字信號處理器（DSP）的廣泛應用使得矢量控制逐漸走向了實用化。

DSP按數據格式可分為定點DSP和浮點DSP兩類。考慮到價格原因，早期的矢量控制器多採用定點DSP，而浮點數運算要經過軟體處理，因此增加了軟體的複雜性。隨著浮點DSP性價比的提高，更多的矢量控制器將採用浮點DSP。而要完成電機的高性能控制，PWM調製必須進行優化設計。

在這種情況下，一個DSP很難完成矢量控制器和優化的PWM調製兩項工作，需要雙機協同工作才能完成高性能的矢量控制系統。本文基於TI公司的浮點DSP晶元TMS320VC33和TMS320F240設計了雙微機結構的矢量控制系統。TMS320VC33主要完成矢量控制計算，發揮它浮點數運算快的特點，而TMS320F240用硬體實現PWM調製功能。本文給出一全數字化的雙DSP矢量控制系統，並在1．5kW籠型非同步電機上進行了實驗，取得了良好效果。

矢量控制技術通過坐標變換，將三相系統等效變換為M－T兩相系統，將交流電機定子電流矢量分解成兩個直流分量（即磁通分量和轉矩分量），從而達到分別控制交流電動機的磁通和轉矩的目的，因而可獲得與直流調速系統同樣好的控制效果。

矢量控制系統採用雙閉環控制系統。

本系統中由測量所得的電機轉速，通過矢量運算器產生磁場定向定子電流分量給定值和滑差角頻度給定值和測量所得的電機轉速經過積分運算可得轉子磁通位置角θ，並送至旋轉變換環節。由測得的電流經矢量變換得到轉矩電流分量iM和勵磁電流分量iT。

基於雙DSP矢量控制的三相籠型非同步電機驅動系統的變頻器採用交直交電壓型結構和SVPWM脈寬調製方式。系統由三相整流器、濾波電容、電壓型逆變器、逆變器驅動電路、三相籠型非同步電機和雙DSP控制系統構成。

其中雙DSP控制系統由VC33子系統，F240子系統和數據交換單元三部分構成。矢量控制以VC33晶元為核心，用來完成矢量控制核心演演算法，及兩相電流檢測。F240主要完成三相PWM波形生成，電機測速及過壓保護功能。數據交換部分採用雙埠RAM，可使兩個DSP晶元迅速、方便地交換數據，增強了雙DSP系統的并行處理能力。

系統軟體由兩部分組成，VC33子系統矢量控制軟體和F240子系統的SVPWM控制軟體。

矢量控制包含大量的數學運算，整個演演算法由多個模塊構成，如坐標變換、磁通計算、速度調節及轉矩電流調節模塊等。本系統中電流內環的控制時間為50μs，速度外環為400μs。

F240子系統控制軟體主要完成SVPWM波形生成和電機測速程序，為達到良好的控制效果，本系統採用電壓空間矢量，也就是利用六個非零電壓矢量和兩個零矢量的組合起來，使電壓矢量盡量逼近圓周運動。轉速測量用該晶元的脈衝捕獲單元。

本文針對上述的控制方案進行了實驗研究。電機為2對極三相籠型非同步電機，直流側電源是通過整流橋對三相交流電整流、濾波產生的。電機額定參數為：PN=1．5kW；UN=220V；IN=3．55A；fN=50Hz；nN=1400r/min。圖5是電機穩態運行時，逆變器的驅動波形，定子電流、電壓的波形，實驗結果表明了控制方案的優良性能。

由上述結果可得出以下結論：

（1）本文所設計的雙DSP結構矢量控制系統中各子系統分工明確，能可靠完成各自功能，且設計合理。

（2）實驗表明，系統控制精度高、實時性好、動態響應快。

在不對扶梯的正常使用產生任何負面影響的前提下，引入矢量變頻調速的概念。即變頻器根據感測器產生的信號，在有人乘坐時，扶梯以原有速度運行(50Hz)；當無人時，扶梯減速到低速或停止運行。

系統要求變頻器啟動運行平穩，加速性能好，啟動轉矩大，過載能力強，同時應具備當變頻器調速系統出現故障時，控制系統自動切換到工頻運行，保障扶梯輸送功能的正常實施。

對於客用自動扶梯，一般使用高峰期出現在下午及晚間時段，其餘時段使用率較低，具有相當節能空間。根據以上改造原則，從投資成本及自動化水平兩方面考慮，擬使用以下變頻拖動方案：

採用SAJ-8000G變頻器驅動電梯主機，變頻器採用多段速控制模式，並設置主頻率(低速)、多段速頻率1(高速)兩種運行頻率；

在電梯首尾處各安裝一支紅外感測器開關，乘客通過電梯時，紅外感測器開關被觸發併發出開關信號給變頻器；

有客流時，紅外感測開關被觸發，變頻器立即加速到多段速頻率2，並使電梯高速運行；

電梯高速運行時，變頻器內置計時器開始計時，若在計時的時間段內再無乘客通過電梯，計時結束后變頻器將自動切換到多段速頻率1，進行低速運行；

若在計時器計時期間，有乘客重新觸發光電開關，計時器將重新計時；

對電梯上行和下行，外圍控制採用開關互鎖，保證扶梯系統的正常工作；

為消耗下行，或者制動過程產生的多餘能量，需在變頻器上加裝制動電阻。

採用三晶矢量通用型變頻器驅動電梯主機，不但能夠滿足系統啟動運行平穩、啟動轉矩大、過載能力強、轉速調節精度高的要求；而且電機通過變頻拖動，可減少機械磨損，延長使用壽命，工作更加安全可靠，因為調節電機轉速空間大，使得系統節能效果更為顯著。

SAJS350高性能矢量變頻器

S350系列是新一代高性能矢量變頻器，有如下特點：

■採用最新高速電機控制專用晶元DSP，確保矢量控制快速響應；

■硬體電路模塊化設計，確保電路穩定高效運行；

■外觀設計結合歐洲汽車設計理念，線條流暢，外形美觀；

■結構採用獨立風道設計，風扇可自由拆卸，散熱性好；

■無PG矢量控制、有PG矢量控制、轉矩控制、V/F控制均可選擇；

■強大的輸入輸出多功能可編程端子，調速脈衝輸入，兩路模擬量輸出；

■獨特的“挖土機”自適應控制特性，對運行期間電機轉矩上限自動限制，有效抑制過流頻繁跳閘；

■寬電壓輸入，輸出電壓自動穩壓（AVR），瞬間掉電不停機，適應能力更強；

■內置先進的PID演演算法，響應快、適應性強、調試簡單；16段速控制，簡易PLC實現定時、定速、定向等多功能邏輯控制，多種靈活的控制方式以滿足各種不同複雜工況要求；

■內置國際標準的MODBUSRTUASCII通訊協議，用戶可通過PC/PLC控制上位機等實現變頻器485通訊組網集中控制。