[發明專利]變頻調速控制器

有效

• 申請號: 201110338555.3
• 申請日: 2011-11-01
• 公開（公告）號: CN102510262A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 包金明;孫家明;冒建亮;李新德
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02P21/12
• 分類號: H02P21/12
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明涉及變頻調速控制領域，具體涉及到一種變頻調速控制器。

背景技術

恒壓頻比(VVVF)控制的基本思想是在基頻(一般為額定頻率)以下時通過始終保持電動機的電壓和頻率之比為恒定的數值，以此來保證轉子磁通恒定。這樣做的原因是如果磁通太弱則不能充分利用電機的鐵心，是一種浪費；若要增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。而在基頻以上時，頻率可以一直往上增高，但電壓卻不能增加得比額定電壓還大，因而通過減弱磁通來提高頻率，相當于直流電機弱磁升速的情況。VVVF控制是一種開環的控制方式，是通過對逆變器輸出進行電壓、頻率的協調控制來實現電機速度調節。由于是速度開環的控制，調節精度和動態響應特性均不是很理想，尤其是在低速運行時，由于定子電阻壓降不容忽視，須進行適當的電壓補償。

電力電子變壓變頻器在硬件上一般包括整流電路和三相逆變橋電路，這是交-直-交的變頻方式，即先將交流電變為直流，再將直流逆變為頻率幅值可調的三相交流源。整流電路比較簡單，使用晶閘管整流橋電路即可實現，困難的在于逆變電路的控制。三相逆變橋是由6個開關管構成，當前應用廣泛的是絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)和金屬半場效應晶體管(MOSFET)。這6個開關組成3組橋臂，同一個橋臂的上下兩個開關管不能同時導通。因此，逆變電路共有8種開關狀態。一般用“1”表示上橋臂導通，下橋臂截止的狀態；“0”表示上橋臂截止，下橋臂導通的狀態。在空間矢量的研究中，三個橋臂的狀態組合起來，得到8種開關狀態，包括6個非零矢量?U₁(001)、U₂(010)、U₃(011)、U₄(100)、U₅(101)、U₆(110)，以及2個零矢量U₀(000)、U₇(111)。上述6個非零矢量將空間360°的平面分成6個扇區，每個扇區60°，任何空間電壓矢量都可以由這6個基本電壓矢量合成。為了減小開關管打開和關斷的次數，降低功耗，一般根據扇區選擇該扇區邊界上的兩個基本電壓矢量來合成所需空間電壓矢量。

?SVPWM(空間矢量脈寬調制)的思想是把逆變器和電機看成一體，作為執行機構，著重在于如何產生恒定的圓形磁場。由于交流電動機需要輸入三相正弦電流的最終目的是在電動機控制下形成圓形旋轉磁場，從而產生恒定的電磁轉矩。

三相逆變橋實現SVPWM調制的方法是按照一定的頻率和順序依次導通和關斷。為了方便地表示每種開關狀態，一般采用一個三維的空間矢量來代表三個橋臂在某一時刻的狀態。就是上文所述的8種開關狀態。這八種狀態按照一定的規則進行組合就可以得到想要的空間旋轉的電壓矢量，SVPWM調制方法就是這個規則。

目前國內的交流電機控制領域一般均由微處理器(MCU和DSP)或專用控制芯片(ASIC)承擔。德州儀器(TI)公司的C2000系列DSP在交流電機控制方面的出色性能也受到了設計者們的青睞。但是，DSP本身存在固有的缺陷，它的串行時序的運算方式在中低速變頻領域性能很好，但在高速環境下卻很容易出現時序問題，導致程序失控。

自從1985年Xilinx(賽林思)公司推出第一款FPGA(現場可編程門陣列)以來，FPGA以其速度快、靈活性高、設計周期短和功能強等顯著優勢在電子行業中得到了廣泛的應用。近年來，FPGA技術逐漸開始應用于交流變頻調速系統中，例如，美國斯坦福大學的研究者利用Xilinx公司的XC4010和TI公司的TMS320C14實現了控制回路，取得了很好的實驗結果。然而，當前大多數情況下FPGA仍然需要DSP等其他微控制器的輔助，沒有獨立實現變頻調速的功能，這也使控制的穩定性受到影響，成本也很高。

DDS(直接數字合成)的概念在1971年由J.Tierney(J.蒂爾尼)和C.M.Tader(C.M.泰德)等人在“A?Digital?Frequency?Synthesizer?”(數字頻率合成器)一文中首次提出。它從“相位”的概念出發進行頻率合成，這種方法不僅可以產生不同頻率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位。相位累加器是DDS系統的核心，它由一個加法器和一個相位存儲器組成，相位存儲器根據時鐘信號以一定的步長增加，它的輸出與相位控制字相加后輸入到正弦波查詢表地址上，調用對應的數值。正弦波查詢表包含一個周期正弦波的數字幅度信息，每一個地址對應了正弦波中0-360°范圍內的一個相位點。通過改變尋址的步長來改變輸出信號的頻率。

發明內容