1 引　言

變頻調(diào)速技術(shù)是提高傳動系統(tǒng)控制性能、實現(xiàn)節(jié)能的重要途徑［1，2］。目前國內(nèi)數(shù)控機床主軸伺服系統(tǒng)主要采用直流伺服系統(tǒng)，而部分采用交流調(diào)速的主軸伺服系統(tǒng)則全部依賴進口，價格昂貴，其它異步機交流傳動系統(tǒng)絕大多數(shù)也采用進口變頻器，這不但使國家損失大量外匯，而且嚴重制約了我國電力電子領(lǐng)域高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的形成和發(fā)展。國內(nèi)對變頻調(diào)速技術(shù)的研究較多，但形成產(chǎn)品并推廣應(yīng)用的較少。一般的變頻器大多采用v/f控制，存在著控制精度低、動態(tài)性能差、故障率高、控制功能少等缺點，尤其不適用于諸如數(shù)控機床主軸伺服等要求高精度、快響應(yīng)的傳動機械。

本文設(shè)計了一類由igbt、mcs96系列cpu芯片支持的全數(shù)字轉(zhuǎn)差式矢量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有精度高，調(diào)速范圍寬，動態(tài)響應(yīng)快，節(jié)能效果顯著，可靠性高，諧波電流小，對電網(wǎng)污染小，安全可靠，保護功能齊全等顯著優(yōu)點，不僅使用于數(shù)控機床主軸伺服傳動，而且還可廣泛用于普通機床、風機、水泵及其它傳動機械的速度控制。

2 控制策略

矢量變換控制是在電機統(tǒng)一理論、機電能量轉(zhuǎn)換和坐標變換理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有先進性、新穎性和實用性的特點。矢量控制是把交流電機模擬成直流電機來控制，通過坐標變換的方法把交流電機定子電流矢量分解成按轉(zhuǎn)子磁場定向的兩個直流分量，并對這兩個分量進行控制。矢量控制所依據(jù)的異步機數(shù)學(xué)模型是按轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電動機電壓方程［3］：

依此可推導(dǎo)出如下矢量控制基本方程為

m、t坐標以同步角速度ωs旋轉(zhuǎn)，m軸與轉(zhuǎn)子磁通ψr重合，θm為轉(zhuǎn)子磁通定向角，隨時間變化，即

定子三相電流ia、ib和ic經(jīng)過坐標變換，得到同步旋轉(zhuǎn)m、t坐標的兩個電流分量im和it,它們之間的變換關(guān)系為

根據(jù)上述原理，得到矢量控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

圖中逆變器采用電流跟蹤型pwm逆變器，勵磁給定φ*r由ωr/φr函數(shù)發(fā)生器獲得，轉(zhuǎn)矩給定t*m由速度調(diào)節(jié)器st給出。矢量控制器根據(jù)φ*r和t*m算出勵磁電流給定i*t和轉(zhuǎn)差角頻率給定ω*f。ω*f與電動機轉(zhuǎn)速ωr相加得到定子角速度ωs，再經(jīng)積分，即得轉(zhuǎn)子磁通的相位信號θm。

三相電流ia、ib和ic經(jīng)矢量轉(zhuǎn)換器得到磁場定向電流分量im和it。im和it分別與i*m，i*t比較，其偏差δim、δit通過三級磁滯控制器輸出dm、dt。dm、dt和θm形成一個數(shù)據(jù)字，該數(shù)據(jù)字通過開關(guān)控制表選擇相應(yīng)的電壓矢量，同時產(chǎn)生一組開關(guān)脈沖sa，sb，sc，這樣就能及時而準確地控制逆變器，以獲得優(yōu)良的調(diào)速性能。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該變頻器采用交直交電壓型結(jié)構(gòu)和spwm磁通矢量控制方式，主回路主要由整流電路、濾波器及逆變電路等組成。其逆變電路則由igbt模塊組成，控制部分以80c196雙cpu為核心，構(gòu)成功能齊全的全數(shù)字化轉(zhuǎn)差矢量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用通用性模塊化結(jié)構(gòu)，全部硬件如下：

系統(tǒng)硬件框圖如下：

cpu1#主要完成轉(zhuǎn)速環(huán)的工作，完成轉(zhuǎn)速檢測、轉(zhuǎn)速給定的a/d采樣、鍵盤輸入、參數(shù)修改、狀態(tài)顯示、保護功能及故障自診斷等功能。cpu1#最重要的任務(wù)是完成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)器的數(shù)字實現(xiàn)，向cpu2#提供指令信號i*m、i*t、ω*f。

cpu2#主要完成電流環(huán)的工作，通過12位a/d獲取三相電流和電壓信號值，而后從共享ram中得到cpu1#提供的指令值及其它重要的系統(tǒng)參數(shù)。根據(jù)矢量變換原理進行矢量變換運算，組成轉(zhuǎn)矩角生成器、轉(zhuǎn)子磁通位置合成器、mt/abc旋轉(zhuǎn)變換器、電壓矢量優(yōu)化器、零矢量作用時間決定器及電流滯環(huán)比較器等環(huán)節(jié)，完成矢量控制的主要工作。輸出的控制電壓矢量進入8255組成的互鎖驅(qū)動信號電路，通過光電耦合器進入igbt基極驅(qū)動電路。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在本雙機系統(tǒng)中，cpu1#主要完成轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)工作，同時給cpu2#提供pwm資源，cpu2#則主要完成電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)工作，兩者共享8155內(nèi)部ram的資源。系統(tǒng)實時性要求較強，鑒于此，系統(tǒng)軟件用匯編語言中的原碼無符號數(shù)進行運算，以模塊化方式如下編制：

由于本系統(tǒng)是通過控制定子電流的瞬時位置和幅值大小來控制電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的，所以電流跟隨特性是實現(xiàn)該方案的關(guān)鍵。通過采用先進的cpu2#芯片，改進程序設(shè)計，極大地提高了系統(tǒng)的運算速度。

這里采用的是三電流滯環(huán)比較方案，即利用cpu2#得到三相電流給定值，由三路霍爾元件直接測量三相實際電流的大小，兩者作為電流滯環(huán)比較器的輸入進行比較，得到各相輸出電壓矢量控制信號。另外，它還可以預(yù)防由于a/d環(huán)節(jié)采樣來的實際電流值的不確定性而造成的系統(tǒng)運算誤差甚至錯誤。每路輸出信號控制一相橋臂晶體管的開通與關(guān)斷，使每相的電流偏差變化能夠控制在滯環(huán)寬度以內(nèi)。滯環(huán)寬度越小，開關(guān)頻率也將越高，相電流也越接近正弦波。但是頻率的大小還受限于開關(guān)元件的開關(guān)頻率極限能力。為了盡量降低元件的開關(guān)頻率，本方案優(yōu)化了輸出的電壓矢量，靈活地插入了零電壓矢量，實際運行中可看出，它有效地降低了電機運行中的高次諧波