Acerca del vector q
Se diseña un sistema de control de vector de deslizamiento totalmente digital soportado por chips de CPU de la serie IGBT y MCS96. El sistema tiene importantes ventajas como alta precisión, amplio rango de velocidades, rápida respuesta dinámica, importante efecto de ahorro de energía, alta confiabilidad, pequeña corriente armónica, pequeña contaminación de la red eléctrica, seguridad y confiabilidad, y funciones de protección completas. No solo se utiliza para el servoaccionamiento del husillo de máquinas herramienta CNC, sino que también se usa ampliamente para el control de velocidad de máquinas herramienta comunes, ventiladores, bombas y otra maquinaria de transmisión.
2 Estrategia de control
El control de transformación vectorial se desarrolla sobre la base de la teoría de la unidad del motor, la conversión de energía electromecánica y la transformación de coordenadas, y tiene características avanzadas, novedosas y prácticas. El control vectorial controla los motores de CA simulando motores de CA en motores de CC. Mediante transformación de coordenadas, el vector de corriente del estator del motor de CA se descompone en dos componentes de CC orientados según el campo magnético del rotor, y estos dos componentes se controlan. El modelo matemático de un motor asíncrono basado en control vectorial es la ecuación de voltaje de un motor asíncrono con una orientación del campo magnético del rotor [3]:
Basándose en esto, la ecuación básica del control vectorial se puede derivar como sigue
M, la coordenada T gira a la velocidad angular síncrona ωs, el eje M coincide con el flujo magnético del rotor ψ r, θM es el ángulo de orientación del flujo magnético del rotor, que cambia con el tiempo, es decir, la corriente trifásica del estator iA, iB, iC sufre una transformación de coordenadas, se obtienen las dos componentes actuales iM e iT de las coordenadas M y T de rotación síncrona. La relación de conversión entre ellos es la siguiente
Basado en los principios anteriores, el diagrama de bloques del sistema de control vectorial se muestra en la Figura 1.
El inversor de la figura utiliza un inversor PWM de seguimiento de corriente. La excitación dada φ*r se obtiene mediante el generador de funciones ωr/φr, y el par dado T*m lo proporciona el regulador de velocidad St. El controlador vectorial calcula la corriente de excitación dada i*T y la frecuencia angular de deslizamiento dada ω*f basándose en φ*r y t*m. La suma de ω*f y la velocidad del motor ωr obtiene la velocidad angular del estator ωs, y luego. lo integra para obtener el campo magnético del rotor. La señal de fase de la cadena θM.
Las corrientes trifásicas iA, iB e iC se convierten mediante convertidores vectoriales para obtener componentes de corriente orientadas a campo iM e iT. IM e iT se comparan con i*M e i*T respectivamente, y sus desviaciones δIM y δiT son generadas por el controlador de histéresis de tres niveles. DM, dT y θM forman una palabra de datos, y el vector de voltaje correspondiente se selecciona a través de la tabla de control del interruptor, y al mismo tiempo se genera un conjunto de pulsos de conmutación s a, SB, SC, de modo que el inversor se puede controlar en de manera oportuna y precisa y obtener un excelente rendimiento de regulación de velocidad.
3 Diseño de hardware del sistema
El inversor adopta una estructura de voltaje AC-DC-AC y un método de control de vector de flujo SPWM. El circuito principal consta principalmente de un circuito rectificador, un circuito de filtro y una composición del circuito inversor. . El circuito inversor está compuesto por módulos IGBT y la parte de control utiliza una CPU dual 80C196 como núcleo, formando un sistema de control de vector de deslizamiento totalmente digital y completamente funcional. El sistema adopta una estructura modular general y todo el hardware es el siguiente:
El diagrama de bloques del hardware del sistema es el siguiente:
CPU1# completa principalmente el trabajo del bucle de velocidad, completa detección de velocidad y A/D de una velocidad determinada Muestreo, entrada de teclado, modificación de parámetros, visualización de estado, función de protección, autodiagnóstico de fallas y otras funciones. La tarea más importante de CPU1# es implementar el regulador de velocidad digital y el regulador de deslizamiento, y proporcionar señales de comando i*M, i*T y ω*f a CPU2#.
CPU2# completa principalmente el trabajo del bucle de corriente, obtiene valores de señal de corriente y voltaje trifásicos a través de A/D de 12 bits y luego obtiene parámetros importantes del sistema, como el valor de instrucción proporcionado por CPU1# de la ** RAM compartida.
La operación de transformación vectorial se realiza según el principio de transformación vectorial y consta de un generador de ángulo de par, un sintetizador de posición de flujo del rotor, un convertidor rotatorio MT/ABC, un optimizador de vector de voltaje, un determinante de tiempo de acción de vector cero y un comparador de histéresis de corriente. El trabajo principal del control de vectores. El vector de voltaje de control de salida ingresa al circuito de señal de accionamiento de enclavamiento compuesto por 8255 y ingresa al circuito de accionamiento base IGBT a través del fotoacoplador.
4 Diseño de software del sistema
En este sistema de doble máquina, CPU1# completa principalmente el ajuste del bucle externo de velocidad y proporciona recursos PWM para CPU2#, mientras que CPU2# completa principalmente el bucle interno actual El ajuste, ambos * * * comparten los 8155 recursos de RAM internos. Los requisitos en tiempo real del sistema son muy estrictos. En vista de esto, el software del sistema utiliza números sin firmar del código original en lenguaje ensamblador para realizar operaciones, y se compila de forma modular de la siguiente manera:
Dado que el sistema controla el par del motor controlando la posición instantánea y la amplitud de la corriente del estator y la velocidad de rotación, por lo que la siguiente característica de corriente es la clave para realizar esta solución. Al utilizar el chip CPU2# avanzado y un diseño de programa mejorado, la velocidad de ejecución del sistema mejora considerablemente.
Aquí se utiliza el esquema de comparación de histéresis de corriente trifásica, es decir, el valor dado de la corriente trifásica se obtiene mediante CPU2#, la corriente trifásica real se mide directamente mediante tres elementos Hall y los dos se comparan como la corriente. La entrada del comparador de histéresis se utiliza para obtener la señal de control vectorial de voltaje de salida de cada fase. Además, también puede evitar errores de operación del sistema o incluso errores causados por la incertidumbre del valor actual real muestreado por el enlace A/D. Cada señal de salida controla el encendido y apagado de un transistor de puente monofásico de modo que la desviación de corriente de cada fase se controle dentro del ancho de histéresis. Cuanto menor sea el ancho de histéresis, mayor será la frecuencia de conmutación y más cerca estará la corriente de fase de una onda sinusoidal. Sin embargo, la frecuencia también está limitada por las capacidades limitadoras de frecuencia de conmutación de los elementos de conmutación. Para reducir la frecuencia de conmutación de los componentes tanto como sea posible, el esquema optimiza el vector de voltaje de salida e inserta de manera flexible el vector de voltaje cero. Se puede ver en el funcionamiento real que reduce eficazmente los componentes armónicos de alto orden en el funcionamiento del motor, mejora significativamente la forma de onda de la corriente, mejora la estabilidad del sistema y reduce significativamente la pérdida de calor del circuito principal. 5 Diseño del circuito de protección
Como todos sabemos, el circuito de detección y protección es el sustento del convertidor de frecuencia. Un circuito de detección y protección bien diseñado y completamente funcional siempre ha sido crucial. Hay seis señales detectadas por el panel de control del circuito principal, que se utilizan para completar el algoritmo de control vectorial y varias funciones de protección.
5.1 Circuito de detección de corriente y protección contra sobrecorriente
La señal de detección de corriente proviene del elemento Hall en los extremos de salida bifásico U y V del inversor. El elemento Hall obtiene una potencia de 15V. alimentación a través de la toma CN2. Las señales de detección de corriente bifásica u y V son amplificadas 20 veces por los amplificadores operacionales de primer nivel A6 y A5 y luego enviadas a los amplificadores operacionales de segundo nivel A8 y A7 (como se muestra en la Figura 3).
El valor de acción de la protección contra sobrecorriente se puede determinar ajustando el factor de amplificación del amplificador operacional de dos etapas. Las corrientes de fase u y V se superponen mediante el sumador inversor A9 para obtener la señal de corriente de fase W. Las corrientes de fase u, V y W se envían a los terminales de entrada positivo y negativo de los dos comparadores al mismo tiempo. Los voltajes de referencia en los terminales de entrada positivo y negativo del comparador son +10V y -10V respectivamente. Cuando la corriente trifásica es normal, su voltaje correspondiente está entre 10V y las entradas de los seis comparadores son 1. Esta señal es invertida por el transistor y enviada al disparador monoestable compuesto por el multivibrador D4528. -La salida Q es 0, y las señales de salida de los comparadores A17 y A18 también deben ser 0, por lo que el circuito de protección no funciona. Una vez que ocurre la sobrecorriente, la fase y la señal de salida del comparador son 0, la señal de entrada de D4528 (pin 12) es 1 y su salida pasa a ser 1 después de un retraso monoestable. Después de ser amplificada por el transistor N2, la señal de excitación de GTR se apaga y se notifica a la CPU que emita una señal de alarma de sobrecorriente. La función del disparador monoestable es evitar el mal funcionamiento del circuito de protección provocado por determinadas señales de interferencia o picos de corriente instantáneos.
5.2 Circuito de protección contra sobretensión y subtensión
La detección de voltaje CC recopila señales de ambos extremos del bucle CC intermedio (como se muestra en la Figura 4). El alto voltaje CC (aproximadamente 600 V) se divide entre R61 y R62 y luego se envía a los terminales de entrada positivos de cuatro comparadores A1 ~ A4 y se compara con los cuatro voltajes de referencia A, B, C y D para completar la protección contra sobretensión y subtensión. Notificar a la CPU para que envíe la señal de alarma correspondiente.
La tensión de referencia del comparador se toma del divisor de tensión compuesto por las resistencias R51 ~ R57. Después de dividir el voltaje estándar de 10 V mediante resistencias, se extraen cuatro voltajes de referencia diferentes y se envían a los terminales de entrada inversora de los cuatro comparadores respectivamente.
La señal de salida del comparador se aísla mediante un optoacoplador, se filtra mediante una resistencia y un condensador y luego se envía a la CPU para su procesamiento a través de un inversor Schmitt. Los parámetros de resistencia periférica de los otros tres comparadores son los mismos.
En circunstancias normales, el valor de muestreo de voltaje (aproximadamente 3 V) está entre los potenciales del punto B y el punto c, los comparadores A1 y A2 salida 1, y A3 y A4 salida 0. El rango de voltaje entre B y C es grande. Cuando el voltaje de la fuente de alimentación cambia entre 300 ~ 460 V, el convertidor de frecuencia funciona normalmente. El rango de voltaje entre A, B, C y D es pequeño. Una vez que el voltaje excede este rango, el inversor emitirá una señal de advertencia de sobrevoltaje o subvoltaje y se apagará de acuerdo con una secuencia de control predeterminada.
5.3 Circuito de detección de sobrecalentamiento
Los cuatro disipadores de calor de la cabina están equipados cada uno con un elemento térmico PTH5~PTH8. Los cuatro elementos térmicos están conectados en serie y conectados al optoacoplador P4. . El diagrama esquemático se muestra en la Figura 5. En circunstancias normales, el elemento térmico es un contacto normalmente cerrado y la señal de salida del optoacoplador es 0; cuando el disipador de calor se sobrecalienta, el elemento térmico se desconecta y la señal de salida del optoacoplador es 1. Después del filtrado RC, la señal de accionamiento GTR se activa. se apaga y se notifica a la CPU. Envía una señal de alarma de sobrecalentamiento.
5.4 Circuito de detección de falla a tierra
La detección de falla a tierra se logra detectando el equilibrio de la corriente trifásica a través de una bobina colocada en el circuito principal. El diagrama esquemático se muestra en la Figura. 6. En circunstancias normales, la salida de corte del optoacoplador es 1. Cuando se produce una fuga de fase a tierra, la corriente trifásica se desequilibra y el potencial inducido por la bobina de detección conduce el optoacoplador P512 y envía una señal de falla.
5.5 Circuito de detección de fusible fundido
La detección de fusible toma la señal de voltaje en ambos extremos de F, y su diagrama esquemático se muestra en la Figura 6. Cuando el fusible rápido es normal, el voltaje en ambos extremos es extremadamente pequeño y el circuito de protección no funciona. Cuando el fusible rápido se funde debido a una sobrecorriente, el voltaje en ambos extremos aumenta y el optoacoplador se enciende para enviar una señal de falla, que es impulsada por dos inversores Schmitt y enviada a la CPU.
5.6 Muestreo de velocidad
Este sistema requiere señales de muestreo de velocidad precisas, lo cual es difícil de cumplir para los dispositivos de medición de velocidad generales, por lo que utilizamos un codificador rotatorio de alta resolución 1024. Las señales bifásicas A y B se aíslan y se introducen en la unidad de medición de velocidad digital a través del optoacoplador.
6 Resultados y conclusiones experimentales
Aquí se dan los principales indicadores técnicos del inversor con una capacidad de 22kVA: la corriente de salida es 31A, la velocidad básica es 1500r/min y el rango de velocidad es de 50 ~ 4800r/min, la precisión de la regulación de velocidad es inferior al 0,2% de la velocidad máxima (10% ~ 100% de carga).
La Figura 7 muestra las formas de onda de corriente y voltaje de salida del control de histéresis de tres corrientes y del inversor de control vectorial de voltaje optimizado a 10 Hz. Se puede ver en la forma de onda real que los componentes armónicos de alto orden en la corriente son muy pequeños.
La figura 8 muestra la curva de respuesta dinámica del sistema. Cuando el sistema entra en estado estable, la carga se agrega repentinamente (TL = 50 n·m), la velocidad dinámica máxima cae a solo 9 r/min y el tiempo de recuperación también es muy corto. El sistema no tiene errores de estado estable en condiciones de carga y sin carga, tiene una respuesta dinámica rápida, no sobrepasa la velocidad y tiene una fuerte capacidad antiinterferente.
En resumen, el inversor tiene un diseño general cuidadoso, una estructura compleja, un rendimiento excelente, funciones de protección completas y ha logrado buenos resultados de promoción y aplicación.