CN1545197A - 基于dsp芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器，它与传统高压大功率变频器的区别在于：它的控制部分主控板采用数字信号处理专用集成芯片DSP作为CPU；采用矢量控制方式计算对电机进行控制的所有参数，从而得到变频器的输出频率，控制功率模块单元的导通频率和时间。它解决了现有功率模块串联高压大功率变频器由于控制方式简单和系统响应慢，从而不能实现高性能控制的难题；实现了更精确和快速的控制，实现了真正的恒转矩、快速动态响应，飞车重启动和断电重启动，自动负载限制，以系统能提供的最大转矩加速减速而不发生加速过流、减速过压的情况，并为变频器控制运行和直接投入电网运行两种运行方式之间的无扰切换提供了可能性。

Description

基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器

技术领域

本发明涉及一种高压大功率变频器，尤指一种基于DSP芯片全数字化控制的、无谐波污染的、具备自动检测输出电流并限幅的、能够具备飞车启动和断电重启动功能的高压大功率变频器。

背景技术

随着电力电子技术的发展，变频器作为电力电子技术发展的产物，在国民经济的各个领域如冶金、石化、自来水、电力等行业得到广泛的应用，并发挥着越来越重要的作用，特别是，高压大功率变频器的应用日渐广泛。

如图1所示，目前，通用的高压大功率变频器主要由多副边绕组变压器1’、若干个功率模块单元2和控制系统3’构成。功率模块单元2为基本的交一直一交单相逆变电路(见图2)，高压大功率变频器的每一相就是由这样的若干个功率单元2串联构成，通过对功率模块单元IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到如图3所示的波形。控制部分3’由控制器31’、工控PC机32’和可编程控制机33’(PLC)构成；其中，控制器31’主要是由用于计算/产生PWM脉冲信号的单片机构成，工控PC机32’主要是用来提供友好的全中文WINDOWS监控和操作界面，可编机(PLC)33’主要是用于柜内开关信号的逻辑控制。

由于这种通用的高压大功率变频器采用的是变压变频(VVVF)开环控制方式进行调速，而且用于控制功率单元2导通的PWM信号是由运算速度较慢的单片机产生，所以，造成这种由功率模块单元串联构成的高压大功率变频器在使用中存在以下几个缺点：

1、不能实现真正的恒转矩控制，动态响应速度慢，不能实现高性能的电机控制。

由于这种通用的高压大功率变频器采用的是变压变频(VVVF)开环控制方式，比较简单，因此它不能实现复杂控制。虽然这种通用的变压变频(VVVF)开环控制方式在理论上是恒转矩的，但是驱动功率器件开通和关断的驱动指令从变频器的控制器到最终驱动功率器件中间要经过一系列的执行机构，存在于各个环节上的误差积累，使得变频器实际输出的转矩与设计输出的目标转矩有所误差，这样就不能实现真正的恒转矩，动态响应也比较慢，不能实现高性能的电机控制。

2、不能实现工业上的旋转再启动。

由于通用高压大功率变频器采用变压变频(VVVF)开环控制方式，其控制器部分不能识别电机的速度，不能在功率器件驱动信号封锁后某个时间再次跟踪实际转速继续发驱动指令，即不能实现工业上的旋转再起动。如果在起动前电机在旋转，则不能立刻起动，必须等电机完全静止才能再起动，否则就容易出现变频器过流故障。同样，由于它不能识别电机的实际速度，在变频器供电电网电压突然消失一段时间后不能跟踪电机实际转速而继续对功率器件实现正确的控制和驱动，即不能实现掉电重起动功能。

3、过压、过流保护功能弱，功率模块单元易烧毁。

由于通用高压大功率变频器采用变压变频(VVVF)开环控制方式，其控制部分不能对减缓变频器输出后从电机反馈回变频器的能量进行识别和判断，这样导致在减小变频器输出电压时如果设置的减速时间过短，由于机组的强大惯性，电机的回馈能量过多而变频器的功率部分的储能电容器不能及时吸收而发生直流母线过压故障，导致变频装置不能继续正常运行。

另外，由于通用高压大功率变频器的控制部分是基于单片机及其外围电路而设计的，其运算、响应速度比较慢，不能对变频器输出到电机绕组的电流进行及时的检测和监控，不能在负载变化时自动限制变频器的输出。通常的情况就是在电动机负载突然增大时发生变频器输出电流突然增大从而发生过流故障，功率单元被烧毁。

4、不能实现一台变频器带动多个电动机软启动。

由于这种通用高压大功率变频器采用变压变频(VVVF)开环控制方式，其缺乏对电网电压幅值和相位的检测，使得变频器在将电机从被变频器受控拖动状态投入到供电网络直接拖动时由于电机端电压和电网的幅值和相位差别比较大而发生过流故障，也不能使电机在被变频器受控拖动和直接投入电网两种状态之间自由切换，从而不能充分发挥变频器控制电机的作用，不能实现一台变频器带动多个电动机软启动的功能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种控制精度高、运算速度快、响应速度快的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器。

本发明的另一目的是提供一种功率因数高、对电网无谐波污染、能实现对变频器输出电压/电流检测及变频器输出电流限幅的、快速、复杂、精确矢量计算的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器。

本发明的又一目的是提供一种能跟踪变频器输出电压相位、具有飞车启动和断电重启动功能的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器。

为了解决变频器的负载突然发生变化时变频器容易出现过流、烧毁功率模块单元的问题，本发明的又一个目的是提供一种具有硬件检测和软件检测功能，可以自动限制变频器输出，保证在各种负载条件下都能正确控制和驱动电机的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器，它主要由多副边绕组变压器、多个功率模块单元和控制系统构成；其特征在于：所述多副边绕组变压器为多副边绕组移相变压器；所述功率模块单元连接在所述多副边绕组移相变压器和控制系统之间，用于执行控制系统的指令输出PWM电压；变频器的每一相就是由若干个功率模块单元串联构成，变频器的输出端与电机相连；所述控制系统的主控板采用基于数字信号处理专用集成芯片DSP作为CPU；所述控制系统采用矢量控制方式计算变频器的输出频率，控制功率模块单元的导通频率和时间。

在本发明的具体实施例中：

所述DSP芯片为主DSP芯片，控制系统主控板还配有速度更快的、用于进行复杂运算的协处理DSP芯片；所述主DSP芯片主要完成系统逻辑判断、功率模块单元的控制、以及故障中断的处理；所述主DSP芯片通过双口RAM芯片与所述协处理DSP芯片进行数据传输；即主DSP芯片通过双口RAM芯片，将检测到的变频器输入/输出侧电压、电流信号传送给专门用于复杂矢量计算的、运算速度更快的浮点协处理DSP芯片；协处理DSP芯片将运算后的数据再通过双口RAM传递给主DSP芯片；主DSP芯片根据协处理DSP芯片的运算结果输出控制信号控制各功率模块单元的导通频率和时间，改变变频器的输出频率。

如果控制系统采用的控制方法需要的运算量不大或者不需要快速响应，也可省略协处理DSP芯片。

在所述变频器的输入端、输出端连接有用于检测变频器输入/输出电压的高压电阻分压板；在所述变频器的输入端、输出端连接有用于检测变频器输入/输出电流的电流互感器；所述高压电阻分压板和电流互感器的信号输出端与所述控制系统主控板相连。

所述高压电阻分压板和电流互感器输出的模拟信号经过模拟/数字转换、抗混迭滤波及滤波校正处理后，输入到所述控制系统主控板上。高压电阻分压板和电流互感器输出的模拟信号经过模拟/数字转换后输入给所述主DSP芯片的AD通道；在主DSP芯片电压检测AD通道前，串联有低通滤波器环节，克服直接采用AD转换器采样而引起的严重的频谱混迭和失真问题，在主DSP电压检测AD通道后，串联有低通滤波器的逆环节，可以将低通滤波的幅值和相位的影响通过软件控制的方法补偿回来。系统中采用抗混迭滤波及滤波校正技术，同时还确保了主DSP对电压的AD检测的信息完整性和准确性。

如果直接采用AD转换器采样而引起的严重的频谱混迭和失真问题在系统精度允许范围内，则可以忽略在主DSP电压检测AD通道前串联的低通滤波器环节和检测AD通道后串联的低通滤波器逆环节。

所述控制系统主控板还外挂有FLASH参数存储卡，保存重要的调试参数。

如果控制系统不需存储调试参数或者有其他外设存储调试参数，则可以省略外挂FLASH参数存储卡。

所述控制系统主控板通过标准的串行通讯RS232接口与软件示波器通讯，在线显示所有用于电机控制的中间变量和重要参数；通过通用的串行通讯芯片UART、标准的串行通讯RS485接口与工控机通讯。

所述控制系统主控板还设有JTAG口，实现控制软件的升级。

所述控制系统主控板还预留有速度传感器数据输入口，用于实现有速度传感器的矢量控制，实现更高调速精度的电机控制。所述主控板还可以在没有速度传感器的情况下，根据有无速度传感器的情况，自由选择无速度传感器矢量控制，实现高性能的无速度传感器矢量控制。

所述控制系统主控板上还设有硬件过流值调节装置，该装置经过电压补偿软件模块实现线性化，更便于进行变频器输出过流故障的检测。所述控制系统主控板上还设有输出接地故障检测及保护装置，采用用硬件、软件结合的方案对输出端相电压进行监控，发现有输出接地故障立刻进行故障处理。根据系统的保护需要，可以分别进行变频器输出过流故障的检测和输出接地故障保护，或者同时进行变频器输出过流故障的检测和输出接地故障保护。

所述控制系统采用先进的矢量控制方式控制变频器的输出；所述矢量控制包括磁链观测和速度辨识方案、电机参数检测和自动校正方案、电压检测抗混迭滤波及滤波校正方案、串级多电平逆变器的死区补偿方案、电机反馈功率控制的制动方案、飞车重启动和断电重启动方案。

所述控制系统根据采集的输入、输出电压和电流值进行磁链观测和速度辨识，基于电机控制的矢量控制理论计算得到转子电压、转子电流、转子转速、定子频率、滑差、转子磁链、转矩等电机的各个运行变量，目的是将这些运行变量作为变频器控制电机的重要参数，有了这些电机运行的所有参数，即可实现高性能、高精度、快速响应的控制电机的高性能矢量控制。

由于采用了矢量控制方式，结合对系统状态的检测和估算，使得变频器可以实现电机旋转状态下的再启动，即飞车启动方案。由于采用了矢量控制方式，结合对系统状态的检测和估算，可以实现系统断电一段时间后再次上电情况下，变频器的断电再启动方案。

所述控制系统还采用了基于电机电流方向的补偿方法和变频器输出电压反馈补偿方法，对串级式逆变器的死区时间和开关管压降造成的电流谐波、低频振荡、转矩脉动、输出电压下降进行有效的补偿。

所述控制系统采用了电机反馈功率控制，计算减速时从电动机反馈回变频器的能量大小，自动调整电机的减速时间，防止发生减速时的直流母线过压故障，使电机以最快速度减速到零。解决了串级式高压变频器因直流电源太多而难以实现再生制动的缺点。

本发明控制系统提供了多种运行方式，包括变压变频开环控制、矢量控制的闭环控制、零输入输出漂移检测和自动校正功能，以及参数自动检测功能。

所述控制系统主控板与PLC之间采用硬连接的信号定义，扩展了与PLC间的信号传递。所述控制系统主控板与工控机之间的通讯采用工业通用的MODBUS协议，并采用标准化的工控机软件。所述工控机的软件采用标准化的结构和参数表，参数增减和属性修改方便灵活，修改量小，支持公式输入，自动验算出结果，直接更改菜单配置。

本发明可以在系统上电后对系统进行自检，保证控制系统以正确的状态和参数进行初始化。系统同时带有具有掉电保持功能的参数存储卡，可以在调试人员或用户对变频器设置参数后把参数存储起来，在下次系统上电时以这套参数运行，从而保证了控制系统正确的状态。系统同时支持双DSP芯片运行，可以把一些用于控制的复杂算法分配给运算速度更快的浮点协处理DSP卡，从而将主DSP从繁杂的运算中解放出来，专门处理控制逻辑和脉宽调制信号的输出，使得系统可以兼顾精确的控制和快速的反映，同时确保精度与速度。

由于采用了先进的矢量控制算法，可以对变频装置做高压上电前的输入电压、输入电流零点漂移的自动检测和校正，以及高压上电后变频器待机状态下的输出电压、输出电流的零点漂移的自动检测和校正，从而排除了全数字化控制系统零点漂移导致的测量误差和控制不精确的缺点。

本发明还可以根据电动机提供的基本参数，根据通用的电机模型和变频器驱动电机的原理，从一段变频器以变压变频控制方式驱动电机的电压、电流数据来计算电机参数，从而可以实现变频器对不同参数的电机的自动适应的目的。

除此之外，本发明还具有以下优点：

1、由于本发明控制器部分采用运算速度极快的主从双DSP芯片设计，主DSP芯片主要完成系统逻辑判断、功率模块单元的控制以及故障中断的处理，协处理DSP芯片主要完成复杂烦琐的矢量计算，使得本发明控制器控制精度高、控制准确、速度快。

2、由于本发明采用基于DSP芯片的全数字化矢量控制方式，根据检测的变频器输入/输出侧电压、电流值，按照无速度传感器矢量控制图，进行复杂的矢量计算，跟踪变频器输出电压相位，控制各功率模块单元的导通时间、频率，改变变频器输出的频率，实现更精确和快速地控制电机运行目的，避免变频器出现过压、过流故障；还可以实现系统零漂检测和自校正，自动参数测量，飞车重启动功能，以及断电重启动等多种功能。

3、由于控制器采用双DSP芯片设计，控制系统的响应速度极快，使得控制器可以通过软、硬件相结合的保护功能自动限制变频器的输出电流，保证在各种负载条件下都能正确控制和驱动电机。即，当电机过载时，变频器调整电机的输出转矩，使电机以最大电流运行，而不是简单的以故障的形式跳闸，从外部现象上看，就是电机的转速下降，直到变频器能够拖动为止；当负载恢复正常时，转速又恢复到设定的速度。甚至在最极端的情况，由于机械故障电机的轴被抱死，电机会被降速到零，而不会发生过流故障。从而保证负载冲击及起动、停机不过流，达到自动限制负载的目的。

4、由于本发明控制器部分对电机的转矩进行精确和快速的矢量控制，大大改善了变频器调速性能，可以在电机加速过程中始终保证电机以变频器能提供的最大转矩加速并不过流，在电机减速过程中自动实现最短的加速时间并不过压。

5、由于本发明控制系统采用无速度传感器的矢量控制方式对电机进行调速，控制方式先进，能实现复杂和精确的控制。另外，本发明控制系统具有磁链观测和速度辨识方案，电机参数检测和自动校正技术，电压检测抗混迭滤波及滤波校正技术，串级多电平逆变器的死区补偿，回馈功率控制的制动方案。

6、由于本发明控制器部分对功率模块单元的最大回馈功率进行实时计算及限制，使得系统可以实现自适应减速，对于任何转动惯量的负载无须调整减速时间，以变频器最大的能力减速。操作简单，只要在出厂前设定最大允许回馈功率即可。

7、由于本发明控制器部分用高压分压电阻板采用分压加隔离测量的办法测量变频器输入/输出侧电压，而不用电压互感器进行测量，大大提高了测量精度，使这个系统控制更精确、更准确。

8、由于本发明控制器主板外挂有FLASH参数存储卡，大大提高了系统的控制精度和运算速度，并保证重要运行参数的及时存储。

9、由于本发明控制器主板预留有光电测速编码器数据口，使得在可以安装光电测速编码器的场合下，可以应用有速度传感器的矢量控制，实现更精确的控制，尤其可以大大减小低速的转矩脉动这一电机调速领域的顽固问题。

10、本发明控制器主板无需配备AD卡，由DSP芯片直接采集输入输出电压、电流以及模拟量输入，经DSP计算后可实现输入、输出的有功功率、无功功率、功率因数、电压、电流的有效值的在线显示，以及直观的波形显示，结构更简单。

11、本发明控制器主板配有功能完善的软件保护方案，再与运算速度极快的DSP芯片结合，可以实现全面的变频器和电机保护。

12、由于本发明采用多副边绕组的移相变压器将高压交流电分压、移相后，给各个功率模块单元供电，并经过多级移相叠加形成非常接近正弦波的电压波形，使得本发明对电网无谐波污染，对电机造成的谐波几乎为零，可以很好地控制电机。

附图说明

图1为通用的功率单元串联多电平式高压大功率变频器结构示意图

图2为功率模块单元电路图

图3为功率模块单元输出的PWM波形

图4为本发明基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器系统结构图

图5为本发明基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器控制器部分系统框图

图6为本发明采用高压分压电阻板测量输入输出电压的结构图

图7为本发明所采用的转子磁链观测方法

图8为本发明所采用的基于DSP芯片的矢量控制系统框图

图9为本发明所采用的电压检测抗混迭滤波及滤波校正原理框图

图10为本发明软件系统总体流程图

图11为本发明软件系统定时中断流程图

图12为本发明软件系统故障中断处理流程图

图13为同步旋转坐标下定子电流PI控制器系统图

具体实施方式

图4为本发明基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器系统结构图。如图所示，它主要由多副边绕组的移相变压器1、若干个功率模块单元2和控制器3构成；它与现有高压大功率变频器的区别在于：本发明控制器3采用基于DSP芯片的全数字化矢量控制方式进行变频调速。

如图所示，本发明采用多副边绕组的移相变压器将高压交流电分压、移相后，给各个功率模块单元供电，功率模块单元接受来自控制器的指令，输出PWM电压，经过多级移相叠加形成非常接近正弦波的电压波形，对电网和电机造成的谐波几乎为零，即能很好的控制电机。

为了实现对高压大功率变频器全数字化矢量控制，需要分析被控电机定转子磁通旋转的空间矢量，以便准确地控制被控电机，实现真正意义的恒转矩控制，为此，如图4所示，本发明控制器3实时检测变频器的输入/输出电压、电流值。在变频器和电机中间接有输出电压、电流的检测电路，通过反馈回来的电压、电流信号，根据电机控制理论，经过一定的分析转换和运算，组成用于控制电机运行的重要变量。

图5为本发明实现全数字化矢量控制控制器部分主板系统结构图。如图所示，控制器部分的主板是基于DSP芯片设计的，它由双DSP芯片构成；一个为主DSP芯片，一个为用于浮点运算的协处理DSP芯片。被控电机的电压、电流信号以及控制器检测到的变频器输入侧电压、电流信号经模拟/数字转换芯片即AD芯片转换后输入给主DSP芯片，由主DSP芯片的AD通道直接检测和处理，精度高，速度快。主DSP芯片为了将全部空间投入到逻辑判断、处理，以及故障中断处理中，保证系统安全运行，主DSP芯片通过双口RAM芯片，将检测到的变频器输入/输出侧电压、电流信号传送给专门用于矢量计算的、运算速度更快的浮点协处理DSP芯片。协处理DSP芯片将运算后的数据再通过双口RAM传递给主DSP芯片，主DSP芯片再根据协处理DSP芯片的运算结果控制各功率模块单元的导通频率和时间，改变变频器的输出频率。

基于DSP芯片的主控板通过标准的RS232接口与软件示波器Scope通讯，在线显示所有用于电机控制的中间变量和重要参数，作为软件示波器，使操作者最直接的了解变频器控制电机的状态，便于操作和控制。主DSP芯片还通过通用的串行通讯芯片UART、标准的串行通讯接口(RS485接口)与工控机通讯，无需AD卡，实现由DSP芯片直接采集输入/输出电压、电流以及模拟量输入，实现程序各检测量和任何中间结果量的显示。主DSP芯片还可通过JTAG口实现控制软件的升级，无需拆装芯片。为了适用调速精度要求高的场合，主DSP还预留有光电测速编码盘等速度传感器数据输入口，用于实现有速度传感器的矢量控制，实现更高调速精度的电机控制。

为了提高控制精度，主DSP芯片和协处理DSP芯片均可以访问外置的RAM，辅助完成参数传递和运算。主DSP还与FLASH参数存储卡通讯，将操作者设置的变频器运行参数和电机参数及时保存，当系统掉电也能储存，下次系统上电自动刷新。

在本发明的实施例中，采用以TI公司出品的TMSC24x系列DSP芯片作为主CPU，采用C3s系列DSP芯片作为浮点协处理CPU。

为了实现矢量控制，提高系统的控制精度在很大程度上依赖于控制系统检测的变频器输入/输出侧的电压、电流信号。为了更好地检测变频器输入/输出侧电压，如图6所示，本发明采用高压分压电阻板测量输入输出电压。如图所示，一块输入电阻分压板安装在电网与变频器输入变压器间，用电阻分压加隔离的办法测量输入电压；另一块结构同样的输出电阻分压板安装在变频器输出端与电机机端之间，用同样的办法测量输出电压。为了检测变频器输入/输出侧电流，本发明在变频器的输入侧和输出侧分别设有电流互感器。并将检测到的输入、输出电压和电流信号经过AD转换芯片转换成数字信号后传输至DSP芯片。

本发明基于DSP芯片的全数字矢量控制系统中磁链观测部分采用了一种带补偿的积分方法，如图7所示。从变频器到电机端之间的检测设备把电机定子电压和电流检测出来送给控制板的DSP处理芯片，经过转子反电动势估算器算出转子的反电势，经过一个一阶惯性环节得到转子磁链观测值的主要部分，由于这个一阶惯性环节存在相位误差，所以再要将这部分偏差量补回来。由转子磁链给定值的标量部分，加上系统观测的转子磁链位置角度的正弦和余弦值，算出转子磁链的矢量值。将这个矢量再经过一个一阶惯性环节补回前述观测的相位误差。将转子磁链的两部分加起来，就得到观测的转子磁通矢量，经过直角坐标系到极座标系的数学变换，分别得到转子磁通的幅值和角度。这样就完成了电机的矢量控制中最核心的观测：转子磁链观测。这种磁链观测器实质上是一个纯积分器，其优点是：(1)算法简单；(2)算法中不含转子电阻，因此受电机参数变化影响小；(3)不需转速信息，这对于无速度传感器系统颇具吸引力。这种磁链观测方法在参数准确的情况下可以做到无幅值相位误差，而且在实际应用中不存在纯积分环节的初值问题和漂移问题。该观测器的输入为转子电势和转子磁链参考值。转子反电势可以由检测的电机定子电压电流计算出来。在这种方法中，当滤波时间常数取为与转子时间相等时，观测磁链的角度在零转速附近对定子电阻的误差有鲁棒性。

本发明控制系统所采用的矢量控制方案的系统框图如图8所示。在系统中，通过简单的代数变换，把输入线电压Uab、Ubc、Uac和相电压Ua、Ub、Uc互相转换。在系统采用的磁场定向矢量控制中，把d-q坐标系放在同步旋转磁场上，把静止坐标系中的各交流量转化为旋转坐标系中的直流量，并使d轴与转子磁场方向重合，此时转子磁通q轴分量为零(ψ_rq＝0)，这就是本发明中采用的转子磁场定向的基础。在这种情况下，定子电压、定子电流、转子电压、转子电流、转子转速、定子频率、滑差、转子磁链、转矩等等电机的各个控制分量都可以由电机控制理论得出，使用的方程式如下：

$T_{\mathrm{cm}}=n_p\frac{L_m}{L_r}{i}_{\mathrm{sq}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}$

磁链观测方案即如图7所示，和如前所述。基于动态关系的电机派克方程，从电机电磁关系式及转速的定义中得到关于滑差或转速关系的表达式。

${\mathrm{\ω}}_s=\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\θ}}_s=\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\mathrm{arctg}\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}\right]=\frac{p{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}-p{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}^2+{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}^2}...\left(3\right)$

以及滑差计算

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}=\frac{L_m}{{\mathrm{\τ}}_r}\frac{i_{\mathrm{sq}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}}...\left(4\right)$

则电机转速ω可以由(3)和式(4)联合求解即可得到：

ω＝ω_s-ω_sl                                        (5)

系统中速度调节器可使用PI调节器，输入为转速误差，输出为给定转矩，方程式即如式(6)

$W_{\mathrm{pi}\left(s\right)}=K_{\mathrm{pi}}\·\frac{{\mathrm{\τ}}_{1}s+1}{{\mathrm{\τ}}_{1}s}...\left(6\right)$

而励磁电流的参考值则由式(7)得到：

${i_{\mathrm{sd}}}^{*}=\frac{{{\mathrm{\Ψ}}_r}^{*}}{L_m}...\left(7\right)$

而转矩电流的参考值则由式(8)得到：

$i_{\mathrm{sq}}=\frac{\frac{n_p}{R_r}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}^2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}}{n_p\frac{L_m}{L_r}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}}^{*}}...\left(8\right)$

由于电流稳态误差问题，在矢量控制系统中，尤其是对控制系统性能要求较高的场合，采用这种d-q同步坐标系下的电流PI调节器。其控制原理如图13所示，它是通过两个PI调节器分别对同步旋转坐标系中电流矢量的两个分量进行调节控制的。

由图13可知，由于有磁场定向控制技术，使得这种方法得以实现。而且，如果脉宽调制控制采取一些优化方式，比如优化PWM、正弦PWM技术等，可以达到提高电压利用率，优化开关模式等目的。

多电平逆变器的输出电压波形虽然比两电平逆变器的谐波含量低，但是由于有脉宽调制的成分与采样频率相当，直接用AD转换器采样会引起严重的频谱混迭，造成失真。因此在采样前必须加一低通滤波器作为抗混迭之用，低通滤波的幅值和相位的影响可以在以后环节的控制软件中加以校正，这一处理过程见图9。

对于风机泵类负载低速轻载节能运行或参数不同的多台电机并联运行时，变频器一般需要开环运行。由于对于串级式的逆变器，死区时间和开关管压降仍然存在较大的影响，主要表现是电流的谐波和低频振荡、转矩脉动、输出电压下降等，在低速表现更加明显。死区时间的补偿策略可以消除振荡和减少损耗。系统采用的补偿方法是基于电机电流方向的补偿方法和逆变器输出电压反馈补偿方法。对于基于电流方向的补偿方法实现简便，补偿量的大小可以通过计算，也可以用实验的方法确定，即由小到大逐渐尝试，同时观察输出电流电压直到输出的电压或电流谐波最小。无速度传感器矢量控制中由于有电流的闭环控制，将死区等干扰包含在电流环之内、电流调节器之后，而磁链的观测可以采用直接检测的输出电压，所以可以不必考虑其影响。当然如果想让电流控制的更加理想，也可以采用死区补偿技术。

串级式高压变频器的一个缺点是直流电源太多，难以实现再生制动。为了使减速时的泵升电压不至于过高，一般都设置很长的减速时间，如果不采取其它制动方式可达数分钟以上。采用回馈功率限制的方法，根据功率单元的不变损耗的大小和电机定子损耗的情况，针对各转速下的再生转矩加以限制，从而限制了回馈功率，使直流母线电压不快速上升，不产生过压故障。这种制动方法的优点是：减速的机械能不过多消耗在电机上，电机不会因减速过热损伤；在此类逆变器结构基础上，实现最小的减速时间，提高了生产部门的效率。矢量控制为回馈功率的控制提供了条件。

下面举例计算制动时间。设控制系统的转矩限幅为额定转矩为Tn，某电机和负载转动惯量等于J，额定转速为wn，这里假定在负载转矩为零的情况下进行减速，以额定功率的η倍进行功率回馈，计算从wn减速到零的时间：

额定转矩下的加速时间tinc＝J×wn/Tn

总回馈能量＝J×wn2/2；

额定功率＝Tn×wn；

回馈功率＝Tn×wn×η；

在减速过程中，转速到达η×wn时进入转矩限幅，这时再经过η×tinc即可减速到零。忽略上面有转矩限幅时的剩余时间和无转矩限幅时由η×wn减速到零的时间的差别，在减速过程中历时为：

(J×wn2/2)/(Tn×wn×η)＝J×wn/Tn/(2×η)＝tinc/(2×η)。

即：无负载转矩情况下的加速时间和减速时间的比约为2×η。

(1-η)可以接近逆变器的额定效率，如果逆变器的额定效率为96％，则η可取4％，这种情况下上述比例可达8％。如果有负载转矩，比如风机泵类负载，高速时的负载转矩也大，减速时间将更短，加速时间更长，此比例更接近于1。

无速度传感器矢量控制中的磁链观测和速度辨识的稳定性和电流控制的快速性为停电再起动、旋转启动、快速加速减速、突变负载无跳闸控制提供了很好的解决手段。在停电再启动中，检测到电网断电立即进行减速，靠从电机反馈回变频器的能量维持各功率单元工作，直至机械能消耗殆尽，除非电网重新供电。在电机任意旋转状态启动时，由于有电流控制，以及转速计算的收敛性，仍然可以保证无过流的正常启动

本发明控制系统主控板还预留有连接测量电机转速的速度传感器(如码盘)数据输入口，用于实现有速度传感器的矢量控制，实现更高调速精度的电机控制。

本发明控制系统主控板还可以在没有速度传感器的情况下，根据有无速度传感器的情况，自由选择无速度传感器矢量控制，实现高性能的无速度传感器矢量控制。

本发明矢量控制方式灵活。

图10所示本发明系统软件总体流程图。在控制系统上电后，DSP控制芯片软件首先复位和初始化，DSP主控板进行自检和初始化，此时就可以通过FLASH参数存储卡读入上次经过调试的正确参数，减少此次调试的工作量。经过一段时间的系统上电延迟，对数字信号处理芯片里的变量进行初始化，同时主控制板上用于发出PWM脉冲的控制指令移相的控制芯片也进行正确的初始化，软件示波器Scope也进行初始化，然后就可以打开DSP芯片处理器的中断，进入主循环。在主循环中，DSP进行必要的控制逻辑判断和控制变量的刷新，同时可被三个不同优先级的中断打断运行，分别是：兼顾参数收发的软件示波器Scope串行中断、故障处理中断和定时中断。

图11为定时中断流程图。DSP芯片在相应中断前，要先保存现场，以保证被打断前的系统环境变量和运算设置不被中断破坏。由于故障处理的优先级比定时中断高，因此要首先打开故障处理中断，以保证所有故障的及时处理。在每次定时中断中都进行一次AD采样和处理，以保证采样的均匀性，从而确保检测量的真实可靠。对模拟量进行正确的模拟/数字转换和正确的标定后，将这些检测量引入程序中进行各种计算。其中包括对光电测速编码器送来的脉冲信号处理后得到电机的实际测量转速。根据异步电机模型得到变压变频开环控制和无速度传感器矢量控制系统需要的参数后，就可以根据程序选择字自由选择各种运行方式，包括变压变频的开环VVVF控制，电机参数自动测量，零漂移的检测和自校正，无速度传感器的矢量控制，有速度传感器的矢量控制。然后将不同控制方式作用后的对功率器件的驱动信号输出给功率模块的控制板。在定时中断中，通过各种时钟定时基准的同步运行，可以实现各种显示量的在线显示和直观的波形输出。各种波形可以通过工控机，也可以通过软件示波器Scope显示和输出。如图11所示，定时中断的退出同样要经过正确的现场恢复，以保证控制的连续性。

图12展示了系统软件的故障中断程序。在故障中断的处理中，先根据系统检测的输入电压量判断是否是电网供电掉电，如果不是，直接进入故障处理程序；如果发生电网供电掉电，则根据系统设定的掉电超时时间判断是否超过容忍范围，在超过设计容忍的时间之后也进入故障处理程序，按照故障参数来判断是何种故障并作出相应处理。如果还在设计能够容忍的时间之内，结束此次故障判断并清除故障标志，等待下一次故障中断发生时再作判断处理。最后依然保存中断现场，退出故障处理中断。

本发明不仅配有完善的故障保护软件，在硬件上还装配有变频器输出过流的硬件调节电路，经过软件处理实现信号间的线性化；在硬件上还装配有输出接地故障检测及保护电路，这部分保护电路采用硬件、软件结合的方案对输出端相电压进行监控，发现有输出接地故障立刻进行故障处理。

本发明控制器与PLC之间采用硬连接的信号定义方式传递信号，便于控制控制柜内的电气开关。控制器控制主板上的DSP芯片与工控机之间的通讯采用工业上通用的MODBUS协议，便于建立标准的用户系统。完成用户对于系统的参数设定，以及系统各检测量和任何中间结果量的显示。工控机的软件采用标准化的结构和参数表，便于维护和修改。

以上实施例仅用以说明本发明，很明显本发明并不受这些实施例的限制。本领域的普通技术人员任何基于本发明实质内容的修改、变形或等同替换，均涵盖在本发明权利要求范围当中。

Claims (20)

1、一种基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器，它主要由多副边绕组变压器、多个功率模块单元和控制系统构成；其特征在于：

所述多副边绕组变压器为多副边绕组移相变压器；

所述功率模块单元连接在所述多副边绕组移相变压器和控制系统之间，用于执行控制系统的指令输出PWM电压；变频器的每一相就是由若干个功率模块单元串联构成，变频器的输出端与电机相连；

所述控制系统的主控板采用基于数字信号处理专用集成芯片DSP作为CPU；

所述控制系统采用矢量控制方式计算变频器的输出频率，控制功率模块单元的导通频率和时间。

2、根据权利要求1所述的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器，其特征在于：

所述DSP芯片为主DSP芯片，控制系统主控板还配有速度更快的、用于进行复杂运算的协处理DSP芯片；

所述主DSP芯片主要完成系统逻辑判断、功率模块单元的控制、以及故障中断的处理；

所述主DSP芯片通过双口RAM芯片与所述协处理DSP芯片进行数据传输。

3、根据权利要求1或2所述的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器，其特征在于：

在所述变频器的输入端、输出端连接有用于检测变频器输入/输出电压的高压电阻分压板；在所述变频器的输入端、输出端连接有用于检测变频器输入/输出电流的电流互感器；

所述高压电阻分压板和电流互感器的信号输出端与所述控制系统主控板相连。

4、根据权利要求3所述的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器，其特征在于：

所述高压电阻分压板和电流互感器输出的模拟信号经过模拟/数字转换、抗混迭滤波及滤波校正处理后，输入到所述控制系统主控板上。

5、根据权利要求4所述的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器，其特征在于：

所述高压电阻分压板和电流互感器输出的模拟信号经过模拟/数字转换后输入给所述主DSP芯片的AD通道；在主DSP电压检测AD通道前，串联有低通滤波器环节，在主DSP电压检测AD通道后，串联有低通滤波器的逆环节，可以将低通滤波的幅值和相位的影响通过软件控制的方法补偿回来。

6、根据权利要求1或2或3或4或5所述的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器，其特征在于：

所述控制系统主控板还外挂有FLASH参数存储卡，保存重要的调试参数。

7、根据权利要求1或2或6所述的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器，其特征在于：所述控制系统主控板通过标准的串行通讯接口与软件示波器通讯，在线显示所有用于电机控制的中间变量和重要参数。

8、根据权利要求1或2或6或7所述的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器，其特征在于：所述控制系统主控板通过通用的串行通讯芯片、标准的串行通讯接口与工控机通讯。

9、根据权利要求1或2或6或7或8所述的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器，其特征在于：所述控制系统主控板还设有JTAG口，实现控制软件的升级。

10、根据权利要求1或2或6或7或8或9所述的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器，其特征在于：

所述控制系统主控板还预留有速度传感器数据输入口，用于实现有速度传感器的矢量控制，实现更高调速精度的电机控制。

11、根据权利要求1或2或6或7或8或9或10所述的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器，其特征在于：所述控制系统主控板上还设有硬件过流值调节装置，该装置经过电压补偿软件模块实现线性化。

12、根据权利要求1或2或6或7或8或9或10或11所述的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器，其特征在于：

所述控制系统主控板上还设有输出接地故障检测及保护装置，采用用硬件、软件结合的方案对输出端相电压进行监控，发现有输出接地故障立刻进行故障处理。

13、根据权利要求1或2或所述的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器，其特征在于：所述控制系统采用先进的矢量控制方式控制变频器的输出；

所述矢量控制包括磁链观测和速度辨识方案、电机参数检测和自动校正方案、电压检测抗混迭滤波及滤波校正方案、串级多电平逆变器的死区补偿方案、电机反馈功率控制的制动方案、飞车重启动和断电重启动方案。

14、根据权利要求13所述的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器，其特征在于：

所述控制系统根据采集的输入、输出电压和电流值进行磁链观测和速度辨识，基于电机控制的矢量控制理论计算得到转子电压、转子电流、转子转速、定子频率、滑差、转子磁链、转矩等电机的各个运行变量，目的是将这些运行变量作为变频器控制电机的重要参数，有了这些电机运行的所有参数，即可实现高性能、高精度、快速响应的控制电机的高性能矢量控制。

15、根据权利要求13或14所述的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器，其特征在于：所述控制系统采用了基于电机电流方向的补偿方法和变频器输出电压反馈补偿方法，对串级式逆变器的死区时间和开关管压降造成的电流谐波、低频振荡、转矩脉动、输出电压下降进行有效的补偿。

16、根据权利要求15所述的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器，其特征在于：

所述控制系统对电机反馈功率进行控制，计算减速时从电动机反馈回变频器的能量大小，自动调整电机的减速时间，防止发生减速时的直流母线过压故障，使电机以最快速度减速到零。

17、根据权利要求16所述的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器，其特征在于：所述系统提供了多种运行方式，包括变压变频开环控制、矢量控制的闭环控制、零输入输出漂移检测和自动校正功能，以及参数自动检测功能。

18、根据权利要求17所述的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器，其特征在于：所述控制系统主控板与PLC之间采用硬连接的信号定义，扩展了与PLC间的信号传递。

19、根据权利要求17或18所述的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器，其特征在于：所述控制系统主控板与工控机之间的通讯采用工业通用的MODBUS协议，并采用标准化的工控机软件。

20、根据权利要求19所述的基于DSP芯片的全数字化矢量控制型高压大功率变频器，其特征在于：所述工控机的软件采用标准化的结构和参数表。

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