⑴ plc電梯實訓小結
基於DSP&IPM的電梯用變頻調速電機優化控制
摘 要: 在分析考慮鐵損時電梯用非同步電機在同步旋轉坐標系統下數學模型的基礎上，通過研究不同運行條件下電機損耗與轉子磁通的關系，實現矢量控制變頻調速非同步電機的優化控制。為了進一步提高電機的調速性能，根據電機矢量控制的基本原理，利用數字信號處理器和智能功率模塊，給出了矢量控制硬體實現，並闡述了系統的軟體實現方法。實驗表明，電梯用非同步電機矢量控制變頻調速系統能平穩運行，具有較好的靜、動態特性，可以廣泛地應用於電梯用電機拖動的電氣傳動系統中。
關鍵詞: 電梯用非同步電機;矢量控制;鐵損;優化控制
Optimal Control of VVVF Speed Regulation Motor for Elevator
based on DSP&IPM
0 引言
隨著城市建築業的發展，對高層建築電梯的電機調速系統要求越來越高。由於受到數位分析方法和工具的限制，現在建立電梯用非同步電機電動機動態數學模型和模擬模型時通常忽略鐵損。而電梯用非同步電機電機中的鐵損是確實存在的，這就會使得輸出轉矩發生偏差，影響控制精度[1]。同時因矢量控制的實現需要實時地完成坐標變換、電流及轉速檢測、磁鏈估計、PWM信號產生及故障保護等多種功能，因此控制演算法涉及大量的實時計算。過去這種高性能的交流電梯用非同步電機電機控制系統的實現結構相當復雜[2]。近年來，由於微電子和計算機技術的進步，尤其是具有較強計算能力的數字信號處理器（DSP）和智能功率模塊（1PM）的出現，使得設計出結構簡單的矢量系統成為可能。本文詳細闡述了矢量控制系統的硬體組成和優化演算法的軟體設計方法。實驗結果表明，該矢量控制系統的實現具有優良的動、靜態調速性能，是目前實時性較強、性能較為優異的一種調速系統，變頻調速電梯具有節能、提升速度快、平層准確、舒適感好等優點提供了動力保障。
1 控制原理
1.1考慮鐵損時電梯用非同步電機電動機在同步旋轉坐標系dq軸的數學模型
根據交流電機理論，電梯用非同步電動機可通過坐標變換等效成同步旋轉坐標系dq軸下的兩相電機模型，相比常規採用的dq軸電機模型，定子上增加了兩個鐵損等效繞組，由此可以得到如圖1所示的考慮鐵損時同步旋轉坐標系下非同步電機在dq軸等效電路[3]。
圖1 考慮鐵損時同步旋轉坐標系下非同步電動機在dq軸等效電路
取dq軸的旋轉速度等於定子的同步角速度ω1，轉子的角轉速為ωr,dq軸相對於轉子的角速度為ωs=ω1-ωr，即轉差。則根據上述等效電路，推導出非同步電機在任意兩相同步旋轉坐標系下的數學模型:
式（a）～（e） 構成了考慮鐵損時非同步電機在任意同步旋轉坐標系下的動態數學模型。
1.2磁鏈優化模塊
因電機的總損耗等於輸入功率與輸出功率的差值，即
由上式可以知，假設電動機參數不變，在一定的轉子角頻率和一定的負載轉矩Te條件下，非同步電動機的可控損耗與轉子磁鏈的大小有關。忽略機械損耗和雜散損耗，非同步電動機在輸出功率一定的情況下，非同步電動機在損耗最小時其效率最高[4]。
損耗的凸函數，因此對上式求導令其等於零，即可得到損耗最小時的最優磁通;其中
2 基於DSP&IPM的系統硬體設計
電梯用非同步電機矢量控制系統硬體結構如圖2。整個系統主要由三大模塊組成：以智能功率模塊PS21867為核心的主電路功率變換模塊;以DSP為主要元件的運算控制模塊;以增量式光電編碼器、霍爾感測器等組成的信號檢測模塊。
圖2電梯用非同步電機矢控制系統硬體結構圖
2.1功率變換模塊
系統主電路採用交-直-交電壓源變頻變壓電路。選用的逆變功率器件是三菱公司的小型雙列直插封裝格式的IPM（PS21867）。其這種新型DIP-IPM利用了最新的第5代IGBT技術，使其靜態性能和動態性能較過去都有了很大提高。並且由於採用了最先進的亞微米電源晶元設計技術和優化的模塊設計技術及封裝工藝，使其不僅可以直接與控制MCU端子相連及採用單一電源自舉供電，還使其輸入邏輯由低電平有效轉變成了高電平有效。從而大大簡化了介面電路設計，提高了逆變系統的性價比。
2.2運算控制單元
控制系統由數字信號處理器TMS320F2407A實現對電梯用非同步電機的控制。TMS320F240是專為電機控制設計而推出的新一代微控制器，其具有高性能的C2xLP內核，最高運算能力達40MIPS，採用改進的哈佛結構，四級流水線操作;片內集成的事件管理器包括3個獨立的雙向定時器，每一個都有單獨的比較寄存器，支持產生可編程死區的PWM輸出;4個捕獲口中的兩個可直接連接來自光電編碼器的正交編碼脈沖;兩個獨立的10位16路A/ D轉換器可同時並行地完成兩個模擬輸入的轉換;片內集成的串列通訊介面（SCI）及串列外設介面（SPI）可用於與上位機、外設及多處理器之間的通訊。TMS320F240的這些卓越特性為高性能的電機控制提供了理想的解決方案[2]。
2.3信號檢測模塊
因為被控制的電機採用星形接法，所以只需對兩相電流進行檢測（）[2]。考慮到轉換速度和精確度，系統採用霍爾感測器來測量電機的定子電流ia和ib ，將ia和ib 轉換成電壓信號，再送入電平偏移電路，把雙極性的電流信號轉換成0—3.3 V單極性電平送入TMS320LF2407A的A/D轉換口ADCIN2、ADCIN3進行采樣，把模擬量轉換成數字量，再進行數據處理。檢測電路採用兩級運算放大器LM358。速度采樣系統中採用精確度為1024p/r增量碼盤來檢測轉子位置，光電編碼器輸出的兩路正交脈沖信號經差動放大後直接接到DSP的QEP1,QEP2上。
3 系統的軟體實現
系統的主電路採用智能功率模塊以後顯得比較簡單，所有控制演算法可在TMS320LF2407A DSP中實時完成的。本系統LF2407A DSP控制部分的軟體採用匯編語言在DSP集成開發環境CCS下編寫，整個軟體主要包括初始化程序與下溢中斷服務子程序部分。其軟體結構如圖5、6所示。其中初始化程序完成DSP硬體及軟體變數的初始化及使能中斷的功能。中斷服務程序由電流及轉速檢測信號處理、轉速和磁鏈調節、磁鏈估計、坐標變換、PWM信號產生等多個功能模塊構成。各功能模塊依照一定的順序關系，在固定的時間周期內執行，由T1CNT的下溢中斷來啟動程序的運行。
圖3 初始化程序流程圖
圖4 下溢中斷服務子程序流程圖
3.1 PI調節器設計
PI調節是電機控制系統中最常用的一種控制器。調節器的目的是消除輸出與輸入的偏差，其數字實現離散化後演算法為：
式中KP為比例增益，KI為積分增益， T為采樣時間。其原理如圖5所示。
圖5 防積分飽和PI調節器
3.2 優化控制器設計
優化控制器的輸出為，由於涉及到除法、開方等運算，為了提高程序效率，採用了C和匯編混合編程，除法及開方子程序用匯編語言編寫。首先由得到最優磁通，然後根據穩態時得到最優勵磁電流。
3.3 轉子磁鏈位置計算
矢量控制系統的控制性能很大程度上決定於磁場定向的精度。系統中採用轉子磁鏈坐標系下的電流轉速模型來估計轉子磁鏈位置角，從而實現正確的磁場定向。磁鏈觀測模型方程為：式中為轉子時間常數，Fs為轉子磁鏈角頻率與額定角頻率之比，ωn為電額定角頻率，n為轉子實際轉速與額定轉速之比。
3.4 SVPWM模塊
TMS320LF2407A的每個事件管理器都有3個全比較單元輸出6路帶有可編程死區的PWM波形。當定子相電壓矢量的分量和所在的扇區數已知，就可通過電壓空間矢量SVPWM技術，產生PWM控制信號來控制逆變器。
4 實驗結果與分析
該實驗樣機為一台2.2KW的矢量控制變頻驅動電梯用非同步電動機調速系統，並在其上採用效率優化控制策略進行了穩態運行實驗研究。
該實驗中，電機空載運行，初始轉速設定為1600 r/min，穩定運行後1.4s設定為1400 r/min。圖6和圖7分別為輸出線電流和輸出線電壓的實驗波形。
圖6 輸出線電流
圖7 輸出線電壓
從圖6和圖7實驗結果可以看出，輸出電流為良好的正弦波形，輸出電壓為經過脈寬調制的正弦波，基波占絕對主要成分，諧波成分較少。證明了本文中提出的控制方法的有效性和可行性。
5 結論
在分析考慮鐵損時非同步電機數學模型與磁鏈優化演算法的基礎上，以DSP和IPM為核心組成的矢量控制變頻調速系統，可以有效地解決實際矢量控制實現時運算量太大而引起的實時性問題。控制系統的硬體結構簡單、穩定可靠，且具有動態響應快，控制精確度高的優點，是一種理想的矢量控制實現方案，可廣泛應用於以電梯電機為驅動裝置的電氣傳動中，從而獲得高精確度的調速控制性能，為電梯節能、提升速度快、平層准確、舒適感好等提供了動力保障。
參考文獻
[1]Kouki Matsuse，Taniguchi S，Yoshizumi T. A speed-sensorless vector control of inction motor operating at high efficiency taking core loss into account. IEEE Trans.on Ind. Appl, 2001 37（2）：548-557.
[2]王曉明，王玲.電動機的DSP控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.
[3]黎英，時維國.變頻調速電機的運行效率及節能控制研究[J].電氣傳動自動化，1999，21（1） ：21-25.
[4]崔納新.變頻驅動非同步電動機最小損耗快速響應控制研究[D].[博士論文].山東：山東大學控制科學與工程學院，2005.