[发明专利]变频调速控制器

说明书

技术领域

本发明涉及变频调速控制领域，具体涉及到一种变频调速控制器。

背景技术

恒压频比(VVVF)控制的基本思想是在基频(一般为额定频率)以下时通过始终保持电动机的电压和频率之比为恒定的数值，以此来保证转子磁通恒定。这样做的原因是如果磁通太弱则不能充分利用电机的铁心，是一种浪费；若要增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。而在基频以上时，频率可以一直往上增高，但电压却不能增加得比额定电压还大，因而通过减弱磁通来提高频率，相当于直流电机弱磁升速的情况。VVVF控制是一种开环的控制方式，是通过对逆变器输出进行电压、频率的协调控制来实现电机速度调节。由于是速度开环的控制，调节精度和动态响应特性均不是很理想，尤其是在低速运行时，由于定子电阻压降不容忽视，须进行适当的电压补偿。

电力电子变压变频器在硬件上一般包括整流电路和三相逆变桥电路，这是交-直-交的变频方式，即先将交流电变为直流，再将直流逆变为频率幅值可调的三相交流源。整流电路比较简单，使用晶闸管整流桥电路即可实现，困难的在于逆变电路的控制。三相逆变桥是由6个开关管构成，当前应用广泛的是绝缘栅双极性晶体管(IGBT)和金属半场效应晶体管(MOSFET)。这6个开关组成3组桥臂，同一个桥臂的上下两个开关管不能同时导通。因此，逆变电路共有8种开关状态。一般用“1”表示上桥臂导通，下桥臂截止的状态；“0”表示上桥臂截止，下桥臂导通的状态。在空间矢量的研究中，三个桥臂的状态组合起来，得到8种开关状态，包括6个非零矢量 U₁(001)、U₂(010)、U₃(011)、U₄(100)、U₅(101)、U₆(110)，以及2个零矢量U₀(000)、U₇(111)。上述6个非零矢量将空间360°的平面分成6个扇区，每个扇区60°，任何空间电压矢量都可以由这6个基本电压矢量合成。为了减小开关管打开和关断的次数，降低功耗，一般根据扇区选择该扇区边界上的两个基本电压矢量来合成所需空间电压矢量。

 SVPWM(空间矢量脉宽调制)的思想是把逆变器和电机看成一体，作为执行机构，着重在于如何产生恒定的圆形磁场。由于交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机控制下形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。

三相逆变桥实现SVPWM调制的方法是按照一定的频率和顺序依次导通和关断。为了方便地表示每种开关状态，一般采用一个三维的空间矢量来代表三个桥臂在某一时刻的状态。就是上文所述的8种开关状态。这八种状态按照一定的规则进行组合就可以得到想要的空间旋转的电压矢量，SVPWM调制方法就是这个规则。

目前国内的交流电机控制领域一般均由微处理器(MCU和DSP)或专用控制芯片(ASIC)承担。德州仪器(TI)公司的C2000系列DSP在交流电机控制方面的出色性能也受到了设计者们的青睐。但是，DSP本身存在固有的缺陷，它的串行时序的运算方式在中低速变频领域性能很好，但在高速环境下却很容易出现时序问题，导致程序失控。

自从1985年Xilinx(赛林思)公司推出第一款FPGA(现场可编程门阵列)以来，FPGA以其速度快、灵活性高、设计周期短和功能强等显著优势在电子行业中得到了广泛的应用。近年来，FPGA技术逐渐开始应用于交流变频调速系统中，例如，美国斯坦福大学的研究者利用Xilinx公司的XC4010和TI公司的TMS320C14实现了控制回路，取得了很好的实验结果。然而，当前大多数情况下FPGA仍然需要DSP等其他微控制器的辅助，没有独立实现变频调速的功能，这也使控制的稳定性受到影响，成本也很高。

DDS(直接数字合成)的概念在1971年由J.Tierney(J.蒂尔尼)和C.M.Tader(C.M.泰德)等人在“A Digital Frequency Synthesizer ”(数字频率合成器)一文中首次提出。它从“相位”的概念出发进行频率合成，这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位。相位累加器是DDS系统的核心，它由一个加法器和一个相位存储器组成，相位存储器根据时钟信号以一定的步长增加，它的输出与相位控制字相加后输入到正弦波查询表地址上，调用对应的数值。正弦波查询表包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每一个地址对应了正弦波中0-360°范围内的一个相位点。通过改变寻址的步长来改变输出信号的频率。

发明内容