1999 年 1 月 第 17 卷第 1 期 　 长 沙 铁 道 学 院 学 报 JOU RN AL O F CHA N GSHA RA IL WA Y U N IV ERSIT Y 　 No1 M ar. 1999 双闭环控制变频调速系统的研究 a 黄志武　陈特放　蒋新华 ( 长沙铁道学院信息院 , 长沙, 410075) 摘　要　 介绍一种双闭环控制变频调速系统 . 该系统利用电动机定子有功电流来实现电 动机的力矩控制 , 使系统具有较好的静动态性能且控制简单可靠 . 关键词　 变频调速　双闭环　有功电流 分类号　 T P276 Study on A Double -L oop Controller for VVVF H uang Zhiw u　Chen T efang 　J iang X inhua ( Inform ation Engineering College, Changsh a Railw ay U nivers ity, Ch angsha, 410075) Abstract 　 This paper presents a double -loo p controller fective current of motor stator good dynamic and static character. reliability , etc. to control for VVVF . The system uses ef- torque, so it can be operated w ith It has advantages of simple control, high Keywords 　VVVF ; double -lo op ; effctive current 引　言 随着电力电子技术和控制理论的发展 , 变频调速技术取得了很大的进步 , 多采用 GTO 、 GTR 、IGBT 、IPM 等新型器件作为功率开关元件 , 控制技术从转差频率控制等传统控制方案 发展到矢量控制和直接力矩控制等 , 这些控制方案已从实验室进入工业化阶段 接力矩控制的变频调整系统性能优 等缺点 . 转差频率控制虽然控制简单 , 但它存在动态性能一般的缺点 . . 矢量控制和直 , 但都存在实时计算工作量大 ( 多采用双 CPU ) 、控制复杂 直流电动机的调速系统采用电流、 转速双闭环控制系统 , 该控制方式已相当成熟 . 它的内 , 因此也可以 环的控制对象为电动机电流 , 而他励直流电动机的输出力矩与电动机电流成正比 认为内环的控制对象是电动机的输出力矩 力矩内环保证电动机输出最大的电动力矩 动机电流、转速双闭环控制系统的秘诀所在 . 是否可以将该思路应用于变频调速系统中呢 是本文提出了一种双闭环控制的变频调速系统 . 直流电动机电流、 转速双闭环控制系统利用快速的 , 速度外环实现速度的快速调节及无静差 . 这是直电 ? 于 . 1　系统结构 图 1 为双闭环变频调速系统的结构框图 . 其主电路采用交直交电压型逆变器 , 功率器件采 a 收稿日期 : 1998- 11- 07　　第一作者　黄志武 , 男 , 32 岁 , 讲师 

26　　　　　　　　　　　　长 沙 铁 道 学 院 学 报　　　　　　　　　　　　　 1999 年 用第三代智能型功率器件 IPM , 控制环节采用有功电流、 转速双闭环控制 , 应用微机控制技术 和自诊断技术 . 图 1　双闭环控制的变频调速系统的结构框图 2　控制电路的原理 2. 1　双闭环控制的原理 任何电力拖动系统对于恒转矩负载其运动方程为 : T e - T z = 375* GD 2 dn dt ( 1) 从该式中可以看出拖动系统只要能控制电动机的输出力矩 T e 便能获得较高的动态性能 , 这也是直流电动机电流、 转速双闭环控制系统能获得较高的动态性能的本质所在 . 对于三相异步电动机其转速表达式为 ; n = 60f s 1 - P ( 2) 该式表示电动机的转速 n 与电动机定子频率 f 成正比 , 而且与转差率 s 有关 , 转差率 s的大 小与负载的轻重有关 , 负载愈大则转差率 s 也愈大 . 当电动机气隙磁通恒定时 , 在一定的范围 内电动机输出力矩与转差率 s 成正比 , 这是转差率控制的实质所在 . 电动机定子电流包括有功 能电流和无功电流两个方面 , 无功电流为励磁电流 , 有功电流用来抵消转子电流产生的磁通以 维持磁势的平衡 , 即定子电流中只有有功电流才产生电磁力矩 . 三相异步电动机其转矩表达式 为 : T e = C T * <* I 2′COSU2′ 在 U / F 成比例控制下 , 电动机转子功率因素 COSU2 ′基本保持不变 , 由此可得出电动机输 出力矩 T e 与转子电流 I 2′成正比 , 而定子有功电流又与转子电流 I ′2COS U′2 成正比 , 所以电动 机输出力矩 T e 与有功电流成正比 . 详细内容请参见参考文献 [ 1]. ( 3) 

第 1 期　　　　　　　　黄志武等 : 双闭环控制变频调速系统的研究　　　　　　　　 27 为使控制系统得到定子频率 f 与转速 n 之间的线性关系 , 速度调节器的输出正比与电动 机产生的输出力矩 T e. 由于电动机的输出力矩 T e 与定子有功电流成正比 , 定子有功电流的检 测比电动机输出力矩 T e 的检测要容易得多 , 所以该系统用对电动机有功电流的控制来取代对 电动机输出力矩的控制 , 使控制系统要简单得多 , 其性能比转差频率控制要高但其动态性能比 矢量控制和直接力矩控制要差一些 . 外环采用速度环使系统具有高的稳态精度 . 2. 2　PWM 的形成 控制系统采用 INTEL 公司的先进 16 位电动机控制专用单片机 80C196M C, 其内置的波 形发生器直接对外输出 PWM 信号 , PWM 信号的工作频率即 IPM 的开关频率为 10KHZ , 该 波形发生器的输入信号有两个 , 一个为 CVF, 它是有功电流调节的输出 , 此信号确定了逆变器 的输出频率 f, 另一个信号为 CVA, 它决定了逆变器输出电压的有效值 , CVA 由输出电压控制 器得到 , 它们两个具有一定的关系 , 其目的就是要充分利用电机的铁芯但又不能使铁芯饱和 这就要求电机中的磁场基本恒定不变 , 但由于电机定子侧有电阻和漏抗的存在 , 若用简单的 , U / F 为恒值 , 则电机难以在各个频段获得优良的恒转矩调速 , 因电机在较低频率段运行时 , 特 别在起动时 , 定子电阻产生的压降增大 , 也将引起电机磁场的变化 . 为获得优良的调速性能 , 在 输出电压控制器设置了电阻压降 不产生磁场的电阻和漏抗的存在而产生的影响 IR 补偿和电感压降 IX 补偿电路 , 以消除由于电机定于侧有 . 从而使该系统具有高精度、 宽调整范围 . 3　控制电路的各个环节 3. 1　给定积分电路 给定积分电路使电机在加速过程中实现软起动、 制动 , 从而避免冲击电流 , 这对电机及控 制对象都是有利的 , 也避免变频器本身因过流而出现故障 3. 2　电流调节器 . 电流调节器采用带上下限的比例积分调节器 工作时 , 该调节器使控制系统自动跟踪负载电流的大小 频器也不会因过流而出现故障 . . 当变频器关断时 , 使调节器输出为零 , 正常 , 使电机输出力矩处于较佳的状态 , 变 为了得到频率与速度之间的线性关系 , 从速度调节控制器来的输出信号必须正比于电动 机所产生的转矩 , 电机定子电流的有功部分才产生输出转矩 对象 , 而且有功电流的检测比直接测量输出力矩容易得多 . , 因此采用电机有功电流作为调节 图 2 为有功电流检测电路的方框图 . 它采用霍尔传感器检测电机定子电流 , 利用由不同相 来的信号经检波后 , 在放大器中叠加 , 其输出即为有功电流 . 图 2 同时画出了各点的波形 . 3. 3　速度调节器 速度调节器也采用带上下限的比例积分调节器 , 通过调节比例放大倍数和积分时间常数 , 使速度调节器的输出在一定的范围内与转矩比例关系 有功电流共同产生的 . 为保证负载变化时有较快的动态响应 偿 , 补偿信号由电机的有功电流产生 , 补偿程序可以通过电位器来设定 . 3. 4　输出电压控制器 . 速度反馈信号是通过电机定子频率和 , 在速度反馈支路引入了转差补 输出电压控制器的输入信号包括有功电流调节器的输出 CVA, 它用来控制逆变器的输出电压的幅值 , 为保证电机中的磁场基本恒定不变 CVF 和电机的有功电流 , 输出为 , 加入了定子 

28　　　　　　　　　　　　长 沙 铁 道 学 院 学 报　　　　　　　　　　　　　 1999 年 图 2　有功电流检测电路的方框 电阻 IR 和定子漏感 IX 的降压补偿 , 为克服由于电网电压波动的影响 变化补偿 . 3. 5　实际速度产生器 , 设立了直流母线电压 实际速度产生器的输入为有功电流调节器的输出 CVF 和电机的有功电流 . 前面分析已经 CVF 有一对应的比例关系 , 但也与转差有关 , 负载愈大则转差 知道电机转速与电机给定频率 愈大 , 有功电流也愈大 , 故引入了有功电流对电机转差进行补偿 际电机速度的跟踪 , 这样就省去了维护困难的测速环节 . 3. 6　微机 PWM 形成电路 , 使该产生器的输出实现对实 微机 PWM 形成电路的输入信号为逆变器输出频率给定信号 CVF 和输出电压给定信号 CVA, 它的输出信号为三相逆变器的 元件 . 该电路由单片微机 80C196MC 内置的波形发生器构成 . PWM 信号 , 经触发放大后即可控制逆变器的功率开关 4　结　论 从以上分析可知 : 1) 系统采用了有功电流和速度双闭环控制 速范围宽等特点 ; , 具有高的稳态精度、 优良的动态响应特性和调 2) 系统采用了电机定子电阻压降 IR 补偿和定子漏感 IX 补偿 , 适合于各类负载 ; 3) 系统设立了直流母线电压变化补偿 , 当电网电压波动时 , 输出电压不变 ; 4) 系统采用有功电流来取代电机力矩检测及利用实际速度产生器来跟踪电机实际转速取 代测速环节 , 结构简单可靠 . 因此 , 该双闭环控制系统变频调速系统具有较好的性能 参　考　文　献 , 尤其适合于各类冲击性负载 . 　　 1　黄志武 . 异步电机有功电流控制方法 . 见: 第五届中国交流电机调速传动学术会议论 文集 . 北京 : 中国金属学会冶金自动化专业委员会 . 1997. 147～ 149 2　顾绳谷 . 电机及拖动基础 . 合肥工业大学主编 . 北京 : 机械工业出版社 , 1982. 312～ 338 3　陈伯时 . 电力拖动自动控制系统 . 北京 : 机械工业出版社 , 1997. 48～ 55