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水泥包裝機(jī)主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)研究

2013-03-19 02:02:32胡學(xué)芝劉笑平
湖北理工學(xué)院學(xué)報 2013年2期
關(guān)鍵詞:包裝機(jī)定子矢量

胡學(xué)芝,劉笑平

(湖北理工學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院,湖北黃石435003)

隨著城鄉(xiāng)建設(shè)步伐的加快,國家在基礎(chǔ)設(shè)施方面投資的增加,水泥的需求量日益增大,對水泥包裝的要求,尤其是對計量精度和包裝環(huán)境的要求越來越高。水泥包裝工藝和包裝設(shè)備的更新和改造是提高水泥行業(yè)自動化程度的關(guān)鍵所在,水泥包裝機(jī)主軸采用變頻器調(diào)速以適應(yīng)工人工作所要求的轉(zhuǎn)速和節(jié)能降耗?;贒SP 的水泥包裝機(jī)用交流電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研制,是電機(jī)高性能交流變頻調(diào)速的新技術(shù)之一。本文以DSP 為控制核心,以智能功率模塊作為主電路,采用模糊PI 控制算法,開發(fā)了用于水泥包裝機(jī)主軸的交流電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)。詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的控制原理、硬件組成、軟件設(shè)計,并進(jìn)行了系統(tǒng)實驗,實驗結(jié)果表明該硬件電路的可靠性高、抗干擾能力強(qiáng),系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)性能,在水泥包裝機(jī)中取得了較好的應(yīng)用效果。

1 矢量控制原理

矢量控制調(diào)速系統(tǒng)如圖1所示。本系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子磁場定向控制,在理想條件下,列出系統(tǒng)在A,B,C 坐標(biāo)系下的方程,經(jīng)過坐標(biāo)變換,變換為M-T 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型,使M-T 坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子磁鏈同步旋轉(zhuǎn),并使M 軸沿著轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶糠较?,T 軸垂直于磁鏈?zhǔn)噶糠较?,則轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)矩分別由定子電流的勵磁分量im和轉(zhuǎn)矩分量it獨立控制,并在轉(zhuǎn)子磁鏈幅值保持恒定時,系統(tǒng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制[1]。系統(tǒng)由控制環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)和三相逆變環(huán)節(jié)組成??刂骗h(huán)節(jié)包括速度環(huán)和電流環(huán)調(diào)節(jié)器,分別采用PI調(diào)節(jié)器。檢測環(huán)節(jié)包括三相電流的檢測和電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測,逆變模塊是采用SVPWM 算法將直流電變換成三相交流電[2]。

圖1 矢量控制調(diào)速系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和硬件組成

由于系統(tǒng)控制過程中運算量大,實時性要求高,控制中不僅要進(jìn)行Clarke 變換、Park 變換及其逆變換,而且還要進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)的PI 調(diào)節(jié)及SVPWM 算法運算,因此本系統(tǒng)選用DSP 作為主控芯片,主電路采用IPM 模塊。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)模式,外環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)采用模糊PI 調(diào)節(jié)器,內(nèi)環(huán)電流環(huán)采用PI 調(diào)節(jié)模式,使系統(tǒng)達(dá)到更好的控制效果。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 運算控制單元

本系統(tǒng)以TMS320F28335 作為核心控制芯片,它是TI 公司最新推出的32 位浮點DSP控制器,具有150 MHz 的高速處理能力,具備32 位浮點處理單元,有多達(dá)18 路的PWM 輸出,其中有6 路為TI 特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM),能靈活配置死區(qū)時間,6 個DMA 通道支持ADC、McBSP 和EMIF,12 位16通道ADC,其精度和可靠性較TMS320F2812有較大的提高;TMS320F28335 增加了單精度浮點運算單元(FPU)和高精度PWM,且Flash增加了一倍(256 k×16 Bit),增加了一個CAN通訊模塊,一個SCI 接口和一個SPI 接口;它采用內(nèi)部1.9 V 供電,外部3.3 V 供電,因而功耗大大降低??傊涮攸c是精度高、成本低、功耗小、性能高、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)以及程序存儲量大、A/D 轉(zhuǎn)換更精確快速等,是用于電機(jī)控制的理想芯片。

2.2 功率變換模塊

系統(tǒng)主電路采用交-直-交電壓型變壓變頻電路,主電路分為不控整流和逆變2 部分,逆變部分選用了三菱智能 IPM 模塊PM200CVA060 作為逆變器,該模塊將功率開關(guān)IGBT 和門極驅(qū)動電路集成在一起,它包含了6 個IGBT、6 個續(xù)流二極管、柵極驅(qū)動電路、邏輯控制電路以及欠壓、過流、短路、過熱等保護(hù)電路,當(dāng)出現(xiàn)過熱、過流、短路和欠壓等故障時,輸出故障信號至DSP 的PDPINT 中斷口(低電平有效),DSP 立即作出相應(yīng)的中斷處理,封鎖PWM 輸出并停止運行。應(yīng)用時只需在IPM 控制端口和PWM 信號之間加入光電隔離電路即可。應(yīng)用IPM 模塊后使整個電路實現(xiàn)簡單,并且可靠性得到了有效提高。

2.3 信號檢測

信號的檢測主要是轉(zhuǎn)速和電流的檢測。在本系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的檢測采用2500 線的增量式光電編碼器進(jìn)行檢測,將所檢測到的2 路正交脈沖信號接入TMS320F28335 的正交編碼脈沖輸入單元(EQEP),DSP 對脈沖前后沿計數(shù),并進(jìn)行4 倍頻后由定時器對脈沖進(jìn)行計數(shù),并由M/T 算法得到當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。衡量光電編碼器的性能指標(biāo)之一是分辨率,對增量式編碼器而言,常用每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)表示,現(xiàn)已有20~30 000 Pr 等各種分辨率。本系統(tǒng)中DSP 對光電編碼器輸入的信號4 倍頻后可達(dá)到每轉(zhuǎn)10 000 次計數(shù),檢測精度高。

與TMS320F2812 相比,TMS320F28335 能提供更準(zhǔn)確的采樣基準(zhǔn),并能內(nèi)部糾正偏置誤差。由于對電機(jī)定子電流的檢測只需檢測兩相電流,本系統(tǒng)采用高精度的LAH25-NP 型霍爾電流傳感器測量定子電流,其供電電壓為15V。由于TMS320F28335 的ADC 模塊的輸入電壓范圍是0~3 V,因此應(yīng)將經(jīng)電流霍爾檢測到的電流信號調(diào)整為0~3 V 范圍的電壓信號后再接入DSP 的A/D 采樣端口,定子電流檢測電路如圖3所示。

圖3 定子電流檢測電路

3 SVPWM 調(diào)制方法及實現(xiàn)

本控制系統(tǒng)采用空間電壓矢量調(diào)制方式生成逆變器開關(guān)信號,電機(jī)的相電壓由三相逆變器橋臂上下功率管開關(guān)狀態(tài)決定,而逆變器共有8 種開關(guān)狀態(tài),形成8 個基本電壓空間矢量,其中6 個是幅值為2Ud/3、相位依次相差60o的非零矢量,2 個零矢量??臻g矢量關(guān)系圖如圖4所示,8 個矢量分別是100,110,010,011,001,101,000,111,基本電壓矢量均勻分布在復(fù)平面上,形成正六邊形電壓空間矢量軌跡,為了使正多邊形能進(jìn)一步逼近電壓圓,可利用基本電壓矢量進(jìn)行線性組合來得到新的電壓矢量,以形成邊數(shù)足夠多的電壓多邊形[3-4]。由圖4 可知,以Ⅰ扇區(qū)為例,任意扇區(qū)要合成參考電壓矢量Uref,可由扇區(qū)兩邊基本矢量和零電壓矢量通過平行四邊形法則合成,設(shè)PWM 周期為T,t1、t2、t0、t7分別為相U4、U6、U0、U7作用的時間,則有如下矢量關(guān)系:

根據(jù)平形四邊形關(guān)系,得:

式中Udc為直流母線電壓。

圖4 空間矢量關(guān)系圖

應(yīng)用DSP 產(chǎn)生SVPWM 波時一般采用矢量合成式SVPWM 法,根據(jù)上式的計算值確定矢量作用時間,具體步驟為:首先判斷參考電壓矢量所在的扇區(qū),然后根據(jù)式(3)~(5)計算出各電壓矢量作用時間,最后根據(jù)前面計算的各矢量作用時間,確定空間矢量序列生成SVPWM 波。在實現(xiàn)中為了降低開關(guān)損耗,每次從一種開關(guān)狀態(tài)切換到另一種開關(guān)狀態(tài)時保證只有一個開關(guān)動作[5]。本系統(tǒng)采用的是7 段式電壓空間矢量PWM 波形,它們是3 段零矢量和4 段相鄰的2 個非零矢量,3 段零矢量分別位于PWM 波的開始、中間和結(jié)尾。以第Ⅰ扇區(qū)為例,每個PWM 波的零矢量和非零矢量施加的順序,以及對應(yīng)的時間如圖5所示。

圖5 PWM 波形順序

在TMS320F28335 中是使用EPWM 模塊產(chǎn)生PWM 信號輸出給開關(guān)管的驅(qū)動電路,EPWM使用軟件生成SVPWM 信號很方便。本例在EPWM 的設(shè)置中,選用CAPA 設(shè)置觸發(fā)時刻和觸發(fā)信號占空比,TBPRD 設(shè)置開關(guān)頻率,CMPCTL 設(shè)置計數(shù)模式。通過DBFED 和DBRED 設(shè)置死區(qū)單元,避免了上下開關(guān)管直通[6]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件主要包括主程序與中斷控制子程序,其中DSP 主程序模塊主要完成對系統(tǒng)和子程序模塊的初始化,如芯片的初始化、變量的定義以及初始化,各種特殊功能模塊的初始化;如輸入輸出口、時間管理器、系統(tǒng)的啟動、停機(jī)的控制、AD 轉(zhuǎn)換的初始化等。主程序流程圖如圖6所示。中斷程序是整個控制系統(tǒng)的核心,它主要完成電壓、電流的采樣及AD轉(zhuǎn)換,速度檢測與計算,電流環(huán)和速度環(huán)的數(shù)字PI 調(diào)節(jié)子程序,Park 變換和逆變換、Clarke變換、磁鏈估計、SVPWM 信號生成及對硬件的軟件保護(hù)等,系統(tǒng)矢量控制程序在中斷中完成。中斷程序流程圖如圖7所示,速度PI 調(diào)節(jié)流程圖如圖8所示。

圖6 主程序流程圖

圖7 中斷程序流程圖

圖8 速度PI 調(diào)節(jié)流程圖

5 實驗結(jié)果及結(jié)論

實驗采用的參數(shù)如下:電機(jī)額定功率為4 kW,額定轉(zhuǎn)速1 440 r/min,額定電壓為380 V,額定電流為8.8 A,額定頻率為50 Hz。PWM1 與PWM4 的互補(bǔ)波形如圖9所示,死區(qū)時間不大于2.5 μs。啟動時定子電流波形如圖10所示(定子電流:橫軸為250 ms/格,縱軸為2 A/格;轉(zhuǎn)速:橫軸為250 ms/格,縱軸為400 r/min/格),啟動時間大約需1.25 s,啟動電流比穩(wěn)態(tài)時約大2 倍。50 Hz 時定子穩(wěn)態(tài)時的電流波形如圖11所示,由圖11 可知其諧波小于0.6%,波形平穩(wěn),調(diào)速性能理想。

圖9 PWM1 與PWM4 的互補(bǔ)波形

圖10 啟動時定子電流波形

圖11 穩(wěn)態(tài)時定子電流及其諧波分析

本文研究的是基于高性能的DSP 芯片的水泥包裝機(jī)主軸調(diào)速系統(tǒng),系統(tǒng)采用矢量控制模式,由于運用TMS320F28335 芯片的片上資源,完成了本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、矢量控制和SVPWM波形生成,它有效地解決了實際矢量控制實現(xiàn)時運算量大而引起的實時性問題,獲得了越來越多的應(yīng)用。本方案硬件結(jié)構(gòu)簡單,實驗表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、故障保護(hù)快、動態(tài)性能好、控制精度高,應(yīng)用于水泥包裝機(jī)主軸調(diào)速系統(tǒng)中性能良好,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益,為水泥包裝機(jī)主軸調(diào)速系統(tǒng)更新?lián)Q代提供了好的途徑。

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