IGBT 및 MCS96 시리즈 CPU 칩이 지원하는 전체 디지털 회전 벡터 제어 시스템을 설계했습니다. 이 시스템은 정확도가 높고, 속도 조절 범위가 넓으며, 동적 응답이 빠르고, 에너지 절약 효과가 뛰어나며, 안정성이 높고, 고조파 전류가 적고, 전력망 오염이 적고, 안전하고, 보호 기능이 완전하다는 장점이 있습니다. CNC 공작 기계의 스핀들 서보 구동뿐만 아니라 일반 공작 기계, 팬, 펌프 및 기타 구동 기계의 속도 제어에도 널리 사용됩니다.
2 제어 정책
벡터 변환 제어는 모터 통일론, 기계 에너지 변환, 좌표 변환 이론을 바탕으로 발전되어 선진성, 참신성, 실용성의 특징을 가지고 있다. 벡터 제어는 AC 모터를 DC 모터로 시뮬레이션하여 AC 모터를 제어하는 것입니다. 좌표 변환을 통해 AC 모터의 고정자 전류 벡터를 회전자 자기장 방향에 따른 두 개의 DC 구성요소로 분해하고 두 구성요소를 제어합니다. 벡터 제어에 기반한 비동기 모터의 수학적 모델은 회전자 자기장 방향의 비동기 모터의 전압 방정식 [3] 입니다.
이를 바탕으로 벡터 제어의 기본 방정식은 다음과 같이 파생될 수 있습니다
M, T 좌표는 동기화 각속도 S 회전으로, M 축은 회전자 자기ψ R 과 일치하고, M 은 회전자 자기속 방향각으로 시간에 따라 변합니다.
고정자 3 상 전류 iA, iB, iC 는 좌표 변환을 거쳐 동시 회전 M, T 좌표의 두 가지 전류 구성요소인 iM, iT 를 얻습니다. 이들 사이의 변환 관계는 다음과 같습니다
위의 원칙에 따라 벡터 제어 시스템의 상자 그림은 1 과 같습니다.
그림 속 인버터는 전류 추적 PWM 인버터로, 여기 주어진 * R 은 ωr/R 함수 발생기에서, 토크 주어진 T*m 은 속도 조절기 St 에서, 벡터 컨트롤러는 φ*r 과 t * m 에 따라 여자 전류를 계산합니다. 주어진 i*T 및 회전 각도 주파수는 ω*f, ω* f 및 모터 속도 ω 를 제공합니다.
3 상 전류 iA, iB 및 iC 는 필드 방향 전류 구성요소 iM 및 iT 를 얻기 위해 벡터 변환기에서 변환됩니다. IM 과 iT 는 각각 i*M 및 i*T 와 비교되며, 그 편차인 δIM 과 δiT 는 3 차 히스테리시스 컨트롤러에 의해 출력됩니다. DM, dT, M 은 스위치 제어 테이블을 통해 적절한 전압 벡터를 선택하는 데이터 단어를 구성하며, 동시에 스위치 펄스 s a, SB, SC 세트를 생성하여 인버터가 적시에 정확하게 제어되도록 하여 우수한 속도 조절 성능을 얻을 수 있습니다.
3 시스템 하드웨어 설계
인버터는 AC -DC- AC 전압 구조와 SPWM 자속 벡터 제어 방식을 사용하며, 주 회로는 주로 정류 회로, 필터 회로 및 인버터 회로로 구성됩니다. 인버터 회로는 IGBT 모듈로 구성되며, 제어 부분은 80C 196 듀얼 CPU 를 중심으로 모든 기능을 갖춘 디지털 회전 벡터 제어 시스템을 구성합니다. 이 시스템은 다음과 같은 모든 하드웨어를 갖춘 범용 모듈 구조를 사용합니다.
시스템 하드웨어 블록 다이어그램은 다음과 같습니다.
CPU 1# 주로 속도 루프 작업을 완료하고 속도 감지, 지정된 속도의 A/D 샘플링, 키보드 입력, 매개변수 수정, 상태 표시, 보호 기능, 문제 해결 등의 기능을 수행합니다. CPU 1# 가장 중요한 작업은 CPU2# 에 명령 신호 i*M, i*T 및 ω*f 를 제공하는 디지털 속도 조절기 및 회전 속도 조절기를 구현하는 것입니다.
CPU2# 는 주로 전류 루프 작업을 완료하고 12 비트 A/D 를 통해 3 상 전류, 전압 신호 값을 얻은 다음 * * 공유 RAM 에서 CPU 1# 에서 제공하는 명령 값과 같은 중요한 시스템 매개변수를 얻습니다. 벡터 변환 원리에 따라 벡터 변환 작업을 수행합니다. 토크 각도 생성기, 회전자 체인 위치 합성기, MT/ABC 회전 변환기, 전압 벡터 최적화기, 0 벡터 동작 시간 결정기 및 전류 지연 비교기로 구성됩니다. 벡터 제어의 주요 작업을 완료합니다. 출력된 제어 전압 벡터는 8255 로 구성된 연동 구동 신호 회로로 들어가 옵토 커플러를 통해 IGBT 기반 구동 회로로 들어갑니다.
4 시스템 소프트웨어 설계
이 이중 기계 시스템에서 CPU 1# 은 주로 속도 외부 링 조정을 완료하고 CPU2# 에 PWM 리소스를 제공하며 CPU2# 는 주로 전류 내부 루프 조정을 완료하며 둘 다 8150 을 누립니다 시스템의 실시간 요구 사항은 매우 강하다. 따라서 시스템 소프트웨어는 어셈블리 언어에서 원래 코드의 부호없는 수를 사용하여 다음과 같이 모듈식으로 컴파일됩니다.
이 시스템은 고정자 전류의 순간 위치 및 크기를 제어하여 모터의 토크 및 회전 속도를 제어하기 때문에 전류 따르기 특성이 이 시나리오를 구현하는 열쇠입니다. 고급 CPU2# 칩을 채택하고 프로그램 설계를 개선하여 시스템 실행 속도를 크게 높였습니다.
여기에는 3 상 전류 히스테리시스 비교 체계가 사용됩니다. 즉, 3 상 전류 주어진 값은 CPU2# 에 의해 얻어지고, 실제 3 상 전류는 3 개의 홀 요소에 의해 직접 측정되며, 두 가지를 비교하면 전류 히스테리시스 비교기의 입력으로 각 단계의 출력 전압 벡터 제어 신호를 얻을 수 있습니다. 또한 A/D 링크 샘플링의 실제 전류 값의 불확실성으로 인한 시스템 운영 오류 및 오류도 방지할 수 있습니다. 각 출력 신호는 단상 브리지 트랜지스터의 개통 및 끄기를 제어하여 각 위상의 전류 편차가 히스테리시스 폭 내에서 제어되도록 합니다. 히스테리시스 폭이 작을수록 스위치 주파수가 높을수록 위상 전류가 사인파에 가까워집니다. 그러나 빈도는 스위치 구성요소의 스위치 주파수 제한 기능에 의해 제한됩니다. 구성요소의 스위치 주파수를 최소화하기 위해 이 시나리오는 출력 전압 벡터를 최적화하고 0 전압 벡터를 유연하게 삽입합니다. 실제 작동에서 볼 수 있듯이, 모터 작동의 고파 컴포넌트를 효과적으로 줄이고, 전류 파형을 크게 개선하며, 시스템의 안정성을 높이고, 주 회로의 열 손실을 현저히 낮춘다. 5 보호 회로 설계
감지 및 보호 회로는 주파수 변이기의 생명선으로 잘 설계되고 기능이 완비된 감지 및 보호 회로가 항상 중요한 것으로 알려져 있습니다. 제어판이 주 회로에서 감지한 신호는 6 가지가 있으며 벡터 제어 알고리즘과 다양한 보호 기능을 완료하는 데 사용됩니다.
5. 1 전류 감지 및 과전류 보호 회로
전류 감지 신호는 인버터 U, V 2 상 출력부의 홀 구성요소에서 온 것으로, 홀 구성요소는 소켓 CN2 를 통해 15V 전원을 공급받습니다. U, V 2 상 전류 감지 신호는 1 차 연산 증폭기 A6, A5 를 통해 20 배 확대한 후 2 차 연산 증폭기 A8, A7 로 전송됩니다 (그림 3 참조).
과전류 보호의 동작 값은 2 단계 연산 증폭기의 배율을 조정하여 결정할 수 있습니다. U 와 V 상 전류는 역상 가산기 A9 에 의해 겹쳐져 W 상 전류 신호를 얻습니다. U, V, W 상 전류는 각각 두 비교기의 양수 및 음수 입력 끝으로 전송됩니다. 비교기의 양수 및 음수 입력 끝에 대한 참조 전압은 각각+10V 및-10V 입니다. 3 상 전류가 정상일 때 해당 전압은 10V 사이이고 6 개 비교기의 입력은 1 입니다. 이 신호는 트랜지스터 역상으로 멀티바이브레이터 D4528 로 구성된 단일 안정 트리거로 전송됩니다. -Q 출력은 0 이고 비교기 A 17 과 A 18 의 출력 신호도 0 이어야 보호 회로가 작동하지 않습니다. 과전류가 발생하면 비교기의 위상 및 출력 신호는 0 이고, D4528 의 입력 신호 (핀 12) 는 1 이며, 단 안정 지연 후 출력은 1 이 됩니다. 트랜지스터 N2 를 확대한 후 GTR 의 구동 신호를 끄고 CPU 에 과전류 경보 신호를 보내도록 지시합니다. 단 안정 트리거의 역할은 특정 간섭 신호 또는 순간 피크 전류로 인해 보호 회로가 잘못되는 것을 방지하는 것입니다.
5.2 과압 및 저전압 보호 회로
DC 전압 감지는 중간 DC 루프의 양쪽 끝에서 신호를 수집합니다 (그림 4 참조). DC 고압 (약 600V) 은 R6 1 및 R62 분압을 거쳐 4 개의 비교기 A 1 ~ A4 의 양수 입력으로 전송되어 A, B, C, D 4 개의 참조 전압과 비교되어 과압 저전압 보호를 완료합니다.
비교기 기준 전압은 저항 R5 1 ~ R57 로 구성된 분압기에서 가져온 것입니다. 10V 의 표준 전압이 저항 분압을 통과한 후 4 개의 서로 다른 참조 전압을 꺼내 각각 4 개의 비교기의 반대 입력 끝으로 보냅니다. 비교기의 출력 신호는 옵토 커플링에 의해 격리되고 저항과 콘덴서 필터를 거친 후 슈미트 인버터로 CPU 에 전달되어 처리됩니다. 다른 세 비교기의 주변 저항 매개변수는 동일합니다.
일반적으로 전압 샘플 값 (약 3V) 은 B 점과 C 점 전위 사이에 비교기 A 1 및 A2 출력 1, A3 및 A4 출력 0 입니다. B 와 c 사이의 전압 범위는 매우 크다. 전원 전압이 300 ~ 460 V 사이에서 변경되면 주파수 변환기가 정상적으로 작동합니다. A, b, c, d 사이의 전압 범위는 매우 작습니다. 전압이 이 이 범위를 벗어나면 인버터가 과압 또는 저전압 경보 신호를 보내고 예정된 제어 순서에 따라 다운됩니다.
5.3 과열 감지 회로
선내 4 개의 열침에는 각각 하나의 열 요소 PTH5~PTH8 이 장착되어 있으며, 4 개의 열 요소가 연결된 후 옵토 커플러 P4 에 연결됩니다. 그 구조도는 그림 5 에 나와 있다. 일반적으로 열 구성요소는 NC 이고, 옵토 커플러 출력 신호는 0 입니다. 방열판이 과열되면 열 소자가 분리되고, 광결합 출력 신호는 1 이며, RC 필터를 통과한 후 GTR 의 구동 신호를 꺼서 CPU 에 과열 경보 신호를 보내라고 알립니다.
5.4 접지 오류 감지 회로
접지 오류 감지는 그림 6 과 같이 주 회로에 장착된 코일을 통해 3 상 전류 균형을 감지함으로써 수행됩니다. 일반적으로 옵토 커플링의 컷오프 출력은 1 입니다. 상대적 누전 시 3 상 전류가 불균형하고 코일 감지의 전위 전도 옵토 커플러 P5 12 를 감지하여 고장 신호를 보냅니다.
5.5 퓨즈 퓨즈 퓨즈 검출 회로
퓨즈 감지는 그림 6 과 같이 F 의 양단 전압 신호를 취합니다. 빨리 녹을 때 양끝의 전압이 매우 작아서 보호 회로가 움직이지 않는다. 빠른 용융이 과전류로 인해 녹으면 양끝의 전압이 높아지고, 옵토 커플링이 오류 신호를 보내며, 두 슈미트 인버터에 의해 CPU 로 구동됩니다.
5.6 속도 샘플링
이 시스템은 정확한 속도 샘플링 신호를 요구하는데, 이는 일반 속도 측정 장치가 만족시키기 어렵기 때문에 1024 고해상도 로터리 인코더를 사용합니다. A, B 2 상 신호는 격리되어 광커플링을 통해 디지털 속도 측정 장치를 입력합니다.
6 실험 결과 및 결론
다음은 22kVA 용량의 주파수 변이기의 주요 기술 지표입니다. 출력 전류는 3 1A, 기본 회전 속도는 1500r/min, 속도 조절 범위는 50 ~ 4800r/min, 속도 조절 정확도는 최대 회전 속도보다 작습니다.
그림 7 은 10Hz 에서 3 전류 히스테리시스 제어 및 최적화된 전압 벡터 제어 인버터의 출력 전압 및 전류 파형을 보여 줍니다. 실제 파형에서 볼 수 있듯이, 전류의 고차 파형 컴포넌트는 매우 작다.
그림 8 은 시스템의 동적 응답 곡선을 보여줍니다. 시스템이 정상 상태로 들어가면 갑자기 부하가 가해지고 (TL = 50n·m), 최대 동적 회전 속도가 9r/min 에 불과하며 복구 시간도 짧습니다. 시스템은 무부하 및 부하 조건에서 정상 상태 오차가 없고, 동적 응답이 빠르고, 속도가 너무 빠르며, 간섭 방지 능력이 강하다.
결론적으로, 이 인버터는 전체 설계가 주도면밀하고 구조가 복잡하며 성능이 우수하며 보호 기능이 완비되어 좋은 보급 응용 효과를 거두었다.