礦山帶式輸送機變頻操作系統設計摘要第三次科技革命被稱之為電子革命。電子設備運用到社會生活的各個方面。工廠、礦山等重工業生產的產品在利用傳統的生產工具的基礎之上與現代電子生產設備相結合。變頻器是一種數字式變頻運轉設備及相關的散熱技術為一體的高新技術產品。用在鏈式運轉器上能夠降低對輸送帶帶強的要求，減少先期投入，可延長運轉器使用使用周期。變頻器具有明顯的節能效應，實現經濟運行，變頻器工作時，可根據電機的負荷變化，調整電機工作電源電壓和周期，達到所需轉矩。用變頻器對礦井下-845主運傳輸帶運輸機變頻器機繼電操作系統的改造闡述變頻器在產品性能、運行周期的功率、及后期正常維護的優越性，希望本文的研究對后期這方面的研究提供一定的可行性文獻。關鍵詞：帶式輸送機、變頻器、改造、干擾abstract: drive (mine flameproof and intrinsically safe ac inverter) rated voltage 660v ac 50hz, or 1140v asynchronous motor heavy-duty soft start, soft stop and running speed control, starting current, stable starting speed, start time is adjustable, small impact on power, reliable starting performance. is a digital frequency control devices and related cooling technology as one of the high-tech products. used in belt conveyor can reduce conveyor belt requirements, reduce upfront investment to extend the conveyor life. converter with energy-saving effect, economic operation, the inverter operates according to the motor load changes, adjust the motor supply voltage and frequency to achieve the required torque. explained the transformation of the mine -845 main transport belt conveyor ac motor relay control system with inverter inverter in product performance, the efficiency of the running cycle, and the superiority of the latter part of normal maintenance, and hoped that this paper late provide feasibility document.keywords: belt conveyor, the drive, the transformation of interference目 錄摘要1abstract11. 礦山帶式輸送機變頻操作技術及其應用32. 礦山帶式輸送機變頻操作系統的主要特點及工作要求43.礦山帶式輸送機變頻操作運轉方式63.1 v/f協調操作63.2變量操作73.3直接轉矩操作73.4靜止傳感器變量操作74. 礦山帶式輸送機變頻操作操作策略分析84.1 uf操作.84.1.1異步傳感器的工作原理及其等效電路84.1.2維持uf常數的簡單開環操作104.2靜止傳感器變量操作124.2.1基本原理124.2.2靜止變電器變量操作總體方案134.2.3有速度變電器變量操作方案164.3建模與仿真174.3.1靜止變電器變量操作系統仿真175. 礦山帶式輸送機變頻操作功率平衡及設計方法185.1 常用計算比較185.2 等效范圍法195.3 操作規律 215.4 硬件結構： 215.5 系統軟件設計 225.6實驗及結論 235.7計算的原理 245.8 計算的分析及其在dsp上的實現 255.9變頻系統的最終實現 276.礦山鏈式運轉器變頻操作運轉自動操作系統總體設計376.1總體說明376.2設計依據及設計原則376.2.1本電控系統設備符合下列標準的規定和要求：376.3系統技術參數386.3.1主要技術參數386.3.2工作生態條件386.3.3貯運氣候生態條件386.4電控設備總體技術方案386.4.1總體技術方案386.4.2操作系統396.4.3主要操作單元396.5系統特點396.6主要電控設備的主要特點406.7運行效果及分析417結語42參考文獻42第一章 礦山帶式運轉器變頻操作技術及其應用利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一周期的電能操作設備稱為雙逆變電運轉技術，是一種無附加轉差損耗的高效運轉方式，將工頻變頻器壓變為恒定電流壓則通過整流橋，再由逆變器轉換為周期、電壓可調的變頻器壓作為變頻器機的驅動電源，讓傳感器在不可以工作情況下獲得所需電壓和電流，根據電機負載的變化實現自動、平滑的增速、減速來實現變頻器提高工作功率。結合了微機技術、電力電子技術和電機傳動技術的應用，將強弱電混合、機電一體的綜合性技術，在能源危機中從而卓越發展。鏈式運轉器的最新發展方向時一呈現長距離、大運量、高速度、集中操作等特點。同其他運輸設備(如機車類)比較，其特點不僅具有長距離、大運量、連續運輸，并且運行可靠，方便實現自動化和集中操作，經濟效益尤為顯著。作為煤礦最理想的高效連續運輸設備鏈式運轉器，尤其是大型礦井的煤礦高產高效現代化，在煤炭高效開采機電一體化技術與裝備中鏈式運轉器己成為關鍵設備。理論研究和產品開發為煤礦現代化發展和需求提供了技術支持，如大傾角固定鏈式運轉器、高產高效工作面順槽可伸縮鏈式運轉器及長運距、大運量鏈式運轉器及其關鍵技術、關鍵零部件，利用動態分析技術和中間驅動與智能化操作等技術，成功的研發軟啟動和制動設備以及dra操作為核心的電控設備，同時井下大功率防爆變頻器也已經進入研發、試制階段。鏈式運轉器各項技術的提高直接推動了高產高效礦井的發展.本文在對常規上運鏈式運轉器驅動及制動方案的理論研究的基礎上，提出長運距、大運量上運鏈式運轉器常見驅動方式和制動方法，通過系統的動態建模評價和仿真分析，結合了靜態設計結論和動態分析結果，指出長運距、大運量上運鏈式運轉器啟動、運行和制動過程中出現的狀況，提出可行性操作理論和解決方案。在井下上運鏈式運轉器原理及應用了解基礎上，在煤礦中目前最理想的運輸工具鏈式運轉器，其特點是距離、大運量、連續運輸、運行可靠、易于實現自動化和集中操作，同其他機械設備毫無可比性，在今后總體設計、cad畫圖等方面做了充足的準備。煤礦的經濟效益和生產功率隨著我國經濟迅速健康發展在提升，作業危險降低，煤礦實現現代化生產的重要目標便是發展鏈式運轉器。 第二章 礦山帶式輸送機變頻操作系統的主要特點及工作要求變頻運轉是近年來興起的一門新技術，它是通過改變電源周期來實現速度的調節，因其具有運轉平穩、瞬態穩定性高、節能等特性越來越被人們所重視。隨著變頻運轉技術的不斷成熟，變頻運轉設備在傳輸帶運輸設備上的應用也越來越廣泛。傳輸帶運輸變頻運轉操作設備具有以下特點：1）真正實現了鏈式運轉器系統的軟起動。運用變頻器的軟起動功能，將電機的軟起動和傳輸帶機的軟起動合二為一，通過電機的慢速起動，帶動運轉器緩慢起動，將傳輸帶內部貯存的能量緩慢釋放，使運轉器在起動過程中形成的張力波極小，幾乎對傳輸帶不造成損害。2） 實現鏈式運轉器多電機驅動時的功率平衡。應用變頻器對運轉器進行驅動時，一般采用一拖一操作。當多電機驅動時，采用主從操作，實現功率平衡。傳輸帶運轉器綜合保護系統能夠很好的與變頻器實現接口操作，通過功率平衡調節軟件能夠使一條傳輸帶運轉器上的多臺變頻器的外傳功率保持一個穩定的狀態，使傳輸帶運轉器的運行功率得到提高，而且能夠及時發現傳輸帶運行過程中的機械磨損問題。3）降低傳輸帶強要求。采用變頻器驅動之后，由于變頻器的起動時間在1s3600s可調，通常運轉器起動時間在60s200s內根據現場設定，運轉器的起動時間延長，大大降低對傳輸帶帶強的要求，降低設備初期投資。4） 降低設備的維護量。變頻器是一種電子器件的集成，它將機械的使用周期轉化為電子的使用周期，使用周期很長，大大降低設備維護量。同時，利用變頻器的軟起動功能實現鏈式運轉器的軟起動，起動過程中對機械基本無沖擊，也大大減少了傳輸帶運轉器系統機械部份的檢修量。5） 啟動平滑，轉矩大，沒有沖擊電流，可實現重載啟動。6）節能。在鏈式運轉器上采用變頻驅動后的節能效果主要體現在系統功率因數和系統功率兩個方面。（1）提高系統功率因數通常情況下，煤礦用電機在設計過程中放的裕量比較大，工作時絕大部分不能滿載運行，電機工作于滿電壓、滿速度而負載經常很小，也有部分時間空載運行。由電機設計和運行特性知道，電機只有在接近滿載時才是功率最高、功率因數最佳，輕載時降低，造成不必要的電能損失。這是因為當輕載時，定子電流有功分量很小，主要是磁場的無功分量，因此功率因數很低。采用雙逆變電驅動后，在整個過程中功率因數達0.9以上，大大節省了無功功率。（2）提高系統功率采用雙逆變電驅動之后，電機與減速器之間是直接硬聯接，中間減少了液力耦合器這個環節。而液力耦合器本身的傳遞功率是不高的，且主要是通過液體來傳動，液體的傳動功率比直接硬聯接的傳動功率要低許多，因而采用雙逆變電驅動后，系統總的傳遞功率要比液力耦合器驅動的功率要高5%10%。另外，礦井通常離變電站距離較遠，不同時段電壓波動較大，利用雙逆變電的自動穩壓功能，也有部份節能作用.綜上所述，采用鏈式輸送變頻運轉操作技術來改造傳統的鏈式運轉器驅動系統，不僅在技術的先進性還是帶來的社會及經濟效益方面都是巨大的，隨著變頻運轉技術的不斷成熟，在鏈式運轉器的驅動上雙逆變電將占主導地位。紅陽三礦井下-845主運鏈式運轉器是礦井理想的高效連續運輸設備,對礦井生產起決定性作用。工藝要求:1）實現快速的起制動。2）平滑的無級運轉特性。3）電力拖動操作系統在最高轉速和最低轉速的范圍內自動調節速度,并要求在不同轉速下工作時,速度穩定。4）系統在某一轉速上穩定運行時,能克服負載的擾動、電源電壓波動等因素對系統的影響。在20世紀90年代,由于變頻器操作技術及市場產品還沒有得到推廣應用,因此選用了高壓直起對-845主運鏈式運轉器進行運轉操作。但在多年的運行中,高壓直起操作系統存在動態特性差,故障率高,維護困難等缺點,主要表現在以下方面:（1）操作系統集成化程度低、分立元器件多,體積大,元器件易受生態溫度、粉塵、振動等因素的影響,操作精度低。（2）操作單元插件板常出現接觸不良故障。（3）系統操作回路為繼電操作回路,故障率高。（4）高壓真空電磁起動器結構復雜,維修成本高、維護故障量大。（5）系統運行的可靠性和穩定性差。因此，為了解決以上問題,提出了-845主運鏈式運轉器采用變頻器操作的改造要求。第三章 礦山帶式輸送機變頻操作運轉方式第一節 v/f協調操作 雙逆電源器的感應電勢e=4.44nf（n為繞組有效匝數）。忽略定子繞組的阻抗，定子電壓ue=4.44nf。當改變周期f運轉時，如電壓u不變，則會影響磁通。例如，當變頻器供電周期降低時，若保持變頻器的端電壓不變，那末變頻器中的匝數將增大。由于變頻器設計時的磁通選為接近飽和值，匝數的增大將導致變頻器鐵心飽和。鐵心飽和后將造成變頻器中流過很大的磁場電流，增加銅耗和鐵耗。而當供電周期增加，變頻器將出現欠磁場。因為t=cmi2cos2（cm為變頻器結構決定的轉矩系數，i2為轉子電流折算值，cos2為轉子功率因數），磁通的減小將會引起變頻器外傳轉矩的下降。因此，在改變變頻器的周期時，應對變頻器的電壓或電勢同時進行操作，即變壓變頻（vvvf）。 v/f協調操作可近似保持穩態磁通恒定，方法簡單，可進行變頻器的開環速度操作。主要問題是低速性能較差。因為低速時，異步傳感器定子電阻壓降所占比重增加，已不能忽略，不能認為ue，這時v/f協調操作已不能保持恒定。 由于v/f協調操作是依據穩態關系得出，因而動態性能較差。如欲改善v/f協調操作的性能，需對磁通進行閉環操作。第二節 變量操作 根據t=cmia，磁場和電樞繞組在空間位置上互差90各自獨立性，將機械能轉化為電能是導致恒定傳感器的優良啟動性和運轉性能恒定傳感器的作用，而恒定傳感器的性能與其磁場方式緊密相聯，當磁場與電樞繞組在沒有電情況下，那么另外恒定電流源供給磁場繞組，所以，電樞端電壓或電樞電流對磁場電流不造成影響。由于恒定傳感器存在電磁轉矩，因此改變轉矩只要操作點數電流或電樞電壓。由氣隙旋轉磁場與轉子繞組感應電流相互作用產生電磁轉矩是異步傳感器,轉子繞組不需與其他電源相連是它主要特點，其定子電流直接取自變頻器力系統。以一種變頻器機，它負載時的轉速與所接電網的周期之比不存在恒定關系，因此電磁轉矩與定子電流并不成比例。依照恒定傳感器的操作原理是變量操作的思路，將變頻器機的動態數學方程式進行坐標變換，包括三相至二相的變換（3/2）和靜止坐標與旋轉坐標的變換，將定子電流從而分解成磁場分量和轉矩分量（解耦），則可以根據可測定的傳感器定子電壓、電流的實際值通過評價得出，然后閉環操作分別和設定值一起構成，通過調節器的作用，再經過坐標反變換，變成定子電壓的設定值，做到了逆變器的pwm操作。所以變量操作和恒定傳感器同樣有著優異操作性能。第三節 直接轉矩操作 分別操作異步傳感器的轉矩和磁鏈也是直接轉矩操作，只是它選擇定子磁鏈作為被操作的對象，并不像變量操作系統那樣選擇了轉子磁鏈，因此可以直接在定子坐標上評價與操作交流傳感器的轉矩。即通過實時檢測磁通幅值和轉矩值，分別與給定值比較，通過磁通和轉矩調節器直接外傳，pwm逆變器的空間電壓變量同時形成，對磁鏈和轉矩的直接閉環操作實現了。電壓操作和周期操作它不可以分開，也不追求單相電壓的正弦，而是把逆變器和電機視為一體，前提是以三相波形總體生成，使磁通、轉矩跟蹤給定值，磁鏈逼近圓形旋轉磁場。 坐標變換直接轉矩操作不可以，轉子參數變化對其也沒影響，結構簡單的操作器，卻依舊有良好的靜、動態性能。第四節 靜止傳感器變量操作 1) 轉子磁通的變換必須根據定向的坐標進行；2) 由傳感器電壓模型(即電壓指令給定)保證磁場方向和轉矩的設定值外傳；3) 轉速閉環、磁通開環、間接磁場定向的系統設置操作簡單，易于完成；4) 在轉速環中，傳感器電壓的靜態模型與電流的動態調節分離，可以減低傳感器參數變化對電流動態調節的影響，提高系統的魯棒性；5)通過對電流進行pi調節來補償電壓外傳，在低頻段切入電流環，來降低動態過程中負載和傳感器參數對動態特性的影響，增加響應的快速性：6) 傳感器轉速推算基于對轉子磁通在兩相靜止坐標系下相位的觀測。 整個操作過程比較容易，具體的操作效果取決于傳感器參數設置的精確性，以及對傳感器參數的溫度補償設計，同時由于磁通的開環，系統操作有其局限性。大體上，該方案簡單且易于操作，具體的精度設置提高改進，整體方案的性能也會進一步得到提升，以下為具體的推論：只有滿足變換前后功率守恒，坐標方可變換。在電壓和電流選取系統變換陣的條件下，功率守恒的坐標變換屬于正交變換，也可證明。先在規定好3s2s坐標中變換標記好可以兩組坐標的相對位置，通常規定口軸與a軸重合同向，如圖45所示。設三相系統每相繞組的有效匝數為m，二相系統每相繞組的有效匝數為，有效匝數及其瞬時電流的乘積極為各相所求磁動勢，其空間變量則位于相對應的坐標軸上。第四章 礦山帶式輸送機變頻操作策略分析高壓變頻有兩種主要方法可進行操作：一，標量操技術是基于交流傳感器穩態數學模型中建立的；二，交流傳感器動態數學模型可以建立使用變量操作技術。在操作標量時，則采用傳感器的壓頻比來對其操作，在風機水泵等負載選擇的高壓變頻運轉此技術也經常得到應用。高壓變頻產品指標系數要求較高時，則采用變量操作方案：其變量操作技術在耦操作的靜止傳感器有一定了解方可采用。第1節 uf操作 第一小節 異步變電器的工作原理及其等效電路旋轉磁場的產生，是當三相異步傳感器定子的三相電流通入三相對稱繞組內獲得平衡輸出時，便有恒定的三相合成磁動勢的幅值，磁動勢幅值是每相脈變的32倍，以此看來旋轉磁場則是圓形的，當傳感器定子電流達到最大值時與合成磁動勢的方向其繞組軸線相互重合，就可以判斷電流相位順序與磁場旋轉方向有關，如果隨意調整將兩相電源線那么相對的旋轉磁場轉向都會改變。旋轉磁場的轉速即為傳感器的同步轉速)(rmin） （4.1）式中，可見到傳感器的極對數；z為定子電流周期(hz)。感應電動勢在定子相繞組中的有效值為 （4.2）式中，lk。為定子相繞組等效匝數；q。為每極氣隙磁通量(wb)。感應電動勢中轉子相繞組，轉子不動時 （4.3）當轉子旋轉時，轉子相繞組中的感應電動勢 （4.4）式中，正為轉子繞組感應電動勢的周期(hz)： s為轉差率； （4.5）式中n為轉子轉速(rmin)。將轉子側折算到定子側后可以得到異步傳感器每相的等效電路，異步傳感器的電磁轉矩 (4.6)式中，五口為定子相繞組漏抗(q):u為電子相電壓(v)；將定子每相電阻和轉子折合到定子側的轉子每相電阻(q)。一般運行過程中交流傳感器轉差率s較小，此時可以忽略式(46)分母中所有含有s的項，則該式可以簡化為 （4.7） 在額定電壓和基頻產生聯系時，圖42所示即表示了傳感器機械特性曲線。式(47)是該圖曲線中右側的直線段的數學描述，傳感器正常工作時，如果不在對應的區域內，傳感器則容易進入不穩定的工作狀態。第二小節 維持uf：常數的簡單開環操作無論是恒定傳感器還是交流傳感器以及交流傳感器的標量和變量操作技術中，傳感器的磁場操作都是必須考慮的因素，一般情況下，在運轉的過程中保持傳感器的每極氣隙磁通量。通過設定具體的額定值，從而保證傳感器鐵心的充分利用。 由式(42)可知，如要保持兩極系數不變，則在調節傳感器定子電源周期z的同時，必須保持uz=常數。異步傳感器定子電路的電壓平衡方程為 (4.8)式中，輸入對應的定子阻抗，在周期較高時，可以忽略定子阻抗上的數值變化影響，因而近似有 （4.9）由式(49)可知，為不使傳感器的磁通過小或飽和，在改變周期的同時，必須對端電壓進行操作。對于恒轉矩負載，若保持u1 =常數，則可同時保證氣隙磁通、外部轉矩和過載能力都不變。但是在周期較低時，由于傳感器的反電動勢巨較小，式(48)中的電阻的影響不可忽略，此時可以把傳感器的端電壓u適當提高，以補償定子電阻數值變化的影響，這種方式成為轉矩提升。采用u廠操作時，傳感器的特性如圖43所示。將式(41)、式(45)代入式(47)，并化簡可以得到 （4.10）當采用u1方式操作拖動恒轉矩負載時，傳感器帶載后的轉速降落，基本上不會隨著在不同輸入周期點上而發生改變，所以u1操作方式的傳感器外傳機械特性具體呈現是在圖42相平行的曲線。 傳感器拖動的類別和用途不同，對于風機和泵類的負載，其負載轉矩隨著轉速的降低大多是以二次方的關系下降，對這類負載，在運轉的同時，從系統的功率最高的角度將，其在低周期時可以采用弱磁操作方式，此時設定的u廠不再是一個常數，根據實際可以的產生設計出相對應的產品。 一般標量操作的高壓變頻器設備均設有自備幾套壓頻曲線供用戶選擇，有些還可以由用戶自行設計壓頻曲線。高壓變頻器在實際操作過程中考慮到可能帶來的問題和危險需要由專業人員在一旁進行指導。第二節 靜止變電器變量操作經過多年的開發研究，在低壓變頻器領域中，變量操作的技術的成熟應用已經極為廣泛。在目前的高壓變頻器應用中，大多數都還在采用標量操作的方法，那么在此基礎上不斷的研發進步，并通過市場和產品的統一規劃來看，對變量操作的應用已經逐步接近于目前較為成熟的恒定傳感器，但由于三相異步傳感器其原理是一個多變量、強耦合的復雜系統，相對較難操作。而變量操作則在這一基礎上解決了難題，其原理是通過一系列坐標變換將異步傳感器的數學模型從三相靜止坐標系下變換到兩相旋轉坐標系下，與通過分別操作傳感器的磁通和轉矩外傳來實現交流異步傳感器的高性能操作的恒定傳感器原理相類似。其坐標的變換還是依附于動態數學模型的變換，而坐標變換則基于磁通等效原理。事實上，三相靜止繞組與三相變頻器相通，兩相靜止繞組與正交變頻器相通的方式其實都能產生旋轉磁場，以此看來，兩相旋轉的繞組中與恒定電流相通必然也能產生磁場。那么在兩相旋轉坐標系中傳感器電流電壓都變為恒定電流時，傳感器模型就簡單化了。在國內外變頻器變量操作方案中，多采用定向于轉子磁鏈并隨之同速旋轉的mt坐標系。在這個坐標系中，規定傳感器的d軸沿轉子總磁鏈變量甲，方向，稱之為m軸(磁通軸)；傳感器的q軸則逆時針旋轉90。垂直于甲，稱之為t軸(轉矩軸)。通過推算可以得到mt坐標系下三相異步傳感器的數學模型如下： (4.11)考慮籠型異步傳感器轉子短路，故有 um2=ut2=0 (4.12)由于轉子總磁鏈變量甲：本身以同步轉速旋轉，并與m軸重合，顯然有展開式（4.11）的第三項，得第二小節 靜止傳感器變量操作總體方案4221方案框圖說明圖44所示為靜止傳感器變量操作的總體框圖。1) 轉子磁通的變換必須根據定向的坐標進行；2) 由傳感器電壓模型(即電壓指令給定)保證磁場方向和轉矩的設定值外傳；3) 轉速閉環、磁通開環、間接磁場定向的系統設置操作簡單，易于完成；4) 通過對在轉速環中，傳感器電壓的靜態模型與電流的動態調節分離，可以減低傳感器參數變化對電流動態調節的影響，提高系統的操作性；5)通過對電流進行pi調節來補償電壓外傳，在低頻段切入電流環，來降低動態過程中負載和傳感器參數對動態特性的影響，增加響應的快速性：6) 傳感器轉速推算基于對轉子磁通在兩相靜止時相關坐標系數下相位的觀測。在整個操作過程中比較容易，具體的操作效果取決于傳感器參數設置的精確性來決定，以及對傳感器參數的溫度補償設計，同時由于磁通的開環，系統操作有其局限性，大體上，該方案簡單且易于操作，具體的精度設置可以提高改進，整體方案的性能也會進一步得到提升，以下為具體的推論：只有滿足變換前后功率守恒，坐標方可變換。在電壓和電流選取系統變換陣的條件下，功率守恒的坐標變換屬于正交變換，也可證明。先在規定好3s2s坐標中變換標記好可以兩組坐標的相對位置，通常規定口軸與a軸重合同向，如圖45所示。設三相系統每相繞組的有效匝數為m，二相系統每相繞組的有效匝數為，有效匝數及其瞬時電流的乘積極為各相所求磁動勢，其空間變量則位于相對應的坐標軸上。設磁動勢波形是正弦分布的，當三相總磁動勢與兩相總磁動勢相等時，兩套繞組瞬時磁動勢在與之對應的軸上的投影應相等，即為了尋求正交變換陣，在兩相系統中，通過外部加入的方式，單獨加入一相零軸磁動勢，并定義為將上面三式合并為矩陣形式，得式中，c3，：即為三相坐標系變換到兩相坐標系的變換陣，滿足功率守恒條件，應為正交矩陣，所以有第三小節 有速度傳感器變量操作方案圖47所示為有速度傳感器變量操作框圖。通過比較不難發現，該操作方案中磁通是閉環的，此外反饋電流l、經3s2r變換成l。后與i。比較，經pi調節后，直接外傳定子電壓的磁通分量和轉矩分量的補償對應值，代替了原電壓給定模型的第一項，電壓給定方程的第二項保留，事實上，在很多應用實例中，電壓給定方程的第二項不保留也是可行的。其余部分基本與前面介紹的靜止傳感器變量操作方案相同。第三節 建模與仿真 圖47有速度傳感器變量操作框圖下面將對靜止傳感器變量操作系統進行仿真研究。第一小節 靜止變電器變量操作系統仿真1.靜止變電器變量操作系統建模靜止變電器變量操作系統仿真如圖48所示。主電路由恒定電流源()、逆變橋(igbt invener)、感應傳感器(induction motor)和傳感器測量環節(demux)組成。操作電路由以下幾個系統組成：(1)speedcontroller系統， 速度操作器采用pi調節器，外傳定子電流的轉矩分量c。(2)calculation系統根據給定的轉子磁通評價出定子電流的磁場分量給定值，。(3) pwm generator系統 根據定子電流的磁場分量值0，定子電流的轉矩分量為c，及同步轉速給定信號，按照旋轉坐標dq軸系統下的傳感器電壓模型，評價定子電壓分量和轉子分量補償值。(4)mt-abc系統 將定子電壓從mt坐標系到abc坐標系的變換，得到傳感器定子的三相繞組電壓的給定值。(5) calculation系統 評價轉差角速度q。(6)pwm generator系統 產生三相逆變器的6路操作脈沖。(7)speedidentijfication系統 速度辨識環節，采用磁通轉速推計算來推算速度。速度辨識的實現speedidentilfication系統如圖所示。4個輸入變量為ula、u1b、11a、ilb。它們通過mux系統合并為一個變量，經過cpplmsfunction系統得到一個變量外傳，再通過demux系統分解出兩個外傳變量，fcn系統實現上述兩個變量的除法計劃，將計劃結果作反正切計劃和求導計劃。第五章 礦山帶式運轉器變頻操作功率平衡及設計方法第一節 常用計算比較 微機操作的spwm計算有多種，常用的有自然取樣法和規則取樣法。自然取樣法（圖1a）采用評價的方法尋找三角載波u與參考正弦波ur的交點作為開關值以確定spwm的脈沖寬度，這種方法誤差小、精度高，但是評價量大，難以做到實時操作，用查表法將占用大量內存，運轉范圍有限，一般不采用。規則取樣法（圖1b）采用近似求u和ur交點的方法，通過兩個三角波峰之間中線與ur的交點作水平線與兩個三角波分別交于a和b點，由交點確定spwm的脈寬，這種方法評價量相對自然取樣法小的多，但存在一定誤差。本文采用等效范圍法。第二節 等效范圍法把一個正弦半波分為n等分，每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的范圍都用一個與此范圍相同的等高矩形脈沖代替，矩形脈沖的中點與正弦波每一等分的中點重合，這樣，由n個等幅而不等寬的矩形脈沖所構成的波形就與正弦半波等效，顯然這一系列脈沖波形的寬的和開關時刻可以嚴格地用數學方法評價得到。 如圖2所示，在區間t,t+t，正弦波范圍為s1,則有： 式中m為調制深度，us為恒定電流源電壓。 對應圖中脈沖范圍 (2) 將正弦信號的正半周n等分，則每份為/n弧度，由圖知脈沖高度為us/2,設脈沖寬度為k，則第k份正弦波范圍與對應的第k個spwm脈沖范圍相等，解得： 如圖2所示，igbt的開關時間按如下評價： igbt開啟時刻： (4) igbt關斷時刻： (5) 2 avr電路芯片操作系統2.1 avr電路芯片結構特點： at90系列電路芯片為atmel公司生產的新一代基于avr增強功能、risc結構的、低功耗cmos技術的微處理器。 1) 哈佛雙總線結構，使體系備份器和數據備份器分開。使用risc指令集，指令周期絕大部分為單周期指令。有相當高的執行速度，8mhz周期下工作的avr相當于224mhz周期下工作的普通mcs51。 2) avr核為32個通用工作寄存器與豐富指令集的組合，32個寄存器全部直接地與計劃邏輯單元連接，這種組合機構具備的代碼功率比完成同樣處理能力的常規cics微處理器要快10倍以上，從而解決了mcs51的累加器a的瓶頸問題。 3) 內置晶振的可編程看門狗定時器、片內模擬比較器、spi串口和uart串口，有幾種產品有810位的ad轉換器。有帶比較和捕獲模式的定時計數器，且具有pwm功能，pwm可以在雙8值、9位或10位下自運行、抗誤、節拍修正操作。同時還有一路輸入捕獲口，可以捕獲引腳icp上的上升和下降沿。 4) avr電路芯片內置可重復編程的flash體系備份器和eeprom數據備份器，最大可達256k的eeprom，可用于保存運動參數，便于現場參數修改，這使得它用在運動操作方面有很大的靈活性。同時avr電路芯片還支持對備份器的在系統編程。 這些特點使得at90系列電路芯片成為一種滿足許多可以的、具有高度靈活性和低成本的嵌入式操作應用的高效微操作器。本文采用at90ls8535芯片，8k可重復編程flash,512字節的sram,三路pwm通道，8路10位a/d。第三節 操作規律 采用恒功率操作在高頻段（f50hz）和低頻段（f10hz）情況下，運轉范圍加大，采用恒轉矩操作中頻段。為使外傳波形對稱性好、諧波分量小，系統采用分段同步調制，來確保整個變頻范圍內的開關周期沒有太大變化。每個頻段載波比n為恒定值，不同頻段的n不同，為了快速評價，余弦采用查表方式，在0360范圍內余弦三角函數表，每隔0.1度存一個余弦值，16位二進制構成每個余弦值，符號位為其中最高位，后15位表示數值位。eprom中預先存在整個余弦函數表，占用了近8k字節的寄存器。為確保三相互差120，n應設為3的整數倍。第四節 硬件結構： 系統框圖spwm變頻運轉系統結構圖，igbt的驅動系統采用富士電機公司的exb841驅動器，at90ls8535外傳的三相脈寬調制spwm波經分相與開通延時電路分為六路外傳，分別操作exb841的光耦，以驅動6個igbt功率器件；40腳的pa0作為a/d采樣輸入口，采樣電位器給定周期；16腳的int0外部中斷作為電路故障信號（過流、過壓等）的輸入腳； 當at90ls8535芯片復位時，端口的原始狀態是“高”，所以無效狀態為封鎖信號和驅動信號均設為“低”電平；片內定時器t0將pwm的載波周期完成。第五節 系統軟件設計 采用系統化設計思想，包括主體系、t/c0中斷服務子體系、外部中斷服務子體系、鍵盤顯示子體系等。 主體系的主要任務是對逆變器的外傳周期進行采樣，評價調制深度m、載波比n、載波周期定時常數t,確定正弦時標。評價脈沖寬度，根據(4)、（5）式評價出三相開關點tonu,tonv,tonw,toffu,toffv,toffw，主體系流程圖略可向作者索取。 t/c0中斷服務體系:定時時間到達載波周期t后，cpu執行t/c0中斷服務體系，讀開關點數據，評價各相占空比，備份在相應pwm操作寄存器中，pwm使能，向端口發送驅動信號。體系流程圖3所示。 外部中斷服務體系：當igbt上發生過流時，ex841立即向電路芯片申請中斷，cpu發出指令封鎖所有外傳，有效地保護各功率器件。第六節 實驗及結論 由上述理念，研發電路芯片操作系統的軟硬件，該體系通過iccavr編寫，并通過了sl-avr實驗開發機上的調試，由結果看出spwm波形線性度較好，給定周期發生變動時，三相線電壓基本上對稱。2spwm波形生成用了等效范圍法，精度與正弦波相接近，并且諧波分量小，在cpu的計劃功率上有了更高要求。spwm脈沖序列與專門的操作芯片比較來看，相對速度精度計算都要進步，其原理利用高速嵌入式avr電路芯片，其優勢是價格低廉，編程開發方便，因此在變頻運轉系統發展中有良好前景。而對鏈式運轉器而言，交流異步傳感器只是一般配置，不易操作，主要體現在復雜的高階、非線性、多變量、強耦合以及參數時變等方面，數學模型對此都很難做出精確敘述。傳統直接轉矩操作速度調節器中，pid 操作技術還不夠完善，即使在運轉范圍內將pi 參數操作在最好狀態也無法實現，所以它是滿足不了高性能運轉要求。如何提高交流運轉系統的動態抗擾動能力，利用遺傳計算來對pi 調節器進行優化。第七節 計算的原理 （1）何為遺傳計算？它是一種全局優化搜索計算，在模擬物種遺傳思想和自然選擇原理基礎上，有了最理想答案。基于遺傳計算的速度調節器參數尋優過程如下：編碼。在pid 操作中首先優化kp、ki、kd這三個參數，運用實數編碼的方式，將這3個元素合并成向量，成為一個染色體。 （2）染色體的起初會形成初始種群。通過上述了解，初始種群則運用 ziegler-nichols 整定法獲得 kp、ki和 kd的初始數值，在此基礎上向左右兩邊延伸，形成一個初始種群。 （3）參數選取。在遺傳計算中，交叉概率 pc和變異概率 pm的選擇將直接影響到計算行為和性能關鍵以及計算的收斂性。本文采用自適應變化狀態的評價公式：式中 fm所有群體中最大適應度值；fa每代群體的平均適應度值；f變異個體的適應度值；f 交叉個體中較大的適應度值。通過設置 pc1，pc1,pm1,pm2的值就可以調整交叉概率和變異概率。 （4）從交叉和變異概率的評價看出，群體中每個個體間相互交換的部分染色體，這便使染色體中的元素發生各種變化，從而產生了新的個體，即pid 的新參數。 （5）適應度函數設計。設置系統的要求，參照適應度大小，保留新種群中最好的個體，將最差的個體更換。該系統的原理，是采用itae(時間乘絕對誤差積分)指標作為參數選擇的最小目標函數。在國內dsp的廠家居多但實際應用還是以ti公司為主，基本上都是tms320系列。其公司的tms320c2000 dsp是基于320c2xlp核。 為了實現小數的數學計劃和驗證小數的乘積，c2xlp的乘積寄存器的外傳通過乘積移位器，以抑制計劃中產生的多出來的bit。該乘積定標移位器允許作128個乘積累加而不會產生溢出。基本的乘積累加（mac）周期，包括將一個數據備份器的值乘以一個程式備份器的值，并將結果加給累加器。當c2000循環執行mac，則程式計數器自動增量，并將程式總線釋放給第二個操作數，從而達到單周期執行mac。 c2000系列中的c24x系列的芯片具備事件操作器。該事件操作器具備3個加/減定時器和9個比較器，能夠和波形產生邏輯配合產生12 pwm的外傳。支持同步的和異步的pwm產生。他還支持一個空間向量pwm狀態機，用開關功率晶體管來實現，以延長晶體管的使用周期和降低功耗。一個關機段產生單元也有助于保護功率晶體管。其原理如圖2所示。式中 e（t）系統誤差；u（t）操作器外傳；tu上升時間；1、2、3權值。 為了避免超調， 用了懲罰功能， 即一旦產生超調，將超調量作為最優指標的一項，此時最優指標為第八節 計算的分析及其在dsp上的實現 (1)計算的分析 在spwm波形生成時，通常有兩種方法查表和實時評價，其實際運用時通常都是將兩種方法結合，進行必要評價存入內存即離線狀態下，運行時再進行較為簡單的在線評價，這樣既確保了快速性，內存上也不會占太多量。 規則采樣法通常事先存入正弦函數表和不同載波周期時的tz/2,運行時根據可以的tz,m和即可算出開關器件的導通時間（詳見公式1）。這種方法的評價量很小且波形的幅值和周期都是能夠持續變化的。直接范圍等效法通常事先存入不同周期下的余弦函數表，運行時也只要進行簡單的乘法和減法計劃（詳見公式2）。這種方法的評價量適中且波形的幅值和周期也是持續變化的。 (2)dsp的特點 由規則采樣法的原理可知他是用一近似的階梯波來代替正弦波和三角波進行比較，因此他的精度較低，但由于簡單評價，在使用電路芯片和微機生成spwm波的時代便被廣泛的應用了。伴隨著dsp的出現具備強大計劃能力，在兼顧評價的精度和速度這一問題有了希望去解決。因此解決這一問題便是結合采用具備較高精度且評價量適中的直接范圍等效法和dsp。如下圖所示： 能夠看到，為了實現實時的變壓和變頻，可以根據當前載波所在時間t做大量的計劃，而這些計劃都可以在一個載波周期內完成。以載波周期為15625hz為例，其周期為64s，若可以三相外傳，則任何這些計劃都可以在32s內完成。這對于電路芯片而言，是完全不可能的。而對于dsp而言，其指令周期為50ns，且多為單周期指令，并且有單周期的乘法指令。因此，充分利用了dsp的強大計劃能力，才最終實現了上述評價的實時完成。 （3）直接范圍等效法的實現 根據直接范圍等效法的公式，在flash中存入1個cosx/2的表，這樣就能夠盡可能簡化不必要的計劃。在實際評價時只需評價1次減法、1次乘法、1次除法即可。 程式流程圖見圖3。第九節 變頻系統的最終實現 雙傳感器拖動功率，平衡操作系統結構如圖5-9所示。 根據上述設計，使用ipm（智能功率系統）及相應的整流，濾波電路搭建了一變頻實驗系統。出于擴展的可以，使用電路芯片擴展了其的輸入外傳接口，使其具備更好的通用性。其硬件結構如圖4所示。如圖4所示，通過dsp的spwm操作系統中，包括三大系統：ipm智能功率系統、dsp處理器和電路芯片。pwm脈沖信號由dsp處理器用于實時產生，以操作ipm產生外傳信號。外部操作信號接受用于電路芯片系統，負載端電壓、電流的采樣信號，各種電路保護信號等輸入信號，一方面進行實時顯示工作狀態，另一方面對實時采樣的電壓電流信號進行處理后，向dsp系統傳送相應信號，使dsp在線調整spwm信號，閉環工作的技術指標可以得以滿足。這樣的系統構成模式使系統功能系統化，可最大限度地發揮dsp的評價能力，便于調試，便于系統的功能擴充，為以后系統的升級換代提供了較為方便的條件。 通過該實驗系統，實現了外傳周期可在11000hz內變化的spwm波形的生成。 其主要波形如圖5所示。 結論 研究表明，實驗系統的成功是以dsp為核心基于直接范圍等效法生成spwm波的變頻。并得到廣泛應用其較寬的變頻范圍和擴展的輸入外傳接口使其在變頻電源、變頻器等方面。基于pic電路芯片的spwm操作技術在ups等電力電子設備中，操作方法是核心技術。早期的操作方法使得外傳為矩形波，諧波含量較高，濾波困難。spwm技術較好地克服了這些缺點。目前spwm的產生方法很多，匯總如下。 1）利用分立元件，采用模擬、數字混和電路生成spwm波。此方法電路復雜，實現困難且不易改進； 2）由spwm專用芯片sa828系列與微處理器直接連接生成spwm波，sa828是由規則采樣法產生spwm波的，相對諧波較大且無法實現閉環操作； 3）利用cpld（復雜可編程邏輯器件）設計，實現數字式spwm發生器； 4）基于電路芯片實現spwm，此方法操作電路簡單可靠，利用軟件產生spwm波，減輕了對硬件的要求，且成本低，受外界干擾小。 而當今電路芯片的應用已經從單純依賴于51系列電路芯片向其它多種電路芯片發展，尤其以嵌入式pic電路芯片的發展應用更為廣泛。pic電路芯片含具有pwm功能的外圍功能系統（ccp），利用此系統更容易通過軟件實現spwm，且具有更快的執行速度。本文采用軟硬件結合設計的方法，利用范圍等效法，并且基于pic電路芯片實現對試驗逆變系統的spwm操作。 1 范圍等效的spwm操作計算 目前生成spwm波的操作計算主要有4種。 1）自然采樣法； 2）對稱規則采樣法； 3）不對稱規則采樣法； 4)范圍等效法。 理論分析后知自然采樣法和范圍等效法相對于規則采樣法諧波較小，對諧波的抑制能力較強。又因為pic電路芯片片內無較大空間實現在線計劃，所以自然采樣法不利于軟件實現。本文的試驗系統采用范圍等效法實現spwm操作，其原理如圖1所示。 圖1 spwm范圍等效計算 利用正弦波小塊范圍s1與脈沖范圍s2相等原則，將正弦波的正半周分為n等分，則每一等分的寬度為/n弧度，利用范圍等效法評價出半個周期內n個不同的脈寬值，將產生的脈寬數列以列表形式存于pic電路芯片的rom中，以供體系調用。 脈寬產生的基本公式為 式中：m為調制度； n為載波比，即半個周期內的脈沖個數，實驗中n取64； k取值為063。 由式（1）評價出的實際脈寬轉換成計時步階后生成64個值的正弦表存入pic的rom中以供調用。產生的spwm脈寬表是一個由窄到寬，再由寬到窄的64個值的表。 軟硬件結合試驗系統 以pic電路芯片內部的兩個外圍功能系統（ccp）為基礎，利用該系統具有的pwm功能，軟件操作兩路spwm波形的外傳。再將這兩路spwm波利用互補導通原則變換成4路，經隔離放大后驅動igbt逆