旋轉(zhuǎn)變壓器在永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳繼華

(上海華銀電器有限公司，上海 201111)

0 引言

旋轉(zhuǎn)變壓器因其使用可靠、壽命長(zhǎng)、能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境、抗沖擊、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在伺服系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、航空航天等領(lǐng)域。在某些低速場(chǎng)合，如軌交的開(kāi)門調(diào)速系統(tǒng)，也越來(lái)越多地使用基于低速永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)的控制系統(tǒng)。但是，旋轉(zhuǎn)變壓器是模擬信號(hào)輸出，具有信號(hào)處理較復(fù)雜的特點(diǎn)，所以關(guān)于旋轉(zhuǎn)變壓器的研究多為針對(duì)某種獨(dú)特功能的專用系統(tǒng)[1]，這不利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化。本文綜合各類研究的成果，以低速PMSM控制系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)一種通用性較強(qiáng)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)一種實(shí)用的轉(zhuǎn)換處理電路，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與通用變頻器的對(duì)接，試驗(yàn)證明方案切實(shí)可行，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化。

1 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

本文使用的是正余弦二對(duì)極無(wú)刷式旋轉(zhuǎn)變壓器，其工作原理如圖1所示[2]。

圖1 旋轉(zhuǎn)變壓器原理圖

R1－R2為勵(lì)磁繞組，S1－S3、S2－S4是定子輸出繞組。工作時(shí)，在R1－R2兩端輸入高頻交流電壓信號(hào)，在旋轉(zhuǎn)變壓器氣隙產(chǎn)生脈振磁場(chǎng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，脈振磁場(chǎng)也隨之旋轉(zhuǎn)，從而在定子繞組感應(yīng)出與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的脈振電勢(shì);因?yàn)镾1－S3、S2－S4兩套繞組互相垂直，兩輸出信號(hào)相位差90°，形成隨轉(zhuǎn)子位置變化的正余弦信號(hào)，其輸入輸出關(guān)系如下:

式中:E0——?jiǎng)?lì)磁信號(hào)幅值;

ω——?jiǎng)?lì)磁信號(hào)角頻率;

K——變壓比;

θ——轉(zhuǎn)子位置角。

2 用于低速小容量PMSM的通用變頻器特點(diǎn)

本文所研究的對(duì)象為低速小容量PMSM，因此用于驅(qū)動(dòng)的變頻器需滿足以下要求:

(1)有良好的低速控制性能，即在較低頻率(0.01～5 Hz)的低頻區(qū)間內(nèi)，能做到轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、輸出力矩足夠大且穩(wěn)定，有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力;

(2)能驅(qū)動(dòng)50～200 W這樣的小容量電機(jī)。普通變頻器最低能控制400 W電機(jī)，這樣的變頻器用來(lái)驅(qū)動(dòng)小容量電機(jī)時(shí)，會(huì)發(fā)生類似過(guò)載的故障信號(hào)，無(wú)法正常使用;

(3)具有PMSM的驅(qū)動(dòng)能力，異步矢量變頻器只能做到開(kāi)環(huán)運(yùn)行，無(wú)法達(dá)到要求;

(4)有PG卡，能通過(guò)位置信號(hào)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。這里要求變頻器能接收增量編碼器的輸出位置信號(hào)。

3 AU6802N1與通用變頻器的接口電路設(shè)計(jì)

目前，市場(chǎng)上還沒(méi)有一款變頻器能直接兼容旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)，因此本文的核心內(nèi)容為設(shè)計(jì)一實(shí)用的接口模塊，該模塊是基于多摩川公司的解碼芯片AU6802N1實(shí)現(xiàn)的[3]，將PMSM、旋轉(zhuǎn)變壓器、通用變頻器連接成一閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)性能的最優(yōu)化。AU6802N1是一種高性能、使用方便的數(shù)字解碼芯片，可以方便的將旋變輸出的模擬信號(hào)解調(diào)成數(shù)字的絕對(duì)或增量信號(hào)，直接供給變頻器使用，下面具體介紹該芯片的接口電路。

3.1 AU6802N1的控制設(shè)置

(1)芯片工作模式設(shè)置:MDSEL引腳設(shè)為L(zhǎng)，工作在高分辯率模式，當(dāng)數(shù)據(jù)輸出模式為脈沖模式時(shí)，輸出精度為1024C/T;

(2)芯片輸出模式設(shè)置:OUTMD引腳設(shè)為L(zhǎng)，數(shù)據(jù)輸出為脈沖模式，此時(shí)D11、D10、D9引腳分別輸出增量信號(hào)A、B、Z;

(3)片選線及讀信號(hào)線設(shè)置:CSB、RDB引腳設(shè)為L(zhǎng)，允許數(shù)據(jù)輸出;

(4)故障復(fù)位信號(hào)設(shè)置:由于是與通用變頻器相連，ERRSTB設(shè)為L(zhǎng)，不鎖存故障狀態(tài);

(5)勵(lì)磁信號(hào)頻率設(shè)置:FSEL1、FSEL2分別設(shè)為L(zhǎng)、H，輸出勵(lì)磁信號(hào)源為10 kHz，與旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)頻率一致;

(6)串行數(shù)據(jù)輸出口設(shè)置:SCSB引腳設(shè)為H，此時(shí)DATA引腳為高阻狀態(tài)，禁用串口輸出。

3.2 AU6802N1與旋轉(zhuǎn)變壓器的接口電路

AU6802N1與旋轉(zhuǎn)變壓器的接口電路原理如圖2所示，解碼芯片內(nèi)部生成10 kHz的正弦信號(hào)，經(jīng)過(guò)勵(lì)磁放大電路進(jìn)行放大、濾波后，輸入旋轉(zhuǎn)變壓器的勵(lì)磁繞組R1、R2，同時(shí)該勵(lì)磁信號(hào)反饋回解碼芯片的R1E、R2E引腳進(jìn)行信號(hào)相位校正及斷線監(jiān)測(cè);旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號(hào)S1S3、S2S4經(jīng)調(diào)理電路處理后進(jìn)入解碼芯片解調(diào)運(yùn)算，調(diào)理電路主要包括增益設(shè)置將信號(hào)幅值調(diào)節(jié)到2～3 V、共模干擾抑制、直流電壓偏置等。

圖2 AU6802N1與旋轉(zhuǎn)變壓器的接口電路

3.3 AU6802N1與通用變頻器的接口電路

接口電路原理如圖3所示，旋變的輸出信號(hào)經(jīng)芯片解碼后得到位置增量信號(hào)A、B、Z，分別從芯片的D9、D10、D11引腳輸出，該信號(hào)為幅值5 V的脈沖電壓，而變頻器一般可接收24 V的輸入信號(hào)，且內(nèi)部有上拉電阻，因此A、B信號(hào)應(yīng)通過(guò)開(kāi)關(guān)管T1、T2作電平轉(zhuǎn)換再輸入變頻器。由于所選旋轉(zhuǎn)編碼器為二對(duì)極，因此經(jīng)解碼后每轉(zhuǎn)會(huì)輸出2個(gè)零位Z信號(hào)，這個(gè)信號(hào)無(wú)法被通用變頻器讀取，因?yàn)橥ㄓ米冾l器只允許每轉(zhuǎn)一個(gè)零位信號(hào)，所以通過(guò)由 D觸發(fā)器 CD4013和與門DM7432N組成的二分頻電路進(jìn)行分頻處理，使每轉(zhuǎn)只產(chǎn)生一個(gè)零位信號(hào)，同樣經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后輸入至變頻器的Z口。另外，要注意將芯片的數(shù)字地與變頻器的COM端共地，否則電平不能正常轉(zhuǎn)換。

圖3 AU6802N1與變頻器的接口電路

4 控制系統(tǒng)接線原理及試驗(yàn)結(jié)果

有了實(shí)用的接口電路，可以很方便的將PMSM、旋轉(zhuǎn)變壓器、變頻器連接成一可靠的系統(tǒng)，如圖4所示。旋轉(zhuǎn)變壓器與接口模塊對(duì)接，接口模塊的增量輸出信號(hào)輸入變頻器，接口模塊的工作電源由變頻器提供，PMSM的三相線接入變頻器，整個(gè)系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單。

變頻器的參數(shù)設(shè)置程序如圖5所示。變頻器上電后，按流程圖依次進(jìn)行設(shè)置，分別如下。

初始設(shè)置:F0.01=1，距離控制方式1，此控制方式為有速度傳感器的閉環(huán)矢量控制;F0.02=0，設(shè)為變頻器面板操作模式，方便調(diào)試;F0.03=0，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向與接線方向相同;F0.04=24，最大輸出頻率為24 Hz。

編碼器設(shè)置:F4.00=0，編碼器信號(hào)為增量式;F4.01=2 048，由于芯片的輸出精度為1024C/T，而旋轉(zhuǎn)變壓器為兩對(duì)極，實(shí)際每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為2 048;F4.02=0，編碼器旋轉(zhuǎn)方向與實(shí)際接線方向相同。

電機(jī)參數(shù)設(shè)置:按實(shí)際電機(jī)參數(shù)設(shè)置額定功率、額定電壓、額定電流、額定頻率、額定轉(zhuǎn)速等。

圖4 系統(tǒng)原理圖

圖5 變頻器設(shè)置程序

矢量參數(shù)設(shè)置:一方面設(shè)置PI控制環(huán)的比例增益和積分增益，以達(dá)到最佳的動(dòng)態(tài)性能;另一方面設(shè)置輸出轉(zhuǎn)矩與電流的限值以保護(hù)變頻器，可設(shè)到變頻器額定電流的150%～200%。

電機(jī)參數(shù)調(diào)諧:F6.07=1，變頻器開(kāi)始調(diào)諧，調(diào)諧過(guò)程中，變頻器對(duì)電機(jī)輸入直流電流，使轉(zhuǎn)子磁極對(duì)準(zhǔn)定子A相繞組軸線，找到轉(zhuǎn)子初始位置;然后將電機(jī)緩慢旋轉(zhuǎn)兩周，找到旋轉(zhuǎn)變壓器的零位，同時(shí)計(jì)算出電機(jī)的電阻、電感等參數(shù)，完成調(diào)諧。若調(diào)諧不成功，則應(yīng)檢查接線是否正確，參數(shù)設(shè)置是否正確，調(diào)諧成功后方可進(jìn)入下一步運(yùn)行。

動(dòng)作曲線參數(shù)設(shè)置:可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的需要，對(duì)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、起步加速、慢速爬行等設(shè)置，電機(jī)起動(dòng)后即按照設(shè)定的動(dòng)作曲線運(yùn)行。

本試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)如下。

PMSM:額定轉(zhuǎn)速180 r/min，功率48 W，極對(duì)數(shù)4，額定電壓65 V;

旋轉(zhuǎn)變壓器:勵(lì)磁信號(hào)10 kHz，有效值5 V，極對(duì)數(shù)2;

通用變頻器:額定容量200 W，額定電壓AC 220 V，調(diào)頻范圍0～60 Hz，帶PMSM驅(qū)動(dòng)程序。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，試驗(yàn)波形見(jiàn)圖6。

表1 負(fù)載試驗(yàn)表

圖6 試驗(yàn)波形

由表1可見(jiàn)，電壓電流隨負(fù)載的增加而正比增大，在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)能保持較高的功率因數(shù);圖6的波形中(每張圖第一條曲線為轉(zhuǎn)速信號(hào)，第二條曲線為轉(zhuǎn)矩信號(hào))。圖6(a)波形為空載起動(dòng)波形，起動(dòng)時(shí)間由變頻器的參數(shù)決定，約為500 ms，波形顯示轉(zhuǎn)速有約3%的超調(diào);圖6(b)為滿載起動(dòng)波形，達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速基本無(wú)超調(diào)現(xiàn)象;圖6(c)為突加負(fù)載波形，加載瞬間有6.5%的轉(zhuǎn)速下降，隨即達(dá)到穩(wěn)定值;圖6(d)波形為突卸負(fù)載波形，卸載瞬間同樣有6.5%的轉(zhuǎn)速上升，然后迅速達(dá)到穩(wěn)定。

試驗(yàn)結(jié)果表明，使用了通用變頻器后，變頻器的PMSM矢量控制策略能將電機(jī)的性能達(dá)到最優(yōu)，系統(tǒng)具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力、平穩(wěn)的低速運(yùn)行性能及較小的空載脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

5 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的基于AU6802N1的旋轉(zhuǎn)變壓器接口電路可以很好地實(shí)現(xiàn)PMSM與通用變頻器的統(tǒng)一，集多種優(yōu)勢(shì)于一體，易于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，位置檢測(cè)精度高，能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，可靠性好，完全能夠滿足控制的要求。同時(shí)，該種模式還可以擴(kuò)展到大容量、高速PMSM的控制領(lǐng)域。

[1]袁登科，李曉霞.基于旋轉(zhuǎn)變壓器的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2009(36):59-63.

[2]孟凡濤，梁淼.全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)的處理[J].電力電子技術(shù)，2002(1):53-55.

[3]多摩川公司.Smartcoder(AU6802N1)Specification[G].2004.