王紅艷，楊育宏

WANG Hong-yan,YANG Yu-hong

（常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣系 ,常州 213164）

1 設(shè)計背景

筆者曾參加某鋼鐵公司鋼絲生產(chǎn)線拉絲機控制系統(tǒng)的技術(shù)改造工程。該廠的活套式拉絲機等主要設(shè)備是上世紀(jì)六十年代從日本進(jìn)口的，由直流電機拖動。目前，為提高產(chǎn)品競爭力要對拉絲的生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)，需將拉絲機連續(xù)拉拔次數(shù)由過去的五、六次提高到現(xiàn)在的八、九次。

新工藝對拉絲機的調(diào)速范圍、調(diào)速精度、轉(zhuǎn)矩特性、動靜態(tài)特性提出更高要求，同時，由于生產(chǎn)環(huán)境粉塵大、濕度大，這些物質(zhì)能很容易地進(jìn)入直流電機內(nèi)部，導(dǎo)致電機發(fā)生短路、整流子磨損嚴(yán)重等故障，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。因此，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，決定進(jìn)行技術(shù)改造，采用交流變頻電機矢量控制方案?；钐资嚼z機是鋼絲生產(chǎn)線的主要設(shè)備，由轉(zhuǎn)筒與活套構(gòu)成，工作原理如圖1所示。

拉絲時，較粗直徑的鋼絲經(jīng)過第1個拉模到第1個轉(zhuǎn)筒，經(jīng)活套再通過第2個拉模到第2個轉(zhuǎn)筒，一般至少經(jīng)過6次，才能制成各種規(guī)格的成品，卷形銷售。每個轉(zhuǎn)筒、每個活套分別由一臺電機拖動。鋼絲通過拉模時，由于拉模是錐形的，鋼絲被強迫變形而直徑變小，鋼絲每通過一個拉模，直徑與長度都發(fā)生變化，但每個轉(zhuǎn)筒之間的金屬絲流量應(yīng)保持相等，這樣，只要調(diào)整好每個轉(zhuǎn)筒的速度，就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)筒之間金屬流量相等，做到正常拉拔。

要調(diào)整好每個轉(zhuǎn)筒的速度，需調(diào)節(jié)好每個電機的轉(zhuǎn)速。而電機轉(zhuǎn)速是轉(zhuǎn)矩的積分，積分的時間常數(shù)由電機的機械系統(tǒng)慣性決定，一般恒定不變，所以，電機調(diào)速的關(guān)鍵在于對轉(zhuǎn)矩的控制與調(diào)節(jié)。各類電機的電磁轉(zhuǎn)矩Ta都有一個統(tǒng)一的表達(dá)式：

可以看出，通過控制定子磁勢F1的幅值或轉(zhuǎn)子磁勢F2的幅值及它們在空間的電角度φ1、φ2，就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩，（P為磁極對數(shù)）。F1或F2的幅值可以通過控制異步電機定子三相電流的幅值來實現(xiàn)，φ1、φ2可通過控制三相電流瞬時相位來實現(xiàn)，因此，只要能對三相電流實施瞬時控制就能實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的瞬時控制。

2 矢量控制方案

矢量控制的基本思想是通過坐標(biāo)變換的方法把異步電機定子電流矢量分解成解耦的按轉(zhuǎn)子磁場定向的勵磁電流與轉(zhuǎn)矩電流兩個直流分量，然后，分別控制這兩個直流分量實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的控制，從而達(dá)到調(diào)速目的。

圖1 活套式拉絲機工作原理

三相交流異步電機是一個多變量、高階、強耦合、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，可以通過CLARK、PARK、旋轉(zhuǎn)矢量坐標(biāo)變換的方法簡化成M-T軸系下的數(shù)學(xué)模型：

因為實際當(dāng)中采用的是籠型電機，所以，轉(zhuǎn)子電壓為零，即urm＝urt＝0，進(jìn)而推導(dǎo)出矢量控制系統(tǒng)所依據(jù)的控制方程

這樣，可將三相靜止坐標(biāo)系下的交流繞組等效為兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流繞組。當(dāng)三相繞組通入的電壓、電流為正弦函數(shù)時，在M-T坐標(biāo)系中得到的電壓、電流變量為純勵磁、轉(zhuǎn)矩直流標(biāo)量，二者完全解耦，互不影響，為矢量控制取代直流控制提供了理論依據(jù)。

M-T軸系按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，M軸定向時由于轉(zhuǎn)子的角速度并不等于轉(zhuǎn)子磁鏈的角速度，所以，需利用可以測量的轉(zhuǎn)速信號，通過轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型，實時計算轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值與相位，從而實現(xiàn)定向。

3 具體設(shè)計內(nèi)容

3.1 電機的選型

拉絲機采用變頻電機拖動。目前，市場份額較大的產(chǎn)品主要有西門子與三菱兩大品牌，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后選擇三菱電機。經(jīng)實際測算，拉絲機需要提供90KW功率，按照電機容量略有裕度的原則，電機選定為110KW，額定電壓400V。交流電機的額定電壓的選擇是按照業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的“交流電機的額定電壓按照額定功率來選擇的原則”。一般情況下，200KW以下交流電機選用380V額定電壓，200KW以上交流電機才選用10KV額定電壓。

3.2 控制方案的確定

根據(jù)“電機功率在75KW以下選用電壓型變頻器、280KW以上選用電流型變頻器、75～280KW之間根據(jù)實際情況決定”的原則，設(shè)計方案選用通用型交-直-交電壓型變頻器，原因是技術(shù)成熟、便于學(xué)習(xí)掌握。其主回路包括變頻電機、整流單元、濾波回路、逆變單元、制動單元、啟動單元，控制回路包括ARM微控制器、信號檢測單元等、電流環(huán)、速度環(huán)雙環(huán)控制。

3.3 變頻電路的設(shè)計

1）逆變單元是變頻電路的核心部件。由于智能功率模塊（IPM）采用高速、低耗的IGBT芯片和優(yōu)化的門極驅(qū)動，還具備過熱保護(hù)、短路保護(hù)等功能，安全運行的可靠性很高，故逆變單元選用三菱公司的智能功率模塊。IPM是按照“根據(jù)IPM的過電流動作數(shù)值來確定峰值電流及適當(dāng)?shù)臒嵩O(shè)計以保證結(jié)溫峰值永遠(yuǎn)小于最大結(jié)溫額定值（150℃），使基板的溫度保持低于過熱動作數(shù)值”的原則來選用的。

峰值電流ICM由電機額定功率P、變頻器最大過載因數(shù)OL、電流脈動因數(shù)R、功率因數(shù)cosφ、三相交流線電壓UAC而決定。

計算可得，峰值電流約515A，所以選擇三菱PM600HSA120模塊，其額定電流600A、承受電壓1200V、最小過電流動作數(shù)值740A。該模塊為單管封裝，故需要6塊。

2）整流單元由于直流母線不需要調(diào)壓，所以，選用二極管三相橋式全波整流電路，整流后的直流母線電壓約519V。因此，選用三菱RM200DA-20F整流模塊，其額定電流為200A，最高反向電壓1000V，完全滿足電機額定電流的要求。

3）濾波環(huán)節(jié)：電壓型變頻器的直流母線采用電解電容進(jìn)行濾波。濾波電容量由電容放電時間tf、直流電壓波動幅度a%與變頻器等效電阻R決定。

經(jīng)計算，電容放電時間tf約2ms、變頻器等效電阻R約2Ω、直流電壓波動幅度a%設(shè)定為5%，最終可得電解電容應(yīng)至少約為20720uF。為此，選擇14支400V、6800 uF鋁電解電容，兩個串聯(lián)為一組，七組并聯(lián)。

4）制動電阻與啟動電阻的選用：一般認(rèn)為電機制動時最大有70%的能量消耗于制動電阻R，R由直流母線最大電壓U、電機額定功率決定。

制動時直流母線最大電壓約700V，經(jīng)計算，R約為7Ω、70KW，選用富士制動單元BU132-4C，能夠與110KW～132KW電機配套使用。

啟動電阻是為了限制變頻器送電時產(chǎn)生的較大的充電電流，電容充電結(jié)束后，會通過晶閘管將啟動電阻短路。一般情況下，啟動電阻在10～50Ω、10～50W。

5）控制電路選用荷蘭飛利浦公司生產(chǎn)的LPC2210芯片。它是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，用來完成矢量控制計算、PWM脈沖的產(chǎn)生、相關(guān)電流、電壓的檢測處理。

6）轉(zhuǎn)速檢測元件的選型是速度閉環(huán)控制的關(guān)鍵，轉(zhuǎn)速檢測的精度將直接影響調(diào)速系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍、改善低速平穩(wěn)性，要求測速元件低速輸出穩(wěn)定、紋波小、線性度好。比較后選用光電脈沖編碼器，其原因是可直接與計算機接口，不需要A/D轉(zhuǎn)換，抗干擾能力強、測速范圍廣、低慣量、低噪聲、高分辨率。

3.4 軟件設(shè)計

矢量控制系統(tǒng)的程序設(shè)計包括主程序與中斷服務(wù)程序及各個子程序。

1）系統(tǒng)主程序設(shè)計采用順序式結(jié)構(gòu)往復(fù)運行，運行中可被中斷，執(zhí)行完中斷子程序后返回斷點處繼續(xù)執(zhí)行主程序。主要功能包括系統(tǒng)對ARM及其外圍設(shè)備進(jìn)行初始化工作，然后設(shè)置相應(yīng)允許中斷、必要的運行參數(shù)和控制循環(huán)標(biāo)記的設(shè)置，之后進(jìn)入后臺等待狀態(tài)，隨時響應(yīng)各中斷，運行中斷程序。

2）矢量控制中斷服務(wù)程序包括CLARK變換、PARK變換、SVPWM調(diào)制、轉(zhuǎn)子磁鏈位置計算、T軸與M軸電流PID調(diào)節(jié)等程序。其工作過程為：電流采樣、速度采樣均由定時器下溢中斷觸發(fā)。定時器下溢中斷服務(wù)模塊的主要工作是將采集的電流信號處理為電壓信號，作為電流環(huán)的反饋信號；按矢量控制計算得到轉(zhuǎn)子磁場角、定子電流轉(zhuǎn)矩分量與勵磁分量；空間矢量模塊通過判斷電壓矢量的大小和位置決定電壓實時調(diào)制脈寬和載波頻率，從而輸出變壓、變頻的PWM波。

圖2 電機帶載過程的相電流波形及轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)曲線圖

3）故障處理中斷程序的設(shè)計：系統(tǒng)出現(xiàn)故障報警時，使系統(tǒng)產(chǎn)生中斷，CPU響應(yīng)中斷，完成讀取故障寄存器判斷故障的原因，對PWM寄存器進(jìn)行相應(yīng)操作，封鎖PWM信號，斷開主電路。

4 實際效果

如圖2所示，在運行過程中，電機實際電流波形基本為正弦波，雖略微有些毛刺，但高次諧波含有率小于5%，不會對計算機等產(chǎn)生干擾，電機的脈動轉(zhuǎn)矩較小、發(fā)熱情況正常，沒有產(chǎn)生不良后果。

實際轉(zhuǎn)速波形與給定轉(zhuǎn)速波形也非常接近，實際轉(zhuǎn)速能實現(xiàn)對給定轉(zhuǎn)速的良好跟蹤。動態(tài)過程的超調(diào)量控制在2%～5%，調(diào)整時間在0.2～0.5s，振蕩次數(shù)基本為1次，說明系統(tǒng)動態(tài)過程平穩(wěn)。實踐證明，技術(shù)改造結(jié)果完全滿足生產(chǎn)過程的動態(tài)指標(biāo)。

由于使用封閉式交流電機，電機因生產(chǎn)環(huán)境導(dǎo)致的短路故障大為下降，節(jié)省了大量的故障維修費用；由于沒有電刷、換向器，電機日常維護(hù)量也大幅度減少，節(jié)省了大量的備品備件及人工費用。

[1] 李華德. 交流調(diào)速控制系統(tǒng)[M]. 電子工業(yè)出版社,2004：94-147.

[2] 周立功. 周立功ARM培訓(xùn)精華[Z]. 廣州周立功有限公司,2008.

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