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摘要:在分析考虑铁损时电梯异步电机在同步旋转坐标系下的数学模型的基础上，通过研究不同运行工况下电机损耗与转子磁链的关系，实现了矢量控制变频调速异步电机的最优控制。为了进一步提高电机的调速性能，根据电机矢量控制的基本原理，利用数字信号处理器和智能功率模块给出了矢量控制的硬件实现，并阐述了系统的软件实现方法。实验表明，电梯用异步电机矢量控制变频调速系统运行平稳，具有良好的静态和动态特性，可广泛应用于电梯用电机驱动的电气传动系统中。
关键词:电梯用异步电动机；矢量控制；铁损；最优控制
电梯VVVF调速电机的最优控制
基于DSP & amp英寸/分钟（inches per minute的缩写）
0简介
随着城市建设行业的发展，对高层建筑电梯电机调速系统的要求越来越高。由于数字分析方法和工具的限制，在建立电梯用异步电动机的动态数学模型和仿真模型时，通常忽略铁损。电梯用异步电机确实存在铁损，铁损会使输出转矩产生偏差，影响控制精度[1]。同时，矢量控制的实现需要实时完成许多功能，如坐标变换、电流和速度检测、磁链估计、PWM信号产生和故障保护等，因此控制算法涉及大量的实时计算。在过去，这种用于交流电梯的高性能异步电机控制系统的实现结构相当复杂[2]。近年来，由于微电子和计算机技术的进步，特别是具有强大计算能力的数字信号处理器(DSP)和智能功率模块(1PM)的出现，使得设计结构简单的矢量系统成为可能。本文详细阐述了矢量控制系统的硬件组成和优化算法的软件设计方法。实验结果表明，该矢量控制系统具有优良的动静态调速性能，是目前实时性强、性能优良的调速系统。变频调速电梯节能、提升速度快、平层准确、舒适性好，提供了动力保障。
1控制原理
1.1电梯用异步电动机在同步旋转坐标系dq轴考虑铁损的数学模型。
根据交流电机理论，通过坐标变换，电梯用异步电机可以等效为同步旋转坐标系dq轴上的两相电机模型。与常规dq轴电机模型相比，在定子上增加了两个铁损等效绕组，从而可以得到如图1所示的考虑铁损的同步旋转坐标系下的异步电机dq轴等效电路[3]。
图1同步旋转坐标系下考虑铁损的异步电动机dq轴等效电路
设dq轴的转速等于定子的同步角速度ω1，转子的角速度ω r，DQ轴相对于转子的角速度ωs =ω1-ωr，即转差。然后根据上述等效电路，推导出异步电动机在任意两相同步旋转坐标系下的数学模型:
方程(a)～(e)构成了考虑铁损时异步电动机在任意同步旋转坐标系中的动态数学模型。
1.2通量优化模块
因为电机的总损耗等于输入功率和输出功率之差，也就是说
由上述公式可知，在假设电机参数不变的情况下，在一定的转子角频率和一定的负载转矩Te下，异步电机的可控损耗与转子磁链的大小有关。忽略机械损耗和杂散损耗，输出功率不变时异步电机效率最高[4]。
损耗的凸函数，所以上式的导数等于零，可以得到损耗最小的最优磁通；在…之中
2基于DSP &；智能功率模块的系统硬件设计
电梯异步电机矢量控制系统的硬件结构如图2所示。整个系统主要由三个模块组成:以智能功率模块PS21867为核心的主电路功率转换模块；以DSP为主要部件的运算控制模块；信号检测模块由增量式光电编码器和霍尔传感器组成。
电梯异步电机矢量控制系统硬件结构图。
2.1电源转换模块
系统主电路采用交流-DC-交流电压源变频变压电路。逆变电源器件选用的是三菱公司小型双列直插封装格式的IPM(PS21867)。这种新型DIP-IPM采用了最新的第五代IGBT技术，大大提高了其静态性能和动态性能。并且由于采用了最先进的亚微米功率芯片设计技术和优化的模块设计技术和封装技术，不仅可以直接连接到控制MCU端并由单电源自举，还可以使其输入逻辑有效地由低电平变为高电平。从而大大简化了接口电路设计，提高了逆变系统的性价比。
2.2操作控制单元
控制系统由数字信号处理器TMS320F2407A控制。TMS320F240是专为电机控制而设计的新一代微控制器。它拥有一个高性能的C2xLP内核，最高计算能力为40MIPS，并采用改进的哈佛结构和四级流水线操作。片内集成事件管理器包括三个独立的双向定时器，每个定时器都有独立的比较寄存器，支持产生可编程死区的PWM输出；四个捕获端口中的两个可以直接与来自光电编码器的正交编码脉冲相连；两个独立的10位16 A/ D转换器可以同时并行完成两路模拟输入的转换；片内集成串行通信接口(SCI)和串行外设接口(SPI)可用于与主机、外设和多处理器通信。TMS320F240的这些突出特性为高性能电机控制提供了理想的解决方案[2]。
2.3信号检测模块
由于受控电机采用星形连接，所以只需要检测两相电流()[2]。考虑到转换速度和精度，系统采用霍尔传感器测量电机的定子电流ia和ib，将ia和ib转换成电压信号，然后送入电平转换电路，将双极性电流信号转换成0-3.3 V单极性电平，送入TMS320LF2407A的A/D转换端口ADCIN2和ADCIN3进行采样，再将模拟信号转换成数字信号，然后进行数据处理。检测电路采用两级运算放大器LM358。在速度采样系统中，采用精度为1024p/r的增量式编码器检测转子位置，光电编码器输出的两路正交脉冲信号经差分放大后直接连接到DSP的QEP 1和QEP 2。
系统的软件实现
采用智能功率模块后系统主电路相对简单，所有控制算法都可以在TMS320LF2407A DSP中实时完成。该系统的LF2407A DSP控制部分的软件是在DSP集成开发环境CCS下用汇编语言编写的。整个软件主要包括初始化程序和下溢中断服务子程序。其软件结构如图5和图6所示。初始化程序完成DSP硬件和软件变量的初始化，并使能中断。中断服务程序由电流和速度检测信号处理、速度和流量调节、流量估算、坐标变换、PWM信号产生等几个功能模块组成。每个功能模块按照一定的顺序关系在固定的时间段内执行，程序由T1CNT的下溢中断启动。
图3初始化程序流程图
图4下溢中断服务子程序流程图
3.1 PI调节器的设计
PI调节是电机控制系统中最常用的控制器。调节器的目的是消除输出和输入之间的偏差，数字离散化后的算法如下:
其中KP是比例增益，KI是积分增益，t是采样时间。其原理如图5所示。
图5防止积分饱和的PI调节器
3.2控制器设计的优化
优化控制器的输出是为了提高程序的效率，采用C和汇编混合编程，用汇编语言编写除法和抽取子程序。首先求出最佳磁通，然后根据稳态求出最佳励磁电流。
3.3转子磁链位置的计算
矢量控制系统的控制性能很大程度上取决于磁场定向的精度。该系统利用转子磁链坐标系中的当前速度模型来估计转子磁链位置角，从而实现正确的磁场定向。磁链观测模型的方程为:其中为转子时间常数，Fs为转子磁链角频率与额定角频率之比，ωn为电气额定角频率，n为实际转子转速与额定转子转速之比。
3.4 SVPWM模块
TMS320LF2407A的每个事件管理器都有三个完整的比较单元，可输出六个带可编程死区的PWM波形。当定子相电压矢量的分量和扇区数已知时，可以通过电压空间矢量SVPWM技术产生PWM控制信号来控制逆变器。
4实验结果及分析
实验样机为2.2KW变频驱动电梯矢量控制异步电机调速系统，采用效率优化控制策略对其进行稳态运行实验。
本实验中电机空载运行，初始转速设定为1600 r/min，稳定运行后1.4s设定为1400 r/min。图6和7分别是输出线电流和输出线电压的实验波形。
图6输出线路电流
图7输出线电压
从图6和图7的实验结果可以看出，输出电流是良好的正弦波，输出电压是脉宽调制的正弦波。基波是绝对的主要成分，谐波成分较少。证明了本文提出的控制方法的有效性和可行性。
5结论
在分析考虑铁损的异步电机数学模型和磁链优化算法的基础上，设计了一种基于DSP和IPM的矢量控制变频调速系统，有效解决了实际矢量控制实现中计算量过大带来的实时性问题。该控制系统硬件结构简单、稳定可靠，具有动态响应快、控制精度高的优点。是一种理想的矢量控制实现方案，可广泛应用于以电梯电机为驱动装置的电力驱动，从而获得高精度的速度控制性能，为电梯节能、提升速度快、平层准确、舒适性好提供动力保障。
参考
[1]松濑幸树、谷口S、吉纯t。考虑铁损的感应电机高效运行的无速度传感器矢量控制。工业电气与电子工程师协会会刊。Appl，2001 37(2):548-557。
王小明，王玲。电机的DSP控制[M]。北京:北京航空航天大学出版社，2004。
[3]李颖，史卫国。变频电机运行效率及节能控制的研究[J].电气传动自动化，1999，21 (1): 21-25。
崔娜新。最小损耗变频驱动异步电动机快速响应控制研究[D].【博士论文】。山东:山东大学控制科学与工程学院，2005。