CN101777869A

CN101777869A - 一种适用于振动时效的交流变频控制方法

Info

Publication number: CN101777869A
Application number: CN201010011477A
Authority: CN
Inventors: 郝俊山
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-01-19
Filing date: 2010-01-19
Publication date: 2010-07-14

Abstract

本发明公开了一种适用于振动时效的交流变频控制方法，该方法是下位机根据正弦函数y＝A(sinx+ksinNx，N＝1，2，3，…)设置函数波特表，这样使下位机驱动功率模块的交流信号包含一个高次谐波；当上位机给下位机一个转速指令时，下位机按顺序调用数组中的点输出一个正弦波，控制功率模块输出的交流信号是由下位机通过寄存器移位法自动查函数波特表输出的功率模块的驱动方波。本发明是通过改变下位机的运算方法，提高单片机转速稳定速度，使单片机节约了大量运算正弦函数的资源，提高了CPU处理速度，稳速速度大幅提高，抑制了自感高次谐波对母线输出的影响，弥补了功率模块开关的延迟和死区损耗，有效提高了功率模块的驱动能力，满足振动时效工艺的要求。

Description

一种适用于振动时效的交流变频控制方法

技术领域

本发明涉及一种交流电机在振动时效中应用的变频控制方法。

背景技术

振动时效(Vibrating Stress Relief，简称VSR)，旨在通过专业的振动时效设备，使被处理的工件产生共振，并通过这种共振方式将一定的振动能量传递到工件的所有部位，使工件内部发生微观的塑性变形--被歪曲的晶格逐渐回复平衡状态，位错重新滑移并钉扎，从而使工件内部的残余应力得以消除和均化，最终防止工件在加工和使用过程中变形和开裂，保证工件尺寸精度的稳定性。

传统的振动时效是通过使用直流有刷永磁电机的旋转带动固定在工件上的激振器的偏心块产生周期性激振力，使工件共振。但这种直流电机由于采用电刷换向，在转动时有噪音，同时由于在振动时效时电机需承受强烈振动，电刷处很容易产生火花，烧毁电刷和电枢头。由于这些缺点和普通交流异步电机的许多优良特性，人们一直在积极研究将普通交流异步电机用于振动时效，如中国专利文献CN1105706公开的《交流电动机驱动式振动时效处理零件的方法及设备》和CN200945478Y公开的《一种新型振动装置》，都是通过中央处理器(单片机或微机)对变频电路的电源进行控制，对振动时效的指令进行处理，将产生的电信号直接控制变频电路，变频电路对工频电压进行变频后输出给交流电动机。普通异步交流电机用于振动时效，它可获得较直流电机更大的激振力，可承受较直流电机更强的振动，更宽的频带，同时可以恒转矩工作，是其在低频下即可获得很大的激振力，有效解决了高刚性工件和超大型工件振动时效的难题。同时由于交流电机无刷，在工作时无噪音，无火花，使其使用寿命更长，还有免维护的优点。但用普通的变频器驱动交流电机存在稳速精度低、过峰能力不足、成本高等问题，所以一直以来没有得到推广使用。

目前，交流电机的转速控制是通过单片机控制功率模块(IGBT)输出一个频率和电压都受控的标准交流信号给交流电机，交流电机上设置有与单片机连接的转速传感器，形成一个闭环控制回路。其中单片机控制功率模块IGBT的信号是由通过单片机的CPU(中央处理器)计算正弦函数y＝Asinx(y为驱动信号电压，A为电压幅值，X为相位角)发出的，电机运转时单片机按设定输出对应频率和电压的交流信号驱动交流电机转动，交流电机上转速传感器将转速信号反馈给单片机，单片机通过对交流电机即时转速和控制转速的不断比较来稳速。

众所周知，交流电机的稳速是个复杂过程，稳速的时间取决于多种因素(IGBT的响应速度，CPU处理速度，函数y＝Asinx的运算速度和转速比较速度等等)，由于这些原因，用传统变频控制方法无法满足振动时效设备对调速和稳速的要求。同时由于受IGBT开关速度和死区时间的影响，实际输出并不是正弦波。在变频驱动交流电机的定子绕组时还会产生高次谐波，使变频器的驱动能力并没有理论计算的那么高，无法满足在共振峰时电机能量的输出要求。

中国专利文献CN101232270公开了一种《交流变频器的变频控制方法》，是在磁通跟踪脉宽调制实现磁通和转矩的双闭环控制过程中导入基波降音调控制，即载波自动调制技术，控制过程如下：检测逆变器与电动机之间的电压和电流物理量，到变换器计算后送入基波控制器，经计算脉冲宽度调制的基频幅宽后控制磁链和电磁转矩比较器，实现载频与脉宽的自动调制。该《交流变频器的变频控制方法》是使交流电机转矩的动态和稳态性能都得到改善，是基于磁通电流矢量和直接转矩控制的变频控制方法。不能用于振动时效时的稳速，与V/F控制模式相差甚远。

发明内容

本发明针对现有普通交流异步电机在用于振动时效时的稳速技术存在的问题，提供一种简便可靠、稳速速度高、能够满足在共振峰时电机能量输出要求的适用于振动时效的交流变频控制方法。该方法是基于V/F变频控制模式的改进方法，可使普通交流异步电机能经济安全的适用于振动时效设备中。

本发明的适用于振动时效的交流变频控制方法，是：

通过下位机控制功率模块输出一个频率和电压都受控的交流信号给交流电机，交流电机上设置有与下位机连接的转速传感器，交流电机上的转速传感器将转速信号反馈给上位机，上位机通过对交流电机即时转速和控制转速的不断比较来稳速；下位机根据正弦函数y＝A(sinx+ksinNx，N＝1，2，3，…)设置函数波特表，其中y为驱动信号电压、A为电压幅值、X为相位角、K为输出电压增量系数，这样使下位机驱动功率模块的交流信号包含一个高次谐波；采用寄存器移位法实现自动查函数波特表，当上位机给下位机一个转速指令时，下位机按顺序调用数组中的点输出一个正弦波，控制功率模块输出的交流信号是由下位机通过寄存器移位法自动查函数波特表输出的功率模块的驱动方波。

输出电压增量系数K的取值是根据交流电机在振动时效共振区附近交流电机产生的高次谐波的大小而确定的，取值为1/4-1/2之间，不同类型和功率的交流电机取值也有差异。

所述函数波特表的设置过程如下：

定义1024个数值，组成一个完整的正弦周期，在频率输出时按顺序调用数组中的点就能输出一个正弦波，调用的速度越快输出的正弦波频率越高，通过计算正弦函数y＝A(sinx+ksinNx，N＝1，2，3，…)得到一个有1024点的函数波特表。

所述采用寄存器移位法实现自动查函数波特表的具体过程是：

将指向波特表的指针定义为Sine_PC，这个寄存器每次加n就会得到下一个点的位置，由上位机的转速指令给下位机寄存器F_wdc，F_wdc是个15位寄存器，对应0到12000转，下位机将F_wdc寄存器内的数据左移11位后转存到Delta_Phase寄存器内，Delta_Phase寄存器内的数据在中断时累加一次到Phase变量中，Phase为32位寄存器，因为F_wdc要右移11位才能符合理论计算结果，而左移了11位，所以对Phase要右移22位才能得到结果，得到Sine_PC，正好剩下10位，10位的最大值是1024，不会超过整个正弦波表，用Sine_PC做指针就能够自动查函数波特表了。

上述控制方法，当包含高次谐波的驱动信号通过功率模块输出到交流电机绕组时，与绕组自感产生的高次谐波相抵消，抑制自感高次谐波对母线输出的影响，同时由于这个高次谐波使正弦函数发生畸变，相当于使功率模块IGBT的开关量超前放大，弥补了功率模块IGBT开关的延迟和死区损耗，以提高功率模块IGBT的驱动能力。

本发明是通过改变单片机的运算方法，提高单片机转速稳定速度，使交流电机的稳速精度达到了±1rmp；在变频控制时采用寄存器移位法实现自动查函数波特表输出功率模块的驱动方波，使单片机节约了大量运算正弦函数的资源，提高了CPU处理速度，稳速速度大幅提高。由于该驱动信号已包含一个高次谐波，当该信号通过功率模块输出到电机绕组与绕组自感产生的高次谐波相抵消，有效地抑制了自感高次谐波对母线输出的影响，同时由于这个高次谐波使正弦函数发生畸变，等于使功率模块的开关量超前放大，弥补了功率模块开关的延迟和死区损耗，有效提高了功率模块的驱动能力。

附图说明

图1是本发明的交流变频控制原理图。

图2是本发明中的寄存器移位流程图。

具体实施方式

本发明的适用于振动时效的交流变频控制方法，主要是通过改变单片机的运算方法，提高单片机转速稳定速度，使电机的稳速精度达到±1rmp；为了简化电路和减低成本，本发明采用软件进行控制，并结合振动时效设备的特点，在变频控制时采用寄存器移位法实现自动查函数波特表的方法输出功率模块IGBT的驱动方波，这就使单片机节约了大量运算正弦函数的资源，提高了CPU处理速度，稳速速度大幅提高。

图1给出了本发明的交流变频控制原理，是通过下位机(单片机)控制功率模块(IGBT)输出一个频率和电压都受控的标准交流信号给交流电机，交流电机上设置有与下位机(单片机)连接的转速传感器，形成一个闭环控制回路。交流电机上的转速传感器将转速信号反馈给上位机，上位机通过对交流电机即时转速和控制转速的不断比较来稳速。其中下位机的程序中根据正弦函数y＝A(sinx+ksinNx，N＝1，2，3，…)(其中y为驱动信号电压、A为电压幅值、Z为相位角、K为输出电压增量系数)设置函数波特表，为了能根据转速高低自动取点，采用寄存器移位法实现自动查函数波特表。当上位机给下位机一个转速指令时，下位机只要按顺序调用数组中的点就能输出一个正弦波，这个正弦波转化为对应频率和电压的交流信号驱动方波控制功率模块IGBT，交流电机就能按设定转速转动。

为了消除交流电机的绕组产生的高次谐波的影响，必须提高功率模块IGBT输出母线的利用率。在硬件不改变的前提下，本发明提出在变频控制时，下位机(单片机)根据正弦函数y＝A(sinx+ksinNx，N＝1，2，3，…)设置函数波特表，使下位机驱动功率模块的信号包含一个高次谐波；再采用寄存器移位法实现自动查函数波特表法输出功率模块的驱动方波。由于这个驱动功率模块的交流信号包含一个高次谐波，这个高次谐波的大小由输出电压增量系数K决定，K的取值是根据交流电机在振动时效共振区附近电机产生的高次谐波的大小而确定的，取值约为1/4-1/2之间，不同的电机取值也有差异。

当该包含高次谐波的驱动信号通过IGBT输出到电机绕组与绕组自感产生的高次谐波相抵消，有效地抑制了自感高次谐波对母线输出的影响，同时由于这个高次谐波使正弦函数发生畸变，等于使IGBT的开关量超前放大，弥补了IGBT开关的延迟和死区损耗，有效提高了功率模块IGBT的驱动能力。

本发明直接由计算机软件采用寄存器移位法实现自动函数查波特表法输出控制方波，具体控制过程如下：

下位机(单片机)程序中根据正弦函数y＝A(sinx+ksinNx，N＝1，2，3，…)定义了1024个数值，组成了一个完整的正弦周期。当上位机给下位机一个转速指令时，下位机只要按顺序调用数组中的点就能输出一个正弦波。可以看出调用的速度越快输出的正弦波频率越高。但是，如果要输出200HZ和更高的频率，调用每个点的频率达到了200×1024＝204.8KHZ，IGBT的开关频率也要达到204.8KHZ才能使每个点都能输出。实际上IGBT无法达到，频率越高开关损耗也大大增加。而且在每个频率周期内单片机还要进行大量的运算以确定要输出的占空比，运算速度也跟不上。随着频率的升高会有许多点没用，为了节约成本和提高CPU计算速度，直接由软件采用寄存器移位法实现自动查函数波特表法输出功率模块的驱动方波。通过采用寄存器移位法的变换，输出频率就可大幅减低，根据IGBT和单片机等的综合考虑将输出频率定到了10KHZ-20KHZ。这样的话每个开关周期只有50uS-100uS。单片机的指令处理速度至少要达到nS级。现在所用的单片机速度是约几十个nS一条指令。这样在每个开关周期下能处理1000多条指令。速度够用了。

随着频率的升高，正弦曲线波特表的许多点没用，直接跳点输出就可以了。频率输出是连续的，最好的办法是随着频率变化能够自动变化取点个数。

前面讲过正弦波的一个周期最多取点1024个点，通过计算正弦函数y＝A(sinx+ksinNx，N＝1，2，3，…)得到一个有1024点的函数波特表。用一个10位二进制数正好表示，当继续加时会溢出，重新自动进入下一个周期正弦波的取点。

假设固定的中断时间表示为t，不同转速下的取样点数表示为N，对应的正弦周期表示为T，可得到：N＝T/t，每次取样要跳过的点数表示为n，可得：n＝1024/N。

为了实现自动查波特表，本发明使用寄存器移位法根据上位机的转速指令自动从波特表中取点，可快速输出驱动波形的变化，提高转速控制速度。

由上位机的转速指令给下位机寄存器F_wdc，F_wdc是个15位寄存器，对应0到12000转。转速表示为S，F_wdc内的二进制数用R_BIN表示。可得到：T＝60/S。

将12000/32768(2¹⁵)＝0.3662109375设为系数β，可得：R_BIN＝S/β。这就是转速的二进制表示法。变形一下就是：S＝R_BIN*β。

将公式N＝T/t、T＝60/S和R_BIN＝S/β变换代入n＝1024/N，得到：n＝1024*t**R_BIN*β/60。

寄存器移位过程如图2所示。程序中指向波特表的指针定义为Sine_PC。这个寄存器每次加n就会得到下一个点的位置。如果是在程序中直接套用这个公式来计算也可以，但会耗费单片机的时间。为了更快的实现这个过程，可采用移位的办法。寄存器右移一位等于除以2。例如：2048是2的11次方。以上结果相当于将F_wdc右移11位。上位机发出一个转速指令给下位机的F_wdc寄存器，下位机将F_wdc寄存器内的数据左移11位后转存到Delta_Phase寄存器内，Delta_Phase寄存器内的数据在中断时累加一次到Phase变量中，Phase为32位寄存器，因为F_wdc要右移11位才能符合理论计算结果，而又左移了11位，所以对Phase要右移22位才能得到结果，得到Sine_PC，正好剩下10位，10位的最大值是1024，不会超过整个正弦波表。用Sine_PC做指针就可以查表了。

Claims

1.一种适用于振动时效的交流变频控制方法，是通过下位机控制功率模块输出一个频率和电压都受控的交流信号给交流电机，交流电机上设置有与下位机连接的转速传感器，交流电机上的转速传感器将转速信号反馈给上位机，上位机通过对交流电机即时转速和控制转速的不断比较来稳速；其特征是：下位机根据正弦函数y＝A(sinx+ksinNx，N＝1，2，3，…)设置函数波特表，其中y为驱动信号电压、A为电压幅值、X为相位角、K为输出电压增量系数，这样使下位机驱动功率模块的交流信号包含一个高次谐波；采用寄存器移位法实现自动查函数波特表；当上位机给下位机一个转速指令时，下位机按顺序调用数组中的点输出一个正弦波，控制功率模块输出的交流信号是由下位机通过寄存器移位法自动查函数波特表输出的功率模块的驱动方波。

2.根据权利要求1所述的适用于振动时效的交流变频控制方法，其特征是：所述输出电压增量系数K的取值为1/4-1/2。

3.根据权利要求1所述的适用于振动时效的交流变频控制方法，其特征是：所述函数波特表的设置过程如下：

4.根据权利要求1所述的适用于振动时效的交流变频控制方法，其特征是：所述采用寄存器移位法实现自动查函数波特表的具体过程是：

将指向波特表的指针定义为Sine_PC，这个寄存器每次加n就会得到下一个点的位置，由上位机的转速指令给寄存器F_wdc，F_wdc是个15位寄存器，对应0到12000转，下位机将F_wdc寄存器内的数据左移11位后转存到Delta_Phase寄存器内，Delta_Phase寄存器内的数据在中断时累加一次到Phase变量中，Phase为32位寄存器，因为F_wdc要右移11位才能符合理论计算结果，而左移了11位，所以对Phase要右移22位才能得到结果，得到Sine_PC，正好剩下10位，10位的最大值是1024，不会超过整个正弦波表，用Sine_PC做指针就能够自动查函数波特表了。